何子偉, 羅馬吉, 涂正凱

(1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 430070, 武漢; 2.武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 430070, 武漢; 3.武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 430070, 武漢)

等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)噴水量研究

何子偉1,2, 羅馬吉1,2, 涂正凱3

(1.武漢理工大學(xué)現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 430070, 武漢; 2.武漢理工大學(xué)汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心, 430070, 武漢; 3.武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 430070, 武漢)

為了揭示等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中不同參數(shù)對(duì)噴水量的影響,提出了利用多變指數(shù)接近1的多變壓縮來(lái)研究近等溫壓縮,將壓縮終態(tài)的氣態(tài)水、液態(tài)水、空氣視為理想混合物,分析了壓縮能量的分布狀況,并運(yùn)用飽和水蒸氣分壓公式、道爾頓分壓定律和組分熱力學(xué)參數(shù),研究了不同狀態(tài)參數(shù)下所需噴水量。研究表明,適當(dāng)增大壓比或降低終溫(噴水量增大)可使得傳熱量比例增大,當(dāng)壓比為10、轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí),噴水量由5.73 kg/s提高至8.68 kg/s,傳熱量比例提高了5%;壓比、傳熱效率、終溫均對(duì)空氣與水質(zhì)量之比有影響;其他條件一定時(shí),轉(zhuǎn)速對(duì)空氣與水質(zhì)量之比沒有影響,當(dāng)壓比為10,傳熱效率為95%,終溫為50 ℃,轉(zhuǎn)速分別為60、100、150 r/min時(shí),空氣與水質(zhì)量之比均為0.86;較低壓強(qiáng)(壓比小于10)不利水儲(chǔ)熱的進(jìn)行。

壓縮空氣儲(chǔ)能;等溫壓縮;儲(chǔ)熱;飽和水蒸氣分壓

近年來(lái),電力的生產(chǎn)量和消耗量在世界范圍內(nèi)呈持續(xù)增長(zhǎng)狀態(tài),越來(lái)越多的國(guó)家都采取了鼓勵(lì)可再生能源(風(fēng)能、太陽(yáng)能等)的政策和措施,可再生能源發(fā)電發(fā)展迅猛。但是,由于缺乏配套的大規(guī)模電力儲(chǔ)能系統(tǒng),使得當(dāng)前“棄風(fēng)”“棄光”現(xiàn)象嚴(yán)重,導(dǎo)致可再生能源利用率長(zhǎng)期處于低水平。中國(guó)作為世界上能源大國(guó)之一,新能源發(fā)電增長(zhǎng)迅速,截至2015年底,我國(guó)風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到170 GW,位居世界第一[1],但“棄風(fēng)”問題非常嚴(yán)峻。數(shù)據(jù)顯示,2011—2015年中國(guó)棄風(fēng)電量累計(jì)損失達(dá)到959億kW/h,全國(guó)5年的平均棄風(fēng)率為13.4%,電費(fèi)損失累計(jì)約518億元[2]。大規(guī)模電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展將有效提高可再生能源發(fā)電高利用率,并能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的“削峰填谷”。

壓縮空氣儲(chǔ)能(CAES)作為最具發(fā)展?jié)摿Φ膬?chǔ)能方式擁有諸多優(yōu)勢(shì),如儲(chǔ)能級(jí)別高、轉(zhuǎn)換效率高、無(wú)地理因素限制(儲(chǔ)氣罐替代儲(chǔ)氣洞穴的CAES)、無(wú)資源約束(工作介質(zhì)為空氣)等。目前,國(guó)外已有兩座運(yùn)營(yíng)的壓縮空氣儲(chǔ)能電站,分別為德國(guó)Huntorf電站(1978,321 MW,642 MW/h,η=42%)和美國(guó)McIntosh電站(1991,110 MW,2 860 MW/h,η=54%);其他的示范項(xiàng)目包括歐洲的Adele(90 MW)和美國(guó)的Sustain X(1.5 MW)項(xiàng)目都在建設(shè)中。國(guó)內(nèi)的壓縮空氣儲(chǔ)能研究主要包括中科院工程熱物理研究所建設(shè)的先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能示范系統(tǒng)(10 MW)和清華大學(xué)建設(shè)的TICC-500(0.5 MW)[3-6]。

等溫壓縮空氣儲(chǔ)能(I(isothermal)-CAES)作為CAES中轉(zhuǎn)換效率最高的儲(chǔ)能類型,目前處于研究和示范過程中。早期,Coney等人開發(fā)了一種新型的等溫壓縮機(jī),并進(jìn)行了理論和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,其中等溫壓縮是通過改裝后的船用柴油機(jī)氣缸內(nèi)部的噴嘴噴射大量的水來(lái)實(shí)現(xiàn),在壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到380 r/min時(shí),壓縮空氣的溫度始終保持在100 ℃以下[7]。Ven等人提出了液體活塞概念,液體活塞中的液體柱位于活塞以上的氣體壓縮室,研究表明通過增加水的比表面積(面積/體積)增加了傳熱效率,這使得壓縮空氣的溫度大大降低,壓縮功降低,壓縮效率提升[8]。Qin等人將噴射水霧和液體活塞相結(jié)合,仿真在低轉(zhuǎn)速60 r/min下進(jìn)行,并考慮了液滴尺寸、液滴總注入量和噴射方法(預(yù)混噴射和直接噴射)的影響,研究表明減小液滴尺寸使得傳熱有更大的總表面積,液滴最優(yōu)尺寸20 μm更接近于等溫效果且直接噴射水霧效果更好[9]。LightSail Energy公司運(yùn)用噴射水霧方法來(lái)實(shí)現(xiàn)等溫壓縮[10],Sustain X公司運(yùn)用預(yù)混合水泡沫來(lái)實(shí)現(xiàn)等溫壓縮[11],二者都是通過增大傳熱介質(zhì)的比表面積來(lái)實(shí)現(xiàn)等溫壓縮。目前有關(guān)等溫壓縮空氣儲(chǔ)能的研究都集中在不同實(shí)現(xiàn)方法理論和模型驗(yàn)證,本文提出了利用多變指數(shù)接近1的多變壓縮來(lái)研究近等溫壓縮,分析了等溫壓縮(噴射水方式)壓縮過程中的能量分布規(guī)律,研究了不同參數(shù)對(duì)壓縮過程中空氣與水的質(zhì)量比的影響,計(jì)算結(jié)果可以為實(shí)驗(yàn)研究提供參考。

1 等溫壓縮空氣儲(chǔ)能

1.1 壓縮空氣儲(chǔ)能原理與分類

CAES系統(tǒng)作為一種可實(shí)現(xiàn)大容量和長(zhǎng)時(shí)間電能儲(chǔ)存的電力儲(chǔ)能系統(tǒng),一般包括壓氣機(jī)、燃燒室及換熱器、透平、儲(chǔ)氣裝置(地下洞穴或壓力容器)、電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)5個(gè)主要部件[12-13]。其通過壓縮空氣儲(chǔ)存多余的電能(電網(wǎng)負(fù)荷低谷期),在需要時(shí)將高壓空氣釋放,通過膨脹機(jī)做功發(fā)電(電網(wǎng)負(fù)荷高峰期),從而完成儲(chǔ)能和釋能過程,具有聚納新能源和削峰填谷等功能[14]。壓縮空氣儲(chǔ)能按能量來(lái)源可以分為補(bǔ)燃式和非補(bǔ)燃式兩類[1]。根據(jù)熱量在空氣壓縮期間和膨脹之前的處理過程,壓縮空氣儲(chǔ)能在技術(shù)層面分為非絕熱、絕熱和等溫,儲(chǔ)能類型分為非絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(D(diabatic)-CAES)、絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能(A(adiabatic)-CAES)和等溫壓縮空氣儲(chǔ)能(I(isothermal)-CAES)[3]。D-CAES需要借助燃料(天然氣等)補(bǔ)燃來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行屬于補(bǔ)燃式,A-CAES和I-CAES由于利用系統(tǒng)本身的壓縮熱來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行屬于非補(bǔ)燃式。非補(bǔ)燃式CAES提高了系統(tǒng)效率和儲(chǔ)能級(jí)別,并且清潔環(huán)保無(wú)污染,可利用大容量、高可靠性壓力容器儲(chǔ)氣克服了儲(chǔ)氣洞穴的地理?xiàng)l件限制。

1.2 等溫壓縮空氣儲(chǔ)能原理

與傳統(tǒng)的補(bǔ)燃式壓縮空氣儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)不同的是,I-CAES將壓氣機(jī)和透平功能在一個(gè)活塞機(jī)構(gòu)中實(shí)現(xiàn),帶來(lái)了充分的熱交換時(shí)間和慢壓縮(膨脹)過程,其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。充電儲(chǔ)能過程:在電網(wǎng)負(fù)荷低峰期,電網(wǎng)輸入電能,電機(jī)驅(qū)動(dòng)活塞機(jī)構(gòu)壓縮空氣實(shí)現(xiàn)壓氣機(jī)的功能,通過在壓縮期間噴射水霧(預(yù)混合水泡沫)或利用液體活塞進(jìn)行大面積的熱交換以實(shí)現(xiàn)等溫壓縮[3],這部分熱量?jī)?chǔ)存在水或水泡沫中,高壓空氣被分離儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐中。放電釋能過程:在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期,高壓空氣和高壓水進(jìn)入活塞機(jī)構(gòu)膨脹,活塞機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電并入電網(wǎng)。在等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中,由于氣體溫升較低,在壓縮期間消耗的壓縮功少,在膨脹期間提供幾乎相同的壓縮熱在恒溫下膨脹,整個(gè)過程壓縮熱被充分利用,因此等溫壓縮空氣儲(chǔ)能的理想效率高[3]。

圖1 I-CAES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

2 熱力學(xué)分析

2.1 等溫壓縮與絕熱壓縮

壓縮過程有絕熱壓縮(不發(fā)生任何傳熱)和等溫壓縮(最大理想傳熱)兩種極限情況,p-V圖分別如圖2中的1-2s和1-2T所示,而實(shí)際壓縮過程往往為多變壓縮過程,即圖中的1-2n。

圖2 不同壓縮過程的p-V圖

壓縮氣體的生產(chǎn)過程包括氣體的流入、壓縮和輸出,所以壓氣機(jī)耗功應(yīng)以技術(shù)功計(jì)。由圖2可知,W2s>W2n>W2T,說明絕熱壓縮所消耗的功最多,等溫壓縮最少,多變壓縮介于兩者之間,并且隨著多變指數(shù)的減小而減小[15]。此外由于絕熱壓縮后溫升較高,對(duì)組件的耐熱性要求較高,且壓縮后的空氣所占體積大,系統(tǒng)儲(chǔ)能密度低。因此,應(yīng)減小多變指數(shù),使壓縮過程接近于等溫過程,這樣不僅有利于提高系統(tǒng)儲(chǔ)能級(jí)別和效率,還可降低組件的耐熱性要求。由以上分析可以得出,等溫壓縮空氣儲(chǔ)能在諸多方面性能優(yōu)于絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能。

2.2 近等溫壓縮的多變指數(shù)

在實(shí)現(xiàn)等溫壓縮空氣的過程中,由于儲(chǔ)熱介質(zhì)不會(huì)將壓縮熱全部吸收且空氣本身具有壓力提高的內(nèi)能,因此空氣的初溫和終溫不可能一致。目前研究的等溫壓縮終溫一般小于80 ℃[16],相比于溫差很大的絕熱壓縮,該過程被稱為近等溫壓縮過程。其多變指數(shù)由式(1)求得

(1)

(2)

式中:n為多變指數(shù);T2為終態(tài)溫度;T1為初態(tài)溫度;p2為終態(tài)壓強(qiáng);p1為始態(tài)壓強(qiáng);CR為壓比。假設(shè)壓縮空氣為理想氣體,它和水的初始溫度和終態(tài)溫度一致,取初始溫度為20 ℃,終態(tài)溫度分別為50、60、70 ℃,取始態(tài)壓強(qiáng)為大氣壓0.1 MPa,壓縮過程分為多級(jí)壓縮,選擇計(jì)算對(duì)象作為第一級(jí)壓縮,壓比分別為2、5、10、15、20。經(jīng)過計(jì)算得出終態(tài)溫度、壓比與多變指數(shù)的關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同狀態(tài)參數(shù)下多變指數(shù)圖

如圖3所示,當(dāng)壓比一定時(shí),隨著終溫的降低,壓縮過程中溫差減小,多變指數(shù)逐漸減小且趨近于1,壓縮過程越接近等溫過程,因此利用多變指數(shù)接近1的多變壓縮過程來(lái)研究近等溫壓縮過程。此外,當(dāng)溫差一定時(shí),隨著壓比的提升,多變指數(shù)也在減小,說明適當(dāng)提高儲(chǔ)氣壓力有利于近等溫壓縮過程的實(shí)現(xiàn)。

3 能量和噴水量計(jì)算

3.1 能量計(jì)算

由于壓縮過程會(huì)產(chǎn)生大量的壓縮熱,噴射進(jìn)氣缸內(nèi)的部分水會(huì)由液態(tài)水轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)水,此時(shí)壓縮終態(tài)的混合物由空氣、液態(tài)水、氣態(tài)水所組成,壓縮功的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝鈨?nèi)能、氣態(tài)水儲(chǔ)熱能、液態(tài)水儲(chǔ)熱能、流動(dòng)功等能量。

壓縮功

(3)

式中:Rg為理想空氣氣體常數(shù)。

過程熱量

(4)

cv=c0-Rg+c1θ+c2θ2+c3θ3

(5)

式中:c0=1.05;c1=-0.365;c2=0.85;c3=-0.39;θ=T/1 000[17]。

對(duì)于較小的溫差,在平均溫度下c可以被當(dāng)做常數(shù)使用[18],因此每一個(gè)終態(tài)溫度對(duì)應(yīng)一個(gè)平均比定容熱容,產(chǎn)生qn這部分能量通過熱傳遞使得部分液態(tài)水由液態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài),熱能被儲(chǔ)存在氣態(tài)水和剩余的液態(tài)水中。

空氣儲(chǔ)能(內(nèi)能變化量)

u2-u1=Δu=Δh-Δ(pv)=

(6)

Δh=qn-wt

(7)

式中:u2為壓縮空氣終態(tài)內(nèi)能;u1為壓縮空氣始態(tài)內(nèi)能;Δh為壓縮過程中焓變,這部分能量由壓縮空氣內(nèi)能變化量Δu和過程中的流動(dòng)功Δ(pv)組成。

水儲(chǔ)熱

qw=qnη

(8)

式中:qw為儲(chǔ)存在水(氣態(tài)水和液態(tài)水)中的熱能;η為傳熱效率,其值為實(shí)際傳熱量qw與理論上的最大傳熱量qn之比。損失的傳熱量包括壓損和通過氣缸壁傳熱耗散到環(huán)境中的能量,由于不同的等溫壓縮實(shí)現(xiàn)方式、噴射方式、水霧液滴的大小和質(zhì)量等參數(shù)都會(huì)改變液體的比表面積,從而影響傳熱效率[7-11],因此取傳熱效率分別為85%、90%、95%、100%,以研究不同傳熱效率對(duì)噴水量的影響。

3.2 噴水量計(jì)算

假設(shè)壓縮終態(tài)為理想狀態(tài):水轉(zhuǎn)化為濕飽和蒸汽,氣態(tài)水吸收熱量達(dá)到飽和轉(zhuǎn)化為飽和水蒸氣,剩余液態(tài)水吸收熱量轉(zhuǎn)化為飽和水,此時(shí)熱量被合理地分配在氣態(tài)水和液態(tài)水中。為了得到不同參數(shù)與壓縮過程中噴水量的關(guān)系,首先需確定多變過程的始態(tài)和終態(tài)參數(shù),然后利用空氣和水的熱力學(xué)參數(shù)以及相關(guān)公式計(jì)算壓縮過程中的氣態(tài)水質(zhì)量、液態(tài)水儲(chǔ)熱量、氣態(tài)水儲(chǔ)熱量等,最終得到某一溫度和壓強(qiáng)下所需的噴水量。

空氣質(zhì)量流量

(9)

(10)

式中:d為缸徑;L為活塞行程;V為壓縮空氣體積;N為曲軸轉(zhuǎn)速。不考慮余隙容積。

水質(zhì)量流量的求解過程如下。

不同溫度下飽和水蒸氣的壓力為

lg(ps/101 325)=-2.179 4+

2.953×10-2(T2-273.15)-

9.183 7×10-5(T2-273.15)2+

1.445 4×10-7(T2-273.15)3

(11)

p2=pt=ps+pa

(12)

式中:ps為飽和水蒸氣分壓,由文獻(xiàn)[19]中的數(shù)據(jù)擬合得到;pa為壓縮空氣分壓。

道爾頓分壓定律

(13)

根據(jù)式(13)得到空氣和水蒸氣的質(zhì)量流量比為

(14)

在壓縮過程中,濕蒸汽的干度

(15)

因此水儲(chǔ)熱

(16)

式中:hs為飽和水焓值;hH2O(g)為飽和水蒸氣焓值;hH2O(in)為初始液態(tài)水焓值。

3種焓值根據(jù)終態(tài)參數(shù)結(jié)合IAPWS—IF97水和水蒸氣熱力學(xué)性質(zhì)的國(guó)際工業(yè)公式計(jì)算得到[15],進(jìn)而求得不同終態(tài)參數(shù)下的水質(zhì)量,表1為計(jì)算過程中不同參數(shù)數(shù)值。

表1 計(jì)算參數(shù)

3.3 圖像分析

由上述分析可知,壓縮功的能量轉(zhuǎn)化為空氣內(nèi)能、氣態(tài)水儲(chǔ)熱能、液態(tài)水儲(chǔ)熱能、流動(dòng)功等能量,圖4為固定參數(shù)下壓縮功能量轉(zhuǎn)化的分布圖。過程熱量與壓縮功的比值表示壓縮功轉(zhuǎn)化為水儲(chǔ)熱的能量比重,通過計(jì)算得到較優(yōu)比值所需求的參數(shù),圖5為過程熱量與壓縮功比值隨壓比和終溫變化的情況。通過計(jì)算不同參數(shù)下空氣儲(chǔ)能和水儲(chǔ)熱分布規(guī)律,使盡可能多的能量?jī)?chǔ)存在水中,減少能量耗散,圖6為空氣儲(chǔ)能與水儲(chǔ)能比值隨壓比和終溫變化的情況。

圖4 壓縮功能量轉(zhuǎn)化分布圖

圖5 過程熱量與壓縮功比值隨不同參數(shù)的變化曲線

圖6 空氣儲(chǔ)能與水儲(chǔ)能比值隨不同參數(shù)的變化曲線

如圖4所示,水儲(chǔ)熱占比最大,為了使這部分能量比例增加,對(duì)過程熱量與壓縮功比值隨壓比和終溫的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,如圖5所示。由圖中可以看出,隨著壓比的增大或終溫的降低,比值逐漸增大并趨于恒定達(dá)到極值。當(dāng)壓比為10、轉(zhuǎn)速為100 r/min、終溫分別為60 ℃(噴水量為5.73 kg/s)和50 ℃(噴水量為8.68 kg/s)時(shí),比值分別達(dá)到80%和85%;對(duì)于終溫為70 ℃(噴水量為3.78 kg/s)的狀態(tài),比值要達(dá)到80%,則需要把壓比提高到20,說明在等溫壓縮的實(shí)現(xiàn)過程中,應(yīng)該適當(dāng)增大壓比或者降低終溫(提高噴水量)使得傳熱量比例增大,從而增大儲(chǔ)存在水中的熱量比例。

由圖4還可看出,空氣儲(chǔ)能與水儲(chǔ)熱比值接近1/5,為使這一比值降低,對(duì)空氣儲(chǔ)能與水儲(chǔ)熱比值隨壓比和終溫的變化規(guī)律進(jìn)行了研究,如圖6所示。由圖中可以看出,隨著壓比的增大或終溫的降低,空氣儲(chǔ)能與水儲(chǔ)熱比值逐漸降低并趨于恒定。當(dāng)終溫為60 ℃時(shí),隨著壓比的增大,比值由1.5降低到1/10左右,更多的能量被儲(chǔ)存在水中(熱損減小);當(dāng)壓比大于10之后,比值只有較小的改變,因此再增大壓比對(duì)于增大該比例無(wú)明顯意義,但可以增大傳熱量。由圖6還可得出,壓強(qiáng)較低(壓比小于10)時(shí)不利于水儲(chǔ)熱的進(jìn)行。

為了得出不同參數(shù)對(duì)壓縮過程中空氣與水的質(zhì)量比的影響規(guī)律,計(jì)算并分析了不同參數(shù)下所需噴水量,得出壓縮空氣量與噴水量比值。圖7表示空氣與水質(zhì)量隨不同參數(shù)變化的情況。

由圖7a可知:由于氣缸缸徑和行程固定,所以壓縮空氣的質(zhì)量與曲軸轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系且保持恒定;當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí),隨著混合物終溫的降低,所需噴水量增大。這是因?yàn)閴嚎s過程中產(chǎn)生的熱量迅速將壓縮空氣的溫度提升,而水的熱容比空氣大,噴水量的增多使得水中儲(chǔ)存更多的熱量,壓縮空氣的溫升降低,最終形成溫度相同的空氣、飽和水、飽和水蒸氣組成的理想混合物。對(duì)于3種不同的轉(zhuǎn)速,在壓比、終溫、傳熱效率一定時(shí),壓縮空氣量與噴水量之比相同:壓比為10,傳熱效率為95%,終溫為50 ℃,轉(zhuǎn)速分別為60、100、150 r/min時(shí),空氣與水質(zhì)量比均為0.86。

(a)不同轉(zhuǎn)速(CR=10,η=95%)

(b)不同壓比(N=100 r/min,η=95%)

(c)不同傳熱效率(CR=10)圖7 不同參數(shù)下空氣與水質(zhì)量比

由圖7b可知:壓比一定時(shí),隨著混合物終溫的升高,空氣與水質(zhì)量比呈線性增長(zhǎng),所需噴水量減少;當(dāng)終溫一定時(shí),隨著壓比的增大,空氣與水質(zhì)量比降低,所需噴水量增大。這是由于終態(tài)壓強(qiáng)的增大,飽和水蒸氣分壓不變,氣態(tài)水質(zhì)量變少,儲(chǔ)存在氣態(tài)水中的熱量減少,而傳熱量隨壓比增大升高,儲(chǔ)存在液態(tài)水中的熱量升高,因此所需噴水量增大。

由圖7c可知:傳熱效率一定時(shí),隨著混合物終溫的升高,空氣與水質(zhì)量比呈線性增長(zhǎng),所需噴水量減少;當(dāng)終溫一定時(shí),隨著傳熱效率的增大,空氣與水質(zhì)量比降低,所需噴水量增大。這是因?yàn)閭鳠嵝试龃?儲(chǔ)存在水中的總熱量增大,而儲(chǔ)存在氣態(tài)水中的熱量一定,因此所需的液態(tài)水量提高。

4 結(jié)論與展望

本文通過熱力學(xué)公式和物質(zhì)的熱力學(xué)參數(shù)計(jì)算并分析了理想狀態(tài)下等溫壓縮空氣儲(chǔ)能的能量分布,利用飽和水蒸氣壓和道爾頓分壓定律求解不同參數(shù)下空氣與水質(zhì)量比,并得出以下結(jié)論。

(1)多變指數(shù)逐漸減小且趨近于1,壓縮過程越接近等溫過程,溫差不變,隨著壓比的提升,多變指數(shù)也在減小,說明適當(dāng)?shù)奶岣邇?chǔ)氣壓力有利于近等溫壓縮過程的實(shí)現(xiàn)。

(2)由壓縮功能量轉(zhuǎn)化分布圖和能量比值變化圖可以得出,在等溫壓縮的實(shí)現(xiàn)過程中,應(yīng)該適當(dāng)增大壓比或降低終溫使得傳熱量比例和水儲(chǔ)熱比例增大。當(dāng)壓比為10時(shí),噴水量由5.73 kg/s提高至8.68 kg/s,傳熱量比例提高了5%;較低壓強(qiáng)(CR<10)不利水儲(chǔ)熱的進(jìn)行。

(3)對(duì)于第一級(jí)壓縮,可以將壓比確定為10,此時(shí)傳熱量和水儲(chǔ)熱比例都達(dá)到良好狀態(tài)。由于水的熱容比空氣大,壓比一定時(shí),增大噴水量降低了壓縮空氣的溫升,可以使終溫達(dá)到50 ℃,甚至更低,壓縮過程更接近等溫過程。

(4)每一個(gè)終溫、壓比、傳熱效率和轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的噴水量,可以為實(shí)驗(yàn)研究提供理論數(shù)據(jù)并對(duì)比。壓比、傳熱效率、終溫均對(duì)空氣與水質(zhì)量比有影響;其他條件一定時(shí),轉(zhuǎn)速對(duì)空氣與水質(zhì)量比沒有影響,當(dāng)壓比為10,傳熱效率為95%,終溫為50 ℃,轉(zhuǎn)速分別為60、100、150 r/min時(shí),空氣與水質(zhì)量比均為0.86。

本文的相關(guān)計(jì)算是基于假設(shè):空氣為理想氣體、壓縮過程均為可逆和壓縮終態(tài)為理想狀態(tài)混合物,后期可以進(jìn)行實(shí)際情況的理論計(jì)算并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)于傳熱效率是根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)自擬的數(shù)據(jù),由于不同的噴射方式以及水霧液滴的大小和質(zhì)量等參數(shù)都會(huì)影響傳熱效率,后期可以針對(duì)傳熱效率建立傳熱模型進(jìn)行相關(guān)分析。相關(guān)文獻(xiàn)計(jì)算了等溫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)效率,儲(chǔ)能效率作為該系統(tǒng)重要參數(shù)不可忽視,后期可以計(jì)算不同參數(shù)(終溫、壓比、傳熱效率)下整個(gè)系統(tǒng)的儲(chǔ)能效率。

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ResearchontheWaterSprayingRateforanEnergyStorageSystemofIsothermalCompressedAir

HE Ziwei1,2, LUO Maji1,2, TU Zhengkai3

(1. Hubei Key Laboratory of Advanced Technology for Automotive Components, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. Hubei Collaborative Innovation Center for Automotive Components Technology, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 3. State Key Laboratory of Advanced Technology for Materials Synthesis and Processing, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

To research the effect of different parameters on the water spraying rate for an energy storage system of isothermal compressed air, a novel method was proposed to study the quasi-isothermal compression using a compression process with the polytropic exponent close to 1, where the water vapor, liquid water and air in the final state were assumed as an ideal mixture. The water spraying rate under different state parameters was researched according to the saturated water vapor pressure formula, the Dalton partial pressure theory and the thermodynamic parameters of the components. The results show that the heat transfer proportion increases with the pressure ratio and the water spraying rate. When the pressure ratio is 10 and the rotation speed is 100 r/min, the water spraying rate increases from 5.73 kg/s to 8.68 kg/s, and the proportion of heat transfer is increased by 5%. The pressure ratio, heat transfer efficiency and final temperature all have effects on the mass ratio of air to water. Moreover, results also show that when other conditions are constant, the rotation speed has almost no effect on the ratio of air to water. When the pressure ratio increases to 10, the heat transfer efficiency is 95% and the final temperature is 50 ℃, the mass ratio of air to water maintains at 0.86 when the rotation speed is 60, 100, 150 r/min, respectively. In all, lower pressure is unfavorable to the thermal storage of water.

energy storage of compressed air; isothermal compression; heat storage; saturated water vapor pressure

2017-06-15。 作者簡(jiǎn)介: 何子偉(1993—),男,碩士生;涂正凱(通信作者),男,研究員。 基金項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51476119)。

時(shí)間: 2017-10-18

網(wǎng)絡(luò)出版地址: http:∥kns.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20171018.1632.010.html

10.7652/xjtuxb201801006

TK02

A

0253-987X(2018)01-0033-07

(編輯 荊樹蓉)