固定床微小绝热反应器中三维温度场测量及构建

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先进制造技术的快速发展导致许多设备中单个部件的尺寸显著减小。其中包括涉及传热和流体流动的微小反应器系统。这些尺寸的减小导致了许多实验、数值模拟和分析研究的发展。微小反应器体积小和结构的复杂性,使得其内的流动和传热过程复杂,内部温度的测量也充满挑战性。  本文针对固定床绝热微小反应器内的温度变化展开研究,主要工作包括:  建立多孔介质固定床传热数学模型,结合文献实验数据,证明了Fluent软件中的多孔介质模型可靠可行,在此模型的基础上,数值模拟绝热工况下管内温度场变化,与实验数据作对比分析。  采用介入式和非介入两种方式进行固定床内温度场测量。介入式测量利用热电偶多点测量获得非稳态条件下,绝热填充床内温度分布情况。本文采用3D打印技术制作的光敏树脂管和颗粒堆积构成填充床,管内布置15根热电偶,轴向5层,每层径向布置3根热电偶,改变流量、入口温度、孔隙率、颗粒热导率和耦合化学反应等工况,研究绝热条件下填充床内轴向和径向温度的动态特性。热电偶测温时,插入填充床内,与被测物接触,尽管热电偶微细,但也会干扰温度场;红外测温,无需与被测物体接触,不会破坏温度场,在现阶段发展迅速。热电偶测温和红外测温,各有优点,又各有局限性。本文提出探针和红外在线测量的新方法,利用二者的优点,避免其不足,可同时获得管内轴线和管壁温度变化。  根据在线测量实验结果,建立导热正问题和反问题的模型,将多孔介质内的传热过程看做是导热过程,测量其有效导热系数,有限差分导热偏微分方程,从中心温度推导外部温度,从外部温度反演内部温度,具有工程现实意义。
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