CN110043791A - 利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置及方法，包括液氢储罐、液氮储罐、仪表用气，其中液氢储罐包括液氢储罐內罐和液氢储罐外罐，液氢储罐內罐和液氢储罐外罐之间设置有高真空多层绝热层，液氮储罐与仪表用气通过液氮排液管连接，液氢储罐外罐的外侧壁从上到下盘绕连接有液氮排管，液氮排管的两端分别与仪表用气和液氮排液管连接，液氮从液氮储罐进入液氮排液管，再通过液氮排管流入仪表用气；液氮在液氮排管中的温度在‑150℃以下。本发明能有效的减少液氢储罐的传热温，差达到降低液氢储罐的自然蒸发率的效果。

Description

利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置及方法
技术领域
本发明涉及液氢储运领域，具体涉及利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置及方法。
背景技术
氢气是公认的清洁能源，氢燃料汽车是公认的环保汽车，是未来汽车发展的大方向，而氢(包括高压氢、液氢)燃料的储运又是发展氢燃料汽车的重要环节。
随着氢燃料汽车的不断发展，市场对氢气的需求量会越来越大。在氢气利用过程中，氢气(含高压氢、液氢)的储运是氢气利用的重要环节。氢气的物理储运方式主要包括高压氢储运和液氢储运等，但无论采取何种方式储运，都有对储运安全性和储运成本等基本要求。与常温高压氢气储运相比，液氢储运具有单位体积储量大、储运压力低、储运安全和储运成本低等优势。随着液氢储运关键技术(如降低液氢储罐日蒸发率)的解决，液氢储运将成为未来氢气储运的主要方式。
与液氮相比，液氢具有单位体积的密度和气化潜热小的特性。该特性使其在储存容积、储罐结构等相同条件下较、液氮更易吸热气化蒸发。液氢工厂和液氢汽车加气站中经常使用液氢储罐，但是现有的液氢储罐在使用的过程中其蒸发率较高，不仅会影响使用效率，增加能耗，还需要较高的成本，不便于长期使用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的液氢储罐在使用的过程中液氢储罐的蒸发率较高，并且成本和使用效率均较差，不便于长期使用，目的在于提供利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置及方法，解决液氢储罐的使用的问题。
本发明通过下述技术方案实现：
利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置及方法，包括液氢储罐、液氮储罐、仪表用气，其中液氢储罐包括液氢储罐內罐和液氢储罐外罐，液氢储罐內罐和液氢储罐外罐之间设置有高真空多层绝热层，液氮储罐与仪表用气通过液氮排液管连接，液氢储罐外罐的外侧壁从上到下盘绕连接有液氮排管，液氮排管的两端分别与仪表用气和液氮排液管连接，液氮从液氮储罐进入液氮排液管，再通过液氮排管流入仪表用气；
液氮在液氮排管中的温度在-150℃以下。
进一步的，本装置在使用时，通过液氮储罐提供液氮，液氮通过液氮排液管以及液氮排管在液氢储罐外罐的外壁上流动，在流动的过程中降低液氢储罐外罐的温度，汽化的氮气流入仪表用气中进行使用。
影响液氢储罐日蒸发率的因素包括热传导和热辐射。热传导和热辐射量越大，储罐的日蒸发率就越大。
在储罐热传导中，主要包括储罐(储罐结构尺寸、储罐支撑结构与材料及接管尺寸等)结构、绝热材料性能、绝热厚度、及热传导温差等。对真空绝热液氢储罐，储罐热传导还与储罐真空性能有关。
液氢储罐热传导方程Q＝KF△t表明：
液氢储罐热传导传热量Q与传热系数K、传热面积F、传热温差△t成正比。在储罐结构等一定后，减小传热温差△t可有效减少液氢储罐热传导传热量Q，从而有效降低液氢储罐日蒸发率。
为维持和支撑液氢储罐夹层的高真空和绝热层，液氢储罐的外罐通常作为高真空多层绝热的外层保护壳，正常工作状态下其温度与大气环境温度相当(略低)。以环境温度为20℃，液氢储存温度-253℃为例，液氢储罐绝热层热传导计算温差为273℃(20℃+253℃)。若液氢储罐绝热层外侧壁(含外罐筒体、封头)即液氢储罐外罐采用液氮排管盘绕，液氮排管与液氢储罐外罐外侧壁之间的温差按2℃并以0.6MPaG液氮饱和态温度～-175℃计，则液氢储罐绝热层热传导计算温差为80℃(253℃-175℃+2℃)。在此条件下液氢储罐的热传导量仅为液氢储罐外罐未设置液氮排管的热传导量的约30％左右(80/273)。
深冷液体储罐日蒸发率α计算公式：
α＝24Q/(ζλV)％
α----日蒸发率
Q-----传热量
ζ----介质密度
λ----气化潜热
V----储罐容器
根据上述公式可以判断，对一定容积的液氢储罐，外罐设置了液氮排管的液氢储罐日蒸发率同样仅为未设置液氮排管的液氢储罐日蒸发率的30％左右。
因此，本装置的结构能有效的从减少传热温差△t的角度，减少液氢储罐热传导传热量Q，从而有效降低液氢储罐日蒸发率，使液氢储罐更便于高效的长期使用。
更进一步的，液氢工厂和液氢汽车加气站均设置有相对独立的仪表风系统。对易燃场合，通常采用氮气作为仪表风气源，为解决系统仪表风用氮气的供气稳定性及系统吹扫、置换期间用氮气量大的问题，液氢工厂和液氢汽车加气站的仪表风及系统吹扫、置换用氮气一般由液氮储罐供气。因此对于液氢工厂和液氢汽车加气站而言，液氮储罐和仪表用气是存在的，但是，现有的结构为液氮储罐汽化后变为氮气直接从仪表用气流出进行使用，而本装置，采用液氮排管使液氮在液氢储罐外壁上流通，利用液氮较低的温度减小液氢储罐外壁的温度，进而减少液氢储罐外壁和液氢储罐内壁的温差，进而减少传热量，减少增发率。
故，装置的结构，将原本浪费的液氮的温度利用起来，使其减少液氢储罐外壁的温度，避免浪费，同时，不会影响氮气的排放，充分利用了资源，更进一步的节约了成本。
除此之外，液氮储存罐气化后还可作为液氢储罐前期预冷、系统吹扫及置换用气。
在液氢工厂和液氢汽车加气站配置液氮储罐后，可使用液氮排管对液氢储罐外罐的外壁进行冷却，以减少液氢储罐绝热层温差。为减少影响液氮储罐日蒸发率。
优选的，利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置，其特征在于，液氢储罐外罐上还连接有温度变送器，仪表用气和液氮排管之间还设置有调节阀，通过温度变送器和调节阀调节液氢储罐外罐上的温度。
设置的调节阀和温度变送器共同对液氢储罐外罐的外侧壁的温度进行调节，仪表用气和液氮排管之间为仪表风管线及放空管线，调节阀设置在仪表风管线及放空管线上，当液氢储罐外罐的温度升高时，调节调节阀的开度变大；反之则开度变小，保证液氢储罐外罐的气相空间温度恒定。进而保证使用效率。
优选的，利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置，液氮排管上套装有保冷层，保冷层的外侧还套装有保冷层外壳。通过液氮排管的外侧进行保冷，防止温度交换过快，进一步的提高使用效率。
具体的，利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置，液氮排管为盘管或半圆管。盘管或半圆管均能均匀缠绕在液氢储罐外罐的外壁上，能充分的和液氢储罐外罐相接触，进而更快的对液氢储罐外罐进行冷却，并且不会影响液氮汽化后排出，使用效率更高。
利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的方法，包括上述利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置，使用步骤如下：
(1)将液氮储罐中的液氮通过液氮排液管流入液氮排管中，液氮排管中的液氮使液氢储罐外罐的温度在-150℃以下；
(2)液氮通过液氮排管在液氢储罐外罐处进行温度交换，汽化的液氮通过仪表用气流出使用。
其中，液氮排管与仪表用气之间设置的调节阀用于控制汽化后的氮气的排出量，使液氮排管中的压力和温度恒定。
液氢储罐外罐上连接的温度变送器通过控制器与调节阀连接，通过控制器控制调节阀工作。
液氢储罐內罐处还连接有膜压机，膜压机将液氢储罐內罐处蒸发的氢气进行回收，并压入高压氢气瓶中。
氢气的爆炸极限为4.0％～75.6％(体积浓度)。因此，无论从安全角度还是经济角度，都应尽量避免氢气的直接排放。对液氢储罐，为避免储罐自蒸发而形成超压排放，一般都应考虑增加气体压缩系统即通过膜压机加压充瓶装置对BOG进行回收或增加制冷系统(含制冷机及冷却管)使BOG再冷凝液化而回收回液氢储罐。
采用本发明的目的是利用配置在液氢工厂和氢气加气站的提供仪表风及置换、吹扫用氮气的液氮储罐提供的低温的液氮，降低液氢储罐外罐壁温度，减小液氢储罐传热温差达到降低液氢储罐的自然蒸发率的效果，进而蒸发量减少还可从侧方面降低BOG回收装置或BOG冷却系统功耗。
而对冷却液氢储罐外罐的液氮排管而言，液氮排管的内侧为液氢储罐的多层绝热外壁，外侧也有良好的保冷绝热层，因此液氮排管的使用对液氮储罐的自然蒸发率影响甚微。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置及方法，本发明能充分利用已有资源，将原本浪费的液氮在低温下升温汽化的过程中的温度进行利用，将较低温度的液氮接入液氮排管中，液氮排管缠绕在液氢储罐外罐的外侧面上，进而能有效的减少液氢储罐的传热温，差达到降低液氢储罐的自然蒸发率的效果；
2、本发明利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置及方法，本发明的液氮排管缠绕在液氢储罐外罐的侧面上，能对液氢储罐进行预冷，不仅节约了成本，使用还更安全；
3、本发明利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置及方法，本发明结构简单，没有繁杂的操作步骤，更便于调节使用，使用效率较高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-液氢储罐內罐，2-液氮排管，3-液氢储罐外罐，4-保冷层，5-高真空多层绝热层，6-保冷层外壳，7-调节阀，8-温度变送器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1所示，本发明利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置及方法，包括液氢储罐、液氮储罐、仪表用气，其中液氢储罐包括液氢储罐內罐1和液氢储罐外罐3，液氢储罐內罐1和液氢储罐外罐3之间设置有高真空多层绝热层5，液氮储罐与仪表用气通过液氮排液管连接，液氢储罐外罐3的外侧壁从上到下盘绕连接有液氮排管2，液氮排管2的两端分别与仪表用气和液氮排液管连接，液氮从液氮储罐进入液氮排液管，再通过液氮排管2流入仪表用气；
液氮在液氮排管2中的温度在-150℃以下。
具体的，液氢储罐外罐3上还连接有温度变送器8，仪表用气和液氮排管2之间还设置有调节阀7，通过温度变送器8和调节阀7调节液氢储罐外罐3上的温度。
同时，液氮排管2上套装有保冷层4，保冷层4的外侧还套装有保冷层外壳6。液氮排管2为盘管。
实施例2
利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的方法，包括以下步骤：
(1)液氢储罐外罐3的外侧壁从上到下盘绕连接有液氮排管2，液氮排管2的两端分别与仪表用气和液氮排液管连接，将液氮储罐中的液氮通过液氮排液管流入液氮排管2中，液氮排管2中的液氮使液氢储罐外罐3的温度在-150℃以下；
(2)液氮通过液氮排管2在液氢储罐外罐3处进行温度交换，汽化的液氮通过仪表用气流出使用。
液氮排管2与仪表用气之间设置的调节阀7用于控制汽化后的氮气的排出量，使液氮排管2中的压力和温度恒定。
液氢储罐外罐3上连接的温度变送器8通过控制器与调节阀7连接，通过控制器控制调节阀7工作，当温度变送器8温度过高时，控制调节阀7工作，增大氮气的排出量，反之相反。
实施例3
在实施例2的基础上，液氢储罐內罐1处还连接有膜压机，膜压机将液氢储罐內罐1处蒸发的氢气进行回收，并压入高压氢气瓶中。
对液氢储罐而言，无论采取何种技术措施，其热传导和热辐射总是或多或少的存在，液氢的自然蒸发也或多或少的会不断产生，液氢储罐的压力随液氢的不断自然蒸发将逐渐升高。为保证液氢储罐能安全可靠运行，当液氢储罐压力达到设定排放压力时，将通过储罐气相(BOG)进行排放泄压。根据液氢储罐不同的使用场合，进而对泄压排放的蒸发气体(BOG)进行回收/利用处理；对液化工厂而言，可将BOG引致液化冷箱进行再液化；对氢加气站而言，可通过氢燃料电池作站用电源或通过膜压机加压对氢燃料电池汽车加气，实现液氢储存系统的“零排放”要求。
实施例4
以60m3液氮储罐为例，其日蒸发率标准控制指标为0.14％(高真空多层绝热)、0.33％(真空粉末绝热)。对同一储罐不同介质的日蒸发率，可根据日蒸发率计算公式：
深冷液体储罐日蒸发率α计算公式：
α＝24Q/(ζλV)％
α----日蒸发率
Q-----传热量
ζ----介质密度
λ----气化潜热
V----储罐容器
换算出60m3高真空多层绝热液氢储罐的日蒸发率为1.16％，液氢储罐设置液氮排管2后，其日蒸发率降至0.29％，该值为高真空多层绝热60m3液氢储罐日蒸发率的26％。在此条件下，由于蒸发量减少了，因此对配置液氢储罐的汽车加氢站可以减少膜压机的配置和膜压机的操作、维护费用等。
同样对液氢工厂配置的带液氮排管的液氢储罐，因地制宜的利用系统配置的液氮储罐(供仪表用气)，不仅可降低液氢储罐的日蒸发率；产生的BOG可通过氢燃料电池作站用电源或通过膜压机加压对氢燃料电池汽车加气，实现液氢储存系统的“零排放”要求。
实施例5
在实施例1的基础上，本装置的液氢储罐内罐1为奥氏体不锈钢(S31603或S30408)，液氮排管2为半圆管，液氢储罐外罐3为奥氏体不锈钢(S30408)，高真空多层绝热层5为含防辐射屏的绝热材料，保冷层外壳6为铝皮或不锈钢皮。
在液氢储罐投用前，可以利用配置在系统的液氮储罐的液氮经气化后的氮气对储罐及系统进行吹扫、(粗)置换、(粗)预冷。
液氢储存系统仪表用气使用液氮储罐的液氮经气化后的氮气。
液氢储存系统仪表用气使用的液氮，经过盘绕在S30408液氢储罐外罐3外壁的液氮半圆管对液氢储罐外罐进行冷却实现降低液氢储罐内、外罐传热温差。
在液氢储罐外罐3外壁设置有温度变送器8，以检测液氢储罐外罐外壁温度，当液氢储罐外罐3外壁温度高于设定温度时，可以通过控制调节阀7的开度大小实现自动降温。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置，包括液氢储罐、液氮储罐、仪表用气，其中液氢储罐包括液氢储罐內罐(1)和液氢储罐外罐(3)，液氢储罐內罐(1)和液氢储罐外罐(3)之间设置有高真空多层绝热层(5)，液氮储罐与仪表用气通过液氮排液管连接，其特征在于，液氢储罐外罐(3)的外侧壁从上到下盘绕连接有液氮排管(2)，液氮排管(2)的两端分别与仪表用气和液氮排液管连接，液氮从液氮储罐进入液氮排液管，再通过液氮排管(2)流入仪表用气；
液氮在液氮排管(2)中的温度在-150℃以下。
2.根据权利要求1所述的利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置，其特征在于，液氢储罐外罐(3)上还连接有温度变送器(8)，仪表用气和液氮排管(2)之间还设置有调节阀(7)，通过温度变送器(8)和调节阀(7)调节液氢储罐外罐(3)上的温度。
3.根据权利要求1所述的利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置，其特征在于，液氮排管(2)外侧有保冷层(4)，保冷层(4)的外侧还套装有保冷层外壳(6)。
4.根据权利要求1所述的利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置，其特征在于，液氮排管(2)为盘管或半圆管。
5.利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的方法，其特征在于，包括按照权利要求1～4任一项所述的利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的装置，使用步骤如下：
(1)将液氮储罐中的液氮通过液氮排液管流入液氮排管(2)中，液氮排管(2)中的液氮使液氢储罐外罐(3)的温度在-150℃以下；
(2)液氮通过液氮排管(2)后，用于液氢储罐内罐(1)粗冷却或液氮气化作为仪表用气使用。
6.根据权利要求5所述的利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的方法，其特征在于，液氮排管(2)与仪表用气之间设置的调节阀(7)用于控制汽化后的氮气的排出量，使液氮排管(2)中温度恒定。
7.根据权利要求6所述的利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的方法，其特征在于，液氢储罐外罐(3)上连接的温度变送器(8)通过控制器与调节阀(7)连接，通过控制器控制调节阀(7)工作。
8.根据权利要求5所述的利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的方法，其特征在于，液氢储罐內罐(1)处还连接有膜压机，膜压机将液氢储罐內罐(1)处蒸发的氢气进行回收，并压入高压氢气瓶中。
9.根据权利要求5所述的利用液氮冷量降低液氢储罐蒸发率的方法，其特征在于，液氢储罐的粗冷及吹扫用液氮作为液氢储罐外罐(3)的冷却冷源。
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