Analysis of radiation heat transfer and temperaturedistributions of solar thermochemical reactor for syngas production

Abstract

This paper investigated radiation heat transfer and temperaturedistributions of solar thermochemical reactor for syngas productionusing the finite volume discrete ordinate method (fvDOM) and P1 approximationfor radiation heat transfer. Different parameters including absorptivity,emissivity, reflection based radiation scattering, and carrier gasflow inlet velocity that would greatly affect the reactor thermalperformance were sufficiently investigated. The fvDOM approximationwas used to obtain the radiation intensity distribution along thereactor. The drop in the temperature resulted from the radiation scatteringwas further investigated using the P1 approximation. The results indicatedthat the reactor temperature difference between the P1 approximationand the fvDOM radiation model was very close under different operatingconditions. However, a big temperature difference which increasedwith an increase in the radiation emissivity due to the thermal non-equilibriumwas observed in the radiation inlet region. It was found that theincident radiation flux distribution had a strong impact on the temperaturedistribution throughout the reactor. This paper revealed that thetemperature drop caused by the boundary radiation heat loss shouldnot be neglected for the thermal performance analysis of solar thermochemicalreactor.

Key words： solar thermochemical reactor; incident radiation flux; temperature distribution; radiation absorptivity; radiation emissivity; thermal performance analysis

Acknowledgments

This work was supported by the National NaturalScience Foundation of China (Grant Nos. 51522601 and 51421063) andthe program for New Century Excellent Talents in University (GrantNo. NCET-13-0173).

References

1 Shuai Y, Wang  F Q, Xia  X L, Tan  H P, Liang  Y C. Radiative properties of a solar cavity receiver/reactor with quartz window. International Journal of Hydrogen Energy, 2011, 36(19): 12148–12158 

2 Suter S, Steinfeld  A, Haussener S . Pore-level engineering ofmacroporous media for increased performance of solar-driven thermochemicalfuel processing. International Journalof Heat and Mass Transfer, 2014, 78: 688–698 

3 Palumbo R, Keunecke  M, Möller S ,  Steinfeld A . Reflections on the design of solar thermal chemical reactors:thoughts in transformation. Energy, 2004, 29(5–6): 727–744 

4 Rupesh S, Muraleedharan  C, Arun P . Energy and exergy analysisof syngas production from different biomasses through air-steam gasification. Frontiers in Energy, 2016, [Epub ahead of print] https://doi.org/10.1007/s11708-016-0439-1

5 Ni W, Chen  Z. Synergistic utilization of coal and other energy—key to low carbon economy. Frontiers in Energy, 2011, 5(1): 1–19 

6 Müller R, Haeberling  P, Palumbo R D . Further advances toward thedevelopment of a direct heating solar thermal chemical reactor forthe thermal dissociation of ZnO(s). Solar Energy, 2006, 80(5): 500–511 

7 Bellan S, Alonso  E, Gomez-Garcia F ,  Perez-Rabago C ,  Gonzalez-Aguilar J ,  Romero M . Thermal performance of lab-scalesolar reactor designed for kinetics analysis at high radiation fluxes. Chemical Engineering Science, 2013, 101: 81–89

8 Levêqque G, Abanades  S. Investigation of thermal and carbothermal reduction of volatile oxides(ZnO, SnO2, GeO2, and MgO) via solar-driven vacuum thermogravimetryfor thermochemical production of solar fuels. Thermochimica Acta, 2015, 605: 86–94 

9 Alonso E, Romero  M. A directly irradiated solar reactor for kinetic analysis of non-volatile metaloxides reductions. International Journalof Energy Research, 2015, 39(9): 1217–1228 

10 Ackermann S, Takacs  M, Scheffe J ,  Steinfeld A . Reticulated porous ceria undergoing thermochemical reduction withhigh-flux irradiation. International Journalof Heat and Mass Transfer, 2017, 107: 439–449 

11 Bachirou G L, Shuai  Y, Zhang J ,  Huang X ,  Yuan Y, Tan  H P. Syngas production by simultaneous splitting of H2O andCO2 via iron oxide (Fe3O4) redox reactions under high-pressure. International Journal of Hydrogen Energy, 2016, 41(44): 19936–19946 

12 Kodama T, Gokon  N. Thermochemical cycles for high-temperature solar hydrogen production. Chemical Reviews, 2007, 107(10): 4048–4077 

13 Steinfeld A, Schubnell  M. Optimum aperture size and operating temperature of a solar cavity-receiver. Solar Energy, 1993, 50(1): 19–25 

14 Costandy J, El Ghazal  N, Mohamed M T ,  Menon A ,  Shilapuram V ,  Ozalp N . Effect of reactor geometryon the temperature distribution of hydrogen producing solar reactors. International Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37(21): 16581–16590 

15 Kodama T. High-temperature solar chemistry for converting solarheat to chemical fuels. Progress in Energy and Combustion Science, 2003, 29(6): 567–597 

16 Guene Lougou B ,  Hong J, Shuai  Y, Huang X ,  Yuan Y, Tan  H P. Production mechanism analysis of H2 and CO via solarthermochemical cycles based on iron oxide (Fe3O4) at high temperature. Solar Energy, 2017, 148: 117–127 

17 Loutzenhiser P G ,  Galvez M E ,  Hischier L ,  Stamatiou A ,  Frei A, Steinfeld  A. CO2 splitting via two-step solar thermochemicalcycles with Zn/ZnO and FeO/Fe3O4 redox reactions II: kinetic analysis. Energy & Fuels, 2009, 23(5): 2832–2839 

18 Gokon N, Mataga  T, Kondo N ,  Kodama T . Thermochemical two-step water splitting by internally circulatingfluidized bed of NiFe2O4 particles: successive reaction of thermal-reductionand water-decomposition steps. International Journal of Hydrogen Energy, 2011, 36(8): 4757–4767

19 Romero M, Steinfeld  A. Concentrating solar thermal power and thermochemical fuels. Energy & Environmental Science, 2012, 5(11): 9234–9245

20 Alonso E, Pérez-Rábago  C, González-Aguilar J, Romero M . A novel lab-scale solar reactor for kineticanalysis of nonvolatile metal oxides thermal reductions. Energy Procedia, 2014, 57: 561–569

21 Abanades S, Charvin  P, Flamant G . Design and simulation ofa solar chemical reactor for the thermal reduction of metal oxides:case study of zinc oxide dissociation. Chemical Engineering Science, 2007, 62(22): 6323–6333 

22 Schunk L O, Haeberling  P, Wepf S ,  Wuillemin D ,  Meier A ,  Steinfeld A . A receiver-reactor for the solar thermaldissociation of zinc oxide. Journal of Solar Energy Engineering, Transactions of the ASME, 2008, 130(2): 0210091–0210096

23 Wang M, Siddiqui  K. The impact of geometrical parameters on the thermal performance ofa solar receiver of dish-type concentrated solar energy system. Renewable Energy, 2010, 35(11): 2501–2513

24 Chabane F, Hatraf  N, Moummi N . Experimental study of heat transfer coefficientwith rectangular baffle fin of solar air heater. Frontiers in Energy, 2014, 8(2): 160–172 

25 Steinfeld A, Schubnell  M. Optimum aperture size and operating temperature of a solar cavity-receiver. Solar Energy, 1993, 50(1): 19–25 

26 Shuai Y, Xia  X L, Tan  H P. Radiation performance of dish solar concentratorcavity/receiver systems. Solar Energy, 2008, 82(1): 13–21 

27 Cheng Z D, He  Y L, Xiao  J, Tao Y B ,  Xu R J . Three-dimensional numericalstudy of heat transfer characteristics in the receiver tube of parabolictrough solar collector. International Communications in Heat and Mass Transfer, 2010, 37(7): 782–787 

28 Mao Q, Shuai Y, Yuan Y . Study on radiation flux of the receiverwith a parabolic solar concentrator system. Energy Conversion and Management, 2014, 84: 1–6 

29 Villafán-Vidales H I ,  Abanades S ,  Caliot C ,  Romero-Paredes H . Heat transfer simulationin a thermochemical solar reactor based on a volumetric porous receiver. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(16): 3377–3386 

30 Wu Z Y, Caliot  C, Flamant G ,  Wang Z. Coupled radiation and flow modeling in ceramic foam volumetric solarair receivers. Solar Energy, 2011, 85(9): 2374–2385 

31 Yin J Y, Liu  L H. Analysis of the radiation heat transfer process of phase change for a liquiddroplet radiator in space power systems. Frontiers in Energy, 2011, 5(2): 166–173 

32 Guene Lougou B ,  Shuai Y ,  Xing H, Yuan  Y, Tan H P . Thermal performance analysisof solar thermochemical reactor for syngas production. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017, 111: 410–418 

33 Wang F Q, Shuai  Y, Tan H P ,  Yu C L . Thermal performance analysis of porous media receiver with concentratedsolar irradiation. International Journalof Heat and Mass Transfer, 2013, 62(1): 247–254 

34 Wang F Q, Shuai  Y, Tan H P ,  Zhang X F ,  Mao Q J . Heat transfer analyses ofporous media receiver with multi-dish collector by coupling MCRT andFVM method. Solar Energy, 2013, 93: 158–168 

35 Wang F Q, Tan  J Y, Yong  S, Tan H P ,  Chu S X . Thermal performance analysesof porous media solar receiver with different irradiative transfermodels. International Journal of Heat andMass Transfer, 2014, 78: 7–16 

36 Trépanier J-Y ,  Melot M ,  Camarero R ,  Petro E . Comparison of two models for radiative heat transferin high-temperature thermal plasmas. Modelling and Simulation in Engineering, 2011, 285108

37 Kräupl S, Steinfeld  A. Experimental investigation of a vortex-flow solar chemical reactorfor the combined ZnO-reduction and CH₄-reforming. Journal of Solar Energy Engineering, Transactions of the ASME, 2001, 123(3): 237–243

38 Modest M F. Radiative Heat Transfer. 3rd edition. San Diego: Academic Press, 2013

39 Modest M F. Radiative Heat Transfer. Burlington: Academic Press, 2003

40 Sazhin S S, Sazhina  E M, Faltsi-Saravelou  O, Wild P . The P-1 model for thermal radiation transfer: advantagesand limitations. Fuel, 1996, 75(3): 289–294 

41 Abanades S, Flamant  G. Experimental study and modeling of a high temperature solar chemicalreactor for hydrogen production from methane cracking. International Journal of Hydrogen Energy, 2007, 32(10–11): 1508–1515 

42 Abanades S, Flamant  G. Production of hydrogen by thermal methane splitting in a nozzle-typelaboratory scale solar reactor. International Journal of Hydrogen Energy, 2005, 30(8): 843–853