CN115468105A - 一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐，包括储氢内胆、套设于储氢内胆外的保温外胆、设于储氢内胆与保温外胆之间的转化盘管，以及设于储氢内胆内的冷凝管，与设于冷凝管进口处的节流膨胀装置；其中转化盘管内填充有催化剂；储氢内胆依次通过节流膨胀装置、冷凝管、中间转化盘管、外转化盘管与外部相连通。与现有技术相比，本发明耦合间隔设置催化剂和设置节流膨胀装置，能够对储氢内胆中氢气进行冷凝，充分利用高压氢气和仲正转化的冷能，提高液氢储罐的绝热保温效果。

Description

一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐
技术领域
本发明属于液氢储存技术领域，涉及一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐。
背景技术
液氢由于单位体积能量密度大，成为氢能重要的储运方式之一，但由于液氢储运过程中储氢装置的漏热问题，不可避免的会发生液氢的漏热蒸发，因此，减少液氢蒸发是目前液氢储运方面亟需解决的问题之一。
氢是双原子分子，两个氢原子核是绕轴自转的。根据两个核自旋的相对方向，氢分子可分为能量较高的正氢和能量较低的仲氢。通常的氢是这两种形式氢分子的混合物，正仲氢的平衡浓度仅与温度有关。室温以上的温度时，含正氢75％，仲氢25％。当温度降低时，正氢自发向仲氢发生转换，并释放热量，由于转化过程缓慢，在液氢制备过程中，多采用催化剂加速正仲氢的转化，使液氢产物中仲氢含量达到95％。反之，当温度升高时，仲氢会吸收热量并转化为正氢，因此，在液氢的储运过程中，可以利用仲氢向正氢转化以吸收储运装置的漏热，达到装置的长效保温状态。同时储氢瓶中挥发出的氢气，其温度极低，仅需要极少的冷量，即可再次液化，同样可以减少液氢的蒸发损失。
发明专利CN 103836334 A提出了一种仲氢连续转化冷量利用装置，主要包括液氢储罐外容器、液氢储罐内容器、保温层、氢气引出管、氢气放空管、盘管以及放置于盘管内的催化剂。将液氢蒸发得到的氢气导入含有催化剂的盘管，以吸收环境漏热。但是对于实际应用来说，催化剂虽然能提高转化效率，但如果填充不当，会造成床层阻力的增加，不利于氢气的在盘管内的流动，造成仲氢向正氢转化冷能利用的不完全。而且当氢气从液氢储罐内容器流出时，其温度较低，随着氢气在盘管内流动不断吸收漏热，其温度逐渐升高，由于正仲氢的平衡浓度只与温度有关，因此，在氢气刚排出液氢储罐内容器时，此时通过催化剂的转化，仲正氢即使完全转化，其转化的冷量仍然很低，因此此部分催化剂的利用率较低，即仅需要较少催化剂就可能达到最优效果。而在盘管中后段，由于氢气温度不断升高，需要提高催化剂的填充量以达到冷量的高效利用。目前国内正仲氢转化催化剂多为国外进口，供货周期长，价格高昂，因此对催化剂进行合理的排布，有利于降低设备的成本。
发明内容
本发明的目的就是提供一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐，本发明耦合间隔设置催化剂和设置节流膨胀装置，能够对储氢内胆中氢气进行冷凝，在降低转换盘管中床层阻力的同时，充分利用高压氢气和仲正转化的冷能，提高液氢储罐的绝热保温效果，
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐，包括储氢内胆、套设于储氢内胆外的保温外胆、设于储氢内胆与保温外胆之间的转化盘管，以及设于储氢内胆内的冷凝管，与设于冷凝管进口处的节流膨胀装置；所述的转化盘管内填充有催化剂；
所述的储氢内胆依次通过节流膨胀装置、冷凝管、中间转化盘管、外转化盘管与外部相连通。
进一步地，所述的储氢内胆外依次套设有多个保温外胆；最内侧保温外胆与储氢内胆之间，以及相邻保温外胆之间均设有相互连通的转化盘管。
进一步地，最内侧保温外胆与储氢内胆之间呈真空状态；或者填充有绝热保温材料。
进一步地，相邻保温外胆之间呈真空状态；或者填充有绝热保温材料。
进一步地，所述的转化盘管呈螺旋状设置。
进一步地，所述的转化盘管内间隔设有多个催化剂填充段。
进一步地，沿物料流动方向，相邻催化剂填充段之间的间距逐渐减小。
进一步地，所述的催化剂填充段包括填充于转化盘管内的催化剂，以及设于催化剂两端的催化剂过滤器。
进一步地，所述的催化剂为带孔柱状催化剂、带孔块状催化剂或带孔球状催化剂中的一种或多种组合。
进一步地，所述的冷凝管呈螺旋盘管状。
进一步地，所述的节流膨胀装置为节流膨胀阀。
与现有技术相比，本发明具有以下特点：
1)本发明通过设置转化盘管，利用仲氢转化为正氢的冷量，平衡液氢储罐的漏热，有利于液氢的储存；
2)储氢内胆中的高压氢气通过节流膨胀装置释放大量的冷量，使高压氢气一部分转变为低压低温氢气，另一部分直接液化为低温液氢，此部分低温液氢在冷凝管中通过冷量交换，将冷凝管外壁周围的氢气再次液化，降低了储氢内胆中液氢的整体蒸发量；同时由于高压氢气经过节流膨胀后转化为的低压氢气，而低压氢气在填充大量催化剂的转换盘管中流动缓慢甚至受阻，不利于氢气在转换盘管中的流动转化，因此，本发明通过按气流方向变化间隔设置催化剂，减少催化剂床带来的层阻力，使节流膨胀后的低压氢气在转化盘管中的流动更加通畅，同时能够节约催化剂的使用量，节约成本；
3)本发明在催化剂填充段两端设有催化剂过滤器，能够防止催化剂随气流排出转化盘管。
附图说明
图1为实施例中一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐的结构示意图；
图2为催化剂填充段的结构示意图；
图3为转换盘管内的催化剂填充段分布结构示意图；
图4为催化剂的结构示意图；左：带孔柱状；中：带孔块状；右：带孔球状；
图中标记说明：
1-储氢内胆、2-保温外胆、3-转化盘管、4-催化剂、5-催化剂过滤器、6-冷凝管、7-节流膨胀装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例：
如图1所示的一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐，包括储氢内胆1、套设于储氢内胆1外的保温外胆2、设于储氢内胆1与保温外胆2之间且内部间隔设有多个催化剂填充段的转化盘管3，以及设于储氢内胆1内的冷凝管6，与设于冷凝管6进口处的节流膨胀装置7。转化盘管3一端连接于储氢内胆1另一端连接保温外胆2，以使得储氢内胆1依次通过节流膨胀装置7、冷凝管6、中间转化盘管3、外转化盘管3与外部相连通，将储氢内胆1中蒸发的氢气(主要为仲氢)引出并进行转换。
其中，节流膨胀装置7优选为节流膨胀阀。即储氢内胆1中蒸发的高压氢气通过节流膨胀阀，流入冷凝管6和转化盘管3，经过催化剂4的转换后，最终被排出液氢储罐外。具体的，如图2所示，催化剂填充段包括填充于转化盘管3内的催化剂4，以及设于催化剂4两端的催化剂过滤器5。催化剂4可选用碳，铬氧化物，铁氧化物，铁铝氧化合物，氢氧化铁，氢氧化铬等一种或多种。催化剂过滤器5，可以防止气体在流动的过程中将催化剂4带出转化盘管3，对催化剂4起保护作用。
由于储氢内胆1中蒸发出的氢气具有高压和低温特点，当其流经节流膨胀装置7时，通过节流膨胀作用，瞬间释放冷量，将高压低温氢气转变为液氢和更低温的低压氢气并流入冷凝管6中，此时冷凝管6中的液氢和氢气的温度均低于储氢内胆1中的氢气，所以可以通过冷量交换将冷凝管6外壁面周围的低温氢气液化。
为使冷量交换更加充分，在一个优选的实施例中，冷凝管6设为螺旋盘管状。
优选的，储氢内胆1外依次套设有多个保温外胆2；最内侧保温外胆2与储氢内胆1之间，以及相邻保温外胆2之间均设有相互连通的转化盘管3。本实施例中在保温外胆2外依次套设有2个保温外胆2，转化盘管3呈螺旋状依次穿过储氢内胆1与中间保温外胆2之间的夹层、中间保温外胆2与外侧保温外胆2之间的夹层。
由于环境热通过外胆逐渐向内部传递，因此，将转化盘管3缠绕在每层保温外胆2的内表面，使漏热能迅速被吸收转化。通过设有两个保温外胆2，在能保证储氢装置体积的同时达到较好的保温绝热的效果。通过设置转化盘管3，利用仲氢转化为正氢的冷量，平衡液氢储罐的漏热，有利于液氢的储存。
在一些优选的实施例中，储氢内胆1与中间保温外胆2之间为真空状态，或者填充有绝热保温材料。相应的，中间保温外胆2与外侧保温外胆2之间呈真空状态，或者填充有绝热保温材料。所述绝热保温材料包括隔热棉，二烯烃弹性体发泡柔性保温材料，多孔聚氨酯泡沫板等一种或多种。
同时，由于氢气节流膨胀后，气体的压力降低，会导致气体在转化盘管3中流动缓慢甚至停滞，因此，要使得氢气在转化盘管3中的流动更加通畅，需要降低转化盘管3内催化剂4的床层阻力。由此，本实施例采用间隔设置催化剂4的方式，如图3所示，可以极大地降低床层阻力的影响，有利于氢气在转化盘管3中的流动。
此外，本实施例还按照气流方向使催化剂4之间间隔不断减小，有利于充分合理的利用转化的冷量，提高催化剂4的利用率。因此，上述节流膨胀耦合催化剂间隔设置的方式，使液氢储罐的绝热保温效果更佳。
同时由于转化盘管3的长度较长，当液氢储罐中的液氢蒸发较为快速时，转化盘管3内的低压氢气通量较高，即使采用催化剂间隔设置的方式，低压氢气在转换盘管中受到的床层阻力仍较大。若此时如果采用细小颗粒状催化剂时，其床层阻力较大，不利于氢气的流通，影响转化效果；如果采用比表面积较小的块状大颗粒，虽然能够降低床层阻力，但由于氢气流速较快，氢气与催化剂的接触面和接触时间减小，不利于转化，因此，如图4所示，将催化剂4设置为带孔柱状，带孔块状或带孔球状中的一种或多种，在可以进一步降低床层阻力的同时，增大与氢气的接触面积，使催化剂4的有效活性面积增加，有利于仲氢到正氢转化。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐，其特征在于，包括储氢内胆(1)、套设于储氢内胆(1)外的保温外胆(2)、设于储氢内胆(1)与保温外胆(2)之间的转化盘管(3)，以及设于储氢内胆(1)内的冷凝管(6)，与设于冷凝管(6)进口处的节流膨胀装置(7)；所述的转化盘管(3)内填充有催化剂；
所述的储氢内胆(1)依次通过节流膨胀装置(7)、冷凝管(6)、中间转化盘管(3)、外转化盘管(3)与外部相连通。
2.根据权利要求1所述的一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐，其特征在于，所述的储氢内胆(1)外依次套设有多个保温外胆(2)；最内侧保温外胆(2)与储氢内胆(1)之间，以及相邻保温外胆(2)之间均设有相互连通的转化盘管(3)。
3.根据权利要求2所述的一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐，其特征在于，最内侧保温外胆(2)与储氢内胆(1)之间呈真空状态；或者填充有绝热保温材料。
4.根据权利要求2所述的一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐，其特征在于，相邻保温外胆(2)之间呈真空状态；或者填充有绝热保温材料。
5.根据权利要求1所述的一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐，其特征在于，所述的转化盘管(3)呈螺旋状设置。
6.根据权利要求1所述的一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐，其特征在于，所述的转化盘管(3)内间隔设有多个催化剂填充段。
7.根据权利要求6所述的一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐，其特征在于，沿物料流动方向，相邻催化剂填充段之间的间距逐渐减小。
8.根据权利要求6所述的一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐，其特征在于，所述的催化剂填充段包括填充于转化盘管(3)内的催化剂(4)，以及设于催化剂(4)两端的催化剂过滤器(5)。
9.根据权利要求8所述的一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐，其特征在于，所述的催化剂(4)为带孔柱状催化剂、带孔块状催化剂或带孔球状催化剂中的一种或多种组合。
10.根据权利要求1所述的一种设有气体膨胀降温装置的液氢储罐，其特征在于，所述的冷凝管(6)呈螺旋盘管状。
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