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热能动力工程 2019年第2期34卷 116-121页

作者：段芮崔国民朱群志上海理工大学能源与动力工程学院上海200093 上海电力学院能源与机械工程学院上海200090

添加颗粒可以提高太阳能热化学反应器对辐射的吸收。为了得到添加颗粒对太阳能热化学反应器温度提升的量化数据,采用实验和CFD数值模拟相结合的方法,研究添加碳颗粒后反应器温度的提升。实验测得的温升约90 K,数值模拟得到的温升约200 K... 详细信息

添加颗粒可以提高太阳能热化学反应器对辐射的吸收。为了得到添加颗粒对太阳能热化学反应器温度提升的量化数据,采用实验和CFD数值模拟相结合的方法,研究添加碳颗粒后反应器温度的提升。实验测得的温升约90 K,数值模拟得到的温升约200 K,这些数据可说明添加适量微米级别颗粒,可显著提升反应器内气体温度。

关键词：添加颗粒太阳能热化学反应器温度提升实验研究数值模拟

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基于5 kW太阳能模拟器的热化学反应器热性能研究

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可再生能源 2024年第3期42卷 317-322页

作者：黄兴高方林李珍珍姚鑫华北理工大学冶金与能源学院河北唐山063210

文章基于5 kW非共轴聚光型模拟器自行设计了太阳能热化学反应器,并建立了聚集辐照下反应器热性能数学模型。采用该模型计算并探究了太阳能模拟器功率、反应器内壁材料发射率、工作压力和进气速度对反应器内温度分布的影响规律。结果表明... 详细信息

文章基于5 kW非共轴聚光型模拟器自行设计了太阳能热化学反应器,并建立了聚集辐照下反应器热性能数学模型。采用该模型计算并探究了太阳能模拟器功率、反应器内壁材料发射率、工作压力和进气速度对反应器内温度分布的影响规律。结果表明:增加太阳能模拟器功率以及反应器内壁面发射率将导致沿反应器中心线分布的温度升高;在同一进气速度下,随着工作压力的增加,沿反应器中心线分布的温度会升高;在同一工作压力下,随着进气速度的增加,沿反应器中心线分布的温度也会升高。该研究结果对反应器参数优化及其热应力分析具有一定的参考意义。

关键词：太阳能热化学反应器太阳能模拟器数值模拟温度分布

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基于5 kW太阳模拟器聚集辐照下热化学反应器性能研究

基于5 kW太阳模拟器聚集辐照下热化学反应器性能研究

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作者：高方林华北理工大学

学位级别：硕士

如今化石燃料的大量使用,对环境造成严重危害,因此丰富清洁的太阳能越来越被人们看好。太阳能热化学技术可以将太阳能转化为化学能,但需要太阳能提供高温环境,因此热化学反应器热稳定性和安全性面对着巨大挑战。建立了一个5 k W小型非... 详细信息

如今化石燃料的大量使用,对环境造成严重危害,因此丰富清洁的太阳能越来越被人们看好。太阳能热化学技术可以将太阳能转化为化学能,但需要太阳能提供高温环境,因此热化学反应器热稳定性和安全性面对着巨大挑战。建立了一个5 k W小型非共轴聚光型太阳能模拟器汇聚数学模型,并通过实验验证了模型的正确性。采用该模型数值研究了聚光镜的结构参数(旋转角度θ、后端开口直径、前端开口直径)、氙灯光源的安装误差(光源离焦、偏转角)以及太阳能模拟器功率对热流密度的影响。结果表明:随着聚光镜旋转角度和聚光镜后端开口直径增加热流密度峰值呈下降趋势;随着聚光镜前端开口直径增加热流密度峰值呈上升趋势;光源安装误差对热流密度造成负面影响;随着太阳能模拟器功率增加热流密度也随之增加。建立了以太阳能模拟器为热源的太阳能热化学反应器热输运模型,采用该模型数值研究了太阳能模拟器功率、太阳能反应器内壁材料发射率、入口速度、工作压力对太阳能反应器温度分布的影响规律。结果表明:增加太阳能模拟器功率以及太阳能反应器内壁材料发射率将会导致太阳能反应器内部温度升高;在同一入口速度下,随着工作压力增加太阳能反应器内部温度升高;在同一工作压力下,随着气体入口速度增加太阳能反应器内部温度升高。将太阳能热化学反应器热输运模型计算得到的温度节点信息导入到ANSYS APDL进行热应力分析,研究了太阳能模拟器功率、太阳能反应器内壁材料发射率、工作压力、入口速度以及热电偶开孔直径对太阳能反应器热应力的影响规律。结果表明:随着太阳能模拟器功率增加会加剧应力集中;太阳能反应器内壁材料发射率增大会加剧热应力集中;工作压力和入口速度对热应力集中几乎无影响;降低太阳能反应器多孔区域中心位置热电偶开孔直径可以有效降低热应力集中。图49幅;表6个;参77篇。

关键词：太阳能模拟器热流密度太阳能热化学反应器温度分布热应力

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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

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

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作者：姚博伟上海电力学院

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：太阳能热化学反应器悬浮粒子系辐射换热甲烷裂解制氢

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太阳能驱动的甲烷干重整多孔介质反应器的数值模拟研究

太阳能驱动的甲烷干重整多孔介质反应器的数值模拟研究

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作者：刘铁凝南京理工大学

学位级别：硕士

太阳能驱动的甲烷干重整是利用太阳能、以CO和CH两种温室气体为反应物、制取燃料品位更高的合成气(H+CO)的前沿技术,对于我国完成2030碳达峰、2060碳中和任务有重要推动作用。已有研究主要存在以下问题:1)多为热驱动的反应,太阳能驱动... 详细信息

太阳能驱动的甲烷干重整是利用太阳能、以CO和CH两种温室气体为反应物、制取燃料品位更高的合成气(H+CO)的前沿技术,对于我国完成2030碳达峰、2060碳中和任务有重要推动作用。已有研究主要存在以下问题:1)多为热驱动的反应,太阳能驱动的研究较少;2)较多关注催化剂材料,对于反应器内流动传热与热化学作用下的能质传递研究较少。因此,本文的主要工作及学术贡献如下:(1)建立了多孔介质反应器的太阳能集热过程(导热/对流/辐射耦合传热)与甲烷干重整热化学反应过程耦合的数值模拟方法。编写了大量用户自定义函数,解决了局部非热平衡、工质变物性、流体域与固体域双重网格匹配等关键模拟方法。典型工况模拟结果与实验数据吻合很好。(2)针对多孔介质反应器的太阳能集热过程,首先研究了对流换热系数经验关联式和辐射消光系数模型对太阳能集热效率的影响。分析了文献中使用较多的7种对流换热系数关联式和3种消光系数模型,结果表明,采用不同对流换热系数关联式,集热效率可相差近28个百分点;采用不同消光系数模型,集热效率可相差10个百分点。因此,本文认为更深入的多孔介质对流和辐射换热的基础研究、建立更精确的传热模型非常必要。(3)开展了基于多孔介质反应器的太阳能驱动甲烷干重整性能的影响因素分析研究。考虑了反应工况(反应物进气速度、组分配比、太阳辐射能流分布)、多孔介质基础特性参数(孔隙率、孔径)、反应器结构参数等因素对太阳能-化学能转化效率、CO和CH转化率的影响规律,经优化后可使能量转化效率提升6个百分点以上。针对最优工况开展了细致的能量损失分析,为进一步提高太阳能-化学能转化效率提供了方向。

关键词：太阳能热化学反应器甲烷干重整反应多孔介质能量转化效率数值模拟

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