甲醇重整制氢A型微通道反应器流场优化与传热传质特性研究

摘要

进入工业革命以来，人类发展的脚步正在不断的加快，日益剧增的能源需求和日益严峻的环境污染问题迫使人们去寻找新的清洁能源。氢能，作为一种高效清洁的能源，受到了广泛的关注。目前，供氢的燃料重整器存在能量效率低、体积大、制造成本高等问题，无法满足可移动氢源紧凑化、轻量化的要求。因此，本文结合国家自然科学基金重点项目“面向醇类制氢的多尺度微通道反应器设计与制造基础研究”(项目编号:50930005)和浙江省自然科学基金项目“面向车载燃料电池的醇类重整制氢微反应器设计与制造基础研究”(项目编号:Z1090373)，采用理论和实验研究相结合的方式，开展了甲醇重整制氢A型微通道反应器流场优化与传热传质特性方面的研究工作。首先，设计了一种A型微通道反应器，通过建立等效电阻网络模型，得到了微通道反应器结构参数与微通道流速分布的关系模型，与传统的Z型微通道反应器相比，A型微通道反应器微通道间流速分布更加均匀。同时，分析了微通道反应器结构参数对微通道流速分布的影响规律，并基于流速分布均匀性的优化目标对微通道反应器的分布腔结构进行了优化。采用流体动力学分析软件Fluent建立了微反应器的三维传热传质模型，研究了不同热动力学参数对A型微通道反应器甲醇重整制氢性能的影响。最后，搭建了微通道反应器的甲醇重整制氢反应系统，对A型微通道反应器进行了甲醇重整制氢实验研究，验证了前面的理论模型，分析了热动力学参数对A型微通道反应器甲醇重整制氢性能的影响规律。
　　第1章，阐述了本学位论文的研究背景和意义，详细介绍了甲醇重整制氢微通道反应器研究现状，包括甲醇重整制氢方法、微通道反应器结构设计以及微通道反应器流速分布优化等方面的研究现状和存在的待研究问题，并提出了本学位论文的主要研究内容与框架。
　　第2章，提出并设计了一种用于甲醇重整制氢的A型微通道反应器。通过建立等效电阻网络模型，得到了微通道反应器结构参数与微通道流速分布的关系模型。研究发现，与传统的Z型微通道反应器相比，A型微通道反应器微通道间流速分布更加均匀。
　　第3章，针对A型微通道反应器流场优化问题，基于等效电阻网络模型，分析了微通道和均布腔的结构参数对微通道流速分布的影响规律，并基于流速分布均匀性的优化目标对微通道反应器的分布腔结构进行了优化。
　　第4章，采用流体动力学分析软件Fluent建立了A型微通道反应器的三维传热传质模型，分析了A型微通道反应器内甲醇重整制氢的物料速度、温度分布，研究了不同热动力学参数对A型微通道反应器甲醇重整制氢性能的影响。
　　第5章，通过制造和装配微通道反应器，负载催化剂，搭建微通道反应器的甲醇重整制氢反应系统，对A型微通道反应器进行了甲醇重整制氢实验研究，验证了前面章节的理论模型，分析了热动力学参数对A型微通道反应器甲醇重整制氢性能的影响规律。
　　第6章，对本文的主要研究工作进行了总结，并展望了未来继续有待研究的方向。

目录

声明

摘要

致谢

1 绪论

1．1 论文研究的背景与意义

1．2 甲醇重整制氢微通道反应器研究现状及分析

1．2．1 甲醇重整制氢方法研究现状

1．2．2 甲醇重整制氢微通道反应器结构设计研究现状

1．2．3 甲醇重整制氢微通道反应器流速分布优化研究现状

1．2．4 目前有待深入研究的问题

1．3 论文主要研究内容与框架

1．4 本章小结

2 A型微通道反应器及其流场分析建模

2．1 引言

2．2 A型微通道反应器新构型

2．3 微通道反应器流场等效电阻网络模型的构建

2．3．1 流体流动假设及流场划分

2．3．2 等效电阻网络模型

2．3．3 流体流速分布的计算方法

2．4 理论模型CFD验证

2．5 与传统Z型微通道反应器流速分布比较

2．6 本章小结

3 A型微通道反应器流场分析与优化

3．1 引言

3．2 微通道结构对流速分布均匀性的影响

3．2．1 微通道截面尺寸对流速分布均匀性的影响

3．2．2 微通道长度对流速分布均匀性的影响

3．2．3 微通道数目对流速分布均匀性的影响

3．3 均布腔结构对流速分布均匀性的影响

3．4 均布腔结构优化

3．5 本章小结

4 A型微通道反应器甲醇重整制氢传热传质研究

4．1 引言

4．2 微通道反应器重整制氢过程的传热传质模型

4．2．1 微通道反应器甲醇重整制氢物理模型

4．2．2 微通道反应器重整制氢过程的物料传输理论建模

4．2．3 微通道反应器甲醇重整制氢传热传质模型边界条件

4．3 微通道反应器甲醇重整制氢传热传质性能分析

4．3．1 甲醇重整制氢过程中A型微通道反应器内物料速度、温度分布

4．3．2 热动力学参数对甲醇重整制氢性能的影响

4．4 与传统Z型徼通道反应器甲醇重整制氢传热传质性能比较

4．4．1 微通道反应器物料分布

4．4．2 微通道数目和结构对甲醇重整制氢性能的影响

4．5 本章小结

5 A型微通道反应器甲醇重整制氢性能实验研究

5．1 引言

5．2 甲醇重整制氢微通道反应器制造

5．2．1 微通道反应器加工与装配

5．2．2 微通道反应器催化剂负载

5．3 微通道反应器甲醇重整制氢系统搭建

5．4 微通道反应器甲醇重整制氢实验步骤

5．5 热动力学参数对甲醇重整制氢性能的影响

5．5．1 反应温度对甲醇重整制氢性能的影响

5．5．2 进口流量对甲醇重整制氢性能的影响

5．6 与传统Z型微通道反应器甲醇重整制氢性能比较

5．7 本章小结

6 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 研究展望

参考文献

作者简介