车用甲醇制氢反应器设计及催化换热性能研究

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1、分类号学号M201571182学校代码10487密级硕士学位论文车用甲醇制氢反应器设计及催化换热性能研究学位申请人：田野学科专业：新能源科学与工程指导教师：蒋炎坤教授答辩日期：2018年月日AThesisSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringStudyonheattransferperformanceforreactorofhydrogenproductionbymethanolCand

2、idate：TianYeMajor：NewEnergyScienceandEngineeringSupervisor：JiangYankunHuazhongUniversityofScienceandTechnologyWuhan，Hubei430074，P.R.ChinaMay，2018华中科技大学硕士学位论文摘要醇氢燃料汽车能够利用发动机尾气余热，使甲醇在催化剂作用下发生裂解反应产生氢气与一氧化碳，将甲醇及其裂解气通入发动机气缸内进行掺烧，为发动机提供动力，从而减少燃油消耗，降低排放污染。实现甲醇催化

3、裂解的关键是必须充分利用废气中的热量，使反应气体达到催化反应温度。因此，开展甲醇裂解反应器的设计、分析与优化的研究工作对提高甲醇裂解反应器催化性能，实现甲醇燃料汽车动力性能、经济性及排放性能的最优具有至关重要的意义。本文基于计算流体力学相关理论及甲醇分解反应动力学模型，通过热力计算设计了螺旋管式和直管式两种甲醇裂解反应器。以CFD软件FLUENT作为模拟平台，建立了一个耦合甲醇裂解反应的三维多孔介质反应器模型。通过UDF添加固相能量方程，将多孔介质的单温度模型修正为气固相耦合传热两温度模型，以甲醇裂解反应

4、中各组分源项的形式添加化学反应，并将化学反应热添加到气固相能量方程，对模型的流动换热及化学反应进行模拟。根据所设计的反应器计算模型，对反应器内甲醇催化裂解反应过程进行模拟，并将模拟结果与甲醇催化裂解试验结果进行对比分析。之后，通过控制变量，改变边界条件分组模拟，讨论了反应空速、热废气流速对甲醇分解反应的影响，并比较了螺旋管与直管反应器换热性能的差异。最后，根据反应器的结构特点，对模型针对性地优化改良，通过减小换热管管径、增大反应器壳体长度、合理利用空间增大有效传热面积等方法，重新建立反应器模型模拟，并证明

5、了改良后的反应器催化换热性能有明显提升。关键词：余热回收；甲醇反应器；换热性能；自定义函数方程；数值模拟I华中科技大学硕士学位论文AbstractAlcohol-hydrogenfuelautomobilescanutilizetheresidualheatofengineexhaustgastoproducehydrogenandcarbonmonoxidebythecrackingreactionofmethanolundertheactionofcatalyst,andthenmixmethanol

6、anditscrackinggasintotheenginecylindertoprovidepowerfortheengine,therebyreducingfuelconsumptionandemissionpollution.Thekeytocatalyticcrackingofmethanolistomakefulluseoftheheatinthewastegastomakethereactiongasreachthecatalyticreactiontemperature.Therefore,

7、itisveryimportanttodesign,analyzeandoptimizethemethanolcrackingreactorforimprovingthecatalyticperformanceofthemethanolcrackingreactorandrealizingtheoptimizationofthepowerperformance,economyandemissionperformanceofthemethanol-fueledvehicle.Basedonthetheory

8、ofcomputationalfluiddynamicsandthekineticmodelofmethanoldecompositionreaction,twokindsofmethanolcrackingreactors,spiraltubereactorandstraighttubereactor,weredesignedbythermodynamiccalculation.Athree-dimensionalporou