CN115370955A - 一种管式固态储氢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管式固态储氢装置；其中本体为无缝光管，本体的一端通过安装有封堵，本体的另一端与封头的内侧焊接；压盖通过其内部的内螺纹安装于本体有封堵的一侧外；封堵的压实部与本体的端面压紧；封堵的内侧设有插入部，插入部上设有两条密封圈，本体内填充填料。所述封堵包括顺序一体固接的插入部、压实部和接头部，其中封堵内开有贯穿插入部、压实部和接头部的封堵介质进出孔，插入部插入本体中，且与本体间隙配合。本发明传热效果好，便于金属氢化物充分的吸放氢，降低吸放氢过程中的热消耗。
Description
技术领域
本发明属于将压缩的、液化的或固化的气体灌入容器内，或从容器内排出技术领域，具体为一种管式固态储氢装置。
背景技术
当前，现有固态储氢容器一般都是采用单头或双头收口的瓶类容器，不方便填充金属氢化物，且储氢容器需要专门的流道设计，填充工艺麻烦，但如果没有专门流道设计，吸放氢能力又较差。金属氢化物吸放氢有寿命限制，并且吸放氢过程中，会逐渐出现粉化现象，如果这些粉末进入管路系统中，会存在较大的安全隐患。
固态储氢容器外部需要冷热源来跟储氢容器内的金属氢化物做热交换，储氢容器的传热性能好坏也影响这固态储氢容器吸放氢的性能。金属氢化物热导率一般比较低，用瓶类容器来填充金属氢化物，由于直径较大，会出现换热效果差，吸放氢能力差，且瓶类容器没法更换金属氢化物。
因此，急需一种新型的固态储氢装置，以解决容器不易填充金属氢化物、传热效果差、不易更换氢化物、防止粉末进入管路系统等问题。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种管式固态储氢装置，其特征在于，包括：本体、封头、封堵、密封圈和压盖；其中本体为无缝光管，本体的一端通过安装有封堵，本体的另一端与封头的内侧焊接；压盖通过其内部的内螺纹安装于本体有封堵的一侧外；封堵的压实部与本体的端面压紧；封堵的内侧设有插入部，插入部上设有两条密封圈，本体内填充填料。
所述封堵包括顺序一体固接的插入部、压实部和接头部，其中封堵内开有贯穿插入部、压实部和接头部的封堵介质进出孔，插入部插入本体中，且与本体间隙配合；头部的外侧设有封堵高压接口。
所述封堵介质进出孔的内侧还设置有过滤器。
所述封堵高压接口外设有堵头。
所述插入部和本体的长度比例为1：20。
用于拧紧压盖的本体的螺纹长度小于插入部的长度。
所述本体的长度为：500～4500mm，本体的外径为：55～95mm,本体的壁厚为4～25mm。
所述封头的外侧设有与封头材质相同且一体构成的凸台，凸台的外侧设有凸台高压接口；封头内开有封头介质进出孔，封头介质进出孔的外端与凸台高压接口连通；
所述凸台高压接口外设有堵头。
所述封头介质进出孔的内侧设置有过滤器。
本发明的有益效果在于：
1.可用于小型高压气态储氢，也可以用于金属氢化物固态储氢。
2.传热效果好，便于金属氢化物充分的吸放氢，降低吸放氢过程中的热消耗。
3.结构采用一端封堵，另一端采用活接头型式，方便金属氢化物的装填、压紧和更换。
4.设有金属过滤网结构，防止粉末进入管路系统，保护系统用氢安全。
5.活接头接口位置采用两道密封，可拆卸结构；且密封垫的材质为聚四氟乙烯，氢气渗入聚四氟乙烯(PTFE)内部后对其性能劣化的影响较小，能够有效避免密封结构失效。
6.对场地空间需求低，可以以单个或组合排列的形式放在支架上；从而更便于氢气充装。
7.设计较为灵活，可根据不同的使用工况及条件，对设计参数进行调整，方便单独定制，提高了氢化物的利用率。
附图说明
图1为本发明一种管式固态储氢装置实施例的剖面图；
图2本发明实施例中封头的主视图；
图3本发明实施例中封堵的剖面图；
图4本发明实施例中本体的应力受力分析图；
图5本发明实施例中本体的受力位移分析图。
其中，11-本体，12-封头，13-封堵，14-密封圈，15-压盖，16-过滤器，121-凸台，122-凸台高压接口，123-封头介质进出孔，131-插入部，132-压实部，133-接头部，134-封堵介质进出孔，135-封堵高压接口。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示的本发明实施例，主要结构分为四个部分，分别为本体11、封头12、封堵13和压盖15；其中，本体11为管件，主要用于存储氢气且为无缝光管的本体11的两端分别安装有封头12和封堵13；压盖15通过其内部的内螺纹安装于本体11有封堵13的一侧外；由于压盖15的内螺纹，封堵13的压实部132与本体11的端面压紧；本体11内填充有填料。
本体11的长度为：500～4500mm，本体11的外径为：55～95mm,本体11的壁厚为4～25mm。金属氢化物储氢时，本体11设计壁厚不宜过大，会一定程度地降低换热效率，增加热功耗。如果工作压力高，可选用高强度不锈钢作为管材，削减本体11的壁厚，提高换热效率；插入部131内部设计2道密封结构，密封圈需要根据承压压力选用合适的规格。用于拧紧压盖15的本体11的外螺纹长度需要根据储氢装置的承压压力来计算。
主体为圆柱状的封头12为加工件，如图1和图2所示，封头12的内侧与本体11焊接，封头12内开有介质进出孔，封头12的外侧设有与封头12材质相同且一体构成的凸台121，凸台121的外侧设有凸台高压接口122，封头介质进出孔123的外端与凸台高压接口122连通，凸台高压接口122外设有堵头；封头主要用于对单层本体的一端进行封闭，凸台高压接口122具体为1/4"高压接口，当需要进行吹除或氢气输出时，可通过凸台高压接口122进行连接，常规工况下使用堵头将其堵住；
制造封头时，封头12与本体11焊接的一侧做30°焊接坡口，钝边小于等于0.5mm，确保焊接时能够充分焊透；另一侧加工1/4＂高压接口，当需要对本体11进行吹扫工作或氢气输出时，可将1/4”高压接口与高压管外接进行工作，而不影响封头3的拆装。
在本实施例中，介质进出孔、凸台121和封头12的轴线共线；
在本实施例中，封头2和本体1的外径相同，封头内侧与本体1焊接的位置做30°焊接坡口，钝边小于等于0.5mm，确保焊接时能够充分焊透；将封头2与本体1进行焊接时，为保证容器耐压强度，采用承插焊形式，在焊接时选用高镍焊条，防止充装氢气时焊口位置产生氢脆。
如图1和图3所示的封堵13包括顺序一体固接的插入部131、压实部132和接头部133，其中插入部131、压实部132和接头部133的形状均为圆柱形，其中封堵13内开有贯穿插入部131、压实部132和接头部133的封堵介质进出孔134，由于承压的主体是压实部132的端面和本体11的端面贴合，因此本体11的外径-螺纹深度≤压实部132的外径≤本体11的外径；
插入部131插入本体11中且与本体11间隙配合，插入部131上沿轴向方向设有两条密封圈14，从而使得封堵采用两道密封设计，在与本体安装时采用间隙配合，根据GB-3452加工密封圈沟槽，密封圈材质选用PTFE(聚四氟乙烯)，在安装时先将O型的密封圈14套入封堵的密封圈沟槽中，再将封堵装入本体11内。
接头部133的外侧设有封堵高压接口135，封堵高压接口135也为1/4＂高压接口，在使用时拔掉封堵通过高压管路与支路阀2进行连接；封堵介质进出孔134的外端与接头部133连通，封堵高压接口135外设有堵头；封堵高压接口135用于气化氢气进行充装及容器吹扫；在充装气态氢气时，可直接通过封堵高压接口135进行充装；如需进行金属氢化物填充，可将封堵拆开后放入金属氢化物。
在本实施例中，封堵介质进出孔134的内侧和封头介质进出孔123的内侧均设置有过滤器16，过滤精度不低于5um，以保护填料不会堵塞在封堵介质进出孔134附近。
如图1所示的压盖15包括一体固接的盖部和旋紧部，其中盖部的中央开有使接头部133穿过的孔，旋紧部的内侧攻有内螺纹丝；盖部压紧封堵13的压实部132从而保证储氢装置的密封；
在本实施例中，内螺纹丝采用公制螺纹形式，加工较为简单，在安装时直接将压盖穿过封堵与本体11的外螺纹(图中未标注)连接，通过拧紧螺纹将封堵压紧。
封堵、密封圈及压盖主要用于对充装的氢气进行密封，为确保密封性，在封堵根部位置设计两道密封圈，并将部分设计为可拆卸形式，主要用于填装金属氢化物，在封堵部分设计高压接口，用于气化氢气进行充装及容器吹扫。
在设计时，根据使用工况(本专利中均以使用压力45MPa，容积为1L作为案例)选择相应规格的管件，根据管件尺寸设计封头、封堵及压盖，在确定设计尺寸时，封堵与单层本体间采用间隙配合，并在单层本体安装封堵的一端加工螺纹，用于安装压盖，确保此部分可拆的同时具备良好的密封性。
在本实施例中，本体11、封头12、封堵13和压盖15均选用均匀的不锈钢材质，具体为不锈钢316L材质，此种材质具备良好的强度及抗氢脆属性，在设计时可根据实际使用的工况对管件进行选择，例如，使用压力为45MPa，容积为1L，本体11则选择DN50，316L材质的不锈钢管,SS316L材质的材质牌号为022Cr17Ni12Mo2，该材质具有优异的耐腐蚀性，316L属于18-8型奥氏体不锈钢的衍生钢种，含有2％-3％的Mo元素，其主要化学成分及力学性能如表1所示：
表1 316L不锈钢的力学性能及成分表
在对本体11进行设计时，根据容器需求的整体承压，计算容器的本体11的管材壁厚，根据整体承压45MPa，选用DN50，316L材质不锈钢管，管件外径60.3mm，壁厚11mm，长度1000mm，有效容积1L，在建立三维模型后，通过有限元软件计算受力结果如图4和图5所示；可以看出，由于封头12和封堵13均不与本体11的内壁贴合；本体11的受力更加均匀且向两端靠近，从而保证了在各种长度上的表现，实现了根据储氢需求对长度的定制需求。
由于采用管式储氢，相对内径较小，无需设计相应的氢气流道可直接填充氢化物并吸氢供氢；因而解决了压力容器填充氢化物不便的问题；本体11层数为一层且每个列管均单独使用，从而可以根据需求进行分组并列使用，各储氢装置和各组相互之间不受热交换影响(换热计算充足)，不影响储氢效率；
在本实施例中，因本体11的长度为1000mm，插入部131的长度为50mm；插入部131和本体11的长度比例为1：20，根据受力分析，用于拧紧压盖15的本体11的外螺纹长度最短为25mm(小于插入部131的长度，因此不影响散热)；本实施例本体11的最高承压能力满足45MPa的使用需求；也可根据填充的储氢材料性能和压力需求，将本体11最高承压压力设计到所需的压力。
相比大直径的瓶类储氢容器，同等容积下，管式储氢容器的换热面积要大很多，壁厚反而小很多。举例说明：容积为100L，工作压力80MPa的储氢容器，选用内径200mm的储氢容器和选用内径50mm的管式容器，其内表面积前者是后者的1/4倍。但是同等材料下，壁厚前者是后者的4倍。传热效率跟传热面积成正比，跟壁厚成反比，因此本发明的换热效率较高。
由于在氢气环境下，使用的本体11、封头12、封堵13和压盖15的材质均为奥氏体不锈钢材质，此种材质长期在氢气环境下容易被氢气渗透产生马氏体相变从而引发氢脆，因此，密封圈14的密封材质选择聚四氟乙烯材质，该材质延展性及抗氢脆性，能够在金属材质发生氢脆后，仍然保持稳定，保障氢气的密封，且寿命更高、加工较为简单。
在本实施例中，管式储氢容器选用的密封材质为聚四氟乙烯，聚四氟乙烯(PTFE)是当今世界最耐腐蚀的材料之一，其具备优秀的化学稳定性，具备很高的耐高低温特性，使用寿命更高，尤其在氢气环境下，使用的管件、接头及阀门等物料多数为奥氏体不锈钢材质，此种材质长期在氢气环境下容易被氢气渗透产生马氏体相变从而引发氢脆，而本发明中新型的组合密封形式，增加的聚四氟乙烯材质的密封垫，能够在金属材质发生氢脆后，仍然保持稳定，保障氢气的密封，其材质特性如表1所示：
表2 PTFE物性表
在整体设计时，首先，计算所需储氢装置的容积，然后根据工作压力计算所需的储氢装置的规格和长度；根据使用工况选择相应规格的管件，管子材质可以选取316L、312等高镍不锈钢管；根据管件尺寸设计封头、封堵及压盖，在确定设计尺寸时，封堵与本体间采用间隙配合，并在本体安装封堵的一端加工螺纹，用于安装压盖，确保此部分可拆的同时具备良好的密封性。本实施例的储气量以使用压力45MPa，容积为1L作为列管式固态储氢供气装置为说明，如储氢材料(填料)为AB5，根据整体承压45MPa，选用DN50，316L材质不锈钢管，管件外径60.3mm，壁厚11mm，长度1m，有效容积1L；取质量储氢密度1.4wt.％，计算可得该1L有效容积的不锈钢管可储氢气0.0434kg。然后对储氢装置的数量和排布形式排布进行设计(通常当超过一个时，使用采用统一散热的并排布局)，同时设计好换热水的进出水管的规格，以及充放氢的管路的规格以及布局。
安装时，先安装各储氢装置：首先焊接封头，将封头与本体进行焊接，为保证容器耐压强度，采用承插焊形式，在焊接时选用高镍焊条，防止充装氢气时焊口位置产生氢脆。然后安装封堵，首先将密封圈安装在封堵上，安装完成后将封堵装入本体，压紧后将压盖穿过封堵，通过螺纹固定在本体上。
之后在外部配将一根或多根储氢装置用阀门仪表等进行连接，使之具有储供氢接口和泄压接口等；在安装压力仪表、阀门和外部配管等，压力仪表、阀门和外部配管根据所设计的供氢流量和工作压力进行设计选型。
工作时，
当进行吸氢作业时，先开启阀门使氢气流入总管道，然后开启储氢装置附近的支路阀门使氢气流入储氢装置中，开始吸氢。放氢作业时，先开启支路阀门，然后在开启总阀门完成放氢作业。由于采用单根列管作为固态储氢供气装置，通过封堵13进行储氢材料填充，储氢材料本体能力决定吸氢与供气的能力，储氢装置提供储氢材料承装空间，增大换热面积，因一般金属氢化物吸氢时的温度一般为5～10℃，而放氢时的换热温度为80～85℃；因此根据吸氢和供气所需换热量，可以在本体11外侧的环境中充入热水或者热空气等其他换热方式。
Claims (10)
1.一种管式固态储氢装置，其特征在于，包括：本体(11)、封头(12)、封堵(13)、密封圈(14)和压盖(15)；其中本体(11)为无缝光管，本体(11)的一端通过(15)安装有封堵(13)，本体(11)的另一端与封头(12)的内侧焊接；压盖(15)通过其内部的内螺纹安装于本体(11)有封堵(13)的一侧外；封堵(13)的压实部(132)与本体(11)的端面压紧；封堵(13)的内侧设有插入部(131)，插入部(131)上设有两条密封圈(14)；本体(11)内填充填料。
2.根据权利要求1所述的一种管式固态储氢装置，其特征在于，所述封堵(13)包括顺序一体固接的插入部(131)、压实部(132)和接头部(133)，其中封堵(13)内开有贯穿插入部(131)、压实部(132)和接头部(133)的封堵介质进出孔(134)，插入部(131)插入本体(11)中，且与本体(11)间隙配合；头部(133)的外侧设有封堵高压接口(135)。
3.根据权利要求2所述的一种管式固态储氢装置，其特征在于，所述封堵介质进出孔(134)的内侧还设置有过滤器(16)。
4.根据权利要求2所述的一种管式固态储氢装置，其特征在于，所述封堵高压接口(135)外设有堵头。
5.根据权利要求1～4之一所述的一种管式固态储氢装置，其特征在于，所述插入部(131)和本体(11)的长度比例为1：20。
6.根据权利要求5所述的一种管式固态储氢装置，其特征在于，用于拧紧压盖(15)的本体(11)的螺纹长度小于插入部(131)的长度。
7.根据权利要求1～4之一所述的一种管式固态储氢装置，其特征在于，所述本体(11)的长度为：500～4500mm，本体(11)的外径为：55～95mm,本体(11)的壁厚为4～25mm。
8.根据权利要求1所述的一种管式固态储氢装置，其特征在于，所述封头(12)的外侧设有与封头(12)材质相同且一体构成的凸台(121)，凸台(121)的外侧设有凸台高压接口(122)；封头(12)内开有封头介质进出孔(123)，封头介质进出孔(123)的外端与凸台高压接口(122)连通。
9.根据权利要求8所述的一种管式固态储氢装置，其特征在于，所述凸台高压接口(122)外设有堵头。
10.根据权利要求8所述的一种管式固态储氢装置，其特征在于，所述封头介质进出孔(123)的内侧设置有过滤器(16)。
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