螺旋管式储氢反应器的研究及性能评价

发布时间：2017-08-30 09:04

  本文关键词：螺旋管式储氢反应器的研究及性能评价

  更多相关文章： 储氢反应器 微通道 SMCR 金属氢化物 性能评价

【摘要】：本文将目前发展较快的微通道技术应用于储氢反应器中,开发了简洁、高效的螺旋管式储氢反应器(Spir_al Mini-Channel Reactor).简称SMCR。根据其特点,建立了完整准确的反应动力学表达式；并对设计的主要参数进行了优化；最后,利用目前较全面的性能评价系统对反应器进行了评价对比。本文首先在微通道反应器的基础上,通过改造反应器的结构,提出了新的螺旋管式储氢反应器即SMCR。在储氢反应的热力学、动力学过程分析的基础上,建立了过程的数值模型。对吸放氢过程的有限元和算法进行了分析,验证模型有效并可以使用。在此基础上,结合储氢反应的过程性能表现对SMCR的结构参数和操作参数进行筛选,确定最优尺寸为r_a=2.2 mm, r_c=5.5 mm, b=5 mm, r_1=4 mm和N=3,并在此过程中根据反应现象追溯热量传递和质量传递过程。分析了操作条件对吸放氢过程的影响,并根据实际状况确定了最优的操作条件装填系数θ_p=0.6,有效导热系数k2.5W·m~(-1)·K~(-1)和换热系数h=1000W·m~(-2)·K~(-1)。其他条件因为吸放氢过程的不同确定为：吸氢状态下,供氢压力P10 atm,初始温度T288.15 K；放氢状态下系统压力P0.5 atm,初始温度T=353.15 K。文章最后根据SMCR拓展一种新型的圆环管储氢反应器(Ring Mini-Channel Reactor),简称RMCR。并且通过现有的比较全面的性能评价体系,得出在吸氢状态下,RMCR的综合性能K_c是MCR的1.09倍,而SMCR的综合性能K_c是MCR的36.91倍。这意味着在相同的外部操作条件及换热条件下,SMCR比MCR, RMCR有更好的热利用效果,即在单位时间内,SMCR能够与更多的金属氢化物材料发生反应,具有较高的储氢效率。
【关键词】：储氢反应器 微通道 SMCR 金属氢化物 性能评价
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ052
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-6
• 符号对照表6-9
• 缩略语对照表9-12
• 第一章 绪论12-25
• 1.1 研究背景12-15
• 1.1.1 氢能体系12-13
• 1.1.2 氢能制备技术13-15
• 1.2 储氢方式15-18
• 1.2.1 物理方式储氢15-16
• 1.2.2 化学储氢16-18
• 1.3 储氢反应器18-21
• 1.4 储氢合金的能量转换机制21-22
• 1.5 储氢反应器的应用22-23
• 1.6 本文主要工作23-25
• 第二章 数值模型的建立25-39
• 2.1 储氢过程分析25-27
• 2.1.1 热力学过程25
• 2.1.2 动力学过程25-26
• 2.1.3 储氢系统热力学分析26-27
• 2.2 动力学过程模型介绍27-29
• 2.3 数值模型29-31
• 2.3.1 床层控制方程29-30
• 2.3.2 换热流体的控制方程30-31
• 2.3.3 初始条件和边界条件31
• 2.4 反应器模型31-34
• 2.5 有限元及算法分析34-37
• 2.6 模型有效性验证37-39
• 第三章 反应器优化及操作条件物性参数的改良39-58
• 3.1 反应器设计和优化39-48
• 3.1.1 螺旋管的次半径40
• 3.1.2 螺旋管的主半径40-41
• 3.1.3 螺旋管的轴向节距41-43
• 3.1.4 管型对反应器的影响研究43
• 3.1.5 安装角度对反应器的影响研究43-45
• 3.1.6 氢管半径45-46
• 3.1.7 换热管数量46-48
• 3.2 操作条件的选择48-55
• 3.2.1 装填系数48-50
• 3.2.2 供氢压力50-53
• 3.2.3 起始温度53-55
• 3.3 物性参数的改良55-58
• 3.3.1 热传导系数55-56
• 3.3.2 换热系数56-58
• 第四章 反应器性能评价58-65
• 4.1 RMCR反应器模型58-59
• 4.2 评价指标59-61
• 4.3 指标构成因素分析61-62
• 4.4 性能评价62-65
• 结论65-67
• 参考文献67-74
• 攻读硕士学位期间取得的科研成果74-76
• 致谢76

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