CN102269674A - 一种高压储氢气瓶试验用温控与防爆一体化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高压储氢气瓶试验用温控与防爆一体化装置，包括抗爆壳体、温度压力感应器、氢气泄漏监测器、温控系统和缓冲罐，其中，壳体由高强度钢材制成，具有可容置待测储氢气瓶的容置腔，壳体上并开设有连通内外的氢气入口和惰性气体入口；温度压力感应器和氢气泄漏监测器均设于壳体的容置腔内，分别用于测量储氢气瓶内部的温度压力和氢气浓度；温控系统设于壳体的容置腔内，用于调节容置腔内的温度；缓冲罐经由导气管与抗爆壳体内的储氢气瓶连接，且所述导气管上设有电磁阀。此结构集防爆、温度控制、氢气泄漏监测于一体，使得利用氢气对储氢气瓶进行测试成为可能，从而有效地保证试验数据的准确性。

Description

一种高压储氢气瓶试验用温控与防爆一体化装置

技术领域

 本发明属于储氢容器性能测试安全保护领域。具体来说涉及防止储氢容器试验过程中爆炸的安全隐患，并具有模拟不同的环境温度。另外还涉及储氢容器性能测试过程中各种数据的实时采集，并对储氢容器失效临界点做出准确判断。同时对于储氢容器突然失效或其它意外情况紧急停车的功能。属于氢能源领域。

背景技术

 能源是人类社会发展的关键因素。能源危机和环境问题的日益加重，要求人们寻找新能源代替传统的化石能源。近年来，世界各国纷纷关注新型清洁能源的开发研究。氢能以其燃烧产物洁净、燃烧效率高、可再生等优点被认为是新世纪的重要二次能源。

现有的氢气储存技术包括高压储氢、液氢储存、金属氢化物储氢、低温吸附储氢、纳米碳管高压吸附储氢以及液体有机氢化物储氢等。其中,高压储氢是最常用、最直接的储氢方式，近年来也有将吸附储氢与高压储氢相结合的方式。这些都离不开储氢的重要载体——储氢气瓶。对储氢气瓶最直接、最有效的研究方法就是实验研究。由于氢气易燃、易爆、易泄漏等特殊的物化学性质，对储氢气瓶的试验研究采用液压试验的方式，或者采用氮气代替氢气气压试验。如果仅采用液压试验的方式，和真实的氢气反复充放过程有着很大的差异。即使是用氮气代替氢气进行试验，由于氮气和氢气之间具有比较大的物化学性质，其实验结果和用氢气进行试验之间还是有着一定的差异，无法获得高压储氢瓶在承受反复充放氢气所表现出来的防泄漏能力。同时，由于氢原子的特殊性，容易和金属里面的碳原子结合而导致氢脆，出现腐蚀，这样，用其它气体代替氢气实验时，无法获得在疲劳载荷配合作用下，高压氢气的相关元件的腐蚀破坏程度。总而言之，鉴于高压储氢气的特点和储氢气瓶的风险特征，对其采用真实气体进行试验是非常有必要的。

储氢气瓶实验研究的关键技术之一是能对实验过程数据有效的采集和实验过程实时记录。目前的气瓶试验机应用在高压储氢气瓶试验时有着很多明显的不足，具体体现在如下几个方面：

1）、缺少防爆系统。目前很多气瓶或容器的气体承压试验一般会在防爆室内完成。虽然这样相对来说很安全，但防爆室的成本高，无法移动；

2）、缺少温控系统。储氢气瓶在使用过程中会遇到不同的环境温度，环境温度随着季节和地区的差异有着很大的差别，环境温度的差别对储氢气瓶性能的影响是不可忽略的；

3)、缺少氢气泄漏监测设备。由于目前对于气瓶的试验大多采用的是氮气这样的惰性气体，氮气的泄漏不会存在安全隐患，所以试验机都不会配备监测气体泄漏的设备。若以氢气作为试验的介质，由于氢气的特殊性质，氢气的泄漏监测设备就显得非常重要；

4）、数据采集一般为人工现场记录。实验员根据压力、温度和应力测量仪上的数据进行记录。由于人的疏忽，记录的数据极有可能不准确。而且要求实验员在整个试验过程中每到一定的时间就要记录一下数据，这无疑非常耗费人力；

5）、缺少气瓶外观记录设备。有些人对气瓶的研究会忽略气瓶外观状况的变化，其实外观状况也是气瓶的一个重要特征。目前试验时，大多采用目视镜肉眼观察的方法。肉眼观察受视力等条件限制，很难观察到容器外壁的细微变化。而且肉眼观察不能记录容器外壁的变化过程。储氢容器的疲劳试验一般是一个耗时比较长的试验，不可能一直跟踪观察容器外壁的变化；

6）、控制系统落后。目前的一些试验机的控制还多为人为控制，人为地控制压缩机的开启和电磁阀的开闭。人为控制往往会出现很多偏差，特别是遇到一些意外情况，有时很难做到紧急停车。

鉴于以上分析，本发明人针对现有技术下无法直接使用氢气进行实验，对储氢气瓶进行测试的现状进行分析，并加以深入研究，本案由此产生。

发明内容

 本发明的主要目的，在于提供一种高压储氢气瓶试验用温控与防爆一体化装置，其集防爆、温度控制、氢气泄漏监测于一体，使得利用氢气对储氢气瓶进行测试成为可能，从而有效地保证试验数据的准确性。

本发明的次要目的，在于提供一种高压储氢气瓶试验用温控与防爆一体化装置，其可极大地节省试验时的工作强度，提高试验的效率，并保证试验数据的实时性和准确性。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种高压储氢气瓶试验用温控与防爆一体化装置，包括抗爆壳体、温度压力感应器、氢气泄漏监测器、温控系统和缓冲罐，其中，抗爆壳体由高强度钢材制成，具有可容置待测储氢气瓶的容置腔，抗爆壳体上并开设有连通内外的氢气入口和惰性气体入口；温度压力感应器和氢气泄漏监测器均设于抗爆壳体的容置腔内，分别用于检测储氢气瓶内部的温度压力和氢气浓度；温控系统设于抗爆壳体的容置腔内，用于调节容置腔内的温度；缓冲罐经由导气管与抗爆壳体的容置腔连接，且所述导气管上设有电磁阀。

上述抗爆壳体的内壁还设有保温内胆。

上述壳体的氢气入口还连接有氢气压缩机。

上述温控系统包括用于制冷的压缩机、用于制热的电加热元件和温度检测元件，温度检测元件分别连接压缩机和电加热元件，根据检测的温度数据控制压缩机和电加热元件的动作以实现制冷或制热。

上述温度压力感应器和氢气泄漏监测器均连接数据采集系统，而数据采集系统连接至计算机，在计算机的控制下采集数据。

上述抗爆壳体的容置腔内还设置有至少一组摄像头，每组摄像头的数目为3个，均匀排布于待测储氢气瓶的周围。

采用上述方案后，本发明具有以下特点：

（1）通过设置强度较高的抗爆壳体，在试验过程中将待测储氢气瓶置于壳体中，即使发生氢气爆炸，也不会对外界环境造成影响，从而提高试验过程中的安全性，且壳体的体积较小，便于移动，且成本低；

（2）通过设置温控浴槽，可方便调节容置腔内的温度，模拟不同的环境温度，从而提高试验数据的准确性；

（3）通过设置氢气泄漏监测器，可实时监控壳体容置腔内的氢气浓度，从而提高试验过程的安全性，同时也是试验储氢气瓶失效临界点的一个重要判断条件；

（4）通过计算机控制数据采集系统，实现实时或定时采集气压及氢气浓度等数据，大大节省人力成本，且采集数据准确性较高；

（5）通过设置摄像头，可直观观测到整个待测储氢气瓶的外部情况，并可以进行储存，便于后续研究调用；

（6）通过设置紧急停车系统，可在突发状况时进行强制动作，断开氢气的充入，防止意外事件的发生。

附图说明

 图1是本发明的整体架构图。

主要元件符号说明

1  计算机          2  抗爆壳体          3  保温内胆

4  氢气泄漏监测器  5  摄像头            6  储氢气瓶

7  温控系统        8  惰性气体入口      9  缓冲罐

10 电磁阀          11 温度压力感应器    12 氢气压缩机

13 氢气入口        14 进气电磁阀        15 数据采集系统

16 控制系统。

具体实施方式

 以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种高压储氢气瓶试验用温控与防爆一体化装置，包括抗爆壳体2、温度压力感应器11、氢气泄漏监测器4、温控系统7和缓冲罐9，下面分别介绍。

抗爆壳体2由高强度钢材制成，其具有容置腔，可用于放置待测试的储氢气瓶6，抗爆壳体2上并开设有连通外部与容置腔的氢气入口13，供氢气充入，并采用进气电磁阀14进行充气控制，本实施例中的氢气入口13并连接有氢气压缩机12，以提高充入氢气的效率，当然，也可采用传统的方法，直接使用高压储氢罐进行充气，不以本实施例为限；在本实施例中，为了提高恒温性能，所述抗爆壳体2的内壁还设有保温内胆3；另外，抗爆壳体2上还开设有惰性气体入口8，用于供氮气等惰性气体充入，以提高测试过程中的安全性。

温度压力感应器11设于抗爆壳体2内，更确切地说，是用于放置在待测的储氢气瓶6中检测氢气的气压。

氢气泄漏监测器4设于抗爆壳体2的容置腔内，用于测试容置腔内的氢气浓度，当超过一定数值时，即可判断储氢气瓶6的瓶体存在泄漏，同时还可作为被测储氢气瓶6是否破裂的临界点的判断依据。

温控系统7设于抗爆壳体2的容置腔内，具体包括用于制冷的压缩机、用于制热的电加热元件和温度检测元件，温控系统7采用压缩机制冷和电加热相结合的方式进行空气浴温控：如果预设的模拟温度低于当时的环境温度，电加热元件开始工作，对容置腔中的空气进行加热到预设温度；如果预设的模拟温度高于当时的环境温度，制冷压缩机开始工作，对容置腔中的空气制冷到预设温度；在此过程中，温度检测元件会实时监测容置腔中的温度。并把监测到的温度和预设的温度进行比较，根据预设温度和空气温度的高低来决定加热元件还是制冷元件工作，同时由温度差值的大小控制加热或制冷元件的工作强度。

缓冲罐9经由导气管与抗爆壳体2的容置腔连接，更确切地说，是与容置腔内的待测储氢气瓶6连接，且所述导气管上设有电磁阀10，当电磁阀10打开时，用于将储氢气瓶6中的氢气导入至缓冲罐9中。

在本实施例中，所述温度压力感应器11和氢气泄漏监测器4均连接数据采集系统15，而数据采集系统15又可连接计算机1，从而可设定时间，定时采集储氢气瓶6内部的温度气压数据和氢气浓度数据，并送入计算机1进行分析。

本发明还包含紧急停车系统（图中未示），其与计算机1连接，当遇到突发状况时，计算机1会通过控制系统16控制紧急停车系统动作，首先关闭氢气压缩机12的电源，再关闭氢气入口13的进气电磁阀14，同时打开旁路上的电磁阀10，将储氢气瓶6中的氢气排放到缓冲罐9中。

以下将结合具体试验，对本发明的结构以及功能进行说明。

在实验前，首先向抗爆壳体2的容置腔内充入惰性气体，主要考虑到以氢气为介质进行试验时，试验过程中储氢气瓶6泄漏的氢气与空气会形成空-氢混合气体。如果混合气体的浓度达到一定的限度遇到明火或者电火花就会发生燃爆，这样则无疑会对实验员及试验设备存在安全威胁。一般用氮气作为惰性气体对容置腔进行置换，氮气由抗爆壳体2上的惰性气体入口8流入容置腔。

温控浴槽4将抗爆壳体2内气体的温度调至预先设定值，采用压缩机制冷和电加热相结合的方式进行空气浴温控。

在试验时，通过氢气压缩机12对被测储氢气瓶6充气，如图1所示。在承压试验时，氢气压缩机12会不断对储氢气瓶6充气，直至被测储氢气瓶6破裂。在这个过程中，数据采集系统15会启动工作，设定好数据记录的频率。即每隔多长时间记录一次数据。在试验时，被测储氢气瓶6的参数是和充气时间相关的函数，为了更好地表达这些参数与时间的关系，数据采集系统15会链接到计算机1，由计算机1自动绘制参数与时间的X-Y函数图像。即温度-时间图像、压力-时间图像、应力-时间图像。

为了更好地了解储氢气瓶6在疲劳试验过程中外部的实际状况，在储氢气瓶6的周围布设1组或2组摄像头5，每组为3个，所述的摄像头5都采用自带光源型的，发光体分布在镜头的外侧而不是在镜头内，这样光源体发出的光线不会射到镜头的玻璃上反射，而影响了图像的清晰度。摄像头5均匀布置在储氢气瓶6的周围，每组的3个摄像头5刚好能够观察到整个储氢气瓶6外部的情况。实时的图像可以在计算机1的显示屏上显示。同时可以把视频数据保存到计算机1上，方便试验后的观察研究。

继续给被测储氢气瓶6充气，直至破裂。试验结束，依次关闭氢气压缩机12的的电源开关以及氢气入口13的进气电磁阀14。

对于疲劳试验，除了有个充气加压的过程，还有个泄压即储氢气瓶6中氢气的排放过程。由于氢气物化学性质的特殊性，不能将做完试验的氢气排放到空气中。泄压过程主要是将被测储氢气瓶6里的氢气通过旁路的电磁阀10，把氢气泄压到缓冲罐9中。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高压储氢气瓶试验用温控与防爆一体化装置，其特征在于：包括抗爆壳体、温度压力感应器、氢气泄漏监测器、温控系统和缓冲罐，其中，抗爆壳体由高强度钢材制成，具有可容置待测储氢气瓶的容置腔，抗爆壳体上并开设有连通内外的氢气入口和惰性气体入口；温度压力感应器和氢气泄漏监测器均设于抗爆壳体的容置腔内，分别用于检测储氢气瓶内部的温度压力和氢气浓度；温控系统设于抗爆壳体的容置腔内，用于调节容置腔内的温度；缓冲罐经由导气管与抗爆壳体内的储氢气瓶连接，且所述导气管上设有电磁阀。

2.如权利要求1所述的一种高压储氢气瓶试验用温控与防爆一体化装置，其特征在于：所述抗爆壳体的内壁还设有保温内胆。

3.如权利要求1所述的一种高压储氢气瓶试验用温控与防爆一体化装置，其特征在于：所述壳体的氢气入口还连接有氢气压缩机。

4.如权利要求1所述的一种高压储氢气瓶试验用温控与防爆一体化装置，其特征在于：所述温控系统包括用于制冷的压缩机、用于制热的电加热元件和温度检测元件，温度检测元件分别连接压缩机和电加热元件，根据检测的温度数据控制压缩机和电加热元件的动作以实现制冷或制热。

5.如权利要求1所述的一种高压储氢气瓶试验用温控与防爆一体化装置，其特征在于：所述温度压力感应器和氢气泄漏监测器均连接数据采集系统，而数据采集系统连接至计算机，在计算机的控制下采集数据。

6.如权利要求1所述的一种高压储氢气瓶试验用温控与防爆一体化装置，其特征在于：所述抗爆壳体的容置腔内还设置有至少一组摄像头，每组摄像头的数目为3个，均匀排布于待测储氢气瓶的周围。

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