太阳能热化学反应器内流动和反应的数值模拟(2)

来源:中国辐射卫生 【在线投稿】 栏目:期刊导读 时间:2021-07-28
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摘要:为简化计算,取模型的七分之一进行模拟,首先模拟得到吸收腔内热流密度分布,然后将热流密度加载到单个反应器,再进行反应器内流动、传热和化学反

为简化计算,取模型的七分之一进行模拟,首先模拟得到吸收腔内热流密度分布,然后将热流密度加载到单个反应器,再进行反应器内流动、传热和化学反应模拟.

1.2 控制方程

反应过程中满足连续性方程、动量方程、组分输运方程、能量守恒方程.

连续性方程

公式中:ρ、u、Ri分别为密度、速度和质量源项;下标f、s、i分别为流体、固体和组分i.

动量守恒方程

公式中:φ、p、μ、K、CE分别为空隙率、压力、动力粘度、渗透率和惯性阻力系数.

组分输运方程

公式中:φeff、Yi分别为有效空隙率和组分i的质量分数.

能量守恒方程

公式中:分别为质量焓、摩尔焓、有效导热系数和能量源项;下标ceria、diss、rd、ox分别为二氧化铈、分解、还原反应和氧化反应.上式中,对于预期的二氧化铈非化学计量数工作范围(δ=0.02~0.04,T=1 750 K),二氧化铈的还原反应焓约为分解焓约为这两个能量源项将以UDS的形式加载到多孔介质区域,用以考虑化学反应对能量方程的影响.

DO辐射方程:

由于反应器吸收腔内温度较高,需要考虑其内部的辐射特性,在模拟吸收腔内部热流密度分布时采用DO辐射模型.

1.3 化学反应动力学方程

目前的文献中,没有准确描述二氧化铈催化分解CO2的反应动力学表达式,本研究中采用的动力学表达式主要参考Bulfie和Rohini Bala的文章[14-15].在二氧化铈参与氧化还原反应的过程中,其非化学计量数δ决定反应进行速率的大小,以下为δ随时间变化的微分方程,以及各组分质量源表达式.

δ与t的关系:

公式中:δ为非化学计量数(即氧空位浓度);kox为氧化速率常数,Aox取1.5,Eox取当反应温度高于1 500 ℃时[16],a约为5.

在氧化与还原过程中,CeO2既能释放O2,也能吸收O2,因此氧气质量源项的表达式如下:

研究表明[17],高温下CO2的直接分解作用也很明显,且为可逆反应,各组分质量源项的表达式如下:

公式中:i=O2,CO,CO2,相应地vi=0.5,1,-1.

O2的净产量为CO2分解所释放的量与CeO2氧化消耗的量之和,如下所示:

预计热分解产物CO会在短时间内和O2重新结合成CO2,故本研究认为氧化阶段产生的O2,一部分被CeO2吸收来填补氧空位,其余的全部与CO重新结合.

本研究以上述的非化学计量数δ的微分方程、各组分的质量源项表达式为理论基础,来实现上述化学反应.

2 模拟结果分析

Bader[9]文中给出的太阳能热化学反应器为概念设计,并未进行实验测量,反应器在设计运行参数下,工作温度约为1 800 K,CO产率在预估为3.9×10-4mol·s-1,模拟得到的温度分布如图4和图11所示,以及出口CO摩尔产率如图17所示,较为接近,可认为模拟所采用模型是合理的.

2.1 吸收腔内热流密度分布

吸收腔内部热流密度分布情况,如图2所示.可以看出圆管反应器壁面的热流量明显高于吸收腔壁面,经计算圆管反应器壁面的平均热流密度为4 600 W·m-2,总热流量为318.5 W,吸收腔壁面的热流密度为181.5 W,热量损失占36.3%.沿着圆管反应器轴的热流密度分布曲线,如图3所示.沿着轴向先增高后减少,并且在x=0.12 m达到最大值6 900 W·m-2.

图2 反应器热流密度分布云图图3 沿X轴向热流密度

2.2 还原阶段分析

(1)反应器温度分析

t=1 s和100 s时反应器温度分布云图,如图4所示.从左侧图可看出反应器壁面温度最高为1 880 K,t=100 s时超过1 860 K温度的范围明显少于t=1 s时的,这是因为CeO2的还原反应是吸热反应,随着反应的经行,反应器温度下降.

图4t=1 s和100 s时反应器温度分布

反应器壁面轴向温度在不同时刻的温度分布和多孔介质的体积平均温度随时间的变化,如图5、图6所示.壁面温度和体积平均温度都随着反应的进行,不断减小,进一步验证了CeO2的还原反应是吸热反应.

图5 反应器壁面轴向温度在不同时刻的温度分布图6 多孔介质体积平均温度随时间的变化

(2)氧空位浓度δ与O2产率

t=1 s时和t=100 s多孔介质区域的δ分布云图,如图7所示.在t=100 s时δ最高到0.041,且最高位置在出现在刚进入多孔介质区域的地方.这是因为气体刚进入多孔介质时,由于不含氧气,故此处氧气的分压为零,远低于平衡压力,CeO2中的氧原子在高温条件下能够以氧气的形式释放出来,故此处的氧空位最高.从图7中还可看出,靠近出口处多孔介质的δ最小,这是因为氧气的不断释放,氧气在下游的质量分数达到最高,即氧气分压也达到最高,故此处的CeO2中的氧原子受氧气分压的抑制,释放速率较慢.

文章来源:《中国辐射卫生》 网址: http://www.zgfswszz.cn/qikandaodu/2021/0728/951.html



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