直吸式太阳能热化学反应器内工质流动特性的数值模拟

李金斗,朱群志

(上海电力学院能源与机械工程学院,上海 200090)

直吸式太阳能热化学反应器内工质流动特性的数值模拟

李金斗,朱群志

(上海电力学院能源与机械工程学院,上海 200090)

采用CFD软件,选用离散相追踪模型对直吸式太阳能热化学反应器内悬浮粒子系的运动轨迹进行三维数值模拟,从而得到反应器内离散颗粒相的运动轨迹.对比不同进口速度下反应器内的粒子轨迹可知,反应器存在一个最佳进口速度,使悬浮粒子系在反应器内达到较好的悬浮流动状态.通过分析模拟结果,在采用粒径为0.5μm,密度为550 g/m3的炭黑颗粒的情况下,理论研究所采用的反应器的最佳进口速度为2 m/s.

太阳能；热化学反应器；气固两相流动特性

太阳能作为一种能量巨大的清洁能源,可以有效解决人类过多消耗传统能源所带来的环境污染、能源减少等问题.［1］但太阳能的分布随季节和地域的变化较大,易受到天气的影响,且品位较低,不易开发利用,因此将其转化为其他高品位能源,是当今开发利用太阳能的热点.太阳能热化学能源转化技术,通过选择合适的化学反应,利用太阳能聚光技术将太阳能转化为高温热能,提供给化学反应所需的能量.通过反应将太阳能存储于生成物(高品位能源),从而间接实现了太阳能的存储.而且太阳能热化学的利用可以在太阳能资源丰富的地方进行,将太阳能转变为高品位的燃料后输送到其他地方进行利用,达到太阳能异地输运和利用的目的,解决了太阳能分布不均、品位较低的问题,有效提高了太阳能的利用率.［2］

太阳能热化学反应装置是太阳能热化学反应技术的核心装置,可分为传统间接吸收太阳辐射式反应器和新型直接吸收太阳辐射式反应器两种类型.

与传统的间接吸收式反应器相比,新型直接吸收式太阳能热化学反应器具有催化剂反应活性高、反应器所能达到的温度高和转化效率高等优点,故发展前景较好.直接吸收式太阳能热化学反应器的传热传质和化学反应机理十分复杂,而反应器内的悬浮颗粒直接参与了辐射的吸收与换热、催化反应等诸多方面,悬浮粒子系的两相流动特性对于其在反应器内的辐射吸收与换热具有重要影响.因此,对悬浮粒子系两相流动特性的研究具有重要意义,可用于优化太阳能热化学反应器的设计,提高热化学反应器的性能和效率.［3-5］

中国科技大学的吴玺对太阳能热解ZnO和ZnO催化甲烷重整两步热化学循环制氢系统进行了系统效率分析,［6］利用CFD软件进行了理论模拟.

KLEIN H H等人通过CFD理论模拟和实验,研究了反应器内粒子浓度对反应器墙壁温度的影响,［7］发现粒子浓度越大则反应器壁温度越低,但粒子浓度达到2.7 g/m3时,反应器壁温度不再发生变化,故反应器内存在一个最佳粒子浓度.BELLAN S等人通过CFD理论模拟,对反应器的流体流动分布、吸收效率和温度分布进行了预测,并进行了实验验证.［8］OZALP Nesrin等人利用CFD软件对旋流型直接吸收式太阳能热化学反应器进行了流动传热特性模拟,［9］对比模拟结果可知,加有旋流槽的反应器可有效增加旋流流动特性,从而延长颗粒的停留时间,可以使反应器温度分布更均匀,但对出口温度影响较小.

1 反应器内悬浮粒子系两相流动特性的数值模拟

1.1 反应器的物理模型和边界条件

本次理论模拟所采用的反应器的主要工作原理是：聚焦后的太阳辐射从反应器顶部的石英玻璃窗口直接照射到反应器内,气固混合物从反应器进口进入反应器内悬浮流动,从而直接吸收进入反应器内的太阳辐射,进行热化学反应.为了求解方便,在进行模拟前对反应器进行简化处理,简化后的几何模型及边界条件如图1所示.反应器的具体参数为：反应器总高度为300 mm,上部为圆柱体,长度为200mm,直径为80 mm；下部为锥体,高度为100 mm；进口直径为7 mm,出口直径为10 mm.

图1 反应器几何模型尺寸及边界条件

在进行数值求解时,需要给出定解条件,本文的初始条件为空气入口速度、颗粒入口速度(二者数值相同)；边界条件主要包括速度进口边界条件、自由出口边界条件、壁面边界条件；由于反应器内的流速较低,可以对气体流动进行简化处理,即将气体流动看作是不可压缩的稳态流动,而且在进口处气体速度均匀,流动状态是充分发展的湍流状态.

本文模拟的是氮气和炭黑颗粒在反应器内的两相流动特性,其物性参数如表1所示.

表1 气固两相的物理特性参数

1.2 数学控制方程

由于本文模拟的是反应器的两相流动特性,故三维模型的数学控制方程包括连续性方程、动量方程、颗粒运动方程.本文湍流模型采用标准的k-ε模型,两相流模型为离散颗粒追踪模型；动量方程采用二阶迎风格式,压力采用标准格式离散,速度与压力的耦合采用SIMPLE算法.具体数学控制方程如下.

连续性方程：

动量方程：

k方程：

式中：ui,uj——气体速度,i,j=1,2,3；

ρ——气体密度；

P——有效压力；

μeff——有效湍流粘度；

μ——气体粘度；

k——湍动能；

ε——耗散率；

c1,c2,Cμ,σk,σε——常数,取值分别为1.44, 1.92,0.09,1.0,1.3.

颗粒运动方程：

式中：FD(u-up)——颗粒的单位质量曳力.

up——颗粒速度；

ρp——颗粒密度；

dp——颗粒直径；

Re——相对雷诺数；

CD——曳力系数.

对于球形颗粒,在一定的雷诺数范围内,式(8)中的a1,a2,a3均为常数.

2 模拟结果及分析

本文选取炭黑颗粒作为固体颗粒,气体为氮气,颗粒的粒径是0.5μm,颗粒密度为550 kg/m3.对进口速度为1 m/s,2 m/s,3 m/s的气固两相流场分别进行数值计算,模拟循环流化型反应器内固体颗粒的运动轨迹,结果见图2.

图2 不同进口速度下反应器内固体颗粒运动轨迹及停留时间

为便于观察颗粒的运动轨迹,在对结果进行后处理时,部分颗粒的运动轨迹未予显示.由图2可以看出：进口速度为1 m/s时,颗粒在反应器内停留时间较长,平均约为30 s,具有一定的循环悬浮流动特性,但基本停留在反应器中下部,颗粒的悬浮特性较差,这会引起颗粒沉积；进口速度为2 m/s时,颗粒停留时间与1m/s相比减少较少,平均约为25 s,但颗粒的循环悬浮流动特性较好,颗粒均匀分布于反应器内；进口速度为3 m/s时,颗粒在反应器内停留时间很短,平均为10 s,而且基本没有循环流动特性,颗粒进入反应腔后直接从反应器出口流出,且在反应器内流动的速度较快.

因此,从颗粒在反应器内的停留时间和悬浮特性两方面考虑,进口速度不宜过慢和过快,速度过慢则颗粒会在出口堆积,悬浮特性较差,过快则将导致颗粒在反应器内的停留时间太短,影响颗粒在反应器内与气体的反应和吸热特性.综合分析模拟结果可知,在用粒径为0.5μm,密度为550 g/m3的炭黑颗粒和进口速度为2 m/s的情况下,颗粒停留时间相对于1 m/s时只减少了5 s,但有效保证了颗粒的循环悬浮流动特性.故在不考虑吸热的情况下,2 m/s应为最佳流速.

为了直观观察反应器内速度的变化和快慢,选取进口速度为2 m/s时反应器内的速度矢量图,如图3所示.由图3可知,反应器中间部分流动速度非常慢,只在进口和出口具有较快的流速,且速度方向有向上和向下两种情况,进一步说明了颗粒在反应器内具有较好的循环悬浮流动特性.

图3 反应器内速度矢量图

3 结 论

(1)从颗粒在反应器内的停留时间和悬浮特性两方面考虑,进口速度不宜过慢和过快,进口速度过慢会导致颗粒在进口处堆积,悬浮特性较差；进口速度过快,则将导致颗粒在反应器内的停留时间变短,从而影响了颗粒在反应器内的吸热特性和气体的反应特性.

(2)采用粒径为0.5μm,密度为550 g/m3的炭黑颗粒,通过对不同进口速度下反应器内的粒子轨迹进行数值模拟可以得出,当进口速度为2 m/s时,颗粒在反应器内具有较好的悬浮流动特性且停留时间较长.因此,在不考虑吸热的情况下,2 m/s应为最佳进口流速.

(3)进口速度为2 m/s时,反应器中间部分流动速度非常慢,只在进口和出口具有较快的流速,且速度有向上和向下两种情况,说明颗粒在反应器内具有较好的循环悬浮流动特性.

［1］潘莹,洪慧,金红光.太阳能热化学研究进展［J］.科技导报,2010,28(7)：110-115.

［2］马婷婷,朱跃钊,陈海军,等.太阳能高温热化学反应器研究进展［J］.化工进展,2014(5)：1 134-1 141.

［3］蒋青青,童金辉,陈真盘,等.太阳能光热化学分解CO2和H2O的研究进展［J］.中国科学：化学,2014(12)：1 834-1 848.

［4］陈伟,张军.太阳热化学循环反应分解CO2的研究进展与技术分析［J］.科技导报,2012,30(18)：60-64.

［5］朱群志.直接吸收太阳辐射集热器/热化学反应器的研究进展［J］.上海电力学院学报,2013,29(2)：101-106.

［6］吴玺.太阳能ZnO热解和CH4-ZnO重整两步热化学循环制氢分析［D］.合肥：中国科学技术大学,2007.

［7］KLEIN H H,KARNI J.Heat transfer in a directly irradiated solar receiver/reactor for solid-gas reactions［J］.Solar Energy,2007,81(10)：1 227-1 239.

［8］BELLAN S,ALONSO E,PEREZ-Rabago C,etal.Numerical modeling of solar thermochem ical reactor for kinetic analysis［J］.Energy Procedia,2014(49)：735-742.

［9］OZALPNesrin,KRISHNA D Jaya.CFD analysis on the influence of helical carving in a vortex flow solar reactor［J］. International Journal of Hydrogen Energy,2010,35(3)：6 248-6 260.

(编辑 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,浙江台州人.主要研究方向为太阳能利用,纳米材料的热辐射特性及应用等.E-mail：zhuqunzhi@shiep.edu.cn.

上海市教育委员会科研创新项目(13ZZ130).