深海雙層保溫電池艙設(shè)計(jì)及溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

吳俊飛， 王 豪，趙文捷

(青島科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266061)

近年來(lái)，隨著人口劇增，環(huán)境惡化，陸上資源逐步匱乏，對(duì)海洋資源的探索和開(kāi)發(fā)越來(lái)越受到各界的重視[1]。深海低溫、缺氧、能見(jiàn)度低以及強(qiáng)大的海水壓力等復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境導(dǎo)致無(wú)法對(duì)其直接觀測(cè)、獲取各種海洋參數(shù)數(shù)據(jù)，此時(shí)必須借助各種各樣的水下勘測(cè)儀器和設(shè)備，例如水下機(jī)器人、水下施工設(shè)備、海洋潛標(biāo)、浮標(biāo)、海床基和各類(lèi)傳感器等，這就離不開(kāi)電池提供能源動(dòng)力。

海水溫度一般隨著深度的增加而減小，水深350 m以內(nèi)減小的速率最大；350～2 000 m減小速率較大；2 000～4 000 m減小速率較緩；4 000 m以下基本保持不變。水深1 000 m時(shí)，水溫約為4～5℃，2 000 m水溫約為2～3℃，4 000 m以下水溫約為1～2℃。目前深?？睖y(cè)儀器設(shè)備供電電池，在深海低溫條件下放電能力只能達(dá)到正常放電電量的50%。

付平等[2]以潛標(biāo)系統(tǒng)供電鋰電池為研究對(duì)象，分別對(duì)加入保溫材料石蠟、聚氨酯發(fā)泡、氣凝膠氈的鋰電池以及無(wú)保溫材料鋰電池在海水溫度為4℃條件下進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)內(nèi)部溫度及放電效率進(jìn)行分析，得出結(jié)論：加入保溫材料石蠟、聚氨酯發(fā)泡以及氣凝膠氈的鋰電池與無(wú)保溫材料鋰電池相比，其放電時(shí)間分別提高了7.9%、5.9%以及5.1%，無(wú)保溫材料潛標(biāo)系統(tǒng)工作時(shí)間為90天，加入保溫材料可以使工作時(shí)間最高提高到99天左右。這證明了保溫結(jié)構(gòu)對(duì)于深海觀測(cè)儀器設(shè)備供電電池艙的實(shí)用性以及重要性。

因此，為提升深?？睖y(cè)儀器設(shè)備供電電池放電電量，延長(zhǎng)深海勘測(cè)儀器設(shè)備的使用周期，設(shè)計(jì)了一種深海耐壓雙層保溫電池艙。以深海觀測(cè)儀器設(shè)備供電電池艙保溫層厚度為研究對(duì)象，利用ANSYS Workbench軟件對(duì)不同保溫層厚度下電池艙溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了不同保溫層厚度下電池艙內(nèi)溫度隨時(shí)間變化曲線，以及不同保溫層厚度下電池艙內(nèi)溫度分布云圖，最終得到在保證鋰電池最佳工作溫度下的最優(yōu)厚度，以保證深海勘測(cè)儀器設(shè)備在深水高壓區(qū)都能夠持續(xù)穩(wěn)定地工作。

1 雙層保溫電池艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)設(shè)計(jì)水深：2 000 m；(2)外層耐壓殼體壁厚：10 mm；(3)內(nèi)徑：190 mm；(4)艙內(nèi)凈長(zhǎng)：830 mm；(5)外壓筒體長(zhǎng)度：877 mm。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該型號(hào)電池艙為圓筒形，包括厚壁耐壓外層和真空保溫內(nèi)層。外層由圓柱形筒體及兩端的平蓋封頭組成，筒體與兩端平蓋封頭采用螺釘連接，并采用O型圈進(jìn)行密封；內(nèi)層為焊接在筒體和平蓋封頭內(nèi)部的薄壁真空保溫層。內(nèi)外層之間采用抽真空及表面鍍銀處理，實(shí)現(xiàn)保溫功能，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙層保溫電池艙結(jié)構(gòu)示意圖

電池艙外層耐壓筒體及兩端的平蓋封頭用于承受海水帶來(lái)的全部壓力，采用耐海水腐蝕、隔熱好、高強(qiáng)度以及低密度的TC4鈦合金材料制成。位于真空保溫筒體內(nèi)側(cè)的保溫層采用保溫效果好、性能穩(wěn)定、耐老化、易加工且無(wú)毒無(wú)味的聚氨酯保溫材料加工而成。

2 雙層保溫電池艙溫度場(chǎng)分析

通過(guò)ANSYS Workbench軟件對(duì)雙層保溫電池艙進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，可以計(jì)算電池艙內(nèi)的溫度分布情況以及其他的熱力學(xué)參數(shù)[3]。

由雙層保溫電池艙結(jié)構(gòu)可知，當(dāng)電池組為深海勘測(cè)儀器設(shè)備供電時(shí)，電池組作為電池艙內(nèi)熱源產(chǎn)生熱量[4]，并通過(guò)空氣、聚氨酯保溫層、真空保溫層，以及外層耐壓殼體等傳播到海水中，即熱量在雙層保溫電池艙內(nèi)的傳遞過(guò)程由以下6個(gè)環(huán)節(jié)組成[5]：(1)電池組殼體外壁面到聚氨酯保溫層內(nèi)壁面間的空氣傳熱；(2)聚氨酯保溫層內(nèi)壁到外壁的導(dǎo)熱；(3)聚氨酯保溫層外壁面(真空耐壓筒體內(nèi)壁面)到真空耐壓筒體外壁面的圓筒壁導(dǎo)熱；(4)真空耐壓筒體外壁面到電池艙耐壓殼體內(nèi)壁面間的輻射傳熱；(5)電池艙外層耐壓殼體內(nèi)壁面到外壁面的圓筒壁導(dǎo)熱；(6)電池艙外層耐壓殼體外壁面到海水的對(duì)流換熱[6]。

根據(jù)上述分析，雙層耐壓保溫電池艙的熱傳遞過(guò)程可簡(jiǎn)化成常物性、有內(nèi)熱源的三維非穩(wěn)態(tài)傳熱問(wèn)題[7]。

2.1 數(shù)學(xué)模型

2.1.1 內(nèi)部熱生成率的計(jì)算

當(dāng)電池組為深?？睖y(cè)儀器設(shè)備供電時(shí)，電池組作為電池艙內(nèi)熱源產(chǎn)生熱量。電池內(nèi)部區(qū)域單位體積的熱生成率計(jì)算公式如式(1)所示[7]：

式中：Qb為電池內(nèi)部熱生成率，W/m3；Ib為電池工作電流，A；Vb為電池總體積，m3；Eoc為電池開(kāi)路電壓，V；E為電池放電電壓，V；Rb為電池內(nèi)阻，Ω；r為電池半徑，m。

2.1.2 電池艙外壁面與海水間的對(duì)流換熱

電池艙外壁與海水間的熱量傳遞方式為對(duì)流換熱，其計(jì)算公式如式(2)所示[8]：

式中：Φo為電池艙段與海水交換的熱量，W；Ao為電池艙外壁面與海水對(duì)流換熱面積，m2；hf為海水與電池艙外壁面間對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；tco為電池艙外壁面溫度，℃；tf為海水溫度，℃。

2.1.3 聚氨酯保溫層、真空層耐壓筒體以及電池艙殼體內(nèi)壁到外壁的導(dǎo)熱

聚氨酯保溫層內(nèi)壁到外壁的導(dǎo)熱、真空層耐壓筒體內(nèi)壁到外壁的導(dǎo)熱以及電池艙耐壓殼體內(nèi)壁到外壁的導(dǎo)熱，這三種情況的計(jì)算方程相同，為圓筒壁的導(dǎo)熱方程，如式(3)所示[8]：

式中：Φ為通過(guò)圓筒壁面的熱流量，W；t1為內(nèi)壁溫度，℃；t2為外壁溫度，℃；r2為外壁半徑，m；r1為內(nèi)壁半徑，m；lc為保溫層長(zhǎng)度，m。

2.1.4 真空耐壓筒體到電池艙耐壓殼體內(nèi)壁面間的輻射傳熱

真空耐壓筒體與電池艙耐壓殼體內(nèi)壁面間采用抽真空的保溫方式。熱量主要以輻射傳熱為主，因此他們之間的凈熱量傳遞可用斯蒂芬-玻爾茲曼方程來(lái)計(jì)算：

式中：q為熱流率，W；ε為輻射率(黑度)；σ為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，約為 5.6×10－8W/(m2·K)；A1為輻射面 1的面積，m2；F12為由輻射面1到輻射面2的形狀系數(shù)；T1為輻射面1的絕對(duì)溫度，K；T2為輻射面2的絕對(duì)溫度，K。

2.1.5 電池組殼體外壁面到聚氨酯保溫層內(nèi)壁面間的空氣傳熱σ

電池組殼體外壁面與聚氨酯保溫層內(nèi)壁面間通過(guò)空氣進(jìn)行對(duì)流換熱，其計(jì)算方程如下所示：

式中：Φi為電池組殼體外壁與聚氨酯保溫層內(nèi)壁空氣對(duì)流換熱量，W；Ai為電池組換熱表面積，m2；hai為空氣對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；tmo為電池組殼體外壁面溫度，℃；tci為聚氨酯保溫層內(nèi)壁溫度，℃；λaε為空氣當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；di為聚氨酯保溫層內(nèi)徑，m；do為電池組模塊外徑，m。

2.2 材料信息

電池艙外層耐壓殼體材料為T(mén)C4鈦合金，真空耐壓殼體材料為304不銹鋼，保溫層材料為聚氨酯，電池為鋰/亞硫酰氯電池[9]，材料的熱力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 材料熱力學(xué)參數(shù)表

2.3 邊界條件

對(duì)內(nèi)部電池定義熱生成率，大小由式(1)計(jì)算，為2.148 8×10－6W/mm3；對(duì)與海水接觸的表面施加對(duì)流換熱邊界條件，可計(jì)算出對(duì)流換熱系數(shù)為2×10－4W/(mm2·℃)，海水環(huán)境溫度為4℃；對(duì)真空耐壓筒體外側(cè)設(shè)置輻射類(lèi)型為Surface to Surface，輻射率為0.35，環(huán)境溫度為4℃；對(duì)耐壓筒體內(nèi)側(cè)設(shè)置輻射類(lèi)型為Surface to Surface，輻射率為0.5，環(huán)境溫度為4℃。

2.4 溫度場(chǎng)仿真結(jié)果與分析

2.4.1 真空保溫層厚度的確定

利用ANSYS Workbench軟件分析了當(dāng)只采用真空保溫層進(jìn)行保溫時(shí)艙內(nèi)溫度的分布情況，計(jì)算了真空保溫層厚度為2和3 mm兩種情況下電池艙內(nèi)最高溫度隨放電時(shí)間的變化情況。計(jì)算結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 只采用2 mm真空層保溫時(shí)，電池艙溫度分布及隨放電時(shí)間變化曲線圖

圖3 只采用3 mm真空層保溫時(shí)，電池艙溫度分布及隨放電時(shí)間變化曲線圖

由圖2和圖3可得，當(dāng)只采用2 mm真空保溫層保溫時(shí)，電池艙內(nèi)最高溫度約為4.9℃，海水溫度為4℃，此時(shí)與外界海水溫度近似一致，基本起不到保溫作用；當(dāng)只采用3 mm真空保溫層保溫時(shí)，電池艙內(nèi)最高溫度約為43.3℃，已超過(guò)電池最適宜的工作溫度，因此真空保溫層厚度選用2 mm。

2.4.2 聚氨酯保溫層厚度的確定

為確定聚氨酯保溫層厚度，利用ANSYS Workbench軟件分別分析了在真空保溫層厚度為2 mm時(shí)，不同聚氨酯保溫層厚度下電池艙內(nèi)溫度的分布情況。對(duì)真空保溫層厚度2 mm，聚氨酯保溫層厚度2 mm；真空保溫層厚度2 mm，聚氨酯保溫層厚度3 mm；真空保溫層厚度2 mm，聚氨酯保溫層厚度5 mm以及真空保溫層2 mm，聚氨酯保溫層6 mm這4組不同的厚度組合進(jìn)行模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖4～圖7所示。

圖4 保溫層2 mm，真空層2 mm時(shí)電池艙溫度分布及隨放電時(shí)間變化曲線圖

圖5 保溫層3 mm，真空層2 mm時(shí)電池艙溫度分布及隨放電時(shí)間變化曲線圖

圖6 保溫層5 mm，真空層2 mm時(shí)電池艙溫度分布及隨放電時(shí)間變化曲線圖

圖7 保溫層6 mm，真空層2 mm時(shí)電池艙溫度分布及隨放電時(shí)間變化曲線圖

由圖4到圖7可知，當(dāng)用2 mm真空保溫層，2 mm聚氨酯保溫層保溫時(shí)，電池艙最高溫度約為4.9℃，而海水環(huán)境溫度為4℃，溫度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間約為6.8×103s，此時(shí)基本起不到保溫作用；當(dāng)聚氨酯保溫層厚度為3 mm，真空保溫層厚度為2 mm時(shí)，電池艙最高溫度為15℃，溫度開(kāi)始顯著提升，開(kāi)始能夠起到保溫的作用，同樣溫度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間開(kāi)始增加，溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的時(shí)間約為5×104s；隨著聚氨酯保溫層厚度的不斷增加，艙內(nèi)的溫度也開(kāi)始提升，溫度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也不斷增加，當(dāng)聚氨酯保溫層厚度為5 mm，真空保溫層厚度為2 mm時(shí)，艙內(nèi)最高溫度為21℃，溫度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間約為9×104s；當(dāng)聚氨酯保溫層厚度為6 mm，真空保溫層厚度為2 mm時(shí)，艙內(nèi)最高溫度為58℃，溫度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間為2×105s。

深海用勘測(cè)儀器設(shè)備供電電池的標(biāo)準(zhǔn)工作溫度范圍通常在20～40℃之間[10]，但電池工作溫度過(guò)高將影響電池使用壽命，安全性得不到保證；溫度過(guò)低又會(huì)影響電池放電量，無(wú)法滿足深海觀測(cè)儀器設(shè)備的正常工作周期，因此為保證電池工作溫度適宜，選用真空保溫層厚度2 mm，聚氨酯保溫層厚度5 mm的組合保溫方式進(jìn)行保溫。

3 總結(jié)

本文以深海觀測(cè)儀器設(shè)備供電電池艙保溫層厚度為研究對(duì)象，利用ANSYS Workbench軟件對(duì)不同保溫層厚度下電池艙溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)只用真空保溫層進(jìn)行保溫時(shí)，無(wú)法使艙內(nèi)溫度維持在鋰電池的正常工作溫度下，因此采用組合保溫的方式進(jìn)行保溫，對(duì)不同厚度組合進(jìn)行模擬，最終得到在保證鋰電池最佳工作溫度下的最優(yōu)厚度，并最終選擇真空層2 mm，保溫層5 mm的組合保溫方式進(jìn)行保溫。