非均匀热流边界条件下多孔介质内传热传质研究

发布时间：2020-10-13 13:26

　　 多孔介质具有耐高温、抗氧化、换热比表面积大、高导热率等优点,可用于太阳能高温热化学转化过程中的反应器和太阳能高温热发电系统的容积式吸热器中。本文首先研究了多孔介质太阳能甲烷水蒸气接收反应器。与传统以定壁温或定热流作为边界条件不同,为更精确分析结构与扰流参数对碟式太阳能甲烷接收反应器性能的影响,本文考虑实际辐照,以高斯分布模型(Gaussian distribution model)作为热流边界条件,提出树形分叉结构反应器和旋流槽道型两种新型反应器结构,并对碟式太阳能甲烷水蒸气重整制氢接收反应器内传热传质进行了三维数值模拟。文中分析了接收反应器结构类型、隔板个数及层数、旋流槽道弧度及数量对接收反应器径向温度分布和甲烷转化率的影响。结果表明,反应器结构对径向温差和转化效率影响很大。当入口流速一定时,旋流槽道型结构接收反应器的甲烷转化率最高,树形分叉接收反应器次之,而传统的圆锥型接收反应器最小,分别为79%,85.6%,85.9%。同时,圆锥型接收反应器径向温差最大为182.53K,树形分叉接收反应器最大径向温差为168.61K,而旋流槽道型结构接收反应器内部温度最为均匀,其径向温差最小,为167.72K。在此基础上,分析了树形分叉结构反应器和旋流槽道型接收反应器的结构参数对反应器性能的影响,结果表明增加树形结构的层数、排数对于优化反应器内温度场并无显著效果,甲烷的转化率提升受限。增大旋流槽道的弧度和数量对于改善反应器内温度场,降低截面径向温差并无显著效果,甲烷的转化率提升受限。这也表明了,接收反应器结构是影响其内部温度场和反应性能最重要的原因。其中,有旋结构的新型接收反应器可以增强流体的扰动,提高传热、传质性能,提高甲烷转化率;促进热量向反应器内部传递,降低接收反应器径向温差,使接收反应器内部温度更为均匀,维持催化剂的高催化活性,从而提高接收反应器的可靠性。多孔介质还可用于容积式太阳能吸热器中,国内外学者大多研究了多孔介质中孔隙率,孔隙尺寸,雷诺数等对多孔介质内流动传热的影响,对非均匀孔隙率分布多孔介质体对吸热器性能研究较少。因此本文创新性的设计了多种非均匀孔隙率分布的多孔介质体吸热器,采用高斯分布模型,并考虑了多孔介质体内的辐射输运方程,结合多孔介质流动、传热相关理论,基于局部非热平衡假设(多孔介质温度与流体温度不等)建立了多孔介质内部传热、流动的相关模型,对非均匀孔隙率分布的多孔介质体吸热器内传热传质进行了三维数值模拟,并研究分析了流速、流体进口温度,非均匀孔隙率分布、多孔介质导热系数等参数对多孔介质体吸热器性能的影响。模拟结果知,所设计的非均匀孔隙率分布类型中,凸二次函数变化分布孔隙率吸热器出口温度最高,比均匀分布孔隙率吸热器出口温度提升10.07%。分析知入口处孔隙率高,太阳辐射更多的进入到多孔介质内部,从而减少了太阳辐射的反射及入口处散热损失。凹二次函数分布吸热器出口流体温度高于线性分布吸热器,提高3.2%。这由于出口处凹二次函数分布吸热器孔隙率较小,由多孔介质体传热系数公式知孔隙率降低换热系数提高,此时凹二次函数分布吸热器换热性能更好。多孔介质体吸热器最佳的孔隙率分布应为入口处孔隙率大而出口处孔隙率适当的降低。
【学位单位】：华北电力大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TK124
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 太阳能热化学转换接收器研究进展
    1.2 太阳能光热发电吸热器研究进展
    1.3 本文主要研究内容
第2章 碟式太阳能甲烷接收反应器传热传质性能研究
    2.1 碟式太阳能接收反应器物理模型
        2.1.1 工作原理
        2.1.2 物理模型
        2.1.3 控制方程
        2.1.4 边界条件
        2.1.5 模型验证
    2.2 数值方法
    2.3 模拟结果分析
        2.3.1 不同结构对接收反应器性能的影响
        2.3.2 几何参数对接收反应器性能的影响
    2.4 小结
第3章 太阳能多孔介质体吸热器传热性能研究
    3.1 工作原理
    3.2 控制方程
    3.3 边界条件
    3.4 数值方法
    3.5 模拟结果分析
        3.5.1 研究不同的孔隙率变化对多孔介质体吸热器性能影响(速度0.15 m/s)
        3.5.2 不同入口流速对吸热器换热性能的影响
        3.5.3 研究在不同导热系数多孔介质对均匀分布孔隙率和渐变分布孔隙率吸热器性能影响
        3.5.4 研究在不同入口温度多孔介质对均匀分布孔隙率和渐变分布孔隙率吸热器性能影响
    3.6 小结
第4章 结论与展望
    4.1 结论
    4.2 槽道局部流动分析
    4.3 展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文及其它成果
致谢

【参考文献】

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本文编号：2839227