CN116753651A - 一种氢气低温冷却设备及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种氢气低温冷却设备及控制方法，包括外腔体，设置于外腔体内的内腔体和设置于内腔体内的缓冲罐；外腔体连通有外进液管道和外出液管道；内腔体顶部连通进氢管道，进氢管道在内腔体呈螺旋状设置，且进氢管道与缓冲罐顶部连通；缓冲罐底部连通有出氢管道；出氢管道末端形成有氢气支路和残气支路；内腔体上还连通有内进液管道和内出液管道。本发明采用内外腔液氮双重冷却，可进行高压高速氢气在77K‑298K温度范围内的冷却；且本低温冷却设备采用多层真空结构和高真空多层绝热方式的绝热方式，绝热性能高，耐低温耐高压。
Description
技术领域
本发明属低温冷却技术领域，尤其涉及一种氢气低温冷却设备及控制方法。
背景技术
氢气泄漏所导致的氢射流特性，以及氢射流中不同位置处的点燃概率，是氢安全研究的核心内容，对氢能基础设施的量化风险评价具有重要意义，也是制定相关技术标准和安全规范的重要依据。为研究低温欠膨胀氢气的射流特性，需对实验气体进行稳定可控的前级冷却。现有低温冷却设备无法对高压高速氢气进行77K-298K温度范围内的低温冷却和稳定输出且无抗氢脆设计，有发生氢气泄漏的风险，无法提供稳定的实验气体供应且不符合实验室安全规定。
因此，亟需一种可用于冷却氢气同时适用于其他实验气体的低温冷却设备。
发明内容
本发明的目的是提供一种氢气低温冷却设备及控制方法，以解决上述问题，达到智能控制氢气出口的温度和压力，实现低温氢气的稳定输出目的。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种氢气低温冷却设备，包括外腔体，设置于所述外腔体内的内腔体和设置于所述内腔体内的缓冲罐；所述外腔体连通有外进液管道和外出液管道；
所述内腔体顶部连通进氢管道，所述进氢管道在所述内腔体呈螺旋状设置，且所述进氢管道与缓冲罐顶部连通；所述缓冲罐底部连通有出氢管道；所述出氢管道末端形成有氢气支路和残气支路；
所述内腔体上还连通有内进液管道和内出液管道。
所述外腔体上还安装有外腔体温度传感器和外腔体液位计；所述外腔体上还连通有氮气连接管；所述外进液管道上安装有外腔体进液气动阀，所述外出液管道上安装有外腔体排液阀。
所述内腔体上还安装有内腔体液位计和内腔体温度传感器；所述内进液管道上安装有内腔体进液气动阀，所述内出液管道上安装有内外腔体排液阀；所述进氢管道上安装有氢气入口截止阀。
所述缓冲罐上还安装有缓冲罐温度传感器和缓冲罐压力传感器；所述出氢管道上安装有氢气出口温度传感器；所述氢气支路上安装有氢气出口压力传感器和氢气出口电磁阀；所述残气支路上安装有残气出口电磁阀。
一种氢气低温冷却控制方法，包括以下步骤：
S1检查设备气密性，设置外腔体内及内腔体内液氮高度，氢气出口压力及温度参数；开启氢气入口截止阀，外进液管道和内进液管道；
S2温度调节，通过氢气出口温度传感器监测出氢管道处的氢气温度，通过反馈机制调节液氮液位设定值；
S3液氮液位调节，通过外腔体液位计和内腔体液位计实时监测外腔体和内腔体的液氮液位，通过反馈机制控制进液阀和排液阀直至液位调整至设定值；
S4压力调节，通过氢气出口压力传感器监测氢气支路处的压力，通过反馈机制控制出口电磁阀直至出口压力为设定值；
S5冷却结束后，开启外出液管道和内出液管道排放液氮；同时打开残气出口电磁阀，排放管路中残余氢气，用氮气吹扫。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
1、本发明采用内外腔液氮双重冷却，可进行高压高速氢气在77K-298K温度范围内的冷却。
2、本发明对氢气出口温度进行实时监测并利用反馈机制智能调节内外腔液氮液面高度，实现氢气出口处温度的精确控制。
3、本发明所设计的低温冷却设备内置缓冲罐，出口处置有电磁阀反馈调节以保证较大质量流量下(≥20g/s)下氢气出口压力稳定。
4、本低温冷却设备采用多层真空结构和高真空多层绝热方式的绝热方式，绝热性能高，耐低温耐高压。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：
图1为设备结构示意图；
图2为控制方法流程框图；
其中，1、外腔体；2、外腔体进液气动阀；3、内腔体进液气动阀；4、外腔体温度传感器；5、氢气入口截止阀；6、外腔体液位计；7、内腔体；8、外腔体排液阀；9、内腔体排液阀；10、缓冲罐温度传感器；11、缓冲罐压力传感器；12、缓冲罐；13、残气出口电磁阀；14、氢气出口电磁阀；15、氢气出口压力传感器；16、氢气出口温度传感器；17、内腔体液位计；18、内腔体温度传感器；19、氮气连接管。
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做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
一种氢气低温冷却设备，包括外腔体1，设置于外腔体1内的内腔体7和设置于内腔体7内的缓冲罐12；外腔体1连通有外进液管道和外出液管道；
内腔体7顶部连通进氢管道，进氢管道在内腔体7呈螺旋状设置，且进氢管道与缓冲罐12顶部连通；缓冲罐12底部连通有出氢管道；出氢管道末端形成有氢气支路和残气支路；
内腔体7上还连通有内进液管道和内出液管道。
外腔体1上还安装有外腔体温度传感器4和外腔体液位计6；外腔体1上还连通有氮气连接管19；外进液管道上安装有外腔体进液气动阀2，外出液管道上安装有外腔体排液阀8。
内腔体7上还安装有内腔体液位计17和内腔体温度传感器18；内进液管道上安装有内腔体进液气动阀3，内出液管道上安装有内外腔体排液阀9；进氢管道上安装有氢气入口截止阀5。
缓冲罐12上还安装有缓冲罐温度传感器10和缓冲罐压力传感器11；出氢管道上安装有氢气出口温度传感器16；氢气支路上安装有氢气出口压力传感器15和氢气出口电磁阀14；残气支路上安装有残气出口电磁阀13。
一种氢气低温冷却控制方法，包括以下步骤：
S1、系统初始化，
S11、检测设备气密性，避免发生气体泄漏。确认环境通风良好，避免发生气体泄漏后泄漏气体大量聚集，造成安全隐患。
S12、开启安全监测系统，实时监测冷却系统运行状况。当冷却设备内部当出现超压或者超温时，触发声光警报并暂停冷却进程，同时开启泄放阀进行泄放；当系统发生气体泄漏时，触发声光警报并暂停冷却进程，开启通风装置，组织人员撤离。
S13、设置内外液氮腔体液氮高度、氢气出口处压力及温度等参数。
S14、开启氢气入口截止阀，将氢气通入管路。
S15、开启内外腔体进液气动阀，使液氮进入内外腔体，将腔体内液氮补液至预设高度。
S2、温度调节，
氢气出口处温度传感器实时监测氢气出口处的温度。
S21、若氢气出口处温度符合设定值，保持内外腔体液氮液面设置不变。
S22、若氢气出口处温度低于设定值，通过反馈机制增大内外腔液氮液面设定值，直至氢气出口温度符合设定值。
S23、若氢气出口处温度高于设定值，通过反馈机制减小内外腔液氮液面设定值，直至氢气出口温度符合设定值。
S3、液氮液位调节，
内外腔体液位计实时监测内外腔体内液氮液位。
S31、若内外腔液位高度高于设定值，排液电磁阀开启，腔内液氮排出，达到设定液位高度时关闭排液电磁阀停止排液。
S32、若内外腔液位高度低于设定值，进液气动阀开启，向腔内输入液氮直至到达设定液位。
S4、压力调节，
氢气出口压力传感器实时监测氢气出口处的压力。
S41、当氢气出口处压力达到设定值时，氢气出口处低温电磁阀打开，氢气排出。
S42、若氢气出口处压力高于设定值，开启残气出口处电磁阀，调整开度直至氢气出口压力符合设定值。
S43、若氢气出口处压力低于设定值，氢气出口处电磁阀关闭，直到压力达到设定值氢气出口处电磁阀再次打开。
S5、冷却结束，
S51、导出并保存工作数据。
S52、开启两路残液排放气动阀排放腔体内部换热介质。
S53、氢气残气排放阀开启，排放系统管路中残余氢气，用氮气进行吹扫。
S54、确认各传感器示数符合关闭条件，关闭所有阀门及控制系统，关闭电源。
在本发明的一个实施例中，外腔体液位设定值为500mm，外腔体液位上限为550mm，外腔体液控范围为10mm；内腔体液位上限为800mm，内腔体液位设定值为700mm，内勤那柜体液控范围为10mm；排气温度范围为1℃，排气温度设定值为-170℃；压力上限为10MPa。
在本发明的一个实施例中，本设备采用多层真空结构，其中内腔体7采用316L不锈钢、外腔体1采用304不锈钢，厚度为3mm，为提升低温冷却设备的绝热性能，采用高真空多层绝热方式，并附以氧化钯和分子筛进行吸湿吸氧处理，保证夹层持久真空度。
在本发明的一个实施例中，本设备中的管路均采用1/2BA级或以上等级抗氢不锈钢管，采用气密性接口联接，避免气体泄漏。
在本发明的一个实施例中，本设备还安装有安全检测系统，降低因系统内出现超压超温以及气体泄漏引起事故的风险。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (5)
1.一种氢气低温冷却设备，其特征在于，包括：外腔体(1)，设置于所述外腔体(1)内的内腔体(7)和设置于所述内腔体(7)内的缓冲罐(12)；所述外腔体(1)连通有外进液管道和外出液管道；
所述内腔体(7)顶部连通进氢管道，所述进氢管道在所述内腔体(7)呈螺旋状设置，且所述进氢管道与缓冲罐(12)顶部连通；所述缓冲罐(12)底部连通有出氢管道；所述出氢管道末端形成有氢气支路和残气支路；
所述内腔体(7)上还连通有内进液管道和内出液管道。
2.根据权利要求1所述的一种氢气低温冷却设备，其特征在于：所述外腔体(1)上还安装有外腔体温度传感器(4)和外腔体液位计(6)；所述外腔体(1)上还连通有氮气连接管(19)；所述外进液管道上安装有外腔体进液气动阀(2)，所述外出液管道上安装有外腔体排液阀(8)。
3.根据权利要求1所述的一种氢气低温冷却设备，其特征在于：所述内腔体(7)上还安装有内腔体液位计(17)和内腔体温度传感器(18)；所述内进液管道上安装有内腔体进液气动阀(3)，所述内出液管道上安装有内外腔体排液阀(9)；所述进氢管道上安装有氢气入口截止阀(5)。
4.根据权利要求1所述的一种氢气低温冷却设备，其特征在于：所述缓冲罐(12)上还安装有缓冲罐温度传感器(10)和缓冲罐压力传感器(11)；所述出氢管道上安装有氢气出口温度传感器(16)；所述氢气支路上安装有氢气出口压力传感器(15)和氢气出口电磁阀(14)；所述残气支路上安装有残气出口电磁阀(13)。
5.一种氢气低温冷却控制方法，包括权利要求1-4任一项所述的氢气低温冷却设备，其特征在于，包括以下步骤：
S1检查设备气密性，设置外腔体内及内腔体内液氮高度，氢气出口压力及温度参数；开启氢气入口截止阀，外进液管道和内进液管道；
S2温度调节，通过氢气出口温度传感器监测出氢管道处的氢气温度，通过反馈机制调节液氮液位设定值；
S3液氮液位调节，通过外腔体液位计和内腔体液位计实时监测外腔体和内腔体的液氮液位，通过反馈机制控制进液阀和排液阀直至液位调整至设定值；
S4压力调节，通过氢气出口压力传感器监测氢气支路处的压力，通过反馈机制控制出口电磁阀直至出口压力为设定值；
S5冷却结束后，开启外出液管道和内出液管道排放液氮；同时打开残气出口电磁阀，排放管路中残余氢气，用氮气吹扫。
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