CN109819668A - 用加压气体来填充储箱的方法和装置 - Google Patents

用加压气体来填充储箱的方法和装置 Download PDF

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Abstract

一种用加压气体通过传输管(3)从至少一个加压气体源(2)将储箱(1)填充至目标压力的方法，该传输管设置有至少一个阀(4)，该储箱(1)具有预定内长度(L)和预定内直径(D)，该传输管(3)的端部形成具有预定注入直径(D1)的注入器(5)；所述方法包括以预定流速(Q)将加压气体从该源(2)传输至该储箱的步骤，该方法包括控制气体从该源(2)至该储箱(1)的传输以减少该储箱(1)中所产生的发热的步骤，所述控制气体传输的步骤包括以下各项中的至少一项：确定注入直径(D1)的大小、以及确定所传输的气体的流速(Q)的大小；根据该储箱的长度(L)与直径(D)之间的比率L/D来执行该控制步骤。

Description

用加压气体来填充储箱的方法和装置
本发明涉及一种用加压气体来填充储箱的方法和装置。
更具体地，本发明涉及一种用加压气体将储箱填充至目标压力的方法，该加压气体来自至少一个加压气体源，该至少一个加压气体源经由传输管连接到该储箱上，该传输管设置有至少一个阀，该储箱具有预定内长度和预定内直径的圆柱形形状，该传输管的连接到该储箱上的端部形成通向该储箱、具有预定注入直径的注入器，其中，该方法包括以预定流速将该加压气体从该源传输至该储箱的步骤，该方法包括调节气体从该源至该储箱的传输以减少该储箱中所产生的发热的步骤。
用加压气体、尤其是氢气快速填充储箱导致气体和储箱的发热。必须控制这种发热，以免损坏储箱(尤其是在复合储箱的情况下)。
已知的解决方案在于冷却所传输的气体(参见例如US 5641005)或控制填充流速(参见例如FR 2896028 A1)。特别地，已知的是提供例如适配于填充条件的填充速率变化曲线(填充速率例如随环境温度和目标压力而变)。
在填充期间储箱中的发热是要建模很复杂的现象(参见例如K.Barral、S.Pregassame和P.Renault的文章，“Thermal effects of fast filling hydrogencompression in refueling stations[加油站中快速填充氢压缩体的热效应]”，第15届世界氢能会议论文集，日本横滨，2004年6月)。
因此，气体和储箱的温度在储箱内可能是非常不均匀的。发明人尤其证明了储箱的某些区域的温度可能远高于计算或测得的储箱或气体的平均温度。
用于解决此问题的已知解决方案在于降低流速并且因此降低压力变化曲线，以便降低气体的平均温度。然而，这增加了填充时间并且不一定消除了某些位置处的热峰。具体地，在某些情况下，这甚至可能增加发热：通过降低流速，可能增大不均匀性，并且因此可能增大气体的最高温度。
另一种解决方案在于增大对气体的冷却，以便降低气体的平均温度。这显著增大了设施成本和所提供的气体(例如，氢气)的成本。
本发明的一个目的是减轻以上阐述的现有技术的全部或部分缺点。
为此目的，根据本发明的、另外符合以上前序部分给出的其通用定义的方法的本质特征在于，调节气体传输的步骤包括以下各项中的至少一项：确定注入直径的大小、确定所传输的气体的流速的大小；根据该储箱的长度与直径之间的比率L/D来执行该调节步骤。
根据本发明，这种气体传输的调节因此根据储箱的几何形状进行适配、并且使得可以降低储箱中的温度不均匀性。通过降低这种不均匀性，气体或储箱达到的最高温度也因此降低。
发明人尤其观察到，这使得可以限制储箱内气体温度的分层现象和不均匀性现象。
这使得可以在提高安全性的条件下填充储箱。这可以潜在地使得可以优化用于控制储箱中的气体的最终温度的其他措施(例如，减少对气体的冷却)。
具体地，除了用于控制温度的其他措施(气体的冷却，压力上升曲线等)之外，还可以应用根据本发明的方法。
此外，本发明的一些实施例可以包括以下特征中的一个或多个：
-当该储箱的长度与直径之间的比率L/D小于第一预定阈值时，该调节步骤在于保持所传输的气体的质量流速与注入直径的平方之间的比率(Q/D12)高于第二预定阈值，该第一预定阈值在2与4之间、优选地等于3，
-该调节步骤在于保持该比率Q/D12高于第二预定阈值包括以下各项中的至少一项：增大所传输的气体的流速、减小注入直径，
-根据该储箱的目标填充压力来执行该调节气体传输的步骤，
-该第二预定阈值是该储箱的目标填充压力的函数，
-当该储箱的目标填充压力增大时，该第二阈值增大，
-该气体是氢气，并且当该储箱的目标填充压力在700巴与900巴之间时，该第二阈值在175kg.m-2.s-1与225kg.m-2.s-1之间、优选地等于200kg.m-2.s-1,
-当该储箱的长度与直径之间的比率L/D大于该第一预定阈值时，该调节步骤在于保持该比率Q/D12高于该第二预定阈值并且低于第三预定阈值，
-该调节步骤在于保持该比率Q/D12高于第二预定阈值并且低于该第三预定阈值包括以下各项中的至少一项：增大或减小所传输的气体的流速、增大或减小注入直径，
-当该储箱的目标填充压力在700巴与900巴之间时，该第三阈值在1200kg.m-2.s-1与1600kg.m-2.s-1之间、优选地等于1400kg.m-2.s-1，
-当该储箱的目标填充压力在700巴与900巴之间时，该第三阈值在1200kg.m-2.s-1与1600kg.m-2.s-1之间、优选地等于1400kg.m-2.s-1，
-调节气体传输的步骤在气体传输之前或开始时执行，也就是说，在开始填充之前固定注入直径的大小和/或所传输的气体的流速的大小，
-当该气体是氢气并且该储箱的目标填充压力在200巴与300巴之间时，该第二阈值在75kg.m-2.s-1与100kg.m-2.s-1之间、优选地等于85kg.m-2.s-1，
-当该气体是氢气并且该储箱的目标填充压力在300巴与400巴之间时，该第二阈值在100kg.m-2.s-1与140kg.m-2.s-1之间、优选地等于120kg.m-2.s-1，
-当该气体是氢气并且该储箱的目标填充压力在450巴与600巴之间时，该第二阈值在140kg.m-2.s-1与175kg.m-2.s-1之间、优选地等于160kg.m-2.s-1，
-在通过注入器将气体传输到储箱内部的过程中该储箱水平地布置。
本发明还涉及一种用加压气体将储箱填充至目标压力的装置，该装置包括加压气体源、用于从该源传输该气体的管，该管设置有至少一个阀并且旨在连接到储箱上，该传输管的旨在连接到该储箱上的端部形成具有预定注入直径的注入器，该装置包括用于控制填充的电子构件，该电子构件用于控制该至少一个阀，该电子控制构件被配置用于接收、存储和处理数据、尤其是接收待填充的该储箱的尺寸特征，即该储箱的内长度和内直径、或内长度与内直径之间的比率L/D，该电子控制构件还被配置用于将比率L/D与至少一个阈值进行比较、并且根据该比较来随该比率而变地修改或发送需求以修改以下中的至少一个填充参数：注入直径、所传输的气体的流速。
本发明还可以涉及包括以上或以下特征的任何组合的任何替代装置或方法。
进一步的具体特征和优点通过阅读以下参照附图给出的说明将变得清楚，在附图中：
-图1表示示意性局部侧视图，展示了根据本发明的填充装置的结构和操作的实例，
-图2示意性地且部分地表示这种填充方法的操作的实例。
如图1所展示的，可以通过填充装置(或站)来实现用加压气体填充储箱1，该填充装置包括加压气体源2、气体传输管3，该气体传输管连接到源2上、并且设置有至少一个阀4以用于控制流速。传输管3包括至少一个旨在连接到待填充的储箱1上的端部。
常规地，加压气体源2可以包括以下各项中的至少一项：一个或多个加压气体储箱、至少一个压缩机、液化气源、以及汽化器等。
传输管3的旨在连接到储箱1上的端部形成或包括注入器5，该注入器具有预定注入直径D1。优选地，该装置还包括用于控制填充的电子构件6，该电子构件用于控制该至少一个阀4、和/或该填充装置的其他构件。
该装置被配置来或用于用加压气体将储箱1填充至目标压力，例如250巴或350巴或500巴或700巴或更高、尤其是800巴或900巴。
该装置尤其旨在用于优选地填充处于水平位置(即沿其纵向方向躺倒)的圆柱形储箱1。
储箱1具有预定内长度为L和预定内直径为D的圆柱形形状。
传输管3的端部连接在位于储箱1的纵向端部处的孔口处。
根据本发明，以预定流速Q(尤其是质量流速)执行加压气体从源2至储箱1内部的传输。
根据本发明，气体从源2至储箱1的传输适配于减少储箱1中产生的发热。气体传输的这种适配包括以下各项中的至少一项：确定注入直径D1的大小、确定所传输的气体的流速Q的大小，并且这种修改是根据储箱1的长度L与直径D之间的比率L/D进行的。
因此，此比率L/D可以界定两种类型的储箱1，例如所谓的“短”储箱(L/D低于第一阈值S1)和所谓的“长”储箱(L/D高于第一阈值S1)。
具体地，发明人已经确定，根据此几何标准，可以适配注入直径D1或所传输的气体的流速Q，以便成功地降低储箱1中的气体的温度不均匀性，即减少填充过程中的过热点。
因此，当储箱1的长度L与直径D之间的比率L/D小于第一预定阈值S1(该第一预定阈值在2与4之间、优选地等于3)(参见图2的附图标记11)，调节步骤优选地在于保持所传输的气体的质量流速Q与注入直径D1的平方之间的比率Q/D12高于第二预定阈值S2(参见图2的附图标记11)。如果此比率Q/D12大于第二阈值S2，则可以执行填充F而没有过度发热的风险(参见图2的附图标记12)。
具体地，比率Q/D12＝rho.π.V/4，其中，rho是气体的密度，V是注入器处的气体的平均速度，π是常数pi、等于3.14159。
根据每种气体的温度和压力，将其rho制成表。换言之，对于给定的温度和压力，气体的密度取决于其性质。因此，比率Q/D12也取决于气体的性质。
在填充结束条件下，以等于5m/s的速度值V计算极限S2，并且在填充开始条件下，以100m/s的速度值计算极限S3。
阈值S2和S3优选地取决于储箱1的目标填充压力(或者是其函数)、并且优选地还取决于气体的性质。
例如，对于用氢气填充：
-当储箱1的目标填充压力在200巴与300巴之间时，第二阈值S2在75kg.m-2.s-1与100kg.m-2.s-1之间、优选地等于85kg.m-2.s-1
-当储箱1的目标填充压力在300巴与400巴之间时，第二阈值S2在100kg.m-2.s-1与140kg.m-2.s-1之间、优选地等于120kg.m-2.s-1
-当储箱1的目标填充压力在450巴与600巴之间时，第二阈值S2在140kg.m-2.s-1与175kg.m-2.s-1之间、优选地等于160kg.m-2.s-1
-当储箱1的目标填充压力在700巴与900巴之间时，第二阈值(S2)在175kg.m-2.s-1与225kg.m-2.s-1之间、优选地等于200kg.m-2.s-1。
保持比率Q/D12高于第二预定阈值S2可以通过适配注入直径D1(例如减小)和/或通过适配填充质量流速Q(例如增大)来容易地执行，参见图2的附图标记13。考虑到必须在预定压力下填充的储箱1的几何形状，这些操作条件可以尤其在填充之前固定或者在填充之前或期间进行修改。
也就是说，根据储箱1的(已知的)几何形状和可能的目标压力，注入直径D1和/或填充变化曲线(质量流速)被适配成满足以上建议(参见图2的附图标记13)。
应当注意，当注入器5在储箱1的内部穿透了距离L1时，表达式L/D<S1优选地修改如下：(L-L1)/D<S1，以考虑到注入的气体的实际前进长度。
当第一阈值S1等于3时，对于短储箱，获得(L-L1)<3D，而对于长储箱，获得(L-L1)>3D(参见图1)。
对于这些短储箱，发明人已经证明，由于例如注入的气体射流不会横向撞击储箱壁(由于所使用的注入器的气体射流的惯用角度和形状)，因此没有或几乎没有温度的水平不均匀性。
发明人已经发现，在这种几何构型中，另一方面，在储箱1中建立了湍流混合状态或竖直分层状态。在湍流状态下，温度相对非常均匀(对于直径为6mm的注入器，内壁的平均温度与最高温度之间小于3.5℃或者对于直径为10mm的注入器，小于5.5℃)。另一方面，在竖直分层状态下，可以观察到例如范围最多达25℃的温度梯度。
发明人已经证明，用于保持比率Q/D12高于第二阈值S2而进行的注入直径和/或流速的修改使得可以使建立竖直分层状态的风险最小化。也就是说，根据此建议，建立了使温度不均匀性最小化的湍流混合状态。这相悖于现有技术的建议，相比之下，现有技术的建议鼓励降低填充流速以限制发热。
当比率L/D大于第一阈值S1时，调节步骤优选地在于保持比率Q/D12高于第二预定阈值S2并且低于第三预定阈值S3(参见图2的附图标记14)。
如上所述，调节步骤可以包括以下各项中的至少一项：增大或减小所传输的气体的流速Q、增大或减小注入直径D1，参见图2的附图标记15。当满足此建议时，可以执行填充F而没有过度发热的风险(参见图2的附图标记16)。
发明人已经证明，上述规定使得可以控制长储箱中在填充期间的气体状态。特别地，根据本发明，减小了竖直和水平分层状态。也就是说，通过这种调节，对于长储箱，也降低了温度不均匀性。
因此，在长储箱L/D>S1或(L-L1)/D>S1的情况下，可以限定比率Q/D12范围，这使得可以降低填充期间的温度不均匀性。
如上所述，第三预定阈值S3优选地取决于储箱1的目标填充压力(或者是其函数)、并且优选地还取决于气体的性质。
例如，对于用氢气填充：
-当储箱1的目标填充压力在200巴与300巴之间时，第三阈值S3在600kg.m-2.s-1与800kg.m-2.s-1之间、优选地等于715kg.m-2.s-1
-当储箱1的目标填充压力在300巴与400巴之间时，第三阈值S3在800kg.m-2.s-1与1000kg.m-2.s-1之间、优选地等于900kg.m-2.s-1
-当储箱1的目标填充压力在450巴与600巴之间时，第三阈值S3在1000kg.m-2.s-1与1300kg.m-2.s-1之间、优选地等于1150kg.m-2.s-1
-当储箱1的目标填充压力在700巴与900巴之间时，第三阈值S3在1300kg.m-2.s-1与1500kg.m-2.s-1之间、优选地等于1400kg.m-2.s-1。
因此，在优选实施例中，当旨在填充储箱时，取决于储箱的几何形状(短或长)和目标填充压力，保持比率Q/D12高于以上定义的阈值(并且可能低于S3)。这是通过预定义注入直径和/或通过适配填充质量流速来实现。这通过降低填充期间气体和储箱的温度的不均匀性来减少发热问题。
符合这些操作条件的计算相对简单、并且可以由计算器或计算机容易地执行，以便预定义或适配填充站的操作条件。
例如，在用氢气以700巴填充体积为30升的短储箱(L-Li)/D<3、最初提供的注入器直径为0.01m、质量流速为0.004kg/秒的情况下，计算比率Q/D12给出的结果为40kg.m-2.s-1。
这低于至少约200kg.m-2.s-1(或甚至197kg.m-2.s-1)的建议。为了避免或限制分层现象(热点)，两种策略是可能的。根据第一种策略，可以将注入直径D1减小至0.003m，从而可以获得比率Q/D12等于444kg.m-2.s-1。第二种策略可以在于例如将质量流速增大到0.4kg.s-1。于是，比率Q/D12变为400kg.m-2.s-1。流速Q的这种增大降低了不均匀性，但可能导致平均温度的增大。为了避免此缺点，可以调整和组合上述两种策略(直径增大较小并且流速增大较小)，例如注入直径D1＝0.005m并且流速Q等于0.1kg.s-1。这使得可以实现比率为400kg.m-2.s-1。
与上述实例相关联的填充条件可以如下：以350巴填充，气体温度为0℃；以500巴或700巴填充，气体温度为-20℃、-40℃。最终填充速度可以是至少5m/s。
例如，可以使用用于采集和处理数据的电子存储构件6，该电子存储构件形成站的一部分或远离所述站。在适当的情况下，此电子构件6可以用于控制站的至少一个元件、例如传输管的至少一个阀4(例如，用于调节传输流速)。
本发明尤其适配于填充在填充过程中水平布置的储箱1(该部分的水平圆柱母线)。此外，本发明尤其适配于填充具有的比率L/D例如在1.4至6.6之间的储箱。此外，这些措施特别好地适用于直径在3mm与25mm之间的注入器。当然，在适当的情况下，关于填充的其他几何形状或构型也是可能的(竖直的，不同尺寸的)，但具有较小的优点或需要进行小的适配(阈值等)。
“调节气体传输”尤其是指(例如动态)控制填充条件(尤其是D1和/或Q)或预先确定其大小。

Claims (14)

1.一种用加压气体将储箱(1)填充至目标压力的方法，该加压气体来自至少一个加压气体源(2)，该至少一个加压气体源经由传输管(3)连接到该储箱(1)上，该传输管设置有至少一个阀(4)，该储箱(1)具有预定内长度(L)和预定内直径(D)的圆柱形形状，该传输管(3)的连接到该储箱上的端部形成通向该储箱、具有预定注入直径(D1)的注入器(5)，其中，该方法包括以预定流速(Q)将该加压气体从该源(2)传输至该储箱的步骤，该方法包括调节气体从该源(2)至该储箱(1)的传输或确定其大小以减少该储箱(1)中所产生的发热的步骤，其特征在于，所述调节气体传输/确定其大小的步骤包括以下各项中的至少一项：确定该注入直径(D1)的大小、确定所传输的气体的流速(Q)的大小；根据该储箱的长度(L)与直径(D)之间的比率L/D来执行所述调节气体传输/确定其大小的步骤。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法包括确定或计算该储箱的比率L/D的步骤、以及将该比率L/D与第一预定阈值(S1)进行比较的步骤。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该方法包括调节比率(Q/D12)的步骤，该步骤在于根据该比率(L/D)与该第一阈值(S1)之间的比较来控制该流速Q和/或该注入直径(D1)和/或确定其大小。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，当该储箱的长度(L)与直径(D)之间的比率L/D小于该第一预定阈值(S1)时，该调节/确定大小步骤在于保持所传输的气体的质量流速(Q)与该注入直径(D1)的平方之间的比率(Q/D12)高于第二预定阈值(S2)，该第一预定阈值优选地在2与4之间、优选地等于3。
5.如权利要求3和4中任一项所述的方法，其特征在于，该调节/确定大小步骤在于保持该比率(Q/D12)高于第二预定阈值(S2)包括以下各项中的至少一项：增大所传输的气体的流速(Q)、减小该注入直径(D1)。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，根据该储箱(1)的目标填充压力来执行所述调节气体传输/确定其大小的步骤。
7.如权利要求4或5所述的方法，其特征在于，该第二预定阈值(S2)是该储箱(1)的目标填充压力的函数。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，当该储箱(1)的目标填充压力增大时，该第二阈值(S2)增大。
9.如权利要求7和8中任一项所述的方法，其特征在于，该气体是氢气，并且当该储箱(1)的目标填充压力在700巴与900巴之间时，该第二阈值(S2)在175kg.m-2.s-1与225kg.m- 2.s-1之间、优选地等于200kg.m-2.s-1。
10.如权利要求5至9中任一项所述的方法，其特征在于，当该储箱的长度(L)与直径(D)之间的比率(L/D)大于该第一预定阈值(S1)时，该调节/确定大小步骤在于保持该比率(Q/D12)高于该第二预定阈值(S2)并且低于第三预定阈值(S3)。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，该调节步骤在于保持该比率(Q/D12)高于第二预定阈值(S2)并且低于该第三预定阈值(S3)包括以下各项中的至少一项：增大或减小所传输的气体的流速(Q)、增大或减小该注入直径(D1)。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，当该储箱(1)的目标填充压力在700巴与900巴之间时，该第三阈值(S3)在1200kg.m-2.s-1与1600kg.m-2.s-1之间、优选地等于1400kg.m-2.s-1。
13.一种用加压气体将储箱(1)填充至目标压力的装置，该装置包括：加压气体源(2)、用于从该源传输该气体的管(3)，该管设置有至少一个阀(4)并且旨在连接到储箱(1)上，该传输管(3)的旨在连接到该储箱上的端部形成具有预定注入直径(D1)的注入器(5)，该装置包括用于控制填充的电子构件(6)，该电子构件用于控制该至少一个阀(4)，该电子控制构件(6)被配置用于接收、存储和处理数据、尤其是接收或计算待填充的该储箱(1)的尺寸特征，即该储箱的长度(L)和直径(D)、或长度与直径之间的比率L/D，该电子控制构件(6)还被配置用于将该比率L/D与至少一个阈值(S1)进行比较、并且根据该比较来随该比率而变地修改或发送需求以修改以下中的至少一个填充参数：该注入直径(D1)、所传输的气体的流速(Q)。
14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，该电子控制构件(6)被配置用于建立或修改该流速Q和/或该注入直径，以便保持所注入的气体的质量流速Q与该注入直径D1的平方之间的比率Q/D12高于第二预定阈值(S2)和/或在预定范围(S2-S3)内。
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