CN112128609A - 一种新型加氢预冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及加氢技术领域，尤其涉及一种新型加氢预冷系统。包括供氢模块、预冷模块、加氢模块以及储氢模块，所述预冷模块包括涡流管组件(2)，所述供氢模块与涡流管组件(2)的入口连接，所述涡流管组件(2)的冷端出口与加氢模块连接，所述涡流管组件(2)的热端出口与储氢模块连接。采用这种预冷系统可以在保证可靠性的同时实现高效节能预冷，减小预冷设备投资与运行、维护费用。

Description

一种新型加氢预冷系统
技术领域
本发明涉及加氢技术领域，尤其涉及一种新型加氢预冷系统。
背景技术
氢燃料电池技术是未来改变人类生活的新技术之一，将成为解决石油危机的新途径。跟电动汽车相比，氢燃料电池汽车更为方便，其补充燃料的时间仅需三分钟至五分钟；此外氢能源是真正的零排放，零污染，发展氢能源电动汽车意义深远。汽车工程协会《节能与新能源汽车技术路线图》指出，到2030年，中国氢燃料电池汽车将超过百万辆。
但目前氢燃料电池汽车的广泛应用还存在一些局限，就加氢站而言，传统加氢站比较复杂，成本也相对昂贵。加氢站的主要设备包括站内制氢装置、压缩机、压缩储氢罐组、液氢泵和气化器、冷却器和分配器等。根据燃料电池汽车车载储氢瓶常用充装压力，加氢机的额定工作压力一般为35MPa或70MPa。
现有的加氢模式主要是将存放在加氢站的高压储罐中氢气通过流量控制阀，再通过加氢枪向燃料电池车的气瓶加氢。由于焦耳汤姆逊效应(JT Effect)，气体温度会显著升高。此外，氢气从高压氢气枪注入压力较低的车载气瓶时，压力能转化为动能，气体温度也会升高。当短时间内完成加氢时，气体温度过高会给气瓶结构带来安全隐患。因此，加氢机前需装备有氢气预冷装置。
早期的预冷装置PCU大多使用液氮作为冷却介质，预冷过程不可控，存在过冷的风险。目前采用较多的是制冷循环机组来实现预冷。日本ORION公司推出了制冷量覆盖10kW到40kW范围的三组预冷机组。温度调节范围为-40℃～20℃，采用的制冷剂为R404A，载冷剂为特殊配比的盐水。美国加州Mydax公司针对H2进气温度分别为25℃和40℃开发了两套系列的产品。该公司采用高性能硅油Syltherm作为制冷剂，在预冷器中完成降温过程，制冷剂在H2预冷器中完成与高压H2的换热。然而，预冷设备的初期投资和能耗在整个加氢站的建设和运营中都占有相当重要的一部分。据美国阿贡国家实验室报道，制冷交换器的设备成本占到了加氢站投资成本的10％。
截至2020年2月，我国加氢站共有66座。根据国家规划，2020/2025/2030年分别建成100/300/1500座，十年间年复合增速达31.1％。到2050年加氢站数量将达10000座，行业产值达12万亿元。加氢站是燃料电池汽车产业链上必不可少的关键性基础设施，降低预冷设备的投资和预冷能耗对于降低燃料电池整体成本具有重要意义。因此，如何保证预冷设备的可靠性并尽可能高效节能是亟需解决的技术难题。
中国发明专利CN201911274869.4公开了“一种加氢站加氢预冷控制方法及系统”，该控制系统在以设定速率的模式加氢时，根据储氢瓶的初始温度和初始压力调节冷冻机组的启闭状态，避免了盲目将冷冻机组设定在一个不变的较低的预冷温度所带来的能耗浪费问题，以及便于对加氢速率的掌控，有利于提高加氢速率，实现了对加氢速度和能耗的兼顾。但该发明专利在本质上依然使用复杂的冷冻机组进行加氢预冷，增大了设备的初投资与运行维护费用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种新型加氢预冷系统，采用这种预冷系统可以在保证可靠性的同时实现高效节能预冷，减小预冷设备投资与运行、维护费用。
本发明所采用的技术方案是：一种新型加氢预冷系统，包括供氢模块、预冷模块、加氢模块以及储氢模块，所述预冷模块包括涡流管组件，所述供氢模块与涡流管组件的入口连接，所述涡流管组件的冷端出口与加氢模块连接，所述涡流管组件的热端出口与储氢模块连接。
作为优选，所述储氢模块包括冷却器以及储氢装置，所述涡流管组件的热端出口与冷却器入口相连，所述冷却器出口与储氢装置进口相连。
作为优选，所述预冷模块还包括喷射器，所述涡流管组件的冷端出口与喷射器第二入口相连，所述涡流管组件的热端出口与冷却器的入口相连，所述冷却器的出口与喷射器第一入口相连，所述喷射器出口与加氢模块相连。
作为优选，所述喷射器为可调式喷射器。
作为优选，所述冷却器为水冷冷却器。
作为优选，所述涡流管组件中涡流管的数量大于等于一，且当涡流管数量大于一时，多个涡流管串联设置。
作为优选，所述涡流管组件的冷流比为0.4-0.5。
采用以上结构与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过涡流管对高压氢气进行温度分离，利用冷端出口流体作为预冷装置的冷量来源，大大减小了传统预冷系统的复杂程度与投资运行维修费用；同时优选的将涡流管热端出口流体进行冷却，利用涡流管的热冷端压差以及喷射器的引射特性，通过热端高压气体引射冷端出口流体，并混合至中间压力对加氢装置进行充注。由于涡流管和喷射器均结构简单、性能安全可靠，故该新型预冷系统可实现在提高整体经济效益的同时保证高效可靠的运行。
附图说明
图1为本发明一种新型加氢预冷系统的具体实施例一的连接示意图。
图2为具体实施例中涡流管组件温度分离计算分析的示意图。
图3为本发明一种新型加氢预冷系统的具体实施例二的连接示意图。
如图所示：1、加氢站；2、涡流管组件；3、加氢装置；4、冷却器；5、储氢装置；6、喷射器。
具体实施方式
为了更好得理解本申请，将参考附图对本申请的各个方面做出更详细的说明。应理解，这些详细说明只是对本申请的示例性实施方式的描述，而非以任何方式限制本申请的范围。在说明书全文中，相同的附图标号指代相同的元件。
在附图中，为了便于说明，已稍微夸大了物体的厚度、尺寸和形状。附图仅为示例而非严格按比例绘制。
还应理解的是，用语“包含”“包括”、“具有”、“包含”、“包含有”，当在本说明书中使用时表示存在所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件，但不排除存在或附加有一个或多个其他特征、整体、步骤、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组合。此外，当诸如“…至少一个”的表述出现在所列特征的列表之后时，修饰整个所列特征，而不是修改列表中的单独元件。
具体实施例一，如图1所示，一种新型加氢预冷系统，包括加氢站1、涡流管组件2、加氢装置3、冷却器4以及储氢装置5，加氢站1出口与涡流管组件2进口相连，涡流管组件2冷端出口与加氢装置3进口相连，涡流管组件2热端出口与冷却器4第一进口相连，冷却器4第一出口与储氢装置5进口相连，
在本实施例中，加氢装置3需要充注氢时，90MPa的常温高压氢气(303.15K)从加氢站1出口进入涡流管组件2，在涡流管组件2内产生温度分离效应，低温氢气从涡流管组件2冷端出口进入加氢装置3入口直接进行充注，涡流管组件2热端出口的高温氢气经冷却器4换热，降温后的常温氢气进入储氢装置5进行储存。
在本实施例中，供氢模块压力固定为90MPa，加氢装置压力由20MPa上升至70MPa。
通过对本实施例的模拟计算，得到下表1：
表1涡流管组件温度分离计算分析
Figure BDA0002654786720000041
由表1可以看出，在充注开始阶段(大压比阶段)，能量分离效应显著，当压比为4.5，冷流比为0.4时，冷端的总温已经降-43.89K。随着压比的减小，能量分离效应减弱；当加氢装置3内氢气瓶压力升到70MPa，冷流比为0.4时，冷端的总温降-8.72K。而在氢气从加氢枪向车载气瓶充注过程中，初始阶段，压比大，更多的压力能转化为了内能，因此升温更快，在高压比时，本实施例中涡流管内实现的氢气较大幅度的降温可以抵消气瓶充注阶段的大幅升温过程，使得气体温度不致过高。随着气瓶的充注，压比逐渐降低，涡流管内的降温幅度和气瓶充注阶段的升温过程同时减小，同样满足了气瓶对氢气温度的要求。
同时通过表1以及图2，可以得知在涡流管冷流比为0.4～0.5区间时，温降较大，因此，优选的，涡流管组件2的冷流比为0.4～0.5。
本实施例通过涡流管对加氢站1出口的高压氢气进行温度分离，直接利用冷端出口氢气进行充注，可实现简单、快速、安全、可靠、经济的氢气预冷的目标。
具体实施例二，如图3所示，包括加氢站1、涡流管组件2、加氢装置3、冷却器4以及喷射器6；加氢站1出口与涡流管组件2进口相连，涡流管冷端出口与喷射器6第二入口相连，所述涡流管热端出口与冷却器4入口相连，冷却器4出口与喷射器6第一入口相连，喷射器6出口与加氢装置3相连完成加氢过程。
在本实施例中，加氢装置3需要充注氢时，90MPa的常温高压氢气(303.15K)从加氢站1出口进入涡流管组件2，在涡流管组件2内产生温度分离效应，涡流管组件2热端出口的高温氢气经冷却器4换热至中压常温状态，并作为工作流体进入喷射器6，将涡流管组件2冷端出口的低温氢气进行引射，两股流体混合为较低温度的氢气并对加氢装置3进行充注。
同样，在本实施例中，供氢模块/罐压力固定为90MPa，加氢装置3压力由20MPa上升至70MPa。
通过对本实施例的模拟计算，得到下表2：
表2预冷模块计算分析
Figure BDA0002654786720000051
由表2可以得出，本实施例所提供的另一种新型加氢预冷系统同样可以将加氢站1的高压氢气进行预冷，在充注开始阶段(大压比阶段)，系统预冷效应显著，当压比为4.5，冷流比为0.7时，预冷系统温降-23.93K。在充注过程中，随着加氢装置3内的压力不断升高，该预冷系统的预冷温降相应下降。同时，对比表1，发现该实施例的系统中由于喷射器6的引射作用，相同工况下涡流管进出口压比增大，因而冷热温度分离效应也随之增大。
本实施例通过涡流管对加氢站1出口的高压氢气进行温度分离，直接利用冷端出口氢气作为冷量来源，同时将涡流管热端出口气体冷却，利用涡流管热端与冷端出口的压差，通过喷射器6将两股流体混合为较低温度的氢气并进行充注，该系统可实现简单、快速、安全、可靠的氢气预冷的目标。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换；而这些修改或者替换，并不使相应的技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神与范围。

Claims (7)

1.一种新型加氢预冷系统，包括供氢模块、预冷模块、加氢模块以及储氢模块，其特征在于：所述预冷模块包括涡流管组件(2)，所述供氢模块与涡流管组件(2)的入口连接，所述涡流管组件(2)的冷端出口与加氢模块连接，所述涡流管组件(2)的热端出口与储氢模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种新型加氢预冷系统，其特征在于：所述储氢模块包括冷却器(4)以及储氢装置(5)，所述涡流管组件(2)的热端出口与冷却器(4)入口相连，所述冷却器(4)出口与储氢装置(5)进口相连。
3.根据权利要求2所述的一种新型加氢预冷系统，其特征在于：所述预冷模块还包括喷射器(6)，所述涡流管组件(2)的冷端出口与喷射器(6)第二入口相连，所述涡流管组件(2)的热端出口与冷却器(4)的入口相连，所述冷却器(4)的出口与喷射器(6)第一入口相连，所述喷射器(6)出口与加氢模块相连。
4.根据权利要求3所述的一种新型加氢预冷系统，其特征在于：所述喷射器(6)为可调式喷射器(6)。
5.根据权利要求1所述的一种新型加氢预冷系统，其特征在于：所述冷却器(4)为水冷冷却器(4)。
6.根据权利要求1所述的一种新型加氢预冷系统，其特征在于：所述涡流管组件(2)中涡流管的数量大于等于一，且当涡流管数量大于一时，多个涡流管串联设置。
7.根据权利要求1所述的一种新型加氢预冷系统，其特征在于：所述涡流管组件(2)的冷流比为0.4-0.5。
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