CN116447500A - 一种液氢冷能梯级利用的绝热系统 - Google Patents

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CN116447500A CN202310462153.7A CN202310462153A CN116447500A CN 116447500 A CN116447500 A CN 116447500A CN 202310462153 A CN202310462153 A CN 202310462153A CN 116447500 A CN116447500 A CN 116447500A
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Abstract

本发明公开了一种液氢冷能梯级利用的绝热系统，包括液氢贮罐、第一取冷储箱及第一蓄冷储箱，液氢贮罐包括内容器、外容器及真空多层绝热层，真空多层绝热层包括依次套设于内容器外的第一绝热层、第一冷屏、第二绝热层；第一换热器浸没在第一取冷储箱内的第一取冷工质内，第一换热器与内容器连通；第二换热器浸没在第一蓄冷储箱内的第一蓄冷工质内，第一取冷储箱分别与第二换热器的两端连通，第一蓄冷储箱分别与第一冷屏的两端连通，本申请将低温液氢的冷能间接的释放给第一蓄冷储箱内的第一蓄冷工质，从而流入第一冷屏内的第一蓄冷工质始终维持在较低温度，进而第一冷屏中的温度被维持在较低温度，以此降低容器辐射漏热。

Description

一种液氢冷能梯级利用的绝热系统
技术领域
本发明涉及氢能源高效储存与节能的技术领域，特别涉及一种液氢冷能梯级利用的绝热系统。
背景技术
安全、可靠、高效的氢储存技术是实现氢能利用的关键，液氢因其较高的能量密度而受到行业内的广泛关注。行业内通常将其储存至高真空多层绝热双层贮罐内。然而，液氢温度与其所处的环境温度(约300K)之间存在较大的温差，液氢在长期储存中漏热和蒸发损失是不可避免的。为了降低漏热，低温从事者采用多层绝热材料内添加蒸汽冷却屏的方式对液氢贮罐进行绝热，即将贮罐内蒸发的低温氢气引入到冷屏内，低温氢气凭借自身显热吸收外界漏入多层绝热材料内部的热量，进而提升液氢贮罐的绝热性能。
但是，如此设置，使得低温氢气排放具有不连续性，只有外界漏热时液氢贮罐内的压力达到一定压力后才会自动排放，当压力降低至规定的最低压力后排放停止，进入液氢贮罐自增压阶段，待压力升高至规定压力后才会再次打开，从而导致冷量无法持续输入冷屏中，使得冷屏中的温度存在波动性和分布不均匀性。
发明内容
基于此，本发明的主要目的是提供一种使得冷屏内的温度保持在较低温度的液氢冷能梯级利用的绝热系统。
为实现上述目的，本发明提供一种液氢冷能梯级利用的绝热系统，包括：
液氢贮罐，包括内容器、外容器及多层绝热层，所述内容器用于容纳液氢，所述外容器套设于所述内容器的外部，所述内容器和所述外容器之间为真空夹层，所述多层绝热层设置于所述真空夹层内，所述多层绝热层包括依次套设于所述内容器外的第一绝热层、第一冷屏、第二绝热层；
第一取冷储箱，用于容纳第一取冷工质，所述第一取冷储箱内设置有第一换热器，所述第一换热器浸没在所述第一取冷储箱内的所述第一取冷工质内，所述第一换热器与所述内容器连通，所述内容器内的液氢能够流入所述第一换热器，并与所述第一取冷储箱内的第一取冷工质换热；
第一蓄冷储箱，用于容纳第一蓄冷工质，所述第一蓄冷储箱内设置有第二换热器，所述第二换热器浸没在所述第一蓄冷储箱内的所述第一蓄冷工质内，所述第一取冷储箱通过两个间隔设置的管道分别与所述第二换热器的两端连通，所述第一取冷储箱内的第一取冷工质能够在所述第一取冷储箱和所述第二换热器之间循环流动，并与所述第一蓄冷储箱内的第一蓄冷工质换热，所述第一蓄冷储箱通过两个间隔设置的管道分别与所述第一冷屏的两端连通，所述第一蓄冷储箱内的第一蓄冷工质在所述第一蓄冷储箱和所述第一冷屏之间循环流动。
优选地，所述液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第一循环泵、第二循环泵和活塞泵，所述第一循环泵设置于连通所述第一蓄冷储箱与所述第一冷屏的管道上，所述第一循环泵用于驱动所述第一蓄冷储箱内的第一蓄冷工质在所述第一蓄冷储箱和所述第一冷屏之间循环流动；所述第二循环泵设置于连通所述第一取冷储箱与所述第二换热器的管道上，所述第二循环泵用于驱动所述第一取冷储箱内的第一取冷工质在所述第一取冷储箱和所述第二换热器之间循环流动；所述活塞泵设置于所述内容器内与所述第一换热器之间，所述活塞泵用于为所述内容器输出的液氢增压，并将加压后的所述液氢输入所述第一换热器。
优选地，连通所述第一取冷储箱与所述第二换热器的两个管道上，分别设置有控制管道自身通断的阀门；连通所述第一蓄冷储箱与所述第一冷屏的两个管道上，分别设置有控制管道自身通断的阀门。
优选地，所述多层绝热层还包括依次套设于所述第二绝热层外的第二冷屏和第三绝热层，所述液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第二取冷储箱和第二蓄冷储箱，所述第二取冷储箱用于容纳第二取冷工质，所述第二取冷储箱内设置有第三换热器，所述第三换热器浸没在所述第二取冷储箱内的所述第二取冷工质内，所述第三换热器与所述第一换热器远离所述内容器的一端连通，所述内容器内的液氢能够依次流入所述第一换热器和所述第三换热器，并依次与所述第一取冷储箱内的第一取冷工质和所述第二取冷储箱内的第二取冷工质换热；
所述第二蓄冷储箱用于容纳第二蓄冷工质，所述第二蓄冷储箱内设置有第四换热器，所述第四换热器浸没在所述第二蓄冷储箱内的所述第二蓄冷工质内，所述第二取冷储箱通过两个间隔设置的管道分别与所述第四换热器的两端连通，所述第二取冷储箱内的第二取冷工质能够在所述第二取冷储箱和所述第四换热器之间循环流动，并与所述第二蓄冷储箱内的第二蓄冷工质换热，所述第二蓄冷储箱通过两个间隔设置的管道分别与所述第二冷屏的两端连通，所述第二蓄冷储箱内的第二蓄冷工质在所述第二蓄冷储箱和所述第二冷屏之间循环流动。
优选地，所述液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第三循环泵和第四循环泵，所述第三循环泵设置于连通所述第二蓄冷储箱与所述第二冷屏的管道上，所述第三循环泵用于驱动所述第二蓄冷储箱内的第二蓄冷工质在所述第二蓄冷储箱和所述第二冷屏之间循环流动；所述第四循环泵设置于连通所述第二取冷储箱与所述第四换热器的管道上，所述第四循环泵用于驱动所述第二取冷储箱内的第二取冷工质在所述第二取冷储箱和所述第四换热器之间循环流动。
优选地，所述液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第三取冷储箱、第三蓄冷储箱及高压储氢管束，所述第三取冷储箱用于容纳第三取冷工质，所述第三取冷储箱内设置有第五换热器，所述第五换热器浸没在所述第三取冷储箱内的所述第三取冷工质内，所述第五换热器的一端与所述第三换热器远离所述第一换热器的一端连通，所述第五换热器的一端与所述高压储氢管束连通，所述内容器内的液氢能够依次流入所述第一换热器、所述第三换热器及所述第五换热器，并依次与所述第一取冷储箱内的第一取冷工质、所述第二取冷储箱内的第二取冷工质及所述第三取冷储箱内的第三取冷工质换热，所述液氢经过所述第一换热器、所述第三换热器和所述第五换热器内放热汽化为高压氢气并传输至所述高压储氢管束内；
所述第三蓄冷储箱用于容纳第三蓄冷工质，所述第三蓄冷储箱内设置有第六换热器，所述第六换热器浸没在所述第三蓄冷储箱内的所述第三蓄冷工质内，所述第三取冷储箱通过两个间隔设置的管道分别与所述第六换热器的两端连通，所述第三取冷储箱内的第三取冷工质能够在所述第三取冷储箱和所述第六换热器之间循环流动，并与所述第三蓄冷储箱内的第三蓄冷工质换热；
所述第三蓄冷储箱内设置有第七换热器，所述第七换热器浸没在所述第三蓄冷储箱内的所述第三蓄冷工质内，所述第七换热器的一端与所述高压储氢管束连通，所述第七换热器的另一端用于与加氢枪连通，所述高压储氢管束内的氢气输出至所述第七换热器内，并吸收所述第三蓄冷储箱内的第三蓄冷工质的冷量后输送至加氢枪内。
优选地，所述液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第五循环泵，所述第五循环泵设置于连通所述第三取冷储箱与所述第六换热器的管道上，所述第五循环泵用于驱动所述第三取冷储箱内的第三取冷工质在所述第三取冷储箱和所述第五换热器之间循环流动。
优选地，所述内容器划分为气枕区和液氢区，所述液氢区用于容纳液氢，所述液氢汽化后得到的氢气释放于所述气枕区，所述第一换热器与所述液氢区连通，所述液氢区内的液氢能够流入所述第一换热器，并与所述第一取冷储箱内的第一取冷工质换热。
优选地，所述液氢冷能梯级利用的绝热系统包括放空管，所述放空管的一端与所述气枕区连通，所述放空管的一端连通至所述液氢贮罐外，所述放空管上设置有放空阀，所述放空阀用于控制所述放空管的通断。
优选地，所述绝热层由多层绝热材料在真空环境内叠扎得到或由中空玻璃微球组成。
本发明技术方案的优点：当将低温液氢储存至本申请的内容器后，内容器内的液氢流入第一换热器，并在第一换热器中与第一取冷储箱内的第一取冷工质换热，从而向第一取冷储箱内的第一取冷工质释放一级冷能，然后第一取冷储箱内的第一取冷工质在第一取冷储箱和第二换热器之间循环流动，流动至第二换热器中的第一取冷工质与第一蓄冷储箱内的第一蓄冷工质换热，以向第一蓄冷储箱内的第一蓄冷工质释放冷能，之后第一蓄冷储箱内的第一蓄冷工质在第一蓄冷储箱和第一冷屏之间循环流动，第一冷屏内的第一蓄冷工质作为液氢的第二道防护屏障，第一冷屏内的第一蓄冷工质吸收外部经外容器、第二绝热层和第二冷屏传入的热量后，通过管道流回至第一蓄冷储箱进行冷却，本申请通过设置第一取冷储箱、第一换热器、第一蓄冷储箱及第二换热器，将低温液氢的一级冷能储存至第一蓄冷储箱内的第一蓄冷工质，从而使得第一蓄冷储箱内的第一蓄冷工质始终维持在较低温度，从而流入第一冷屏内的第一蓄冷工质始终维持在较低温度，进而第一冷屏中的温度被维持在基本恒定的低温，以降低辐射漏热。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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示出的结构获得其他的附图。
图1为一实施例中液氢冷能梯级利用的绝热系统的整体结构示意图；
图2为一实施例中液氢贮罐及其连接管道的结构示意图；
图3为一实施例中第一取冷储箱、第一蓄冷储箱、第二取冷储箱及第二蓄冷储箱的配合示意图；
图4为一实施例中第三取冷储箱、第三蓄冷储箱及高压储氢管束的配合示意图。
其中，100、液氢贮罐；110、内容器；120、外容器；130、真空夹层；140、多层绝热层；141、第一绝热层；142、第一冷屏；143、第二绝热层；144、第二冷屏；145、第三绝热层；200、第一取冷储箱；210、第一换热器；300、第一蓄冷储箱；310、第二换热器；400、第一循环泵；410、第一阀门；420、第二阀门；430、第三阀门；500、第二循环泵；510、第四阀门；520、第五阀门；600、活塞泵；610、第六阀门；620、第七阀门；700、第二取冷储箱；710、第三换热器；800、第二蓄冷储箱；810、第四换热器；900、第三循环泵；910、第八阀门；920、第九阀门；930、第十阀门；1000、第四循环泵；1010、第十一阀门；1020、第十二阀门；1100、第三取冷储箱；1110、第五换热器；1200、第三蓄冷储箱；1210、第六换热器；1220、第七换热器；1300、高压储氢管束；1310、第十六阀门；1320、第十七阀门；1400、第五循环泵；1410、第十三阀门；1420、第十四阀门；1500、放空管；1510、放空阀；
1、氢燃料汽车；2、加氢枪。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以A和/或B为例，包括A技术方案、B技术方案，以及A和B同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
参考图1至3，一种液氢冷能梯级利用的绝热系统包括液氢贮罐100、第一取冷储箱200及第一蓄冷储箱300，液氢贮罐100包括内容器110、外容器120及多层绝热层140，内容器110用于容纳液氢，外容器120套设于内容器110的外部，内容器110和外容器120之间为真空夹层130，多层绝热层140设置于真空夹层130内，多层绝热层140包括依次套设于内容器110外的第一绝热层141、第一冷屏142、第二绝热层143；第一取冷储箱200用于容纳第一取冷工质，第一取冷储箱200内设置有第一换热器210，第一换热器210浸没在第一取冷储箱200内的第一取冷工质内，第一换热器210与内容器110连通，内容器110内的液氢能够流入第一换热器210，并与第一取冷储箱200内的第一取冷工质换热；第一蓄冷储箱300用于容纳第一蓄冷工质，第一蓄冷储箱300内设置有第二换热器310，第二换热器310浸没在第一蓄冷储箱300内的第一蓄冷工质内，第一取冷储箱200通过两个间隔设置的管道分别与第二换热器310的两端连通，第一取冷储箱200内的第一取冷工质能够在第一取冷储箱200和第二换热器310之间循环流动，并与第一蓄冷储箱300内的第一蓄冷工质换热，第一蓄冷储箱300通过两个间隔设置的管道分别与第一冷屏142的两端连通，第一蓄冷储箱300内的第一蓄冷工质在第一蓄冷储箱300和第一冷屏142之间循环流动。
当将低温液氢储存至本申请的内容器110后，内容器110内的液氢持续流入第一换热器210，并在第一换热器210中与第一取冷储箱200内的第一取冷工质换热，从而向第一取冷储箱200内的第一取冷工质释放冷能，然后第一取冷储箱200内的第一取冷工质在第一取冷储箱200和第二换热器310之间循环流动，流动至第二换热器310中的第一取冷工质与第一蓄冷储箱300内的第一蓄冷工质换热，以向第一蓄冷储箱300内的第一蓄冷工质释放冷能，之后第一蓄冷储箱300内的第一蓄冷工质在第一蓄冷储箱300和第一冷屏142之间循环流动，第一冷屏142内的第一蓄冷工质作为液氢的热防护屏障，第一冷屏142内的第一蓄冷工质吸收外部经外容器120、第二绝热层143和第二冷屏144传入的热量后，通过管道流回至第一蓄冷储箱300进行冷却，本申请通过设置第一取冷储箱200、第一换热器210、第一蓄冷储箱300及第二换热器310，将低温液氢的一级冷能储存至第一蓄冷储箱300内的第一蓄冷工质，从而使得第一蓄冷储箱300内的第一蓄冷工质始终稳定地被冷却在较低温度，从而流入第一冷屏142内的第一蓄冷工质始终维持在较低温度，进而第一冷屏142中的温度被维持在基本恒定的低温。在本实施例中，内容器110和外容器120之间的真空夹层130，能够减少气体的导热。
在本实施例中，第一蓄冷储箱300具有出口和入口，第一蓄冷储箱300的出口通过第一管道与第一冷屏142的一端连通，第一蓄冷储箱300的入口通过第二管道与第一冷屏142的另一端连通；第一取冷储箱200具有出口和入口，第一取冷储箱200的出口通过第三管道与第二换热器310的一端连通，第一取冷储箱200的入口通过第四管道与第二换热器310的另一端连通。
参考图1和图3，液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第一循环泵400，第一循环泵400设置于连通第一蓄冷储箱300与第一冷屏142的管道上，第一循环泵400用于驱动第一蓄冷储箱300内的第一蓄冷工质在第一蓄冷储箱300和第一冷屏142之间循环流动；在本实施例中，第一循环泵400设置于第一管道上。具体地，第一管道包括管道q和管道p，管道q的一端与第一冷屏142连通，管道q的另一端与第一循环泵400连接，管道p的一端与第一循环泵400远离管道q的一端连接，管道p的另一端与第一蓄冷储箱300的出口连通。第二管道为管道r。
参考图1和图3，液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第二循环泵500，第二循环泵500设置于连通第一取冷储箱200与第二换热器310的管道上，第二循环泵500用于驱动第一取冷储箱200内的第一取冷工质在第一取冷储箱200和第二换热器310之间循环流动；在本实施例中，第二循环泵500设置于第三管道上。具体地，第三管道包括管道m和管道n，管道m的一端与第一取冷储箱200的出口连通，管道m的另一端与第二循环泵500连接，管道n的一端与第二循环泵500远离管道m的一端连接，管道n的另一端与第二换热器310连通。第四管道为管道o，管道o的一端与第二换热器的出口端相连，另一端与第一取冷储箱的入口端连通。
参考图1和图3，液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括活塞泵600，活塞泵600设置于内容器110与第一换热器210之间，活塞泵600用于为内容器110输出的液氢增压，并将加压后的液氢输入第一换热器210。
具体地，内容器110内与第一换热器210通过第五管道连接，活塞泵600设置于第五管道上。进一步地，第五管道包括管道s和管道t，管道s的一端与内容器110连通，管道s的另一端与活塞泵600连接，管道t的一端与活塞泵600远离管道s的一端连接，管道t的另一端与第一换热器210连通。
参考图1和图3，连通第一取冷储箱200与第二换热器310的两个管道上，分别设置有控制管道自身通断的阀门；连通第一蓄冷储箱300与第一冷屏142的两个管道上，分别设置有控制管道自身通断的阀门。
具体地，连通第一蓄冷储箱300与第一冷屏142的第一管道上设置有控制第一管道通断的第一阀门410和第二阀门420，第一阀门410和第二阀门420位于第一循环泵400的两端，连通第一蓄冷储箱300与第二冷屏142的第二管道上设置有控制第二管道通断的第三阀门430；即管道q上设置有第一阀门410，管道p上设置有第二阀门420，管道r上设置有第三阀门430。连通第一取冷储箱200与第二换热器310的第三管道上设置有控制第三管道通断的第四阀门510，连通第一取冷储箱200与第二换热器310的第四管道上设置有控制第四管道通断的第五阀门520；即管道m上设置有第四阀门510，管道o上设置有第五阀门520。
参考图1和图3，第五管道上设置有控制第五管道通断的第六阀门610和第七阀门620，第六阀门610和第七阀门620位于活塞泵600的两端；即管道s上设置有第六阀门610，管道t上设置有第七阀门620。
参考图1至3，多层绝热层140还包括依次套设于第二绝热层143外的第二冷屏144和第三绝热层145，液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第二取冷储箱700和第二蓄冷储箱800，第二取冷储箱700用于容纳第二取冷工质，第二取冷储箱700内设置有第三换热器710，第三换热器710浸没在第二取冷储箱700内的第二取冷工质内，第三换热器710与第一换热器210远离内容器110的一端连通，内容器110内的液氢能够依次流入第一换热器210和第三换热器710，并依次与第一取冷储箱200内的第一取冷工质和第二取冷储箱700内的第二取冷工质换热；
第二蓄冷储箱800用于容纳第二蓄冷工质，第二蓄冷储箱800内设置有第四换热器810，第四换热器810浸没在第二蓄冷储箱800内的第二蓄冷工质内，第二取冷储箱700通过两个间隔设置的管道分别与第四换热器810的两端连通，第二取冷储箱700内的第二取冷工质能够在第二取冷储箱700和第四换热器810之间循环流动，并与第二蓄冷储箱800内的第二蓄冷工质换热，第二蓄冷储箱800通过两个间隔设置的管道分别与第二冷屏144的两端连通，第二蓄冷储箱800内的第二蓄冷工质在第二蓄冷储箱800和第二冷屏144之间循环流动。
当将低温液氢储至本申请的内容器110后，内容器110内的液氢持续流入第一换热器210和第三换热器710中，并依次在第一换热器210中与第一取冷储箱200内的第一取冷工质换热及在第三换热器710中与第二取冷储箱700内的第二取冷工质换热，从而依次向第一取冷储箱200内的第一取冷工质释放一级冷能及第二取冷储箱700内的第二取冷工质释放二级冷能；然后第一取冷储箱200内的取冷工质在第一取冷储箱200和第二换热器310之间循环流动，流动至第二换热器310中的第一取冷工质与第一蓄冷储箱300内的第一蓄冷工质换热，以向第一蓄冷储箱300内的第一蓄冷工质释放一级冷能，同时第二取冷储箱700内的第二取冷工质在第二取冷储箱700和第四换热器810之间循环流动，流动至第四换热器810中的第二取冷工质与第二蓄冷储箱800内的第二蓄冷工质换热，以向第二蓄冷储箱800内的第二蓄冷工质释放二级冷能；之后第一蓄冷储箱300内的第一蓄冷工质在第一蓄冷储箱300和第一冷屏142之间循环流动，同时，第二蓄冷储箱800内的第二蓄冷工质在第二蓄冷储箱800和第二冷屏144之间循环流动；从而本申请的第二冷屏144内的第二蓄冷工质作为液氢的第一道防护屏障，第二冷屏144内的第二蓄冷工质吸收外部经外容器120、第三绝热层145和真空夹层传入的热量后，通过管道流回至第二蓄冷储箱800进行冷却，同时第一冷屏142内的蓄冷工质作为液氢的第二道防护屏障，第一冷屏142内的第一蓄冷工质吸收外部经外容器120、真空夹层、第三绝热层145、第二冷屏、第二绝热层143传入的热量后，通过管道流回至第一蓄冷储箱300进行冷却。本申请通过设置第一取冷储箱200和第二取冷储箱700，对液氢的冷能进行两级利用，从而将低温液氢汽化的冷能储存至第一蓄冷储箱300内的第一蓄冷工质和第二蓄冷储箱800内的第二蓄冷工质，从而流入第一冷屏142内的第一蓄冷工质和流入第二冷屏144内的第二蓄冷工质始终分别维持在不同温区的较低温度，从而对外部传入的热量进行两次吸收，进而降低液氢的蒸发。
在本实施例中，第二蓄冷储箱800具有出口和入口，第二蓄冷储箱800的出口通过第六管道与第二冷屏144的一端连通，第二蓄冷储箱800的入口通过第七管道与第二冷屏144的另一端连通；第二取冷储箱700具有出口和入口，第二取冷储箱700的出口通过第八管道与第四换热器810的一端连通，第二取冷储箱700的入口通过第九管道与第四换热器810的另一端连通。
在本实施例中，第一绝热层141的设置，能够抵抗第一冷屏142和内容器110由于温差产生的热传导以及抑制内容器110和外部辐射换热带来的冷量损失，降低液氢的蒸发量；第二绝热层143的设置，能够抵抗第二冷屏144和第一冷屏142因温差引起的热传导以及抑制内容器110和外界的辐射换热，进一步降低液氢的蒸发量；第三绝热层145的设置，能够减少内容器110和外界的辐射换热，进一步降低液氢的蒸发量。
参考图1和图3，液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第三循环泵900，第三循环泵900设置于连通第二蓄冷储箱800与第二冷屏144的管道上，第三循环泵900用于驱动第二蓄冷储箱800内的第二蓄冷工质在第二蓄冷储箱800和第二冷屏144之间循环流动；在本实施例中，第三循环泵900设置于第六管道上。具体地，第六管道包括管道l1和管道l2，管道l1的一端与第二冷屏144连通，管道l1的另一端与第三循环泵900连接，管道l2的一端与第三循环泵900远离管道l2的一端连接，管道l2的另一端与第二蓄冷储箱800的出口连通。第七管道为管道k，管道k与第二蓄冷储箱的入口连接。
参考图1和图3，液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第四循环泵1000，第四循环泵1000设置于连通第二取冷储箱700与第四换热器810的管道上，第四循环泵1000用于驱动第二取冷储箱700内的第二取冷工质在第二取冷储箱700和第四换热器810之间循环流动。在本实施例中，第四循环泵1000设置于第八管道上。具体地，第八管道包括管道g和管道i，管道g的一端与第二取冷储箱700的出口连通，管道g的另一端与第四循环泵1000连接，管道i的一端与第四循环泵1000远离管道g的一端连接，管道i的另一端与第四换热器810连通。第九管道为管道j。管道j的一端与第四换热器的出口端相连，另一端通过第十二阀门1020与第二取冷储箱的入口端连通。
参考图1和图3，第六管道上设置有控制第六管道通断的第八阀门910和第九阀门920，第八阀门910和第九阀门920位于第三循环泵900的两端，第七管道上设置有控制第七管道通断的第十阀门930；即管道l1上设置有第八阀门910，管道l2上设置有第九阀门920，管道k上设置有第十阀门930。第八管道上设置有控制第八管道通断的第十一阀门1010，第九管道上设置有控制第九管道通断的第十二阀门1020；即管道g上设置有第十一阀门1010，管道j上设置有第十二阀门1020。
参考图1和图4，液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第三取冷储箱1100、第三蓄冷储箱1200及高压储氢管束1300，第三取冷储箱1100用于容纳第三取冷工质，第三取冷储箱1100内设置有第五换热器1110，第五换热器1110浸没在第三取冷储箱1100内的第三取冷工质内，第五换热器1110的一端与第三换热器710远离第一换热器210的一端连通，第五换热器1110的一端与高压储氢管束1300连通，内容器110内的液氢能够依次流入第一换热器210、第三换热器710及第五换热器1110，并依次与第一取冷储箱200内的第一取冷工质、第二取冷储箱700内的第二取冷工质及第三取冷储箱1100内的第三取冷工质换热，液氢经活塞泵加压600、第一换热器210、第三换热器710和第五换热器1110逐步复温后压力转变为高压近常温态，传输至高压储氢管束1300内；具体地，活塞泵600压缩内容器110输出的液氢，并将加压后的液氢依次输入第一换热器210、第三换热器710及第五换热器1110，液氢在第一换热器210、第三换热器710及第五换热器1110中分别释放一级、二级和三级冷能时，会进一步汽化增压，从而从第五换热器1110内输出时全部转变为高压近常温态氢气。
参考图1和图4，第三蓄冷储箱1200用于容纳第三蓄冷工质，第三蓄冷储箱1200内设置有第六换热器1210，第六换热器1210浸没在第三蓄冷储箱1200内的第三蓄冷工质内，第三取冷储箱1100通过两个间隔设置的管道分别与第六换热器1210的两端连通，第三取冷储箱1100内的第三取冷工质能够在第三取冷储箱1100和第六换热器1210之间循环流动，并与第三蓄冷储箱1200内的第三蓄冷工质换热；
参考图1和图4，第三蓄冷储箱1200内设置有第七换热器1220，第七换热器1220浸没在第三蓄冷储箱1200内的第三蓄冷工质内，第七换热器1220的一端与高压储氢管束1300连通，第七换热器1220的另一端用于与加氢枪连通，高压储氢管束1300内的氢气输出至第七换热器1220内，并吸收第三蓄冷储箱1200内的第三蓄冷工质的冷量后输出至加氢枪内，加氢枪的另一端与氢燃料汽车相连。具体地，加氢枪为加氢站2的设备预冷后的氢气流通加氢站2的加氢枪通过加氢管道为氢燃料汽车1供氢。
在本实施例中，第一取冷工质的温度小于第二取冷工质的温度，第二取冷工质的温度小于第三取冷工质的温度，第一蓄冷工质的温度高于第一取冷工质的温度，所述第一蓄冷工质的温度小于所述第二蓄冷工质的温度，所述第二蓄冷工质的温度小于所述第三蓄冷工质的温度，具体地，液氢梯级释放的冷能会逐渐变少，液氢的第一级冷量释放给第一取冷工质，从而第一取冷工质得到的冷量最多，温度最低，液氢的第二级冷量释放给第二取冷工质，从而第二取冷工质得到的冷量少于第一取冷工质，使得第二取冷工质温度高于第一取冷工质的温度，液氢的第三级冷量释放给第三取冷工质，从而第三取冷工质得到的冷量最少，使得第三取冷工质温度最高；此外，第一取冷工质与第一蓄冷工质进行了热交换，从而第一蓄冷工质的温度接近第一取冷工质的温度，但由于换热过程会有能量损失，从而第一蓄冷工质的温度略高于第一取冷工质的温度，进一步地，第二蓄冷工质的温度略高于第二取冷工质的温度，第三蓄冷工质的温度略高于第三取冷工质的温度。
第一取冷工质为氟利昂22、氟利昂12、氦气、氖气或R410a；在其他实施例中，第一取冷工质也可以为能够实现本发明技术方案的其他工质。
第一蓄冷工质为R1234yf、R32或R410a；在其他实施例中，第一蓄冷工质也可以为能够实现本发明技术方案的其他工质。
第二取冷工质为R32、R227ea和或丙醇；在其他实施例中，第二取冷工质也可以为能够实现本发明技术方案的其他工质。
第二蓄冷工质为乙醇、R152a或R407c；在其他实施例中，第二蓄冷工质也可以为能够实现本发明技术方案的其他工质。
第三取冷工质为R143a、R407c或R123；在其他实施例中，第三取冷工质也可以为能够实现本发明技术方案的其他工质。
第三蓄冷工质为R125、R245a或R134a。在其他实施例中，第三蓄冷工质也可以为能够实现本发明技术方案的其他工质。
在本实施例中，高压储氢管束1300内的氢气为高压氢气，从而高压储氢管束1300内的氢气能够直接传输至第七换热器1220中，不需要额外提供驱动力。此外，氢气充注至加氢站2的加氢枪时，氢气发生制热效应。在快速加注时，加氢枪的温度会快速升温，对氢燃料汽车的碳纤维储氢气瓶产生安全隐患。所以高压氢气加注之前，本申请的氢气在第七换热器1220内吸收第三蓄冷储箱1200内的第三蓄冷工质的冷量，防止加注时气瓶内氢气超温，从而加氢枪就不需要单独再设置一套预冷循环装置，降低了加氢枪运行成本。
当将低温液氢储至本申请的内容器110后，内容器110内的液氢持续流入第一换热器210、第三换热器710及第五换热器1110中，随着液氢依次在第一换热器210、第三换热器710及第五换热器1110中不断释放冷能，液氢逐渐变成气态氢，氢气压力逐渐升高，从而本申请通过第一换热器210、第三换热器710及第五换热器1110产生了液氢梯级的冷能，逐步利用液氢的三级冷量，利用效率高，并且将液氢梯级利用后得到的氢气通过加氢站2的加氢枪给氢燃料汽车1供氢。
在本实施例中，参考图1和图4，第三取冷储箱1100具有出口和入口，第三取冷储箱1100的出口通过第十管道与第六换热器1210的一端连通，第三取冷储箱1100的入口通过第十一管道与第六换热器1210的另一端连通。高压储氢管束1300具有出口和入口，第五换热器1110通过第十二管道与高压储氢管束1300的入口连通，高压储氢管束1300的出口通过第十三管道与第七换热器1220的一端连通，第七换热器1220的另一端用于通过第十四管道与加氢枪连通，加氢枪另一端与氢燃料汽车连通；
参考图1和图4，液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第五循环泵1400，第五循环泵1400设置于连通第三取冷储箱1100与第六换热器1210的管道上，第五循环泵1400用于驱动第三取冷储箱1100内的第三取冷工质在第三取冷储箱1100和第六换热器1210之间循环流动。在本实施例中，第五循环泵1400设置于第十管道上。具体地，第十管道包括管道f和管道h，管道f的一端与第三取冷储箱1100的出口连通，管道f的另一端与第五循环泵1400连接，管道h的一端与第五循环泵1400远离管道f的一端连接，管道h的另一端与第六换热器1210连通；第十一管道为管道d；第十二管道为管道e；第十三管道为管道c；第十四管道为管道b。
参考图1和图4，第十管道上设置有控制第六管道通断的第十三阀门1410，第十一管道上设置有控制第十一管道通断的第十四阀门1420，第十三管道上设置有控制第十三管道通断的第十六阀门1310，第十四管道上设置有控制第十四管道通断的第十七阀门1320；即管道f上设置有第十三阀门1410，管道d上设置有第十四阀门1420，管道c上设置有第十六阀门1310，管道b上设置有第十七阀门1320。
参考图1和图2，内容器110划分为气枕区和液氢区，液氢区用于容纳液氢，液氢内部汽化后得到的氢气释放于气枕区，第一换热器210与液氢区连通，液氢区内的液氢能够流入第一换热器210，并与第一取冷储箱200内的第一取冷工质换热。
参考图1和图2，液氢冷能梯级利用的绝热系统包括放空管1500，放空管1500的一端与气枕区连通，放空管1500的一端连通至液氢贮罐100外，放空管1500上设置有放空阀1510，放空阀1510用于控制放空管1500的通断。具体地，随着液氢区内的液氢不断汽化，内容器110内的压力会不断增大，当内容器110内的压力大于预设压力时，通过放空阀1510控制放空管1500导通，以将氢气从气枕区排出，从而降低内容器110内的压力。在本实施例中，放空管1500为管道z。
绝热层由多层绝热材料在真空环境内叠扎得到或由中空玻璃微球组成。具体地，真空夹层配合多层绝热材料具有良好的绝热性能，能够提高本申请的绝热性能，从而降低液氢的蒸发量。
本申请通过设置第一取冷储箱200、第一换热器210、第一蓄冷储箱300及第二换热器310，将低温液氢的一级冷能储存至第一蓄冷储箱300内的第一蓄冷工质，从而使得第一蓄冷储箱300内的第一蓄冷工质始终稳定地被冷却在较低温度，从而流入第一冷屏142内的第一蓄冷工质始终维持在不同温区的较低温度，进而第一冷屏142中的温度被维持在基本恒定低温，第一换热器210内的液氢持续流入第三换热器710，并在第三换热器710中与第二取冷储箱700内的第二取冷工质换热，从而向第二取冷储箱700内的第二取冷工质释放冷能，然后第二取冷储箱700内的第二取冷工质在第二取冷储箱700和第四换热器810之间循环流动换热，流动至第四换热器810中的第二取冷工质与第二蓄冷储箱800内的第二蓄冷工质换热，以向第二蓄冷储箱800内的第二蓄冷工质释放二级冷能，之后第二蓄冷储箱800内的第二蓄冷工质在第二蓄冷储箱800和第二冷屏144之间循环流动，第二冷屏144内的第二蓄冷工质作为液氢的第一道热防护屏障，第二冷屏144内的第二蓄冷工质吸收外部经外容器120、第三绝热层145和真空夹层130传入的热量后，通过管道流回至第二蓄冷储箱810进行冷却，本申请通过设置第二取冷储箱700、第二换热器710、第二蓄冷储箱800及第四换热器810，将低温液氢的二级冷能储存至第二蓄冷储箱800内的第二蓄冷工质内，从而使得第二蓄冷储箱800内的第二蓄冷工质始终稳定地被冷却在较低温度，从而流入第二冷屏144内的第二蓄冷工质吸收外部漏入的热量，进而第二冷屏144中的温度保持在不同温区的较低温度，为液氢贮罐提供两层冷屏来降低辐射漏热。进一步地，第三换热器710内的低温氢气持续流入第五换热器1110，并在第五换热器1110中与第三取冷储箱1100内的第三取冷工质换热，从而向第三取冷储箱1100内的第三取冷工质释放三级冷能，然后第三取冷储箱1100内的第三取冷工质在第三取冷储箱1100和第六换热器1210之间循环流动，流动至第六换热器1210中的第三取冷工质与第三蓄冷储箱1200内的第三蓄冷工质换热，以向第三蓄冷储箱1200内的第三蓄冷工质释放三级冷能，之后第七换热器1220吸收第三蓄冷工质的三级冷能，第七换热器1220用于流通高压储氢管束1300内高压高温氢气，第七换热器1220另一端与加氢枪2一端连通。预冷后的氢气流通加氢枪另一端与氢燃料汽车连通1。进而为加注时减压后的高温氢气降温，此时不需要单独再设置一套氢气预冷循环装置，降低了加氢枪运行成本。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种液氢冷能梯级利用的绝热系统，其特征在于，包括：
液氢贮罐，包括内容器、外容器及多层绝热层，所述内容器用于容纳液氢，所述外容器套设于所述内容器的外部，所述内容器和所述外容器之间为真空夹层，所述多层绝热层设置于所述真空夹层内，所述多层绝热层包括依次套设于所述内容器外的第一绝热层、第一冷屏、第二绝热层；
第一取冷储箱，用于容纳第一取冷工质，所述第一取冷储箱内设置有第一换热器，所述第一换热器浸没在所述第一取冷储箱内的所述第一取冷工质内，所述第一换热器与所述内容器连通，所述内容器内的液氢能够流入所述第一换热器，并与所述第一取冷储箱内的第一取冷工质换热；
第一蓄冷储箱，用于容纳第一蓄冷工质，所述第一蓄冷储箱内设置有第二换热器，所述第二换热器浸没在所述第一蓄冷储箱内的所述第一蓄冷工质内，所述第一取冷储箱通过两个间隔设置的管道分别与所述第二换热器的两端连通，所述第一取冷储箱内的第一取冷工质能够在所述第一取冷储箱和所述第二换热器之间循环流动，并与所述第一蓄冷储箱内的第一蓄冷工质换热，所述第一蓄冷储箱通过两个间隔设置的管道分别与所述第一冷屏的两端连通，所述第一蓄冷储箱内的第一蓄冷工质在所述第一蓄冷储箱和所述第一冷屏之间循环流动。
2.根据权利要求1所述的液氢冷能梯级利用的绝热系统，其特征在于，所述液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第一循环泵、第二循环泵和活塞泵，所述第一循环泵设置于连通所述第一蓄冷储箱与所述第一冷屏的管道上，所述第一循环泵用于驱动所述第一蓄冷储箱内的第一蓄冷工质在所述第一蓄冷储箱和所述第一冷屏之间循环流动；所述第二循环泵设置于连通所述第一取冷储箱与所述第二换热器的管道上，所述第二循环泵用于驱动所述第一取冷储箱内的第一取冷工质在所述第一取冷储箱和所述第二换热器之间循环流动；所述活塞泵设置于所述内容器内与所述第一换热器之间，所述活塞泵用于为所述内容器输出的液氢增压，并将加压后的所述液氢输入所述第一换热器。
3.根据权利要求1所述的液氢冷能梯级利用的绝热系统，其特征在于，连通所述第一取冷储箱与所述第二换热器的两个管道上，分别设置有控制管道自身通断的阀门；连通所述第一蓄冷储箱与所述第一冷屏的两个管道上，分别设置有控制管道自身通断的阀门。
4.根据权利要求1所述的液氢冷能梯级利用的绝热系统，其特征在于，所述真空多层绝热层还包括依次套设于所述第二绝热层外的第二冷屏和第三绝热层，所述液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第二取冷储箱和第二蓄冷储箱，所述第二取冷储箱用于容纳第二取冷工质，所述第二取冷储箱内设置有第三换热器，所述第三换热器浸没在所述第二取冷储箱内的所述第二取冷工质内，所述第三换热器与所述第一换热器远离所述内容器的一端连通，所述内容器内的液氢能够依次流入所述第一换热器和所述第三换热器，并依次与所述第一取冷储箱内的第一取冷工质和所述第二取冷箱内的第二取冷工质换热；
所述第二蓄冷储箱用于容纳第二蓄冷工质，所述第二蓄冷储箱内设置有第四换热器，所述第四换热器浸没在所述第二蓄冷储箱内的所述第二蓄冷工质内，所述第二取冷储箱通过两个间隔设置的管道分别与所述第四换热器的两端连通，所述第二取冷储箱内的第二取冷工质能够在所述第二取冷储箱和所述第四换热器之间循环流动，并与所述第二蓄冷储箱内的第二蓄冷工质换热，所述第二蓄冷储箱通过两个间隔设置的管道分别与所述第二冷屏的两端连通，所述第二蓄冷储箱内的第二蓄冷工质在所述第二蓄冷储箱和所述第二冷屏之间循环流动。
5.根据权利要求4所述的液氢冷能梯级利用的绝热系统，其特征在于，所述液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第三循环泵和第四循环泵，所述第三循环泵设置于连通所述第二蓄冷储箱与所述第二冷屏的入口管道上，所述第三循环泵用于驱动所述第二蓄冷储箱内的第二蓄冷工质在所述第二蓄冷储箱和所述第二冷屏之间循环流动；所述第四循环泵设置于连通所述第二取冷储箱与所述第四换热器的管道上，所述第四循环泵用于驱动所述第二取冷储箱内的第二取冷工质在所述第二取冷储箱和所述第四换热器之间循环流动。
6.根据权利要求5所述的液氢冷能梯级利用的绝热系统，其特征在于，所述液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第三取冷储箱、第三蓄冷储箱及高压储氢管束，所述第三取冷储箱用于容纳第三取冷工质，所述第三取冷储箱内设置有第五换热器，所述第五换热器浸没在所述第三取冷储箱内的所述第三取冷工质内，所述第五换热器的一端与所述第三换热器远离所述第一换热器的一端连通，所述第五换热器的一端与所述高压储氢管束一端连通，所述内容器内的液氢能够依次流入所述第一换热器、所述第三换热器及所述第五换热器，并依次与所述第一取冷储箱内的第一取冷工质、所述第二取冷储箱内的第二取冷工质及所述第三取冷储箱内的第三取冷工质换热，所述液氢经过所述第一换热器、所述第三换热器和所述第五换热器内放热汽化为高压氢气并传输至所述高压储氢管束内；
所述第三蓄冷储箱用于容纳第三蓄冷工质，所述第三蓄冷储箱内设置有第六换热器，所述第六换热器浸没在所述第三蓄冷储箱内的所述第三蓄冷工质内，所述第三取冷储箱通过两个间隔设置的管道分别与所述第六换热器的两端连通，所述第三取冷储箱内的第三取冷工质能够在所述第三取冷箱和所述第六换热器之间循环流动，并与所述第三蓄冷储箱内的第三蓄冷工质换热；
所述第三蓄冷储箱内设置有第七换热器，所述第七换热器浸没在所述第三蓄冷储箱内的所述第三蓄冷工质内，所述第七换热器的一端与所述高压储氢管束连通，所述第七换热器的另一端用于与加氢枪连通，所述高压储氢管束内的氢气输出至所述第七换热器内，并吸收所述第三蓄冷储箱内的第三蓄冷工质的冷量后输送至加氢枪内。
7.根据权利要求6所述的液氢冷能梯级利用的绝热系统，其特征在于，所述液氢冷能梯级利用的绝热系统还包括第五循环泵，所述第五循环泵设置于连通所述第三取冷储箱与所述第六换热器的管道上，所述第五循环泵用于驱动所述第三取冷储箱内的第三取冷工质在所述第三取冷储箱和所述第六换热器之间循环流动。
8.根据权利要求6所述的液氢冷能梯级利用的绝热系统，其特征在于，所述第一取冷工质的温度小于所述第二取冷工质的温度，所述第二取冷工质的温度小于所述第三取冷工质的温度，所述第一蓄冷工质的温度高于所述第一取冷工质的温度，所述第一蓄冷工质的温度小于所述第二蓄冷工质的温度，所述第二蓄冷工质的温度小于所述第三蓄冷工质的温度。
9.根据权利要求8所述的液氢冷能梯级利用的绝热系统，其特征在于，所述内容器划分为气枕区和液氢区，所述液氢冷能梯级利用的绝热系统包括放空管路，所述放空管路的一端与所述气枕区连通，所述放空管路的一端连通至所述液氢贮罐外，所述放空管上设置有放空阀，所述放空阀用于控制所述放空管路的通断。
10.根据权利要求1所述的液氢冷能梯级利用的绝热系统，其特征在于，所述绝热层由多层绝热材料在真空环境内叠扎得到或由中空玻璃微球组成。
CN202310462153.7A 2023-04-26 2023-04-26 一种液氢冷能梯级利用的绝热系统 Pending CN116447500A (zh)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117662974A (zh) * 2023-12-01 2024-03-08 中国特种设备检测研究院 一种用于大型船载液氢球罐的蒸气冷屏系统及其工作方法

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