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

发布时间：2020-09-25 09:20

　　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。
【学位单位】：上海电力学院
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TK51
【部分图文】：

颗粒型,保罗,高温裂解,太阳能

上海电力学院硕士学位论文及风机消耗功率计算，并对集热器出口温4%，当石墨颗粒床层高度达到 0.25μm 以上度。研究所的白凤武等人[20-22]提出了一种石英管颗粒在石英腔内流动，颗粒直接吸收太阳辐，仅有很少的颗粒被夹带出石英管。经实验气体，颗粒和气体的温差维持在 50℃左右。 Abraham Kogan 等人在太阳能裂解甲烷反应是基于无颗粒型反应器，Abraham 利用旋流碳颗粒在窗口的沉积，但是反应的最大转换大量沉积。为了使甲烷在腔体中心区裂解，反应器，成功地将高温区转移到反应器的中主体由 a，b，c 三段组成，主流气体通过反带碳颗粒的气体可以通过 d1，d2或 d3中的

热化学反应

图 1-3 ROCA 热化学反应器的 Gokon 等人提出了一种新型的循环流化型直吸iFe2O4/m-ZrO2两步法水解制氢。其设计的 2 种反料为石英，右图反应腔材料为不锈钢。聚焦后的太射到腔体中心，并直接加热内部循环流化床中的以产生内部循环，提高反应转换率。实验发现，不得更好的热效率。随后使用不锈钢腔体在输入功器下进行测试，反应的转化效率为 45%，腔体内

热化学反应,腔体,内部循环

图 1-3 ROCA 热化学反应器本新泻大学的 Gokon 等人提出了一种新型的循环流化型直吸式太阳能热-27]，利用 NiFe2O4/m-ZrO2两步法水解制氢。其设计的 2 种反应装置如图图反应腔材料为石英，右图反应腔材料为不锈钢。聚焦后的太阳辐射通过透明窗口照射到腔体中心，并直接加热内部循环流化床中的反应物颗粒设引流管可以产生内部循环，提高反应转换率。实验发现，不锈钢材料的英管能够获得更好的热效率。随后使用不锈钢腔体在输入功率为 1.6-1.c 太阳能模拟器下进行测试，反应的转化效率为 45%，腔体内能够获得的200℃。

【参考文献】