CN110081301A - 一种低温液体零排放装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及低温液体贮存技术领域，公开了一种低温液体零排放装置及方法，其中装置包括：用于存储低温液体的贮箱以及设置在贮箱上的制冷机；制冷机通过冷量输运通道将冷量传送至贮箱内部，贮箱的内部设有压力传感器，冷量输运通道上设有热开关，制冷机、热开关以及压力传感器分别与控制器相连，控制器用于根据贮箱内部的气体压力控制制冷机和热开关的间歇性同步开启和断开。本发明提供的一种低温液体零排放装置及方法，设置制冷机为间歇性工作模式，可避免制冷机连续运行，提高制冷降温效率，同时节约制冷机消耗电能，减轻能源负担；在冷量输运通道上安装了热开关，能够有效减小关闭制冷机后贮箱内部的漏热，提高降温效率。

Description

一种低温液体零排放装置及方法
技术领域
本发明涉及低温液体贮存技术领域，特别是涉及一种低温液体零排放装置及方法。
背景技术
低温液化存储是目前在技术成熟度和可行性上最接近于大范围推广应用的燃气存储方式，液氢、液化天然气等低温液化燃气不仅清洁环保，而且具有很高的能量密度，采用液化燃气的新能源飞机、汽车和舰船因此具有广泛的应用前景和巨大的潜在市场。
但是，普通液化天然气、氢气等可燃气体的低温液化存储均存在漏热造成的低温液体蒸发。低温贮箱通常使用被动绝热技术(比如多层绝热、堆积粉末绝热、泡沫绝热等)来给低温液体保温，但由于低温液体温度远低于环境温度，不可避免的存在着漏热。随着贮存时间的延长，低温液体不断吸热后汽化，导致贮箱内部的压力不断升高，从而当压力超过允许值后需要对环境排放，不可避免的存在着浪费和安全问题。
近年来出现了使用制冷机来维持贮箱的低温环境以减少低温液体汽化的主动制冷技术，但是制冷机的运行往往需要消耗较多的能源，造成能源负担。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种低温液体零排放装置及方法，用于解决或部分解决现有使用制冷机来维持贮箱的低温环境以减少低温液体汽化的主动制冷技术中，制冷机的运行往往需要消耗较多的能源，造成能源负担的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，根据本发明的第一方面，提供一种低温液体零排放装置，包括：用于存储低温液体的贮箱以及设置在所述贮箱上的制冷机；所述制冷机通过冷量输运通道将冷量传送至所述贮箱内部，所述贮箱的内部设有压力传感器，所述冷量输运通道上设有热开关，所述制冷机、热开关以及压力传感器分别与控制器相连，所述控制器用于根据所述贮箱内部的气体压力控制制冷机和热开关的间歇性同步开启和断开。
在上述方案的基础上，所述制冷机包括压缩机和冷头，所述冷头与冷量输运通道的一端相连，所述冷量输运通道的另一端插入所述贮箱内部与低温换热器相连。
在上述方案的基础上，所述贮箱的壁面包括内壁和外壁，所述内壁和外壁之间存在真空间隙，所述内壁的外表面包裹设有保温材料层，所述外壁上设有第一真空抽嘴。
在上述方案的基础上，所述贮箱的壁面上设有贯穿所述内壁和外壁的开口，所述外壁的外表面对应所述开口处设有凸出部，所述凸出部为中空结构且通过所述开口与所述贮箱内部连通，所述冷量输运通道穿过所述凸出部的第一壁面且通过所述开口插入所述贮箱内部。
在上述方案的基础上，所述冷量输运通道与所述凸出部的第一壁面连接处设有低温密封装置。
在上述方案的基础上，所述凸出部的第一壁面上设有热桥。
在上述方案的基础上，所述冷头置于真空罩中，所述真空罩上设有第二真空抽嘴。
在上述方案的基础上，所述真空罩与所述凸出部的第一壁面相接，所述热桥位于所述真空罩中，且所述冷头与所述凸出部的第一壁面相接设置。
在上述方案的基础上，所述热开关设在所述冷量输运通道靠近冷头的一端；所述凸出部的截面面积大于所述开口的截面面积。
根据本发明的第二方面，提供一种低温液体零排放方法，利用上述任一方案所述的低温液体零排放装置，包括：实时监测贮箱内部的气体压力；在监测到的气体压力大于预设压力值时，启动制冷机，同时闭合热开关；在监测到的气体压力小于预设压力值时，关闭制冷机，同时断开热开关。
(三)有益效果
本发明提供的一种低温液体零排放装置及方法，使用制冷机来再冷凝汽化后的气体，实现低温液体贮箱零蒸发的主动制冷技术。且设置制冷机为间歇性工作模式，可避免制冷机连续运行，从而使得制冷机每次运行均可保持较佳运行效率，从而提高制冷降温效率，同时节约制冷机消耗电能，减轻能源负担；在冷量输运通道上安装了热开关，能够有效减小关闭制冷机后由处于室温端的制冷机向贮箱内部的固体导热，从而减少贮箱内部的漏热，提高降温效率。
附图说明
图1为本发明实施例的一种低温液体零排放装置的结构示意图。
附图标记说明：
1—压缩机； 2—第二真空抽嘴； 3—冷头；
4—热桥； 5—第一真空抽嘴； 6—外壁；
7—内壁； 6a—真空腔体； 6b—保温材料层；
8—低温液体； 9—气体； 10—低温换热器；
11—冷量输运通道； 12—热开关； 13—低温密封装置；
14—真空罩； 15—凸出部。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供一种低温液体零排放装置，参考图1，该零排放装置包括：用于存储低温液体8的贮箱以及设置在贮箱上的制冷机。制冷机通过冷量输运通道11将冷量传送至贮箱内部。冷量输运通道11上设有热开关12。贮箱的内部设有压力传感器。制冷机、热开关12以及压力传感器分别与控制器相连。控制器用于根据贮箱内部的气体9压力控制制冷机和热开关12的间歇性同步开启和关闭。
本实施例提供的一种低温液体零排放装置，通过在贮箱上设置制冷机产生冷源，可降低贮箱的温度，使得汽化的气体9再次冷凝，从而实现贮箱内部气体9所在空间压力降低，整个装置不需要对外排放气体9，以节约能源以及减少对外部环境的影响。
且该零排放装置设置制冷机为间歇性工作模式。压力传感器用于实时监测贮箱内部气体9的压力。控制器根据该压力来控制制冷机的运行。当气体9压力超过设定值后，启动制冷机降温，实现气体9的再冷凝，从而气体9所在空间压力降低；当气体9所在空间压力降低到安全区间后，关闭制冷机压缩机1。
进一步地，控制器在控制制冷机启动运行的同时，控制热开关12闭合，使得制冷机产生的冷量能够沿着冷量输运通道11输送至贮箱内部进行降温；而控制器在控制制冷机关闭停止运行时，同时控制热开关12断开，使得外界热量无法沿冷量输运通道11传输，从而避免外界对制冷机的漏热导入至冷量输运通道11。
本实施例提供的一种低温液体零排放装置，使用制冷机来再冷凝汽化后的气体9，实现低温液体8贮箱零蒸发的主动制冷技术。且设置制冷机为间歇性工作模式，可避免制冷机连续运行，从而使得制冷机每次运行均可保持较佳运行效率，从而提高制冷降温效率，同时节约制冷机消耗电能，减轻能源负担；在冷量输运通道11上安装了热开关12，能够有效减小关闭制冷机后由处于室温端的制冷机向贮箱内部的固体导热，从而减少贮箱内部的漏热，提高降温效率。
进一步地，冷量输运通道11可为导热棒，也可为内部具有换热介质的管道，具体不做限定。
在上述实施例的基础上，进一步地，制冷机包括压缩机1和冷头3，冷头3与冷量输运通道11的一端相连，冷量输运通道11的另一端插入贮箱内部与低温换热器10相连。本实施例对制冷机与贮箱之间的连接进行了说明。制冷机的压缩机1与外部电源相连，通过压缩机1的运行可在冷头3处产生冷量。
冷头3处的冷量通过冷量输运通道11传送至低温换热器10。低温换热器10置于贮箱内部对贮箱内部空间进行降温，使汽化的气体9冷凝以控制压力。冷量输运通道11可穿过贮箱的壁面连接冷头3和低温换热器10。
进一步地，低温换热器10既可放置在贮箱内部低温液体8中；也可放在贮箱内部气态的气体9中；还可与贮箱的壁面接触，具体不做限定。
在上述实施例的基础上，进一步地，贮箱的壁面包括内壁7和外壁6，内壁7和外壁6之间存在真空间隙，内壁7的外表面包裹设有保温材料层6b，外壁6上设有第一真空抽嘴5。
贮箱的壁面为双层结构，外壁6包围在内壁7的外侧。保温材料层6b包裹在内壁7的外侧、置于内壁7和外壁6之间的真空间隙中，便于保温材料层6b在真空环境中有效发挥作用。保温材料层6b与外壁6之间可存在间隙，以增强保温效果，减少漏热，且减少外壁6表面的结霜。可在第一真空抽嘴5处对内壁7和外壁6之间的间隙进行抽真空，以形成真空间隙。
在上述实施例的基础上，进一步地，贮箱的壁面上设有贯穿内壁7和外壁6的开口，外壁6的外表面对应开口处设有凸出部15，凸出部15为中空结构且通过开口与贮箱内部连通。冷量输运通道11穿过凸出部15的第一壁面且通过开口插入贮箱内部。
在低温换热器10置于贮箱内部时，在贮箱壁面上设置凸出部15，冷量输运通道11在凸出部15处插入贮箱内部。凸出部15可设置在外壁6上，且在内部与凸出部15对应位置处设置开口，使得凸出部15可连通贮箱内部，且便于冷量输运通道11穿过开口至贮箱内部。
设置凸出部15可起到温度的过渡作用。因为贮箱内部液化气体9的温度非常低，与外部环境温度差较大。设置凸出部15可增加与液化气体9之间的距离，使得凸出部15壁面与外部环境的温度差相对减少，进而可减少在凸出部15壁面外表面形成结霜；且凸出部15内部空间存储的是汽化的气体9，设置凸出部15还可增加汽化的气体9与冷量输运通道11以及低温换热器10接触的范围，有利于更好的对汽化的气体9进行降温冷凝。
在上述实施例的基础上，进一步地，冷量输运通道11与凸出部15的第一壁面连接处设有低温密封装置13。即在冷量输运通道11穿过凸出部15壁面的位置处设置低温密封装置13，以实现贮箱的密封。
在上述实施例的基础上，进一步地，凸出部15的第一壁面上设有热桥4。设置热桥4既可增加换热效率，减少漏热；且还可增长温度过渡段，减少表面的结霜。
在上述实施例的基础上，进一步地，冷头3置于真空罩14中，真空罩14上设有第二真空抽嘴2。可减少外界向冷头3的漏热，以保证冷源温度，提高降温效率。
在上述实施例的基础上，进一步地，真空罩14与凸出部15的第一壁面相接，热桥4位于真空罩14中。且冷头3与凸出部15的第一壁面相接设置。真空罩14与第一壁面相接，使得冷量输运通道11从真空罩14中直接穿过凸出部15的第一壁面达到贮箱的内部，且热桥4也位于真空罩14中，热桥4和冷量输运通道11全部处于真空环境中，从而可减少外界漏热，保持冷源温度，从而提高降温效率，同时可避免冷头3、冷量输运通道11以及热桥4的表面结霜。
在上述实施例的基础上，进一步地，热开关12设在冷量输运通道11靠近冷头3的一端。可在制冷机停止运行时，从较靠近冷头3端截断热量传输，从而可更好的减少外界通过固体导热向贮箱内部的漏热，有利于维持贮箱低温环境。
凸出部15的截面面积大于开口的截面面积。开口的截面面积较小可使得外界通向贮箱内部的通道较小，贮箱的壁面可较好的对外界漏热进行隔断，从而减少漏热，有利于维持贮箱内部低温环境。
在上述实施例的基础上，进一步地，一种低温液体零排放方法，利用上述任一实施例所述的低温液体零排放装置，该方法包括：实时监测贮箱内部的气体9压力；在监测到的气体9压力大于预设压力值时，启动制冷机，同时闭合热开关12；在监测到的气体9压力小于预设压力值时，关闭制冷机，同时断开热开关12。
在上述实施例的基础上，进一步地，一种低温液体零排放装置基于制冷机间歇性工作模式。该装置主要由制冷机压缩机1、第二真空抽嘴2、制冷机冷头3、热桥4、第一真空抽嘴5、低温液体贮箱外壁6、低温液体贮箱内壁7、真空腔体6a、保温材料层6b、低温液体8、气体9、低温换热器10、冷量输运通道11、热开关12、低温密封装置13和制冷机真空罩14等部件。真空腔体6a为保温材料层6b与外壁6之间的真空空间。
制冷机压缩机1是间歇性工作的，当气体9压力超过设定值后，制冷机压缩机1启动降温，热开关12闭合，冷量输运通道11将制冷机冷头3的冷量导入低温换热器10，实现气体9的再冷凝，从而气体9所在空间压力降低；当气体9所在空间压力降低到安全区间后，制冷机压缩机1关闭，同时热开关12断开，避免将制冷机冷头3处的漏热导入至冷量输运通道11和低温换热器10。
为了有效控制制冷机冷头3与低温换热器10之间的传热，在靠近制冷机冷头3侧的冷量输运通道11上安装了热开关12，当制冷机压缩机1启动时，热开关12闭合；当制冷机压缩机1关闭后，热开关12断开。能够有效减小关闭制冷机后由处于室温端的制冷机压缩机1向低温换热器10之间的固体导热。
安装了低温密封装置13将制冷机真空罩14内部的空间与真空腔体6a隔离，保证制冷机冷头3处于真空状态。在制冷机冷头3与低温液体贮箱外壁6之间安装有热桥4，可以减少低温液体8贮箱外壁6与制冷机冷头3之间的漏热。制冷机真空罩14内部的空间与真空腔体6a是隔离开的，其真空需要分别从第二真空抽嘴2和第一真空抽嘴5中抽取，便于两者真空度的独立控制。在低温液体贮箱内壁7外包扎了保温材料层6b，保温材料层6b内部和真空腔体6a的真空度基本相当，真空度处于0Pa至常压之间。
该低温液体零排放装置中制冷机压缩机1是间歇性运行的，当制冷机压缩机1运行时，是以制冷机压缩机1最佳效率对应的工况运行，因此相对于常规连续性运行模式，实现低温液体8零蒸发的功耗可以得到有效减小。低温液体8可以是液氦、液氢、液氮或者其他低温液体8。以低温液体8为液氢时为例，利用该装置的低温液体8零排放方法的具体操作为：
制冷机压缩机1是间歇性工作的，当气体9压力超过设定值后，启动制冷机压缩机1降温，闭合热开关12，通过冷量输运通道11将制冷机冷头3的冷量导入低温换热器10，实现气体9的再冷凝，从而气体9所在空间压力降低；当气体9所在空间压力降低到安全区间后，关闭制冷机压缩机1，同时断开热开关12，避免将制冷机冷头3处的漏热导入至冷量输运通道11和低温换热器10。
低温密封装置13将制冷机真空罩14内部的空间与真空腔体6a隔离，保证制冷机冷头3处于真空状态，从而相对于在氢气空间内非真空状态下的制冷性能会明显提高。制冷机冷头3与低温液体贮箱外壁6之间安装热桥4，可以减少低温液体贮箱外壁6与制冷机冷头3之间的漏热；制冷机真空罩14内部的空间与真空腔体6a是隔离开的，将液氢灌入液氢贮箱内壁7内部空间前，以及在启动制冷机压缩机1前，需要先分别从第二真空抽嘴2和第一真空抽嘴5中实行抽真空操作。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种低温液体零排放装置，包括：用于存储低温液体的贮箱以及设置在所述贮箱上的制冷机；其特征在于，所述制冷机通过冷量输运通道将冷量传送至所述贮箱内部，所述贮箱的内部设有压力传感器，所述冷量输运通道上设有热开关，所述制冷机、热开关以及压力传感器分别与控制器相连，所述控制器用于根据所述贮箱内部的气体压力控制制冷机和热开关的间歇性同步开启和断开。
2.根据权利要求1所述的低温液体零排放装置，其特征在于，所述制冷机包括压缩机和冷头，所述冷头与冷量输运通道的一端相连，所述冷量输运通道的另一端插入所述贮箱内部与低温换热器相连。
3.根据权利要求2所述的低温液体零排放装置，其特征在于，所述贮箱的壁面包括内壁和外壁，所述内壁和外壁之间存在真空间隙，所述内壁的外表面包裹设有保温材料层，所述外壁上设有第一真空抽嘴。
4.根据权利要求3所述的低温液体零排放装置，其特征在于，所述贮箱的壁面上设有贯穿所述内壁和外壁的开口，所述外壁的外表面对应所述开口处设有凸出部，所述凸出部为中空结构且通过所述开口与所述贮箱内部连通，所述冷量输运通道穿过所述凸出部的第一壁面且通过所述开口插入所述贮箱内部。
5.根据权利要求4所述的低温液体零排放装置，其特征在于，所述冷量输运通道与所述凸出部的第一壁面连接处设有低温密封装置。
6.根据权利要求4所述的低温液体零排放装置，其特征在于，所述凸出部的第一壁面上设有热桥。
7.根据权利要求4所述的低温液体零排放装置，其特征在于，所述冷头置于真空罩中，所述真空罩上设有第二真空抽嘴。
8.根据权利要求7所述的低温液体零排放装置，其特征在于，所述真空罩与所述凸出部的第一壁面相接，所述热桥位于所述真空罩中，且所述冷头与所述凸出部的第一壁面相接设置。
9.根据权利要求4所述的低温液体零排放装置，其特征在于，所述热开关设在所述冷量输运通道靠近冷头的一端；所述凸出部的截面面积大于所述开口的截面面积。
10.一种低温液体零排放方法，其特征在于，利用上述权利要求1-9任一所述的低温液体零排放装置，包括：
实时监测贮箱内部的气体压力；
在监测到的气体压力大于预设压力值时，启动制冷机，同时闭合热开关；
在监测到的气体压力小于预设压力值时，关闭制冷机，同时断开热开关。
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