直接式太阳能高温热化学反应器内传热机理研究

• 作 者: 李轶男
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院大学
• 发表日期: 2017年期
• 关键词: 直接式太阳能高温热化学反应器 旋风流反应器 甲烷碳热还原反应 动力学

高温太阳能热化学技术是利用聚集的太阳辐射，将太阳能转化为热能的形式并作为反应热驱动化学反应，从而将太阳能转化为化学能，可以稳定高效的长久存储太阳能，实现CO2零排放制取清洁燃料和高附加值化工原料。作为高温太阳能热化学技术的核心部件，太阳能热化学反应器根据反应腔内的热集成模型可以分为直接式和间接式两种，相比间接式反应器，直接式反应器的效率更高，安全性更强，更有产业化的发展趋势。但反应器内传热机理较为复杂，因此，本文以直接式高温热化学反应器中的旋风流反应器内甲烷碳热还原反应为研究对象，对其参与性介质辐射特性、化学反应动力学、非平衡化学热力学及其相互耦合的过程进行研究和分析。本论文的主要内容和结论如下:　　1.针对直接式高温热化学反应器内甲烷的碳热还原反应过程建立一维非稳态数学模型。模型包括针对气体和固体颗粒分别建立的质量和能量守恒方程，能量方程包含气固对流换热项，辐射换热项作为源项耦合到固体颗粒的能量方程中，并将质量、能量守恒方程与化学反应动力学项相耦合，其中对流换热项利用气体动力学分析气体热物性，利用童景山模型计算得到混合气体导热系数，从而得到气固对流换热系数。辐射换热项利用Mie散射理论对颗粒辐射特性进行分析，即吸收、发射、散射特性，并利用离散坐标法求解辐射传递方程;化学反应动力学项利用阿伦尼乌斯定率计算得到化学反应速率，并利用活塞流反应器模型对反应器内化学反应转化率进行分析。通过计算得到反应器的温度场、粒径、颗粒体积分数、组分密度等参数的分布变化情况，同时，这些参数也作为化学反应动力学项与辐射换热项的影响参数，对其计算结果有较大影响，因此，模型将质量、能量守恒方程和辐射换热项及化学反应动力学项相耦合求解，最终计算得到反应器内各参数的影响规律。　　2.利用建立的模型进行了稳态模拟，分析了入口处不同颗粒直径、颗粒体积分数、流动速度及入射辐射能流密度等因素对反应器温度场分布、粒径分布、颗粒体积分数变化、参与性介质摩尔分数变化、化学反应转化率等的影响规律，分析得出:入射颗粒直径越小、颗粒体积分数越大、流动速度越小、入射辐射能流密度越大，反应器内稳态的温度越高，对应化学反应转化率越大。　　3.利用建立的模型进行了非稳态模拟，分析了初始时刻不同颗粒直径、颗粒体积分数、流动速度及入射辐射能流密度等因素对反应器温度场分布、粒径分布、颗粒体积分数、参与性介质摩尔分数等的变化规律，并分析了反应器内不同位置达到稳态时间的影响规律。分析得出:入射颗粒直径越小、颗粒体积分数越大、流动速度越大、入射辐射能流密度越大，反应器达到稳态的时间越短，且反应器内越靠近入口的位置，达到稳态的时间越短。