復式靜壓箱結構參數(shù)對膜片特性影響的研究

田潤秋，張宏，孫怡濃，戰(zhàn)東毅，馬春帥

(1.大連理工大學機械工程學院，遼寧大連 116024；2.中核產(chǎn)業(yè)基金管理有限公司，北京 100044)

0 前言

制備鋰電池中的隔膜時，經(jīng)過萃取工序會沾上帶有二氯甲烷的液體。隔膜質量直接影響電池的界面結構、內阻、容量等，是電池內部安全性的主要保障[1]，提升隔膜的抗穿刺、自關斷、耐高溫等性能，有助于提高電池的安全性能和循環(huán)使用次數(shù)[2]。對隔膜進行干燥是保障產(chǎn)品質量的重要工序，對隔膜表面性能有重要影響。目前，成膜的光澤度和透明度差異是較大的質量問題[3]，而風場內部的均勻性以及干燥效果直接影響膜片的質量與性能，并且復式靜壓箱各結構參數(shù)直接影響干燥質量。合理設計復式靜壓箱各結構參數(shù)，對于提高薄膜的表面質量和力學性能以及指導現(xiàn)場生產(chǎn)有重要意義。

目前，國內外的一些學者對熱風干燥技術、靜壓箱效果影響因素以及干燥效果機制進行了相關研究。在干燥效果方面：劉衛(wèi)濤等[4-5]通過在隧道式干燥設備內干燥紙漿，探討了熱風溫度、熱風速度和紙張厚度對紙漿干燥過程的影響。徐景端和李英葆[6-7]提出導流板、均壓孔板、截面異形、噴口調節(jié)板等是能提高出風均勻性的結構措施。在靜壓箱方面：英國的JANGAM等[8]通過試驗和進行三維流場仿真的辦法分析靜壓箱，發(fā)現(xiàn)預分布器距主靜壓箱體的距離和鮑爾環(huán)填充都會影響氣流均勻性。德國MIREK等[9]發(fā)現(xiàn)箱體結構不對稱會在流化床內生成死區(qū)并造成送風不均，通過在各送風通道之間設置擋板并裝置帶有可變直徑孔的隔板可有效改善這一現(xiàn)象。ZHANG等[10]提出了一款帶漸擴型孔板的靜壓箱機組設計，對送風量進行預設，實現(xiàn)平衡風速以及節(jié)能的效果。但是上述研究應用在生產(chǎn)過程中仍然出現(xiàn)靜壓箱出風均勻性波動較大的情況。

本文作者在前人研究的基礎上，使用數(shù)值模擬研究復式靜壓箱內部流場分布，通過試驗研究，驗證數(shù)值模型的準確性；在此基礎上，利用數(shù)值模擬的方法分析復式靜壓箱各結構單因素對出口速度均勻性的影響規(guī)律，并對靜壓箱進行結構優(yōu)化，得到復式靜壓箱結構設計的最優(yōu)方案。

1 計算模型

1.1 物理模型及結構參數(shù)

干燥房內部結構如圖1所示，因此，對膜片干燥過程的分析以及對復式靜壓箱各結構參數(shù)的調整及控制，就顯得尤為重要。

圖1 干燥房內部復式靜壓箱工作示意

此研究所采用的模型為復式靜壓箱，其裝配體由一次靜壓箱及二次靜壓箱構成，如圖2所示。一次靜壓箱截面設置為矩形，干燥熱風通過送風管道進入一次靜壓箱，經(jīng)過靜壓后從一次靜壓孔板進入二次靜壓箱，經(jīng)過二次靜壓后由二次靜壓孔板排出，吹至膜片表面。其中，一次靜壓箱的尺寸為400 mm×400 mm×3 800 mm，二次靜壓箱的尺寸為400 mm×100 mm×3 800 mm。

圖2 復式靜壓箱模型

1.2 流體流動方程及傳熱控制方程

在生產(chǎn)線中，熱風吹到膜片上干燥的過程是穩(wěn)定狀態(tài)時，外部環(huán)境參數(shù)也趨近于穩(wěn)定，復式靜壓箱與膜片的溫度場僅在很小的范圍內周期性波動，此時可以認為復式靜壓箱、膜片和內部熱風的干燥過程是穩(wěn)態(tài)傳熱。流體流動滿足質量守恒、動量守恒以及能量守恒定律，F(xiàn)luent 的仿真過程可以視為在連續(xù)性方程、能量守恒方程、動量守恒方程控制下的流體流動過程的數(shù)值模擬[11-12]。

在復式靜壓箱三維的穩(wěn)態(tài)傳熱過程中，整個干燥過程達到解決任何流動問題的首要條件就是流動需要遵循質量守恒定律。質量守恒定律具體指在任意時間間隔內，流入流體單元內的質量應該恒等于這一時間間隔內從該單元流出的液體質量。根據(jù)質量守恒定律可得質量守恒方程，又稱連續(xù)性方程[13]，表達形式如(1)所示：

(1)

式中：u、v、w分別為流體速度矢量在x、y、z方向的分量；ρ為流體密度；t為時間。

根據(jù)熱力學第一定律：熱力系內物質的能量可以傳遞，其形式可以轉換，在轉換和傳遞過程中各種形式能源的總量保持不變。

其能量守恒方程[14]如式(2)所示：

(2)

式中：Cp為比熱容；T為熱力學溫度；k為流體傳熱系數(shù)；ST為流體的內熱源。

選擇合適的湍流模型對復式靜壓箱數(shù)值模擬結果的準確性至關重要[15]。熱風在復式靜壓箱中以湍流的方式運動，選用Standardκ-ε湍流模型，此模型對于壁面邊界層、自由剪切流、低雷諾數(shù)流動有較好的適應性，對風場模擬、混合層流動等有較好的預測，使得文中仿真模擬數(shù)據(jù)更加接近真實值，有良好的實際指導意義。

1.3 網(wǎng)格模型與無關性驗證

經(jīng)過對多種劃分方法進行大量試驗后發(fā)現(xiàn)，在保證網(wǎng)格質量與計算精度前提下，為保證所劃分的網(wǎng)格具有較高的質量、確保數(shù)值計算的速度和精度，劃分網(wǎng)格時將裝配體模型分割成幾個規(guī)則的子塊，分別對一次靜壓箱、二次靜壓箱和外部空間 3個模塊進行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。整體用多面體網(wǎng)格劃分，其中，二次靜壓箱作為關鍵的研究部分，對它進行了適量的網(wǎng)格加密，得到網(wǎng)格單元數(shù)為1 809 524，節(jié)點數(shù)為3 597 549，平均畸變度為0.204，網(wǎng)格質量較好。

圖3 網(wǎng)格劃分

對劃分好的網(wǎng)格進行簡化并做網(wǎng)格無關性驗證，簡化后的網(wǎng)格單元數(shù)為442 737，是原網(wǎng)格的0.24；節(jié)點數(shù)為1 396 634，是原網(wǎng)格的0.38；平均扭曲度為0.22，稍差于原網(wǎng)格，但它低于0.25，仍處于質量良好范圍。通過仿真計算可得兩者風速曲線相似度極高，為減少計算時間和計算資源，簡化網(wǎng)格進行數(shù)值計算。

1.4 邊界條件及參數(shù)設置

根據(jù)工程實際需求，復式靜壓箱入口采用的邊界條件為速度入口，速度為2.64 m/s，溫度為323.15 K，出口邊界條件為壓力出口，出口壓力為標準大氣壓，膜片初始溫度為300 K。

在軟件中，采用穩(wěn)態(tài)計算方式，考慮到介質為空氣，與SIMPLE、SIMPLEC、PISO相比較，壓力速度耦合采用更加穩(wěn)定精確的Coupled算法，壓力插值法選擇Standard格式，湍動能和湍流耗散率的離散格式均取二階迎風格式。

2 計算結果分析

2.1 復式靜壓箱干燥過程的風速分析

運用上述CFD方法對復式靜壓箱進行數(shù)值模擬仿真研究。在圖4及圖5中，氣體分別從左進口和右進口同時進入靜壓箱。一次靜壓箱中心區(qū)域遠離入口，速度明顯降低，且速度方向從水平方向開始向豎直方向過渡。膜片表面受到的干燥熱風呈現(xiàn)兩邊高、中間低，并且中間處速度波動較大。氣體方向基本上以豎直方向為主，孔板內流動可以理解為氣體以一定速度進入二次靜壓箱，如果孔板厚度足夠厚，那么氣體經(jīng)過一定長度后其速度方向將改變?yōu)檠刂鴪A孔的軸線方向(圖4所示Z方向)，有利于氣體在二次靜壓箱結構中以垂直于出口平面的速度方向膜片進一步均勻發(fā)展，從而提高出口處速度均勻性。

圖4 復式靜壓箱干燥過程X平面風速場云圖

圖5 復式靜壓箱干燥過程輥筒母線速度曲線

但是由于孔板質量和經(jīng)濟性制約，厚度不能太大，故氣體很難在孔板內有充分的距離調整方向，改變氣流方向的作用不能完全體現(xiàn)出來。所以在理論模擬中將探究孔板的最小厚度轉變?yōu)榭卓谝L管長度，既能滿足改變氣流方向的作用，又能滿足工程實際要求。

2.2 單因素數(shù)值模擬

在上述輥筒母線兩端各去除200 mm長度的數(shù)據(jù)點(考慮切邊工藝)，在每條線剩余部分上均勻地取100個點，記錄其溫度值，計算出的CV和CT分別表示達到穩(wěn)態(tài)后膜片表面的速度均勻性及溫度均勻性。

在相同入口速度或相同射流雷諾數(shù)條件下，不同結構下膜片的表面換熱系數(shù)h存在差異。為量化各結構的風速均勻性和溫度均勻性表現(xiàn)，定義其離散程度如下：

(3)

式中：σV為速度的標準差；μV為速度的平均值。CV值越小對應的均勻性越好。

(4)

式中：σT為溫度的標準差；μT為溫度的平均值。CT值越小對應的均勻性越好。

為研究復式靜壓箱中二次靜壓箱高度Y對膜片干燥效果的影響，分別在Y=80、90、100、110、120 mm的條件下對復式靜壓箱進行數(shù)值模擬。圖6為速度均勻性和溫度均勻性隨二次靜壓箱高度變化曲線。可知：速度均勻性及溫度均勻性都隨著高度的增大呈現(xiàn)更均勻的趨勢，速度均勻性表現(xiàn)雖然更好，卻不明顯，在二次靜壓箱高度為80～100 mm左右溫度變化較明顯。這是因為二次靜壓箱在一次靜壓箱的基礎上再一次對熱風進行了靜壓，將動能轉化成壓能，使均一性更好。

圖6 速度均勻性(a)和溫度均勻性(b)隨二次靜壓箱高度變化曲線

為研究靜壓箱寬度H對膜片干燥效果的影響，分別在H=360、380、400、420、440 mm的條件下對復式靜壓箱進行數(shù)值模擬。圖7為速度均勻性和溫度均勻性隨風量變化曲線。可知：隨著靜壓箱寬度的增大，風速均勻性明顯變好，溫度均勻性變差，但是其值變化很小。這是因為隨著靜壓箱寬度的增大，靜壓箱內部流道橫截面積增大，靜壓箱內部流速變慢，形成了更好的靜壓效果，所以膜片風速均勻性明顯提高。

圖7 速度均勻性(a)和溫度均勻性(b)隨靜壓箱寬度變化曲線

為研究引風管長度L對膜片干燥效果的影響，分別在L=4、6、8、10、12 mm的條件下對復式靜壓箱進行數(shù)值模擬。圖8所示為速度均勻性和溫度均勻性隨引風管長度變化曲線。可知：速度均勻性在引風管長度為8 mm時表現(xiàn)最好；溫度均勻性隨著引風管長度的增大呈現(xiàn)更均勻的趨勢，溫度均勻性表現(xiàn)雖然更好，卻不明顯，在引風管長度為8 mm左右溫度變化較明顯。這是因為增加了引風管，給了靜壓箱內部風出口一個緩沖的區(qū)域，使得風速更加均勻，但是引風管長度不能一直增長，在8 mm左右表現(xiàn)最佳。

圖8 速度均勻性(a)和溫度均勻性(b)隨引風管長度變化曲線

為研究孔板錯位距離Δs對膜片干燥效果的影響，分別在Δs=0、16、32、48、65 mm的條件下對復式靜壓箱進行數(shù)值模擬。圖9所示為速度均勻性和溫度均勻性隨孔板錯位距離變化曲線。可知：速度均勻性在錯位距離為32 mm時表現(xiàn)最好。溫度均勻性都隨著引風管長度的增大呈現(xiàn)更不均勻的趨勢；這是因為上下孔口有錯位距離，在熱風通過第一層孔板時有一個角度，并不是垂直于孔板，在錯位距離為32 mm時，風速均勻性更好，說明這個位置更加靠近吹出一次靜壓箱后的角度。

圖9 速度均勻性(a)和溫度均勻性(b)隨孔板錯位距離變化曲線

2.3 多因素正交設計仿真

利用 Design-Expert 10.0 軟件，對靜壓箱寬度、引風管長度和二次孔板與一次孔板錯位距離3個因素進行了分析及結構優(yōu)化。選取距離復式靜壓箱300 mm處(膜片母線)、X方向的一條直線處的平均風度及溫差方差作為優(yōu)化目標，建立正交試驗表對靜壓箱干燥效果進行數(shù)值模擬。因素水平設計如表1 所示，仿真試驗結果如表2所示。

表1 因素與水平設計

表2 正交設計仿真結果

根據(jù)數(shù)據(jù)樣本，得到溫度均勻性和速度均勻性的二次回歸模型：

CV=0.47-0.01H-0.013L+0.015HL+0.027HΔs-

0.003 67LΔs-0.02H2-0.013L2+0.046Δs2

(5)

CT=0.002 25-0.000 012 4H-0.000 399L-

0.000 178Δs-0.000 134HL-0.000 048 4HΔs+

0.000 197LΔs+0.000 131H2+0.000 206L2-0.000 17Δs2

(6)

式中：H為靜壓箱寬度；L為引風管長度；Δs為二次孔板與一次孔板錯位距離；CV為速度均勻性；CT為溫度均勻性。兩模型的決定系數(shù)R2與校正決定系數(shù)分別為 0.895 6、0.949 3，均接近1；變異系數(shù)與精密度分別為3.48%和6.02%、8.473和14.007，說明2個擬合回歸模型具有較高的可靠性。

考慮到靜壓箱在實際生產(chǎn)的情況，針對回歸模型，運用Design-Export 10.0軟件中的 Optimization 功能，以速度均勻性及溫度均勻性最好為條件，求解回歸模型得到均勻性最優(yōu)結構參數(shù)為：靜壓箱寬度為473.113 mm，引風管長度為16.229 mm，二次孔板與一次孔板錯位距離為0 mm。此時優(yōu)化后的溫度均勻性為0.001 91，風速均勻性為0.416 9，優(yōu)化后的溫度均勻性值與風速均勻性值較最初值(溫度均勻性0.002 59，風速均勻性0.501 9)分別降低了0.000 68(26%)和0.085(17%)。

2.4 交互響應面分析

根據(jù)回歸模型結果，利用Design-Expert 10.0進行各個因素交互響應面的繪制。靜壓箱寬度與引風管長度、靜壓箱寬度與二次孔板與一次孔板錯位距離、引風管長度與二次孔板與一次孔板錯位距離對膜片表面溫度均勻性的交互響應面如圖10所示。當靜壓箱寬度增大時，溫度均勻性值呈先減小后增大的趨勢；當引風管長度和開孔錯位距離增大時，溫度均勻性值都減小。靜壓箱寬度與引風管長度、靜壓箱寬度與二次孔板與一次孔板錯位距離、引風管長度與二次孔板與一次孔板錯位距離對膜片表面速度均勻性的交互響應面如圖11所示。當靜壓箱寬度增大時，速度均勻性值呈先增大后減小的趨勢；當引風管長度增大時，速度均勻性值增大；開孔錯位距離增大時，速度均勻性值呈先減小后增大的趨勢。

圖10 溫度均勻性的交互響應面

圖11 速度均勻性的交互響應面

3 結論

(1)通過數(shù)值模擬仿真分析可知，在干燥熱風進入靜壓箱干燥膜片的過程中，在膜片的母線方向上，風速場呈現(xiàn)出中間低兩端高且中心位置風速波動較大的現(xiàn)象；

(2)通過單因素仿真試驗可知：膜片表面的風速均勻性隨著二次靜壓箱高度和靜壓箱寬度的增大呈現(xiàn)更加均勻的趨勢，隨著引風管長度和不同孔板錯位距離的增大呈現(xiàn)先均勻后紊亂的趨勢。除此之外，膜片表面的溫度均勻性隨著二次靜壓箱高度和引風管長度的增大呈現(xiàn)更加均勻的趨勢，隨著靜壓箱寬度和不同孔板錯位距離的增大呈現(xiàn)逐漸紊亂的趨勢；

(3)通過對靜壓箱寬度、引風管長度、二次孔板與一次孔板錯位距離的正交設計仿真，以速度均勻性及溫度均勻性最好作為優(yōu)化參數(shù)指標，建立回歸模型，求解并圓整后得到最優(yōu)參數(shù)組合為：靜壓箱寬度 為473 mm、引風管長度為 16 mm、二次孔板與一次孔板錯位距離為0 mm。此時優(yōu)化后的溫度均勻性為0.001 91，風速均勻性為0.416 9，優(yōu)化后的溫度均勻性值與風速均勻性值較最初值分別降低了26%和17%。

綜上所述，文中在普通靜壓箱的基礎上提出了復式靜壓箱的結構，并且結合工程實際應用，針對復式靜壓箱的結構參數(shù)進行仿真驗證及優(yōu)化設計，提高了干燥房內部干燥熱風的速度均勻性和溫度均勻性，為接下來的產(chǎn)線設計提供了理論基礎。