潜热传递区域，在潜热传递区域气体损失了所 有的过热并开始在它（恒定的）液体/蒸汽平衡相变温度下凝结。
[0148] 图7b显示出在存储模式（蓄热）过程中蒸汽和HP侧回热器的温度曲线随时间的 发展。显示出蒸汽和固体的温度，并且L-V相变温度的步进是明显的。在运转的这种凝结 模式中蒸汽温度（虚线）引领回热器（隐含的，液体温度）也是明显的。如果蒸发，实线和 虚线会对调位置，并且在冷却时蒸汽会再次引领回热器（和液体）。
[0149] 如果回热器/热存储器的低温端直接连接至闭合的接收容器（蒸汽凝结到其中）， 那么步进情况实现了。这通常是这样实现的，通过使蒸汽通过液体凝结从而使更多的凝结 出现在鼓泡边界。由于这是闭合容器，随着能量以潜热形式添加至这个液体，液体的温度升 高。这也使蒸汽和液体之间的平衡压力上升，即，容器中的压力随着更多的凝结出现而提 尚。
[0150] 经过热存储器的蒸汽要继续流过存储器，由于液体容器中的压力增加了，因此蒸 汽必须以逐步变高的压力栗浦。由于进入存储器的蒸汽是干燥且过热的，这意味着，如果以 恒定压力输入蒸汽，那么供给存储器的压缩机必须以递增的压力比率来运转。这个压力比 率完全取决于液体容器中的蒸汽-液体平衡压力。如果进入压缩机的蒸汽以稳定降低的压 力和温度供给，那么也是这种情况。
[0151] 在这种情况下使用多孔固体物质热存储器具有许多十分重要并且不明显的优势。 首先，热交换温度差小于常规热交换过程的情况。其次，出现在存储器中的凝结以恒定且小 的温差（AT)发生。这应当与较早描述的在非温度步进存储器中具有相变的情形相比较， 其中凝结温度差是非均匀且显著的。
[0152] 如下按照固体热介质的方式解释上述小AT的影响：
[0153] 随着工作流体加热或冷却，涉及相变的任何热动力学循环易遭受高的不可逆性。 这出现了，是由于相变以恒温发生，而主体（热从其中流出或者流至其中）不经历相变，因 此具有变化的温度。在这些情况下，相变材料和非相变材料之间的温差不可能在相变持续 时间上保持恒定，因此在一些点上必须大于最小的可能性。由于热传递需要温差，温差是非 可逆的，因此导致产生的熵增加。
[0154] 在本发明中，饱和蒸汽凝结成的液体显示出"步进"（即，递增）的温度，即，这个问 题通过不断改变相变发生的温度和压力来解决。这造成相变过程中涉及的热传递以恒定的 温度增量发生，因为这表明这会等于平均温度差，最大温差的比例降低，显著改善了过程的 可逆性。由于温度和压力与相变温度的依赖性是实现这个情况必不可少的，这可仅适用于 蒸汽-液体或液体-蒸汽转换。
[0155] 在以下讨论中检验相变过程中端部状态温度变化率对热交换的影响。
[0156] 气体和包含固体能量存储材料的基体之间的热交换是经由气体和存储物质之间 的直接接触。只有在气体和固体之间存在温差并且热流直接正比于这个温差时，热交换才 可能出现。热存储器通常由固体材料的多孔基体组成，气体质量流穿过该基体。在气体从 蒸汽到液体的相变过程中，如果强制使在一点的温度变化速率为特定值，在那个点蒸汽和 固体之间的温度差变得存在于存储器的整个相变区域上。
[0157] 为什么会发生这种情况：
[0158]符号：
[0159]S 熵
[0160]Tg气体温度
[0161]Ts固体温度
[0162] e孔隙率
[0163] h 膜传热系数
[0164] lp颗粒尺度尺寸
[0165] 麻气体质量流率
[0166]A 存储器横截面面积
[0167]Ps存储器材料固体密度
[0168]cs存储器材料热容量
[0169]x 沿流动方向的存储器尺寸
[0170]由以下等式给出在存储器内给定点从气体到固体的熵变化率：
[0171]
⑴
[0172] 并由以下等式给出固体淵度的变化率：
[0173]
(2:)[0174]设定AT= (Tg_Ts)，并重新整理等式1和2以使AT由以下主项给出：
[0175]
[0176]
[0177]
[0178] 这里a，b和c是常数。
[0179] 这样能够观察到，如果热传递发生，AT必定非零。如果相变出现，那么Tg会是常 dr 数，所以AT的给定值要求j的比例值。这样的效果是，如果相变是从蒸汽到液体，固体 温度肯定小于气体温度，但固体温度肯定升高。如果使存储器出口温度不断升高，那么结果 是蒸汽温度会以相似的速率升高，因此相变温度也会以相似的速率升高。这还要求压力升 高，因为凝结温度不能在这没有发生的情况下升高。结果是相变热交换恒定地在存储器内 .70 发生，因此AT最小，并且蒸汽的熵随距离（f)恒定减小，但在相变区域上沿存储器具有 ax dT 平坦的温度曲线（-7夂）。这里描述成为"步进的相变温度"，结果是尽可能最小的温度差 导致产生的熵尽可能最低，因此可逆性尽可能最高。这非常显著地改善了其中包含的任何 能量存储周期的有效性。
[0180] 使用实际的气体状态等式来模拟热存储器蓄热确认了在相变区域上气体和热存 储器材料之间的常数at。图7b是根据热存储器蓄热过程的这个模拟（即，热气体进入较 冷的存储器），在存储器长度上气体和固体材料温度曲线的典型图。虚线代表蒸汽温度曲 线，而实线代表多孔存储物质的温度。
[0181] 允许蒸汽在热存储器内完全凝结是不可取的，因为这会妨碍冷凝容器温度以与多 孔物质存储器中凝结温度完全平行升高。这会导致多孔物质存储器的退出流以与存储器中 已经存在的液体不同的温度进入液体存储器，因此不可逆的热混合会发生。
[0182] 又一优势在于，存储器的所有部分可以在所有时间都是热活跃的，S卩，存储器的每 个部分可同时经历热交换以致达到100%的存储器利用率（与现有技术存储器相比，这里 气体仍然需要通过与压力损失有关的不活跃区域）。
[0183] 最后的优势归因于大多数材料与温度变化有关的热容量变化。在常规的对流热交 换情况下，随着温度改变，如果一种流动是气态，而相对的流动是液体时，两种流动的热容 量通常倾向于彼此相反地变化，因为两种流动中任一种的质量流在热交换器内的所有位置 处必定是瞬态常数，结果热容量不匹配导致非常不均匀，因此热交换温度差并非最小。与蒸 汽亲密接触的多孔物质存储器总是自动地使这个温度差最小，于是保持可逆性最大。
[0184] 总之，多孔物质热存储器与步进温度的特定结合能够在整个存储器中产生最小的 热交换温度差，可导致存储器在所有时间100%的有效热交换，可提供凝结蒸汽与多孔热存 储物质之间（即，在存储器下游相变区域中）恒定且最小的相变温度差，并可导致存储器 100%的利用率。如果在高温侧与闭合的冷凝容器结合，随着供给压缩机响应于冷凝容器中 稳步升高的温度，步进变成自动的。热存储器因此准确并立即响应于液体存储器内的压力 和温度变化。
[0185] 参照图7b，应当注意到，显示出恒定但稳定增长的蒸汽温度（即，L-V相变温度） 曲线也反映出热水箱中的液体温度，并且液体温度随蒸汽压力逐步增加而"步进"。这具有 十分重要的益处，它允许热水箱中少量液体以有效方式（即，高度不可逆）吸收相变能量 (即，吸收凝结的热），该有效方式是指使熵增加最小化，因为即使是在相变进行时也保持 小的增量（delta)T。
[0186] 如图6b中的情况，如果在任意点热存储器中没有凝结，例如，如果蓄热持续了很 长时间以致相变区域退出了热存储器，那么是包含过热的干燥蒸汽与液体以较大的增量T 交换热，而不是饱和蒸汽与水箱中的液体以小的增量T交换它的潜热。
[0187] 图7c显示出蓄热过程中HP回热器温度曲线如何随时间变化。可以看出，在图右侧 的温度随蓄热状态增加而增加，反之可看出，热前缘从左向右行进。相变区域是各迹线的水 平部分，尽管应当注意到，热存储器内相变的程度很低，离开存储器的蒸汽典型地具有大于 〇. 8的量（干度），S卩，典型地至少80%的相变发生在回热器的下游（在蒸汽接收水箱中）， 通常更多，但总是小于100%。
[0188]图 5
[0189]图5示出根据本发明第二实施方式的能量存储系统204,包括在系统的较低压力 LP侧的又一回热器40以进一步提高循环效率。添加这个LP侧回热器确保压缩或膨胀的所 有蒸汽都是干燥的，即，不包含液滴。
[0190] 存储来自LP(冷）侧蒸汽的一些过热是非常可取的。这通过在冷液体容器和压缩 机/膨胀机之间添加显热存储器（回热器）实现。考虑到通过用压缩机抽吸一些冷侧的蒸 汽来降低冷侧压力的效果。冷容器中的液体开始与也存在于容器中的蒸汽平衡。随着蒸 汽被压缩机抽吸掉，容器中的液体沸腾，这个过程所需的、来自液体的潜热导致液体温度下 降。显热存储器仍大致在初始平衡温度，所以通过这个热存储器的蒸汽通道加热了蒸汽。由 于这个蒸汽最初在饱和温度，任何加热导致某种程度的过热，因此进入压缩机的蒸汽本质 上是完全干燥的，所以压缩过程能够高度可逆，因为在蒸汽蓄热中没有液滴被压缩。在压缩 或膨胀条件下，在蒸汽中存在微滴，由于微滴的尺寸有限，导致微滴与周围蒸汽之间温度不 匹配，所以自然会导致不可逆的热交换。
[0191] 在释热周期中，由于这个系统的热侧是高度可逆的，并且蒸汽情况类似于蓄热或 释热的给定状态下在系统的所有部分中蓄热周期中发现的情况（即，如果系统以完全蓄热 瞬态相似的百分比蓄热或释热），离开膨胀机的蒸汽仍然会过热至与相应的蓄热过程中相 似的程度。压缩机/膨胀机中的蒸汽因此在整个压缩/膨胀过程中会总是干燥的。这使得 这个过程非常高度可逆，并且即使是在系统的冷侧存在小的过热存储单元也的确是十分可 取的，会提尚循环效率。
[0192]LP回热器不需要像任何数量的热存储器一样大，导致蒸汽某种程度的过热（蒸汽 总是比LP回热器要冷）。
[0193]图 8
[0194]图5系统的蓄热周期示于图8中。释热周期是类似的，具有理想化的"完美"机制， 会准确叠加在蓄热周期上。注意到，箭头显示出如前的蓄热过程中T-S回路扩张的方向。释 热时这些箭头的方向是相反的。
[0195] 在压缩后，蒸汽被加热，由于热存储器温度代表系统在比新鲜蒸汽状态所代表的 蓄热状态要低的系统情形，所以蒸汽现在比热存储器50更热。通过热存储器50的通道因 此使蒸汽冷却，理想地达到在存储器内刚刚实现饱和的点。到热水箱的通道经由管34到达 水箱底部，这里蒸汽通过已经存在的液体，并且返回至液体的相变持续在水箱内进行。因为 进入水箱的蒸汽总是比水箱内液体的温度稍高，这个水箱的温度在蓄热过程中持续升高， 由于吸收了蒸汽汽化的热，这加热了热水箱中的液体。这个温度的升高也导致蒸汽压力增 加，因此系统的压力比率稳定增加。升高的热水箱温度还在热存储器的出口提供了步进的 L-V相变温度，这是在最小AT相变所必须的，因此得到了最大的可逆性，如上所述。
[0196] 图 9-11
[0197] 以下图9-11注释了循环中的关键温度点。参照图9中示出的两个示意的热存储 器（回热器）系统：
[0198] 1冷水箱温度
[0199] 2 压缩机/膨胀机冷侧温度
[0200] 3 压缩机/膨胀机热侧温度
[0201] 4 热水箱温度
[0202] 区域1-4注释在如温度-熵（T-S)坐标系的图10的T-s图上。在图11蓄热状态 对温度的图上示出各点的时间史。
[0203] 根据图11，清楚地，对蒸汽包而言，由于LP侧回热器提供的附加过热，蓄热时温度 从点1升高至2,压缩后在点3温度有大的增加，但在点4的温度已下降，因为一些通过HP 侧回热器的冷却，在凝结前，尽管"热侧"点4的温度仍然比LP侧"冷侧"点的温度高。
[0204] 不论是设备的哪一侧，或蓄热模式，回热器都总是起到贡献热至蒸发蒸汽（再生 式存储），并去除和存储即将冷凝的蒸汽的热的作用。然而，因为循环不是对称的，蓄热过程 中（图9中从3