CN103511833B - 便携式自冷却高压氢气增压装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及承压设备试验技术，旨在提供一种便携式自冷却高压氢气增压装置及方法。该装置包括氢气增压单元、空气驱动单元和氢气冷却单元；其中，氢气增压单元包括入口单向阀、气驱氢气增压器和出口单向阀；空气驱动单元包括压缩空气源、过滤器、减压阀和换向阀；氢气冷却单元包括冷却套管和消音器，氢气增压单元中的气驱氢气增压器是活塞式增压器。本发明输出压力高、范围广，输出流量大，增压快，广泛适用于各压力等级的车载储氢气瓶；冷却效果良好，节能环保；主要部件体积小巧、结构简单、充氢快速、具有良好的便携性，特别适用于车载储氢气瓶火烧、枪击等试验场合；无电子元件、安全可靠；噪声小、成本低、操作简便等。

Description

便携式自冷却高压氢气增压装置及方法

技术领域

本发明涉及承压设备试验技术领域，特别是指一种便携的且具有自冷却功能的高压氢气增压装置及方法。

背景技术

随着化石能源的日益枯竭以及人们对环境问题的日益关注，作为新世纪重要二次能源的氢能正迅速发展。以氢为动力的氢能汽车已成为世界汽车工业未来发展的方向之一，由此也带动了其关键部件车载储氢气瓶的发展。为验证车载储氢气瓶在汽车意外起火、碰撞情况下的安全性能，世界各国相关标准均要求将车载储氢气瓶充装高压氢气至其公称工作压力（一般为35-70MPa）后进行火烧试验和枪击试验。因火烧与枪击试验危险性较高，所以试验必须在空旷野外进行，这也对为试验气瓶充装高压氢气的增压装置提出了便携与快速增压的双重要求。

目前，国内现有的高压氢气增压装置，较难在便携性和快速增压两方面都达到较高水平。通常便携的氢气增压装置，其输出流量较小、增压缓慢且输出压力不高；而能实现快速增压的氢气增压装置，往往设备较复杂、携带不便，甚至需热交换器，成本较高。中国专利200710011909.7提供了一种连续输氢设备，其通过使用储氢材料实现增压与氢气提纯的双重功能，但输出压力最高仅为35MPa，且需设有热交换器以致设备较为复杂。中国专利200520046789.0提供了一种小型氢气增压装置，其同样通过储氢材料的充放氢特性实现氢气增压，但仅适用于对增压比要求高，流量较小的氢气增压场合。中国专利201120075026.4提供了一种70MPa移动式氢气加注设备，其包括单元底撬上的驱动空气装置、储气瓶组和增压装置，可为氢能汽车上的高压储氢气瓶进行快速加氢。但该设备还需设有报警自停装置、冷却装置、控制柜及大量的控制元件等其他附件，更适用于公路或园区的氢能汽车加氢服务。中国专利201110119297.X提供了一种基于气驱增压技术的快速充氢成套装备及方法，其通过预增储氢罐、气驱增压泵等设备可实现高压储氢气瓶的快速充放氢，但其设备及控制系统较为复杂，不具便携性。

因此，如何设计开发一种既便携，又能为试验气瓶快速充氢的高压氢气增压装置，以满足车载储氢气瓶火烧与枪击试验的需要，从而验证气瓶在汽车起火、碰撞情况下的安全性能，就显得格外重要且意义重大。

发明内容

本发明要解决的技术方案是，克服现有技术的不足，提供一种便携式自冷却高压氢气增压装置及方法。特别是针对车载储氢气瓶火烧试验与枪击试验的需要，使其便于携带且具有自冷却功能，可有效控制高压氢气经增压后的温升，从而将试验气瓶快速充装氢气至其公称工作压力。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种便携式自冷却高压氢气增压装置，包括氢气增压单元；还包括空气驱动单元和氢气冷却单元；其中，氢气增压单元包括入口单向阀、气驱氢气增压器和出口单向阀；空气驱动单元包括压缩空气源、过滤器、减压阀和换向阀；氢气冷却单元包括冷却套管和消音器；

氢气增压单元中的气驱氢气增压器是活塞式增压器，其活塞的驱动侧通过管路接至空气驱动单元的换向阀；入口单向阀分别与氢气源单元和气驱氢气增压器的增压缸入口相连，出口单向阀分别与气驱氢气增压器的增压缸出口和氢气管路相连，氢气管路的另一端则用于连接车载储氢气瓶；所述冷却套管设于氢气管路的外侧，设于气驱氢气增压器上的空气出口连接至冷却套管的末端，位于冷却套管始端的排出口处设消音器；

所述气驱氢气增压器共有两个且为并联安装方式，是具有自冷却功能的双驱动双作用氢气增压器：内设双向双作用活塞，活塞两端均设增压缸；在增压缸外壁设有换热夹套，活塞缸的空气排出口与换热夹套相接；换热夹套的出口与气驱氢气增压器上的空气出口相连；与此相配合，所述换向阀是二位四通阀。

本发明中，所述氢气源单元包括氢气瓶、减压阀、压力表、截止阀和过滤器。

本发明中，所述设于氢气管路外侧的冷却套管是翅片式冷却套管。

本发明中，所述氢气管路上设有压力表和截止阀；安全泄压管路和气控泄压阀接于该氢气管路，安全泄压管路上设有截止阀。

本发明中，气控泄压阀的气控部件与所述空气驱动单元相接。

本发明还进一步提供了基于上述装置的自冷却高压氢气增压方法，是在充氢的时候，由气驱氢气增压器的氢气输出流量、试验气瓶的公称工作压力及其容积确定气驱氢气增压器的增压时间，进而根据应用氢气进行试验的时间安排决定选择两台或单台气驱氢气增压器工作，以在满足充氢速度要求的前提下降低能耗；

所述气驱氢气增压器的增压时间根据公式（1）确定：

$t=\frac{P_1{V}_1}{\mathrm{\ρQ}(\mathrm{RT}+\mathrm{\αR}{P}_1)}---\left(1\right)$

式中，t为气驱氢气增压器的增压时间，单位min；P₁为试验气瓶的公称工作压力压力，单位Pa；V₁为试验气瓶的容积，单位m³；ρ为标准状况下氢气的密度，其值为0.08988kg/m³；，Q为气驱氢气增压器的氢气输出流量，单位Nm³/min；R为气体常数，其值为4.157×10³J/kg·K；T为充氢时的环境温度，单位K；α为常数，其值为1.9155×10^-6K/Pa。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

1.输出压力高、范围广（0～100MPa），输出流量大，增压快，广泛适用于各压力等级的车载储氢气瓶；

2.采用气驱增压器排放的压缩空气对增压后的高压氢气进行冷却，并使用了翅片式冷却套管，冷却效果良好，节能环保；

3.主要部件气驱氢气增压器的体积小巧、结构简单、充氢快速、具有良好的便携性，特别适用于车载储氢气瓶火烧、枪击等试验场合；

4.无电子元件、安全可靠；

5.噪声小、成本低、操作简便等。

附图说明

图1是本发明一种便携式自冷却高压氢气增压装置的示意图。

图中：氢气瓶1、低压氢气管路P1、减压阀I2、压力表I3、截止阀I4、过滤器I5、压缩空气源6、过滤器II7、减压阀II8、压力表II9、截止阀II10、压缩空气源连通增压器管路P2、压缩空气源连通气控泄压阀管路P3、入口单向阀11、气驱氢气增压器12、出口单向阀13、换向阀14、消音器15、空气泄放管路P4、冷却套管P5、高压氢气管路P6、车载储氢气瓶16、截止阀III17、压力表III18、截止阀IV19、安全泄压管路P7、气控泄压阀20。

具体实施方式

参照上述附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种便携式自冷却高压氢气增压装置包括氢气源单元、空气驱动单元、氢气增压单元、氢气冷却单元。氢气源单元由低压氢气管路P1连通氢气瓶1、减压阀I2、压力表I3、截止阀I4、过滤器I5组成，向气驱氢气增压器12连续提供低压氢气。空气驱动单元由压缩空气源6连接过滤器II7、减压阀II8、压力表II9、截止阀II10及换向阀14组成，并通过管路P2和管路P3分别连接气驱氢气增压器12和气控泄压阀20，分别向其提供驱动力。氢气增压单元由入口单向阀11、气驱氢气增压器12、出口单向阀13连接高压氢气管路P6组成，向车载储氢气瓶16充入高压氢气；高压氢气管路P6上安装的压力表III18可实时显示车载储氢气瓶16的充氢压力；高压氢气管路P6上安装的截止阀III17、截止阀IV19、气控泄压阀20，用于停止充氢及泄压。高压氢气冷却单元由空气泄放管路P4连通套于高压氢气管路P6外的冷却套管P5、消音器15组成，其作用是利用气驱氢气增压器12排出的压缩空气冷却其输出的高压氢气。

气驱氢气增压器12购自麦格思维特（上海）流体工程有限公司，是具有自冷却功能的双驱动双作用氢气增压器：内设双向双作用活塞，其两端均设增压缸；在增压缸外壁设有换热夹套，活塞缸的空气排出口与换热夹套相接；换热夹套的出口与气驱氢气增压器上的空气出口相连；与此相配合，所述换向阀14是二位四通阀。

便携式自冷却高压氢气增压装置的工作过程如下：

氢气瓶1连接低压氢气管路P1，低压氢气管路P1上依次连接减压阀I2、压力表I3、截止阀I4、过滤器I5，再接入入口单向阀11从而与气驱氢气增压器12相连；调整减压阀I2、打开截止阀I4向气驱氢气增压器12连续提供低压氢气。压缩空气源6依次连接过滤器II7、减压阀II8、压力表II9、截止阀II10，再通过管路P2连接换向阀14后即连接至气驱氢气增压器12；调整减压阀II8、打开截止阀II10后，压缩空气将驱动气驱氢气增压器12开始工作，对通入其内部的低压氢气进行增压。低压氢气在气驱氢气增压器12的增压缸内增压，与此同时气驱氢气增压器12在活塞回程时排出的压缩空气将对增压缸内的高压氢气进行一次冷却。而后，在增压缸内增压后的高压氢气经出口单向阀13通入高压氢气管路P6中，与此同时气驱氢气增压器12排出的压缩空气经空气泄放管路P4通入冷却套管P5中。冷却套管P5内的压缩空气与高压氢气管路P6中的高压氢气流动方向相反，并通过冷却套管P5内的翅片进行充分换热，即对高压氢气进行二次冷却。换热后，冷却套管P5内的压缩空气经消音器15排出，而高压氢气管路P6中的高压氢气经截止阀III17后充入车载储氢气瓶16。以上供氢、增压、冷却、充氢过程连续自动进行，直至达到车载储氢气瓶16的公称工作压力。

便携式自冷却高压氢气增压装置的高压氢气管路P6上依次安装有气控泄压阀20、截止阀III17、截止阀IV19。当增压装置出现故障或车载储氢气瓶16出现泄漏等意外情况发生时，可关闭截止阀III17，以停止向车载储氢气瓶16充氢。需要时可打开截止阀IV19排出车载储氢气瓶16内的氢气，也可打开气控泄压阀20排出增压装置中的氢气。

本发明采用了并联的两台气驱氢气增压器12，以保证车载储氢气瓶16容积较大或公称工作压力较高时仍可快速充氢。也可根据试验气瓶的容积大小和公称工作压力高低等条件，通过打开或关闭低压氢气管路P1和压缩空气源连通增压器管路P2上的截止阀，选择两台或单台气驱氢气增压器12工作，以在满足充氢要求的前提下降低能耗。

应用前述装置的自冷却高压氢气增压方法：

是在充氢的时候，由气驱氢气增压器12的氢气输出流量、试验气瓶的公称工作压力及其容积确定气驱氢气增压器12的增压时间，进而根据应用氢气进行试验（例如火烧试验或枪击试验）的时间安排决定选择两台或单台气驱氢气增压器12工作，以在满足充氢速度要求的前提下降低能耗；

所述气驱氢气增压器12的增压时间根据公式（1）确定：

$t=\frac{P_1{V}_1}{\mathrm{\ρQ}(\mathrm{RT}+\mathrm{\αR}{P}_1)}---\left(1\right)$

式中，t为气驱氢气增压器12的增压时间，单位min；P₁为试验气瓶的公称工作压力压力，单位Pa；V₁为试验气瓶的容积，单位m³；ρ为标准状况下氢气的密度，其值为0.08988kg/m³；，Q为气驱氢气增压器12的氢气输出流量，单位Nm³/min；R为气体常数，其值为4.157×10³J/kg·K；T为充氢时的环境温度，单位K；α为常数，其值为1.9155×10^-6K/Pa。

Claims (4)

1.一种便携式自冷却高压氢气增压装置，包括氢气增压单元；其特征在于，还包括空气驱动单元和氢气冷却单元；其中，氢气增压单元包括入口单向阀、气驱氢气增压器和出口单向阀；空气驱动单元包括压缩空气源、过滤器、减压阀和换向阀；氢气冷却单元包括冷却套管和消音器；

氢气增压单元中的气驱氢气增压器是活塞式增压器，其活塞的驱动侧通过管路接至空气驱动单元的换向阀；入口单向阀分别与氢气源单元和气驱氢气增压器的增压缸入口相连，出口单向阀分别与气驱氢气增压器的增压缸出口和氢气管路相连，氢气管路的另一端则用于连接车载储氢气瓶；所述冷却套管设于氢气管路的外侧，设于气驱氢气增压器上的空气出口连接至冷却套管的末端，位于冷却套管始端的排出口处设消音器；

所述气驱氢气增压器共有两个且为并联安装方式，是具有自冷却功能的双驱动双作用氢气增压器：内设双向双作用活塞，活塞两端均设增压缸；在增压缸外壁设有换热夹套，活塞缸的空气排出口与换热夹套相接；换热夹套的出口与气驱氢气增压器上的空气出口相连；与此相配合，所述换向阀是二位四通阀；

所述氢气源单元包括氢气瓶、减压阀、压力表、截止阀和过滤器；

设于氢气管路外侧的所述冷却套管是翅片式冷却套管。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述氢气管路上设有压力表和截止阀；安全泄压管路和气控泄压阀接于该氢气管路，安全泄压管路上设有截止阀。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，气控泄压阀的气控部件与所述空气驱动单元相接。

4.基于权利要求1所述装置的自冷却高压氢气增压方法，其特征在于，是在充氢的时候，由气驱氢气增压器的氢气输出流量、试验气瓶的公称工作压力及其容积确定气驱氢气增压器的增压时间，进而根据应用氢气进行试验的时间安排决定选择两台或单台气驱氢气增压器工作，以在满足充氢速度要求的前提下降低能耗；

所述气驱氢气增压器的增压时间根据公式(1)确定：

$t=\frac{P_1{V}_1}{\mathrm{\ρ}Q(RT+{\mathrm{\αRP}}_1)}---\left(1\right)$

式中，t为气驱氢气增压器的增压时间，单位min；P₁为试验气瓶的公称工作压力压力，单位Pa；V₁为试验气瓶的容积，单位m³；ρ为标准状况下氢气的密度，其值为0.08988kg/m³；Q为气驱氢气增压器的氢气输出流量，单位Nm³/min；R为气体常数，其值为4.157×10³J/kg·K；T为充氢时的环境温度，单位K；α为常数，其值为1.9155×10^-6K/Pa。