悬浮颗粒型直吸式太阳能热化学反应装置能量转化特性研究

作     者：姚博伟 

作者单位：上海电力学院 

学位级别：硕士

导师姓名：任德刚;朱群志

授予年度：2017年

学科分类：080703[工学-动力机械及工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：太阳能热化学反应器 悬浮粒子系 辐射换热 甲烷裂解制氢 

摘      要：环境污染和能源紧张是人类目前面临的两大难题,太阳能因其资源丰富、使用过程清洁无污染等优势受到了人们的广泛关注。太阳能热化学转换技术作为一种新型的太阳能热利用技术,不仅可以很好地解决太阳能分布不均的问题,而且还可以通过反应转换得到其他高品位能源。太阳能热化学反应器/集热器是实现能源转换的核心元件,目前的研究重点是提升反应器的集热效率和能量转换效率。悬浮颗粒型直吸式太阳能热化学反应器依靠粒子系直接吸收太阳能,反应腔内能够获得更均匀的热量分布,提升了集热效率,并且可以降低腔体内壁的热负荷,因此具有较好的发展应用前景。本文首先利用Mie理论对反应器内悬浮粒子系的热辐射特性进行计算。计算结果表明,在一定质量流量下,大粒径颗粒的粒子系在0.2-10μm波段的衰减系数变化不大且值很小,小粒径颗粒的粒子系的衰减系数随波长的变化较大。衰减系数的峰值位置随着粒径的增大向波长大的方向移动。在0.5μm的粒径下,增大颗粒的质量流量(即增大体积分数)能够在0.2-4μm波段显著提高粒子系的衰减系数。其次搭建了旋流型直吸式太阳能热化学反应实验装置,分别对不同主流流速和保护气流速下粒子系的吸热特性进行实验研究。实验测试发现石英玻璃窗口有颗粒沾染现象,加大保护气流速会减轻玻璃窗口的污染,提升腔体中心的温度。利用Fluent软件对实验装置内的流场和温度场进行数值模拟研究,模拟结果表明,部分颗粒会向石英玻璃窗口运动,与实验过程出现的现象一致,加大保护气流速可以降低玻璃窗口上的颗粒浓度。最后对带有螺旋凹槽结构的太阳能裂解反应器进行传热特性分析,并利用Fluent软件对反应器内甲烷高温裂解制氢过程进行数值模拟研究。模拟结果发现甲烷气流中添加碳颗粒可以使反应腔获得更加均匀的温度分布,并且提升了反应的转换率。当CH4气流流速为0.5m/s,Ar气流流速为1m/s时,添加质量流量为10-5kg/s的碳颗粒,H2和C的产量分别提高了1.43mol/m3和0.56mol/m3。主流流速的增加可以增加气流的旋流性、延长运动距离,但同时也加快了颗粒的运动速度,因此过高的主流流速反而降低了颗粒的停留时间,对集热和反应都不利。选用小粒径颗粒,适当增大颗粒的质量流量可以提升氢气的产量。