QY型氢氧机整体结构设计.docx

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QY型氢氧机整体结构设计

摘要

氢氧机是利用水电解产生氢气和氧气的电化学设备。

氢氧机包括：

电源系统、电解槽系统、汽水分离系统、冷却系统，控制系统、安全防回火系统以及氢氧机的附件等。

在整个氢氧机的设计过程中，论文主要完成了对氢氧机主体框架，面板及各种储液罐的设计，电路及管道绘制。

通过计算和分析对氢氧机的各个器件作出选择，在设计过程中完成了对主体框架外观的优化设计，例如设计面板时如何使使用的螺丝最少,螺丝不外漏,整体看起来漂亮美观而且方便拆装的问题，如何解决液循环结晶的问题，以及整体的布局设计问题等。

关键词：

氢氧机、主体框架、面板、电解槽。

Abstract

Oxyhydrogenmachineistheuseofelectrolysisofwatertoproducehydrogenandoxygenoftheelectrochemicaldevice.Oxyhydrogenmachineincludes:

powersupplysystem,steamseparationsystem,coolingsystem,controlsystem,safetytemperingsystemandhydrogenandoxygenmachineaccessories.

Inthewholeoftheoxyhydrogenmachinedesignprocess,Icompletedtheoxyhydrogenmachinemainframe,panelsandvariousliquidstoragetankdesign,circuitandpipingdrawing.Throughcalculationandanalysisofhydrogenandoxygenmachineeachdevicetomakeachoice,inthedesignprocessforthecompletionofthemainframeoftheappearanceoftheoptimizationdesign,suchashowtomakeuseofthedesignpanelscrewscrewnoleakageatleastoveralllookbeautifulinappearanceandconvenientassemblyanddisassemblyproblem,howtosolvetheproblemofcirculationofliquidcrystal,andtheoveralllayoutdesignproblems.

Keywords:

hydrogenandoxygenmachine,themainbodyframe,panel,electrolytictank

1概论

1.1氢氧机简介

氢氧机作为一种新兴的清洁能源制造机器，目前正处在一个高速发展的阶段。

水电解制氢技术自十九世纪处发明到现在，已经比较成熟了。

由于电解水制氢耗电成本较高，在众多的制氢技术中，其竞争力并不强，一般多用于氢氧纯度要求较高的场合。

但是如果要利用电解水提供的氢氧混合气进行金属的焊接，药剂拉丝封口，玻璃亚克力抛光等作业却有着明显的竞争优势，因为当前用于金属焊接，药剂封口等的助燃奇缘能耗高，价格贵，污染严重的乙炔气。

但是用水电解生成的氢氧混合气可比使用乙炔的成本节能

以上。

由于燃烧速度快、挺度好、火焰集中、所以整体焊接功能比乙炔氧焊有明显的提高。

而且由于水电解氢氧气不强调氢氧分开输出，从技术上提供了进一步提高电解效率的可能，这就意味着还有进一步降低运行成本的可能。

水电解氢氧发生器是现场随机产气，不储存气体，其安全性大大优于乙炔。

环保性和可再生性更是乙炔不可比拟的。

正因为乙炔在制备和使用过程给环境带来严重的污染，能耗高，价格贵，进你哪来全球都在大力开发可再生资源。

如韩国Best.Korea.公司生产的氢氧发生器已经成功用于韩国LG公司显示器玻璃亚克抛光。

台湾某公司水电解氢氧发生器也成功的应用于台湾公交改造。

随着科学的不断发展，和人民生活水平的不断提高，能源问题已经是一个越来越重要的问题，从19世纪开始人类开始了工业革命，伴随而来的是对能源的高开采，低利用，一个多世纪以来，地球现有的能源，例如，煤，石油，天然气等越来越少，而工业的告诉发展也造成了更严重的环境污染，不可再生资源已经越来越少，用一点少一点，所以在不久的未来开发新能源已经是一个迫切需要解决的问题，而我们的氢氧机，利用电解水生成氢气和氧气的基本原理，很好的解决了这个问题，不仅可以用再工业上，而且随着产品的不断发展改造，应用范围也越来越广。

例如做饭。

取暖。

更为重要的是氢氧机通过电解水产生氢气和氧气，氢气燃烧氧气助燃，能达到最高效的利用率，而且燃烧生成的是水，无污染，高环保，所以国家对这个产品也是高度重视，有很好的发展前途。

1.2氢氧机的发展现状及存在的问题

1.2.1氢氧机的发展现状

在未来热加工行业，因可再生能源的短缺势必迫使人们寻求新的可替代的能源。

而氢氧气因其自身所具备的环境特性和可再生性，会是一种理想的替代能源。

随着电解电源效率的大幅提高，以及人类对自然能源的消耗、开采与日俱增，不仅使悠闲地不可再生资源日显匮乏以至枯竭，而且也诱发导致了大量的二氧化碳排向地球大气层直接造成了全球气候变暖，这一极其严重的生态环境问题。

而目前用于金属焊接作业的主要气源如乙炔、丙烷、丙烯、天然气等，属于不可再生能源，不仅能耗高、价格贵，而且还对环境造成严重的污染，与目前人类提倡的“绿色环保，节能增效”相违背。

鉴于上述分析，氢氧机通过对水电解产生的大量青阳魂和，以此取代高耗能、高污染的乙炔气进行热加工操作，便显示出具有环保，高效，安全的优点。

无疑为21世纪火焰加工行业带来了一场革命，同时也为人类不断探求清洁绿色能源，治理环境污染添了一个新亮点。

从氢氧机的技术层面分析：

因自身不强调氢氧分离，所以在技术层面上大大降低了技术难度，同时也为机器设备进一步提高电能的使用效率增加了可行性。

在安全方面：

因氢氧机所产生的氢气、氧气混合气体都是随机产生，不储存气体，所以在安全性方面优于其他气体。

在焊接方面：

氢氧气与目前常用的乙炔混合气相比较，燃烧速度快，火焰集中、火焰挺度好，整体焊接功能与乙炔相比无多大差异。

综上所述，氢氧气因其自身具备的绿色环保和可再生性、高度安全性优良的金属焊接性和较好的经济性，势必成为21世纪替代金属焊接作业最理想的气源之一。

1.2.2氢氧机发展存在的问题

从上个世纪到现在，已有不少厂家陆续向市场推出了个字的电解水氢氧发生器。

但除了个别特定环境除外，水电解氢氧发生器并没有在市场上得到普及使用。

分析起来，有技术上的原因也有经济上的原因。

从技术角度分析，水电解氢氧发生器的工作包括了从原料水到将气输出到使用为止的全过程。

这相当于一个小型化工厂高度浓缩为一台机器，并要保证氢氧混合气的良好使用性能。

原理虽然简单，但技术复杂。

整个运行过程是一个动态的的平衡过程，稍有一点不慎，就会出现紊乱，就不能保证良好的使用性能。

电解水制氢技术从发明至今已经200多年历史了，但将水电解氢氧全过程用一台小型机器并现场用于切割才不过30余年。

上世纪八十年代美国、瑞士和前苏联相继开发出能现场进行的金属焊接的小型水电解氢氧发生器。

我国在上世纪八十年代和九十年代也曾出现过一个研发的小高潮。

初期，大多是用可控硅直流电源供电电效率比较低。

当时受制于材料和技术水平，电解槽不但做的笨重而且常有渗漏现象。

使得整机不但电耗较高，经济性较差，而且仍较笨重，可靠性不稳定。

到上世界90年代，随着逆变技术的发展成熟，IGBT逆变电源以及百分之九十以上的高效率，小型化的成本和更小的质量等优势，理所当然的成为了水电解庆阳发生器的直流电源。

同时材料的改进和制作技术的提高，使得水电解氢氧发生器电解槽渗漏问题得到解决，体积重量都大幅下降，效率也进一步提高，整机性能日趋成熟。

机器产能处于3.5

的水平，槽电压处于2-2.2v的水平产气性能也较为稳定。

但是处理房回火和机器的可靠想方面还需增强。

提高防回火性一直以来是水电解氢氧发生器所研发的技术难题之一，而它又直接关系到机器的使用安全性，这使得提高防回火可靠性成为研发的关键技术之一。

可靠性问题。

水电解氢氧发生器作为一种全新的设备面世，要让市场接受需要一个磨合期。

在这个磨合期中，机器的可靠性、稳定性成为关键作用的因素。

水电解氢氧发生器毕竟是要消耗电能的设备。

在电力紧张，电价较高的地区，其运行经济性的竞争力就会减弱。

目前水电解氢氧发生器的电效率还有提高的余地。

只有把点效率提高即把电耗降下来，氢氧机才更具竞争力。

也就是说还需要在电解槽的改进上进一步研究。

从经济上分析。

水电解庆阳发生器在市场上难以推广，除了技术原因外，还有一个更重要的经济原因。

那就是氢氧机的购机价格不菲。

目前产气量3-4方的机种报价在3.5-5万之间，一次投资可谓巨大，若使用乙炔或其他气源几乎不需要什么前期投资。

这个巨大的反差给厂主们蒙上了很大的心理阴影。

这很可能是氢氧机难于推广普及的原因。

22000型氢氧机的总体设计

2.1氢氧机的概述

随着现代工业的告诉发展能源问题已经是一个越来越重要和越来越严峻的问题，而地球上的可利用的资源又是有限的，例如，煤、石油、天然气、等都为不可再生资源或者短期内不可再生资源，过渡的开采和利用跟加剧了资源的流逝，而伴随着资源的过渡开采和利用，环境问题也越来越严峻，燃料利用率低，空气和水污染，已经严重的影响到了人们的生产和生活。

所以开发新能源无污染，已经是一个越来越急需解决的问题。

而氢氧机的产生很好的解决了这个问题，氢氧机采用电解水技术，通电从水中提取氢氧气体的能源设备，其中氢气作为燃料，氧气用于助燃，可以取代乙炔、煤气、液化气等含碳气体，具有热值高、火焰集中、零污染，生产效率高，节能方便等优点。

由于机器采用IGBT逆变电源，可以同时做为电焊使用，特别适合于各种综合加工与维修的场所。

随着科学的不断发展，和人民生活水平的不断提高，能源问题已经是一个越来越重要的问题，从19世纪开始人类开始了工业革命，伴随而来的是对能源的高开采，低利用，一个多世纪以来，地球现有的能源，例如，煤，石油，天然气等越来越少，而工业的告诉发展也造成了更严重的环境污染，不可再生资源已经越来越少，用一点少一点，所以在不久的未来开发新能源已经是一个迫切需要解决的问题，而我们的氢氧机，利用电解水生成氢气和氧气的基本原理，很好的解决了这个问题，不仅可以用再工业上，而且随着产品的不断发展改造，应用范围也越来越广。

例如做饭。

取暖。

更为重要的是氢氧机通过电解水产生氢气和氧气，氢气燃烧氧气助燃，能达到最高效的利用率，而且燃烧生成的是水，无污染，高环保，所以国家队这个产品也是高度重视，有很好的发展前途。

2.2氢氧机的基本工作原理

2.2.1氢氧机的基本工作原理

氢氧机简单的说就是通过电解水，生成氢气和氧气两种气体，氢气燃烧，氧气助燃，从而达到日常生活和工业生产的基本要求。

氢氧机的基本工作流程就是首先接入380v交流电压，通过稳压器、变压器、阻容板、变频器其中重要的环节是稳压变频器，因为电解水需要的是稳定的直流电所以输进电解槽的电流必须是恒定的，这样产生的气体才够稳定流畅，通过以上的电路环节可以把380v的交流电转变为24v和12v的直流电给氢氧机的各个部件供电，产生恒定的电流电解水。

这个环节也是氢氧机最重要的环节，所以接线路的时候一定要加倍小心。

有了稳定的电流还不行，必须还要依靠其他的部件才能完成氢氧机的整个工作流程，其他主要的部件有，储液罐、水罐、气液分离罐、阻火器、排污罐、冷凝器、水泵、电源等。

氢氧机的基本工作流程简单的说就是包括两个循环。

一个循环式液循环，一个循环式水循环也就是散热循环。

液循环的具体流程是从储液罐至水泵，然后至电解槽最后又从新回到储液罐的循环过程。

具体是用水泵将储液罐中的液体即碱液抽至电解槽，进入电解槽后进行电解，电解完成后将混合的液体和气体从新抽至储液罐，由于电解的时候会产生大量的热所以电解产生的气体和电解后的液体具有很高的温度所以要利用第二个循环进行散热的过程，也就是水循环。

图解如下：

图2-1液循环与水循环图

水循环即散热循环就是从水罐至储液罐至水泵至冷凝器从新将水输回到水罐的过程在这个过程中水罐中的水给储液罐中的液体散热，而冷凝器又将从储液罐中出来的热水散热，其实也就是两个散热的循环过程。

经过液循环和水循环也就是氢氧机的一个整体的工作循环过程，氢氧机的电解槽里面的液体是氢氧化钠液体，只需一次添加，后续使用的过程中只需往里面添入水即可无需其他原料，所以说氢氧机的原料非常简单随处可取。

而且无污染。

氢氧机的主要工作特点如下。

1）采用IGBT逆变电源技术，纯直流低压电解，可电焊、氧焊、氧割。

2）电解槽采用一体化设计，唯一接口的两边端板采用工业级法兰连接，彻底解决了电解槽热胀冷缩时的漏液漏气问题。

3）电解极板采用316L不锈钢基材外镀独特配比的镍钼硫合金材料

4）电解液采用氢氧化钾，并配置了独特的试剂，电解极板不再吸附杂质离子。

5）采用独特的电解槽直接换热技术（全球领先的第四代换热技术），保证电解槽恒温80度左右。

6）电解电源一体化，小巧设计，并内置阻容吸收及交流节电功能。

7）产气量按需可调，产气稳定。

8）多个测量仪表显示以及其他智能控制，尽为用户操作方便考虑。

9）内置精密过滤不锈钢减压阀，供气压力稳定可调，机内压力变化不影响用气设备的火焰[1]变化。

2.2.2氢氧机的具体操作使用

（1）开机

1）打开用户墙上的供电开关送电；

2）打开电源开关，启动氢氧发生器；

3）电源工作指示灯（Work）应亮，其他指示灯应不亮，风扇启动，磁力泵工作。

4）如其他灯亮，则属警告或异常。

系统根据不同的情况进行相应的处理。

a）加水指示灯（AddWater）亮（同时伴有蜂鸣器发出的警告声）,打开本机顶部的加水盖，从加水口加水至副水箱中，直到加水指示灯熄灭或副水箱加满为止。

如果是通过外置水源自动补水，则系统会自动打开电磁阀从外置水源补水至副水箱，直至补到指定位置，请确定外置水源有水且有一定的压力。

b）缺水指示灯（LackWater）亮，则说明主水箱缺水。

等待系统自动从副水箱补水到主水箱中（约0.5分钟左右）。

c）超温指示灯亮（OverTemperature）:

说明上次机器运转时，电解槽超温保护，尚没有冷却下来，继续等待，直至本故障指示灯熄灭。

d）过压指示灯亮（OverPressure）:

说明上次关机时，没有放掉余气，此时应打开用气设备阀门，放掉一部分余气，否则在下一步操作（设置电解电流）时，主机面板上不显示设置的电流，而是空载电流。

e）泵运行指示灯亮（PumpRuning）:

表示机器正在补水到主水箱或防回火罐中，属正常。

泵运行指示灯亮的时间应不超过3分钟，如超过3分钟，则属异常，可能的原因是副水箱缺水，导致高压隔膜泵抽不到副水箱中的水，无法完成补水的要求，因此泵一直在运转，试图抽到副水箱中的水。

（2）设置产气量

在打开电源开关，氢氧发生器自检完成（约10秒）后，可以设置产气量。

方法如下：

顺时针慢慢旋转电流调节旋钮，仪表指示产气量值的变化，根据用气量情况，设置合适的产气量（如采用上次设置，则可以不调）。

机器在正常用气的使用过程中，机器的压力表指示应高于0.03Mpa低于0.14Mpa。

（3）点火

缓慢打开用气设备的燃气阀，用手的背部试用气设备的出气口，有明显的气体压力输出即可点火。

点火可采用打火机点火或是点火器点火。

建议采用点火器点火（点火器在卖宾馆厨具的地方有买，是用于点宾馆厨房猛火炉的）。

在点火时，身体的任何部位均不能位于燃气喷出口覆盖的范围内，以防高温氢氧焰烧伤。

应该从燃气喷出口的侧边点火。

（4）熄火

　　较长时间不用时，应熄火。

（5）关机

1）确保用气设备巳熄火，如没有熄火，应先熄火。

2）关闭本机电源开关。

3）关闭用户墙上供电开关。

4）打开用气设备的燃气阀，排空氢氧发生器内余气后再关闭燃气设备的燃气阀。

操作注意事项：

1）本机外接电源为三相四线380V,不接零线会使机器不工作，缺相运行会损坏机器。

2）氢氧机的工作介质为纯净水，长期使用没有经过滤的自来水可能堵塞管道，建议使用纯净水可延长机器的使用寿命。

3）工作环境温度0-40C,通风良好，禁止在密闭环境中工作。

4）本机要求外电网有良好的防雷效果，否则雷击时应关机切断电源。

5）机器内严禁用水冲洗，只能用干净抹布或压缩空气清洁机器内灰尘。

6）开机作业时，机旁5m内不得吸烟或有其它火源。

如机器出气口或其它部位燃气着火后只需立即关掉电源即可（当机内余气燃尽后会自动熄灭）。

7）本机工作介质中有低浓度的

溶液，不慎溅上入体时，应立即用醋精冲洗，如是眼睛等敏感部位应用清水冲洗后立即就医。

因此，用户应随时准备几瓶食用醋精，以防不测。

8）禁止IGBT逆变电源过载使用，机载电源出厂时已调整好允许最大电流，用户不能随意改变其最大值。

9）禁止电压过高，外接电源过高会直接损坏机载IGBT逆变直流电源（一般在380V±10%下正常使用），如现场电压较高，可外接稳压器稳压至380V±10%。

10）电源如过载使用一段时间后，机器会自动保护，则应立即将电流调节旋钮调至最少，待风扇冷却电源内部后则可正常工作，但再次使用时，产气量不要调到先前那么大，避免再次过载。

11）机器副水箱水位低时，加水指示灯亮的同时蜂鸣器连续响，提示往副水箱中加纯净水（不是电解液），此时应立即向副水箱补充纯净水至加水指示灯灭了为止。

2.2.3氢氧机的注意事项

1）本机外接电源为三相四线380V,不接零线会使机器不工作，缺相运行会损坏机器。

2）氢氧机的工作介质为纯净水，长期使用没有经过滤的自来水可能堵塞管道，建议使用纯净水可延长机器的使用寿命。

3）工作环境温度0-40C,通风良好，禁止在密闭环境中工作。

4）本机要求外电网有良好的防雷效果，否则雷击时应关机切断电源。

5）机器内严禁用水冲洗，只能用干净抹布或压缩空气清洁机器内灰尘。

6）开机作业时，机旁5m内不得吸烟或有其它火源。

如机器出气口或其它部位燃气着火后只需立即关掉电源即可（当机内余气燃尽后会自动熄灭）。

7）本机工作介质中有低浓度的氢氧化钾（KOH）溶液，不慎溅上入体时，应立即用醋精冲洗，如是眼睛等敏感部位应用清水冲洗后立即就医。

因此，用户应随时准备几瓶食用醋精，以防不测。

8）禁止IGBT逆变电源过载使用，机载电源出厂时已调整好允许最大电流，用户不能随意改变其最大值。

9）禁止电压过高，外接电源过高会直接损坏机载IGBT逆变直流电源（一般在380V±10%下正常使用），如现场电压较高，可外接稳压器稳压至380V±10%。

10）电源如过载使用一段时间后，机器会自动保护，则应立即将电流调节旋钮调至最少，待风扇冷却电源内部后则可正常工作，但再次使用时，产气量不要调到先前那么大，避免再次过载。

11）机器副水箱水位低时，加水指示灯亮的同时蜂鸣器连续响，提示往副水箱中加纯净水（不是电解液），此时应立即向副水箱补充纯净水至加水指示灯灭了为止。

2.2.4氢氧机的保养与维护

1）一般情况下，每半年使用后将机器内电解液放出来换新液。

如工作正常（产气量无变化）则一年保养一次。

清洗换液操作请参见第十四章。

2）定期检查机器内管接头有否松动或漏气现象。

方法：

只需关闭用气设备的燃气阀门或直接堵住后面板的出气口后压力表指针到过压设定值，一般为（0.19Mpa）,5分钟后是否会往下坠。

如会，则机器有漏气；如不会，则机器使用情况正常，有漏气现象需重新紧固密封。

3）经常用干燥的压缩空气清洁电源和整机。

4）定时检查机器内电磁阀的开关情况，即在加水指示灯亮时其加水电磁阀是否有正常的磁吸现象。

3氢氧机的整体框架设计

3.1框架材料的选取

由于氢氧机上面要承受多个大型灌，比如水罐、储液罐、阻火器、冷凝器更为重要的是电解槽、电解槽的重量可达200公斤，所以所选取的框架材料要具有一定的刚度和强度说到材料的选取，我们先看下氢氧机框架的基本形状如下图所示。

图3-1框架主视图

氢氧机的整体外框架结构选取的是一个梯形结构，长度为1050mm，高度为950mm其中上部长度为750mm，右边的竖程为700mm。

具体就是图示所以部件1和部件6。

而由部件6和部件1的长度又决定了部件3的长度和角度。

具体的部件3也就是斜秤的倾斜程度是我们经过不挺的调节所决定的，根据上图的这个布局就决定了前面板的面积，由于这个图是侧视图，所以我们不能看到倾斜的面板，稍后我会为大家展现一个立体的三维视图，这样大家就能一看整体框架构型了。

考虑到外框架要承受较大的载荷。

框架的立体结构如下图所示。

图3-2框架的立体结构

从立体图上可以非常直观的看出整体框架的设计效果。

下面我们对框架进行总体的结构和受力分析计算。

由静力平衡公式知，两端支座反力F1=F2=QL/2

取梁最左端为坐标原点，并在梁上任意截面X处切开取左段为研究对象，则有FS=F1-QX=QL/2-QL（0

则该截面处弯矩M=F1x-qx2/2=qLx/2-qx2/2

由上式知任意截面处弯矩M=qLx/2-qx2/2

=-q/2（x-L/2）2

Max=qL2/8

根据以上公式可算出框架的机械轴的弯矩为：

M=q*（L-X）

由毕业设计题目可知，q属于集中应力，所以q=F=50/3N

因此，

M=50/3N*0.45m=7.515

根据参考文献可知：

D3=MC/0.1*[σ-1b]3-1

在此设计中，MC=M所以MC=7.515

同时[σ-1b]即为MC/W由题意可得D3=W/0.1查表可得

D=9.12mm但是要取整所以可知d=10mm

由以上可知d3=C3*p/n查表可得C=120设定轴的转速为1000r/min

P=d3*n/c3

所以p=103*1000/1203

由此可得p=0.57KW

因此框架满足设计的整体要求

3.2框架的组成及焊接

由于氢氧机框架要承受较大的载荷和挽力和应力所以要求框架具有一定的刚度和强度，原来我们的外框架采用的是40*40*4的角铁，而内框架则采用30*30*3的角铁，这样就保证了外框架牢固监考可以很好的支撑框架里面的各个小框架从而支撑各个零部件，但是框架完全采用角铁会使框架很重，看起来很不美观，而且在后续设置机器面板的时候也很不方便，所以为了减轻框架的总体重量和为以后面板的设计方便拆卸，所以我们采用1mm的钢板用折弯机折成类似U刑钢的形状，具体的就如下图所展示。

为了包成框架的美观以及牢固可靠和具有一定的观赏性，方便改造移动所以角铁的放置也很重要，而为了将储液罐、水罐等固定在角铁上，所以要在角铁上开一系列的小孔，大致可分为两种，直径为12.5的圆孔和总厂为30直径为12.5的椭圆形长孔，钻孔可采用大型冲压机冲压制造。

具体到各个角铁的生产出实际效果图如下图示：

图3-3框架零件图

如上图所示

图示为机器前面板两侧框架，采用的材料是1mm的钢板用折弯机对其进行加工，由于单一的钢板