張 晶

（常州大學(xué)機(jī)械與軌道交通學(xué)院，江蘇 常州 213164）

0 引言

近幾年在國(guó)家政策和市場(chǎng)需求引導(dǎo)下，我國(guó)鋰電池行業(yè)急速擴(kuò)張，負(fù)極材料是決定于鋰電池能量密度的關(guān)鍵材料，相應(yīng)產(chǎn)能也得到急速發(fā)展[1]。包覆造粒是負(fù)極材料生產(chǎn)過(guò)程中最為關(guān)鍵的核心工序之一，直接決定著鋰電池性能的好壞，作為其專(zhuān)用設(shè)備，高溫包覆釜在鋰電行業(yè)廣泛應(yīng)用[2]。包覆造粒即在高溫環(huán)境下將針狀焦和瀝青、石油焦和瀝青充分混合、包覆，高溫、高粘的工作環(huán)境對(duì)包覆釜的生產(chǎn)制造提出了較高的要求[3]?；旌习残Ч睢囟瓤刂撇环€(wěn)定、密封效果不理想、釜內(nèi)壁粘附物多、排料困難等問(wèn)題一直是相關(guān)行業(yè)發(fā)展的技術(shù)難題。針對(duì)自主研發(fā)的某高溫包覆釜，以典型的石墨為加熱對(duì)象，對(duì)包覆釜進(jìn)行多相流數(shù)值模擬，探求其中物料的運(yùn)動(dòng)特征和加熱升溫特性，尋找各操作參數(shù)對(duì)于高溫包覆釜內(nèi)流場(chǎng)，溫度場(chǎng)和相關(guān)參數(shù)的影響，為適當(dāng)選擇操作參數(shù)和以后的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)奠定基礎(chǔ)。

1 高溫包覆釜結(jié)構(gòu)

高溫包覆釜主要由釜體結(jié)構(gòu)、電加熱爐、密封系統(tǒng)、進(jìn)料口、出料口等組成，如圖1 所示。

圖1 高溫包覆釜內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

高溫包覆釜的釜體結(jié)構(gòu)的外部包覆有電加熱爐，上部設(shè)置有進(jìn)料口，底部設(shè)置有出料口，釜體內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括上部入料位置、中部圓柱形攪拌位置、下部收口位置、底部出料位置，釜體結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔中心軸位置設(shè)置有攪拌軸，攪拌軸的頂部連接有電機(jī)的輸出軸，釜體結(jié)構(gòu)的內(nèi)腔部分固裝有上封頭刮刀組件，封頭刮刀組件的刮刀沿著內(nèi)壁的形狀布置，攪拌軸上固裝有雙螺帶攪拌器，雙螺帶攪拌器包括內(nèi)螺旋、外螺旋，外螺旋順著螺旋方向設(shè)置有間隔布置的外刮板，內(nèi)螺旋對(duì)應(yīng)于所述中部圓柱形攪拌位置的部位順著螺旋方向設(shè)置有間隔布置的推板。

2 有限元模擬

2.1 幾何模型創(chuàng)建

先采用Solidworks 建模，然后導(dǎo)入到ANSYS 的SpaceClaim 模塊進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，再用Fluent-Mehsing 模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分。根據(jù)實(shí)物模型進(jìn)行1∶1建模，建模結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 高溫包覆釜結(jié)構(gòu)圖

2.2 網(wǎng)格劃分

本結(jié)構(gòu)采用非結(jié)構(gòu)化多面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格數(shù)量在96 萬(wàn)左右。為了獲得更加準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，槳葉附近采用局部加密的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2.3 邊界條件與模擬參數(shù)設(shè)置

高溫包覆釜內(nèi)流體區(qū)域采用MRF 法分為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)域包括攪拌軸、攪拌槳極其表面附近流體區(qū)和靜止區(qū)域?yàn)槌\(yùn)動(dòng)區(qū)域以外的流體區(qū)域。兩個(gè)相互運(yùn)動(dòng)區(qū)域的交界面設(shè)置為interface；攪拌槳葉的轉(zhuǎn)速相對(duì)于運(yùn)動(dòng)區(qū)域?yàn)?，設(shè)置為動(dòng)壁面，攪拌槽壁面設(shè)置為靜壁面，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型，壓力與速度的耦合采用SIMPLEC 算法[4]。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 高溫包覆釜內(nèi)物料攪拌及升溫過(guò)程的數(shù)值模擬

由于在實(shí)際工作狀態(tài)下，高溫?cái)嚢韪诠ぷ鲿r(shí)，進(jìn)料口和出料口均處于封閉狀態(tài)，裝填系數(shù)在0.6～0.65 左右，因此在數(shù)值模擬過(guò)程中，初始條件設(shè)置液高為0.896 m，上方為空氣，進(jìn)口和出口均封住，高溫釜壁面邊界條件設(shè)置為wall，其溫度保持常溫650 ℃。

（1）高溫釜內(nèi)部物料流場(chǎng)特性分析

在第一個(gè)工況中將槳葉的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為15 r/min，觀察高溫釜內(nèi)部物料的分布特性及升溫速率。對(duì)該算例進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算設(shè)置，在不同時(shí)刻所獲得高溫釜內(nèi)部物料的體積分?jǐn)?shù)分布隨時(shí)間的變化如圖3 所示。

圖3 Z=0mm 橫截面物料體積分?jǐn)?shù)分布云圖

在初始階段，物料分布在高溫釜的下半段，物料所占體積為高溫釜的60%；由圖3 高溫釜內(nèi)橫截面上物料體積分?jǐn)?shù)分布云圖可知，當(dāng)攪拌時(shí)間為10 s 時(shí)，由于槳葉的攪拌作用，物料被槳葉帶動(dòng)，物料開(kāi)始向上方運(yùn)動(dòng)并與上方空氣發(fā)生摻混；當(dāng)攪拌時(shí)間為270 s時(shí)，由于重力的作用，在高溫釜底部有少量物料貼近壁面未被攪拌槳葉帶動(dòng)，而其他位置處的物料在高溫釜內(nèi)分布較為均勻。

（2）物料動(dòng)態(tài)升溫過(guò)程分析

高溫釜的主要作用是為了使物料加熱后充分反應(yīng)，因此圖4 給出了不同時(shí)刻物料的溫度分布情況。

圖4 Z=0mm 橫截面物料溫度分布云圖

由圖可知，由于物料石墨的導(dǎo)熱性能較好，其溫度升高的速度很快，當(dāng)攪拌時(shí)間為10 s 時(shí)，物料的溫度已經(jīng)由初始時(shí)刻的300 K 升高至400 K，物料溫度在10 s 內(nèi)升高了100 K；當(dāng)攪拌時(shí)間為270 s 時(shí)，全部物料的溫度已經(jīng)升高至923 K（650 ℃）。因此，可以得出，當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為15 r/min 時(shí)，當(dāng)攪拌時(shí)間為4.5 min時(shí)，物料的溫度已經(jīng)穩(wěn)定在650 ℃，達(dá)到了預(yù)設(shè)溫度。

3.2 攪拌速率對(duì)物料升溫速率的影響規(guī)律數(shù)值模擬

在實(shí)際操作過(guò)程中，攪拌槳葉的轉(zhuǎn)速設(shè)置為0～23 r/min，轉(zhuǎn)速的設(shè)置對(duì)于物料的溫度升高和包覆過(guò)程的影響至關(guān)重要，因此，對(duì)轉(zhuǎn)速對(duì)物料的流場(chǎng)及升溫過(guò)程的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。選取4 個(gè)不同的工況，設(shè)置其轉(zhuǎn)速分別為10 r/min，23 r/min 和30 r/min，中間取23 r/min 的值原因是實(shí)際應(yīng)用中取23 r/min 為最大轉(zhuǎn)速。

不同轉(zhuǎn)速條件下Z= 0 截面上物料的速度分布云圖，如圖5 所示。比較速度分布云圖可知，隨著攪拌轉(zhuǎn)速?gòu)?0 r/min 增大到30 r/min，異型槳葉在攪拌過(guò)程中的轉(zhuǎn)速不斷增大，輸出機(jī)械能不斷增大，高溫釜內(nèi)物料的動(dòng)能也在不斷增大，即流場(chǎng)內(nèi)流體的速度不斷增大。由圖5 可知，由于槳葉攪拌過(guò)程為非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，因此不同截圖所獲得的速度分布并不完全能一致，但是由圖5（a）-（c）均可看出，攪拌釜中心處物料的速度較小，而槳葉附近物料的速度分布較大，這是由于中心處的物料并未與槳葉直接接觸，其流動(dòng)不是由槳葉直接帶動(dòng)的，而是由附近物料帶動(dòng)的，而槳葉附近的物料直接由槳葉帶動(dòng)，因此槳葉附近物料的速度分布更大。

圖5 高溫釜內(nèi)Z=0mm 橫截面物料速度分布云圖

高溫釜的主要作用是為了使物料加熱后充分反應(yīng)，因此圖6 給出了不同轉(zhuǎn)速條件下高溫釜內(nèi)物料升溫至預(yù)設(shè)溫度所需要的時(shí)間分布，其中以攪拌速率為15 r/min 時(shí)所需要的時(shí)間為基準(zhǔn)時(shí)間t0，不同工況下物料升溫所需要的無(wú)量綱時(shí)間為τ = t/t0。

圖6 不同轉(zhuǎn)速條件下物料升溫所需時(shí)間

由圖6 可知，隨著槳葉轉(zhuǎn)速的增加，高溫釜內(nèi)物料運(yùn)動(dòng)速度加快，因此物料與高溫壁面的接觸更加充分，壁面與物料內(nèi)部的熱量傳遞過(guò)程也因此加快，使得物料溫度升高至預(yù)設(shè)溫度所需時(shí)間逐漸降低。

4 結(jié)論

通過(guò)流場(chǎng)的模擬，可以得到以下結(jié)論：

（1）由于重力的作用，在高溫釜底部有少量物料貼近壁面未被攪拌槳葉帶動(dòng)，而其他位置處的物料在高溫釜內(nèi)分布較為均勻。

（2）物料速度較大的位置主要集中在槳葉附近，這是因?yàn)闃~的轉(zhuǎn)動(dòng)攜帶周?chē)黧w運(yùn)動(dòng)。

（3）本數(shù)值模擬采用的物料為石墨，其導(dǎo)熱性能非常良好，因此當(dāng)攪拌時(shí)間僅為幾分鐘時(shí)，物料的溫度已經(jīng)穩(wěn)定在650 ℃，達(dá)到了預(yù)設(shè)溫度。

（4）隨著異型槳葉轉(zhuǎn)速的增加，物料的運(yùn)動(dòng)速度和流場(chǎng)內(nèi)湍流強(qiáng)度均逐漸增大，物料溫度升高至預(yù)設(shè)溫度所需時(shí)間逐漸減少。