基于红外热像和探针方法的微小反应器三维温度场重建研究
发布时间：2021-11-20 23:13
反应器在分析、化工、农业、能源等领域应用广泛,温度作为其重要参数之一,对其研究至关重要。当前反应器越来越朝向微尺度发展,对其温度分布精准测量变得更加困难。常规的接触式测量方法,会对温度场产生干扰还会影响内部结构。本文针对绝热式固定床微小反应器,提出一种在线测量热物性及表面温度,求解导热反问题反推固定床内部温度场的方法。本文结合红外热像和探针方法,进行了微小反应器三维温度场重建研究,主要内容如下:利用计算流体动力学模拟软件Fluent,通过组分输运模型实现催化反应,数值模拟得到了有无催化反应的绝热式固定床微小反应器温度场的变化规律,发现固定床孔隙率越小、流体入口温度越高、流速越快,越有利于热量的扩散。发现存在催化反应时流速增大、温度升高、底物浓度增高,过氧化氢分解加快,释放热量增多,固定床整体温度升高。另外,通过建立探针模型,理论模拟考察了探针存在对温度场的影响,结果表明探针对温度场变化影响较小,仅在流体与探针接触部分加快了少许热量的传递,最大温升在1℃,可忽略不计,从而验证在线测量系统的有效性。设计并搭建了热探针结合红外热像法在线测量实验装置。固定床通过3D打印技术个性化定制,透红外套...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
热电偶原理图
传感器,系统各通道测温误差优于0.2℃[42]。响应快，测量微火焰温度场时响应时间可达毫秒[43]。应用范围广，将微型热电偶直接夹持在两片薄膜之间可用于研究燃料电池电解质温度[44]；或应用于航天发动机，可测量瞬变流体温度[45]。针对航天领域环境温度测量宽量程、高精度的需求，有学者提出了基于温度传感器进行冷端补偿的热电偶测量电路，温度测量范围为0～1600℃，全温度范围测量准确度±0.2%，并能够很好的应用于工程实际验证[46]。1.2.2红外测温红外测温应用光电检测技术测量物体的红外辐射，并将其转化为可视图像，如图1.2所示，经换算后即可直观获得温度分布。图1.2红外热成像红外热成像作为一种有效的非接触温度测量方法，具有实时性并能给出整个表面的温度分布。其可靠性好，利用JEOL红外热像仪测量流动沸腾不锈钢微管壁面温度，测量范围为20~180℃，测量绝对误差为±0.1℃，比传统热电偶测温具有更高的可靠性[47]。利用红外热成像系统测量玉米冠层温度可研究作物水分胁迫与土壤含水量的变化。其灵敏性使得红外热成像技术在农业、林业的应用成为现实[48]；红外热像仪应用于无损检测，可有效识别内部温度和液位，分析其测量误差与最大误差，处于允许误差范围内[49]；随着智能手机广泛普及应用，亦可将红外热成像技术与智能手机相结合[50]。红外测温技术在医学[51]、军事[52]等领域的应用同样广泛，是一种简单、便捷的温度场测量手段。红外线的衰减和物体与镜头之间的环境噪音有关，为了得到物体的真实温度，测量前需校正物体发射率。
青岛大学硕士学位论文9第二章绝热微小反应器温度场的数值模拟为更好地了解绝热式微小反应器的温度场，为下一步温度场反推做准备。本章基于课题组前期恒壁温工况下建立的多孔介质模型[90]，及绝热条件探针作为内热源的温度场分析[91]，对数学及物理模型加以改进以符合实验工况。通过计算流体动力学模拟软件Fluent及建模软件ICEM，构建了绝热微小反应器的物理模型，模拟其温度场的变化。探究微小反应器温度场随时间、孔隙率、流体流速、流体温度的变化规律以及在催化反应下流体流速、温度、浓度对反应温度分布的影响。同时模拟了探针对温度场的影响。2.1反应器模型图2.1为微小反应器物理模型，微小反应器竖直放置，内填充固体颗粒。微小反应器的直径为10mm，高度为100mm，流体由入口进入微小反应器，由出口流出微小反应器，故在微小反应器上、下两端各延伸一段细管用于引流，延伸段长5mm，直径2mm，位于中心轴线。1、入口2、固定床壁面3、填充颗粒4、出口图2.1固定床反应器模型剖面微小反应器内流动与换热的控制方程为：质量方程：0)()(uff2-(1)
【参考文献】：
期刊论文
[1]温度传感器S型热电偶测温电路设计[J]. 丁润琦,甄国涌,张凯华. 中国测试. 2020(01)
[2]多类型高精度测温系统设计[J]. 肖新帅,林晓焕,胡念祖,肖坚. 国外电子测量技术. 2019(03)
[3]一维非稳态导热反问题反演管道内壁面温度波动[J]. 熊平,艾红雷,卢涛,王新军. 核动力工程. 2018(02)
[4]探头引线热损失对TPS法测量导热系数的影响（英文）[J]. 王雨薇,李艳宁. Journal of Measurement Science and Instrumentation. 2018(01)
[5]基于双热电偶的瞬态流体温度测试方法研究[J]. 丁水汀,丁凯,邱天. 中国测试. 2017(09)
[6]高温管道内流体流量及温度识别研究[J]. 王烨,杨立. 计量学报. 2017(04)
[7]固定床反应器场分布计算机模拟研究进展[J]. 马涛,张亚新. 天然气化工（C1化学与化工）. 2017(03)
[8]探针法测量微细颗粒固定床有效热导率[J]. 张心怡,郑艺华,冯守玲. 化工进展. 2017(06)
[9]基于二维瞬态导热反问题方法测量气体射流冲击换热系数[J]. 丁翠娇,豆瑞锋,陈超,田大鹏,郭强,温治. 冶金能源. 2017(01)
[10]含水率对黏土及沙土导热系数的影响[J]. 段妍,晋华,郑强. 人民黄河. 2016(02)
博士论文
[1]传热学反问题模糊推理方法的继续研究[D]. 罗兆明.重庆大学 2014
[2]面向叶轮机气动形状精细设计的伴随方法及其应用研究[D]. 李伟伟.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2013
硕士论文
[1]基于智能手机的红外热成像测温系统研究[D]. 张琨.太原理工大学 2016
[2]基于共轭梯度法的多孔介质热物性参数反演[D]. 杨慧君.重庆大学 2012
本文编号：3508273
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：66 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
热电偶原理图
传感器,系统各通道测温误差优于0.2℃[42]。响应快，测量微火焰温度场时响应时间可达毫秒[43]。应用范围广，将微型热电偶直接夹持在两片薄膜之间可用于研究燃料电池电解质温度[44]；或应用于航天发动机，可测量瞬变流体温度[45]。针对航天领域环境温度测量宽量程、高精度的需求，有学者提出了基于温度传感器进行冷端补偿的热电偶测量电路，温度测量范围为0～1600℃，全温度范围测量准确度±0.2%，并能够很好的应用于工程实际验证[46]。1.2.2红外测温红外测温应用光电检测技术测量物体的红外辐射，并将其转化为可视图像，如图1.2所示，经换算后即可直观获得温度分布。图1.2红外热成像红外热成像作为一种有效的非接触温度测量方法，具有实时性并能给出整个表面的温度分布。其可靠性好，利用JEOL红外热像仪测量流动沸腾不锈钢微管壁面温度，测量范围为20~180℃，测量绝对误差为±0.1℃，比传统热电偶测温具有更高的可靠性[47]。利用红外热成像系统测量玉米冠层温度可研究作物水分胁迫与土壤含水量的变化。其灵敏性使得红外热成像技术在农业、林业的应用成为现实[48]；红外热像仪应用于无损检测，可有效识别内部温度和液位，分析其测量误差与最大误差，处于允许误差范围内[49]；随着智能手机广泛普及应用，亦可将红外热成像技术与智能手机相结合[50]。红外测温技术在医学[51]、军事[52]等领域的应用同样广泛，是一种简单、便捷的温度场测量手段。红外线的衰减和物体与镜头之间的环境噪音有关，为了得到物体的真实温度，测量前需校正物体发射率。
青岛大学硕士学位论文9第二章绝热微小反应器温度场的数值模拟为更好地了解绝热式微小反应器的温度场，为下一步温度场反推做准备。本章基于课题组前期恒壁温工况下建立的多孔介质模型[90]，及绝热条件探针作为内热源的温度场分析[91]，对数学及物理模型加以改进以符合实验工况。通过计算流体动力学模拟软件Fluent及建模软件ICEM，构建了绝热微小反应器的物理模型，模拟其温度场的变化。探究微小反应器温度场随时间、孔隙率、流体流速、流体温度的变化规律以及在催化反应下流体流速、温度、浓度对反应温度分布的影响。同时模拟了探针对温度场的影响。2.1反应器模型图2.1为微小反应器物理模型，微小反应器竖直放置，内填充固体颗粒。微小反应器的直径为10mm，高度为100mm，流体由入口进入微小反应器，由出口流出微小反应器，故在微小反应器上、下两端各延伸一段细管用于引流，延伸段长5mm，直径2mm，位于中心轴线。1、入口2、固定床壁面3、填充颗粒4、出口图2.1固定床反应器模型剖面微小反应器内流动与换热的控制方程为：质量方程：0)()(uff2-(1)
【参考文献】：
期刊论文
[1]温度传感器S型热电偶测温电路设计[J]. 丁润琦,甄国涌,张凯华. 中国测试. 2020(01)
[2]多类型高精度测温系统设计[J]. 肖新帅,林晓焕,胡念祖,肖坚. 国外电子测量技术. 2019(03)
[3]一维非稳态导热反问题反演管道内壁面温度波动[J]. 熊平,艾红雷,卢涛,王新军. 核动力工程. 2018(02)
[4]探头引线热损失对TPS法测量导热系数的影响（英文）[J]. 王雨薇,李艳宁. Journal of Measurement Science and Instrumentation. 2018(01)
[5]基于双热电偶的瞬态流体温度测试方法研究[J]. 丁水汀,丁凯,邱天. 中国测试. 2017(09)
[6]高温管道内流体流量及温度识别研究[J]. 王烨,杨立. 计量学报. 2017(04)
[7]固定床反应器场分布计算机模拟研究进展[J]. 马涛,张亚新. 天然气化工（C1化学与化工）. 2017(03)
[8]探针法测量微细颗粒固定床有效热导率[J]. 张心怡,郑艺华,冯守玲. 化工进展. 2017(06)
[9]基于二维瞬态导热反问题方法测量气体射流冲击换热系数[J]. 丁翠娇,豆瑞锋,陈超,田大鹏,郭强,温治. 冶金能源. 2017(01)
[10]含水率对黏土及沙土导热系数的影响[J]. 段妍,晋华,郑强. 人民黄河. 2016(02)
博士论文
[1]传热学反问题模糊推理方法的继续研究[D]. 罗兆明.重庆大学 2014
[2]面向叶轮机气动形状精细设计的伴随方法及其应用研究[D]. 李伟伟.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2013
硕士论文
[1]基于智能手机的红外热成像测温系统研究[D]. 张琨.太原理工大学 2016
[2]基于共轭梯度法的多孔介质热物性参数反演[D]. 杨慧君.重庆大学 2012
本文编号：3508273
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