【摘 要】
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太阳能资源的应用越来越受到人们的重视,作为太阳能光伏电池的基础材料,多晶硅材料的需求量也日趋增加。多晶硅的生产方法主要有改良西门子法、流化床法、冶金法这三种,综合考虑来看,改良西门子法具有工艺成熟、沉积速率高、原料相对安全等优点,且能够兼容太阳能级和电子级多晶硅的工业化生产,是工业规模上多晶硅的主流生产技术。改良西门子法工艺虽较为成熟,但高成本及高能耗等因素依然是该方法存在的主要问题及阻碍。而目前
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太阳能资源的应用越来越受到人们的重视,作为太阳能光伏电池的基础材料,多晶硅材料的需求量也日趋增加。多晶硅的生产方法主要有改良西门子法、流化床法、冶金法这三种,综合考虑来看,改良西门子法具有工艺成熟、沉积速率高、原料相对安全等优点,且能够兼容太阳能级和电子级多晶硅的工业化生产,是工业规模上多晶硅的主流生产技术。改良西门子法工艺虽较为成熟,但高成本及高能耗等因素依然是该方法存在的主要问题及阻碍。而目前研究中主要针对还原炉内辐射传热,对于还原炉内对流传热现象几乎没有涉及,还原炉内流动与传热的相互作用过程的研究基本空白。本文针对还原炉内流动状态和传热过程进行了细致的探讨,研究了不同影响因素对还原炉内对流传热的影响规律及还原炉内流体动力学和热量传递的相互作用机制,从对流传热的层面上达到降低能耗,减少生产成本的目的。首先基于实验室规模西门子还原炉,建立了还原炉的对流传热模型,并对模型网格进行独立性分析,将计算结果与文献实验数据对比,验证了模型的有效性。研究了不同影响因素对还原炉内对流传热量的影响,并分析了对流传热系数在Ra、d/L、X.H三个影响因素相互作用下的变化规律,对于实验室规模西门子还原炉,在Ra大于1.4×10~7,d/L大于0.04及X.H大于3.0时,对流传热量均有明显增加。获得各个影响因素作用下还原炉内对流传热系数等值线图,并拟合得到有关还原炉内对流传热的特征数方程。随后,比较了硅棒数目n=7、n=8时模拟计算得到的Nu数与特征数方程的预测值,计算结果与预测值的平均相对误差分别为1.4%、3.2%,说明特征数方程的有效性及准确性。为进一步获得工业规模西门子反应器内对流传热的影响因素及规律,建立了工业生产中12对棒西门子还原炉的对流传热模型,将西门子还原炉中实际生产硅棒所用的总功率与数值模拟计算得到的总能量传递情况进行对比,验证了模型计算结果的准确性。分析了各因素对还原炉内对流传热及对流传热系数的影响。由模拟计算结果可知,还原炉内流动传热为湍流流动状态下自然对流及强制对流相互作用下的混合对流传热。随后对不同影响因素对还原炉内对流传热的影响进行研究,并分析了不同影响因素之间相互作用对于流传热系数的影响,最后通过无量纲分析,拟合得到了有关工业规模西门子还原炉对流传热的关联式。
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