CN114165725A - 一种超临界工质快速充装与精准供应装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超临界工质快速充装与精准供应装置及方法,包括主路管路，主路管路通过管道依次连接有工质入口、第一截止阀、增压器、缓冲气容、流量计、背压阀，背压阀的工质出口与第一支路连接，第一支路上依次连接有第二截止阀与工质出口，背压阀的排气口与第二支路连接，第二支路上依次连接有第三截止阀与排空口。本发明对工质源进行增压，使得工质处于超临界状态或液态状态下，保证工质输送过程的稳定，并实现工质的精准供应。

Description

一种超临界工质快速充装与精准供应装置及方法

技术领域

本发明涉及氢能源技术领域，具体涉及一种超临界工质快速充装与精准供应装置及方法。

背景技术

部分物质随着温度和压力的变化，会相应的呈现出固态、液态、气态三种相态。三态之间相互转化的温度和压力称为三相点，除三相点外，分子量不太大的稳定物质还存在一个临界点，临界点由临界温度、临界压力和临界密度构成，当把处于气液平衡的物质升温升压时，热膨胀引起液体密度减少，压力升高使气液两相的界面消失，成为均相体系，这一点成为临界点。

高于临界温度和临界压力以上的流体是超临界流体。超临界流体处于气液不分的状态，没有明显的气液分界面，既不是液体也不是气体。由于超临界流体处于超临界状态，对温度和压力的改变十分敏感，具有十分独特的物理性质，它的黏度低、密度大，有良好的流动、传质、传热和溶解性能。

超临界流体(Super Critical fluid，简称SCF)是指温度和压力均高于其临界点的流体，常用来制备成的超临界流体有二氧化碳，氨，乙烯，丙烷，丙烯，水等。物体处于超临界状态时，由于气液两相性质非常相近，以致无法清楚分别，所以称之为「超临界流体」。超临界流体具有类似气体的扩散性及液体的溶解能力。

本文以二氧化碳为例阐述本发明的机理。

常温常压下是一种无色无味气体，在温度高于临界温度Tc＝31.26℃，压力高于临界压力Pc＝72.9atm(标准大气压Standard atmospheric pressure，1atm约为0.1MPa)的状态下，性质会发生变化，其密度近于液体，粘度近于气体，扩散系数为液体的100倍，因而具有惊人的溶解能力。

基于二氧化碳的上述特性，在高压(10MPa以上)充装二氧化碳的过程中，存在以下两个难点：

1、增压：要获得高压的二氧化碳，需对其进行增压。一般情况下，采用外供二氧化碳杜瓦罐的方式解决工质来源，以195L杜瓦罐为例，其有效容积为195L左右，饱和蒸发压为2.2MPa，工质温度最低为-40℃。待供应量增加可采用储量更大的二氧化碳槽车进行供应。在整个增压实现的过程中，二氧化碳的状态转变复杂，难以定性。这就造成了实现增压的难度，介质即可能是液态，亦可能是气态，最终为超临界状态。

2、计量：在对工件进行二氧化碳充装时，通常需要定量。少量或小工件可采用称重计量。当工件整体不适合称重计量的情况下，一般采用流量计测量，其最关键的要求是介质状态的一致性。气态或者液态的转变，对于流量计而言造成的计量结果会产生非常大的变化。即便是同相介质，密度不同，也会导致计量结果的不准确。

发明内容

本发明的目的是提供一种超临界工质快速充装与精准供应装置及方法，以解决现有技术中存在的上述问题。

为了达到上述设计目的，本发明采用如下设计方案，本发明公开了一种超临界工质快速充装与精准供应装置,包括主路管路，所述主路管路通过管道依次连接有工质入口、第一截止阀、增压器、流量计、压力控制单元，所述压力控制单元的工质出口与第一支路连接，所述第一支路上依次连接有第二截止阀与工质出口，所述压力控制单元的排空口与第二支路连接，所述第二支路上依次连接有第三截止阀与排空口。

更进一步的，所述第一截止阀与增压器之间的管路上设置有第一温度传感器与第一压力传感器。

更进一步的，所述增压器出口设置有缓冲气容。

更进一步的，所述缓冲气容与流量计之间的管路上设置有第二温度传感器与第二压力传感器。

更进一步的，所述第二支路上设置有第三温度传感器与第三压力传感器。

更进一步的，各电气元件与PLC控制中心电连接。

更进一步的，所述增压器为气动气体增压泵，所述增压器上连接有第三支路用于通入动力空气，所述第三支路上设置有第四截止阀。

更进一步的，所述流量计为科氏力质量流量计。

更进一步的，所述压力控制单元为背压阀。

为了达到上述设计目的，本发明还公开了一种超临界工质快速充装与精准供应方法，包括以下步骤：

S1，工质入口与工质源连接，打开第一截止阀，工质由工质入口输入，流经第一截止阀，由第一压力传感器测量压力，第一温度传感器测量温度，并将信息反馈至PLC控制中心；

S2，动力空气由第三支路流经第四截止阀，进入增压器，驱动增压器做功，将工质进行压缩，工质增压至背压阀所设置的背压压力阈值P时，PLC控制中心控制增压器停机，所述背压压力阈值P大于临界压力Pc；

S3，增压后的工质进入缓冲气容，经过第二压力传感器测量压力，第二温度传感器测量温度，并将信息反馈至PLC控制中心，此时流量计关闭不进行计量；

S4，工质状态稳定后，启动增压器与流量计，工质由工质入口继续输入，增压器做功压缩工质，工质流经流量计测量质量流量后，进入背压阀；

S5，若工质压力未到达P，背压阀实行阻断；

S6，第三截止阀关闭，若工质压力达到并超过P，压力超过P的工质经背压阀，经过第三压力传感器测量压力，第三温度传感器测量温度后，经过第二截止阀至工质出口，通入与工质出口连接的加注端，实现加注；

S7，加注完毕后，第二截止阀关闭，第三截止阀打开，工质经第三截止阀从排空口排出。

发明的有益效果为：本发明对工质源进行增压，使得工质处于超临界状态或液态状态下，保证工质输送过程的稳定；采用科氏力流量计与背压阀配合，实现工质的精准供应。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示，本发明公开了一种超临界工质快速充装与精准供应装置，包括主路管路，所述主路管路通过管道依次连接有工质入口2、第一截止阀3、增压器6、流量计10、压力控制单元，所述压力控制单元的工质出口与第一支路连接，所述第一支路上依次连接有第二截止阀15与工质出口14，所述压力控制单元的排空口13与第二支路连接，所述第二支路上依次连接有第三截止阀15与排空口14。

超临界工质对非金属密封材料如天然橡胶具有特殊溶解作用，因此所有与工质接触的非金属密封件需考虑其相容性。本实施例以二氧化碳工质为例，根据超临界二氧化碳工质的性质，本实施例中的各截止阀与背压阀的密封材质优选为PTFE(聚四氟乙烯)，增压器密封件优选为HNBR(氢化丁腈橡胶)，主路管路管件以及各支路管件采用金属硬密封。各部件工作环境需满足：温度为-40至65℃；与工质接触的部件，如阀门、管道、接头等，参照GB24159-2009《焊接绝热气瓶》对材质的要求，制定主体材质为奥氏体型不锈钢，优选为316L不锈钢。对于其他工质而言，可根据工质超临界状态的性质选择适合的设备材料。

本实施例中的所述第一截止阀3与增压器6之间的管路上设置有第一温度传感器5与第一压力传感器4。

本实施例中的所述增压器6出口设置有缓冲气容7。

本实施例中的所述缓冲气容7与流量计10之间的管路上设置有第二温度传感器9与第二压力传感器8。

本实施例中的所述第二支路上设置有第三温度传感器16与第三压力传感器17。

本实施例中的各电气元件与PLC控制中心18电连接。

本实施例中的所述增压器6为气动气体增压泵，所述增压器6上连接有第三支路用于通入动力空气，所述第三支路上设置有第四截止阀19。气动气体增压泵实现工质的增压工作。与传统电动柱塞泵相比，气动气体增压泵控制更加灵活，可随时启停，针对相变明显的工质，电动柱塞泵增压液态工质效果明显，但对于气态介质的增压能力明显较弱，反观气动气体增压泵并不敏感，其增压能力较电动柱塞泵有较大优势，且体积小，重量轻，易于维护。采用气动气体增压器对工质进行增压，充分考虑了工质源内工质输送过程的状态变化。以工质源为杜瓦罐为例，在杜瓦罐满瓶时可输出液态二氧化碳，随着使用，罐内压力降低，二氧化碳变为气液混合状态，最终变为气态；

本实施例中的所述流量计10优选为科氏力质量流量计。根据工质特点，采用科氏力质量流量计测量充装量。该种类型的流量计是运用流体质量流量对振动管振荡的调制作用即科里奥利力现象为原理，以质量流量测量为目的的质量流量计。对流量的测量只于工质本身的质量有关，因此对于工质的密度变化并不敏感。对充装工况有良好的适应性。采用科氏力质量流量计与背压阀配合，保证流经流量计10的工质状态，实现工质的精准供应。

本实施例中的压力控制单元优选为背压阀11。

一种超临界工质快速充装与精准供应方法，包括以下步骤：

S1，工质入口2与工质源连接，打开第一截止阀3，工质由工质入口2输入，流经第一截止阀3，由第一压力传感器5测量压力，第一温度传感器5测量温度，并将信息反馈至PLC控制中心18；

S2，动力空气由第三支路流经第四截止阀19，进入增压器6，驱动增压器6做功，将工质进行压缩，工质增压至背压阀11所设置的背压压力阈值P时，PLC控制中心18控制增压器6停机，所述背压压力阈值P大于临界压力Pc；

S3，增压后的工质进入缓冲气容7，经过第二压力传感器8测量压力，第二温度传感器9测量温度，并将信息反馈至PLC控制中心18，此时流量计10关闭不进行计量；

S4，工质状态稳定后，启动增压器6与流量计10，工质由工质入口2继续输入，增压器6做功压缩工质，工质流经流量计10测量质量流量后，进入背压阀11；

S5，若工质压力未到达P，背压阀11实行阻断；

S6，第三截止阀15关闭，若工质压力达到并超过P，压力超过P的工质经背压阀11，经过第三压力传感器17测量压力，第三温度传感器16测量温度后，经过第二截止阀15至工质出口14，通入与工质出口14连接的加注端，实现加注；

S7，加注完毕后，第二截止阀15关闭，第三截止阀15打开，工质经第三截止阀15从排空口13排出。

本发明的实施原理与实施过程如下：

以工质为二氧化碳为例：增压器6本身为气动气体增压泵，其特点在于可以对气体增压，也可对液体增压。由二氧化碳的三相图可知，518kPa，-56.6℃就是二氧化碳的三相点。为计量准确，需要将工质状态控制在液相或超临界相，重点需要去除气相二氧化碳。在10MPa也就是100bar压力下，只要温度高于-56.6℃，二氧化碳就不会是气态。因此本发明的背压阀11背压压力的大小优选为10MPa。

为保证充装工质的洁净度，首先将本发明设备连接真空泵，在增压、充装工作开始前，对整套设备和工件进行抽真空。背压阀11下游至工质入口2管路在抽空完成后初始状态为负压真空状态。随着充装过程的进行，该部分管路会逐渐充满介质。

二氧化碳来自杜瓦罐或其他储槽。正常储运罐内二氧化碳温度为-40℃，饱和蒸发压约2.2MPa。此时可采用液相输入至系统，系统配备的增压器6启动，对介质进行增压。增压至背压阀11所设置的背压压力时停机。此过程称为“预充”。

由于输入工质温度低，增压器6压缩液体基本不会造成液体温度造成影响，配合整套工质管路做保温处理(可选择硬质聚氨酯泡沫塑料、岩棉等保温材料包裹工质管路进行保温)，可保证工质温度在输入温度﹢10℃范围内，此时流量计所处位置工质状态为：温度大于三相点温度-56.6℃，压力10MPa。该状态下二氧化碳状态为液态或超临界态。实际上第二温度传感器9与第二压力传感器8反馈数据亦可准确知晓工质状态。

在这个压力、温度状态下，二氧化碳只可能是液态或超临界这两种状态中的一种。不管是哪一种，只要密度均匀无气液相突变，对于流量计10而言，都是相当稳定的工作状态，因此可保障流量测量精度。

在整个预充过程中。工质不向工件输出，只存在于系统管路中，因此没有产生充装量，流量计10采集的数值不计入充装量。

充装过程：

完成预充过程后达到稳定状态，系统在接受PLC控制中心18指令后进行充装。同时流量计10读数开始累积，增压器6重新启动，超过背压阀11背压压力的工质会从背压阀11出口溢出，通过截止阀15进入加注端。充装管路上同样配置第三温度传感器16与第三压力传感器17，实时采集充装数据。

随着增压器6的持续工作，充装压力逐步升高，系统会对充装流量和充装压力进行判断比较。在不超预设充装压力的前提下，保障充装量。

加注质量差判定：

上述工作流程中，随着充装过程的进行，背压阀11至截止阀15、以及截止阀12之间的管路会逐渐充满工质。直至充装完成后，该部分工质的压力、温度状态完全可读，可根据数据理论分析该部分管路内的工质的实际状态。

假设该部分工质为液态二氧化碳，设计拟采用截面直径为φ＝6mm，截面积S＝π(φ/2)²的管路进行工质输送，流速为v＝7m/s，则输送流量为Q＝Sv＝11.7L/min。背压阀6下游至工质出口14之间管路单位长度(1m)容积为：V＝28.3ml，可根据加注量及进度要求对管路长度进行理论判定。

例：假设允许加注质量差为K≤0.5％，最小工件加注量为M＝25kg，允许加注质量差为：0.125kg约为100ml，因此背压阀下游至工件入口管路极限长度L应为：100/28.3＝3.5m。

届时设计该段管路累计长度为3m，即可满足定量加注质量差要求。如果该段管路内的二氧化碳状态不是液态，由于密度变小，加注误差量会更小。

以上仅所述为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种超临界工质快速充装与精准供应装置,其特征在于，包括主路管路，所述主路管路通过管道依次连接有工质入口、第一截止阀、增压器、流量计、压力控制单元，所述压力控制单元的工质出口与第一支路连接，所述第一支路上依次连接有第二截止阀与工质出口，所述压力控制单元的排空口与第二支路连接，所述第二支路上依次连接有第三截止阀与排空口。

2.根据权利要求1所述的一种超临界工质快速充装与精准供应装置，其特征在于，所述第一截止阀与增压器之间的管路上设置有第一温度传感器与第一压力传感器。

3.根据权利要求2所述的一种超临界工质快速充装与精准供应装置，其特征在于，所述增压器出口设置有缓冲气容。

4.根据权利要求3所述的一种超临界工质快速充装与精准供应装置，其特征在于，所述缓冲气容与流量计之间的管路上设置有第二温度传感器与第二压力传感器。

5.根据权利要求4所述的一种超临界工质快速充装与精准供应装置，其特征在于，所述第二支路上设置有第三温度传感器与第三压力传感器。

6.根据权利要求5所述的一种超临界工质快速充装与精准供应装置，其特征在于，各电气元件与PLC控制中心电连接。

7.根据权利要求6所述的一种超临界工质快速充装与精准供应装置，其特征在于，所述增压器为气动气体增压泵，所述增压器上连接有第三支路用于通入动力空气，所述第三支路上设置有第四截止阀。

8.根据权利要求7所述的一种超临界工质快速充装与精准供应装置，其特征在于，所述流量计为科氏力质量流量计。

9.根据权利要求8所述的一种超临界工质快速充装与精准供应装置，其特征在于，所述压力控制单元为背压阀。

10.一种超临界工质快速充装与精准供应方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，工质入口与工质源连接，打开第一截止阀，工质由工质入口输入，流经第一截止阀，由第一压力传感器测量压力，第一温度传感器测量温度，并将信息反馈至PLC控制中心；

S2，动力空气由第三支路流经第四截止阀，进入增压器，驱动增压器做功，将工质进行压缩，工质增压至背压阀所设置的背压压力阈值P时，PLC控制中心控制增压器停机，所述背压压力阈值P大于临界压力Pc；

S3，增压后的工质进入缓冲气容，经过第二压力传感器测量压力，第二温度传感器测量温度，并将信息反馈至PLC控制中心，此时流量计关闭不进行计量；

S4，工质状态稳定后，启动增压器与流量计，工质由工质入口继续输入，增压器做功压缩工质，工质流经流量计测量质量流量后，进入背压阀；

S5，若工质压力未到达P，背压阀实行阻断；

S6，第三截止阀关闭，若工质压力达到并超过P，压力超过P的工质经背压阀，经过第三压力传感器测量压力，第三温度传感器测量温度后，经过第二截止阀至工质出口，通入与工质出口连接的加注端，实现加注；

S7，加注完毕后，第二截止阀关闭，第三截止阀打开，工质经第三截止阀从排空口排出。

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