中科院工程热物理研究所开展超临界压缩空气储能系统液体涡轮性能研究 刹车蹄块技术领域：超临界压缩空气储能
开发单位：中科院工程热物理研究所 陈海生
文章名称：Hongyang Li, Haisheng Chen, et al. Performance and flow characteristics of the liquid turbine for supercritical compressed air energy storage system. Applied Thermal Engineering, 2022.
技术突破：首次对超临界压缩空气储能系统（SC-CAES）中液体涡轮的性能和流动特性进行了分析，结果表明导叶总压损失在所有部件中所占比例最大，且非均匀流动对喷嘴的总压损失有显著影响。 应用价值：对工业系统中液体涡轮机的优化和性能的提高具有指导意义。
在高压液体或超临界流体减压过程中，液体涡轮可以取代工业系统中的节流阀，以回收高压液体或超临界流体所浪费的能量，并缓解减压过程中的蒸发问题，提高工业系统的系统效率。
研究表明，使用液体涡轮的超临界压缩空气储能系统（SC-CAES）的效率可以提高10%。其中，液体涡轮流量特性的研究对于配置液体涡轮的热力系统的设计和运行至关重要。然而，液体涡轮的流动特性尚未得到充分研究，如液体涡轮的总压损失、蜗壳对喷嘴和转子内非均匀流动的影响等。
为解决上述问题，来自中科院工程热物理研究所的研究人员首次对SC-CAES系统中液体涡轮的性能和流动特性进行了分析。针对液体涡轮的三种典型拓扑模型进行仿真，包括单通道导叶和转子（C1）、蜗壳+全周导叶和转子（C2）、蜗壳+全周喷嘴和转子+间隙+出口段（C3）进行了仿真，并与实验结果进行了比较。研究表明，在设计流量为61 kg/s时，试验效率，C1、C2和C3的仿真效率分别为75.2%、90.6%、79.4%和74.3%。其中，C3的效率与实验相符，偏差小于2%。在整个流量范围内，C1的效率与实验值的偏差为15.8%，这是由于忽略了蜗壳内的非均匀流动、蜗壳内和转子前后支板上的摩擦损失以及密封处的泄漏损失而造成的。在设计流量下，导叶总压损失在所有部件中所占比例最大，为6.8%。随着流量的降低，导叶的相对总压损失随着速度的降低而减小，而转子的相对总压损失会随着转子的入射损失的增加而增加。非均匀流动对喷嘴的总压损失有显著影响，而转子的总压损失与低速区的发展有关。随着流量的减小，机匣的壁面效应在流向上变得越来越显著。（编译：高梓玉 张新敬 INESA）
法国南特大学开展压缩空气储能系统中液体活塞压缩空气的流动与传热特性的研究 技术领域：等温压缩空气储能
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开发单位：Nantes University，Mustapha Benaouicha.
文章名称：El Mehdi Gouda, Mustapha Benaouicha, et al. Flow and heat transfer characteristics of air compression in a liquid piston for compressed air energy storage. Energy, 2022.
技术突破：首次对液体活塞压缩机内部空气压缩过程中的流体动力学和耦合传热行为进行了详细的模拟和分析，结果表明，腔室内部流动经历了轴对称流动结构的建立、演化和向完全混沌流动过渡的过程，液体活塞压缩结束时空气温升比绝热过程的温升小7.7倍。
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应用价值：为发展高效等温压缩空气储能系统，提高压缩空气储能在工业中的大规模应用提供理论支持。
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近年来，可再生能源在全球发电中的份额显著增加，储能技术的发展是高效利用可再生能源的关键。在各种储能技术中，压缩空气储能是最有前景和成本效益最优的大规模储能方法之一，而且压缩空气储能已显示出在发电厂进行大规模储能的潜力。但是，传统压缩空气储能系统的主要问题之一是压缩或膨胀过程中空气温度上升或下降，导致往返效率较低。
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为解决这一问题，人们提出了利用液体活塞替代传统固体活塞。液体活塞的特点是使用细长柱状的液体用于增加或降低气体的压力。由于液体活塞压缩腔室的长径比高，水的热容大，空气与壁面接触表面积大，因此有利于空气和环境以及水之间的热交换。目前，液体活塞技术已应用于效率更高的等温压缩空气储能系统中，但对液体活塞压缩或膨胀过程中内部共轭流体流动和传热的研究分析仍然有所欠缺。
为解决上述问题，来自法国南特大学的研究人员通过数值模拟来表征和解释液体活塞压缩机内空气和水的流动模式的演变和共轭传热，并首次对液体活塞压缩机内部空气压缩过程中的流体动力学和耦合传热行为进行了详细的模拟和分析，从而更好地了解了流型及其转变。液体活塞压缩腔室的物理模型如图所示。研究表明，在压缩过程中存在不同的流型，在压缩初期，内部流体建立了一个轴对称流动结构，即在液柱中心处有上升流，在活塞壁附近有下降流。中心上升流和外围下降流之间的界面处的高剪应力和摩擦导致的不稳定性可能会破坏这种流动结构。液体活塞压缩腔室内部的第一次流动扰动发生在速度梯度最大处（L*=0.9），然后向两端传播，形成波纹状的主流结构。随着空气温度的迅速升高，气流流动变得混乱，腔室内部流动经历了轴对称流动结构的建立、演化和向完全混沌流动过渡的过程。液体活塞压缩结束时空气无量纲温度达到1.11，压缩空气温升为32.5 K，比绝
热过程的温升小7.7倍，证实了液体活塞有利于实现等温压缩空气储能。液体活塞速度过快，将导致最终空气温度升高，并偏离等温压缩条件。因此，对于液体活塞速度相对较高的压缩机，需要采取有效的散热措施以降低温升。数值模拟的结果将有助于更好地理解液体活塞压缩腔室内部的流动和传热机理，同时还有助于描述液体活塞的工作性能，为发展高效等温压缩空气储能系统，提高压缩空气储能在工业中的大规模应用提供理论支持。（编译：高梓玉 张新敬 INESA）
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