直吸式太陽能熱化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)特性的數(shù)值模擬

李金斗,朱群志

(上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090)

直吸式太陽能熱化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)特性的數(shù)值模擬

李金斗,朱群志

(上海電力學(xué)院能源與機(jī)械工程學(xué)院,上海 200090)

采用CFD軟件,選用離散相追蹤模型對(duì)直吸式太陽能熱化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)懸浮粒子系的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行三維數(shù)值模擬,從而得到反應(yīng)器內(nèi)離散顆粒相的運(yùn)動(dòng)軌跡.對(duì)比不同進(jìn)口速度下反應(yīng)器內(nèi)的粒子軌跡可知,反應(yīng)器存在一個(gè)最佳進(jìn)口速度,使懸浮粒子系在反應(yīng)器內(nèi)達(dá)到較好的懸浮流動(dòng)狀態(tài).通過分析模擬結(jié)果,在采用粒徑為0.5μm,密度為550 g/m3的炭黑顆粒的情況下,理論研究所采用的反應(yīng)器的最佳進(jìn)口速度為2 m/s.

太陽能；熱化學(xué)反應(yīng)器；氣固兩相流動(dòng)特性

太陽能作為一種能量巨大的清潔能源,可以有效解決人類過多消耗傳統(tǒng)能源所帶來的環(huán)境污染、能源減少等問題.［1］但太陽能的分布隨季節(jié)和地域的變化較大,易受到天氣的影響,且品位較低,不易開發(fā)利用,因此將其轉(zhuǎn)化為其他高品位能源,是當(dāng)今開發(fā)利用太陽能的熱點(diǎn).太陽能熱化學(xué)能源轉(zhuǎn)化技術(shù),通過選擇合適的化學(xué)反應(yīng),利用太陽能聚光技術(shù)將太陽能轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮?提供給化學(xué)反應(yīng)所需的能量.通過反應(yīng)將太陽能存儲(chǔ)于生成物(高品位能源),從而間接實(shí)現(xiàn)了太陽能的存儲(chǔ).而且太陽能熱化學(xué)的利用可以在太陽能資源豐富的地方進(jìn)行,將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺坏娜剂虾筝斔偷狡渌胤竭M(jìn)行利用,達(dá)到太陽能異地輸運(yùn)和利用的目的,解決了太陽能分布不均、品位較低的問題,有效提高了太陽能的利用率.［2］

太陽能熱化學(xué)反應(yīng)裝置是太陽能熱化學(xué)反應(yīng)技術(shù)的核心裝置,可分為傳統(tǒng)間接吸收太陽輻射式反應(yīng)器和新型直接吸收太陽輻射式反應(yīng)器兩種類型.

與傳統(tǒng)的間接吸收式反應(yīng)器相比,新型直接吸收式太陽能熱化學(xué)反應(yīng)器具有催化劑反應(yīng)活性高、反應(yīng)器所能達(dá)到的溫度高和轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn),故發(fā)展前景較好.直接吸收式太陽能熱化學(xué)反應(yīng)器的傳熱傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)機(jī)理十分復(fù)雜,而反應(yīng)器內(nèi)的懸浮顆粒直接參與了輻射的吸收與換熱、催化反應(yīng)等諸多方面,懸浮粒子系的兩相流動(dòng)特性對(duì)于其在反應(yīng)器內(nèi)的輻射吸收與換熱具有重要影響.因此,對(duì)懸浮粒子系兩相流動(dòng)特性的研究具有重要意義,可用于優(yōu)化太陽能熱化學(xué)反應(yīng)器的設(shè)計(jì),提高熱化學(xué)反應(yīng)器的性能和效率.［3-5］

中國(guó)科技大學(xué)的吳璽對(duì)太陽能熱解ZnO和ZnO催化甲烷重整兩步熱化學(xué)循環(huán)制氫系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)效率分析,［6］利用CFD軟件進(jìn)行了理論模擬.

KLEIN H H等人通過CFD理論模擬和實(shí)驗(yàn),研究了反應(yīng)器內(nèi)粒子濃度對(duì)反應(yīng)器墻壁溫度的影響,［7］發(fā)現(xiàn)粒子濃度越大則反應(yīng)器壁溫度越低,但粒子濃度達(dá)到2.7 g/m3時(shí),反應(yīng)器壁溫度不再發(fā)生變化,故反應(yīng)器內(nèi)存在一個(gè)最佳粒子濃度.BELLAN S等人通過CFD理論模擬,對(duì)反應(yīng)器的流體流動(dòng)分布、吸收效率和溫度分布進(jìn)行了預(yù)測(cè),并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.［8］OZALP Nesrin等人利用CFD軟件對(duì)旋流型直接吸收式太陽能熱化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)行了流動(dòng)傳熱特性模擬,［9］對(duì)比模擬結(jié)果可知,加有旋流槽的反應(yīng)器可有效增加旋流流動(dòng)特性,從而延長(zhǎng)顆粒的停留時(shí)間,可以使反應(yīng)器溫度分布更均勻,但對(duì)出口溫度影響較小.

1 反應(yīng)器內(nèi)懸浮粒子系兩相流動(dòng)特性的數(shù)值模擬

1.1 反應(yīng)器的物理模型和邊界條件

本次理論模擬所采用的反應(yīng)器的主要工作原理是：聚焦后的太陽輻射從反應(yīng)器頂部的石英玻璃窗口直接照射到反應(yīng)器內(nèi),氣固混合物從反應(yīng)器進(jìn)口進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)懸浮流動(dòng),從而直接吸收進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)的太陽輻射,進(jìn)行熱化學(xué)反應(yīng).為了求解方便,在進(jìn)行模擬前對(duì)反應(yīng)器進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,簡(jiǎn)化后的幾何模型及邊界條件如圖1所示.反應(yīng)器的具體參數(shù)為：反應(yīng)器總高度為300 mm,上部為圓柱體,長(zhǎng)度為200mm,直徑為80 mm；下部為錐體,高度為100 mm；進(jìn)口直徑為7 mm,出口直徑為10 mm.

圖1 反應(yīng)器幾何模型尺寸及邊界條件

在進(jìn)行數(shù)值求解時(shí),需要給出定解條件,本文的初始條件為空氣入口速度、顆粒入口速度(二者數(shù)值相同)；邊界條件主要包括速度進(jìn)口邊界條件、自由出口邊界條件、壁面邊界條件；由于反應(yīng)器內(nèi)的流速較低,可以對(duì)氣體流動(dòng)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,即將氣體流動(dòng)看作是不可壓縮的穩(wěn)態(tài)流動(dòng),而且在進(jìn)口處氣體速度均勻,流動(dòng)狀態(tài)是充分發(fā)展的湍流狀態(tài).

本文模擬的是氮?dú)夂吞亢陬w粒在反應(yīng)器內(nèi)的兩相流動(dòng)特性,其物性參數(shù)如表1所示.

表1 氣固兩相的物理特性參數(shù)

1.2 數(shù)學(xué)控制方程

由于本文模擬的是反應(yīng)器的兩相流動(dòng)特性,故三維模型的數(shù)學(xué)控制方程包括連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、顆粒運(yùn)動(dòng)方程.本文湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型,兩相流模型為離散顆粒追蹤模型；動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)格式,壓力采用標(biāo)準(zhǔn)格式離散,速度與壓力的耦合采用SIMPLE算法.具體數(shù)學(xué)控制方程如下.

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

k方程：

式中：ui,uj——?dú)怏w速度,i,j=1,2,3；

ρ——?dú)怏w密度；

P——有效壓力；

μeff——有效湍流粘度；

μ——?dú)怏w粘度；

k——湍動(dòng)能；

ε——耗散率；

c1,c2,Cμ,σk,σε——常數(shù),取值分別為1.44, 1.92,0.09,1.0,1.3.

顆粒運(yùn)動(dòng)方程：

式中：FD(u-up)——顆粒的單位質(zhì)量曳力.

up——顆粒速度；

ρp——顆粒密度；

dp——顆粒直徑；

Re——相對(duì)雷諾數(shù)；

CD——曳力系數(shù).

對(duì)于球形顆粒,在一定的雷諾數(shù)范圍內(nèi),式(8)中的a1,a2,a3均為常數(shù).

2 模擬結(jié)果及分析

本文選取炭黑顆粒作為固體顆粒,氣體為氮?dú)?顆粒的粒徑是0.5μm,顆粒密度為550 kg/m3.對(duì)進(jìn)口速度為1 m/s,2 m/s,3 m/s的氣固兩相流場(chǎng)分別進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,模擬循環(huán)流化型反應(yīng)器內(nèi)固體顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,結(jié)果見圖2.

圖2 不同進(jìn)口速度下反應(yīng)器內(nèi)固體顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡及停留時(shí)間

為便于觀察顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡,在對(duì)結(jié)果進(jìn)行后處理時(shí),部分顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡未予顯示.由圖2可以看出：進(jìn)口速度為1 m/s時(shí),顆粒在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間較長(zhǎng),平均約為30 s,具有一定的循環(huán)懸浮流動(dòng)特性,但基本停留在反應(yīng)器中下部,顆粒的懸浮特性較差,這會(huì)引起顆粒沉積；進(jìn)口速度為2 m/s時(shí),顆粒停留時(shí)間與1m/s相比減少較少,平均約為25 s,但顆粒的循環(huán)懸浮流動(dòng)特性較好,顆粒均勻分布于反應(yīng)器內(nèi)；進(jìn)口速度為3 m/s時(shí),顆粒在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間很短,平均為10 s,而且基本沒有循環(huán)流動(dòng)特性,顆粒進(jìn)入反應(yīng)腔后直接從反應(yīng)器出口流出,且在反應(yīng)器內(nèi)流動(dòng)的速度較快.

因此,從顆粒在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間和懸浮特性兩方面考慮,進(jìn)口速度不宜過慢和過快,速度過慢則顆粒會(huì)在出口堆積,懸浮特性較差,過快則將導(dǎo)致顆粒在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間太短,影響顆粒在反應(yīng)器內(nèi)與氣體的反應(yīng)和吸熱特性.綜合分析模擬結(jié)果可知,在用粒徑為0.5μm,密度為550 g/m3的炭黑顆粒和進(jìn)口速度為2 m/s的情況下,顆粒停留時(shí)間相對(duì)于1 m/s時(shí)只減少了5 s,但有效保證了顆粒的循環(huán)懸浮流動(dòng)特性.故在不考慮吸熱的情況下,2 m/s應(yīng)為最佳流速.

為了直觀觀察反應(yīng)器內(nèi)速度的變化和快慢,選取進(jìn)口速度為2 m/s時(shí)反應(yīng)器內(nèi)的速度矢量圖,如圖3所示.由圖3可知,反應(yīng)器中間部分流動(dòng)速度非常慢,只在進(jìn)口和出口具有較快的流速,且速度方向有向上和向下兩種情況,進(jìn)一步說明了顆粒在反應(yīng)器內(nèi)具有較好的循環(huán)懸浮流動(dòng)特性.

圖3 反應(yīng)器內(nèi)速度矢量圖

3 結(jié) 論

(1)從顆粒在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間和懸浮特性兩方面考慮,進(jìn)口速度不宜過慢和過快,進(jìn)口速度過慢會(huì)導(dǎo)致顆粒在進(jìn)口處堆積,懸浮特性較差；進(jìn)口速度過快,則將導(dǎo)致顆粒在反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間變短,從而影響了顆粒在反應(yīng)器內(nèi)的吸熱特性和氣體的反應(yīng)特性.

(2)采用粒徑為0.5μm,密度為550 g/m3的炭黑顆粒,通過對(duì)不同進(jìn)口速度下反應(yīng)器內(nèi)的粒子軌跡進(jìn)行數(shù)值模擬可以得出,當(dāng)進(jìn)口速度為2 m/s時(shí),顆粒在反應(yīng)器內(nèi)具有較好的懸浮流動(dòng)特性且停留時(shí)間較長(zhǎng).因此,在不考慮吸熱的情況下,2 m/s應(yīng)為最佳進(jìn)口流速.

(3)進(jìn)口速度為2 m/s時(shí),反應(yīng)器中間部分流動(dòng)速度非常慢,只在進(jìn)口和出口具有較快的流速,且速度有向上和向下兩種情況,說明顆粒在反應(yīng)器內(nèi)具有較好的循環(huán)懸浮流動(dòng)特性.

［1］潘瑩,洪慧,金紅光.太陽能熱化學(xué)研究進(jìn)展［J］.科技導(dǎo)報(bào),2010,28(7)：110-115.

［2］馬婷婷,朱躍釗,陳海軍,等.太陽能高溫?zé)峄瘜W(xué)反應(yīng)器研究進(jìn)展［J］.化工進(jìn)展,2014(5)：1 134-1 141.

［3］蔣青青,童金輝,陳真盤,等.太陽能光熱化學(xué)分解CO2和H2O的研究進(jìn)展［J］.中國(guó)科學(xué)：化學(xué),2014(12)：1 834-1 848.

［4］陳偉,張軍.太陽熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)分解CO2的研究進(jìn)展與技術(shù)分析［J］.科技導(dǎo)報(bào),2012,30(18)：60-64.

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［6］吳璽.太陽能ZnO熱解和CH4-ZnO重整兩步熱化學(xué)循環(huán)制氫分析［D］.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2007.

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(編輯 白林雪)

Numerical Simulation of the Flow Characteristics of W orking M edium Inside the Direct Absorption Solar Thermochem ical Reactor

LI Jindou,ZHU Qunzhi (School of Energy and Mechanical Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai200090,China)

A discrete phasemodelw ith the CFD software is used to simulate flow characteristics of particles in the direct absorption solar thermochemical reactor to obtain the trajectories of the discrete particle phase in the reactor.Particle trajectories of the different inlet velocities are analyzed.An optimum inlet velocity can be determ ined from the flow state in the reactor when particles have the residence time in the reactor long enough while the particles do not deposit on the bottom of the reactor.The optimum inlet velocity is 2 m/s according to simulation results of the reactor described when the particle size is 0.5 microns and the density of carbon black particles is 550 g/m3.

solar energy；thermochemical reactor；the gas-solid flow characteristics

TK519

A

1006-4729(2015)05-0409-04

10.3969/j.issn.1006-4729.2015.05.003

2015-04-30

朱群志(1972-),男,博士,教授,浙江臺(tái)州人.主要研究方向?yàn)樘柲芾?納米材料的熱輻射特性及應(yīng)用等.E-mail：zhuqunzhi@shiep.edu.cn.

上海市教育委員會(huì)科研創(chuàng)新項(xiàng)目(13ZZ130).