气液溶解式液压储能技术的储能密度研究

瞿炜炜, 周连佺, 杨 成, 王金凤, 徐 添

(江苏师范大学机电工程学院, 江苏徐州 221116)

引言

随着节能减排理念在工程机械领域的不断深入,如何提升液压系统效率以降低整机能耗已成为研究热点[1]。油液混合动力系统是一种利用储能装置将原本损失的液压能进行回收、存储并再利用的高效液压系统,通过能量源的混合有效降低液压系统的能耗,促进节能减排的实施[2-3]。但是液压蓄能器作为油液混合动力系统中重要的储能元件,其储能密度较低,通常会导致装置体积过大、成本较高,也在一定程度上阻碍了油液混合动力系统的发展[4]。

目前,常用的液压蓄能器为气体加载式,利用充能气体(通常是氮气)的压缩性来储存液压能。与常见燃料电池相比,液压蓄能器具有功率密度大的优点[5],可以实现能量的快速储存与释放。但是蓄能器储能密度较低,在工作过程中,气体视为理想气体,其体积和压力的变化遵循气体状态方程[6-7],一定的压力变化范围内,气体被压缩减小的体积有限。若系统需要储存大量能量,则相应蓄能器尺寸与重量都会增加,这就限制了蓄能器在工程机械等道路设备上的应用。

针对储能密度低的问题,VEN J等[8-9]提出一种飞轮式蓄能器,将液压能以压缩气体内能和旋转动能的形式共同储存。马浩钦等[10]进行了飞轮式蓄能器在工程机械中的应用研究,结果显示飞轮式蓄能器能够显著提高储能密度。LIU Yanxiong等[11]提出一种新型可控式液压蓄能器,实时控制压力及流量,提高蓄能器的储能能力。吕云嵩[12]提出将储能介质换为新气体的方案,在工作期间介质保持在气液两相状态,使蓄能器的输出压力基本恒定,达到提高储能密度的目的。VEN J[13]提出一种恒压液压蓄能器,活塞和气缸之间采用滚动隔膜密封,保持液压流体腔压力恒定,有效提高蓄能器的储能密度。

本研究提出一种气液溶解式液压储能技术,利用气体压缩与气液溶解相结合的混合储能方式,在储能过程中,气体逐渐溶解进入液体中,气体物质的量减小,使得气体压力上升更为平缓,因此在相同压力范围的情况下,可以储存更多的液压油,即提高蓄能器的储能密度。本研究利用理论与实验相结合的方法,通过分析蓄能器中气体体积与压力的变化规律,研究了气液溶解式液压储能技术的特性。

1 气液溶解式液压蓄能器工作原理

1.1 气体加载式蓄能器工作原理

气体加载式蓄能器按结构不同可分为活塞式、气囊式、隔膜式等,但都是通过压缩气体,将液压能转化为气体分子的内能实现能量储存。图1为蓄能器工作过程中,气体腔体积V、压力p随时间t的变化情况,其中,1-2是充液过程,2-3是保压过程,3-4是放液过程,4-1是回复过程。

图1 气体加载式蓄能器的工作过程

从图1可以看出,充液阶段蓄能器内气体体积减小、压力升高,当充液速度较快时,蓄能器内部气体变化遵循绝热方程:

式中, p0,V0—— 初始充气状态下气体压力和体积

p,V —— 任意工作状态下气体压力和体积

k —— 气体多变指数,双原子气体k取1.4,多原子气体k取1.3

同时蓄能器内部气体在充液过程中遵循气体状态方程:

pV=nRT

(2)

式中, n —— 气体物质的量

R—— 普适气体常量

T —— 热力学温度

由式(1)、式(2)可以看出:充液过程中蓄能器内气体体积减小、压力升高,同时气体温度升高;保压过程中蓄能器与外界有热交换,蓄能器内温度和压力有所下降;放液过程中蓄能器内气体体积增大、压力降低,同时气体温度降低;回复阶段气体温度和压力逐渐回复到初始状态。

1.2 气液溶解储能工作原理

由式(1)得到蓄能器中气体压力随体积变化关系式:

p=CV-k

(3)

将其代入能量计算公式得到蓄能器在充液阶段获取的能量为:

式中, p1,V1—— 充液结束时气体的压力、体积

将蓄能器储能密度Eρ定义为单位体积储存的能量,计算公式如下:

式中, V总—— 液压蓄能器的总体积

从式(4)可以看出,在不改变蓄能器初始压力和体积的前提下,影响蓄能器储能的关键因素是气体多变指数k。图2为不同气体多变指数时,蓄能器气体腔压力p随体积V的变化情况,阴影部分为蓄能器储存的能量,当k值较小时,存入相同体积油液时的蓄能器压力更低;相同的压力范围内,蓄能器可以存入更多的油液,即储存更多的能量。

图2 蓄能器储能与气体多变指数的关系

气液溶解式储能技术将常规气体加载式蓄能器中的氮气换为一组气体与液体组合,在液能存储过程中,随着容积的减小和储存压力的增加,部分气体工质溶解到液体中,工质的量在减少,压力增加较小,相同压力的升高量可以存入更多的液压油,达到提高储能密度的目的。

从储能密度和动态性能方面考虑,气液组合应具有较高的溶解度以及较快的溶解与析出速度;从安全性方面考虑则需要选择无毒性无腐蚀性无爆炸性的气液组合。本次实验研究,选择具有一定代表性的CO2-H2O组合作为储能介质。

根据气体在水中的溶解机理,CO2的溶解过程分为两个部分,一是物理溶解,H2O分子间存在间隙,CO2分子可以填充于H2O分子间隙中;二是化学溶解,CO2分子与H2O分子间存在水合作用,分子间以化学键的形式缔结,形成水合分子[14]。这二者共同组成了CO2的溶解度,从大量经验研究可以看出,影响CO2在H2O中溶解的主要因素是温度和压力。

303.15 K条件下CO2在H2O中的溶解度[15]如表1所示。

表1 CO2在H2O中的溶解度(303.15 K)

通过MATLAB拟合得到CO2-H2O溶解度S与压力p的曲线如图3所示。

图3 CO2-H2O溶解度与压力曲线

从图3可以看出,在压力较低的情况下,随着压力的上升,CO2的溶解度迅速上升,当CO2压力达到10 MPa左右时,随着压力的继续上升CO2与H2O的溶解度逐渐保持平稳。基于这种特性可知,当蓄能器内压力在一定范围内变化时,蓄能器内CO2与H2O的溶解度会发生变化,即蓄能器内气体物质的量会减少。由于蓄能器充液速度较快,忽略CO2溶解过程中的吸热与放热反应,蓄能器内剩余的CO2气体仍可视为理想气体。当气体处于平衡状态时,剩余CO2气体状态方程为:

式中, n0,S0—— 初始状态气体的摩尔量和溶解度

p1,V1,S1—— 压缩后气体的压力、体积、摩尔量和溶解度

mw—— 蓄能器内水的质量

从能量的角度来看,气液溶解式蓄能器会将部分能量以气体与液体分子间化学能的形式储存起来,使得与传统以氮气为储能介质的液压蓄能器相比,其压力上升低得多,则一定压力范围内可以存入更大体积的液压油。

2 气液溶解式液压蓄能器实验

为了研究气液溶解式蓄能器在不同工作状态下的性能情况与运行机理,在实验室搭建了蓄能器实验台。该实验台由液压系统与计算机测控系统组成,可完成多种工况下的蓄能器性能实验。

2.1 液压系统组成及原理

蓄能器实验台液压系统如图4所示,主要由液压泵源、控制阀、液压缸、蓄能器以及相应的传感器等元件组成。

1.变量泵 2.电机 3.比例溢流阀 4.电磁换向阀5-1～2.单向节流阀 6.液控单向阀 7.液压缸8-1～3截止阀 9.位移传感器 10-1～2.温度传感器11-1～3.压力传感器 12.被试蓄能器 13.气瓶 14.控制器

该系统通过控制电磁换向阀4实现液压蓄能器的充放液过程转换,调节单向节流阀5-2控制充液速度,调节单向节流阀5-1控制放液速度。

实验前,打开截止阀8-1和8-2,调节比例溢流阀3使泵站压力稍大于液压缸的启动压力。电磁换向阀4左位得电,油液进入液压缸7活塞腔,液压缸7活塞杆伸出,液压缸7及与被试活塞式蓄能器12之间的管路内充满油液,然后关闭截止阀8-1。

蓄能器充液阶段,电磁换向阀4右位得电,油液进入液压缸7活塞杆腔,推动活塞向左运动,将活塞腔的油液压进被试蓄能器12,通过压缩气体完成储能过程;在放液阶段,电磁换向阀4左位带电反向打开液控单向阀6,被试蓄能器12内气体膨胀,原来存进被试蓄能器12的油液释放,油液进入液压缸7活塞腔,活塞右行,液压缸7活塞杆腔油液回油箱,直至被试蓄能器12中的油液全部释放。

本实验研究的被试蓄能器容积为4 L,气瓶容积为10 L,液压缸活塞直径、活塞杆直径和行程分别为100 mm,65 mm和1200 mm,电机额定功率和额定转速分别为37 kW和1480 r/min,液压泵排量、额定转速和额定压力分别为28 mL/r,1500 r/min和31.5 MPa。搭建的液压蓄能器性能测试实验台实物图,如图5、图6所示。

图5 蓄能器性能测试液压试验台

图6 蓄能器及传感器

2.2 计算机测控系统

实验台计算机测控系统硬件主要包括传感器、数据采集板、继电器板等,总体测控方案如图7所示。压力、温度、位移传感器输出的4～20 mA的电流信号经调理后送入数据采集板,经A/D转换为数字量送至计算机,再由计算机发出DO信号控制电磁阀的换向,发出AO信号控制比例溢流阀的压力。

图7 测控系统总体框图

在实验过程中,利用计算机软件发出信号来控制电磁换向阀的换向,实现能量储存及释放的过程,软件实验界面图如图8所示。

图8 软件试验界面图

软件具有检测并处理数据的功能,由于蓄能器中储存能量难以直接测量,所以采用间接测量的方法,具体计算思路为:实时采集得到的液压缸活塞位移变化量与活塞面积之积为充入蓄能器中液压油的体积增量,即蓄能器介质腔的体积压缩量,将传感器检测到的瞬时点压力与体积变化量的乘积累加,得到储能的总能量,此过程用式(7)表示。

式中, Vl(i) —— 采样点i时油液体积

l(i) —— 采样点i时液压缸活塞位移

D —— 液压缸活塞直径

V —— 蓄能器及气瓶总体积

Vg(i) —— 采样点i时的气体体积

E —— 储存的能量

pg(i) —— 采样点i时的气体压力

3 实验结果

为探索CO2-H2O式气液溶解蓄能器储能密度的影响因素,实验以初始气体压力、储能速度以及注水量为变量,研究蓄能器内气体压力与体积的变化关系。

3.1 初始气体压力对储能密度的影响

实验首先研究初始压力对储能密度的影响,分别对初始压力pi为2, 3, 4, 5MPa进行实验,同时保证每次实验蓄能器内注水量为1L,储能时间为5s。

图9为实验测得的蓄能器内气体体积V与压力p的变化曲线,同时给出了纯N2和纯CO2在相同工况下的曲线。从图的变化曲线可以看出,在相同的体积变化范围内,三种形式的蓄能器内气体压力随着体积减小而增大;其中纯N2压力上升速率最高,纯CO2压力上升速率其次,CO2-H2O组合压力上升速率最低。

图9 不同填充气体在不同初压下的体积-压力变化曲线

为了更好地比较蓄能器的能量储存情况,将实验所得的体积-压力曲线按照式(1)的形式进行拟合;在实验压力范围内,按照式(4)、式(5)分别计算出气液溶解蓄能器储能密度Eρ1、纯CO2蓄能器储能密度Eρ2以及纯N2蓄能器储能密度Eρ3;最后将气液溶解蓄能器相比纯N2蓄能器储能密度的提升定义为提升率I。计算结果如表2所示。

表2 不同初始压力下拟合指数k以及能量储存情况

从拟合结果可以看出,随着蓄能器内CO2初压升高,指数拟合值逐渐降低,从图9中可以看出与纯N2曲线和纯CO2曲线相比,初压为2 MPa的曲线最靠近纯CO2曲线。产生该现象是因为在初始压力较低时,压缩一定体积后蓄能器内压力上升范围较小,CO2的溶解量较少,即蓄能器内介质减少的量较少,气体压力相比于纯CO2降低得较少;而蓄能器初始压力较高时,由于压缩相同体积后气体压力上升范围较大,较多的CO2被溶解进水中,因此蓄能器内的压力相比纯CO2降低得较多。

从能量角度比较CO2-H2O式储能与传统纯N2储能的情况,由于CO2-H2O溶解度在实验压力范围内大致呈现线性关系,并且注水量相同,因此在初压2～5 MPa范围内,初压越高,其末压较传统纯N2储能越低,在升压范围相同的情况下,随着初压的升高,蓄能器可压缩体积增大,储能密度改善程度较大。实验证明了气液溶解式储能技术能有效提高蓄能器的储能密度。

3.2 储能速度对储能密度的影响

由于气液溶解式蓄能器中气体物质的减少量直接影响到气体压力的变化,因此设计实验对气液溶解过程进行研究。实验通过调节节流阀开度控制液充入蓄能器的速度,从而达到控制蓄能时间的目的。图10为注水体积为1 L条件下储能时间分别为5, 15, 25 s 时,不同初始压力的气体体积V与压力p的变化曲线。

图10 不同储能速度在不同初压下的体积-压力曲线

从图10可以看出,每次实验蓄能器气体体积变化量保持不变,只改变初始压力与储存速度,在同一初始压力条件下,储能时间为5 s的体积-压力曲线相比储能时间为15 s的体积-压力曲线变化率更大,储能时间为25 s的体积-压力曲线则最平稳;并且这种规律在每一组初始压力条件下都是相同的,这说明储能时间对蓄能器内气体体积-压力变化曲线的影响规律不受初始压力大小的影响。

造成这种现象的原因主要有两个,一是水与CO2的溶解随着储能时间的增加更加充分,当蓄能时间较短时,CO2的溶解度没有达到最大值,随着储能时间的增加,CO2的溶解度逐渐增加,蓄能器内介质减少量的增大使得变化曲线更加平稳;二是随着储能时间的增加,蓄能器与外界产生了部分热交换,此时蓄能器内气体变化不再是绝热变化过程,气体热量扩散到环境当中造成了能量的损失,导致气体的压力没有上升到目标值。这两种现象造成了储能速度对储能密度的影响。

3.3 注水量对储能密度的影响

通过气液溶解式液压蓄能器的原理可知,当气液比例变化时,气体的溶解量会发生变化,蓄能器的储能情况也会随之变化。图11为储能时间5 s条件下注水量分别为0.5, 1, 3 L时,不同初始压力的体积V与压力p的变化曲线。

图11 不同注水量在不同初压下的体积-压力曲线

由于蓄能器总体积为14 L,因此不同的注水量会影响曲线的初始体积。表3给出了每条曲线的拟合指数以及相同压力范围的储能密度情况。

表3 不同气液比例拟合指数k以及能量储存情况

结合图表可以看出,随着初始压力的增加,不同注水量蓄能器体积-压力变化曲线的拟合k值均逐渐减小,这与3.1小节发现的规律相同;同时,在实验压力范围2～5 MPa内,随着注水量的增加,拟合指数呈下降趋势,表明气体的溶解量增大;但是CO2-H2O式蓄能器储能密度并没有一直增大,这表明气液溶解式蓄能器的储能密度受溶解度影响较大, 当溶解量达到最大值时,多余的水占据了蓄能器的体积,使得蓄能器的储能密度改善受到限制。

由于气体溶解需要一定的时间,当蓄能器内部结构不发生变化时,气液接触面积不变,液体体积的增加对蓄能器储能密度的改善程度有限。从上述实验结果可以看出,除了初始压力、储能速度和注水量这三个容易调节的参数外,可以较大改善气液溶解蓄能器储能密度的方法有两个:一是更换具有更高溶解度的气液组合,二是设计制造具有更大接触面积的蓄能器内部结构。

4 结论

(1) 针对现有液压蓄能器储能密度低的问题,提出了一种气液溶解式储能技术,通过将储能介质改为一组可相互溶解的气体与液体组合,将原本纯氮气压缩的储能方法改为气体压缩与气液溶解相结合的储能方法,增大了蓄能器的储能密度;

(2) 在303.15 K条件下,CO2-H2O的溶解度在0～8 MPa范围内随着压力的升高而增大,并且变化大体呈线性。随着压力上升,气液溶解式蓄能器内的CO2逐渐溶于H2O中,CO2物质的量逐渐减少,导致蓄能器内的压力上升速度减小,因此相同压力变化范围内可以储存更多能量;

(3) 初始压力、储能速度和气液比例是影响气液溶解式蓄能器储能特性的三大影响因素。在不改变储能速度与气液比例的前提下,在实验范围内,初始压力越高,气体的溶解量越大,体积-压力曲线拟合指数k值越小,蓄能器的储能密度越大;储能速度越低,气液溶解反应越充分,储能密度改善越明显;注水量越大,蓄能器内气体的溶解量越大,但是溶解量有限,多余的水同样会占据体积,因此可以通过更换具有更高溶解度的气液组合,并设计制造具有更大接触面积的蓄能器内部结构来进一步提高蓄能器的储能密度。