儲能飛輪冷卻系統(tǒng)強制循環(huán)水冷換熱過程的二維溫度場分析

廖澤榮+吳新淼

摘 要 儲能飛輪冷卻系統(tǒng)是高儲能飛輪系統(tǒng)工程應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過采用循環(huán)水冷方式，建立傳熱學(xué)分析模型，利用ANSYS軟件對水冷散熱結(jié)構(gòu)進行了二維溫度場計算及分析，結(jié)果表明改變冷卻水流量時，電機定子最高溫度的變化并不是線性的，應(yīng)合理選擇冷切水流量。

關(guān)鍵詞 溫度分布；二維溫度場；循環(huán)水冷；儲能飛輪

中圖分類號 TP69 文獻標識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）14-0031-02

國內(nèi)在20世紀80年代逐漸開始了飛輪儲能系統(tǒng)的研究，參與研究相關(guān)的單位主要有中科院電工研究[1]、清華大學(xué)[2]，北京航空航天大學(xué)[3]等。高儲能飛輪系統(tǒng)存儲—釋放能量過程中產(chǎn)生了熱損耗，使其冷卻系統(tǒng)的設(shè)計成為了高儲能飛輪系統(tǒng)工程應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前常用的冷卻方式有循環(huán)水冷、風(fēng)冷、蒸發(fā)冷卻、散熱器冷卻等。本文主要采用的冷卻方式為水冷，通過建立傳熱學(xué)分析模型，利用有限元的分析方法分析循環(huán)水冷換熱過程的二維溫度場。

1 傳熱學(xué)分析模型的建立

儲能飛輪系統(tǒng)電機發(fā)熱主要來自電機定子損耗所產(chǎn)生的熱輻射，冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計為在下支座中嵌入冷卻水套，利用循環(huán)水冷方式帶走定子產(chǎn)生的熱量。因此，選取電機定子、下支座及冷卻水套作為分析模型。如圖1所示。

2 二維溫度場分析結(jié)果

利用ANSYS軟件當中的熱分析模塊對熱分析模型進行二維溫度場分析，在進行二維溫度計算時，忽略電機定子徑向溫度分布的不均勻性，軸向的溫度分布可以選擇不同位置的截面進行仿真分析。取電機定子的中間截面作為穩(wěn)態(tài)溫度場的求解區(qū)域，電機定子各個軸向截面的結(jié)構(gòu)模型相同，得到電機冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定工作時截面的熱通量分布及溫度分布如圖2及圖3所示。

如上分析圖，從截面的熱通量分布圖中可以看出，熱通量（heat flux）在冷卻套的周圍存在最大值，充分表明在單位時間內(nèi)，相比其他位置冷卻套帶走了更多的熱量。從截面的溫度分布圖可以得出，在冷卻系統(tǒng)的作用下，溫度較低的位置存在于冷卻套周圍熱通量大的位置。在電機的定子最內(nèi)側(cè)處溫度最大約為48℃，且沿徑向由內(nèi)向外溫度逐漸降低。為了更加直觀地查看電機定子的徑向溫度分布情況，可以從電機中心沿徑向定義一條直線，從電機定子內(nèi)側(cè)到下支座外表面的溫度變化曲線如圖4所示。

從圖4中可以看到，從定子內(nèi)側(cè)到下支座外表面溫度逐漸降低，在靠近定子內(nèi)側(cè)的位置溫度變化較小，對應(yīng)溫度在48℃左右。溫度在冷卻水套周圍的梯度較大，說明在等卻水套周圍吸收了較多的熱量，隨后溫度梯度又逐漸減緩。

3 冷卻水流量對溫度分布的影響

通過對電機冷卻系統(tǒng)二維截面上的溫度分布的研究，可以大致估計其各處的溫度。為了確保更好的冷卻系統(tǒng)性能，還應(yīng)分析不同水流量的時，冷卻系統(tǒng)的溫度變化情況，從而證明其二維截面上的溫度隨冷卻水流量的改變而產(chǎn)生的影響，為冷卻系統(tǒng)的設(shè)計提供更好的參考條件。同樣，以軸向中間截面為研究對象，計算當流量由額定的15增加+20%，+40%，-20%，-40%時相應(yīng)的散熱系數(shù)變化值，再加載進行分析后得到其溫度分布規(guī)律，得到的結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖5—圖8表明了當冷卻水的流量流速發(fā)生改變時，其截面上的溫度分布也相應(yīng)的發(fā)生改變。當增大冷卻水流量時，其雷諾數(shù)也相對的增大，冷卻水套的散熱系數(shù)也逐漸變大，冷卻的效果隨之增大，冷卻流體更好地帶走了電機內(nèi)熱量，冷卻系統(tǒng)內(nèi)各部件溫度相對降低。反之，各部件溫度相對增加。但是，除了溫度值的整體變化，溫度分布的趨勢則大致相似。各分析結(jié)果的溫度最高點在截面上的位置是相同的，都在電機定子最內(nèi)側(cè)，其最高溫度值也都在合理的溫升范圍內(nèi)。把不同流體流速所對應(yīng)的截面溫度最高點進行比較，如圖9所示。

從圖9中可以看出，在改變冷卻水流量時，電機定子最高溫度的變化并不是線性的。因此，在設(shè)計冷卻系統(tǒng)時，應(yīng)當考慮這一因素，合理地調(diào)整冷卻水流量的大小。

4 結(jié)論

利用有限元方法對儲能飛輪強制水冷散熱系統(tǒng)水冷散熱結(jié)構(gòu)進行了二維溫度場計算及分析，通過對模型軸向中間截面的分析獲得了大致的截面溫度場，并分析了冷卻水流量改變時二維溫度場的變化情況，得出不同工作環(huán)境下冷卻系統(tǒng)溫度場的分析結(jié)果。

參考文獻

[1]周龍，齊智平.解決配電網(wǎng)電壓暫降問題的飛輪儲能單元建模與仿真[J].電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（19）：152-158.

[2]戴興建，于涵，李奕良.飛輪儲能系統(tǒng)充放電效率實驗研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2009，24（3）：20-24.

[3]楊春帆，劉剛，張慶榮.磁懸浮姿控儲能飛輪能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究[J].航天控制，2007，25（3）：91-96.