太陽熱化学プロセスを介して燃料や商品を生産するために集中した太陽エネルギーを捕捉することは、温室効果ガスを削減する大きな可能性を秘めた魅力的で急速に出現している研究分野です。このプロセスの主要コンポーネントは、集中した太陽放射を捕捉して原料ガスを燃料および/または工業製品のいずれかに変換するソーラーリアクターです。たとえば、太陽エネルギーによって天然ガスをその成分に分解すると、貴重な商品として水素燃料とカーボン ブラックが得られます。
均一な温度分布を維持し、太陽炉内のホット スポットを回避することは、入射する太陽放射の点集束による課題です。不均一な温度はシステムの効率を低下させ、熱衝撃や変形によりシステムの安全性を低下させます。 Abedini Najafabadi と Ozalp (2018) はこれらの問題を指摘し、原子炉内の熱伝達を強化してより均一な温度分布を実現するための設計ツールとして使用できる方法論を提示しました。
Abedini Najafabadi と Ozalp (2018) の研究では、7kW のソーラー シミュレーターによって放射される円筒形のキャビティ リアクターが使用されました。内部空洞壁のさまざまな点での実験的な温度測定により、太陽反応炉の背面プレートにホット スポットがあることが明らかになりました。放射熱伝達解析により、背面プレートでの熱流束が他のキャビティ壁よりもはるかに高いことが確認されました (図 1)。
太陽反応炉内の温度均一性の尺度として、均一性指数は、空洞シリンダーに沿った最高温度と最低温度の差に対する平均反応炉温度の比率として定義されました。温度分布を改善するために、反応器のいくつかの再設計が検討されました。各設計アプローチは、2 次元 (2D) 流体力学と太陽炉の熱伝達シミュレーションに基づく詳細な数値モデルを介して評価されました。モデルの精度は、数値結果を原子炉のさまざまな点で実験的に測定された温度と比較することによって検証されました。
最初のアプローチは、入口と出口のガスポートを交換することでした。元のジオメトリでは、原料ガスはフロント フランジ近くの接線方向の 3 つの入口から入り、バック プレートのポートからキャビティを出ていました。入口ポートと出口ポートを交換することにより、ガスは熱い表面から冷たい表面にエネルギーを運び、より均一な温度分布を促進しました。この変更により、ガス温度が約 20% 上昇しました。しかし、ソーラーリアクター内の全熱伝達に対する内部対流の寄与が小さいため、リアクター壁温度への影響はわずかでした。
2 番目の設計アプローチは、周囲のリアクターへの熱損失を減らすために断熱材の厚さを増やすことでした。シミュレーション結果によると、断熱層の厚さを 2 倍にしても、キャビティ シリンダー内の温度は 5% しか上昇しませんでした。さらに、断熱材の厚さを増やしても、キャビティシリンダー内の温度均一性は改善されませんでした。
Abedini Najafabadi と Ozalp (2018) が行ったエネルギー分析によると、フロント フランジは表面積が大きいため、周囲への熱損失に大きく貢献していました。したがって、3回目の再設計では、フロントフランジの寸法が縮小されました。この変更により、キャビティ シリンダーの平均温度が 7% 上昇し、均一性指数が 10% 上昇しました。
最終的な変更では、反応器の容積を一定に保ちながら、反応器の長さと半径を変更しました。半径を小さくし、反応器の長さを長くすると、温度均一性指数が 31% 増加しました。シミュレーション結果に基づいて、フロント フランジの寸法を小さくし、キャビティ リアクターの内側半径を小さくすると、ソーラー リアクター内の温度分布が最も均一になりました。両方の変更を適用することにより、内部キャビティ シリンダー壁の平均温度が 27% 上昇し、温度均一性指数が 58% 上昇しました。
太陽炉内の温度分布を強化するために提案された設計変更の概要を図 2 にまとめます。Abedini Najafabadi と Ozalp (2018) によって提示された方法論は、太陽炉内の熱伝達を強化するための設計ツールとして使用できます。読者はその論文の手順に従って、自信を持って原子炉または原子炉を設計し、商用ソフトウェアでは不可能な程度までプロセスの背後にある物理を明確に理解できます。
参照:
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