基于5 kW太陽能模擬器的熱化學反應器熱性能研究

黃興，高方林，李珍珍，姚鑫

（華北理工大學冶金與能源學院，河北 唐山 063210）

0 引言

隨著人類日益增長的能源需求以及能源危機的出現，急需開發可再生能源作為替代能源[1]。合成氣是一種高效、清潔以及可持續的能源，其產量能夠滿足人類的需求[2]。通過太陽能驅動太陽能熱化學反應器，制取合成氣越來越受到人們的關注[3]。反應器在合成氣生產過程中提供反應場所，其性能對熱化學反應起到至關重要的作用。其中，反應器熱性能對熱化學反應效率有很大影響，通過改變操作條件等可以優化反應器熱性能。這些研究得到國內外學者們的廣泛關注。

一些學者研究了反應器的物理參數，例如操作溫度、壓力、進氣速度以及太陽能熱化學反應器物性參數對反應器性能的影響。李嘉寶[4]以塔式太陽能熱發電站中的圓柱形外露管式吸熱器為研究對象進行數值建模，研究了輻射熱流密度、熔鹽流量、熔鹽進口溫度和環境風速等參數對吸熱器動態特性的影響，結果表明，熔鹽出口溫度主要受到輻射熱流密度、熔鹽進口溫度和熔鹽流量的影響，環境風速影響較小。Bachirou G L[5]研究了輻照強度、質量流量、傳熱系數和內腔壁面發射系數對多孔介質太陽能熱化學反應器的影響，結果表明，溫度的大幅度降低主要是由輻射、傳導和對流導致的熱損。通過分析這些參數對反應器溫度分布的影響，可以優化太陽能熱化學反應器溫度分布。大多研究者只是假設采光口入口溫度等條件，本文則是通過實驗測得熱流密度，然后將熱流密度加載到反應器中，通過理論計算得出操作條件等因素對反應器熱性能的影響。

本文為5 kW非共軸聚光型模擬器自行設計了熱化學反應器，利用數值模擬方法研究了影響反應器內部溫度分布的有關參數，其中包括：太陽能模擬器功率、反應器內壁材料發射率、工作壓力和入口速度等，不僅可以優化反應器內溫度分布，還可以為后續的反應器熱應力分析奠定基礎。

1 模型建立

1.1 物理模型

圖1為基于5 kW太陽能模擬器設計的熱化學反應器。主要結構尺寸見表1。反應器主要包括石英玻璃、進氣口、出氣口、熱電偶、反應腔以及保溫層等結構。太陽能模擬器聚焦的光線經過采光口進入反應器內部，其產生的熱量為熱化學反應提供熱源。進氣口采取軸向對稱布置，不僅可以達到清潔石英玻璃的目的，還可以起到防止其冷卻炸裂的作用。反應器反應腔以外是由Al2O3陶瓷構成的保溫層，其導熱能力直接影響保溫效果。光線通過采光口進入反應器內部，在Al2O3陶瓷內表面發生反射、散射、吸收等現象。

表1 建模參數Table 1 Model parameter mm

圖1 太陽能熱化學反應器結構Fig.1 Structure diagram of solar thermochemical reactor

1.2 控制方程

反應器熱性能模擬過程中使用質量守恒、動量守恒和能量守恒定律等[6]。

①連續性方程

質量守恒定律在流體力學中的具體表達形式是連續性方程，即流體作為連續性介質在流動過程中，不僅沒有新流體質量產生也沒有原流體質量被消耗。

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；▽為漢密爾算子；速度矢量，m/s。

②動量方程

系統內流體動量與時間的變化率等于外力作用在系統上的矢量和，即：

式中：f為表面力，N；P為靜壓，Pa；τij為作用在微元六面體上的粘性應力張量，cSt。

③能量守恒方程

在熱力學系統中能量守恒定義為：微元體內熱力學能增加率等于進入微元體的凈熱流量及體積力與表面力對微元體做的功，其表達式為

式中：h為流體的比焓，J/kg；xi為i方向上的位移，m；ui為i方向的速度，m/s；T為溫度，K；k為分子導熱率，W/（m·k）；kt為由于湍流擴散引起的導熱率，W/（m·k）；Sh為所定義的體積熱源，W/m2。

④輻射傳熱方程

由于本文研究反應腔光學厚度較小，因此在模擬太陽能熱化學反應器內部溫度分布時采用DO輻射模型，其表達式如下：

1.3 邊界條件

在模擬反應器溫度分布過程中，采光口入口熱量擬合為“雙高斯”的熱流，進氣口采用速度入口，出氣口采用壓力出口，其中2.4 kW模擬器功率熱流是通過實驗獲得的。匯聚光斑直徑為60 mm時，水平和豎直方向上的熱流密度曲線見圖2。在模擬過程中其他相關計算參數見表2。

表2 計算過程所用參數Table 2 Parameters used in the calculation process

圖2 光斑熱流密度曲線Fig.2 Heat flux curve of light spot

通過實驗數據可以擬合出“雙高斯”能量密度公式（5），再利用自定義udf加載到反應器模型中[8]。

式中：qw，q0，qpeak分別為熱流密度、熱流密度最小值、熱流密度最大值，kW/m2；r為熱流密度坐標，m；rc為熱流密度峰值坐標，m；ω為標準方差。

反應器進行模擬時主要相關材料包括石英玻璃、Al2O3陶瓷、空氣，由于不考慮化學反應的影響，用空氣（理想氣體）代替載氣。其相關材料的主要物性參數見表3[9-11]。

表3 相關材料的主要物性參數Table 3 Main physical parameters of related materials

1.4 模型驗證

本文模型通過建模軟件SpaceClaim進行繪制，然后將模型導入ICEM CFD進行網格繪制。由于模擬的區域為復雜的三維結構，對其進行結構化網格劃分非常困難，因此選用非結構化網格劃分。最后在Fluent中進行數值模擬，模擬過程中相關殘差收斂標準均設定為10-6。當網格數量為2 050 436和3 789 754時，二者模擬的反應器溫度分布結果一致。為了達到計算結果的準確性并避免非必要計算，選取網格數量為2 050 436進行模擬計算。

為驗證本文所建反應器熱性能模型的準確性，采用文獻[8]的計算參數,對比研究了反應器內溫度分布，計算結果見圖3[11]。

圖3 本文模擬結果與文獻[8]模擬結果對比Fig.3 Comparison of simulation results in this paper with those in reference

由圖3可知，本文模型計算結果與文獻計算結果分布趨勢一致，吻合較好。本文模型可用于后續的反應器熱性能研究。

2 結果與討論

2.1 太陽能模擬器功率對溫度分布的影響

當氣體入口速度為0.005 m/s、氣體入口溫度為300 K、工作壓力為0.1 MPa時，太陽能模擬器功率對反應器溫度分布的影響如圖4所示。

圖4 模擬器功率對反應器中心線溫度分布的影響Fig.4 Effect of simulator power on temperature distribution of reactor centerline

由圖4可知，隨著模擬器功率的增加，沿反應器中心線分布的溫度隨之上升。模擬器功率由2 kW增加到5 kW，反應器石英玻璃位置溫度由716.66 K增加至963.23 K，且反應器整體溫度升高。造成這一結果的原因是隨著模擬器功率的增加，聚焦光斑的能量增加，即進入反應器內部的能量越多，反應器溫度越高。可以通過改變模擬器功率，直接控制反應器達到實驗所需溫度。

2.2 反應器內壁材料發射率對溫度分布的影響

當模擬器功率為2.4 kW、氣體入口速度為0.005 m/s、氣體入口溫度為300 K、工作壓力為0.1 MPa時，反應器內壁材料發射率對反應器溫度分布的影響如圖5所示。

圖5 發射率對反應器中心線溫度分布的影響Fig.5 Effect of emissivity on temperature distribution of reactor centerline

從圖5可以看到，隨著發射率的增加，沿反應器中心線分布溫度升高。發射率由0.2增加到0.5時，反應器石英玻璃位置溫度由804.23 K增加至830.50 K，且反應器整體溫度升高。造成這一結果的原因是隨著反應腔壁面發射率增加，反應腔對入射光線的吸收增加，光線所攜帶的能量被反應腔吸收，導致溫度上升[11]。從圖5中還可以看出，隨著反應器中心線距離的增加，反應器溫度分布均呈現出先平緩然后逐漸降低的趨勢。造成這一結果的原因是前端為石英玻璃，其導熱系數高，所以溫度分布均勻；越過石英玻璃后，隨著中心線距離的增加，部分能量被腔體吸收和壁面輻射造成了能量損失[12]，這些因素導致了溫度逐漸降低。

2.3 工作壓力對溫度分布的影響

當模擬器功率為2.4 kW、氣體入口溫度為300 K、工作壓力為0.1～2.0 MPa、氣體入口速度分別為0.002，0.005 m/s時，反應器工作壓力對反應器溫度分布的影響如圖6所示。

圖6 工作壓力對反應器中心線溫度分布的影響Fig.6 Effect of working pressure on temperature distribution of reactor centerline

由圖6可知，在相同進氣速度、不同工作壓力下，反應器中心線溫度分布不同。進氣速度為0.002 m/s時，不同工作壓力對沿反應器中心線的溫度分布影響不大；進氣速度為0.005 m/s時，不同工作壓力對太陽能熱化學反應器中心線的溫度分布影響明顯。可見，工作壓力對反應器溫度分布有影響，且高工作壓力下的影響更顯著。

2.4 氣體入口速度對溫度分布的影響

在模擬器功率為2.4 kW、氣體入口速度為0.002～0.005 m/s、氣體入口溫度為300 K、工作壓力分別為0.5，2.0 MPa情況下，反應器進氣速度對反應器溫度分布的影響如圖7所示。

圖7 進氣速度對反應器中心線溫度分布的影響Fig.7 Effect of inlet velocity on temperature distribution of reactor centerline

由圖7可知，在相同工作壓力、不同進氣速度下，反應器中心線溫度分布不同。工作壓力為0.5 MPa時，不同進氣速度對反應器中心線的溫度分布影響不大；工作壓力為2.0 MPa時，不同進氣速度對反應器中心線的溫度分布影響明顯。可見，進氣速度對反應器溫度分布有影響，且高進氣速度下的影響更顯著[13]。

3 結論

本文為5 kW非共軸聚光型模擬器自行設計了太陽能熱化學反應器，建立了聚集輻照下反應器熱性能模型，研究了不同太陽能模擬器功率、反應器內壁材料發射率、工作壓力以及進氣速度對反應器溫度分布的影響。通過研究，本文得到以下主要結論。

①隨著太陽能模擬器功率的增大，模擬器提供給反應器更多的能量，沿反應器中心線分布的溫度相應升高。

②反應腔內壁材料的發射率越大，吸收的能量越多，沿反應器中心線分布溫度越高。隨著反應器中心線距離的增加，分布的溫度均呈現出先平緩然后逐漸降低的趨勢。

③在同一進氣速度下，隨著工作壓力的增加，沿反應器中心線分布的溫度升高，并且高工作壓力對反應器中心線的溫度分布影響顯著。

④在同一工作壓力下，隨著進氣速度的增加，沿反應器中心線分布的溫度升高，并且高進氣速度對反應器中心線溫度分布影響顯著。