CN115325428B - 一种采用贴壁阵列磁环的液氢储罐 - Google Patents

一种采用贴壁阵列磁环的液氢储罐 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种采用贴壁阵列磁环的液氢储罐，包括：储罐主体及与储罐主体连接的自增压系统、泄压系统、加注系统和排放系统；所述储罐主体内的底部设有液氢，储罐主体内的顶部充满氢气，液氢所在处为液腔，氢气所在处为气枕区；所述储罐主体的内壁面覆盖安装有若干磁环；所述磁环的内孔为圆台形通孔；所述磁环的内孔形成梯度磁场；若干磁环呈陈列方式覆盖安装在储罐主体的内壁面；且每个磁环的轴线与所在储罐主体的内壁面垂直，每个磁环的内孔的小径端与储罐主体的内壁面紧贴接触。本发明能够通过磁场改变液氢储罐中的固空氧氮分布规律，延长液氢储罐复温周期。

Description

一种采用贴壁阵列磁环的液氢储罐
技术领域
本发明属于液氢储运技术领域，具体涉及一种采用贴壁阵列磁环的液氢储罐。
背景技术
随着国内航天事业和民用氢能产业的蓬勃发展，具有高比冲、无污染特性的液氢应用水平得到大幅提升，大规模的液氢生产和储运是未来的发展趋势。然而，液氢储罐内部液氢在进行加注、转注、排放等操作时，虽然内部理论上处于正压状态，但外部空气依然不可避免地进入储罐内部，由于内部温度约为20K左右，进入后的空气迅速液化为液空，随后由于密度差异，液化后空气会逐渐沉积在液氢储罐的内壁面，并在液氢的冷却下固化，形成固空。由于液氧的凝固点低于液氮，首先凝固的氮会逐渐将液氧向外部挤压，所以在固化过程中，固空颗粒的氧含量会随着颗粒半径增大而增加。因此，最终随着液氢储罐使用时长的增加，固空会不断累积，固空颗粒也会不断增大，因此，极易造成少量空气的渗入并在低温工况下凝固和累积。
由于这种积累的固空是富氧的，当固空中的氧大于空气中氧组分的比例时，液氢系统易发生爆炸或爆轰。由于氧氮凝固点差异，固空颗粒的氧含量随着颗粒半径增加而上升，当氧含量大于21％后，固空导致的自燃或自动爆轰的危险性剧增，此时需要对储罐进行复温，消除固空带来的安全隐患。由于固空的危险性主要源于固空颗粒中的高氧含量，所以若能通过磁场减少固空中的氧氮分布规律(即固空颗粒的氧含量随着颗粒半径增加而上升)，则固空的危险性会迅速降低，进而可以增加液氢储罐的使用周期。所以，对于大型液氢生产、贮存系统，解决固空累积带来的安全隐患至关重要。
目前均采用定期复温方式消除液氢中沉积的固空，例如，航天标准QJ 3271《氢氧发动机试验用液氢生产安全规程》中规定：液氢容器在连续生产三个月后应进行升温吹除；国军标GJB－2645《液氢包装贮存运输要求》中规定：液氢贮罐应定期进行升温作业，以清除积存的固态挥发性杂质，至少每两年进行一次。通常作法是将常温氢气或者氮气快速填充至贮罐内并静置一段时间，待其充分换热之后将内部的气体排出，再进行下一次的换热。对于较大容量的液氢储罐，往往需要多次置换过程才能将整个储罐温度恢复至常温。
采用复温法消除固空的缺点主要体现在以下两方面：
1)为加速复温速度，通常需要对液氢储罐内充注常温氢气或者氮气，随着实际应用的液氢储罐数量急剧上升，将会造成大量的氢气或氮气等换热介质气的消耗；
2)复温需要较长的时间，液氢储罐不能继续使用，所以频繁进行复温操作将会影响液氢相关的生产、使用及试验进程。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种采用贴壁阵列磁环的液氢储罐，能够通过磁场改变液氢储罐中的固空氧氮分布规律，延长液氢储罐复温周期。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种采用贴壁阵列磁环的液氢储罐，包括：储罐主体及与储罐主体连接的自增压系统、泄压系统、加注系统和排放系统；
所述储罐主体内的底部设有液氢，储罐主体内的顶部充满氢气，液氢所在处为液腔，氢气所在处为气枕区；
所述储罐主体的内壁面覆盖安装有若干磁环；所述磁环的内孔为圆台形通孔；所述磁环的内孔形成梯度磁场；若干磁环呈陈列方式覆盖安装在储罐主体的内壁面；且每个磁环的轴线与所在储罐主体的内壁面垂直，每个磁环的内孔的小径端与储罐主体的内壁面紧贴接触。
进一步的，每个磁环均通过固定支架定位并安装在内罐的内壁面。
进一步的，每个磁环均采用永磁体。
进一步的，所述储罐主体包括：外罐、内罐及罐体支架；内罐安装在外罐内部，内罐的外表面和外罐的内表面之间的空腔形成高真空绝热层；罐体支架安装在外罐外部；所述储罐主体通过所述罐体支架支撑在地面或平台上。
进一步的，所述自增压系统包括：自增压管路、汽化换热器及第一低温调节阀；所述自增压管路位于所述储罐主体的外部，自增压管路的两端均穿过外罐和内罐的壁面后，其一端与所述内罐的液腔相通，另一端与内罐的气枕区相通；汽化换热器和第一低温调节阀均安装在所述自增压管路上。
进一步的，所述泄压系统包括：泄压管路和第二低温调节阀；所述泄压管路的一端穿过外罐和内罐的壁面后，与所述内罐的气枕区相通；泄压管路的另一端与外界大气相通；第二低温调节阀安装在所述泄压管路上。
进一步的，所述加注系统包括：加注管路和第三低温调节阀；所述加注管路的一端穿过外罐和内罐的壁面后，与所述内罐的气枕区相通；加注管路的另一端与外部的液氢源连接；第三低温调节阀安装在所述加注管路上。
进一步的，所述排放系统包括：排放管路和第四低温调节阀；所述排放管路的一端穿过外罐和内罐的壁面后，与所述内罐的液腔相通；排放管路的另一端与外界大气相通；第四低温调节阀安装在所述排放管路上。
进一步的，所述自增压系统、泄压系统、加注系统和排放系统内的管路及调节阀均采用绝热材料。
有益效果：
(1)常见气体中，氧气具有相对较强的顺磁性，而氮气具有逆磁性，相对磁化率绝对值比氧气小三个数量级。常见气体相对于氧气的磁化率如下，氧气(顺磁性，100)、氢气(逆磁性，-0.11)、氮气(逆磁性，-0.40)。此外，对于顺磁性物质，分子热运动会干扰分子磁矩的规则排列，当温度降低时，分子热运动减弱，顺磁效应即会增强，所以在液氢温区下，氧气的顺磁磁化率会大幅提升，因此，本发明根据液氢中固空颗粒的氧含量分布特征及氧气的顺磁性(即磁场富集氧气)的原理，设计了可用于液氢储罐的阵列磁环，即通过在内罐的内壁面增加阵列磁环，根据液氢中固空颗粒的氧含量分布特征以及低温氧的强顺磁性，来改变常规液氢储罐固空的氧含量分布规律，使形成的固空颗粒具有“氮包覆氧”的特征，改变常规固空颗粒氧含量随颗粒半径增加而上升的规律，大幅降低液氢储罐中的固空危险性。
(2)本发明通过降低固空危险性来延长液氢储罐复温周期，大幅减少氢气或氮气等换热介质气的消耗，同时，弱化了复温操作对液氢生产、使用及试验进程的不利影响。
(3)本发明的阵列磁环不会对液氢储罐的整体结构产生影响，只需安装在常规液氢储罐的内罐的内壁面即可，同时磁场的特性符合液氢应用工况的安全性需求。
附图说明
图1为本发明的结构组成示意图；
图2为阵列磁环的结构示意图；
其中，1-外罐，2-内罐，3-高真空绝热层，4-罐体支架，5-自增压管路，6-汽化换热器，7-第一低温调节阀，8-泄压管路，9-第二低温调节阀，10-加注管路，11-第三低温调节阀，12-排放管路，13-第四低温调节阀，14-阵列磁环，15-磁环，16-固定支架。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种采用贴壁阵列磁环的液氢储罐，参见附图1，包括：储罐主体、自增压系统、泄压系统、加注系统和排放系统；
所述储罐主体包括：外罐1、内罐2、阵列磁环14和罐体支架4；内罐2安装在外罐1内部，内罐2的外表面和外罐1的内表面之间的空腔形成高真空绝热层3；阵列磁环14覆盖安装在内罐2的内壁面上；罐体支架4安装在外罐1外部；所述储罐主体通过所述罐体支架4支撑在地面或平台上；所述内罐2的内腔底部设有液氢，所述液氢未充满所述内罐2的内腔，并将所述内罐2的内腔分为液腔和气枕区，液氢所在处为液腔，气枕区位于内罐2的内腔顶部，气枕区充满氢气；
所述自增压系统包括：自增压管路5、汽化换热器6及第一低温调节阀7；所述自增压管路5位于所述储罐主体的外部，自增压管路5的两端均穿过外罐1和内罐2的壁面后，其一端与所述内罐2的液腔相通，另一端与内罐2的气枕区相通；汽化换热器6和第一低温调节阀7均安装在所述自增压管路5上，所述汽化换热器6用于将所述液氢汽化为氢气；
所述泄压系统包括：泄压管路8和第二低温调节阀9；所述泄压管路8的一端穿过外罐1和内罐2的壁面后，与所述内罐2的气枕区相通；泄压管路8的另一端与外界大气相通；第二低温调节阀9安装在所述泄压管路8上；
所述加注系统包括：加注管路10和第三低温调节阀11；所述加注管路10的一端穿过外罐1和内罐2的壁面后，与所述内罐2的气枕区相通；加注管路10的另一端与外部的液氢源连接；第三低温调节阀11安装在所述加注管路10上；
所述排放系统包括：排放管路12和第四低温调节阀13；所述排放管路12的一端穿过外罐1和内罐2的壁面后，与所述内罐2的液腔相通；排放管路12的另一端与外界大气相通；第四低温调节阀13安装在所述排放管路12上；
其中，自增压管路5、泄压管路8、加注管路10、排出管路14、第一低温调节阀7、第二低温调节阀9、第三低温调节阀11及第四低温调节阀13均使用绝热材料实现保温；
其中，参见附图2，所述阵列磁环14包括：磁环15和固定支架16；所述磁环15的内孔内径为变内径，即磁环15的内孔为圆台形通孔；所述磁环15的内孔形成梯度磁场；若干磁环15呈陈列方式覆盖安装在内罐2的内壁面，即固空的沉积壁面；且每个磁环15的轴线与所在内罐2的内壁面垂直，每个磁环15的内孔的小径端与内罐2的内壁面紧贴接触，每个磁环15均通过固定支架16定位并安装在内罐2的内壁面；每个磁环15均采用永磁体；
所述阵列磁环14的防固空运行原理：
外部空气进入内罐2内部后，迅速液化，随后由于密度差异，液化后空气会逐渐沉积在内罐2上的阵列磁环14，磁环15的内孔产生的梯度磁场对氧具有引流作用，液空中的液氧会向磁环15的内孔小径端聚集，将液氮向外部置换，所以在固化过程中，大多数液氧会在磁环15的内孔小径端凝固，即靠近内罐2的内壁处凝固；而凝固的液氮位于磁环15的内孔大径端，将凝固的液氧包覆，进而通过改变常规固空颗粒中的氧氮分布规律，降低固空颗粒的危险性。
所述液氢储罐的使用方法包括：自增压方法、泄压方法、液氢排放方法及液氢加注方法；
自增压方法：打开第一低温调节阀7，内罐2液腔内的液氢通过第一低温调节阀7后，进入汽化换热器6中吸热气化转换为氢气，氢气通过自增压管路5进入内罐2顶部的气枕区，整个自增压的过程通过第一低温调节阀7控制，实现内罐2内的压力调节；
泄压方法：当内罐2内的压力过高时，打开第二低温调节阀9，将高压氢气排出；达到设定压力后，关闭第二低温调节阀9；
液氢排放方法：当需要将内罐2内的液氢转注时，打开第四低温调节阀13；通过自增压系统对内罐2的内腔进行增压，将液氢由下方排放管路12挤出；排放完成后，关闭自增压系统、第四低温调节阀13；
液氢加注：当需要对内罐2内的液氢进行加注时，打开第二低温调节阀9、第三低温调节阀11；外部液氢源的液氢通过加注管路10进入内罐2中，在液氢加注过程中，气枕区的氢气通过泄压管路8放空，以调节液氢加注时内罐2的压力波动；液氢加注完成后，关闭第二低温调节阀9和第三低温调节阀11。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非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 (8)

1.一种采用贴壁阵列磁环的液氢储罐，其特征在于，包括：储罐主体及与储罐主体连接的自增压系统、泄压系统、加注系统和排放系统；
所述储罐主体内的底部设有液氢，储罐主体内的顶部充满氢气，液氢所在处为液腔，氢气所在处为气枕区；
所述储罐主体的内壁面覆盖安装有若干磁环(15)；所述磁环(15)的内孔为圆台形通孔；所述磁环(15)的内孔形成梯度磁场；若干磁环(15)呈陈列方式覆盖安装在储罐主体的内壁面；且每个磁环(15)的轴线与所在储罐主体的内壁面垂直，每个磁环(15)的内孔的小径端与储罐主体的内壁面紧贴接触；
每个磁环(15)均通过固定支架(16)定位并安装在内罐(2)的内壁面。
2.如权利要求1所述的一种采用贴壁阵列磁环的液氢储罐，其特征在于，每个磁环(15)均采用永磁体。
3.如权利要求1或2所述的一种采用贴壁阵列磁环的液氢储罐，其特征在于，所述储罐主体包括：外罐(1)、内罐(2)及罐体支架(4)；内罐(2)安装在外罐(1)内部，内罐(2)的外表面和外罐(1)的内表面之间的空腔形成高真空绝热层(3)；罐体支架(4)安装在外罐(1)外部；所述储罐主体通过所述罐体支架(4)支撑在地面或平台上。
4.如权利要求1或2所述的一种采用贴壁阵列磁环的液氢储罐，其特征在于，所述自增压系统包括：自增压管路(5)、汽化换热器(6)及第一低温调节阀(7)；所述自增压管路(5)位于所述储罐主体的外部，自增压管路(5)的两端均穿过外罐(1)和内罐(2)的壁面后，其一端与所述内罐(2)的液腔相通，另一端与内罐(2)的气枕区相通；汽化换热器(6)和第一低温调节阀(7)均安装在所述自增压管路(5)上。
5.如权利要求1或2所述的一种采用贴壁阵列磁环的液氢储罐，其特征在于，所述泄压系统包括：泄压管路(8)和第二低温调节阀(9)；所述泄压管路(8)的一端穿过外罐(1)和内罐(2)的壁面后，与所述内罐(2)的气枕区相通；泄压管路(8)的另一端与外界大气相通；第二低温调节阀(9)安装在所述泄压管路(8)上。
6.如权利要求1或2所述的一种采用贴壁阵列磁环的液氢储罐，其特征在于，所述加注系统包括：加注管路(10)和第三低温调节阀(11)；所述加注管路(10)的一端穿过外罐(1)和内罐(2)的壁面后，与所述内罐(2)的气枕区相通；加注管路(10)的另一端与外部的液氢源连接；第三低温调节阀(11)安装在所述加注管路(10)上。
7.如权利要求1或2所述的一种采用贴壁阵列磁环的液氢储罐，其特征在于，所述排放系统包括：排放管路(12)和第四低温调节阀(13)；所述排放管路(12)的一端穿过外罐(1)和内罐(2)的壁面后，与所述内罐(2)的液腔相通；排放管路(12)的另一端与外界大气相通；第四低温调节阀(13)安装在所述排放管路(12)上。
8.如权利要求1或2所述的一种采用贴壁阵列磁环的液氢储罐，其特征在于，所述自增压系统、泄压系统、加注系统和排放系统内的管路及调节阀均采用绝热材料。
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