CN109241643B - 重整反应制氢过程反应模压装置温度场分布确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于重整反应制氢技术领域，公开了一种重整反应制氢过程反应模压装置温度场分布确定方法，单纯重整反应制氢试验以测试反应过程反应模压一体化装置内催化反应板和纤维模压板内温度场分布规律，纤维模压板内不放置纤维进行烧结；通过温度数据采集系统收集催化反应板和纤维模压板内三个不同点的温度变化数据，在相同实验条件下每次通过改变一个参数而保持其它参数不变研究入口燃料流速大小、层叠结构关键因素变化时重整反应制氢烧结过程温度场变化规律；用带高分辨率放大装置的红外热成像仪拍摄催化反应板和纤维模压板温度场，进行温度收集数据和红外温度数据的对比分析。
Description
技术领域
本发明属于重整反应制氢技术领域，尤其涉及一种重整反应制氢过程反应模压装置温度场分布确定方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：目前制氢微通道反应器主要采用层叠结构，即通过将多片负载催化剂的金属薄板相互层叠在一起，经焊接或其他紧固方式连接成单一的反应单元。金属薄板一般常用微通道薄板或多孔泡沫金属两种结构，前者主要利用激光加工或刻蚀等技术在金属薄板表面加工出微通道，具有流道一致性好以及催化剂附着牢固等优势，但存在加工速率低、制造成本高、催化剂负载量少等问题；后者则采用发泡法和共晶凝固法等技术制备具有三维网状结构的多孔泡沫金属材料作为反应载体，具有孔隙率高和比表面积大的特点，在同样反应体积内可以有效增加催化剂附着量，大幅度提高供氢量，但催化剂在反应过程中容易脱落而导致流道堵塞。多尺度纤维反应载体重整反应制氢烧结过程充分利用醇类重整制氢过程热量和所产生的氢气氛围，省去了传统烧结法额外置入氢和电功率消耗，实现了制造过程的节能化。由于碳排放本身具有多源性、动态性等特点，而且大部分零部件制造过程碳排放大多属于间接碳排放，因此，对如何进行两种烧结成形方式的碳排放量的计算与定量分析是衡量和评价重整反应制氢节能烧结成形的重要一步。同时由于采用重整反应制氢烧结成形工艺所获得的多尺度纤维反应载体反过来对重整反应制氢和燃料电池本身性能有何影响还不清楚，只有清楚揭晓两者之间的作用关系，才能有效的指导纤维载体烧结成形工艺参数按照制氢反应性能需求设计和生成。
传统多孔纤维载体成形过程一般是先将纤维放置在模压装置内，然后将模压装置放进真空炉内通过控制烧结温度(600～1000℃)和烧结时间(30～90min)以及在氢气氛围保护下烧结成形，但真空炉设备较复杂成本也较高，同时消耗功率较大，导致纤维载体制造过程所折合碳排放较高。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)利用激光加工或刻蚀等技术在金属薄板表面加工出微通道，具有流道一致性好以及催化剂附着牢固等优势，但存在加工速率低、制造成本高、催化剂负载量少等问题。
(2)采用发泡法和共晶凝固法等技术制备具有三维网状结构的多孔泡沫金属材料作为反应载体，具有孔隙率高和比表面积大的特点，在同样反应体积内可以有效增加催化剂附着量，大幅度提高供氢量，但催化剂在反应过程中容易脱落而导致流道堵塞。
(3)传统多孔纤维载体成形过程一般是先将纤维放置在模压装置内，然后将模压装置放进真空炉内通过控制烧结温度和烧结时间以及在氢气氛围保护下烧结成形，但真空炉设备较复杂成本也较高，同时消耗功率较大，导致纤维载体制造过程所折合碳排放较高。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种重整反应制氢过程反应模压装置温度场分布确定方法。
本发明是这样实现的，一种重整反应制氢过程反应模压装置温度场分布确定方法，所述重整反应制氢过程反应模压装置温度场分布确定方法包括：
步骤一：单纯重整反应制氢试验以测试反应过程反应模压一体化装置内催化反应板和纤维模压板内温度场分布规律，纤维模压板内不放置纤维进行烧结；
步骤二：通过温度数据采集系统收集催化反应板和纤维模压板内三个不同点的温度变化数据，在相同实验条件下每次通过改变一个参数而保持其它参数不变研究入口燃料流速大小、层叠结构关键因素变化时重整反应制氢烧结过程温度场变化规律；
步骤三：用带高分辨率放大装置的红外热成像仪拍摄催化反应板和纤维模压板温度场，进行温度收集数据和红外温度数据的对比分析。
进一步，所述温度数据采集系统的温度通道温度补偿方法：
数据采集器温度通道的输出温度值为Tm，外界的环境温度为Te，温度飘逸即每个测量点的测量误差E看作Tm、Te的二元函数：
E＝F(Tm，Te)；
将2个自变量Tm、Te作为训练集输入值的2个分量，变量E作为训练集的目标值；所得最优参数解为：
得到函数的最优参数α和b；得到建立的温度飘逸曲面最优模型函数为：
建立的模型的函数值对数据采集器温度测量值进行补偿：
进一步，所述高分辨率放大装置运动补偿包含：
(1)将单帧图像分割成静止的背景和若干运动的物体，各个物体在一连续视频序列中可能有不同的位移，但是构成同一物体的所有像素的位移相同；通过运动估计值得到每个物体的位移矢量；
(2)利用位移矢量计算经运动补偿后的预测值；
(3)传送位移矢量以及如何进行运动物体和静止背景的分割等方面的附加信息；将图像分割成静止区域和不同的运动区域；将图像分割成子块，每块看成是一个物体；当子块划分的足够小的时候，可以假设子块内所有像素的位移矢量是相同的；将活动图像分为若干局部结构，并设法检测出每个局部结构在参考帧图像中的位置。
进一步，在参考帧图像中的对应部分对当前帧中的局部结构进行预测，同一子块在相邻帧间的位置变化通常叫做运动矢量；将运动矢量和相应的预测误差一起进行编码并传输给接收端，在接收端则按照运动矢量指明的位置，从己经解码的前一帧图像中找到相应的局部结构，将该局部结构和预测误差相加后就得到了当前帧中的结构；
运动估计使用于帧间编码方式时，通过参考帧图像产生对被压缩图像的估计；运动估计的准确程度对帧间编码的压缩效果非常重要；
运动估计以宏块为单位进行，计算被压缩图像与参考图像的对应位置上的宏块间的位置偏移；位置偏移是以运动矢量描述，一个运动矢量代表水平和垂直两个方向上的位移；运动估计时，P帧和B帧图像所使用的参考帧图像是不同的；P帧图像使用前面最近解码的I帧或P帧作参考图像，称为前向预测；而B帧图像使用两帧图像作为预测参考，称为双向预测，其中一个参考帧在显示顺序上先于编码帧，另一帧在显示顺序上晚于编码帧，B帧的参考帧在任何情况下都是I帧或P帧；
利用运动估计算出的运动矢量，将参考帧图像中的宏块移至水平和垂直方向上的相对应位置，即可生成对被压缩图像的预测；在绝大多数的自然场景中运动都是有序的。
本发明的另一目的在于提供一种使用所述重整反应制氢过程反应模压装置温度场分布确定方法的定向切削铜纤维烧结载体。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：通过实验研究单纯重整反应制氢过程下入口燃料流速大小、层叠结构等关键因素对催化反应板和纤维模压板内温度场分布的影响机制，根据温度分布特征并结合烧结温度需求，优化催化反应板和纤维模压板相对位置和结构。
附图说明
图1是本发明实施例提供的重整反应制氢过程反应模压装置温度场分布确定方法流程图。
图2是本发明实施例提供的不同烧结温度下形成的定向切削铜纤维烧结载体示意图；
图中：(a)-(b)为600℃；(c)-(d)为700℃；(e)-(f)为800℃；(g)-(h)为900℃。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明实施例提供的重整反应制氢过程反应模压装置温度场分布确定方法包括以下步骤：
S101：单纯重整反应制氢试验以测试反应过程反应模压一体化装置内催化反应板和纤维模压板内温度场分布规律，纤维模压板内不放置纤维进行烧结；
S102：通过温度数据采集系统收集催化反应板和纤维模压板内三个不同点的温度变化数据，在相同实验条件下每次通过改变一个参数而保持其它参数不变研究入口燃料流速大小、层叠结构关键因素变化时重整反应制氢烧结过程温度场变化规律；
S103：用带高分辨率放大装置的红外热成像仪拍摄催化反应板和纤维模压板温度场，进行温度收集数据和红外温度数据的对比分析。
进一步，所述温度数据采集系统的温度通道温度补偿方法：
数据采集器温度通道的输出温度值为Tm，外界的环境温度为Te，温度飘逸即每个测量点的测量误差E看作Tm、Te的二元函数：
E＝F(Tm，Te)；
将2个自变量Tm、Te作为训练集输入值的2个分量，变量E作为训练集的目标值；所得最优参数解为：
得到函数的最优参数α和b；得到建立的温度飘逸曲面最优模型函数为：
建立的模型的函数值对数据采集器温度测量值进行补偿：
进一步，所述高分辨率放大装置运动补偿包含：
(1)将单帧图像分割成静止的背景和若干运动的物体，各个物体在一连续视频序列中可能有不同的位移，但是构成同一物体的所有像素的位移相同；通过运动估计值得到每个物体的位移矢量；
(2)利用位移矢量计算经运动补偿后的预测值；
(3)传送位移矢量以及如何进行运动物体和静止背景的分割等方面的附加信息；将图像分割成静止区域和不同的运动区域；将图像分割成子块，每块看成是一个物体；当子块划分的足够小的时候，可以假设子块内所有像素的位移矢量是相同的；将活动图像分为若干局部结构，并设法检测出每个局部结构在参考帧图像中的位置。
进一步，在参考帧图像中的对应部分对当前帧中的局部结构进行预测，同一子块在相邻帧间的位置变化通常叫做运动矢量；将运动矢量和相应的预测误差一起进行编码并传输给接收端，在接收端则按照运动矢量指明的位置，从己经解码的前一帧图像中找到相应的局部结构，将该局部结构和预测误差相加后就得到了当前帧中的结构；
运动估计使用于帧间编码方式时，通过参考帧图像产生对被压缩图像的估计；运动估计的准确程度对帧间编码的压缩效果非常重要；
运动估计以宏块为单位进行，计算被压缩图像与参考图像的对应位置上的宏块间的位置偏移；位置偏移是以运动矢量描述，一个运动矢量代表水平和垂直两个方向上的位移；运动估计时，P帧和B帧图像所使用的参考帧图像是不同的；P帧图像使用前面最近解码的I帧或P帧作参考图像，称为前向预测；而B帧图像使用两帧图像作为预测参考，称为双向预测，其中一个参考帧在显示顺序上先于编码帧，另一帧在显示顺序上晚于编码帧，B帧的参考帧在任何情况下都是I帧或P帧；
利用运动估计算出的运动矢量，将参考帧图像中的宏块移至水平和垂直方向上的相对应位置，即可生成对被压缩图像的预测；在绝大多数的自然场景中运动都是有序的。
下面结合具体实验对本发明进行进一步详细说明；
试验中将烧结温度设置在600℃、700℃、800℃和900℃，烧结氛围设定完全还原氛围、低温还原氛围、高温还原氛围、中性氛围和氧化氛围，烧结时间设定30min和60min两种。
下面以烧结30min形成的定向切削铜纤维烧结载体为例：
如图2所示，四种不同烧结温度下烧结30min形成的定向切削铜纤维烧结载体SEM图。纤维板的孔隙率均为80％。可以发现，定向切削铜纤维烧结载体均能通过烧结颈的形成而连接在一起，同时能保持微通道结构。
如图2(a)所示，当烧结温度为600℃时，定向纤维之间的烧结成形并没有明显的烧结颈，并且定向切削铜纤维表面产生微细小孔结构；
如图2(b)所示，其主要原因是由于加工过程中纤维内部被氧化部分的氧原子与氢结合，产生水蒸气后在一定的温度和压力的条件下，逸出纤维表面后形成的。
如图2(c)和(d)所示，当烧结温度提高到700℃时，纤维粗糙的表面微结构得到一定的改善，但是所形成的定向纤维烧结载体也并不理想。
如图2(e)和2(f)所示，烧结温度为800℃时所形成的切削铜纤维载体有明显的烧结颈存在，烧结成形情况较好，此时切削纤维的粗糙表面微结构也能有较好的保存。
如图2(g)和2(h)所示当烧结温度进一步提高到900℃时，烧结所形成的定向切削铜纤维载体的纤维表面变得较为光滑，粗糙的微结构逐渐消失，比表面积有所降低。
由此可见，烧结温度800℃下烧结形成的定向切削铜纤维烧结载体不仅能烧结啮合在一起，形成微通道结构，而且能保留有一定的粗糙的表面微结构。烧结温度的升高，一定程度上不利于纤维表面之间烧结颈的形成，反而阻碍其成长，使其消失。
根据真空炉内纤维烧结成形实验结果表明，800℃比较有利于纤维烧结成形，因此根据温度分布特征，从中优选出最有利于纤维载体烧结所需温度的重整反应制氢参数、反应模压一体化装置的结构参数和相对位置，为后续的纤维烧结成形过程分析作好准备。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种重整反应制氢过程反应模压装置温度场分布确定方法，其特征在于，所述重整反应制氢过程反应模压装置温度场分布确定方法包括：
步骤一：单纯重整反应制氢试验以测试反应过程反应模压一体化装置内催化反应板和纤维模压板内温度场分布规律，纤维模压板内不放置纤维进行烧结；
步骤二：通过温度数据采集系统收集催化反应板和纤维模压板内三个不同点的温度变化数据，在相同实验条件下每次通过改变一个参数而保持其它参数不变研究入口燃料流速大小、层叠结构关键因素变化时重整反应制氢烧结过程温度场变化规律；
步骤三：用带高分辨率放大装置的红外热成像仪拍摄催化反应板和纤维模压板温度场，进行温度收集数据和红外温度数据的对比分析；
所述温度数据采集系统的温度通道温度补偿方法：
数据采集器温度通道的输出温度值为Tm，外界的环境温度为Te，温度飘逸即每个测量点的测量误差E看作Tm、Te的二元函数：
E＝T(Tm，Te)；
将2个自变量Tm、Te作为训练集输入值的2个分量，变量E作为训练集的目标值；所得最优参数解为：
得到函数的最优参数α和b；得到建立的温度飘逸曲面最优模型函数为：
建立的模型的函数值对数据采集器温度测量值进行补偿：
。
2.如权利要求1所述的重整反应制氢过程反应模压装置温度场分布确定方法，其特征在于，所述高分辨率放大装置运动补偿包含：
(1)将单帧图像分割成静止的背景和若干运动的物体，各个物体在一连续视频序列中可能有不同的位移，但是构成同一物体的所有像素的位移相同；通过运动估计值得到每个物体的位移矢量；
(2)利用位移矢量计算经运动补偿后的预测值；
(3)传送位移矢量以及如何进行运动物体和静止背景的分割等方面的附加信息；将图像分割成静止区域和不同的运动区域；将图像分割成子块，每块看成是一个物体；当子块划分的足够小的时候，可以假设子块内所有像素的位移矢量是相同的；将活动图像分为若干局部结构，并设法检测出每个局部结构在参考帧图像中的位置。
3.如权利要求2所述的重整反应制氢过程反应模压装置温度场分布确定方法，其特征在于，在参考帧图像中的对应部分对当前帧中的局部结构进行预测，同一子块在相邻帧间的位置变化通常叫做运动矢量；将运动矢量和相应的预测误差一起进行编码并传输给接收端，在接收端则按照运动矢量指明的位置，从己经解码的前一帧图像中找到相应的局部结构，将该局部结构和预测误差相加后就得到了当前帧中的结构；
运动估计使用于帧间编码方式时，通过参考帧图像产生对被压缩图像的估计；运动估计的准确程度对帧间编码的压缩效果非常重要；
运动估计以宏块为单位进行，计算被压缩图像与参考图像的对应位置上的宏块间的位置偏移；位置偏移是以运动矢量描述，一个运动矢量代表水平和垂直两个方向上的位移；运动估计时，P帧和B帧图像所使用的参考帧图像是不同的；P帧图像使用前面最近解码的I帧或P帧作参考图像，称为前向预测；而B帧图像使用两帧图像作为预测参考，称为双向预测，其中一个参考帧在显示顺序上先于编码帧，另一帧在显示顺序上晚于编码帧，B帧的参考帧在任何情况下都是I帧或P帧；
利用运动估计算出的运动矢量，将参考帧图像中的宏块移至水平和垂直方向上的相对应位置，即可生成对被压缩图像的预测；在绝大多数的自然场景中运动都是有序的。
4.一种使用权利要求1～3任意一项所述重整反应制氢过程反应模压装置温度场分布确定方法的定向切削铜纤维烧结载体。
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