相變冷卻
關(guān)注創(chuàng)建者：流蘇kiwi 創(chuàng)建時(shí)間：2019-12-19
相變冷卻的實(shí)例教程
圖4 基于超擴(kuò)散增壓射流沸騰表面的相變冷卻性能及應(yīng)用。
END
★ 平臺(tái)聲明
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案例討論了不同的相變溫度對(duì)系統(tǒng)冷卻效果的影響，發(fā)現(xiàn)相變溫度不同，并不會(huì)影響系統(tǒng)最終的穩(wěn)定溫度；在相變溫度附近開(kāi)啟液冷系統(tǒng)輔助冷卻，冷能被相變材料吸收，系統(tǒng)溫度穩(wěn)定維持在相變溫度。</p><p><img src="https://img.jishulink.com/201910/imgs/84abe0f708e04222b72f0a3dbf6bad16.jpeg">四周相變材料，A、B方向有水冷管道</p><p><br></p><p>相變材料冷卻系統(tǒng)，對(duì)于鋰電池冷卻來(lái)說(shuō)，還是一種新的冷卻方式，研究案例不多，并且主要以仿真為主。相變材料，由于相變潛熱是物質(zhì)的天然屬性，想要有質(zhì)的提高，需要的周期比較長(zhǎng)。就目前的材料看，大功率鋰電池系統(tǒng)單獨(dú)使用相變冷卻，不太可能達(dá)到冷卻要求。但小功率系統(tǒng)，出于減小系統(tǒng)溫差，延長(zhǎng)電池壽命的目的，在原來(lái)自然冷卻的基礎(chǔ)上，應(yīng)用相變材料冷卻系統(tǒng)，效果會(huì)比較理想。</p><p><br></p><p><br></p><p>參考</p><p>1 靳鵬超，一種使用相變材料的新型電動(dòng)汽車電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)</p><p>2 尤若波，相變材料在動(dòng)力電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用研究</p><p>3 魏增輝，基于相變材料和液冷的LiFePO_4電池包熱管理研究</p><p>4 施尚，鋰電池相變材料_風(fēng)冷綜合熱管理系統(tǒng)溫升特性</p><p>5 鄧元望，混合動(dòng)力車用鋰電池相變材料_空氣耦合散熱</p><p>6 金標(biāo)，泡沫銅_石蠟復(fù)合相變材料的車用動(dòng)力鋰電池散熱分析</p><p>7 南爵，相變散熱在鋰離子電池?zé)峁芾碇械膽?yīng)用</p><p>8王子晨，泡沫鋁_石蠟復(fù)合相變材料蓄熱實(shí)驗(yàn)研究</p><p>（轉(zhuǎn)載：<a href="http://baijiahao.baidu.com/s?
展開(kāi) 但是其結(jié)構(gòu)緊湊、面對(duì)長(zhǎng)距離以及多點(diǎn)復(fù)雜的高熱流密度熱源的散熱現(xiàn)象，普通的測(cè)量設(shè)備很難精確的測(cè)量相變過(guò)程的溫度、速度等參數(shù)的變化；同時(shí)試驗(yàn)的周期較長(zhǎng)，費(fèi)用很高，導(dǎo)致研發(fā)周期和成本都急劇增加。
針對(duì)上述現(xiàn)象，用戶單位某物理研究所提出需要環(huán)路熱管相變換熱整體解決方案，幫助其在熱管的研發(fā)設(shè)計(jì)前期，用仿真替代一部分試驗(yàn)，縮短研發(fā)周期。
項(xiàng)目目標(biāo)
積鼎基于公司現(xiàn)有的VirtualFlow軟件，通過(guò)對(duì)兩相流動(dòng)的毛細(xì)力和沸騰換熱、冷凝換熱的研究，完善相關(guān)的求解算法和物性參數(shù)庫(kù)，形成熱管相變冷卻的整體解決方案。其可用于模擬吸液芯的毛細(xì)現(xiàn)象、蒸發(fā)管的沸騰、冷凝器的冷凝等復(fù)雜現(xiàn)象，解決熱管試驗(yàn)參數(shù)不易測(cè)量和試驗(yàn)成本高等問(wèn)題。
軟件可以對(duì)流體回路的部件及換熱器等進(jìn)行微觀的氣液兩相、單相、流固耦合等模擬仿真計(jì)算，提取所仿真的物理現(xiàn)象及趨勢(shì)，并能與理論計(jì)算比較驗(yàn)證。
2. 解決方案及優(yōu)勢(shì)
主要算法和計(jì)算流程
軟件具備在含有不凝性氣體的工質(zhì)中計(jì)算蒸發(fā)及冷凝相變的能力，適用于蒸發(fā)器、冷凝器等存在不凝性氣體的設(shè)備的相變計(jì)算。
采用該軟件進(jìn)行不凝性氣體凝結(jié)和蒸發(fā)相變數(shù)值模擬時(shí)，多相流模型均采用mixture模型，并啟用組分輸運(yùn)模型，分別求解連續(xù)方程、體積分?jǐn)?shù)方程、動(dòng)量方程、能量方程和組分?jǐn)U散方程，蒸發(fā)和冷凝過(guò)程中的相變通過(guò)UDF（User Define Function）在體積分?jǐn)?shù)方程、能量方程和組分輸運(yùn)方程中分別添加質(zhì)量源項(xiàng)、能量源項(xiàng)和相等的質(zhì)量源項(xiàng)實(shí)現(xiàn)。
本軟件提供組分輸運(yùn)模型，其為基于組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的輸運(yùn)方程解，可利用預(yù)先定義的蒸發(fā)及冷凝機(jī)制對(duì)蒸發(fā)及冷凝過(guò)程進(jìn)行模擬。在自研軟件中考慮到多組分的輸運(yùn)時(shí)，將混合氣體作為一個(gè)研究的整體，利用多組分模型可以很好地解決含有兩種或者兩種以上組分的系統(tǒng)。
展開(kāi) 3.5 主動(dòng)式液體冷卻加熱系統(tǒng)Active Liquid Cooling and Heating Systems
又稱液冷系統(tǒng)，利用冷卻液作為熱量交換載體控制分配動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常使用水泵和管道完成冷卻液在電池系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)，分為直接接觸式和間接接觸式兩種。冷卻液可以通過(guò)低溫散熱器冷卻加熱，也可以通過(guò)整車冷卻系統(tǒng)內(nèi)的冷卻器冷卻和加熱器加熱。該類系統(tǒng)通常適用于單體產(chǎn)熱量小于20W的電池。
3.6 制冷劑式冷卻系統(tǒng) Refrigerant Cooling Systems
又稱氣液相變冷卻系統(tǒng)，利用制冷劑作為熱量交換載體控制分配動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的間接接觸式系統(tǒng)，也可稱為冷媒直冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常與整車空調(diào)系統(tǒng)集成。該類系統(tǒng)通常適用于單體產(chǎn)熱量小于35W的電池。
3.7 相變材料系統(tǒng) Phase Change Materials Systems
又稱固體相變蓄熱系統(tǒng)，利用相變材料（通常為石蠟基或無(wú)機(jī)鹽基材料）在某個(gè)溫度下或溫度區(qū)間吸熱發(fā)生相變的特性，實(shí)現(xiàn)電池冷卻和保溫功能的被動(dòng)式相變系統(tǒng)。
3.8阻燃隔熱系統(tǒng) flame retardant thermal insulation system
利用特殊材料（通常為泡沫聚合物）實(shí)現(xiàn)單體電池間、模組間、電池包殼體內(nèi)或其他部位隔熱保溫和阻隔熱失控?cái)U(kuò)散作用的系統(tǒng)，此系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部件阻燃性能一般可以達(dá)到V0級(jí)別（GB/T 2408—2008），導(dǎo)熱系數(shù)≤0.06W/m.K（GB/T 10294-2008）且環(huán)保無(wú)鹵（IEC 61249-2-21）。
3.9 電池最高溫度 battery maximum temperature
動(dòng)力電池的電池管理系統(tǒng)上報(bào)的單體最高溫度。
展開(kāi) 3.5 主動(dòng)式液體冷卻加熱系統(tǒng) Active Liquid Cooling and Heating Systems
又稱液冷系統(tǒng)，利用冷卻液作為熱量交換載體控制分配動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常使用水泵和管道完成冷卻液在電池系統(tǒng)內(nèi)的流動(dòng)，分為直接接觸式和間接接觸式兩種。冷卻液可以通過(guò)低溫散熱器冷卻加熱，也可以通過(guò)整車冷卻系統(tǒng)內(nèi)的冷卻器冷卻和加熱器加熱。該類系統(tǒng)通常適用于單體產(chǎn)熱量小于20W的電池。
3.6 制冷劑式冷卻系統(tǒng) Refrigerant Cooling Systems
又稱氣液相變冷卻系統(tǒng)，利用制冷劑作為熱量交換載體控制分配動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部溫度的間接接觸式系統(tǒng)，也可稱為冷媒直冷系統(tǒng)。該系統(tǒng)通常與整車空調(diào)系統(tǒng)集成。該類系統(tǒng)通常適用于單體產(chǎn)熱量小于35W的電池。
3.7 相變材料系統(tǒng) Phase Change Materials Systems
又稱固體相變蓄熱系統(tǒng)，利用相變材料（通常為石蠟基或無(wú)機(jī)鹽基材料）在某個(gè)溫度下或溫度區(qū)間吸熱發(fā)生相變的特性，實(shí)現(xiàn)電池冷卻和保溫功能的被動(dòng)式相變系統(tǒng)。
3.8 阻燃隔熱系統(tǒng) flame retardant thermal insulation system
利用特殊材料（通常為泡沫聚合物）實(shí)現(xiàn)單體電池間、模組間、電池包殼體內(nèi)或其他部位隔熱保溫和阻隔熱失控?cái)U(kuò)散作用的系統(tǒng)，此系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)部件阻燃性能一般可以達(dá)到V0級(jí)別（GB/T 2408—2008），導(dǎo)熱系數(shù)≤0.06W/m.K（GB/T 10294-2008）且環(huán)保無(wú)鹵（IEC 61249-2-21）。
3.9 電池最高溫度 battery maximum temperature
動(dòng)力電池的電池管理系統(tǒng)上報(bào)的單體最高溫度。
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相變冷卻的最新內(nèi)容
在工藝端，保壓壓力和保壓時(shí)間是控制收縮的最主要手段，其本質(zhì)是通過(guò)持續(xù)的壓力傳遞，抵消因冷卻和相變帶來(lái)的體積收縮。模具溫度則通過(guò)影響結(jié)晶度和分子鏈松弛程度，間接控制著收縮的大小和均勻性。一個(gè)較高的模具溫度雖然可能因促進(jìn)結(jié)晶而增大收縮率，但往往能使收縮更均勻一致，減少各向異性和后結(jié)晶帶來(lái)的尺寸不穩(wěn)定性，這對(duì)于裝配要求嚴(yán)格的汽車塑料件和電子封裝外殼至關(guān)重要。
該方案通過(guò)對(duì)兩相流動(dòng)的毛細(xì)力和沸騰換熱、冷凝換熱的深入研究，完善了相關(guān)的求解算法和物性參數(shù)庫(kù)，形成了熱管相變冷卻的整體解決方案。
（一）強(qiáng)大的算法與計(jì)算流程
VirtualFlow軟件具備在含有不凝性氣體的工質(zhì)中計(jì)算蒸發(fā)及冷凝相變的能力，適用于蒸發(fā)器、冷凝器等設(shè)備的相變計(jì)算。
核能安全領(lǐng)域</strong></p><p>通過(guò)VirtualFlow分析反應(yīng)堆冷卻劑相變行為，結(jié)合Bubble-Pro監(jiān)測(cè)氣泡動(dòng)力學(xué)，能夠確保熱工水力設(shè)計(jì)的可靠性。在核電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過(guò)程中，準(zhǔn)確掌握冷卻劑的相變和氣泡動(dòng)力學(xué)情況對(duì)于保障核電站的安全至關(guān)重要。積鼎科技的解決方案為核能安全提供了有力保障。</p><p><strong>3.
目前市面上對(duì)于電池的冷卻形式多種多樣，按冷卻介質(zhì)不同主要可以分為風(fēng)冷冷卻、液冷冷卻、相變冷卻以及直冷冷卻。
其中直冷冷卻，又稱為制冷劑直接冷卻或冷媒直冷，可以將電池冷卻系統(tǒng)和汽車空調(diào)系統(tǒng)直接結(jié)合在一起，直接將制冷劑回路中的一個(gè)蒸發(fā)器用作電池的直冷板，可以有效降低系統(tǒng)復(fù)雜度，因而冷媒直冷是目前具有良好發(fā)展前景的冷卻方法，已逐步在市場(chǎng)一些量產(chǎn)產(chǎn)品上可以看到應(yīng)用。
目前市面上對(duì)于電池的冷卻形式多種多樣，按冷卻介質(zhì)不同主要可以分為風(fēng)冷冷卻、液冷冷卻、相變冷卻以及直冷冷卻。
其中直冷冷卻，又稱為制冷劑直接冷卻或冷媒直冷，可以將電池冷卻系統(tǒng)和汽車空調(diào)系統(tǒng)直接結(jié)合在一起，直接將制冷劑回路中的一個(gè)蒸發(fā)器用作電池的直冷板，可以有效降低系統(tǒng)復(fù)雜度，因而冷媒直冷是目前具有良好發(fā)展前景的冷卻方法，已逐步在市場(chǎng)一些量產(chǎn)產(chǎn)品上可以看到應(yīng)用。
項(xiàng)目目標(biāo)
積鼎基于公司現(xiàn)有的VirtualFlow軟件，通過(guò)對(duì)兩相流動(dòng)的毛細(xì)力和沸騰換熱、冷凝換熱的研究，完善相關(guān)的求解算法和物性參數(shù)庫(kù)，形成熱管相變冷卻的整體解決方案。其可用于模擬吸液芯的毛細(xì)現(xiàn)象、蒸發(fā)管的沸騰、冷凝器的冷凝等復(fù)雜現(xiàn)象，解決熱管試驗(yàn)參數(shù)不易測(cè)量和試驗(yàn)成本高等問(wèn)題。
微槽道熱管
典型應(yīng)用案例
航天器熱管相變冷卻
熱管相變傳熱的物理過(guò)程復(fù)雜，涉及兩相流動(dòng)、換熱、傳質(zhì)等現(xiàn)象，為時(shí)間與空間多尺度兩相流形態(tài)。軟件采用高效的Lee模型進(jìn)行蒸發(fā)、冷凝現(xiàn)象的計(jì)算，多相流模型采用均相模型，可以模擬相變熱管的熱傳遞全過(guò)程。
wx_fmt=png&from=appmsg"></p><p class="ql-align-center"><strong>微槽道熱管</strong></p><p><strong>典型應(yīng)用案例</strong></p><p>■ <strong>航天器熱管相變冷卻</strong></p><p>熱管相變傳熱的物理過(guò)程復(fù)雜，涉及兩相流動(dòng)、換熱、傳質(zhì)等現(xiàn)象，為時(shí)間與空間多尺度兩相流形態(tài)
作為新型冷卻方式，相變材料和熱管冷卻還處于研究和小規(guī)模應(yīng)用階段。本文介紹了車用鋰離子動(dòng)力電池風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的主要類型及特點(diǎn)，綜述了近幾年國(guó)內(nèi)外關(guān)于風(fēng)冷散熱系統(tǒng)的應(yīng)用及研究進(jìn)展。
對(duì)于導(dǎo)彈等應(yīng)用，相變材料的機(jī)載封裝可以吸收電子封裝釋放的熱量，而不需要專用的冷卻系統(tǒng)。相變材料吸收熱量并熔化。根據(jù)熱量和相變材料的質(zhì)量，冷卻效果將持續(xù)到所有材料熔化。相反的效果是，當(dāng)材料將潛熱釋放給周圍環(huán)境時(shí)，就會(huì)發(fā)生凍結(jié)。冷凍效應(yīng)的應(yīng)用可能出現(xiàn)在短時(shí)間在大氣層外飛行的導(dǎo)彈中，在重返大氣層之前，可能需要保護(hù)電子封裝免受太空的極端寒冷。
