太陽能化學(xué)蓄熱傳熱過程的熱力學(xué)研究.pdf

1、太陽輻射的能量密度大約為1kW/m2，是人類急需開發(fā)的巨大能源。其大幅的有效利用將顯著降低人類對化石能源的依賴，以減少化石能源的利用所帶來的環(huán)境污染，從而改善人類的生存環(huán)境。但是，太陽輻射到地球的能量是間隙性的，因此需要能量的儲存或轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)以滿足用戶的連續(xù)用能要求。對于太陽能熱利用，蓄熱技術(shù)一直是學(xué)術(shù)界的一個研究方向，熱量儲存的能量密度是制約蓄熱技術(shù)應(yīng)用的一個關(guān)鍵問題，因此探索太陽能蓄熱新方法具有十分重要的實際意義。本文以一種有機(jī)物作為

2、化學(xué)蓄熱工質(zhì)，研究其催化化學(xué)反應(yīng)放熱過程，通過數(shù)值方法探索在反應(yīng)放熱過程中的傳熱傳質(zhì)規(guī)律，以獲得該放熱反應(yīng)的動力學(xué)特性，供化學(xué)工質(zhì)和催化劑的研究、反應(yīng)器的開發(fā)與設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。本文利用光化學(xué)反應(yīng)將太陽能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，在用能時采用催化反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為熱能，以滿足用戶的用熱要求。
　　本文將催化反應(yīng)床設(shè)置為圓柱體，通過對催化反應(yīng)過程的理論分析，建立了催化反應(yīng)過程的動力學(xué)模型。該模型屬于流動、傳熱、傳質(zhì)傳遞的多物理場耦合求解問題，因

3、此本文采用COMSOL專業(yè)軟件對動力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值計算。
　　本文數(shù)值計算結(jié)果表明，催化區(qū)域增大到某一臨界峰值之后，并不會影響反應(yīng)放出熱量以及反應(yīng)物濃度的變化?？紫堵试叫?，催化劑的比表面積越大，反應(yīng)越能夠充分進(jìn)行，但流動的阻力系數(shù)增大，對流動的阻礙影響越大?？紫堵实脑龃?，增加反應(yīng)物的物質(zhì)的量在催化管段區(qū)域的駐留時間，促進(jìn)重整反應(yīng)的進(jìn)行，同時增大孔隙率也會弱化催化劑區(qū)域的導(dǎo)熱效果，使溫度下降抑制重整反應(yīng)，兩者共同因素相互影響進(jìn)而導(dǎo)致

4、使化學(xué)催化放熱反應(yīng)存在峰值。
　　化學(xué)蓄熱反應(yīng)器內(nèi)的流速不能過快，否則化學(xué)反應(yīng)還未反應(yīng)徹底就已經(jīng)流過催化劑區(qū)域，導(dǎo)致反應(yīng)放熱量小，反應(yīng)器催化放熱管段的最高溫度隨著反應(yīng)物入口速度的增加先增大后減小，存在峰值。
　　在反應(yīng)溶液的流量和入口濃度一定的情況下，反應(yīng)床的出口溫度隨反應(yīng)熱的增大而升高，兩者成線性關(guān)系。顯然，反應(yīng)熱過高將會產(chǎn)生較高的反應(yīng)溫度，不利于安全使用。因此，在研究光化學(xué)工質(zhì)時在追求高能量密度和高放熱溫度時應(yīng)綜合考慮。