高汇聚太阳能流下甲烷水蒸气重整制氢的瞬态特性的研究

【摘要】：面对传统能源供给短缺、不可再生和容易造成环境污染等弊病,世界各国致力于发展持续、高效、可再生的各类新能源,来解决传统能源开发利用带来的问题。太阳能热化学利用以其新颖、高效等特点成为新能源研究领域的重点。传统的太阳能热化学转化装置由于有效气体产量低、费用高等缺点无法实现推广,而多孔介质太阳能反应器具有质量轻、体表面积大等优点,使得其转化效率较高,以其为载体的太阳能热化学转化装置成为近年来研究的重点,对其进行研究不仅具有重要的理论价值,更具有广泛的工程应用前景。因此,本文对高汇聚太阳能流下多孔介质反应器内甲烷水蒸气重整制氢的热化学反应瞬态响应特性开展了数值研究。本文以表面涂有催化涂层的多孔介质热化学反应器为研究对象,基于多孔介质流动及传热传质模型,将热化学反应机理与“局部非平衡假设”相耦合,建立了高汇聚太阳能流下甲烷水蒸气重整制取氢气的热化学瞬态反应模型。首先,在无热化学反应的条件下,分析多孔介质反应器内混合流体流动及传热过程,重点研究各类关键因素对温度场瞬态响应特性的影响,为后续甲烷水蒸气重整制取氢气的热化学反应研究提供一定依据。然后,分别采用蒙特卡罗热流和高斯热流作为边界热源,选取典型工况,对多孔介质反应器热化学反应的温度场及产物场的瞬态响应特性进行模拟研究。最后,针对边界条件、多孔介质物性和边界辐射热损失,着重研究其在瞬态热化学反应过程中对制氢效率的影响。研究结果表明,多孔介质反应器内各点稳态温度和出口流体温度均随入口混合流体中甲烷相对含量的增加而升高,如甲烷含量升高50%,出口流体温度升高约40K;在孔隙率0.66-0.93范围内,出口流体温度随孔隙率减小而升高,氢气相对产量升高,如孔隙率由0.9降低为0.7时,出口流体温度升高约60K,氢气相对产量升高约8%;出口面氢气产量随固体骨架导热系数的升高而增大,如导热系数增加20%,氢气产量增加约10%;混合流体入口流速降低,出口面氢气相对产量升高,如入口流速减小0.025m/s,氢气相对产量增大约6%;在不考虑边界辐射热损失的条件下,出口面氢气产量较高,但实际工作环境下,由于入口壁面温度较高,辐射热损失对瞬态温度场和产物场的影响较大,应在考虑辐射热损失的前提下,设法降低其影响。 【关键词】：太阳能 多孔介质 热化学 甲烷重整 瞬态 制氢
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ116.2
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 背景及意义9-10
• 1.2 国内外研究现状10-15
• 1.2.1 多孔介质传热传质特性研究现状10-11
• 1.2.2 多孔介质太阳能吸热器研究现状11-13
• 1.2.3 太阳能热化学制氢研究现状13-15
• 1.3 本文主要研究内容15-17
• 第2章 太阳能热化学多孔介质反应器传热模拟17-27
• 2.1 引言17
• 2.2 多孔介质中流动、传热及热辐射传递17-23
• 2.2.1 混合流体在孔隙中的流动压降17-19
• 2.2.2 热化学反应过程的传热特性19-20
• 2.2.3 多孔介质固体骨架间热辐射传递20-23
• 2.3 多孔介质内传热过程模拟23-26
• 2.3.1 多孔介质内传热模型与边界热流分布校验23-25
• 2.3.2 太阳能热化学反应计算模型验证25-26
• 2.4 小结26-27
• 第3章 多孔介质反应器的瞬态温度响应特性27-42
• 3.1 引言27
• 3.2 热化学反应过程传热模型27-30
• 3.2.1 对流换热模型27-30
• 3.2.2 辐射换热模型30
• 3.3 典型工况下多孔介质瞬态温度响应特性30-35
• 3.3.1 边界条件30-31
• 3.3.2 温度场瞬态分布31-35
• 3.4 关键因素对瞬态温度场影响特性35-40
• 3.4.1 边界条件对瞬态温度场的影响特性35-38
• 3.4.2 多孔介质物性对瞬态温度场的影响特性38-40
• 3.5 小结40-42
• 第4章 甲烷重整制氢过程的瞬态响应特性42-60
• 4.1 引言42
• 4.2 甲烷重整制氢过程热化学反应和工况42-48
• 4.2.1 甲烷重整制氢热化学反应42-43
• 4.2.2 混合流体在热化学反应中的物性43-46
• 4.2.3 受热边壁表面热流拟合46-48
• 4.3 甲烷重整制氢反应瞬态响应特性48-58
• 4.3.1 温度场的瞬态响应特性48-52
• 4.3.2 热化学反应的瞬态响应特性52-58
• 4.4 小结58-60
• 第5章 热化学反应过程关键因素对制氢效率的影响60-75
• 5.1 引言60
• 5.2 边界条件和多孔介质物性对制氢效率的影响60-67
• 5.2.1 边界条件对制氢效率的影响60-65
• 5.2.2 多孔介质物性对制氢效率的影响65-67
• 5.3 边界辐射热损失的影响67-73
• 5.3.1 辐射热损失对瞬态温度场影响68-69
• 5.3.2 辐射热损失对瞬态产物场影响69-71
• 5.3.3 辐射热损失对温度和产物分布趋势影响71-73
• 5.4 小结73-75
• 结论75-77
• 参考文献77-82
• 攻读学位期间发表的学术论文82-84
• 致谢84

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