Efficiency Analysis of an Arrayed Liquid Piston Isothermal Air Compression System for Compressed Air Energy Storage

Compressed air energy storage(CAES)is an important technology in the development of renewable energy.The main advantages of CAES are its high energy capacity and environmental friendliness.One of the main challenges is its low energy density,meaning a natural cavern is required for air storage.High-pressure air compression can effectively solve the problem.A liquid piston gas compressor facilitates high-pressure compression,and efficient convective heat transfer can significantly reduce the compression energy consumption during air compression.In this paper,a near isothermal compression method is proposed to increase the surface area and heat exchange by using multiple tube bundles in parallel in the compression chamber in order to obtain high-pressure air using liquid-driven compression.Air compression with a compression ratio of 6.25:1 is achieved by reducing the tube diameter and increasing the parallel tube number while keeping the compression chamber cross-sectional area constant in order to obtain a high-pressure air of 5 MPa.The performances of this system are analyzed when different numbers of tubes are applied.A system compression efficiency of 93.0%and an expansion efficiency of 92.9%can be achieved when 1000 tubes are applied at a 1 minute period.A new approach is provided in this study to achieve high efficiency and high pressure compressed air energy storage.

液体活塞式压力计检定及使用过程中的垂直度影响研究

液体活塞压力计稳定性较高,常被作为量值传递和溯源的标准器。但在实际使用中,其大多未配置相应的水平仪或水平仪精度不足,不能满足使用需求。因此,本文设计了两组试验,分别对其检定和使用过程中产生的倾角和垂直度变化对活塞有效面积和输出压力引起的变化进行讨论和分析,并提出生产和使用建议。

多管阵列近等温压缩空气储能方法研究

针对压缩空气储能系统传热性能和压缩/膨胀效率低的问题,提出了一种多管阵列近等温压缩空气储能方法,设计了液体活塞结构与管式换热结构耦合的多管阵列压缩/膨胀机,液体活塞结构实现高压密封,管式换热结构增加换热面积以提高换热量,采用隔膜式结构实现气-液隔离避免空气的溶解,采用水箱储存压缩热并在空气膨胀时释放。建立了系统热力学模型和传热学模型,分析了多管束参数对空气压力、温度和压缩功的影响,使空气从0.8 MPa增压至5 MPa,采用1000根管、压缩时间60 s时,可实现空气压缩效率达到70%。为高压和高效的近等温压缩空气储能提供了一种新的方式。

高效稳定双罐式液体活塞近等温膨胀过程热力性能研究

为确保双罐式液体活塞膨胀过程的连续稳定运行,提出了一种创新的液体活塞近等温膨胀运行方式。该运行方式下,膨胀阶段完成后液体活塞进入膨胀后的吸气阶段,实现罐体水位的下降,从而保证了循环稳定性。通过建立相关的热力学模型,探究了高压空气在近等温膨胀过程中的热力性能变化特性,并揭示了不同运行特征下液体活塞近等温膨胀的释能规律。研究结果显示:该运行方式使系统在第二次循环后进入稳定循环阶段;系统呈现出较好的等温性能,当膨胀比为5时,循环过程中空气最低温度达到282.3 K;空气与液滴换热占比随喷嘴数量的变化较为显著,喷嘴数量由2增加至18时,空气与液滴换热占比由20.2%增加至72.8%;在单个循环周期时长为4 800 s时,液体活塞膨胀释能效率和液体活塞膨胀释能量提升率都达到最大值,分别为84.6%和18.1%;液体活塞运行条件不同情况下,最佳喷淋时刻的无量纲压力存在差异。该研究为提高双罐式液体活塞近等温膨胀过程的稳定性提供了新的方案。

振荡条件下金属颗粒对气液两相流动与混合特性影响的试验研究

为进一步提升柴油机活塞腔的换热性能,通过加入金属颗粒来提升振荡状态下的两相混合程度。采用振荡流动试验方法,结合数字图像处理技术,研究金属颗粒在振荡状态下的运动学特性和两相振荡流动特性,进一步讨论转速、充液率对金属颗粒运动和最大气泡直径和混合率的影响。结果表明:转速是影响气液两相流振荡流动效果的主要因素。随着转速的增加,金属颗粒到达方腔上壁面时间缩短,瞬时速度增大,相对于270 r/min,330 r/min冲击上壁面的平均速度变化率增加133%,冲击壁面的强度增加。相对于25%充液率,75%充液率的金属颗粒冲击上壁面的最大瞬时速度降低68%,充液率过高,降低颗粒冲击上壁面强度。50%充液率左右和高转速条件下,颗粒冲击壁面强度降低,但气液两相流混合程度最好。

考虑气液耦合作用的柱塞泵三角槽空化特性分析

针对柱塞泵在运转过程中容易产生空化现象,建立了液压油黏度计算方程。方程在考虑黏温特性的前提下进一步增加了气液耦合作用的影响。根据柱塞泵结构特点,建立了柱塞泵内部流体域仿真模型,并通过压力特性试验验证了模型结果的准确性。最后探究了三角槽宽度角和深度角结构参数对柱塞泵空化特性的影响。结果表明,仿真与试验在出口压力均值上的对比误差小于4%,仿真模型可以较好地模拟柱塞泵工作实况;考虑气液耦合作用的黏度模型在配流盘内、外死点处均存在黏度下降;三角槽宽度角和深度角的增加均导致气体体积分数下降,有利于抑制空化现象,且内死点空化现象较外死点更加严重。

绝热-近等温压缩空气耦合储能过程热压匹配规律

利用液体活塞机构强化储能过程压缩空气与环境的热量传递,可以有效降低压缩热耗散,提升储能过程电能向空气压力势能的转换效率。考虑到绝热压缩与近等温压缩空气储能的优势,本工作将近等温压缩与绝热压缩方式进行合理融合提出了复合压缩空气储能,通过建立不同压缩空气方式的热力计算模型,深入分析了绝热压缩与近等温压缩耦合作用下的高效储能特征,澄清了近等温压缩对储能系统高效运行的驱动机制。研究结果表明:复合压缩空气储能过程的㶲效率高于传统绝热压缩空气储能;同时,近等温压缩空气对复合压缩空气储能性能的影响较为显著,即变压排气液体活塞近等温压缩空气储能的㶲效率比恒压排气高3%,且变排气压工况下能够更好适应储气室内压力的变化,弱化储气室充气过程的温度效应;近等温压缩空气过程增加喷淋能够使㶲效率提升3.3%,且不同时段喷淋对液体活塞近等温压缩空气效能的影响具有较大差异。

轴向柱塞泵疲劳损伤分析及寿命预测

轴向柱塞泵工作环境恶劣、工况复杂,柱塞在柱塞腔内做往复直线运动,承受着复杂的交变应力,疲劳损伤是其常见的失效形式之一。为了分析柱塞泵的疲劳损伤、预测其剩余寿命,提高其运行的安全可靠性,提出柱塞泵疲劳损伤分析及寿命预测方法。建立柱塞泵的刚-柔-液耦合模型,进行联合仿真并分析;基于Miner疲劳累计损伤理论,运用ANSYS Workbench软件及nCode模块,得到柱塞的疲劳损伤云图和疲劳寿命云图,对柱塞泵疲劳损伤的薄弱部位以及剩余寿命进行分析,最后探究了主轴转速、工作压力对柱塞泵疲劳损伤及剩余寿命的影响。结果显示:在典型工况下,柱塞的疲劳寿命约为7448.8 h,基本可以满足柱塞疲劳寿命要求。

活塞环表面液相等离子体电解碳硼共渗研究

活塞环表面强化可减少活塞环缸套摩擦磨损,提高机械效率,是商用车低碳化战略实现的重要途径与保障。为提升活塞环性能,尝试采用液相等离子体电解碳硼共渗(PEC/B)的技术方案,进行了活塞环表面改性的研究,系统探究了操作参数对工件表面形貌、硬度、相组成、截面形貌、元素分布和摩擦学性能的影响规律。研究结果表明,改性层主要由渗硼层和渗碳过渡层组成,渗硼层主要组成相为Fe 2B,渗碳过渡层的主要组成相为Fe 3C,渗碳处理可有效提升渗硼效率。改性层厚度最大可达15μm以上,渗硼层硬度最大可达1460HV。经碳硼共渗处理后,工件的摩擦因数、磨损率约为未处理工件的11%、7%,摩擦学性能显著提升。液相等离子体电解碳硼共渗为活塞环性能的提升提供了切实可行的技术途径。

活塞环表面等离子电解沉积陶瓷涂层的试验研究

为提升活塞环性能,采用液相等离子体电解沉积陶瓷涂层的技术方案,进行了活塞环表面强化的试验研究。分析了工作电压、处理时间和基体表面粗糙度对涂层结合力的影响规律,表征了PED陶瓷涂层的形貌和相组成。在此基础上,对比分析研究了PED陶瓷活塞环的硬度、摩擦学性能、耐腐蚀性能。研究结果表明:PED陶瓷涂层表面呈蜂窝状形貌,涂层的相由γ-Al_(2)O_(3)相和α-Al_(2)O_(3)相构成,且以α-Al_(2)O_(3)相为主晶相;PED陶瓷涂层与基体的结合力随工作电压的提高及处理时间的延长,均呈先增大后减小的趋势,随基体表面粗糙度的增大而增加。经PED处理后,试样的表面硬度可达1 185HV,其摩擦系数和磨损率分别降低了6.4%、29.4%;极化电阻提升至1.75×10^(4)Ω·cm^(2),较未处理活塞环提高一个数量级以上。

活塞式压力计新旧规程对面积测量的研究

液体活塞式压力计新检定规程于2023年实施。相比旧规程,新规程修正了有效面积测量时对两活塞系统的平衡判据。本研究量化比较了在新旧两种平衡判据下两活塞系统砝码配平质量的误差。结果表明:随着作用压力和被检活塞系统的自有下降速度的增加,旧平衡判据造成的误差越大,体现了新规程的科学性。

旋转式压力能交换器孔道内液柱活塞数值模拟研究

旋转式压力能交换器是利用正位移原理工作的流体能量回收装置,核心部件是沿周向开有轴向贯通孔道的转子,其通过转子孔道内形成的液柱活塞传递能量并控制掺混率.在试验研究基础上,利用数值模拟手段,建立了孔道内流体质量传递模型,说明了液柱活塞的形成过程,并分析了影响液柱活塞的主要因素.结果表明系统流量和转子转速对液柱活塞形成和运动规律有较大影响,液柱活塞能够根据流量变化和转子转速进行自适应调节,因此能够稳定地在孔道内往复移动以保证获得最大的容积利用效率.

气-液双作用热声发动机结构参数不一致性对系统热声转换特性的影响

针对气-液双作用行波热声发动机结构参数不一致性对系统热声转换特性的影响进行了数值模拟分析,分别讨论了回热器长度、液体活塞摩擦阻力以及液体活塞质量不对称的情况下,系统热声转换特性的变化。计算结果表明,仅改变一个基本单元的一个特定的结构参数时,整个气-液双作用行波热声发动机性能参数均发生改变,并且表现出不对称性。系统结构参数的不一致性对体积流率、压力振幅、相位以及气体温度的沿程分布均有明显影响。回热器产生的净声功率受结构参数不对称性影响显著,甚至可能出现某一基本单元回热器不产生声功率或消耗声功率的情况,值得重点关注。

气液耦合振动对热声发动机性能的影响

进行了气液耦合振动驻波型热声发动机定量模拟。重点比较分析了单纯气体振动系统和引入[EMIM][BF_4]室温离子液体作为液体活塞的气液耦合振动系统的运行参数,并考察了液体活塞的质量对热声发动机谐振频率、压力振幅以及板叠热端温度等的影响。

气液耦合振动热声发动机的压力特性

采用气液耦合振动是提升热声发动机系统压力振幅以及降低谐振频率的有效方式。根据热声理论,对气液耦合振动热声发动机系统进行了模拟,重点讨论了平均工作压力对压力振幅、压比和谐振频率等性能参数的影响,分析了热声板叠产生声功率以及各部件消耗声功率随平均工作压力的变化情况。进行了相关实验,以验证模拟计算结果的合理性。模拟计算和实验数据均表明,增大平均工作压力可显著提升系统压力振幅,这对于利用其驱动后续负载是有利的。

气液活塞式脉冲液体射流泵装置稳定性的理论研究

气液活赛式脉冲液体射流泵装置用于输送有毒、高温或放射性液体。装置在运行时，气液活塞筒内的气液交界面必须稳定在活塞筒内，形成稳定的脉冲运动，才能保证装置正常的稳定运行。本文在分析影响气液活塞式脉冲液体射流泵装置稳定性的主要因素基础上，运用流体力学的基本理论，导出了装置稳定性的基本方程组以及简化方程组。通过试验对上述理论进行了验证。

一种风能供暖系统及其新型压缩机的研究

针对目前燃煤锅炉供暖污染严重的问题,提出了一种利用风能供暖的系统,并对该系统的工作原理和储能实例进行了阐述;考虑到风能的不稳定,提出了利用高压压缩空气进行储能并对储能容积进行了计算。针对目前柱塞式压缩机效率低的问题,对液体活塞式压缩机和列管式换热器进行集成创新,提出了一种新型高效换热及热能再利用的压缩机,并对该压缩机的工作原理和节能效果进行了分析,说明了该新型压缩机具有较高的效率。用FLUENT软件对该压缩机进行了仿真,说明了该压缩机可以实现近似的定温压缩过程。利用该新型压缩机,能有效提高压缩机的效率和系统整体效率。

循环氢往复式压缩机活塞杆断裂原因分析

循环氢往复式压缩机是化工生产装置的关键机组,其活塞杆断裂会严重影响装置的安全生产。通过对断裂的活塞杆进行宏观检验、断口扫描电镜检验、化学成分分析、金相检验、硬度检验和力学性能试验,并结合机组的运行工况综合分析,认为循环氢往复式压缩机的氢气介质中带液,造成活塞杆的受力明显增大是导致应力集中部位发生疲劳断裂的主要原因。最后根据断裂失效原因提出了针对性的建议。

等温压缩空气储能技术及其研究进展

大规模可再生能源并网给电网运行的安全和稳定带来巨大挑战,应用先进的储能技术可以很好地解决这一问题。等温压缩空气储能技术具有结构简单、配置灵活、效率高等特点,是极具发展前景的新型储能技术。介绍了等温压缩空气储能的基本原理及其等温控制技术,分析了现有等温压缩空气储能技术研究进展情况,重点分析比较了抽水压缩空气储能技术和地面综合储能技术的主要特点。在此基础上,对等温压缩空气储能技术未来发展方向进行了展望,提出了目前该技术尚待研究以及尚未解决的关键问题。

被动活塞式气体流量主标准器

研制成功的气体小流量标准装置以被动活塞式气缸作为主标准器。活塞采用水银环密封方式,该方式可有效降低活塞与缸体摩擦,并且消除泄露。通过活塞自重形成稳定被压,保证主标准器内压力和气体流量稳定。主标准器流量范围为3ml/min～10L/min,不确定度为0.2%(k=2)。