CN110210089B - 考虑空气溶解度的液体活塞等效库容模型及其仿真算法 - Google Patents

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Abstract

一种考虑空气溶解度的液体活塞等效库容模型及其仿真算法。考虑空气溶解度的液体活塞等效库容模型是由气相区、液相的不溶气液体区与液相的库容区组成的热力学等值模型，并且用传质泵表示溶解速率。基于该模型的仿真算法包括以下步骤：A、确定运行工况，输入两相的初始热力学参数，设定仿真时间步长；B、计算液体活塞等效库容模型参数；C、利用等值模型和当前时刻的两相热力学参数进行热力学计算，得到下一时刻的两相热力学参数；D、修正两相热力学参数；E、仿真运算结束并输出结果。

Description

考虑空气溶解度的液体活塞等效库容模型及其仿真算法
技术领域
本发明属于压缩空气储能领域，涉及一种考虑空气溶解度的液体活塞等效库容模型及其仿真算法。
背景技术
液体活塞技术是一种新兴的等温压缩空气储能技术，它利用比热容大的液体提供近似恒温环境，并且通过气液两相直接接触以提高传热效率，实现空气的储能与发电过程接近于等温过程，从而降低热损失，提高系统的储能发电效率。常用的气液两相直接接触的方法是液体喷雾、活塞底部注气和填料换热。直接接触换热的方式不仅强化相间传热速率，而且强化相间传质速率。由于液体活塞内压缩空气的压强变化范围大，因而空气溶解度对装置运行的影响更加显著。但是，现有的文献一般将液相假设成不溶气的液体，其推导的热力学模型没有考虑空气溶解度的影响，导致高压下的仿真结果与实际数据存在一定偏差。
发明内容
本发明的目的是解决背景技术中所提到的液体活塞热力学模型的仿真精度不足的问题，提出一种考虑空气溶解度的液体活塞等效库容模型及其仿真算法。本发明将可以溶解压缩空气的液体空隙等效为库容，考虑了影响库容的各种因素，并且利用库容对等值模型的气液两相热力学参数进行修正，提高了模型的仿真精度。
本发明提出的考虑空气溶解度的液体活塞等效库容模型是由气相区、液相的不溶气液体区与液相的库容区组成的热力学等值模型，并且用传质泵表示溶解速率。
本发明提出的基于考虑空气溶解度的液体活塞等效库容模型的仿真算法包括以下步骤：
A、确定运行工况，输入两相的初始热力学参数，设定仿真时间步长；
B、计算液体活塞等效库容模型空气溶解参数；
C、利用等值模型和当前时刻的两相热力学参数进行热力学计算，得到下一时刻的两相热力学参数；
D、修正两相热力学参数；
E、仿真运算结束并输出结果。
所述液体活塞是一种等温压缩空气储能装置，其通过比热容大的液体提供近似恒定的温度环境，并且增大气液接触面积和接触时间，使空气在压缩和膨胀过程中无限接近于等温过程。
所述的气相区是指液体活塞内空气部分；所述的不溶气液体区是指液体活塞内液体分子部分；所述的库容区是指液体活塞内液体分子之间可以溶解空气的间隙的部分，液体体积是不溶气液体区与库容区的体积之和。所述仿真算法是液体活塞的热力学计算方法。
所述步骤A中的运行工况分为储能压缩过程和发电膨胀过程。
所述步骤B中的液体活塞等效库容模型空气溶解参数是溶解速率、库容区体积；空气的溶解速率正比相间传热速率；库容区体积的计算方法为：
Figure GDA0002714167510000021
Figure GDA0002714167510000022
Figure GDA0002714167510000023
其中，Veq为库容区体积，rs为空气在的溶解度，气体i为氮气或者氧气，Vw为装置内液相体积，Kpi为气体i的溶解平衡常数，
Figure GDA0002714167510000024
为气体i的有效间隙度，bi为气体i的Van derWaals 体积，R为理想气体常数，T为热力学温度，p为压强。
所述步骤C中的热力学计算包括以下步骤：
(1)计算装置对空气做功量
Wa(k)＝p(k)dV
其中，p(k)为k时刻压强，dV为气相体积在单个时间步的变化量，储能压缩过程为正，发电膨胀过程为负。
(2)计算空气的内能变化量
Figure GDA0002714167510000025
其中，Ca,V为气相定容比热，ma为装置内气相总质量。
(3)计算相间传热量
Q(k)＝h(k)·s(k)·(Ta(k)+dta(k)-Tw(k))·dt
其中，h(k)为相间换热系数，s(k)为换热面积，Ta(k)、Tw(k)分别为k时刻的气相、液相修正温度，dt为时间步长。
(4)计算两相温度变化量
Figure GDA0002714167510000026
其中，dTa(k)、dTw(k)分别为k时刻的气相、液相温度变化量，maq(k)为k时刻气相区剩余的气体质量，Cw为液相比热，mw(k)为k时刻装置内液相总质量，Δmw为单个时间步内液体质量的变化量。
(5)计算两相温度
储能压缩过程：
Figure GDA0002714167510000031
发电膨胀过程：
Figure GDA0002714167510000032
其中，ta(k+1)、tw(k+1)分别为k+1时刻的气相与液相未修正温度，Tw0为注入液体活塞的液体温度。
(6)更新热力学参数
Figure GDA0002714167510000033
其中，Va(k+1)、Vw(k+1)为k+1时刻气相区与液相区体积。
所述步骤D中的修正两相热力学参数包括以下步骤：
(1)更新气相区剩余气体质量
Figure GDA0002714167510000034
其中，Veq(k+1)为k+1时刻液相的库容区体积。
(2)两相温度修正
当ma(k)＞ma(k+1)时：
Figure GDA0002714167510000035
当ma(k)＜ma(k+1)时：
Figure GDA0002714167510000036
附图说明
图1是液体活塞等效库容模型的结构图；
图2是仿真算法流程图；
图3是储能压缩过程结果图；
图4是发电膨胀过程结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图2所示，采用本发明的考虑空气溶解度的液体活塞等效库容模型仿真算法，对表 1所示的运行过程进行仿真模拟，时间步为9000，将得到的仿真结果与实际系统运行数据进行对比，验证所述方法的适用性。
Figure GDA0002714167510000041
本发明的具体实施步骤如下：
A、确定运行工况，输入两相的初始热力学参数，设定仿真时间步长
B、计算液体活塞等效库容模型参数
C、利用等值模型和当前时刻的两相热力学参数进行热力学计算，得到下一时刻的两相热力学参数
1.计算装置对空气做功量；
2.计算空气的内能变化量；
3.计算相间传热量；
4.计算两相温度变化量；
5.计算两相温度；
6.更新热力学参数；
D、修正两相热力学参数
1.更新溶气空穴的库容体积与气相区剩余气体质量；
2.两相温度修正；
3.若迭代完毕，仿真运算结束，否则返回步骤三进行下一时刻的热力学计算；
E、仿真运算结束并输出结果
本发明实施例的计算结果如图3、4所示。

Claims (6)

1.考虑空气溶解度的液体活塞等效库容模型的仿真方法，其特征在于：所述考虑空气溶解度的液体活塞等效库容模型是由气相区、液相的不溶气液体区与液相的库容区组成的热力学等值模型，并且用传质泵表示溶解速率，
所述仿真算法包括以下步骤：
A、确定运行工况，输入两相的初始热力学参数，设定仿真时间步长；
B、计算液体活塞等效库容模型的空气溶解参数，包括：溶解速率、库容区体积；空气的溶解速率正比相间传热速率，其中库容区体积的具体计算方法为：
Figure FDA0002803262790000011
Figure FDA0002803262790000012
Figure FDA0002803262790000013
其中：Veq为库容区体积，rs为空气的溶解度，气体i为氮气或者氧气，Vw为装置内液相体积，Kpi为气体i的溶解平衡常数，
Figure FDA0002803262790000014
为气体i的有效间隙度，bi为气体i的Van der Waals体积，R为理想气体常数，T为热力学温度，p为压强，
C、利用等值模型和当前时刻的两相热力学参数进行热力学计算，得到下一时刻的两相热力学参数；
D、修正两相热力学参数；
E、仿真运算结束并输出结果。
2.根据权利要求1所述的考虑空气溶解度的液体活塞等效库容模型的仿真方法，其特征在于：所述液体活塞是一种等温压缩空气储能装置，其通过比热容大的液体提供近似恒定的温度环境，并且增大气液接触面积和接触时间，使空气在压缩和膨胀过程中无限接近于等温过程。
3.根据权利要求1所述的考虑空气溶解度的液体活塞等效库容模型的仿真方法，所述的气相区是指液体活塞内空气部分；所述的不溶气液体区是指液体活塞内液体分子部分；所述的库容区是指液体活塞内液体分子之间可以溶解空气的间隙的部分，液体体积是不溶气液体区与库容区的体积之和，所述仿真算法是考虑空气溶解度的液体活塞等效模型的热力学计算方法。
4.根据权利要求1所述的考虑空气溶解度的液体活塞等效库容模型的仿真方法，其特征在于：所述步骤A中的运行工况分为储能压缩过程和发电膨胀过程。
5.根据权利要求1所述的考虑空气溶解度的液体活塞等效库容模型的仿真方法，其特征在于：所述步骤C中的热力学计算包括以下步骤：
(1)计算装置对空气做功量
Wa(k)＝p(k)dV
其中：p(k)为k时刻压强，dV为气相体积在单个时间步的变化量，储能压缩过程为正，发电膨胀过程为负；
(2)计算空气的内能变化量
Figure FDA0002803262790000021
其中：Ca,V为气相定容比热，ma为装置内气相总质量；
(3)计算相间传热量
Q(k)＝h(k)·s(k)·(Ta(k)+dta(k)-Tw(k))·dt
其中：h(k)为相间换热系数，s(k)为换热面积，Ta(k)、Tw(k)分别为k时刻的气相、液相修正温度，dt为时间步长；
(4)计算两相温度变化量
Figure FDA0002803262790000022
其中：dTa(k)、dTw(k)分别为k时刻的气相、液相温度变化量，maq(k)为k时刻气相区剩余的气体质量，Cw为液相比热，mw(k)为k时刻装置内液相总质量，Δmw为单个时间步内液体质量的变化量；
(5)计算两相温度
储能压缩过程：
Figure FDA0002803262790000023
发电膨胀过程：
Figure FDA0002803262790000024
其中：ta(k+1)、tw(k+1)分别为k+1时刻的气相与液相未修正温度，Tw0为注入液体活塞的液体温度；
(6)更新热力学参数
Figure FDA0002803262790000031
其中：Va(k+1)、Vw(k+1)为k+1时刻气相区与液相区体积。
6.根据权利要求1所述的考虑空气溶解度的液体活塞等效库容模型的仿真方法，其特征在于：所述步骤D中的修正两相热力学参数包括以下步骤：
(1)更新气相区剩余气体质量
Figure FDA0002803262790000032
其中：Veq(k+1)为k+1时刻液相的库容区体积；
(2)两相温度修正
当ma(k)＞ma(k+1)时：
Figure FDA0002803262790000033
当ma(k)＜ma(k+1)时：
Figure FDA0002803262790000034
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