壓縮空氣儲(chǔ)能儲(chǔ)氣裝置充氣過程的動(dòng)態(tài)熱力特性研究

摘要：為了探究儲(chǔ)氣裝置充氣氣體狀態(tài)對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能過程中熱力學(xué)參量的影響規(guī)律，在儲(chǔ)氣裝置內(nèi)壓縮濕空氣的宏觀質(zhì)量和能量方程基礎(chǔ)上，考慮水發(fā)生相變時(shí)與質(zhì)量變化速率相關(guān)的多種物性和狀態(tài)參數(shù)的影響，對(duì)現(xiàn)有的熱力學(xué)模型進(jìn)行修正，并建立與相變速率有關(guān)的兩個(gè)無量綱數(shù)。在對(duì)比驗(yàn)證模型計(jì)算準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，計(jì)算了4種儲(chǔ)氣裝置入口水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即含水量不同的充氣過程。研究結(jié)果表明：在水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0～0.03時(shí)，儲(chǔ)氣裝置入口氣體含水量對(duì)儲(chǔ)氣裝置內(nèi)濕空氣的壓力影響不大，但是對(duì)于溫度的影響較大；儲(chǔ)氣裝置充入的濕空氣達(dá)到飽和狀態(tài)后發(fā)生冷凝現(xiàn)象，而空氣對(duì)流和環(huán)境壓力升高的綜合作用導(dǎo)致產(chǎn)生的液態(tài)水蒸發(fā)，儲(chǔ)氣裝置內(nèi)冷凝水量遠(yuǎn)大于蒸發(fā)水量；由于相變會(huì)影響儲(chǔ)氣裝置內(nèi)值的增加量，這使得儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的增加量在充氣50min 時(shí)高于充入干空氣的工況。因此，可根據(jù)所提的兩個(gè)無量綱數(shù)表達(dá)式及物理意義，分別評(píng)估冷凝的速率和儲(chǔ)氣裝置內(nèi)不同相態(tài)水的占比，最終計(jì)算入口氣體含水量對(duì)儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的影響。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)氣裝置；濕空氣；充氣過程；蒸發(fā)；冷凝

中圖分類號(hào)：TK02 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202502005 文章編號(hào)：0253-987X（2025）02-0041-09

Thermodynamic Characteristics of Air Storage Device During Charging Process

WU Shuhong， ZOU Hansen， YAO Erren， XI Guang

（School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract：To investigate the effect of state of charged air on the thermodynamic parameters of air storage device during charging process of compressed air， the existing thermodynamic model was modified and two dimensionless numbers related to the mass change rate were established on the basis of the macroscopic mass and energy equations of compressed humid air in air storage device by taking into account the effects of various physical properties and state parameters related to the mass change rate in water phase transition. On the basis of comparing and verifying the calculation accuracy of the model with experimental data， the model was used to calculate the charging process of four different moisture （moisture content refers to the mass fraction of gaseous water in humid air， and the study range is 0 to 0.03.） content of air. The results show that the inlet air moisture content of the air storage device had little effect on the pressure of humid air inside the device， but had a greater impact on temperature; condensation occurred after the humid air filled into the air storage device reached the saturated state， and the combined effect of air convection and the increase of environmental pressure led to the evaporation of the liquid water generated， and the condensation water in the air storage device was much greater than the evaporated water; the increase in exergy in the device， which was affected by phase change， was higher than that when it was charged with dry air for 50minutes. Therefore， the rate of condensation and the proportion of water in different phases in the air storage device can be evaluated respectively according to the respective expressions and physical meanings of the two dimensionless numbers proposed to ultimately calculate the effect of inlet air moisture content on the exergy in the air storage device.

Keywords：air storage device; humid air; charging process; evaporation; condensation

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具有儲(chǔ)能容量大、運(yùn)行壽命長、建設(shè)周期短、運(yùn)行方式靈活等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)高比例新能源發(fā)電消納和維持電網(wǎng)安全平穩(wěn)運(yùn)行的重要舉措［1］。該技術(shù)在用電低谷利用電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)對(duì)空氣進(jìn)行壓縮，并將高壓空氣存儲(chǔ)在儲(chǔ)氣裝置中，在用電高峰時(shí)釋放高壓空氣帶動(dòng)透平做功進(jìn)行發(fā)電［2］。

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)中高壓空氣的儲(chǔ)存裝置可以分為地上金屬儲(chǔ)罐和地下洞室儲(chǔ)氣庫兩種，在不考慮泄漏的情況下，兩種形式的儲(chǔ)氣裝置可使用相同的熱力學(xué)模型進(jìn)行熱力性能評(píng)估［3］。目前，多位學(xué)者已經(jīng)建立了不同的熱力學(xué)模型以求解儲(chǔ)氣裝置中熱力參量的變化規(guī)律。Langham［4］根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程建立了預(yù)測(cè)硬巖水平隧道內(nèi)溫度和壓力隨時(shí)間變化的熱力學(xué)模型；Kushnir等［5］基于真實(shí)氣體狀態(tài)方程，利用無量綱分析的方法得到了儲(chǔ)氣庫中壓力與溫度的解析解；Raju等［6］基于恒定壁溫、可變傳熱系數(shù)的假設(shè)，模擬了壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)地下儲(chǔ)氣洞穴內(nèi)的溫度和壓力變化。上述研究都是在充入儲(chǔ)氣裝置的氣體均為干燥空氣工況的假設(shè)下進(jìn)行的，壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中，即使在充入儲(chǔ)氣裝置之前進(jìn)行過除濕處理，最終進(jìn)入儲(chǔ)氣裝置的氣體是有一定含水量的濕空氣［7］。儲(chǔ)氣裝置內(nèi)氣體中水的含量變化會(huì)很大程度改變壓縮空氣的熱物性參數(shù)［8］，而且儲(chǔ)氣裝置內(nèi)容易發(fā)生相變導(dǎo)致冷凝水的出現(xiàn)，這將引起儲(chǔ)氣庫內(nèi)的壓縮濕空氣質(zhì)量和能量存儲(chǔ)與釋放的變化，所以使用干空氣的熱力學(xué)模型無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)儲(chǔ)氣裝置中各種物理量的變化規(guī)律，需要建立一個(gè)考慮空氣含水量以及水蒸發(fā)冷凝作用的儲(chǔ)氣裝置內(nèi)高壓氣體熱力學(xué)參量計(jì)算模型。

蔣中明等［9］從宏觀水的質(zhì)量對(duì)時(shí)間的變化率出發(fā)，建立了考慮濕空氣濕度、水蒸發(fā)和冷凝因素的儲(chǔ)氣裝置內(nèi)溫度和壓力的計(jì)算公式，并使用該模型研究了不同濕度下儲(chǔ)氣裝置內(nèi)壓力、溫度和相對(duì)濕度等物理量的變化規(guī)律。然而，在水的蒸發(fā)和冷凝相變過程中，需要考慮液膜與水蒸氣之間質(zhì)量傳遞相關(guān)參數(shù)（氣泡直徑、飽和溫度等）的影響［10］，否則將導(dǎo)致蒸發(fā)/冷凝速率存在局部誤差，進(jìn)而影響溫度和壓力等重要熱力學(xué)參量計(jì)算的準(zhǔn)確性。

由水蒸氣到水膜相變微觀過程的研究方面，通過修正經(jīng)典努塞爾理論方程［10］，研究了液膜溫度非線性分布、蒸汽過熱、蒸汽流動(dòng)、流體動(dòng)量變化、湍流對(duì)液膜厚度和冷凝傳熱系數(shù)的影響規(guī)律，吳子儀［11］研究了濕空氣環(huán)境中滴狀冷凝多場(chǎng)耦合特性及強(qiáng)化傳熱特性；Lee［12］提出了不同相態(tài)水之間質(zhì)量傳遞速率的計(jì)算公式。

為全面描述充氣過程儲(chǔ)氣裝置內(nèi)熱力參量的變化規(guī)律，進(jìn)而準(zhǔn)確評(píng)估儲(chǔ)氣裝置內(nèi)能量存儲(chǔ)變化過程，本文在儲(chǔ)氣裝置內(nèi)壓縮濕空氣的宏觀質(zhì)量和能量方程基礎(chǔ)上，考慮水發(fā)生相變時(shí)與質(zhì)量變化速率相關(guān)的多種物性和狀態(tài)參數(shù)的影響，對(duì)現(xiàn)有的熱力學(xué)模型進(jìn)行修正并建立與相變速率有關(guān)的兩個(gè)無量綱數(shù)。在對(duì)比驗(yàn)證模型計(jì)算準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，計(jì)算了4種儲(chǔ)氣裝置入口水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的充氣過程。通過計(jì)算儲(chǔ)氣裝置在充氣過程中的值變化，進(jìn)而對(duì)儲(chǔ)氣裝置內(nèi)能量的動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)進(jìn)行表征。

1 儲(chǔ)氣裝置內(nèi)高壓（含濕）空氣熱力學(xué)模型

1.1 蒸發(fā)冷凝理論及其修正

本文建立儲(chǔ)氣裝置內(nèi)高壓（含濕）空氣熱力學(xué)模型的基本假設(shè)如下：①濕空氣中水蒸氣凝聚成的液相水中沒有干空氣；②凝結(jié)水以水膜形態(tài)附著在地下容器的內(nèi)壁面上；③忽略凝結(jié)水膜對(duì)壓縮空氣與容器壁面之間對(duì)流傳熱的影響［13］。適用于相變模型的質(zhì)量守恒方程和能量守恒方程為

2 模型可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所構(gòu)建的儲(chǔ)氣裝置高壓（含濕）空氣熱力學(xué)模型的可靠性，分別選取德國Huntorf壓縮空氣儲(chǔ)能電站地下儲(chǔ)氣庫實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)［5］提出的真實(shí)氣體充氣方程，與本文模型進(jìn)行比較。德國Huntorf壓縮空氣儲(chǔ)能電站地下儲(chǔ)氣庫的容積為141000m3，地下儲(chǔ)氣庫半徑為20m，地下儲(chǔ)氣庫表面積為25000m2，地下儲(chǔ)氣庫對(duì)流換熱速率和熱導(dǎo)率分別為30W·m－2·K－1、4W·（m·K）－1。地下儲(chǔ)氣庫的實(shí)際充放氣速率如圖1所示［20］，圖1中2.5～5.5h為Huntorf壓縮空氣儲(chǔ)能電站的充氣階段，且地下儲(chǔ)氣庫內(nèi)壓力和溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在該時(shí)間段內(nèi)較多，因此選擇該時(shí)間段內(nèi)地下儲(chǔ)氣庫的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

圖2為模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)運(yùn)行數(shù)據(jù)和Kushnir模型計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比。由圖2（a）可知，兩個(gè)模型預(yù)測(cè)得到的溫度數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致。相較于Kushnir模型，本文模型雖然在充氣初始階段誤差稍大，最大誤差為0.3℃，但是從整個(gè)充氣過程來看，隨著充入氣體質(zhì)量的增加，本文模型的誤差會(huì)逐漸減小，到充氣1.5h后，本文模型的準(zhǔn)確性則明顯優(yōu)于Kushnir模型。由圖2（b）可知，本文模型對(duì)于壓力的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)最大誤差為0.005MPa，整體曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合曲線基本重合，而Kushnir模型的最大誤差為0.08MPa，且在大部分充氣時(shí)間內(nèi)的壓力預(yù)測(cè)值小于實(shí)測(cè)擬合值，說明本文所提熱力學(xué)模型是可靠的。

3 入口氣體含水量對(duì)儲(chǔ)氣裝置熱力學(xué)特性的影響

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣裝置在實(shí)際運(yùn)行過程中的含濕量集中在8～35g/kg［7］，因此本文分別對(duì)充入儲(chǔ)氣裝置空氣中濕空氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、0.01、0.02、0.03的4個(gè)充氣工況進(jìn)行熱力學(xué)相關(guān)物理量的計(jì)算，進(jìn)而揭示充氣過程充入氣體含水量對(duì)儲(chǔ)氣裝置熱力參量的影響規(guī)律。儲(chǔ)氣裝置的具體參數(shù)［21］如表1所示，且儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的氣體在充氣前均為干空氣。

3.1 儲(chǔ)氣裝置內(nèi)溫度和壓力變化規(guī)律

圖3給出了入口氣體濕空氣的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0、0.01、0.02和0.03條件下的儲(chǔ)氣裝置內(nèi)壓縮空氣溫度和壓力變化過程曲線。由圖3（a）可知，相較于不含水蒸氣的充氣過程，充入儲(chǔ)氣裝置空氣中含水蒸氣時(shí)，儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的溫度提升更快，而且充入儲(chǔ)氣裝置空氣中含水量越大，升溫越快。這是因?yàn)闈窨諝庵兴魵獾暮吭黾樱瑵窨諝庵械膹?qiáng)極性分子數(shù)量就會(huì)增多，水蒸氣本身的焓值增大，攜帶的熱量越多［22］。

根據(jù)Clausius-Clapeyron方程［23］可知，濕空氣飽和溫度與飽和水蒸氣分壓的自然對(duì)數(shù)呈正相關(guān)性，但是在飽和水蒸氣分壓變化不到改變數(shù)量級(jí)的程度時(shí)，飽和溫度變化非常小。由于存在水蒸氣相變的緣故，相變過程中吸收或者釋放的潛熱會(huì)用于改變水分子的微觀結(jié)構(gòu)而不是用于提高溫度，充濕空氣儲(chǔ)氣裝置中的溫度在達(dá)到濕空氣的飽和溫度后增加緩慢，幾乎保持不變；水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03工況下儲(chǔ)氣裝置內(nèi)濕空氣的飽和溫度最高，分別比水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01、0.02工況下高0.8、0.7℃，說明入口氣體水蒸氣含量越高，飽和溫度也越大；充入干空氣，即質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0的工況下，儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的溫度變化符合真實(shí)氣體狀態(tài)方程的理論，氣體會(huì)隨著儲(chǔ)氣裝置內(nèi)氣體質(zhì)量的增加而升高，且不會(huì)維持在某一上限溫度不變。

圖3（b）結(jié)果表明，充入儲(chǔ)氣裝置空氣中水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03與干空氣的計(jì)算最高壓力相差約為0.008MPa，兩者之間的相對(duì)差約為1.2%，說明充入儲(chǔ)氣裝置空氣中含水量對(duì)壓縮空氣過程中壓力的影響程度較小。

3.2 儲(chǔ)氣裝置內(nèi)相對(duì)濕度變化規(guī)律

圖4為不同含水量的入口氣體充氣過程中儲(chǔ)氣裝置內(nèi)濕空氣相對(duì)濕度的變化。從圖4可以看出，在原本存有干空氣的儲(chǔ)氣裝置中充入干空氣，幾乎不影響相對(duì)濕度的大小，充氣1h后相對(duì)濕度不發(fā)生變化，這是因?yàn)檫@種工況下儲(chǔ)氣裝置中沒有水蒸氣；充入濕空氣的工況則均會(huì)提高儲(chǔ)氣裝置中的相對(duì)濕度，含水量質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03時(shí)儲(chǔ)氣裝置中相對(duì)濕度達(dá)到100%即達(dá)到飽和狀態(tài)需要的時(shí)間最久為15min，入口氣體水蒸氣含水量越大，相同時(shí)間內(nèi)相對(duì)濕度的改變反而越小。結(jié)合圖3（a）可知，入口氣體含水量越大時(shí)，氣體含濕量會(huì)增加，壓縮空氣的溫度升高越快，儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的飽和水蒸氣壓力也隨之快速升高。根據(jù)式（20）、（21），在綜合考慮水的汽化焓、含濕量、飽和溫度、飽和水蒸氣分壓后，最終計(jì)算所得到的儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的相對(duì)濕度比入口含水量小的濕空氣工況變化量要小。

3.3 儲(chǔ)氣裝置內(nèi)值變化規(guī)律

圖5為不同含水量工況下儲(chǔ)氣裝置內(nèi)值改變量隨時(shí)間的變化。根據(jù)式（23）以及溫度和值改變量的計(jì)算結(jié)果可以看出：由于溫度和壓力變化并非指數(shù)級(jí)增長，溫度和壓力與環(huán)境值的比值很小，則對(duì)數(shù)項(xiàng)的值很小，所以值增加的速率主要與溫度的大小有關(guān)；充入濕空氣的工況溫度升高很快并會(huì)維持在飽和溫度不變，值改變的速率較高且速率接近恒定；充入干空氣的儲(chǔ)氣裝置內(nèi)氣體升溫較慢，值改變的速率較低，導(dǎo)致在充氣前約50min時(shí)間內(nèi)該工況的改變量低于充入濕空氣的工況，但是該工況沒有其他工況中的飽和溫度作為溫度的上限，溫度會(huì)持續(xù)上升，所以值的改變速率隨著充氣時(shí)間的增加會(huì)逐漸升高，值改變量最終會(huì)超過其他3種充氣條件下的儲(chǔ)氣裝置。圖5中的兩個(gè)交點(diǎn)分別出現(xiàn)在第49、50min，第1個(gè)交點(diǎn)表示充入干空氣的儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的值改變量在第49min與充入含水量為0.03的濕空氣工況的儲(chǔ)氣裝置相等，第2個(gè)交點(diǎn)表示充入干空氣的儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的值改變量在第50min與充入水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01的濕空氣工況的儲(chǔ)氣裝置相等，在交點(diǎn)之前的時(shí)間段內(nèi)，充入干空氣工況的值改變量低于對(duì)應(yīng)濕空氣工況，在交點(diǎn)之后則高于對(duì)應(yīng)濕空氣工況，意味著交點(diǎn)之后充入干空氣的儲(chǔ)能效率要高于對(duì)應(yīng)的充入濕空氣的工況。對(duì)于充入濕空氣的情況，水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02時(shí)值增加量最大，水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01、0.03的條件下，值增加量接近，差值僅為0.07kW·h。這與儲(chǔ)氣裝置內(nèi)發(fā)生的水的冷凝和蒸發(fā)有關(guān)，水蒸氣凝結(jié)過程中釋放出的熱量將傳遞給壓縮空氣，而儲(chǔ)氣裝置內(nèi)液態(tài)水（水膜）蒸發(fā)需要吸收的熱量則來自于儲(chǔ)氣內(nèi)所儲(chǔ)存的熱量［24］。

圖6為充入濕空氣的3種工況下，儲(chǔ)氣裝置內(nèi)水的相變量曲線圖。結(jié)合圖3（a）、圖6可知，在儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的氣體達(dá)到飽和溫度之前，儲(chǔ)氣裝置內(nèi)幾乎沒有相變現(xiàn)象發(fā)生，在達(dá)到飽和溫度之后，冷凝和蒸發(fā)現(xiàn)象同時(shí)存在，蒸發(fā)水的質(zhì)量相較于冷凝水的質(zhì)量明顯較小，約為冷凝水質(zhì)量的0.03倍，由于相變而產(chǎn)生的能量變化的主要影響因素是濕空氣冷凝程度。

本文計(jì)算的3種含水量的濕空氣充氣過程中，含水量越大，對(duì)應(yīng)的飽和溫度越高，儲(chǔ)氣裝置內(nèi)氣體達(dá)到飽和狀態(tài)所需時(shí)間也就越長，蒸發(fā)/冷凝的時(shí)間也相應(yīng)越短，因此雖然入口氣體含水量越大的氣體水蒸氣分壓更大，但并非對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)/冷凝的水的質(zhì)量就越大，需要綜合考慮來判斷相變的程度。由圖6可知，水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02時(shí)凝結(jié)的水的質(zhì)量最大，釋放的能量也最多，水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01、0.03時(shí)凝結(jié)水的質(zhì)量相近，釋放的能量也相近；由菲克定律［25］可知，蒸發(fā)水量受凝結(jié)水量、擴(kuò)散系數(shù)、儲(chǔ)氣裝置體內(nèi)部表面積和濕空氣溫度等因素的共同影響，水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.03時(shí)蒸發(fā)的水量最多，水蒸氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01、0.02時(shí)蒸發(fā)的水量接近。

綜合上述分析，儲(chǔ)氣裝置中的值增量并非與入口氣體中水的含量呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，入口氣體含水量增大會(huì)導(dǎo)致冷凝速率加快，但冷凝時(shí)間會(huì)減短，需要綜合考慮冷凝速率和時(shí)間，最終判定入口氣體含水量對(duì)儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的影響。

3.4 充氣過程無量綱數(shù)的變化規(guī)律

圖7為3種不同含水量濕空氣充氣過程中兩個(gè)無量綱數(shù)的變化。由圖7（a）、圖6（a）可以看出：水蒸氣凝結(jié)速率隨W的增大而穩(wěn)步加快；儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的濕空氣達(dá)到飽和溫度的時(shí)間點(diǎn)之后水蒸氣的冷凝速率明顯加快；此時(shí)濕空氣的溫度維持在飽和溫度附近幾乎不變，則W的取值主要與容器中濕空氣的液態(tài)水的體積分?jǐn)?shù)αl及潛熱大小有關(guān)，此后隨著壓力上升，改變分子結(jié)構(gòu)所需的潛熱變小，冷凝速率變快，水的體積分?jǐn)?shù)αl也跟著變大，在W為0.000 1時(shí)水蒸氣的凈凝結(jié)速率要小于W為0.0004時(shí)的凝結(jié)速率，說明W的取值越大，表明儲(chǔ)氣裝置內(nèi)濕空氣在相變過程中水蒸氣凝結(jié)的速率越快；無量綱數(shù)B是表征濕空氣各相態(tài)組分占比的關(guān)鍵數(shù)值，其取值大小主要與容器中液態(tài)水的體積分?jǐn)?shù)αl有關(guān)，在儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的濕空氣達(dá)到飽和狀態(tài)后，凝結(jié)的液態(tài)水量會(huì)迅速增加，體積分?jǐn)?shù)也迅速增大，使得液態(tài)水占比更大。由圖7（b）、圖6（a）和入口水蒸氣的質(zhì)量流率可以看出，在B為0.005時(shí)水蒸氣的凈凝結(jié)比率約1/18，B為0.03時(shí)則對(duì)應(yīng)1/9，B的取值越大表明當(dāng)前在狀態(tài)下的儲(chǔ)氣裝置中液態(tài)水的占比越多，因此可結(jié)合入口水蒸氣的質(zhì)量流率通過B的大小判斷儲(chǔ)氣裝置中水蒸氣冷凝的比例。

4 結(jié) 論

本文為揭示儲(chǔ)氣裝置充氣過程濕空氣的熱質(zhì)傳遞機(jī)理，在儲(chǔ)氣裝置內(nèi)壓縮濕空氣的質(zhì)量和能量方程中結(jié)合Lee模型理論，考慮水發(fā)生相變時(shí)與質(zhì)量傳遞速率相關(guān)的氣泡直徑、濕空氣飽和溫度、質(zhì)量傳遞的調(diào)節(jié)系數(shù)、相變工質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)的影響，建立了儲(chǔ)氣裝置內(nèi)壓縮濕空氣的通用性熱力學(xué)模型，并提出了描述儲(chǔ)氣裝置內(nèi)濕空氣相變速率的兩個(gè)無量綱數(shù)，探究了充入儲(chǔ)氣裝置空氣中含水量對(duì)儲(chǔ)氣裝置熱力學(xué)特性的影響。

（1）充入儲(chǔ)氣裝置空氣中含水量對(duì)儲(chǔ)氣裝置內(nèi)壓縮空氣溫度的影響程度較大，但對(duì)儲(chǔ)氣裝置內(nèi)壓縮空氣壓力的影響程度較小。充入儲(chǔ)氣裝置空氣中含水蒸氣時(shí)，儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的溫度提升更快，充入儲(chǔ)氣裝置空氣中含水量越大，升溫更快，達(dá)到飽和溫度時(shí)溫度會(huì)保持恒定。充入干空氣時(shí)，儲(chǔ)氣裝置內(nèi)空氣溫度呈一直上升趨勢(shì)。

（2）儲(chǔ)氣裝置在儲(chǔ)氣過程中同時(shí)存在蒸發(fā)和冷凝現(xiàn)象，冷凝現(xiàn)象較蒸發(fā)現(xiàn)象對(duì)儲(chǔ)氣裝置內(nèi)值增量影響更大，這使得儲(chǔ)氣裝置內(nèi)值增量在充氣前50min高于充入干空氣的工況。

（3）充入儲(chǔ)氣裝置氣體含水量增大會(huì)延長濕空氣達(dá)到飽和溫度的時(shí)間，在相同時(shí)間的充氣過程中冷凝時(shí)間會(huì)減短，但冷凝速率會(huì)加快，所以需要綜合考慮冷凝的速率和時(shí)間，最終判定入口氣體含水量對(duì)儲(chǔ)氣裝置內(nèi)的影響。

（4）本文建立的兩個(gè)無量綱數(shù)都與相變速率存在正相關(guān)性，可通過無量綱數(shù)的大小對(duì)冷凝的速率和儲(chǔ)氣裝置內(nèi)不同相態(tài)水的占比進(jìn)行評(píng)估。

參考文獻(xiàn)：

［1］姚爾人， 仲理科， 鄒瀚森， 等. 壓縮空氣與熱化學(xué)復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)反應(yīng)器動(dòng)態(tài)性能研究 ［J］. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2024， 58（2）： 1-11.

YAO Erren， ZHONG Like， ZOU Hansen， et al. Dynamic thermodynamic performance study of the reactor within the combined compressed air and thermochemical energy storage system ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2024， 58（2）： 1-11.

［2］蔣中明， 廖峻慧， 肖喆臻， 等. 壓縮空氣儲(chǔ)能地下儲(chǔ)氣庫熱力學(xué)改進(jìn)模型研究 ［J］. 長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2024， 21（2）： 32-41.

JIANG Zhongming， LIAO Junhui， XIAO Zhezhen， et al. Study on improved model for the thermodynamics of compressed air energy storage underground cavern ［J］. Journal of Changsha University of Scienceamp; Technology（Natural Science）， 2024， 21（2）： 32-41.

［3］ALIRAHMI S M， RAZMI A R， ARABKOOHSAR A. Comprehensive assessment and multi-objective optimization of a green concept based on a combination of hydrogen and compressed air energy storage systems ［J］. Renewable and Sustainable Energy Reviews， 2021， 142： 110850.

［4］LANGHAM E J. The underground storage of compressed air for gas turbines： a dynamic study on an analogue computer ［J］. The Computer Journal， 1965， 8（3）： 216-224.

［5］KUSHNIR R， DAYAN A， ULLMANN A. Temperature and pressure variations within compressed air energy storage caverns ［J］. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2012， 55（21/22）： 5616-5630.

［6］RAJU M， KUMAR KHAITAN S. Modeling and simulation of compressed air storage in caverns： a case study of the Huntorf plant ［J］. Applied Energy， 2012， 89（1）： 474-481.

［7］JIANG Zhongming， LI Peng， TANG Dong， et al. Experimental and numerical investigations of small-scale lined rock cavern at shallow depth for compressed air energy storage ［J］. Rock Mechanics and Rock Engineering， 2020， 53（6）： 2671-2683.

［8］何洋， 高森虎， 吳青云， 等. 析濕工況下平直開縫翅片傳熱傳質(zhì)特性的數(shù)值研究 ［J］. 化工學(xué)報(bào)， 2023， 74（3）： 1073-1081.

HE Yang， GAO Senhu， WU Qingyun， et al. Numerical study on heat and mass transfer characteristics of straight slotted fins under wet conditions ［J］. CIESC Journal， 2023， 74（3）： 1073-1081.

［9］蔣中明， 郭菁， 唐棟. 壓氣儲(chǔ)能地下儲(chǔ)氣庫壓縮濕空氣熱力學(xué)模型 ［J］. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)， 2021， 10（2）： 638-646.

JIANG Zhongming， GUO Jing， TANG Dong. A thermodynamic model of compressed humid air within an underground rock cavern for compressed air energy storage ［J］. Energy Storage Science and Technology， 2021， 10（2）： 638-646.

［10］白楊. 含不凝性氣體氮蒸氣冷凝傳熱數(shù)值模擬與可視化實(shí)驗(yàn)研究 ［D］. 杭州： 浙江大學(xué)， 2017.

［11］吳子儀. 濕空氣環(huán)境中滴狀冷凝多場(chǎng)耦合特性及強(qiáng)化傳熱的數(shù)值研究 ［D］. 北京： 華北電力大學(xué)， 2023.

［12］LEE W H. A pressure iteration scheme for two-phase flow modeling ［J］. Multiphase transport fundamentals， reactor safety， applications， 1980， 1： 407-431.

［13］李瑞雄， 鄒瀚森， 姚爾人， 等. 液體活塞近等溫壓縮空氣儲(chǔ)能過程熱力性能評(píng)估 ［J］. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2023， 57（5）： 58-67.

LI Ruixiong， ZOU Hansen， YAO Erren， et al. Thermodynamic performance evaluation of the near-isothermal compressed airenergy storage system with liquid piston ［J］. Journal of Xi’an Jiaotong University， 2023， 57（5）： 58-67.

［14］BROMLEYL A. Effect of heat capacity of condensate ［J］. Industrial amp; Engineering Chemistry， 1952， 44（12）： 2966-2969.

［15］許圣華. 濕空氣熱物理性質(zhì)計(jì)算方程 ［J］.蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 1999， 15（3）： 54-59.

XU Shenghua. Equations for calculating thermophysical properties of moist air ［J］. Journal of Soochow University（Natural Science Edition），1999， 15（3）： 54-59.

［16］朱韋， 王士杰. 考慮增強(qiáng)因子和壓縮因子的濕空氣濕度和密度計(jì)算 ［C］//中國工程熱物理學(xué)會(huì)工程熱力學(xué)與能源利用學(xué)術(shù)會(huì)議. 溫州： 中國工程熱物理學(xué)會(huì)， 1986： 17.

［17］韓琪煒， 金捷， 賴根鴻， 等. 一維陣列多液滴蒸發(fā)模型實(shí)驗(yàn)研究 ［J/OL］. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào). ［2024-05-06］. https：//doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2024.0138.

HAN Qiwei， JIN Jie， LAI Genhong， et al. Experimental study of multi-droplet evaporation model of one-dimensional array ［J/OL］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics. ［2024-05-06］. https：//doi.org/10.13700/j.bh.1001-5965.2024.0138.

［18］畢文蓓. 敦煌莫高窟地仗層熱濕耦合傳遞過程及特性研究 ［D］. 西安： 西安建筑科技大學(xué)， 2022.

［19］HE Wei， LUO Xing， EVANS D， et al. Exergy storage of compressed air in cavern and cavern volume estimation of the large-scale compressed air energy storage system ［J］. Applied Energy， 2017， 208： 745-757.

［20］蔣中明， 郭菁， 唐棟. 基于儲(chǔ)能效率分析的CAES地下儲(chǔ)氣庫容積分析 ［J］. 儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)， 2020， 9（3）： 892-900.

JIANG Zhongming， GUO Jing， TANG Dong. Cavern volume of CAES system based on energy efficiency analysis ［J］. Energy Storage Science and Technology， 2020， 9（3）： 892-900.

［21］王愷， 陳二鋒， 張翼， 等. 復(fù)合材料氣瓶充放氣過程仿真與驗(yàn)證 ［J］. 壓力容器， 2016， 33（12）： 1-6.

WANG Kai， CHEN Erfeng， ZHANG Yi， et al. Simulation and experimental validation on charge/discharge of composite cylinders ［J］. Pressure Vessel Technology， 2016， 33（12）： 1-6.

［22］林玉娟， 王志偉， 高東. 復(fù)合材料CNG氣瓶充氣溫升的數(shù)值模擬 ［J］. 石油化工設(shè)備技術(shù)， 2021， 42（5）： 22-28.

LIN Yujuan， WANG Zhiwei， GAO Dong. Numerical simulation of temperature rise of CNG cylinder filled with composite material ［J］. Petrochemical Equipment Technology， 2021， 42（5）： 22-28.

［23］艷艷. 強(qiáng)降水對(duì)相關(guān)氣象要素的依賴性研究 ［D］. 北京： 中國氣象科學(xué)研究院， 2019.

［24］王婷， 谷波， 邱峰. 濕空氣飽和水蒸汽曲線計(jì)算模型的建立與分析 ［J］. 低溫與超導(dǎo)， 2010， 38（5）： 47-52.

WANG Ting， GU Bo， QIU Feng. Calculation modeling of the water vapor saturation curve of moist air and its analysis ［J］. Cryogenics and Superconductivity， 2010， 38（5）： 47-52.

［25］王超， 陳學(xué)， 胥蕊娜， 等. 低壓加熱條件下水膜蒸發(fā)特性 ［J］. 中國科學(xué)院大學(xué)學(xué)報(bào)， 2018， 35（2）： 188-192.

WANG Chao， CHEN Xue， XU Ruina， et al. Water film heating evaporation under low pressure ［J］. Journal of University of Chinese Academy of Sciences， 2018， 35（2）： 188-192.

（編輯 趙煒）