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西门子反应器中硅碳棒加热过程

  为此,本文针对西门子反应器中硅碳棒加热过程,建立了硅碳棒的热传递模型,基于该模型详细分析了12对棒西门子反应器硅碳棒加热过程中不同辐射位置以及不同器壁发射率条件下,硅碳棒内部温度分布和电流密度变化情况,这将对西门子反应器电加热过程的优化、节能提供一定的技术支撑。采用轴对称方法建立西门子反应器中硅碳棒的热传递模型,计算过程中所选用的二维轴对称硅碳棒几何模型如图1所示,其中硅碳棒的长度为L,半径为R,1为对称轴;;2为边界,即硅碳棒的表面;;3为底端;;4为顶端。材料选用多晶硅,其电导率、热容以及热导率等性质均为温度的函数。
模型假设:
  (1)由于热传递而引起的温度梯度变化要比硅碳棒生长过程半径变化速度快很多,且电流变化比温度变化迅速,因此在模拟计算中假设硅碳棒加热过程为稳态,忽略温度随时间的变化以及电流随时间的变化;
  (2)在模拟计算过程中,忽略硅碳棒轴向温度变化,即认为硅碳棒在轴向方向上没有温度梯度;
  (3)模拟计算过程认为硅碳棒表面温度均匀。硅碳棒的热传递数学模型在稳态条件下,应用圆柱坐标,可得西门子反应器中硅碳棒内部的热传递方程:其中::为硅碳棒内部径向位置,T为硅碳棒内部温度,k(劝为硅的热导率,与温度具有如下关系:k(T)-1/一2.2x10一”T3+9x10一Tz一10一T+0.014](2)而9为单位体积生成热,当硅碳棒用直流电加热时,q由电流产生的焦耳热提供,即:9=IJ(r)I/。(T)(3)J(r)=,(T)E(4)其中,J(r)为硅碳棒内部电流密度,E为硅碳棒内部电场强度(乃为硅的电导率,是关于温度的函数,可表示为:对于直流电加热,电场强度可表示为:E=dV/dz因此,硅碳棒内部单位体积生成热可表示为:9=(dV/dz)2(T)其中,dV/dz表示硅碳棒轴向单位长度电压梯度。将(7)式代人(1)中可得:其中qcqr。以及7rP分别为对流、辐射以及化学反应引起的硅碳棒表面热损失。对流热损失为:其中,h为对流系数,其值在20一30W/m2·K,双为硅碳棒表面温度,及为硅碳棒表面区域流体平均温度,其值为1047K;其中:若为硅碳棒表面与反应器壁之间辐射系数,到是硅的发射率瓦和反应器壁发射率。的函数,T为反应器壁温度,毋为斯蒂芬一波尔兹曼常数,其值为5.67x10一W·m一·K一,R为硅碳棒半径;R,为反应器壁半径。http://www.sdzygw.com/

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