基于ANSYS的鈉硫電池保溫結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張鵬飛，　李任江，　徐　兵

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春　130012)

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基于ANSYS的鈉硫電池保溫結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

張鵬飛，李任江*，徐兵

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 吉林 長(zhǎng)春130012)

摘要：采用二氧化硅凝膠氈、特制真空材料和巖棉纖維氈構(gòu)成的保溫結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變保溫層結(jié)構(gòu)的體積，使其能達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。ANSYS仿真驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)在電池正常運(yùn)行工況下外壁溫升不超過(guò)25 ℃，當(dāng)將特制真空材料的溫度控制在197.2 ℃時(shí)，特制真空材料的使用壽命提高了。

關(guān)鍵詞：鈉硫電池； 保溫材料； 有限元分析； 優(yōu)化設(shè)計(jì)

0引言

鈉硫電池是一種新型的化學(xué)電池，因?yàn)槠渚哂懈吣茈姵氐谋饶芰扛?、可大電流、高功率放電、充放電效率高且釋放電量平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，所以其在削峰填谷、應(yīng)急電源、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的穩(wěn)定輸出等方面使用頗多[1]。同時(shí)，新能源電動(dòng)客車(chē)也可以廣泛地使用該電池，在各種先進(jìn)二次電池中最為成熟和具有潛力。但是鈉硫電池正常的工作溫度為300～350 ℃，為了保證鈉硫電池正常的充放電工作，延長(zhǎng)其壽命，需要采取加熱保溫的措施，使其始終運(yùn)行在270～350 ℃[2]正常的充放電過(guò)程中，同時(shí)對(duì)外壁溫升設(shè)置閾值。所以對(duì)保溫結(jié)構(gòu)的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面需要格外的重視，文中針對(duì)鈉硫儲(chǔ)能電池保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不足，改用更加經(jīng)濟(jì)且耐用性的設(shè)計(jì)方案。

目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者針對(duì)保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多方面的研究。Sun[3]等利用ANSYS有限元仿真技術(shù)，在不同的工況條件下對(duì)10 kW級(jí)DMP機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真,同時(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。孫波[4]等在實(shí)際運(yùn)行工況下對(duì)汽輪機(jī)本體的保溫裝置進(jìn)行了設(shè)計(jì)和說(shuō)明。孫詩(shī)琨[5]等在焦炭塔的實(shí)際條件的情況下設(shè)計(jì)了一種新型背帶式保溫結(jié)構(gòu)。劉立君[6]等對(duì)潛油電泵檢測(cè)裝置保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。由此可見(jiàn)，保溫結(jié)構(gòu)有廣泛的領(lǐng)域，對(duì)各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用，但在儲(chǔ)能領(lǐng)域的保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還有待于完善，尤其是在鈉硫電池保溫方面，此外，鈉硫電池普遍采用的非真空保溫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在厚度要求、壽命長(zhǎng)短、可靠性等方面存在很多不足。文中針對(duì)鈉硫儲(chǔ)能電池的保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并提出了一種新型的保溫結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1保溫箱的基本結(jié)構(gòu)

保溫箱的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易圖如圖1所示。

圖1　鈉硫電池保溫層的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖

實(shí)際的保溫箱是立方體構(gòu)造，其中鈉硫電池存放里面，保溫箱壁包括加熱層、云母板、保溫層和鋼板四部分。

研究中將鈉硫保溫箱正常工作時(shí)產(chǎn)生的少量輻射傳熱量忽略，將其簡(jiǎn)化為導(dǎo)熱與對(duì)流模型。同時(shí),因?yàn)楸叵浣Y(jié)構(gòu)較大，除頂蓋和下部外,各箱體結(jié)構(gòu)相同，所以將材料加工精度和邊角結(jié)構(gòu)對(duì)箱體產(chǎn)生的影響忽略不計(jì)，認(rèn)為該箱體模型各壁面?zhèn)鳠徇^(guò)程基本相似，且傳熱方式為穩(wěn)定傳熱，因此,將保溫箱的壁面簡(jiǎn)化成單壁面半無(wú)限大的結(jié)構(gòu)并且是一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題來(lái)解決。

設(shè)計(jì)中采用的保溫材料是非真空復(fù)合保溫材料，根據(jù)鈉硫電池技術(shù)相關(guān)指標(biāo)，其壁厚應(yīng)S≤50 mm，并且因?yàn)槠鋬?nèi)部工作溫度為350 ℃，所以外壁溫度與空氣溫度的差值小于等于25 ℃[7]。由微分方程式、初始條件以及邊界條件三部分得知，從而能夠詳細(xì)地說(shuō)明該研究的一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問(wèn)題。

2數(shù)學(xué)模型的建立

將保溫箱內(nèi)溫度和外界環(huán)境溫度定義為邊界溫度條件，根據(jù)傅里葉定律和牛頓冷卻定律模型[8-9]，即可得出一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：q----熱流密度；

λi----各保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)；

δi----各保溫材料的厚度；

Tw----保溫箱內(nèi)溫度，即靠近云母板側(cè)的材料溫度；

Tf----環(huán)境溫度；

Ti----各保溫材料溫度；

n----保溫層數(shù)。

3保溫結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1原保溫層方案與改進(jìn)保溫層方案

原保溫結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2　改進(jìn)前保溫層結(jié)構(gòu)示意圖

從內(nèi)到外分別是陶瓷纖維板(Ceramic Fiber Board， CFB)、特制真空材料(Special Vacuum Board， SVB)和陶瓷纖維氈(Ceramic Fiber Felt， CFF)。

優(yōu)化保溫結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3　改進(jìn)后的保溫層結(jié)構(gòu)示意圖

從內(nèi)到外分別是二氧化硅氣凝膠(Silica Blanket， SB)、特制真空材料(Special Vacuum Board， SVB)和巖棉纖維氈(Rock Wool Pan， RWF)，保溫結(jié)構(gòu)各材料導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)表1。

表1　保溫結(jié)構(gòu)各材料參數(shù)

3.2原保溫結(jié)構(gòu)與改進(jìn)結(jié)構(gòu)所選材料的對(duì)比

原先保溫結(jié)構(gòu)第1層選用的是陶瓷纖維材料，因其低廉的價(jià)格，其保溫導(dǎo)熱系數(shù)為0.043，所以成為很多保溫材料的首選。但是將其用于鈉硫電池保溫箱時(shí)，由于其導(dǎo)熱系數(shù)太大，并且兩者的總厚度達(dá)到50 mm，但卻只起到15%的阻熱效率，直接導(dǎo)致其達(dá)不到應(yīng)該承受的熱阻能，并且其厚度大大超出設(shè)計(jì)值。

第2種特制真空材料是應(yīng)用在保冷和建筑領(lǐng)域，因其導(dǎo)熱率只有0.004，性能優(yōu)良，用在鈉硫電池保溫箱中可以起到阻熱的效果，但其正常使用的溫度范圍不能超過(guò)180 ℃，厚度只有20 mm，在實(shí)際工作過(guò)程中要承受85%的熱阻，最高溫度會(huì)達(dá)到250 ℃左右，這樣對(duì)其壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至可能導(dǎo)致其失效。

優(yōu)化保溫材料的選材第1種是二氧化硅氣凝膠，該材料的性能優(yōu)越，隔熱是傳統(tǒng)隔熱材料的2～5倍，保溫后熱損失小，空間利用率高。在高溫下，以上性能優(yōu)勢(shì)更為明顯[10]?？梢杂行У販p小特制真空材料的熱阻量，延長(zhǎng)特制真空材料的使用時(shí)間。

第3種選擇巖棉纖維氈，導(dǎo)熱率為0.039，具有較為低廉的售價(jià)且性能適中，廣泛應(yīng)用在船舶和建筑領(lǐng)域。同時(shí)，巖棉纖維氈可以將特制真空材料與鋼板隔開(kāi)，保護(hù)特制真空材料。

4保溫結(jié)構(gòu)的ANSYS仿真和結(jié)果分析

4.1創(chuàng)建實(shí)體模型與劃分網(wǎng)格

在ANSYS有限元軟件中保溫材質(zhì)屬性均定義為各向同性的導(dǎo)熱型結(jié)構(gòu),實(shí)體模型定義為單元類(lèi)型的Thermal Solid類(lèi)別中的Quad 4node 55，然后可以根據(jù)表1數(shù)據(jù)定義保溫實(shí)體下材料的性能參數(shù)，如圖4和圖5所示。

圖4　原保溫結(jié)構(gòu)的幾何模型

圖5　改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)的幾何模型

這樣完成保溫結(jié)構(gòu)模型的建立。

利用ANSYS軟件的mesh模塊定義等分AREAS,采用自由網(wǎng)格劃分模式劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖6和圖7所示。

圖6　原保溫結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分

圖7　改進(jìn)方案結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分

4.2加載和求解

對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行施加的載荷操作?？紤]云母板要隔絕一部分熱量將保溫材料靠近加熱板一側(cè)施加339 ℃的載荷溫度，根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行工況，將設(shè)定對(duì)流換熱系數(shù)邊界條件施加在保溫材料的最外側(cè)，對(duì)流換熱系數(shù)設(shè)定為5.5，最外側(cè)溫度設(shè)定為20 ℃。

將時(shí)間步長(zhǎng)參數(shù)與計(jì)算類(lèi)型設(shè)定完成后，運(yùn)行ANSYS求解器，進(jìn)行求解計(jì)算，最終得到有限元模擬仿真圖，如圖8所示。

(a) 原方案

(b) 改進(jìn)方案

4.3結(jié)果分析

根據(jù)數(shù)學(xué)模型分為原保溫結(jié)構(gòu)的陶瓷纖維板與特制真空材料、特制真空材料與陶瓷纖維氈和陶瓷纖維氈、金屬外殼間的溫度，設(shè)置為測(cè)量點(diǎn)1、測(cè)量點(diǎn)2、測(cè)量點(diǎn)3，改進(jìn)方案的二氧化硅氣凝膠與特制真空材料和特制真空材料與巖棉纖維氈和巖棉纖維氈與金屬外殼間的溫度設(shè)定為測(cè)量點(diǎn)4、測(cè)量點(diǎn)5、測(cè)量點(diǎn)6。具體值詳見(jiàn)表3。

表3　仿真得到測(cè)量點(diǎn)溫度值　　　℃

從表3可以看出,原保溫結(jié)構(gòu)方案的外壁最高溫升為14.3 ℃，在設(shè)計(jì)需求的范圍內(nèi)。但是，該結(jié)構(gòu)的保溫層厚度超過(guò)閾值，其厚度達(dá)到80 mm，這樣就會(huì)帶來(lái)電流電池的安裝和使用等方面的問(wèn)題，并且會(huì)增加成本。另外，根據(jù)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，其特制真空材料的實(shí)際運(yùn)行溫度會(huì)達(dá)到250 ℃左右，這樣也超出特制真空材料的正常運(yùn)行時(shí)的溫度閾值，會(huì)造成特制真空材料的壽命嚴(yán)重降低甚至可能導(dǎo)致更嚴(yán)重的電池破損情況。

改進(jìn)方案的保溫層結(jié)構(gòu)的最外側(cè)溫度為31.5 ℃，假設(shè)外界溫度為20 ℃時(shí)，那么溫升就為15.5 ℃，滿足設(shè)計(jì)需求。并且，該方案的特制真空材料實(shí)際運(yùn)行溫度為180.2 ℃，滿足設(shè)計(jì)需要，這樣可以延長(zhǎng)特制真空材料的使用壽命和可靠性。同時(shí)，保溫材料的厚度是50 mm，在設(shè)計(jì)規(guī)定的范圍內(nèi)。

5結(jié)語(yǔ)

針對(duì)如何選擇保溫層材料和厚度的問(wèn)題建立了數(shù)學(xué)模型，以保溫材料的厚度看作決策變量，外表面溫度和內(nèi)壁溫度看作約束條件，保溫效率為目標(biāo)。該優(yōu)化方案是在鈉硫電池的實(shí)際運(yùn)行工況和保溫材料性能基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成的，為鈉硫電池保溫箱的設(shè)計(jì)、更換保溫層等問(wèn)題提供了理論基礎(chǔ)，并且還對(duì)鈉硫電池配套保溫裝置的生產(chǎn)提供了重要指導(dǎo)。

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Structural optimization design of sodium sulfur battery insulation based on ANSYS

ZHANG Pengfei，LI Renjiang*，XU Bing

(School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012， China)

Abstract：Silica gel mat, special vacuum material, and rock cotton fiber blanket are used to design an insulation structure. The insulation structure is varied by changing its volume to meet the technical requirements. ANSYS based simulation results show that the temperature at out layer of the structure is less than 25 ℃ while the special vacuum material temperature is controlled at 197.2 ℃ which demonstrates that the lifespan of the special vacuum material is prolonged.

Key words：sodium-sulfur battery； insulations materials； finite element analysis； optimal design.

中圖分類(lèi)號(hào)：TH 122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1374(2016)01-0078-05

DOI:10.15923/j.cnki.cn22-1382/t.2016.1.16

作者簡(jiǎn)介：張鵬飛(1989-)，男，漢族，山東濱州人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)碩士研究生，主要從事駐車(chē)加熱器方向研究,E-mail:1107471936@qq.com. *通訊作者：李任江(1968-)，男，漢族，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)副教授，博士，主要從事機(jī)電一體化綜合技術(shù)方向研究,E-mail:lirenjiang@ccut.edu.cn.

基金項(xiàng)目：吉林省科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金項(xiàng)目(SC20140467)

收稿日期：2015-12-10