CN116222147B - 一种实验级液氢冷凝制取装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实验级液氢冷凝制取装置，其包括冷源导热板、氢气注入接管和同心筒式导热组件；同心筒式导热组件包括导热套管外筒和内筒，各导热套管内筒沿轴向被垂直剖切成多片导热元件，同一导热套管内筒的导热元件之间存在剖切间隙，相邻两层导热套管之间存在间隙，同心筒式导热组件的顶端与冷源导热板接触，底端延伸至液氢缓冲罐；冷源导热板用于提供冷量；氢气注入接管沿同心筒式导热组件的径向贯穿同心筒式导热组件、且具有注入氢气的开口，当向氢气注入接管输入氢气后，氢气经开口注入同心筒式导热组件之间的间隙，多层同心筒式导热组件的多层设计加强套筒间的介质流通和扰动，增强对流传热效率，提高了氢气冷凝液化效率。
Description
技术领域
本发明属于实验级液氢冷凝技术领域，更具体地，涉及一种实验级液氢冷凝制取装置。
背景技术
氢能凭借来源丰富、绿色低碳、应用广泛等突出优点正逐步成为全球能源转型发展的重要载体之一。氢储能技术是实现氢能产业化应用的关键环节，但高压气态储氢技术储氢容量小，基于材料的储氢技术发展尚不成熟，而液氢储能凭借储氢密度更大、运输效率更高等优势受到广泛关注。但现有的氢液化设备多采用预冷形Claude循环、Linde-Hampson循环，设备结构庞杂、投资成本过高，并不适用于实验室规模液氢制取，因此有必要设计一种安全稳定的适用于实验室规模液氢冷凝制取的装置。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种实验级液氢冷凝制取装置，其目的在于液氮预冷的低温氢气冷凝为液氢并储存于液氢缓冲罐中。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种实验级液氢冷凝制取装置，包括冷源导热板、氢气注入接管和同心筒式导热组件；其中，
所述同心筒式导热组件包括同心设置的导热套管外筒和多层导热套管内筒，各导热套管内筒沿轴向被垂直剖切成多片导热元件，同一导热套管内筒的导热元件之间存在剖切间隙，相邻两层导热套管之间存在间隙，所述同心筒式导热组件的顶端与所述冷源导热板接触，底端延伸至液氢缓冲罐；
所述冷源导热板用于为所述同心筒式导热组件提供冷量；
所述氢气注入接管沿所述同心筒式导热组件的径向贯穿所述同心筒式导热组件，且所述氢气注入管在位于每相邻两层导热套管之间的间隙位置设有氢气注入开口，当向所述氢气注入接管输入氢气后，氢气经所述氢气注入开口注入所述同心筒式导热组件之间的间隙内并经所述同心筒式导热组件冷凝为液氢流入所述液氢缓冲罐。
在其中一个实施例中，各所述导热套管内筒被垂直均匀剖切成N等分、形成N片相同尺寸的导热元件，N≥3。
在其中一个实施例中，所述导热套管外筒的内侧和各所述导热套管内筒的两侧通过钎焊焊接设置有导热翅片以增强氢气液化过程中的扰动，增强传热效率，同时可增加装置导热元件的传热面积，提高液化效率。
在其中一个实施例中，翅片材料为铜、不锈钢或铝中的任一种；翅片型式为多孔型翅片、平直型翅片或锯齿型翅片中的任一种。
在其中一个实施例中，所述多层导热套管内筒壁面上开设有通孔以供氢气对流，所述导热元件上的开孔率为5％-40％。
在其中一个实施例中，所述导热套管外筒与所述液氢缓冲罐顶盖采用焊接密封连接。
在其中一个实施例中，从外至内分布的各所述导热套管内筒伸入所述液氢缓冲罐内的长度逐渐增长。
在其中一个实施例中，所述导热套管外筒的内径尺寸范围为12-20cm，相邻两层套管之间的间距尺寸范围为5-2cm，最长导热套管内筒延伸至液氢缓冲罐深度的3/5～4/5，最长导热套管内筒部分没入液氢储罐中的液氢内，以维持液氢低温环境，其余导热套管延伸至液氢缓冲罐深度不低于液氢缓冲罐深度的1/5。
在其中一个实施例中，氢气直接从所述氢气注入管的开口注入所述同心筒式导热组件的间隙内，或，在所述注入管的氢气注入开口处沿间隙延伸一段导气管，氢气从所述导气管注入所述同心筒式导热组件的间隙内以实现氢气和导热元件快速接触换热。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明设计的实验级液氢冷凝制取装置，具有垂直剖切的多层同心筒式导热组件，氢气通过氢气注入接管注入同心筒式导热组件中的间隙内，多层同心筒式导热组件的设计加强套筒间的介质流通和扰动，增大传热面积，增强对流传热效率，提高了氢气冷凝液化效率。同时，同心筒式导热组件与液氢缓冲罐密封连接，因液氢蒸发所产生的氢气可通过垂直剖切的多层同心筒式导热元件重新液化，保障了装置的安全行与稳定性。
附图说明
图1是一实施例中的实验级液氢冷凝制取装置的横剖图；
图2是一实施例中的实验级液氢冷凝制取装置的侧剖图；
图3是一实施例中的氢气注入接管的结构示意图；
图4是另一实施例中带翅片的实验级液氢冷凝制取装置的横剖图；
图5是另一实施例中延伸长度不同的实验级液氢冷凝制取装置的侧剖图；
图6是另一实施例中的带导气管的氢气注入接管的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示为一实施例中的实验级液氢冷凝制取装置的横剖图，实验级液氢冷凝制取装置主要包括冷源导热板1、氢气注入接管2和同心筒式导热组件，其中，同心筒式导热组件包括导热套管外筒3和多层导热套管内筒4，每层导热套管内筒4被垂直剖切成多片导热元件，导热套管内筒被垂直均匀剖切成N等分、形成N片相同尺寸的导热元件，N≥3，具体的本实施例中N＝4，即导热套管内筒被垂直均匀剖切成四等分。同一导热套管内筒的导热元件之间存在剖切间隙，相邻两层导热套管(导热套管外筒和相邻的导热套管内筒、相邻两层导热套管内筒)之间也存在间隙。间隙可增强套筒内介质流通与扰动，增强装置内对流传热效率。
如图2所示为图1中的实验级液氢冷凝制取装置的侧剖图，同心筒式导热组件的顶端与冷源导热板1接触以获取冷量，底端沿伸至液氢缓冲罐5中。氢气注入接管2沿同心筒式导热组件的径向贯穿同心筒式导热组件。
如图3所示为氢气注入管的剖视图，氢气注入接管2在位于每相邻两层导热套管之间的间隙位置开设有注入氢气的氢气注入开口，当向氢气注入接管输入氢气后，氢气经氢气注入开口注入同心筒式导热组件之间的间隙内并经同心筒式导热组件冷凝为液氢流入液氢缓冲罐。
装置液化过程为：经由液氮预冷至80K的低温氢气通入氢气注入接管2，通过氢气注入接管2上的小孔注入到导热套管外筒3和导热套管内筒4的间隙中，并沿间隙顶部向下流动，导热套管内筒4采用垂直剖切的形式可加强套筒间的介质流通和扰动，增强对流传热效率。在此过程中氢气与套筒筒壁进行对流传热，通过导热套管外筒3和导热套管内筒4将冷源导热板1传导过来的冷量传递给低温氢气，实现氢气的冷却和冷凝，最终从装置下部流入液氢储存容器中。导热套管内筒4下端插入液氢缓冲罐中，可有效稳定液氢低温环境，减少液氢蒸发，而蒸发少量氢气可在液氢缓冲罐内与垂直剖切的导热套管内筒4接触，实现再度冷凝，保障装置的安全稳定运行。
在一实施例中，多层同心筒式导热元件的每个套筒壁面进行开孔，孔径大小可根据工况进行调整，套筒壁面进行开孔可以进一步连通套筒和套筒间的氢气流动，加强氢气在导热元件中的扰动，提高氢气的液化效果。套筒壁面的开孔率范围为5％-40％，该范围仅为相对优选范围，但不局限于此。
在一实施例中，如图4所示，导热套管外筒的内侧和各所述导热套管内筒的两侧还形成有导热翅片6以增强流动过程中的扰动。翅片可通过钎焊焊接在套筒上，翅片可增加氢气向下流动过程中的扰动，增强传热，同时可增加整个导热元件的传热面积，提高液化效果。翅片材料可根据需要选择铜、不锈钢或铝；翅片型式可根据需要设置为多孔型翅片、平直型翅片或锯齿型翅片，翅片材料和翅片型式较优为上述几种，但不局限于以上几种。
在一实施例中，如图5所示，导热套管外筒与所述液氢缓冲罐顶盖密封结合，具体可采用焊接密封连接。从外至内分布的各所述导热套管内筒伸入所述液氢缓冲罐内的长度逐渐增长，以保证套筒底部流出的液氢更快地汇入容器中，与此同时让没有完全液化的氢气更快地往上流向导热元件，有利于未完全液化的氢气再冷凝。具体的，所述导热套管外筒的内径尺寸范围为12-20cm，相邻两层套管之间的间距尺寸范围为1.5-2cm，最长导热套管内筒延伸至液氢缓冲罐深度的3/5～4/5，最长导热套管内筒需部分没入液氢储罐中的液氢内，以维持液氢低温环境，其余导热套管延伸至液氢缓冲罐深度不低于液氢缓冲罐深度的1/5。在该参数范围内，可以有效保证经液氮预冷过的低至80K的低温氢气有效液化成液氢。
在一实施例中，如图3所示，氢气注入接管2下方与每两层套筒之间对应的位置开小孔，氢气从小孔注入筒式导热元件内。在另一实施例中，如图6所示，在接管下方设置导气管，氢气从导气管注入套筒内，以更快速地让氢气和导热元件接触换热。氢气注入导热元件方式较优为上述两种，但不局限这两种，其他类似或变形的氢气注入方式均包含在本发明范围内。
综上，本装置结构简单，设备规模小，建设投资成本低，适用于实验室级别液氢冷凝制取，同时装置采用垂直剖切的多层同心筒式导热元件，多层同心筒式导热组件的开孔多层设计及导热翅片的设计可加强套筒间的介质流通和扰动，增强对流传热效率，提高了氢气冷凝液化效率。装置与液氢缓冲罐密封连接，因液氢蒸发所产生的氢气可通过垂直剖切的多层同心筒式导热元件重新液化，保障了装置的安全行与稳定性。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种实验级液氢冷凝制取装置，其特征在于，包括冷源导热板、氢气注入接管和同心筒式导热组件；其中，
所述同心筒式导热组件包括同心设置的导热套管外筒和多层导热套管内筒，各导热套管内筒沿轴向被垂直剖切成多片导热元件，同一导热套管内筒的导热元件之间存在剖切间隙，相邻两层导热套管之间存在间隙，所述同心筒式导热组件的顶端与所述冷源导热板接触，底端延伸至液氢缓冲罐；
所述冷源导热板用于为所述同心筒式导热组件提供冷量；
所述氢气注入接管沿所述同心筒式导热组件的径向贯穿所述同心筒式导热组件，且所述氢气注入管在位于每相邻两层导热套管之间的间隙位置设有氢气注入开口，当向所述氢气注入接管输入氢气后，氢气经所述氢气注入开口注入所述同心筒式导热组件之间的间隙内并经所述同心筒式导热组件冷凝为液氢流入所述液氢缓冲罐。
2.如权利要求1所述的实验级液氢冷凝制取装置，其特征在于，各所述导热套管内筒被垂直均匀剖切成N等分、形成N片相同尺寸的导热元件，N≥3。
3.如权利要求1所述的实验级液氢冷凝制取装置，其特征在于，所述导热套管外筒的内侧和各所述导热套管内筒的两侧通过钎焊焊接设置有导热翅片以增强氢气液化过程中的扰动，增强传热效率，同时可增加装置导热元件的传热面积，提高液化效率。
4.如权利要求3所述的实验级液氢冷凝制取装置，其特征在于，翅片材料为铜、不锈钢或铝中的任一种；翅片型式为多孔型翅片、平直型翅片或锯齿型翅片中的任一种。
5.如权利要求1所述的实验级液氢冷凝制取装置，其特征在于，所述多层导热套管内筒壁面上开设有通孔以供氢气对流，所述导热元件上的开孔率为5％-40％。
6.如权利要求1所述的实验级液氢冷凝制取装置，其特征在于，所述导热套管外筒与所述液氢缓冲罐顶盖采用焊接密封连接。
7.如权利要求1所述的实验级液氢冷凝制取装置，其特征在于，从外至内分布的各所述导热套管内筒伸入所述液氢缓冲罐内的长度逐渐增长。
8.如权利要求7所述的实验级液氢冷凝制取装置，其特征在于，所述导热套管外筒的内径尺寸范围为12-20cm，相邻两层套管之间的间距尺寸范围为1.5-2cm，最长导热套管内筒延伸至液氢缓冲罐深度的3/5～4/5，最长导热套管内筒部分没入液氢储罐中的液氢内，以维持液氢低温环境，其余导热套管延伸至液氢缓冲罐深度不低于液氢缓冲罐深度的1/5。
9.如权利要求1所述的实验级液氢冷凝制取装置，其特征在于，氢气直接从所述氢气注入管的开口注入所述同心筒式导热组件的间隙内，或，在所述注入管的氢气注入开口处沿间隙延伸一段导气管，氢气从所述导气管注入所述同心筒式导热组件的间隙内以实现氢气和导热元件快速接触换热。
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2022
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