CN109706457A - 一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置和方法，所述相变蓄热设备包括金属胆和置于金属胆中的换热金属盘管，所述金属胆内还盛放有作为蓄热介质的水合盐类相变材料，所述的防腐蚀装置包括直流电源、辅助阳极与参比电极，其中，所述直流电源的负极通过导线连接所述金属胆和换热金属盘管，所述辅助阳极***水合盐类相变材料中，并与金属胆和换热金属盘管电绝缘隔离。与现有技术相比，本发明实现了在高温强碱性溶液中同时保护不锈钢和铜金属等蓄热设备金属件，显著减小其电化学腐蚀速率，显著延长相变蓄热设备的使用年限，提高经济效益等。
Description
技术领域
本发明涉及相变蓄热设备防腐蚀处理，尤其是涉及一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置和方法。
背景技术
在相变储能设备领域，当设备在进行相变储能时，其采用的如水合盐类相变储能材料会形成高温液态电解液，进而对金属封装壳体产生明显的电化学腐蚀并最终导致材料泄露，造成不可挽回的经济损失。传统的防腐蚀手段为涂层、电镀等，但对施工工艺要求较高，实际保护效果并不理想。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置，相变蓄热设备包括金属胆和置于金属胆中的换热金属盘管，所述金属胆内还盛放有作为蓄热介质的水合盐类相变材料，所述的防腐蚀装置包括直流电源、辅助阳极与参比电极，其中，所述直流电源的负极通过导线连接所述金属胆和换热金属盘管，正极连接所述辅助阳极，该辅助阳极还***水合盐类相变材料中，并与金属胆和换热金属盘管电绝缘隔离，所述参比电极***蓄热介质内部，并在测量时连接外部电位测试设备的正极或负极。
优选的，所述的水合盐类相变材料为氢氧化锂、一水氢氧化钠或八水合氢氧化钡等中的一种或几种的组合。更优选的，水合盐类相变材料为八水合氢氧化钡，其储能密度高、相变温度适中、循环寿命长等。
优选的，所述的金属胆采用不锈钢制成，所述不锈钢选自不锈钢201、不锈钢304或不锈钢316的一种或几种的组合；优选的，所述的换热金属盘管为铜盘管或铜合金盘管。
更优选的，由于铜与不锈钢自腐蚀电位不同，前者较后者高约300mV，因而它们的保护电流密度会有所不同。理论上，要使不锈钢和铜在八水合氢氧化钡高温(90℃)溶液里免受电化学腐蚀，分别需要的保护电流密度为51mA/m2和38mA/m2。对于不锈钢与铜被保护面积比不同的情形，可以参考不锈钢的保护电流密度以实现同时保护铜的目的。不锈钢与铜被保护面积比越大，所需输出保护电流越大。如当金属胆与换热金属盘管的被保护面积比为9：10时，直流电源输出的保护电流密度为46mA/m2，此时，既能使不锈钢和铜的腐蚀速率减小至10-3mm/a，比未施加电子阳极保护的自然腐蚀速率下降一个数量级，且一个采暖季耗电量仅为5kWh。当金属胆与换热金属盘管的被保护面积比为4:3时，直流电源输出的保护电流密度为54mA/m2。此外，本发明对不锈钢焊缝腐蚀也能起到明显的保护，施加阴极保护的不锈钢焊缝的腐蚀速率较自然腐蚀速率减小5倍以上。而对于60％浓度的烧碱溶液，要在100℃高温下保护钢制储罐免受电化学腐蚀所需的电流密度为5A/m2，远远大于本发明所述电流密度。
另外，对于本发明的电子阳极保护技术，在相变蓄热材料放热结晶或吸热熔化过程，相应的相变材料的电导率会减小或增加，根据关系式：电流∝电压×电导率，在电压恒定下，输出电流能根据材料电导率的变化进行自调节，为被保护金属提供合适保护电流。
优选的，所述的直流电源的纹波系数小于5％，其为恒电位仪、恒电流仪、直流恒流电源、直流恒压电源、LED照明用直流电源或电源适配器等中的一种或几种的组合。
优选的，所述的直流电源为直流恒流电源或直流恒压电源。
优选的，所述的辅助阳极为纯镍、镍铬合金、镍硅合金、纯钨、钨合金、铂、镀铂铌或镀铂钛等中的一种或几种的组合；
所述的参比电极为纯镍、镍铬合金、镍硅合金、铂、镀铂铌或镀铂钛等中的一种或几种的组合。
优选的，所述的辅助阳极外套有使其与金属胆、换热金属盘管电绝缘隔离的绝缘套管，该绝缘套管上开孔并使辅助阳极与水合盐类相变材料接触。
优选的，所述的辅助阳极呈圆柱形或条带状。
优选的，所述的金属胆呈圆形或方形。
一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀方法，相变蓄热设备包括金属胆和置于金属胆中的换热金属盘管，所述金属胆内还盛放有作为蓄热介质的水合盐类相变材料，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)采用导线分别将金属胆和换热金属盘管连接直流电源的负极，同时，将所述直流电源的正极与***水和盐类相变材料中的辅助阳极连接，辅助阳极与金属胆和换热金属盘管保持电绝缘隔离，再将连接外部电位测试设备的正极或负极的参比电极***水和盐类相变材料中，完成电子阳极保护***构建；
(2)开启直流电源，并输出设定的保护电流密度，即实现对所述相变蓄热设备的防腐蚀保护。
电子阳极技术的应用主要是保护单一金属，在有两种或两种以上金属需要被保护时，其难点主要有两个：1、被保护金属自腐蚀电位不同，难以获得一个同时兼具两种以上金属保护效果的保护电流密度。此处本发明由于针对的对象为不锈钢材质的金属胆与铜材质的换热盘管，并通过实验研究发现，调节至一定的保护电流密度范围内可以实现对这两种金属同时保护，此外，不锈钢与铜被保护面积比越大，所需输出保护电流越大。2、所选辅助阳极要同时能使被保护金属产生稳定的阴极极化。本发明通过寻找合适的辅助阳极来解决。
与现有技术相比，本发明采用的辅助阳极材料、外加直流电源、参比电极均廉价易得且安装方便，可显著降低电子阳极保护***成本，有效减缓被保护金属的电化学腐蚀，延长相变蓄热设备的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的装置结构示意图；
图中，1-直流电源，2-导线，3-换热金属盘管，4-金属胆，5-蓄热介质，6-绝缘套管，7-辅助阳极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置，参见图1所示，相变蓄热设备包括金属胆4和置于金属胆4中的换热金属盘管3，所述金属胆4内还盛放有作为蓄热介质5的水合盐类相变材料，所述的防腐蚀装置包括直流电源1、辅助阳极7与参比电极，其中，所述直流电源1的负极通过导线2连接所述金属胆4和换热金属盘管3，所述辅助阳极7***水合盐类相变材料中，并与金属胆4和换热金属盘管3电绝缘隔离，所述参比电极***蓄热介质内部，测量时与外部电位测试设备正极或负极相连接。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的水合盐类相变材料为氢氧化锂、一水氢氧化钠或八水合氢氧化钡等中的一种或几种的组合。更优选的，水合盐类相变材料为八水合氢氧化钡。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的金属胆4采用不锈钢制成，所述不锈钢选自不锈钢201、不锈钢304或不锈钢316等的一种或几种的组合；优选的，所述的换热金属盘管3为铜盘管或铜合金盘管等。
更优选的，由于铜与不锈钢自腐蚀电位不同，前者较后者高约300mV，因而它们的保护电流密度会有所不同。理论上，要使不锈钢和铜在八水合氢氧化钡高温(90℃)溶液里免受电化学腐蚀，分别需要的保护电流密度为51mA/m2和38mA/m2。对于不锈钢与铜被保护面积比不同的情形，可以参考不锈钢的保护电流密度以实现同时保护铜的目的。如当金属胆4与换热金属盘管3的被保护面积比为9：10时，直流电源1输出的保护电流密度为46mA/m2，此时，既能使不锈钢和铜的腐蚀速率减小至10-3mm/a，比未施加电子阳极保护的自然腐蚀速率下降一个数量级，且一个采暖季耗电量仅为5kWh。当金属胆4与换热金属盘管3的被保护面积比为4:3时，直流电源1输出的保护电流密度为54mA/m2。此外，本发明对不锈钢焊缝腐蚀也能起到明显的保护，施加阴极保护的不锈钢焊缝的腐蚀速率较自然腐蚀速率减小5倍以上。而对于60％浓度的烧碱溶液，要在100℃高温下保护钢制储罐免受电化学腐蚀所需的电流密度为5A/m2，远远大于本发明所述电流密度。
另外，对于本发明的电子阳极保护技术，在相变蓄热材料放热结晶或吸热熔化过程，相应的相变材料的电导率会减小或增加，根据关系式：电流∝电压×电导率，在电压恒定下，输出电流能根据材料电导率的变化进行自调节，为被保护金属提供合适保护电流。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的直流电源1的纹波系数小于5％，其为恒电位仪、恒电流仪、直流恒流电源、直流恒压电源、LED照明用直流电源1或电源适配器等中的一种或几种的组合。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的直流电源1为直流恒流电源或直流恒压电源。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的辅助阳极7为纯镍、镍铬合金、镍硅合金、纯钨、钨合金、铂、镀铂铌或镀铂钛等中的一种或几种的组合；
所述的参比电极为纯镍、镍铬合金、镍硅合金、铂、镀铂铌或镀铂钛等中的一种或几种的组合。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的辅助阳极7外套有使其与金属胆4、换热金属盘管3电绝缘隔离的绝缘套管6，该绝缘套管6上开孔并使辅助阳极7与水合盐类相变材料接触。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的辅助阳极7呈圆柱形或条带状。
作为本发明的一种优选的实施方式，所述的金属胆4呈圆形或方形。
实施例1
一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置，利用勾住电子阳极***对相变储热设备进行防腐蚀保护，电子阳极***包括相变蓄热设备、直流电源1、辅助阳极7、参比电极。具体的，相变蓄热设备的金属胆4为方形304不锈钢，内置换热铜盘管，被保护的不锈钢与铜的表面积比为9:10，总被保护面积10.4m2。蓄热介质5优选八水合氢氧化钡相变材料。直流电源1要求纹波系数小于5％，优选LED用直流电源1，输入220V/50Hz，输出3.5V/1.0A。辅助阳极7优选Φ2.0的钨合金丝。参比电极优选Φ0.2铂金丝，用万用表测试被保护金属电位。
如附图1所示，为使不锈钢和铜免受电化学腐蚀，需将不锈钢材质的金属胆4和铜材质的换热金属盘管3用导线2与直流电源1的负极相连，辅助阳极7与直流电源1的正极相连，其长度与相变材料的竖直高度相当。另外，辅助阳极7与被保护金属之间必须进行电绝缘隔离。电绝缘措施优选直径Φ20的高密度聚乙烯套管作为绝缘套管6，绝缘套管6需开孔(Φ4)以便电解液与辅助阳极7间较好流通。电连接完毕，接通电源测试保护参数。采用保护电流密度为92mA/m2的情况下，既能使不锈钢和铜的腐蚀速率减小至10-3mm/a，比未施加电子阳极保护的自然腐蚀速率下降一个数量级，而对不锈钢焊缝腐蚀速率较自然腐蚀速率减小5倍以上。辅助阳极7消耗率为1.5kg/A a，与常用高硅铸铁、碳质填料等牺牲阳极材料相当。
实施例2
一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置，利用电子阳极***对相变储热设备进行防腐蚀保护，电子阳极***包括相变蓄热设备、直流电源1、辅助阳极7、参比电极。具体的，相变蓄热设备金属胆4为方形304不锈钢，内置换热铜盘管，被保护不锈钢与铜的表面积比为9:10，总被保护面积10.4m2。蓄热介质5优选八水合氢氧化钡相变材料。直流电源1要求纹波系数小于5％，优选LED用直流电源1，输入220V/50Hz，输出3.5V/0.5A。辅助阳极7优选Φ1.2的镍硅合金丝。参比电极优选Φ0.2铂金丝，用万用表测试被保护金属电位。
如附图1所示，为使不锈钢和铜免受电化学腐蚀，需将不锈钢材质金属胆4和铜材质的换热金属盘管3用导线2与直流电源1的负极相连，辅助阳极7与直流电源1的正极相连，其长度与相变材料的竖直高度相当。辅助阳极7与被保护金属必须进行电绝缘隔离。电绝缘隔离优选采用直径Φ20的高密度聚乙烯套管作为绝缘套筒，绝缘套筒需开孔(Φ4)以便电解液与辅助阳极7间较好流通。电连接完毕，接通电源测试保护参数。采用保护电流密度为46mA/m2的情况下，既能使不锈钢和铜的腐蚀速率减小至10-3mm/a，比未施加电子阳极保护的自然腐蚀速率下降一个数量级，而对不锈钢焊缝腐蚀速率较自然腐蚀速率减小5倍以上。采用本发明技术方案，一台相变蓄热设备一个采暖季耗电量仅为5kWh，可见成本较低。辅助阳极7消耗率为10.3g/A a，与常用铅合金牺牲阳极材料相当。
实施例3
一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置，利用电子阳极***对相变储热设备进行防腐蚀保护，电子阳极***包括相变蓄热设备、直流电源1、辅助阳极7、参比电极。具体的，相变蓄热设备金属胆4为方形304不锈钢，内置换热铜盘管，被保护不锈钢与铜的表面积比为3:4，总被保护面积28m2。蓄热介质5优选八水合氢氧化钡相变材料。直流电源1要求纹波系数小于5％，优选电源适配器，输入220V/50Hz，输出5V/1.5A。辅助阳极7优选Φ2.0的镍铬合金丝。参比电极优选Φ0.2铂金丝，用万用表测试被保护金属电位。
实施过程中，将不锈钢和铜用导线2与直流电源1的负极相连，辅助阳极7与直流电源1的正极相连，其长度与相变材料的竖直高度相当。辅助阳极7与被保护金属进行电绝缘隔离。电绝缘优选采用直径Φ20的聚四氟乙烯套管作为绝缘套管6，绝缘套管6需开孔(Φ4)以便电解液与辅助阳极7间较好流通。电连接完毕，接通电源测试保护参数。采用保护电流密度为54mA/m2的情况下，能使不锈钢和铜的腐蚀速率减小至10-3mm/a，不锈钢焊缝的腐蚀速率减小5倍以上。辅助阳极7消耗率为9.0g/A a，与常用铅合金牺牲阳极材料相当。
实施例4
与实施例1相比，除了金属胆4的材质采用不锈钢201外，其余均一样。
实施例5
与实施例1相比，除了金属胆4的材质采用不锈钢316外，其余均一样。
实施例6
与实施例1相比，除了直流电源1采用恒电位仪外，其余均一样。
实施例7
与实施例1相比，除了直流电源1采用恒电流仪外，其余均一样。
实施例8
与实施例1相比，除了直流电源1采用直流恒流电源外，其余均一样。
实施例9
与实施例1相比，除了直流电源1采用直流恒压电源外，其余均一样。
实施例10
与实施例1相比，除了辅助阳极7选材为纯镍外，其余均与实施例1一样。
实施例11
与实施例1相比，除了辅助阳极7选材为镍铬合金外，其余均与实施例1一样。
实施例12
与实施例1相比，除了辅助阳极7选材为镍硅合金外，其余均与实施例1一样。
实施例13
与实施例1相比，除了辅助阳极7选材为纯钨外，其余均与实施例1一样。
实施例14
与实施例1相比，除了辅助阳极7选材为铂外，其余均与实施例1一样。
实施例15
与实施例1相比，除了辅助阳极7选材为镀铂铌外，其余均与实施例1一样。
实施例16
与实施例1相比，除了辅助阳极7选材为镀铂钛外，其余均与实施例1一样。
实施例17
与实施例1相比，除了参比电极选材为纯镍外，其余均与实施例1一样。
实施例18
与实施例1相比，除了参比电极选材为镍铬合金外，其余均与实施例1一样。
实施例19
与实施例1相比，除了参比电极选材为镍硅合金外，其余均与实施例1一样。
实施例20
与实施例1相比，除了参比电极选材为镀铂铌外，其余均与实施例1一样。
实施例21
与实施例1相比，除了参比电极选材为镀铂钛外，其余均与实施例1一样。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置，其特征在于，相变蓄热设备包括金属胆和置于金属胆中的换热金属盘管，所述金属胆内还盛放有作为蓄热介质的水合盐类相变材料，所述的防腐蚀装置包括直流电源、辅助阳极与参比电极，其中，所述直流电源的负极连接所述金属胆和换热金属盘管，正极连接所述辅助阳极，该辅助阳极还***水合盐类相变材料中，并与金属胆和换热金属盘管电绝缘隔离，所述参比电极***蓄热介质内部，并在测量时连接外部电位测试设备的正极或负极。
2.根据权利要求1所述的一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置，其特征在于，所述的水合盐类相变材料为氢氧化锂、一水氢氧化钠或八水合氢氧化钡中的一种或几种的组合。
3.根据权利要求1所述的一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置，其特征在于，所述的金属胆采用不锈钢制成，所述不锈钢选自不锈钢201、不锈钢304或不锈钢316的一种或几种的组合；
所述的换热金属盘管为铜盘管或铜合金盘管。
4.根据权利要求3所述的一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置，其特征在于，金属胆与换热金属盘管的被保护面积比越大，电流电源输出的保护电流密度也越大，具体为：
当金属胆与换热金属盘管的被保护面积比为9：10时，直流电源输出的保护电流密度为46mA/m2，
当金属胆与换热金属盘管的被保护面积比为4:3时，直流电源输出的保护电流密度为54mA/m2。
5.根据权利要求1所述的一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置，其特征在于，所述的直流电源的纹波系数小于5％，其为恒电位仪、恒电流仪、直流恒流电源、直流恒压电源、LED照明用直流电源或电源适配器中的一种或几种的组合。
6.根据权利要求5所述的一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置，其特征在于，所述的直流电源为直流恒流电源或直流恒压电源。
7.根据权利要求1所述的一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置，其特征在于，所述的辅助阳极为纯镍、镍铬合金、镍硅合金、纯钨、钨合金、铂、镀铂铌或镀铂钛中的一种或几种的组合；
所述的参比电极为纯镍、镍铬合金、镍硅合金、铂、镀铂铌或镀铂钛中的一种或几种的组合。
8.根据权利要求1所述的一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置，其特征在于，所述的辅助阳极外套有使其与金属胆、换热金属盘管电绝缘隔离的绝缘套管，该绝缘套管上开孔并使辅助阳极与水合盐类相变材料接触。
9.根据权利要求1所述的一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀装置，其特征在于，所述的辅助阳极呈圆柱形或条带状；
所述的金属胆呈圆形或方形。
10.一种相变蓄热设备的电子阳极保护防腐蚀方法，相变蓄热设备包括金属胆和置于金属胆中的换热金属盘管，所述金属胆内还盛放有作为蓄热介质的水合盐类相变材料，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)采用导线分别将金属胆和换热金属盘管连接直流电源的负极，同时，将所述直流电源的正极与***水和盐类相变材料中的辅助阳极连接，辅助阳极与金属胆和换热金属盘管保持电绝缘隔离，再将连接外部电位测试设备的正极或负极的参比电极***水和盐类相变材料中，完成电子阳极保护***构建；
(2)开启直流电源，并输出设定的保护电流密度，即实现对所述相变蓄热设备的防腐蚀保护。
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