大颗粒流态化特性与热量传递协同作用的研究

摘要

本文选用粒径在0.1mm~0.5mm范围内的玻璃微珠代替多晶硅生产中的硅晶种颗粒作为实验物料，使用热频率响应实验方法研究了颗粒与流体间的传热特性。考察了颗粒粒度、流化气速及床层空隙率对传热的影响，由测定的17组颗粒与流体间的传热系数与流化床流动特性、流体物性相结合回归出传热关联式。将实验得到的传热关联式应用于Fluent中，模拟了气固非稳态传热过程；模拟结果与Guun传热模型的模拟结果及实验结果进行了比较。考察了流化床内置垂直加热棒对流化质量及床内传热特性的影响。具体研究内容如下：
　　1、搭建了一套用于研究气固流化床传热特性的实验装置，流化床直径0.16m，高1.3m。温度控制系统可以输出幅值5≤A≤10℃、周期T≥90s的正弦式气温变化，使用K型热电偶采集气体温度，温度采集的频率为5次/秒。Set1-Set3为窄筛分颗粒，Set4、Set5为宽筛分颗粒；局部颗粒体积分数采用抽样法测得，压力变化采用U型压差计测定。
　　2、入口处温度脉冲参数的变化对颗粒与流体间传热系数的测量并没有影响，误差主要为热电偶在测量过程中产生的。颗粒粒径及流化气速是影响颗粒与流体间的传热主要因素，颗粒粒径越大、流化气速越高颗粒与流体间的传热系数越大。本文得出的颗粒与流体间的传热系数与文献结果相同，但比经验关联式的计算值大10倍左右，回归得到了颗粒雷诺数在1≤Rep≤11范围内的传热关联式：0.6481/20.333.37 Re Re?Pr-(28)，关联式的给出值与实验值的误差在15％以内，满足工程计算的精度要求。
　　3、模拟了气固非稳态传热过程，颗粒的径向及轴向颗粒体积分数分布及床层的高度与实验测量值基本吻合；分析颗粒的瞬时速度矢量表明，流化床内存在由中心向两侧总体的颗粒循环运动及局部的涡流；颗粒与流体间的热量传递主要发生在流化床入口很小的区域内，床层其他区域内颗粒与气体的温度基本一致；User-defined传热模型的颗粒升温曲线与实验结果基本相同，Guun传热模型模拟的颗粒升温曲线略小于实验结果；分析气体瞬时气速与颗粒瞬时温度之间的关系发现，流化床入口处颗粒的温度与气体速度成正比，即与颗粒雷诺数成正比，颗粒雷诺数对气固传热过程起着重要作用。
　　4、模拟流化床内加载垂直加热棒过程中发现，气泡主要沿着壁面产生，内构件起到破碎气泡及提高床层中心处的固含量的作用，使床层的颗粒分布更加均匀。对比添加内构件前后固定位置点气体压力变化发现，添加内购件气泡破碎频率没有明显改变，但气泡的尺寸减小，添加内构件提高了流化质量。气体与颗粒的热量交换主要发生在流化床入口很小域内，热交换区域气体与颗粒的温度与气速密切相关，气速越大传热效率越高。添加内构件后并没有改变流化床内整体的气体与颗粒的温度分布，但内置加热棒的加热形式明显降低了流化床壁面温度，在多晶硅生产中可以有效减少壁面沉积。

目录

符号说明

前言

1.文献综述

1.1流化床制备多晶硅

1.2流化床中气固两相流动特性

1.3流化床中的热量传递

1.4改善流化质量的方法

1.5课题研究目的及研究内容

2.实验设备及测量系统

2.1 实验装置和系统简介

2.2 操作气速的确定

2.3 实验参数的测量

2.4 实验步骤

2.5本章小结

3.流化床内颗粒与流体间传热的实验研究

3.1空床实验

3.2颗粒与流体间传热系数的测定

3.3传热系数关联式

3.4数学模型的对比

3.5本章小结

4.流化床内气固两相流的数值研究

4.1控制方程

4.2方程的离散求解

4.3物理模型的建立

4.4初始边界条件的设置

4.5 结果与讨论

4.6本章小结

5.内构件对流态化过程的强化

5.1物理模型

5.2边界层及模拟计算

5.3结果与讨论

5.4本章小结

6.结论与展望

本文工作及结论：

工作展望：

参考文献

致谢

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