太阳能化学蓄热传热过程的热力学研究

【摘要】：太阳辐射的能量密度大约为1kW/m2,是人类急需开发的巨大能源。其大幅的有效利用将显著降低人类对化石能源的依赖,以减少化石能源的利用所带来的环境污染,从而改善人类的生存环境。但是,太阳辐射到地球的能量是间隙性的,因此需要能量的储存或转换环节以满足用户的连续用能要求。对于太阳能热利用,蓄热技术一直是学术界的一个研究方向,热量储存的能量密度是制约蓄热技术应用的一个关键问题,因此探索太阳能蓄热新方法具有十分重要的实际意义。本文以一种有机物作为化学蓄热工质,研究其催化化学反应放热过程,通过数值方法探索在反应放热过程中的传热传质规律,以获得该放热反应的动力学特性,供化学工质和催化剂的研究、反应器的开发与设计提供参考数据。本文利用光化学反应将太阳能转换为化学能,在用能时采用催化反应将化学能转换为热能,以满足用户的用热要求。本文将催化反应床设置为圆柱体,通过对催化反应过程的理论分析,建立了催化反应过程的动力学模型。该模型属于流动、传热、传质传递的多物理场耦合求解问题,因此本文采用COMSOL专业软件对动力学模型进行数值计算。本文数值计算结果表明,催化区域增大到某一临界峰值之后,并不会影响反应放出热量以及反应物浓度的变化。孔隙率越小,催化剂的比表面积越大,反应越能够充分进行,但流动的阻力系数增大,对流动的阻碍影响越大。孔隙率的增大,增加反应物的物质的量在催化管段区域的驻留时间,促进重整反应的进行,同时增大孔隙率也会弱化催化剂区域的导热效果,使温度下降抑制重整反应,两者共同因素相互影响进而导致使化学催化放热反应存在峰值。化学蓄热反应器内的流速不能过快,否则化学反应还未反应彻底就已经流过催化剂区域,导致反应放热量小,反应器催化放热管段的最高温度随着反应物入口速度的增加先增大后减小,存在峰值。在反应溶液的流量和入口浓度一定的情况下,反应床的出口温度随反应热的增大而升高,两者成线性关系。显然,反应热过高将会产生较高的反应温度,不利于安全使用。因此,在研究光化学工质时在追求高能量密度和高放热温度时应综合考虑。通过热量平衡计算可知,在一定的反应热情况下,能量密度与反应物的浓度成正比,反应出口温度也随反应物浓度的增大而升高。所以在满足能量密度要求情况下,反应浓度与反应热成反比,在研究光化学工质时需要协调工质的溶解特性与反应热。 【关键词】：太阳能利用 化学蓄热 有限元数值模拟方法 孔隙率 化学反应特性
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK512.3
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 太阳能蓄热的研究背景及意义11-12
• 1.2 蓄热方式的分类及特点12-14
• 1.2.1 显热蓄热13
• 1.2.2 相变蓄热13-14
• 1.2.3 化学蓄热14
• 1.3 国内外化学蓄热研究现状14-18
• 1.3.1 化学蓄热材料的选取标准及常用材料14-15
• 1.3.2 各种化学蓄热的研究及应用15-18
• 1.4 本文主要研究内容18
• 1.5 本文独特之处18-19
• 1.6 本章小结19-20
• 第二章 化学蓄热反应器的物理及数学模型20-26
• 2.1 概述20
• 2.2 化学蓄热系统反应器的物理模型20-21
• 2.3 化学蓄热材料热力学分析的数学模型21-23
• 2.3.1 基本假设21
• 2.3.2 影响化学反应的条件21-22
• 2.3.3 化学反应速率22-23
• 2.4 数学模型的控制方程与耦合23-25
• 2.5 本章小结25-26
• 第三章 有限元方法分析及模型的验证26-29
• 3.1 有限元方法简介26-27
• 3.2 网格无关性检验27-28
• 3.3 物理模型及数学方法求解的验证28
• 3.4 本章小结28-29
• 第四章 化学蓄热反应器的流体流动及传热传质的数学模拟29-37
• 4.1 概述29
• 4.2 反应器几何参数的影响29-32
• 4.2.1 催化剂区域管段长度对反应器内温度及浓度的影响29-31
• 4.2.2 孔隙率对反应器内流体流动及温度影响31-32
• 4.3 催化放热反应特性的影响32-35
• 4.3.1 反应物入口浓度对反应器内温度的影响32-33
• 4.3.2 反应物入口速度对反应器内温度及浓度的影响33-34
• 4.3.3 不同反应热蓄热材料的热力学性质对反应器内的影响34-35
• 4.4 反应初始温度对反应器内温度的影响35-36
• 4.5 本章小结36-37
• 第五章 影响化学蓄热反应器的因素分析37-55
• 5.1 概述37
• 5.2 催化剂区域管段L_cata长度的影响37-40
• 5.3 多孔介质孔隙率的影响40-44
• 5.4 反应物入口浓度的影响44-47
• 5.5 反应物入口速度的影响47-50
• 5.6 反应物的反应热的影响50-53
• 5.7 影响化学蓄热反应器的其他因素分析53-54
• 5.8 本章小结54-55
• 第六章 结论分析及展望55-57
• 6.1 本文主要结论55-56
• 6.2 本文的独特之处56
• 6.3 本文的一些不足及展望56-57
• 参考文献57-61
• 符号表61-62
• 后记62
• 攻读硕士学位期间论文发表及科研情况62

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