絕熱-近等溫壓縮空氣耦合儲(chǔ)能過程熱壓匹配規(guī)律
作者：潘文1, 令蘭寧2, 李瑞雄2, 王海洋2, 陶瑞2, 金鵬2, 王煥然2
單位：1. 西安近代化學(xué)研究所；2. 西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院
引用：潘文, 令蘭寧, 李瑞雄, 等. 絕熱-近等溫壓縮空氣耦合儲(chǔ)能過程熱壓匹配規(guī)律[J]. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù), 2023, 12(11): 3425-3434.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0374
本文亮點(diǎn)：1、將近等溫壓縮與絕熱壓縮方式進(jìn)行合理融合提出了復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能；2、建立了不同壓縮空氣方式的熱力計(jì)算模型，明確了絕熱壓縮與近等溫壓縮耦合作用下的高效儲(chǔ)能特征；3、澄清了近等溫壓縮對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)高效運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。
摘 要 利用液體活塞機(jī)構(gòu)強(qiáng)化儲(chǔ)能過程壓縮空氣與環(huán)境的熱量傳遞，可以有效降低壓縮熱耗散，提升儲(chǔ)能過程電能向空氣壓力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換效率?？紤]到絕熱壓縮與近等溫壓縮空氣儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)，本工作將近等溫壓縮與絕熱壓縮方式進(jìn)行合理融合提出了復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能，通過建立不同壓縮空氣方式的熱力計(jì)算模型，深入分析了絕熱壓縮與近等溫壓縮耦合作用下的高效儲(chǔ)能特征，澄清了近等溫壓縮對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)高效運(yùn)行的驅(qū)動(dòng)機(jī)制。研究結(jié)果表明：復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能過程的?效率高于傳統(tǒng)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能；同時(shí)，近等溫壓縮空氣對(duì)復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能性能的影響較為顯著，即變壓排氣液體活塞近等溫壓縮空氣儲(chǔ)能的?效率比恒壓排氣高3%，且變排氣壓工況下能夠更好適應(yīng)儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力的變化，弱化儲(chǔ)氣室充氣過程的溫度效應(yīng)；近等溫壓縮空氣過程增加噴淋能夠使?效率提升3.3%，且不同時(shí)段噴淋對(duì)液體活塞近等溫壓縮空氣效能的影響具有較大差異。
關(guān)鍵詞 液體活塞；復(fù)合壓縮；空氣儲(chǔ)能；噴淋；恒壓與變壓排氣
電力儲(chǔ)能技術(shù)是能源轉(zhuǎn)換與緩沖的核心技術(shù)，將電力儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于可再生能源的積極有序發(fā)展中，不僅可以提高可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)能力，而且能夠有效解決可再生能源發(fā)電的消納難題。因此，儲(chǔ)能技術(shù)的創(chuàng)新突破必將帶動(dòng)全球能源格局的革命性和顛覆性調(diào)整，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的重要支撐。眾多儲(chǔ)能技術(shù)中，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)具備輸出功率高、運(yùn)行壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，在儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用和發(fā)展前景。
壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)利用空氣可壓縮特征實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)與釋放，眾多學(xué)者從系統(tǒng)構(gòu)型與性能分析、關(guān)鍵設(shè)備設(shè)計(jì)與運(yùn)行調(diào)控等多個(gè)角度對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)開展了大量研究工作。Zhao等通過對(duì)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況和變工況運(yùn)行條件下膨脹機(jī)入口空氣壓力勢(shì)能進(jìn)行熱力學(xué)分析優(yōu)化，使系統(tǒng)?效率達(dá)到45.61%。Wolf等提出了一種低溫絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過回收壓縮過程的壓縮熱從而避免系統(tǒng)對(duì)化石燃料的依賴，優(yōu)化后系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)能量效率為60%。梅生偉等在安徽省蕪湖市建成了500 kW先進(jìn)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過回收再利用空氣的壓縮熱使得系統(tǒng)的綜合能量效率達(dá)到41.03%。陳海生等提出了一種超臨界壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，該技術(shù)利用空氣在超臨界狀態(tài)下的特殊物性，將空氣以液態(tài)形式儲(chǔ)存，大幅降低了儲(chǔ)氣庫體積，該系統(tǒng)理論效率可達(dá)67.14%。盡管眾多學(xué)者從系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化、過程分析以及新型系統(tǒng)構(gòu)建等多個(gè)角度對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)開展了大量研究工作，但是壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)在壓縮過程產(chǎn)生的壓縮熱仍未能充分利用。
液體活塞是通過將液體泵入密閉壓力容器實(shí)現(xiàn)空氣增壓的技術(shù)，由于在壓縮過程中空氣產(chǎn)生的熱量可以被壓力容器內(nèi)液體吸收，從而降低了空氣在壓縮過程的溫升效應(yīng)，因此液體活塞近等溫壓縮空氣可以有效降低壓縮空氣儲(chǔ)能過程產(chǎn)生的壓縮熱耗散，提升儲(chǔ)能系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)化效率。Ven等通過建立非噴淋式液體活塞壓縮過程相應(yīng)的理論模型表明液體活塞壓縮過程的能量轉(zhuǎn)換效率與相同尺寸的常規(guī)活塞相比提高13%。姜彤等在熱力分析的基礎(chǔ)上利用主動(dòng)調(diào)控模型確立了非噴淋式液體活塞等溫壓縮空氣儲(chǔ)能過程設(shè)計(jì)工況的運(yùn)行策略。張立偉等采用宏觀能流表示法仿真建模并確立了壓縮轉(zhuǎn)換最大效率點(diǎn)的運(yùn)行工況。Kermani等通過離散-差分方法解析了非噴淋式液體活塞腔體壁面換熱過程的時(shí)變特征。為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)液體活塞內(nèi)空氣溫度的精準(zhǔn)調(diào)控，噴淋式液體活塞技術(shù)近年來受到廣泛關(guān)注，許未晴等發(fā)現(xiàn)在采用液體噴霧技術(shù)后，可將非噴淋式液體活塞的壓縮效率由61.6%提升到88.7%。Patil等指出當(dāng)壓比為2.5時(shí)，噴淋式液體活塞壓縮過程空氣溫度比非噴淋式降低7～20 ℃。Odukomaiya等用數(shù)值方法擬合了噴淋式液體活塞裝置內(nèi)的溫度變化，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的整體能量運(yùn)行效率可達(dá)82%。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從多個(gè)角度針對(duì)液體活塞壓縮空氣儲(chǔ)能進(jìn)行了系統(tǒng)性的熱力性能探索，表明液體活塞設(shè)備能夠有效降低壓縮空氣過程中壓縮熱的產(chǎn)生。為此，考慮到傳統(tǒng)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中壓縮熱的高效利用難題，本工作將絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能與等溫壓縮空氣儲(chǔ)能進(jìn)行融合，以壓縮空氣儲(chǔ)能過程為研究對(duì)象，通過建立詳細(xì)的熱力學(xué)模型，分析不同關(guān)鍵參數(shù)對(duì)儲(chǔ)能熱力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為系統(tǒng)的高效運(yùn)行提供理論依據(jù)與技術(shù)指導(dǎo)。
1 系統(tǒng)描述
圖1(a)為傳統(tǒng)絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能過程設(shè)備連接示意圖，圖1(b)為復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能過程示意圖。復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能過程中，富余電能驅(qū)動(dòng)絕熱壓縮機(jī)組首先將環(huán)境空氣壓縮為高溫高壓空氣(A1→A2，A3→A4，A5→A6)，高壓空氣經(jīng)冷卻后(A6→A7)進(jìn)入液體活塞機(jī)構(gòu)進(jìn)行近等溫壓縮增壓(A7→A8)。液體活塞壓縮空氣儲(chǔ)能過程中，電能驅(qū)動(dòng)水泵將水抽入液體活塞腔內(nèi)(W1→W2)，空氣壓力逐漸升高，待升至設(shè)定值后單向閥打開，高壓氣體被排入儲(chǔ)氣室內(nèi)(A8→A9)，完成一次儲(chǔ)能。
圖1 絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能與復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能
2 系統(tǒng)模型
復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能過程設(shè)備主要包括壓縮機(jī)組、中冷器、液體活塞腔體、水泵、節(jié)流閥和儲(chǔ)氣罐，假設(shè)液體活塞壓縮過程中空氣溫度均勻分布、水和壁面溫度恒定、空氣為理想氣體、液滴和空氣充分換熱、空氣物性為常數(shù)，且不考慮液體活塞壓縮過程中界面波動(dòng)、氣體溶解等不穩(wěn)定因素的復(fù)雜影響。
2.1 熱力學(xué)模型
壓縮機(jī)的絕熱效率ηCOMP可以表示為
式中，Q為壓力容器內(nèi)空氣吸熱量，J；UCV為壓力容器內(nèi)空氣熱力學(xué)能，J；mo為流出空氣質(zhì)量，kg；ho為流出空氣焓值，J/kg；mi為流入空氣質(zhì)量，kg；hi為流入空氣焓值，J/kg；W為空氣所作內(nèi)部功，J。
其中
式中，mCV為壓力容器內(nèi)空氣質(zhì)量，kg；uCV為壓力容器內(nèi)空氣比熱力學(xué)能，J；cV為空氣的比定容熱容，J/(kg·K)；TCV為壓力容器內(nèi)空氣溫度，K。
根據(jù)式(4)～式(6)可求解得到
壓力容器內(nèi)壓力pCV可以表示為
式中，Z為壓縮因子；Rg為空氣氣體常數(shù)，J/(kg·K)；VCV為壓力容器容積，m3。
壓力容器和外界換熱量為
式中，h'A,W為空氣與壓力容器壁面對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·K)；AW為與空氣接觸的罐壁與水面積之和，m2；TW為壓力容器壁面溫度K；t為換熱時(shí)間，s。
將壓力容器簡(jiǎn)化為圓柱，無進(jìn)排氣時(shí)采用自然對(duì)流換熱模型，努塞爾數(shù)Nu可以表示為
式中，Ra*為修正的瑞利數(shù)；F為形狀系數(shù)。
修正的瑞利數(shù)Ra*可以表示為
式中，ρA為空氣密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；αV為空氣體積膨脹系數(shù)，K-1；H為壓力容器內(nèi)空氣高度，m；μA為空氣動(dòng)力黏度，kg/(m·s)；λA為空氣熱導(dǎo)率，W/(m·K)。
形狀系數(shù)F可以表示為
式中，D為壓力容器內(nèi)徑，m。
空氣與壁面的對(duì)流換熱系數(shù)可以表示為
壓力容器有進(jìn)排氣時(shí)采用混合對(duì)流換熱模型，努塞爾數(shù)可以表示為
式中，Red為壓力容器入口空氣雷諾數(shù)；Ra為瑞利數(shù)。
雷諾數(shù)可以表示為
式中，vA為壓力容器入口空氣流速，m/s；d為壓力容器入口直徑，m。
式中，cp為空氣的比定壓熱容，J/(kg·K)。
液體活塞機(jī)構(gòu)在壓縮空氣過程中腔內(nèi)液體體積逐漸增加，空氣側(cè)溫度隨之升高，導(dǎo)致液體活塞機(jī)構(gòu)的近等溫壓縮效果弱化。腔內(nèi)噴淋液體是目前應(yīng)用廣泛的一種控溫方式，本工作針對(duì)噴淋和非噴淋兩種狀態(tài)下的復(fù)合儲(chǔ)能過程分別進(jìn)行深入分析。以下是液體活塞機(jī)構(gòu)腔內(nèi)噴淋液體的熱力學(xué)模型。
2.2 ?模型
3 結(jié)果與分析
絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能過程與復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能過程具有較大差異，表1為兩種儲(chǔ)能過程各設(shè)備典型工況參數(shù)，表2中為絕熱壓縮與非噴淋復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能過程各設(shè)備輸入?和輸出?對(duì)比?？梢园l(fā)現(xiàn)，在總壓縮比和儲(chǔ)氣流量恒定的情況下，絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能過程的?效率比復(fù)合儲(chǔ)能過程的?效率低3%，其主要原因是液體活塞機(jī)構(gòu)在近等溫壓縮空氣過程中電能主要轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫?shì)能，此過程產(chǎn)生的熱能損失較少。
表1 典型工況參數(shù)選取
表2 絕熱壓縮與混合壓縮對(duì)比
值得注意的是，復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能過程的運(yùn)行模式可以分為兩種：變壓排氣運(yùn)行和恒壓排氣運(yùn)行。變壓排氣運(yùn)行主要是指液體活塞壓縮空氣過程中排氣壓力隨儲(chǔ)氣庫壓力的增加而逐漸增加，而恒壓排氣運(yùn)行是指液體活塞機(jī)構(gòu)的排氣壓力保持恒定。所以，變壓排氣復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能過程中機(jī)組的總壓縮比隨儲(chǔ)氣庫壓力的增加逐漸升高，而恒壓排氣過程的總壓縮比保持恒定。
3.1 無噴淋復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能恒壓排氣與變壓排氣對(duì)比
復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能過程中液體活塞壓縮空氣裝置對(duì)儲(chǔ)能過程性能會(huì)產(chǎn)生較大影響，帶有噴淋和無噴淋液體活塞機(jī)構(gòu)壓縮空氣儲(chǔ)能過程的熱力性能表現(xiàn)出巨大差異，因此本工作針對(duì)這兩種不同復(fù)合儲(chǔ)能(絕熱壓縮+帶有噴淋的近等溫壓縮、絕熱壓縮+無噴淋近等溫壓縮)方式分別進(jìn)行分析。
表3中為無噴淋條件下液體活塞排氣壓力恒定與變排氣壓力下的?分析結(jié)果對(duì)比。相同儲(chǔ)能條件下，變排氣壓力壓縮空氣儲(chǔ)能過程的?效率比恒壓排氣壓縮空氣儲(chǔ)能高3%，同時(shí)儲(chǔ)能密度保持在較高的數(shù)值。
表3 無噴淋條件下液體活塞恒壓排氣與變壓排氣?分析結(jié)果對(duì)比
圖2為無噴淋液體活塞不同排氣壓力下腔內(nèi)氣體溫度的變化?？梢园l(fā)現(xiàn)，恒定排氣壓力下液體活塞LP1和LP2的腔內(nèi)空氣溫度變化趨勢(shì)保持一致。然而，變排氣壓力下液體活塞腔內(nèi)的最高壓力隨時(shí)間的增加逐漸遞增，壓縮過程腔內(nèi)氣體的最高溫度同樣呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。首次壓縮空氣過程中，變排氣壓力液體活塞腔內(nèi)空氣的最大溫度為318 K，而恒定排氣壓力的液體活塞腔內(nèi)的溫度為327 K，這種溫度差隨著時(shí)間的增加逐漸減小，所以變排氣壓力液體活塞在一定程度上能夠有效降低腔體內(nèi)空氣溫度的增加，而隨著時(shí)間的增加這種效果逐漸減弱。
圖2 無噴淋液體活塞恒壓與變壓排氣儲(chǔ)能過程腔內(nèi)溫度變化
圖3為液體活塞和儲(chǔ)氣室腔內(nèi)的壓力隨時(shí)間的變化。圖中變排氣壓力壓縮空氣過程儲(chǔ)氣室內(nèi)部的空氣壓力與液體活塞的出口壓力吻合較好，而在恒定排氣壓力下液體活塞出口壓力與儲(chǔ)氣室內(nèi)部的壓力差隨著時(shí)間的增加逐漸減小，這證實(shí)了液體活塞在變排氣壓力工況下能夠更好適應(yīng)儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力的變化，有效降低高壓空氣進(jìn)入儲(chǔ)氣室所造成的局部壓力降損失。對(duì)比恒壓和變壓排氣工況下儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力的變化，在初次充氣中變壓力儲(chǔ)氣過程儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力增加較為緩慢，而隨著循環(huán)次數(shù)的增加，充氣過程儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力的提升速度增快，這與變壓排氣持續(xù)時(shí)間密切相關(guān)。結(jié)合圖2中的溫度曲線，液體活塞裝置變壓排氣進(jìn)入儲(chǔ)氣室的溫度較低，同時(shí)這種變壓排氣在一定程度上能夠有效減弱儲(chǔ)氣室充氣過程的溫度效應(yīng)。
圖3 無噴淋液體活塞恒壓與變壓排氣儲(chǔ)能過程腔內(nèi)壓力變化
液體活塞入口壓力(即絕熱壓縮與液體活塞近等溫壓縮的中間壓力)對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能過程熱能與壓力勢(shì)能的匹配具有重大影響，圖4(a)為變排氣壓工況下中間壓力對(duì)儲(chǔ)能過程能量存儲(chǔ)密度與?效率的影響曲線。存儲(chǔ)能量密度隨著中間壓力的增加逐漸增加，而?效率出現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)中間壓力為1.2 MPa時(shí)，儲(chǔ)能過程可用能利用率達(dá)到最佳。圖4(b)中為壓縮空氣儲(chǔ)能過程各設(shè)備輸入?與?損失的變化，結(jié)合圖4(a)可以發(fā)現(xiàn)，液體活塞腔和驅(qū)動(dòng)水泵的可用能損失是造成儲(chǔ)能過程?效率降低的主要因素。
圖4 液體活塞進(jìn)氣壓力的影響規(guī)律分析
3.2 帶噴淋復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能恒壓排氣與變壓排氣
表4為液體活塞機(jī)構(gòu)噴淋壓力為1 MPa、恒壓排氣時(shí)，復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能過程各設(shè)備?分析結(jié)果。相比于非噴淋復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能，?效率提升3.3%。所以，液體活塞機(jī)構(gòu)加裝噴淋可以進(jìn)一步提升復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能過程的?效率。
表4 噴淋壓力為1 MPa時(shí)復(fù)合儲(chǔ)能設(shè)備?分析結(jié)果
圖5為變壓排氣下帶有噴淋與無噴淋液體活塞壓縮空氣儲(chǔ)能過程氣相溫度的變化，可以發(fā)現(xiàn)帶有噴淋液體活塞排氣最大壓縮溫差僅為18 K，遠(yuǎn)低于非噴淋液體活塞腔內(nèi)溫度的變化。值得注意的是，在每次循環(huán)中液體活塞排氣過程的最低溫度出現(xiàn)了較大差異，這與每次循環(huán)中的噴淋吸熱差異密切相關(guān)。噴淋耗功與水泵耗功是液體活塞壓縮空氣儲(chǔ)能過程的主要耗功元件，圖6中為不同噴淋壓力下液體活塞壓縮空氣過程的耗功變化。隨著噴淋壓力的增加，噴淋耗功隨之增加，而水泵耗功出現(xiàn)急劇下降并逐漸趨于穩(wěn)定；這主要是由于增加噴淋量可以提升近等溫壓縮空氣效能，從而有效降低水泵耗功。這兩類功耗的變化對(duì)壓縮空氣過程中?效率的影響較大，圖7中顯示出了隨著噴淋壓力的增加，壓縮?效率出現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，這與噴淋耗功、水泵耗功的綜合表現(xiàn)密切相關(guān)，即當(dāng)液體活塞結(jié)構(gòu)尺寸與壓縮參數(shù)確定后存在最佳的噴淋壓力可以使壓縮?效率達(dá)到最佳。
圖5 1 MPa噴淋與無噴淋工況下液體活塞腔內(nèi)空氣溫度變化
圖6 無噴淋壓縮空氣過程水泵和噴淋耗功
圖7 不同噴淋壓力下噴淋質(zhì)量與?效率變化
圖8為不同噴淋壓力下液體活塞腔體內(nèi)氣相最高溫度的變化。當(dāng)腔內(nèi)無噴淋時(shí)，氣相側(cè)的溫度在壓縮過程中變化劇烈，且該工況下氣相側(cè)溫度遠(yuǎn)高于噴淋環(huán)境下的壓縮溫度。此外，隨著噴淋壓力的增加，氣相側(cè)最高溫度首先出現(xiàn)急劇下降，并逐漸趨于平緩；這說明當(dāng)噴淋壓力高于0.6 MPa后，噴淋壓力對(duì)液體活塞的近等溫壓縮效能的影響不再顯著。
上述分析中可以看出，腔內(nèi)噴淋能夠有效提升液體活塞壓縮空氣過程的熱力效能，然而結(jié)合圖2和圖5可以發(fā)現(xiàn)液體活塞壓縮過程空氣溫度呈現(xiàn)非線性變化，即在壓縮初期和后期氣相側(cè)溫度上升較快，而在壓縮中期氣相側(cè)的溫度變化較為平穩(wěn)。圖9和圖10為不同時(shí)段噴淋時(shí)噴淋壓力對(duì)功耗和?效率的影響。不同時(shí)段噴淋對(duì)液體活塞整體的耗功趨勢(shì)與圖6基本相似，然而當(dāng)噴淋出現(xiàn)在液體活塞后期壓縮過程時(shí)，水泵和噴淋耗功遠(yuǎn)低于后期噴淋的耗功，而壓縮?效率較高，且隨著噴淋壓力的增加這種差異更為顯著。另外，前期噴淋的壓縮?效率在噴淋壓力為0.2 MPa時(shí)達(dá)到最大，而后期噴淋時(shí)的最大壓縮?效率出現(xiàn)在噴淋壓力為0.6 MPa。
圖11為噴淋壓力為0.2 MPa時(shí)，不同噴淋時(shí)段液體活塞內(nèi)氣相側(cè)溫度的變化。圖中前期噴淋對(duì)液體活塞腔內(nèi)的降溫效果并不顯著，且在壓縮后期氣相側(cè)溫度急劇升高，無法達(dá)到近等溫壓縮的效果；而在后期噴淋過程中可以顯著觀察到氣相側(cè)的升溫現(xiàn)象受到嚴(yán)重抑制。
不同時(shí)段噴淋對(duì)液體活塞近等溫壓縮空氣效能的影響具有較大差異，圖12為壓縮前期與后期不同噴淋量壓力的液體活塞耗功、?效率、噴淋量對(duì)比。當(dāng)噴淋前期壓力恒定，水泵耗功隨后期噴淋壓力的增加逐漸減小，而噴嘴噴淋耗功逐漸增加。前期噴淋壓力為0.2 MPa時(shí)，水泵耗功最大，此時(shí)噴淋耗功最低，壓縮?效率達(dá)到最大[圖12(b)]；當(dāng)前期噴淋壓力為0.8 MPa時(shí)，水泵耗功最低，噴淋耗功最大，壓縮過程可用能利用率最低。此外，當(dāng)前期噴淋壓力為0.2 MPa時(shí)，壓縮過程最大?效率接近72%，此時(shí)的噴淋總量達(dá)到1.59 kg。
圖12 液體活塞噴淋策略對(duì)壓縮空氣過程性能影響分析
4 結(jié)論
液體活塞壓縮空氣裝置通過加強(qiáng)壓縮空氣與環(huán)境的熱交換，將氣體壓縮時(shí)溫度的變化控制在一個(gè)較小的范圍，減少過程功耗，實(shí)現(xiàn)高效近等溫壓縮空氣儲(chǔ)能。利用液體活塞機(jī)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)絕熱壓縮機(jī)，可以有效降低壓縮熱耗散，提升壓縮空氣儲(chǔ)能過程電能向空氣壓力勢(shì)能的轉(zhuǎn)換效率。本工作將絕熱壓縮與液體活塞近等溫壓縮過程進(jìn)行合理融合，建立了該復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能過程的熱力學(xué)模型，研究了無噴淋與有噴淋策略對(duì)整體壓縮過程熱力學(xué)性能的影響規(guī)律，獲得了復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能過程的高效運(yùn)行策略。主要結(jié)論如下。
（1）復(fù)合儲(chǔ)能過程的?效率比絕熱壓縮空氣儲(chǔ)能過程的?效率高3%；相同儲(chǔ)能條件下，液體活塞變排氣壓力壓縮空氣儲(chǔ)能過程的?效率比恒壓排氣壓縮空氣儲(chǔ)能高3%，同時(shí)儲(chǔ)能密度保持在較高的數(shù)值。
（2）變壓排氣液體活塞在一定程度上能夠有效降低腔內(nèi)空氣溫度的增加，然而隨著循環(huán)次數(shù)的增加，這種效果逐漸減弱。液體活塞在變壓排氣工況下能夠更好地適應(yīng)儲(chǔ)氣室內(nèi)壓力的變化，有效降低高壓空氣進(jìn)入儲(chǔ)氣室所造成的局部壓力降損失，此時(shí)進(jìn)入儲(chǔ)氣室的空氣溫度較低，同時(shí)這種變壓排氣在一定程度上能夠有效減弱儲(chǔ)氣室充氣過程的溫度效應(yīng)。
（3）相比于非噴淋復(fù)合壓縮空氣儲(chǔ)能，噴淋能夠使?效率提升3.3%；帶有噴淋液體活塞排氣最大壓縮溫差僅為18 K，遠(yuǎn)低于非噴淋液體活塞腔內(nèi)溫度的變化。腔內(nèi)噴淋能夠有效提升液體活塞壓縮空氣過程的熱力效能，且不同時(shí)段噴淋對(duì)液體活塞近等溫壓縮空氣效能的影響具有較大差異。
