基于温度场均匀化分析的还原炉底盘结构研究

主要研究多晶硅还原炉的底盘结构,通过改进底盘冷却液流道形式,以提高在该底盘结构形式下温度场分布的均匀性及底盘结构的安全性。本文研究的底盘结构采用了限制射流直喷喇叭口式冷却流道,在底盘上滑板下表面不易形成气膜隔层,大大降低了底盘滑板的温差应力,提高了底盘结构的安全性。结合大型多晶硅还原炉的研制要求,应用Fluent对多晶硅还原炉底盘的辐射、导热和对流的传热过程进行了传热分析,得出了底盘内部温度场的分布云图,并在此基础上通过ANSYS对多晶硅还原炉底盘进行了热-结构耦合分析,得到了满足强度、刚度条件下结构的最优化。     

多晶硅还原炉底盘温度场均匀性分析

针对一种24对棒多晶硅还原炉底盘的冷却模式,应用Fluent对多晶硅还原炉底盘内流体进行模拟分析,得出底盘的上花板温度分布图,并引入平均算数温度和均匀系数的概念分析底盘温度场的均匀性。总结概括出温度场均匀性分布随冷却液进口流量的变化趋势,提出判别温度场均匀化的判据,提供合适的流量参考。     

多晶硅还原炉内流场及温度场的研究

多晶硅还原炉（CVD reactor）是西门子法生产多晶硅的主要设备。硅在多晶硅还原炉（CVD reactor）内的生长是一个复杂的过程,涉及动量、热量、质量传递以及化学反应,炉内流体流动分布是影响还原能耗的关键因素。在这项研究中主要考虑如何提高还原炉中流场和温度场的均匀性。提出了一种新的还原炉设计方案,与传统的多晶硅还原炉相比,在新的还原炉内加入了内罩,从而形成了一种不同的气体流动方式。在新的还原炉内,气体进口和气体出口被划分到不同的区域,气体从气体进口进入CVD reactor后向上流动同时参与气相沉积反应,反应后通过内罩的顶部,最后从气体出口流出。研究重点是内罩结构的设计,以期可以提高还原炉内部流场及温度的均匀性。通过计算流体力学研究,现在水平方向上温度梯度很小,同时有效地减小了回流区域面积。本研究提供了提高多晶硅还原炉内部流场及温度场均匀性的方法。     

还原炉倒棒原因及改进措施研究

还原炉作为生产多晶硅的关键设备,生产多晶硅过程中常常出现倒棒现象,对还原炉产生严重损坏,重点针对硅棒沉积前期、中期、后期三个阶段倒棒的危害、原因进行分析,从还原炉喷嘴分布和大小、电极结构、石墨卡头结构、硅芯尺寸等方面进行改进,有利于降低还原炉硅棒倒棒率,提高生产效率,降低对还原炉设备的损坏.     

新型热解炉燃烧室流热固耦合仿真与结构优化

针对新型热解炉燃烧室结构,采用ANSYS Workbench流热固耦合方法,研究不同结构参数下燃烧室的温度场与变形场,获得了最优的燃烧室结构。结果表明,燃烧室内设挡板的结构性能优于无挡板的结构性能,燃烧室内设挡板的温度场变异系数的变化幅度比无挡板的变化幅度减小0.06,温度场分布更均匀;燃烧室的最大变形出现在燃烧室与热解室之间的隔板上,有挡板的燃烧室最大变形量较无挡板的燃烧室减少80%,且最大变形量均随着挡板位置距中心的距离或挡板长度增加呈先减小后增大的趋势,而挡板厚度对变形场的影响最小;在挡板位置为150 mm,挡板长度为800 mm,挡板厚度为14 mm时,新型热解炉燃烧室的结构最优。     

新型还原炉流场温度场的模拟研究

为适应太阳能产业的发展需求,提出了一种结构新型的多晶硅还原炉,新型还原炉在传统西门子还原炉的基础上进行了多处的改进：1）增设了外壁面高度刨光的热管;2）在炉膛内部中央出气口处增设了套筒;3）增加了3个内插进气口。并采用计算流体力学方法研究了该型还原炉内的速度场和温度场。速度场模拟结果发现增设的套筒结构起到了收集还原炉顶部气体的作用使气体更好的通过底盘的中央出气口散出;温度场模拟结果发现内插进气口促进了还原炉顶部气体的及时更新,高度刨光的热管表面成功反射硅棒所辐射的热量,降低了还原炉环境温度,有效的防止了粉末硅的生成更加,更加有利于硅棒的生长。     

12对棒还原炉模拟优化分析

12对棒还原炉是目前改良西门子法生产高品质电子级多晶硅的主要炉型,还原炉底盘、喷嘴结构形式、进料曲线是影响还原炉运行的主要因素,对产品产量、质量、电耗等指标影响较大。分析、总结12对棒还原炉的喷嘴布局、曲线以及还原炉内热场、温度场的分布情况,对12对棒的开炉稳定运行、产量提升、质量提升、电耗降低具有指导意义。     

多晶硅还原炉夹套式封头热-机械耦合场有限元分析

多晶硅还原炉是西门子法生产多晶硅的主要设备,由于进气管、出气管和电极座等部件都布置在封头处,导致封头温度分布不均匀,引起很大的温差应力,因此还原炉封头处存在很大的结构安全隐患。本文利用ANSYS,采用APDL语言,建立了某大型多晶硅还原炉夹套式封头1/4有限元模型。考虑到材料的非线性特性,对夹套式封头结构进行了仿真计算,给出了整体结构、上下花板和电极座温度分布云图,进而得出其应力分布变化规律,为多晶硅还原炉设计提供参考依据。     

一种新型多晶硅还原炉流动与传热的数值模拟

在传统多晶硅还原炉结构基础上,提出了一种内部流场为平推式流动的新型多晶硅还原炉,并采用计算流体力学方法研究了该还原炉内的速度场和温度场。流场模拟结果表明,新型多晶硅还原炉内混合气的流动基本上实现了平推式流动;温度场模拟结果发现,通过改变操作参数,采用平推式流动可实现炉内温度场的控制,解决了传统还原炉局部温度过高的问题,可避免硅粉的产生,长期保持还原炉内壁面的抛光效果,降低还原炉辐射电耗;计算结果表明,在相同的条件下,采用新型多晶硅还原炉的还原电耗较传统还原炉可降低8.5%。     

多晶硅表面菜花控制的研究

棒状多晶硅的还原过程受进料量、进料配比、温度和气场等因素的影响,硅棒表面形貌也受到温度和物料在还原炉内分布的影响。通过还原炉内硅棒加载电流、炉筒壁面光洁度、进料喷嘴结构对菜花的影响进行研究,结果表明:(1)加载电流适宜,使硅棒表面温场分布均匀,且T≤Tmax,可减少硅棒表面菜花;(2)炉筒壁越光洁,菜花占比及电单耗越低;(3)进料喷嘴口径变小、高度增加,多晶硅横梁菜花降低,但前期易倒棒,而螺旋形喷嘴可降低硅棒表面菜花及还原炉倒棒率。     

Comparison of heat transfer performances of helix baffled heat exchangers with different baffle configurations

Numerical simulations were performed on flow and heat transfer performances of heat exchangers having six helical baffles of different baffle shapes and assembly configurations, i.e., two trisection ba...     

三叶孔板换热器热力性能及其影响因素分析

建立了三叶孔板换热器壳程周期性全截面模型,利用商用软件Fluent14.0及RNG k-ε湍流模型对8种不同结构参数的换热器壳程流体流动及传热性能进行数值模拟。分析了支撑板间距、三叶孔孔高、导流筒结构形式等结构参数对三叶孔板换热器传热及阻力性能的影响,并对比不同结构换热器的综合换热性能。结果表明：壳程传热系数与压力梯度都分别随着支撑板间距和开孔高度的增加而减小,且支撑板间距和三叶孔孔高对三叶孔板换热器壳程压降的影响大于其对传热的影响;六边形结构的导流筒换热器换热性能优于圆形导流筒换热器;8种换热器模型中,支撑板间距400mm、三叶孔高3.3mm（模型4-2）的换热器综合性能最好,支撑板间距400mm、三叶孔高1.8mm（模型2-2）的换热器综合性能最差。     

三叶孔板换热器壳程传热与压降

三叶孔板换热器是一种新型纵向流换热器,由于其具有传热效率高、压降低、抗振结构性能优越等诸多优点而广泛应用于核电行业。搭建三叶孔板换热器壳程传热与压降测试平台,对传热和压降的测量结果进行不确定度分析。对4台三叶孔板换热器模型进行实验研究,结果表明随着Reynolds数的增大,壳程对流传热系数和压降在对数坐标内线性增大;在Reynolds数相同的情况下,随着支撑板间距的增大,三叶孔板换热器壳程Nusselt数逐渐减小,压降逐渐降低,同时压力梯度逐渐减小。为了进一步分析说明三叶孔板换热器壳程传热与阻力性能,基于Bell-Delaware法设计了具有相同结构参数的折流板换热器。与折流板换热器的对比结果表明：三叶孔板换热器壳程Nusselt数平均为折流板换热器的1.25倍,壳程整体压力平均为折流板换热器的0.77,综合性能平均为折流板换热器的1.62倍。     

U形导流板换热器传热和阻力性能分析

建立U形导流板换热器和扭转流换热器全截面周期模型,利用计算流体力学（CFD）方法对两种换热器壳程性能进行数值研究。相较于扭转流换热器,U形导流板换热器的壳程压降降低45.3%～47.5%,传热系数降低9.9%～13.5%,均匀性提高2.4%～4.0%,综合性能提高4.0%～14.6%。场协同结果表明,U形导流板换热器壳程流体速度与压力梯度的协同性优于扭转流换热器,而流体速度与温度梯度的协同性不如扭转流换热器。本文利用激光多普勒测速仪（LDV）验证了模拟方法准确性和模拟结果的可靠性;分析了U形导流板结构参数及布置方式对换热器壳程压降和传热性能的影响。结果表明,U形导流板的布置角度和布置方式对性能影响显著,导流板宽度和导流板间距的影响较小。     

正弦波纹挡板式沉降器内流动特性

采用VOF模型对正弦波纹式入口挡板的重力非均相沉降器内流场进行数值模拟研究。对比了正弦波纹挡板与平挡板的平均流场分布情况,分析了沉降器的轴向流速均一程度（λ₁）随时间演化特性,探究了λ₁和面积加权平均湍流强度（I_a）在沉降器内空间分布特性;引入流场均稳指标USC,研究了冲击间距（L_b/D）对USC的影响。结果表明：正弦波纹挡板作为入口构件可以有效降低返混。在0.84＜L_b/D＜2.17范围内,正弦波纹板沉降器内流场的均一程度整体高于平面挡板;随着L_b/D减小,平挡板沉降器内流场的λ₁基本不变,但正弦波纹挡板沉降器内流场的λ₁降低,且对I_a的影响不明显。对比平挡板,正弦波纹挡板可以有效降低轴向速度的梯度,使返混区面积减小,流场稳定性提高。随着L_b/D增加,USC值呈现多峰值趋势,L_b/D=2.17时正弦波纹板沉降器的USC取得极大值为14.68,较平挡板提高了93.67%。     

高热流低流速条件下超临界CO2在小圆管内的对流传热特性

为获取高热流、低流速条件下超临界CO₂的传热规律，开展了超临界CO₂在内径2 mm水平小圆管内对流传热试验研究，并重点探讨了变物性、浮升力和热加速等效应对传热过程的影响。试验参数范围：系统压力7.6~8.4 MPa，质量流速400~500 kg/(m²?s)，热通量0~200 kW/m²，流体温度20~60℃，Reynolds数1.2×10⁴~4.3×10⁴。分别采用Gr/Re ²和Kv作为浮升力效应和热加速效应的判别因子。结果显示，在高热流低流速工况下，浮升力效应显著（Gr/Re ² > 10^-3），同一个截面处的上壁面传热系数始终小于下壁面传热系数。浮升力效应是高热流低流速工况下传热恶化的主要诱发因素。试验中热加速因子较小（Kv < 8.5×10^-7），其效应可以忽略。将试验数据与典型的传热经验关联式作对比，结果表明Liao-Zhao关联式的计算结果与试验结果最吻合。     

压力瞬态下超临界压力CO2的传热特性

在均匀加热条件下,开展超临界压力二氧化碳在压力瞬态下的传热特性实验研究。实验段内径为10.0mm,实验参数范围：压力P=7.58~9.97MPa,热流密度q _w=64~256kW/m²,质量流速G=660~893kg/(m²·s)。分析了正常传热和传热恶化条件下,瞬间泄压过程对传热的影响规律。实验结果表明,正常传热工况下,壁温随着压力的减小有降低的趋势,传热系数明显增大;传热恶化发生后壁温迅速上升,对应的传热系数减小传热恶化更加严重,且恶化壁温峰值点向着入口方向移动。最后对实验现象进行了解释,正常传热下壁温降低是由于压力的降低增大了比热容,从而改善了传热。传热恶化发生后,压力的降低减小了拟临界焓值i _pc,从而增大了超临界沸腾数SBO,更大的SBO表明膨胀动量力占主导,靠近壁面低密度的vapor-like fluid在不断向外膨胀,从而使得低密度层流体的厚度增加,从而加大了传热热阻,这时壁温升高或者出现更大的恶化。     

孔板结构换热器传热与阻力性能的数值模拟

基于周期性全截面模型及RNG k-ε湍流模型,运用计算流体力学软件FLUENT对不同孔板结构换热器壳程流体流动以及传热性能进行了数值模拟分析,并通过文献试验数据验证了该数值模拟方法的可行性和准确性。在此基础上,对比分析了三叶孔、四叶孔、五叶孔、大圆孔、小圆孔等5种孔板结构的传热与阻力性能,探讨了支撑板等结构参数对其传热与阻力性能的影响,进一步采用场协同原理探讨了孔板换热器的强化传热机理。研究结果表明：采用RNG k-ε湍流模型以及周期性全截面模型可较为准确地模拟孔板换热器壳程流体流动情况;5种模型中五叶孔换热器的传热特性最好但阻力最大,小圆孔的传热效果最差但阻力最小;随着支撑板间距以及开孔高度的增加,换热器壳程的传热系数和压力降均逐渐降低;在支撑板后,速度矢量与温度梯度之间的夹角波动幅度变化剧烈,起到了强化壳程传热的效果;其中五叶孔板的场协同角波动幅度最大,强化传热效果最好。     

Application of different CFD multiphase models to investigate effects of baffles and nanoparticles on heat transfer enhancement

In this work, the effect of baffles in a pipe on heat transfer enhancement was studied using computational fluid dynamics (CFD) in the presence of Al₂O₃ nanoparticles which are dispersed into water. Fluid flow through the horizontal tube with uniform heat flux was simulated numerically and three dimensional governing partial differential equations were solved. To find an accurate model for CFD simulations, the results obtained by the single phase were compared with those obtained by three different multiphase models including Eulerian, mixture and volume of fluid (VOF) at Reynolds numbers in range of 600 to 3000, and two different nanoparticle concentrations (1% and 1.6%). It was found that multiphase models could better predict the heat transfer in nanofluids. The effect of baffles on heat transfer of nanofluid flow was also investigated through a baffled geometry. The numerical results show that at Reynolds numbers in the range of 600 to 2100, the heat transfer of nanofluid flowing in the geometry without baffle is greater than that of water flowing through a tube with baffle, whereas the difference between these effects (nanofluid and baffle) decreases with increasing the Reynolds number. At higher Reynolds numbers (2100–3000) the baffle has a greater effect on heat transfer enhancement than the nanofluid.