来源:Frontiers in Energy 发布时间:2021/10/8 11:51:45
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FIE | 前沿研究: 管式太阳能光催化反应器的流动和辐射理论研究

论文标题:Theoretical study on flow and radiation in tubular solar photocatalytic reactor (管式太阳能光催化反应器的流动和辐射理论研究)

期刊: Frontiers in Energy

作者:Qingyu WEI,Yao WANG,Bin DAI,Yan YANG,Haijun LIU,Huaijie YUAN,Dengwei JING,Liang ZHAO

发表时间:09 Sep 2021

DOI:10.1007/s11708-021-0773-9

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中文摘要

本文首先在混合物流动模型的基础上建立了优化的六通量辐射模型,同时分析了催化剂浓度和循环速度等参数对反应器出口光催化剂分布和辐射分布的影响。将优化后的六通量模型应用于管式太阳能光催化反应器进行性能评价,模拟结果表明,当催化剂浓度越高,液相入口流速越慢时,管式光催化反应器具有更好的辐射性能。(3倍催化剂浓度,1/3循环速度工况下,能量数值相对分别增加了1900%和284%)。

研究背景及意义

化石能源作为目前最主要的能量来源,随着人类大规模的开采已消耗殆尽,同时在化石能源开采利用过程中造成了不可逆的环境破坏。因此,寻找一种新的、可再生的、清洁替代能源已经迫在眉睫。氢能作为一种具有高能量密度,可方便存储和运输的新型能源,其完全氧化后的产物是无污染的水,因此是国际公认的最优越的能量载体之一。利用作为广泛存在并且携带巨大能量的太阳能光催化分解制氢是解决能源和环境问题的有效途径之一。本文针对直接太阳能光催化产氢反应体系中的管式反应器,从反应器内部流动特性以及能量分布特性等角度进行研究,获得了管式反应器内部的能流分布特性,为实现光催化规模化制氢起到一定的理论指导作用。

研究内容及主要结论

本文的研究内容主要是获得管式光催化反应器内部不同流场下的光催化剂浓度分布特性以及辐射分布特性。基于此,首先针对具有高效高活性高稳定性Cd0.5Zn0.5S光催化剂,开展光学特性实验,获得其消光系数和散射系数这两个涉及到光辐射模型中的关键参数;而后选用基于欧拉-欧拉模型的混合物两相流模型计算出不同流量条件下光催化剂在出口段的分布规律和数据;最后建立了优化后的管式光催化反应器的六通量辐射模型,结合辐射模型,对比分析了不同流场下的辐射分布特性。得到了以下主要结论:

(1)对于入口流速相同,不同催化剂颗粒浓度情况,整体看来,管式光催化反应器呈现中心区域分布均匀,两端分布不均的分布规律,并且随着入口光催化浓度的变大,使得出口截面的光催化剂浓度相应变大;

(2)对于入口催化剂颗粒浓度相同,不同流速情况,整体看来,管式光催化反应器在出口截面催化剂分布规律受入口流速影响较大,随着入口流速的变大,使得催化剂在出口处分布相对更加均匀,管道最高浓度值相对减小,减少了沉积效果;

(3)管式光催化反应器在出口截面辐射分布规律受催化剂浓度影响较大,随着催化剂浓度的变大,在反应器出口处,管道辐射分布变得不均匀,并开始向反应器底部堆积,但辐射数值在逐步增高;

(4)管式光催化反应器在出口截面辐射分布规律受入口流动速度影响较大,随着流动速度的变小,在反应器出口处,管道辐射值更加向反应器管道底部集中,但辐射数值在逐步增高。

图1 不同入口流速情况下反应器出口处的催化剂浓度分布云图

图2 不同催化剂颗粒浓度情况下反应器出口处的催化剂浓度分布云图

图3 不同入口流速情况下反应器出口处的辐射分布云图

图4 不同催化剂颗粒浓度情况下反应器出口处的辐射分布云图

研究亮点

本文在混合物流动模型的基础上建立了优化的六通量模型,并将其应用于管式太阳能光催化反应器的性能分析上,研究亮点在于:

1)得到了Cd0.5Zn0.5S光催化剂的消光和吸收系数,并根据实验结果优化了六通量辐射模型。

2)分析了影响光催化剂分布和辐射分布的因素,发现入口催化剂浓度和循环速度对管式光催化反应器的性能影响较大。

3)使用优化后的六通量模型对管式光催化反应器的性能做出评价,模拟结果表明,当催化剂浓度越高,液相入口流速越慢时,管式光催化反应器具有更好的辐射性能。

原文信息

Theoretical study on flow and radiation in tubular solar photocatalytic reactor

Qingyu WEI1, Yao WANG2, Bin DAI2, Yan YANG3, Haijun LIU2, Huaijie YUAN2, Dengwei JING2, Liang ZHAO2

作者单位:

1. International Research Center for Renewable Energy, State Key Laboratory of Multiphase Flow in Powering Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; Beijing Aerospace Propulsion Institute, Beijing 100076, China

2. International Research Center for Renewable Energy, State Key Laboratory of Multiphase Flow in Powering Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China

3. International Research Center for Renewable Energy, State Key Laboratory of Multiphase Flow in Powering Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China; School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China

Abstract:

In this paper, based on the mixture flow model, an optimized six-flux model is first established and applied to the tubular solar photocatalytic reactor. Parameters influencing photocatalyst distribution and radiation distribution at the reactor outlet, viz. catalyst concentration and circulation speed, are also analyzed. It is found that, at the outlet of the reactor, the optimized six-flux model has better performances (the energy increase by 1900% and 284%, respectively) with a higher catalyst concentration (triple) and a lower speed (one third).

Keywords:

photocatalytic hydrogen photoreactor, nume-rical simulation, solar energy, flow model,radiation model

Cite this article

Qingyu WEI, Yao WANG, Bin DAI, Yan YANG, Haijun LIU, Huaijie YUAN, Dengwei JING, Liang ZHAO. Theoretical study on flow and radiation in tubular solar photocatalytic reactor. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-021-0773-9

作者简介

赵亮,西安交通大学教授,博士生导师,担任中国化工学会工程热化学专委会副主任委员、中国动力工程学会新能源设备专委会副主任委员和中国电工技术学会新能源发电设备专委会委员。主要从事多相流与传热、可再生能源转化利用中的工程热物理问题研究。主持国家重点研发计划项目、国家“863计划”课题和国家自然科学基金项目等国家级科研项目10余项。发表学术论文120余篇,其中被SCI收录60余篇,论文SCI他引1300余次,个人H因子21;获授权国家发明专利15项。

详情:https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/lzhao/1

Frontiers in Energy (SCI,2020 IF 2.709))于2007年创刊,是全英文能源领域综合性学术期刊。主编是翁史烈院士、倪维斗院士、苏义脑院士和彭苏萍院士。执行主编是上海交通大学黄震院士。出版能源领域原创研究论文、综述、科学快报、专题论文等。特别关注可再生能源、未来能源、超常规能源、2030能源、微/纳米能源、能源与环境等全球能源的重大挑战问题。

涉及领域包括(不限于):先进的能源材料,储能与应用,氢能与燃料电池,CO2 捕集、封存和利用,太阳能和光伏系统,生物燃料和生物能源,地热能,风能,地热能,潮汐能,核能,传热传质技术,能源与环境,建筑节能及能源经济政策等。

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