儲能飛輪冷卻系統強制循環水冷換熱過程的二維溫度場分析

廖澤榮+吳新淼

摘 要 儲能飛輪冷卻系統是高儲能飛輪系統工程應用中的關鍵技術之一，通過采用循環水冷方式，建立傳熱學分析模型，利用ANSYS軟件對水冷散熱結構進行了二維溫度場計算及分析，結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，應合理選擇冷切水流量。

關鍵詞 溫度分布；二維溫度場；循環水冷；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

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

1 傳熱學分析模型的建立

儲能飛輪系統電機發熱主要來自電機定子損耗所產生的熱輻射，冷卻結構的設計為在下支座中嵌入冷卻水套，利用循環水冷方式帶走定子產生的熱量。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態溫度場的求解區域，電機定子各個軸向截面的結構模型相同，得到電機冷卻系統穩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，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。在電機的定子最內側處溫度最大約為48℃，且沿徑向由內向外溫度逐漸降低。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，從電機定子內側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，從定子內側到下支座外表面溫度逐漸降低，在靠近定子內側的位置溫度變化較小，對應溫度在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性能，還應分析不同水流量的時，冷卻系統的溫度變化情況，從而證明其二維截面上的溫度隨冷卻水流量的改變而產生的影響，為冷卻系統的設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%時相應的散熱系數變化值，再加載進行分析后得到其溫度分布規律，得到的結果如圖5～圖8所示。

圖5—圖8表明了當冷卻水的流量流速發生改變時，其截面上的溫度分布也相應的發生改變。當增大冷卻水流量時，其雷諾數也相對的增大，冷卻水套的散熱系數也逐漸變大，冷卻的效果隨之增大，冷卻流體更好地帶走了電機內熱量，冷卻系統內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，都在電機定子最內側，其最高溫度值也都在合理的溫升范圍內。把不同流體流速所對應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，在設計冷卻系統時，應當考慮這一因素，合理地調整冷卻水流量的大小。

4 結論

利用有限元方法對儲能飛輪強制水冷散熱系統水冷散熱結構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，得出不同工作環境下冷卻系統溫度場的分析結果。

參考文獻

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

[2]戴興建，于涵，李奕良.飛輪儲能系統充放電效率實驗研究[J].電工技術學報，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換控制系統設計與實驗研究[J].航天控制，2007，25（3）：91-96.