一种等温压缩空气储能系统及其等温实现结构

本发明属于压缩空气储能，涉及一种等温压缩空气储能系统及其等温实现结构，通过在活塞装置的气缸顶部壁面上设置吸气型顶喷式泡沫喷头，用于在压缩或膨胀过程中向气缸内喷射均匀细密的气体泡沫，以实现气体与泡沫混合液之间的等温换热，从而提高了等温压缩空气储能系统的循环效率和性能。

背景技术：

1、压缩空气储能(compressed air energy storage,caes)技术具有储能密度大、储能规模大、使用寿命长和能量成本低等优点，但同时压缩空气储能技术的往返效率也受到热利用效率和运行条件变化的限制。由于压缩和膨胀过程中空气的温度会发生显著变化，导致热能的损失和额外的能量消耗，因此caes技术的循环效率一般在40％左右。

2、等温压缩空气储能(isothermal compressed air energy storage,i-caes)技术是一种改进的caes技术，其原理是在压缩和膨胀过程中向空气中喷入大比热容的介质(如水或油)，从而实现空气与介质之间的快速换热，使得空气的温度保持在较为稳定的水平。i-caes技术可以显著提高caes技术的循环效率，研究表明，实现等温或近等温压缩和膨胀过程是提高压缩空气储能系统效率的有效方法，i-caes技术的循环效率可以达到70％以上。

3、目前，等温压缩空气储能(i-caes)系统多使用直接换热式系统实现等温过程。在储能过程，向空气喷入大比热容的介质，增大气液接触面积和接触时间，与压缩空气快速换热，控制压缩过程的温升，然后通过分离器等设备获得压缩空气并存储；释能过程，通过向压缩空气喷入高比热容介质与压缩空气快速换热，控制空气的温降。但直接换热式系统也存在一些问题，对于目前喷入液滴实现等温压缩/膨胀的技术而言，液滴在下降过程中容易破裂，且在压缩腔室内分布不均匀，从而导致液滴与空气的换热效果降低。同时对于固体活塞式压缩机/膨胀机而言，液滴还可能聚集在活塞上而失去换热能力。

4、相较于液滴，泡沫的密度接近空气密度且具有一定的流动性和可变性，可随着活塞的运动而变化位置和形态，从而避免了活塞上的堆积和粘连，上述原因使得泡沫在压缩腔室内的分布较为均匀。同时，由于泡沫由许多小气泡组成，每个气泡都有一个薄膜包裹，这些薄膜可增加泡沫与空气的接触面积，有利于其提高换热效果。此外，泡沫在高速流动的空气中不易破裂，因为泡沫具有一定的弹性和稳定性，可抵抗剪切力和碰撞力的作用，从而保持其形状和完整性，由于泡沫在流动过程中可保持其完整性且与空气接触面积大，所以使用泡沫代替液滴以强化气液间的换热，是提升等温压缩空气储能系统换热性能的有效手段，如中国发明专利cn104358593b所公开的“一种等温膨胀的单阀膨胀机系统及方法”、cn104806313b所公开的“一种等温压缩空气储能系统及方法”、美国发明专利us8661808b2所公开的“high-efficiency heat exchange in compressed-gas energy storagesystems”等现有技术中都采用了在压缩空气中喷射泡沫强化换热的技术。

5、针对目前喷入液滴实现等温压缩/膨胀技术中所存在的液滴易破裂及聚集在活塞上而导致液滴与空气的换热效果降低，以及如何进一步提高泡沫与空气的换热效率和icaes系统的循环效率，是本领域中亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、(一)发明目的

2、针对目前喷入液滴实现等温压缩/膨胀技术中所存在的液滴易破裂及聚集在活塞上而导致液滴与空气的换热效果降低，为进一步提高泡沫与空气的换热效率和icaes系统的循环效率，本发明提出了一种等温压缩空气储能系统及其等温实现结构，通过在活塞装置的气缸顶部壁面上设置吸气型顶喷式泡沫喷头，用于在压缩或膨胀过程中向气缸内喷射均匀细密的气体泡沫，以实现气体与泡沫混合液之间的等温换热，从而提高了等温压缩空气储能系统的循环效率和性能。

3、(二)技术方案

4、为实现该发明目的，本发明采用如下技术方案：

5、本发明的第1个发明目的在于提供一种等温压缩空气储能系统的等温实现结构，包括若干往复式固体活塞装置，所述往复式固体活塞装置用于对气体做功以形成高压压缩气体或利用高压压缩气体对外膨胀做功，每一所述往复式固体活塞装置至少包括一顶部封闭而底部开放的筒状气缸、一设置在所述气缸中与气缸内壁形状相适配并沿气缸轴线上下往复运动的活塞以及一与所述活塞传动连接的曲柄连杆机构，其特征在于，

6、所述气缸的顶部壁面上设有若干进气口和排气口，每一所述进气口和/或与其直接连通的进气管线上均设有至少一进气单向阀，每一所述排气口和/或与其直接连通的排气管线上均设有至少一排气单向阀；

7、所述气缸顶部壁面的中心位置处至少设有一吸气型顶喷式泡沫喷头，且至少各所述进气口沿周向分布设置在所述泡沫喷头的外围，所述泡沫喷头的本体上至少设有一泡沫混合液进口通道、一气液混合腔、若干压缩气体进口通道、一气体泡沫出口通道和一多孔网状结构体，其中，

8、所述泡沫混合液进口通道沿所述泡沫喷头的中心轴线延伸，其顶部进口端通过管路与外部设置的一泡沫混合液储罐连通，且二者之间的连通管路上至少设有一进液单向阀，其通道内壁沿轴向由其顶部进口端至其底部出口端整体呈内径逐渐收缩的锥形通道结构，

9、所述气液混合腔形成在所述泡沫混合液进口通道的出口端的下方，其顶部进口与所述泡沫混合液进口通道的出口端连通，其底部开口与设置在其下方的所述气体泡沫出口通道连通，

10、各所述压缩气体进口通道沿周向均匀分布在所述气液混合腔的外围，其进口端均与所述气缸的内腔环境连通，其出口端均与所述气液混合腔连通，

11、所述气体泡沫出口通道形成在所述气液混合腔的下方，并沿所述泡沫喷头的中心轴线延伸，其顶部进口端与所述气液混合腔连通，其底部出口端与所述气缸的内腔环境连通，且其通道内壁沿轴向由其顶部进口端至其底部出口端整体呈内径逐渐扩张的喇叭型通道结构，

12、所述多孔网状结构体整体呈伞状结构，并至少罩设在所述气体泡沫出口通道的出口端的外围，用以将所述气体泡沫出口通道喷射出的气液混合体击散为细密均匀的气体泡沫，并以呈伞状气泡云团的形式向其外围喷射至所述气缸的内腔环境中。

13、本发明优选的实例中，所述泡沫喷头中，各所述压缩气体进口通道均沿切向与所述气液混合腔连通，使压缩气体注入所述气液混合腔时形成旋转气流，以强化气液之间的旋流混合效果。

14、本发明优选的实例中，所述泡沫喷头中，所述气体泡沫出口通道内至少设有一旋流器，用以使从所述气液混合腔喷射出的气液混合体在通过所述旋流器时产生旋转运动，从而增加气液混合体与所述旋流器和所述气体泡沫出口通道内壁之间的相对速度和摩擦力，进而提高气液混合体的湍流程度和发泡效果。

15、本发明优选的实例中，所述泡沫喷头中，所述泡沫混合液进口通道与泡沫混合液储罐之间的连通管路上还设有一流量传感器和一流量控制器，用于根据压缩或膨胀过程中气体的流量变化，自动调节泡沫混合液的流量，以保持气体与泡沫混合液之间的流量比在一定范围内，从而提高气液混合均匀性和换热均匀性。

16、本发明优选的实例中，所述泡沫喷头中，其泡沫混合液的允许混合比范围为3～130％，泡沫喷头的发泡倍数≥5，额定流量范围为50～100l/min，流量特性系数范围为5～23。

17、本发明优选的实例中，所述往复式固体活塞装置为一近等温压工作压缩机，所述近等温压工作压缩机的工作过程分为3个冲程：在进气冲程中，所述泡沫喷头不工作，所述进气单向阀处于打开状态，而所述排气单向阀、进液单向阀处于关闭状态，活塞从上止点运动到下止点，使待压缩气体进入气缸内腔中；在压缩冲程中，打开所述进液单向阀而启动所述泡沫喷头，并关闭所述进气单向阀、排气单向阀，活塞从下止点运动到上止点，同时泡沫混合液通过所述泡沫喷头喷射出均匀细密的气体泡沫与被压缩气体混合换热；在排气冲程中，关闭所述进液单向阀而使所述泡沫喷头停止工作，同时关闭所述进气单向阀，并打开所述排气单向阀，使气体泡沫随高压压缩气体排出气缸内腔。

18、本发明优选的实例中，所述往复式固体活塞装置为一近等温压工作膨胀机，所述近等温压工作膨胀机的工作过程分为3个冲程：在进气冲程中，所述泡沫喷头不工作，所述进气单向阀处于打开状态，而所述排气单向阀、进液单向阀处于关闭状态，活塞从上止点运动到进气结束点，使高压压缩气体进入气缸内腔中；在膨胀冲程中，打开所述进液单向阀而启动所述泡沫喷头，并关闭所述进气单向阀、排气单向阀，活塞从进气结束点运动到下止点，同时泡沫混合液通过所述泡沫喷头喷射出均匀细密的气体泡沫与高压压缩气体混合换热；在排气冲程中，关闭所述进液单向阀而使所述泡沫喷头停止工作，同时关闭所述进气单向阀，并打开所述排气单向阀，使气体泡沫随膨胀后的气体排出气缸内腔。

19、本发明的第2个发明目的在于提供一种等温压缩空气储能系统，其特征在于，所述系统设置有上述第1个发明目所提供的等温实现结构。

20、(三)技术效果

21、同现有技术相比，本发明的等温压缩空气储能系统及其等温实现结构具有以下有益且显著的技术效果：

22、(1)利用吸气型顶喷式泡沫喷头产生空气泡沫。吸气型顶喷式泡沫喷头能够产生细密均匀的泡沫，满足近等温压缩机/膨胀机中对泡沫的要求，应用在近等温压缩机中以提高空气在有限时间内的换热量。相较于液滴，空气泡沫具有更高的稳定性、更大的接触面积、更低的密度和更好的流动性，可以有效地解决现有技术中液滴易破裂、分布不均匀、聚集在活塞上等问题，从而提高了气体与泡沫混合液之间的换热效率和循环效率。

23、(2)没有额外耗功部件。相较于液滴冷却技术中高压和高流速下喷射的泵功消耗，本发明通过设置吸气型顶喷式泡沫喷头，该泡沫喷头利用压缩或膨胀过程中的压缩气体作为动力源，泡沫喷头的使用没有额外耗功部件，以较少的代价实现近等温压缩与近等温膨胀过程，并有效降低了系统的运行维护成本。同时，该泡沫喷头也可以根据不同的压缩或膨胀条件，调节泡沫混合液的成分和比例，以适应不同的换热需求和环境要求。

24、(3)泡沫喷头结构合理，可实现高效、均匀、细密的气体泡沫的生成和喷射。本发明的泡沫喷头结构中，通过控制泡沫混合液进口通道的锥形通道结构，使泡沫混合液在通过时产生加速和雾化效果；通过控制压缩气体进口通道的切向连通方式和旋流器的设置，使压缩气体在注入气液混合腔时产生旋转气流，以强化气液之间的旋流混合效果；通过控制气体泡沫出口通道的喇叭型通道结构和多孔网状结构体的伞状结构，使气液混合体在通过时产生扩张和击散效果，并以呈伞状气泡云团的形式向外围喷射至气缸内。