CN103161774A - 一种可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于液体活塞技术领域，具体涉及一种可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置。两个液体活塞腔的顶部分别与高压气体管道、低压气体管道连接；两个液体活塞腔的底部都通过各自的液体管道与外部水力设备连接；液体活塞腔内设置多个腔内蓄液单元，工作时液体会驻留其中，利用蓄液单元增大液体与气体间接触面积提高两者的热交换速度,利用液体温度控制气体温度变化以实现气体等温缩放的目的。腔内蓄液单元有两种基本结构和喷淋式、液体循环式、滤气式等多种增强型控温方式，可以通过一种或几种组合方式实现。
Description
技术领域
本发明属于液体活塞技术领域和压缩空气储能领域，尤其涉及一种利用液体活塞的补热控温技术，具体涉及一种可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置。
背景技术
储能技术已被视为电网运行过程中的重要组成部分，其中压缩空气储能应用较为广泛。但压缩空气储能存在一定的局限性，压缩空气储能的主要缺点是通常与燃气轮机配合，需要消耗燃气，产生环境污染，易泄露，能量密度低，且空气压缩、膨胀时，温度变化剧烈，对设备的伤害较大，造成检修成本高。
近年来，已有研究将液体活塞应用于压缩空气储能中，解决了压缩空气储能所带来的环境污染问题，但空气压缩/膨胀过程多为绝热或自由膨胀过程，温度变化剧烈，产生热量不易保存，压缩空气势能不能完全利用，储能利用效率低。
国内外现有的液体活塞中，每个活塞腔都由单一高压容器组成，无蓄液单元部分设计，更无腔内温控单元。其弊端在于气体缩放过程多为绝热、自由膨胀过程，使得压缩空气释放能量效率低。
发明内容
本发明针对压缩空气储能的压缩过程中存在热量损失和膨胀时低温导致压强下降能量损耗大的问题，提出一种可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置。
本发明采用的技术方案为：
两个液体活塞腔的顶部分别与高压气体管道和低压气体管道连接；两个液体活塞腔的底部与外部水力设备连接；液体活塞腔内设置多个腔内蓄液单元。
所述外部水力设备为包括液压活塞机构、液压马达在内的由液体势能差驱动的设备，利用外部水力设备实现液体势能与其他形式能量之间的转换。
所述腔内蓄液单元以导热材料构造，用于存储液体，增大与气体的接触面积，促进液体和气体的热交换，基于液体比热大的特点，利用稳定的液体温度控制气体温度，限制温度变化在一定范围内。
所述腔内蓄液单元有两种基本结构，分别为上部开放底部封闭的水槽结构以及上部主体封闭下部通过管道连接至在活塞腔底部液面以下的水包结构；在此基础上采用喷淋式、液体循环式、滤气式三种控温方法进一步增强控温效果
所述腔内蓄液单元第一种基本结构，即上部开放底部封闭的水槽结构形式为：若干个腔内蓄液单元按纵向置于液体活塞腔内，腔内蓄液单元与液体活塞腔内壁之间存在空隙，液体和气体可以从空隙中通过，利用气体对流方式实现温度控制。
所述腔内蓄液单元第二种基本结构，水包结构形式为：腔内蓄液单元的上部主体以封闭的水箱或管道形式置于液体活塞腔内，腔内蓄液单元底部通过管道接至液体活塞腔底部液面以下，当液面低于腔内蓄液单元时，由于上端封闭，上部主体结构里的液体会留存，通过气体对流方式实现对气体的温度控制。
为进一步提高对流效果，无论是水槽结构和水包结构形式，都可以增加散热片等辅助设施增大导热部分的面积，提高液体和气体间热交换的能力。。
所述喷淋式控温方法为：腔内蓄液单元采用两种基本结构的一种，其水槽结构的底部或水包结构的上部主体的底部设置水孔，当液面低于腔内蓄液单元底部后，液体会从水孔中流出形成向下喷淋的效果，增强液体和气体的热交换。
所述滤气式控温方法为：腔内蓄液单元为水槽结构，若干个腔内蓄液单元按纵向置于液体活塞腔内，腔内蓄液单元与液体活塞腔内壁之间存在空隙，在水槽结构的上方中央位置设置挡板，截断腔内蓄液单元上方的气道，构造局部微型液体活塞，使气体以气泡形式通过蓄液单元，加强气体和液体之间的热交换。
所述液体循环式控温方法为：当液面低于腔内蓄液单元主体后，水包结构的腔内蓄液单元下部管道的一端或两端接入水泵，驱动液体活塞腔底部的液体和腔内蓄液单元内的液体循环；或采用额外的管道和水泵，将液体活塞腔底部的液体送入水槽结构蓄液单元内，形成液体循环增强液体和气体热交换。
所述腔内蓄液单元的第一种基本结构的底部或第二种基本结构的上部主体密闭处设有阀门，阀门关闭时腔内蓄液单元具有蓄液能力，阀门打开时腔内蓄液单元内外的水混合，使腔内蓄液单元内外液体温度一致。
所述腔内蓄液单元的构造方式及控温方法可任意组合使用。
所述液体活塞腔采用内部液体吸放热对气体进行温度控制，当长时间工作时液体温度会超过允许的范围。此时可以利用液体活塞腔底部液体端口排出液体，重新从其他合适液体源处获得合适温度的液体泵入活塞腔。
本发明的有益效益包括以下几个方面：
（1）本发明对传统压缩空气储能技术进行改良，以液体为介质对空气进行压缩和释放，减少了气体缩放时泄漏和机械滑动带来的摩擦，能量释放彻底，效率高；既集成液体活塞的优点，又兼顾温控功能，提高了压缩空气中能量的利用效率，具有很好的节能效果；解决了气体体积变化所带来剧烈温度变化对设备的潜在危害，保证工作气体在储能/释能过程中温度基本稳定。
（2）本发明在液体活塞腔中设置蓄液单元，解决了压缩空气储能过程中对温度变化对效率影响的问题，腔内蓄液单元通过特殊结构设计实现气体等温压缩、膨胀过程，提高压缩空气效率。
（3）本发明将压缩空气中的势能以液体为介质进行转换，通过外接能量转换单元，将液体势能转换为机械能或其他能量形式，为发电或机械制造等提供原动力。整套装置提高了压缩空气储能的能量利用效率，并且保留了液体活塞应用于压缩空气储能所具有的少污染、少泄漏、少摩擦的优点，构成绿色高效压缩空气储能系统。
（4）本发明采用液体活塞，可以通过压力转换管道设计，实现高、低压水端口，方便外接能量转换单元连接，并实现两腔之间的液体进行交换。
（5）本发明可以实现就地安装，降低压缩空气储能硬件要求，不需要特定地理条件，降低建设安装难度，减少建设安装成本。
附图说明
图1是可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置的一种实现方案；
图2是腔内蓄液单元采用水槽结构的示意图；
图3是腔内蓄液单元采用水槽结构，结合滤气式控温方法的结构示意图，其中图3（a）和图3（b）分别为单设挡板和挡板、水槽结合两种形式；
图4是腔内蓄液单元采用水槽结构，喷淋式、液体循环式两种控温方法的结构示意图；
图5是腔内蓄液单元采用水包结构，液体循环式控温方法的结构示意图，其中图5（a）和图5（b）分别为主体封闭管道式的不同表现形式；
图6是本发明提供的一种内控温液体活塞装置的图4、图5结构及控温方式组合整体示例图的结构示意图；
图7（a）是本发明提供的一种内控温液体活塞装置的图2、图4结构及控温方式组合整体示例图，其中图7（b）为蓄液单元的细节放大图。
图8是腔内蓄液单元底部带有阀门的内控温液体活塞装置的总体结构图；
图9是外部水力设备为液压水泵时的总体结构图；
图10是外部水力设备为液压活塞时的总体结构图；
图中标号：
1-高压气体端口，2-低压气体端口，3-第一液体端口，4-第二液体端口，5-第一液体活塞腔，6-第二液体活塞腔，7-腔内蓄液单元，8-高压气体管道，9-低压气体管道，10-第一液体管道，11-第二液体管道，12-外部水力设备，13-18-阀门，19-蓄液单元挡板，20-水泵，21-液体循环管道，22-渗水孔，23-腔内蓄液单元底部的阀门，24-27-阀门，28-液压水泵，29-32-阀门，33-液压活塞。
具体实施方式
本发明提供了一种可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置，下面结合附图对本发明做进一步说明。
图1是可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置的一种实现方案。该装置由两个液体活塞腔5、6、若干腔内蓄液单元7、高压气体管道8、低压气体管道9、液体管道10、11、若干阀门13-18组成；其中第一液体活塞腔5的顶部通过阀门13和14分别与高压气体管道8和低压气体管道9连接，第二液体活塞腔6的顶部通过阀门15和16分别与高压输气管道8、低压输气管道9连接；液体活塞腔5和6内设置多个腔内蓄液单元7，通过液体与气体的快速热交换以实现气体等温缩放的目的；液体活塞腔5和6的底部分别设置液体外接端口3和4，并通过管道与外部水力设备12连接。外部水力设备12将高压液体的势能转换为其他形式的能量，为发电机或者其他设备提供原动力，并且承担两腔之内液体交换的作用，可以是液压活塞或液压马达等由液体势能差驱动的设备。
腔内蓄液单元7以导热材料构造，如金属等，用于存储液体，利用液体比热容大的特点实现对气体温度的控制。
腔内蓄液单元7有水槽结构和水包结构两种基本结构，可以采用喷淋式、液体循环式、滤气式等多种控温方法进一步增强控温效果。
图2是腔内蓄液单元采用水槽结构的示意图。腔内蓄液单元7为水槽结构，若干个腔内蓄液单元7置于液体活塞腔5和6内，腔内蓄液单元与液体活塞腔内壁之间存在空隙，为气体流动的通道。水槽可以如图所示固定在液体活塞腔内壁上，也可以把水槽依次层叠固定在液体活塞腔底部或其他地方，甚至可以不固定,以任意排列方式设置在液体活塞腔中。
图3是腔内蓄液单元采用水槽结构，滤气式控温方法的结构示意图。腔内蓄液单元7为水槽结构，若干个腔内蓄液单元7置于液体活塞腔5和6内，腔内蓄液单元与液体活塞腔内壁之间存在空隙，在水槽结构的上方及中央位置设置挡板19，使腔内蓄液单元上方的气道密闭，构造微型液体活塞，使气体以气泡形式通过蓄液单元，保证气液充分混合，热交换过程进行充分，维持腔内气体温度稳定。其中图3（a）和图3（b）分别为单设挡板和挡板水槽结合两种形式。
图4是腔内蓄液单元采用水槽结构，喷淋式、液体外循环式两种控温方法的结构示意图。腔内蓄液单元7置于液体活塞腔5和6的顶部，液体活塞腔内底部的液体通过水泵20、液体循环管道21送入顶部的腔内蓄液单元7，腔内蓄液单元7底部设置渗水孔22，形成向下喷淋的效果。
图5是腔内蓄液单元采用水包结构，液体循环式控温方法的结构示意图，其中图5（a）和图5（b）分别为平行和螺旋管道两种形式。腔内蓄液单元7以平行、螺旋式钢管构造，置于液体活塞腔5和6内液体部分的上方，管道结构的两端设置水泵20，置于液体活塞腔的底部，驱动液体活塞腔与腔内蓄液单元内的液体循环，保持气体温度稳定。
此外，以上提到的蓄液单元的两种基本结构可组合，三种控温方式也可自由组合，构成多种液体活塞腔设计，图4便是喷淋式、液体外循环式两种控温方法相结合的实例。
图6是本发明提供的一种内控温液体活塞装置的图4、图5结构及控温方式组合整体示例图；
图7（a）是本发明提供的一种内控温液体活塞装置的图2、图4水槽结构及喷淋式控温方式组合整体示例图，图7（b）为蓄液单元细节放大图。
图8是腔内蓄液单元底部带有阀门的内控温液体活塞装置的总体结构图。当阀门关闭时，腔内蓄液单元具有蓄液能力；当阀门打开时，蓄液单元内外的水可以混合，使蓄液单元内外液体充分混合，保持温度一致。
图9和图10所示为外部水力设备的两种具体实现方式。图9为液压水泵，图10为液压活塞。它们都是由液体势能差驱动的设备，可以将高压液体的势能转换为电能、机械能等其他形式的能量，为发电机或者其他设备提供原动力，并且承担两液体活塞腔之间液体交换的作用。
液体活塞工作时，气体膨胀做功过程为：假设初始时，液体活塞腔5内蓄满液体，液体活塞腔6内存有少量液体，阀门13、16打开，阀门14、15关闭，适量高压气体通过高压输气管道8进入液体活塞腔5，然后关闭阀门13，高压气体在液体活塞腔5内膨胀做功，使液体活塞腔5内水平面下降，液体自第一液体外接端口3流出，由于液体活塞腔6与低压气体管道相连，液体外接端口3、4之间形成势能差，为外部水力设备12提供原动力，将水的势能转换为直线机械运动，同时将液体送进液体活塞腔6中，液体活塞腔5内水平面下降。同时，腔内蓄液单元7中存储部分液体，与空气进行热交换，实现气体膨胀过程中温度的稳定。做功阶段过程结束时，液体活塞腔5内液体只有底部的少量液体（腔内蓄液单元中仍蓄满液体），液体活塞腔6内蓄满液体，此时将阀门14、15打开，阀门13、16关闭，适量高压气体由高压输气管道8进入液体活塞腔6，然后阀门15关闭。之后的气体在液体活塞腔6中的膨胀过程与上述液体活塞腔5内气体膨胀过程相同。如此反复可以将压缩空气中的能量完全释放。
气体压缩过程为：假设初始时，液体活塞腔5内几乎没有液体（只有腔内蓄液单元5中蓄满液体），液体活塞腔6内蓄满液体。关闭阀门13、14、15，打开阀门16。外部水力设备12做功将液体活塞腔6内的液体抽至液体活塞腔5内，液体活塞腔5内的液面逐渐上升，气压逐渐升高，当液体活塞腔5内的气压大于高压气体管道8中的气压时，打开阀门13，将高压气体输送到高压气体管道8中。此时液体活塞腔5中充满液体，液体活塞腔6中除腔内蓄液单元外只有底部少量液体，之后关闭阀门13和16，打开阀门14，外部水力设备12将液体活塞腔5中的液体抽到液体活塞腔6中，然后将压缩得到的高压气体输送到高压气体管道8中，过程与上述过程相同。如此反复可以将电能源源不断地转换为压缩空气的势能存储起来。
Claims (11)
1.一种可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置，其特征在于：两个液体活塞腔（5）和（6）的顶部分别与高压气体管道（1）和低压气体管道（2）连接；两个液体活塞腔的底部与外部水力设备（12）连接；液体活塞腔内设置多个腔内蓄液单元（7）。
2.根据权利要求1所述的可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置，其特征在于：所述外部水力设备为包括液压活塞机构、液压马达在内的由液体势能差驱动的设备，利用外部水力设备实现液体势能与其他形式能量之间的转换。
3.根据权利要求1所述的可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置，其特征在于：所述腔内蓄液单元以导热材料构造，用于存储液体，增大与气体的接触面积，促进液体和气体的热交换，基于液体比热大的特点，利用稳定的液体温度控制气体温度，限制温度变化在一定范围内。
4.根据权利要求1所述的可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置，其特征在于：所述腔内蓄液单元有两种基本结构，分别为上部开放底部封闭的水槽结构以及上部主体封闭下部通过管道连接至在活塞腔底部液面以下的水包结构；在此基础上采用喷淋式、液体循环式、滤气式三种控温方法进一步增强控温效果。
5.根据权利要求4所述的可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置，其特征在于：所述腔内蓄液单元第一种基本结构，水槽结构形式为：蓄液单元的上部开放底部封闭，若干个腔内蓄液单元置于液体活塞腔内，腔内蓄液单元与液体活塞腔内壁之间存在空隙，液体和气体可以从空隙中通过，利用气体对流方式实现温度控制。
6.根据权利要求4所述的可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置，其特征在于：所述腔内蓄液单元第二种基本结构，水包结构形式为：腔内蓄液单元的上部主体以封闭的水箱或管道形式置于液体活塞腔内，腔内蓄液单元底部通过管道接至液体活塞腔底部液面以下，当液面低于腔内蓄液单元时，由于上端封闭，上部主体结构里的液体会留存，通过气体对流方式实现对气体的温度控制。
7.根据权利要求4所述的可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置，其特征在于：所述喷淋式控温方法为：腔内蓄液单元采用两种基本结构的一种，其水槽结构的底部或水包结构的上部主体的底部设置水孔，当液面低于腔内蓄液单元底部后，液体会从水孔中流出形成向下喷淋的效果，增强液体和气体的热交换。
8.根据权利要求4所述的可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置，其特征在于：所述滤气式控温方法为：腔内蓄液单元为水槽结构，若干个腔内蓄液单元按纵向置于液体活塞腔内，腔内蓄液单元与液体活塞腔内壁之间存在空隙，在水槽结构的上方中央位置设置挡板，截断腔内蓄液单元上方的气道，构造局部微型液体活塞，使气体以气泡形式通过蓄液单元，加强气体和液体之间的热交换。
9.根据权利要求4所述的可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置，其特征在于：所述液体循环式控温方法为：当液面低于腔内蓄液单元主体后，水包结构的腔内蓄液单元下部管道的一端或两端接入水泵，驱动液体活塞腔底部的液体和腔内蓄液单元内的液体循环；或采用额外的管道和水泵，将液体活塞腔底部的液体送入水槽结构蓄液单元内，形成液体循环增强液体和气体热交换。
10.根据权利要求4所述的可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置，其特征在于：所述腔内蓄液单元的第一种基本结构的底部或第二种基本结构的上部主体设有阀门，阀门关闭时腔内蓄液单元具有蓄液能力，阀门打开时腔内蓄液单元内外的水混合，使腔内蓄液单元内外液体温度一致。
11.根据权利要求5-10所述的可使气体等温缩放的内控温液体活塞装置，其特征在于：所述腔内蓄液单元的构造方式及控温方法可任意组合使用。
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