大规模液化空气储能用热交换装置的研究

Due to the high energy density comparing with the compressed air energy storage, the cryogen energy storage is more suitable for the large scale wind energy storage with better application potentiality. Present CES sysytems unable to store the cool energy generated in the process of the gasification of the liquid gas, consequently results the huge consumption of electrical power. This project proposes a ice cool storage-heat exchange device based on the CES.This device stores cool energy utilizing the phase change between water and ice. Then the cool energy is released with cooling water supplied to the liquefaction system when the liquid gas is generated. Thus, the efficiency of the liquefaction system is developed so as that the electrical energy consumption for storage is decreaced. Due to the phase change in the cool storage process, the generation of ice is unavoidable. Firstly for preventing the coverage of ice in the local area of hear exchange tube, we propose ice-prevent mechanism base on vibration of the tube. Secondly, as the quantity of cool energy is stored more and more, the percentage of the ice in water-ice mixture in the tank increases. For preventing the frost of the tank, we propose a method to measure the content of the ice in the mixture based on a connect-symmetry prepoller and a mothed to process the signal based on flow characteristic of bubble burst process. With the methods, the percentage of the ice is measured in real time. when the percentage exceeds to a set value, i.e. the tank will soon be freezed, so we could control the system to stop gasifying in advance.

液态空气储能相比压缩空气储能以其储能密度高的优点，适用于风电的大规模储存，具有良好的应用前景。现有系统不能储存液态空气气化时释放的冷量导致电能消耗大。本项目提出一种基于液化空气储能的冰蓄冷热交换装置，利用冰与水之间的相变储存冷量在液化空气制备时释放并为液化系统提供冷却水，提高液化系统效率，减小储能时电能消耗。由于蓄冷过程利用水的相变，无法避免冰的产生，首先为防止换热管局部覆冰以致降低换热系数，提出了基于管路振动的防覆冰机构。其次随着蓄冷量的增加，蓄冷罐内冰水混合物中冰的含量增加，为防止蓄冷罐整体冻结提出了基于一种对称不连通型螺旋桨机构，以及基于气泡破碎流动特性的信号处理方法，实时测量冰的含量，当其大于设定值时，即蓄冷罐接近冻结，提前控制停止气化。

作为压缩空气储能的一个重要研究方向，将压缩空气液化，可将储能密度提高一个数量级，适用于可再生能源的大规模储存。液化空气与大气环境存在温差（200℃）而具备冷能，通过电能与冷能的相互转换可实现蓄电和发电。适用于太阳能、风电等可再生能源的大规模储存，应用前景广阔。.目前，液化空气储能系统不能储存液化空气气化释放的冷量，导致储能效率低（<20%），投资回收期长（10年），还不能投入商业应用。本项目提出一种基于液化空气储能的冰蓄冷热交换装置，利用冰与水之间的相变储存冷量在液化空气制备时释放并为液化系统提供冷却水，提高液化系统效率，减小储能时电能消耗。.由于蓄冷过程利用水的相变，无法避免冰的产生，为防止换热管局部覆冰以致降低换热系数，提出了Lamb超声波应用于引起管路振动的防覆冰方法，建立了管路在Lamb超声波仿真及实验平台，研究了Lamb超声波在管路中传播机理，以及换热管Lamb超声波下覆冰特性。.随着蓄冷量的增加，蓄冷罐内冰水混合物中冰的含量增加，为防止蓄冷罐整体冻结，提出了基于螺旋桨旋转的冰含量测量方法，建立了冰水混合物流动模型，模拟了不同尺寸、转速螺旋桨扰动下冰水混合物的流动情况，分析了螺旋桨对蓄冰槽内冰粒演化过程的影响，得到了冰水混合物中螺旋桨的扭矩特性。.为了开展冰蓄冷液化空气储能应用研究，建立了液化空气储能冰蓄冷热交换装置实验平台，提出了热交换与热功转换一体化释能发动机热交换方法，得到了热交换机构覆冰特性，以及动力输出特性。提出了基于缸盖、缸体型腔换热结构的排气口局部热交换方法，以恢复温度为目标，完成了型腔换热结构设计。提出了基于水雾冷却的蓄能压缩机热交换方法，建立了水雾的能耗与压缩总能耗的关系。.发表论文10篇，其中SCI 7篇，包括Q1区3篇；申请发明专利5项，其中已授权3项；主持制定并于2014年颁布国家标准1项；获得2017年国家科技进步奖二等奖；获得2016年中国机械工业科学技术奖（省部级）。