CN116792668A - 面向液氢流量计量的高集成化的双层真空绝热冷箱结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向液氢流量计量的高集成化的双层真空绝热冷箱结构。本发明包括冷箱、低温液氢泵、制冷机、配套调节阀门、被检流量计和管路系统。所述冷箱采用外筒与内筒相结合的双层真空结构，外筒底部与底座相连构成外真空层；内筒置于外筒内部，为内真空层；所述外筒顶部开设低温液氢泵、制冷机及配套阀门的法兰接口；所述内筒顶部预设有对应于外筒的安装接口；所述低温液氢泵、被检流量计、管路系统和制冷机集成于冷箱之内。本发明提供的双层真空绝热冷箱结构，对冷箱做内外双层真空绝热处理，最大限度的对于外部的热量进行隔绝，减少测试过程中液氢气化现象，保证检定与校准的准确性。

Description

面向液氢流量计量的高集成化的双层真空绝热冷箱结构

技术领域

本发明属于氢能技术领域，具体涉及一种面向液氢流量计量的高集成化的双层真空绝热冷箱结构。

背景技术

氢能是最清洁的能源之一，具有来源多样、用途广泛等优势，在现在能源体系中占有重要地位，是实现电力、燃油等能源转化的重要媒介。同时，氢能还可以作为承载可再生的不稳定的风能、太阳能的桥梁，为全球的节能增效做出贡献。

在不同应用场景下，氢主要以高压气氢和低温液氢两种状态存在。相较于高压气氢，液氢在存储、长距离运输方面优势更加明显，发展前景看好。液氢是一种低温、低粘度、高效能的流体燃料，但其沸点极低，极其容易气化，使得在液氢的计量交接过程中对于装置的绝热、安全、操作便捷性提出了更高的要求。

在氢能的制备、存储、运输、使用过程中都涉及到氢能计量技术，液氢流量标准装置是整个贸易交接环节的关键一环，对于标准装置而言，稳定绝热系统是保证液氢流量计量准确的基础。

现有技术中装置的管道、流量计、液氢泵等关键器件绝热措施较为分散，漏热风险大，难以满足液氢流量计量的实际需要，特别是克服多个装置节点可能存在的液氢气化这一难题。针对如何保证标准装置的绝热性能稳定这一难题，即如何减小试验过程或实际贸易交接过程中因液氢气化而对流量准确性的影响，急需设计一套具有绝热性能稳定、便于拆卸更换器件功能的绝热系统，以确保液氢流量检定和校准的准确性，同时兼顾操作性。

发明内容

针对上述液氢在流量检定和校准过程中所涉及的漏热问题，本发明提出了一种高集成化的双层真空绝热冷箱结构。

为了实现上述目的，确保液氢流量标准装置的绝热稳定及关键器件拆卸便捷性，本发明技术方案如下：

本发明的一方面提供了一种面向液氢流量计量的高集成化的双层真空绝热冷箱结构，包括冷箱、低温液氢泵、制冷机、配套调节阀门、被检流量计和管路系统。

所述冷箱采用外筒与内筒相结合的双层真空结构，外筒底部与底座相连构成外真空层；内筒置于外筒内部，为内真空层；

所述外筒顶部开设低温液氢泵、制冷机及配套阀门的法兰接口；所述内筒顶部预设有对应于外筒的安装接口；

所述低温液氢泵、被检流量计、管路系统和制冷机集成于冷箱之内。

在一实施例中，所述管路系统以盘管和竖管的形式置于内筒中，利用冷箱双层真空结构进行绝热处理，用于气体与液体的循环进出。

进一步说，所述管路系统中的部分盘管与内筒壁面接触。

在一实施例中，所述配套阀门通过法兰接口以直插方式进入真空绝热套筒进行连接，所述配套阀门用于调节管路系统中的流量大小。

进一步说，所述配套调节阀门用于调控进液、返液、进气、排气的启停以及流量大小，实现不同流量点的检定。

进一步说，所述冷箱的顶部盖板处还预设有气源法兰接口，实现吹扫气体的排出。

在一实施例中，所述外筒正面设有可视化窗口，内筒开有相对应的矩形窗口。

在一实施例中，所述制冷机对流经管路系统中液相管路的液氢进一步过冷，经低温液氢泵后进入被检流量计，通过质量法对被检流量计进行校准。

进一步说，所述的液相管路中存在独立的进液管路与返液管路，在检定阶段实现液氢自循环状态，保证流经被检流量计液氢的稳定性；同时在检定时实现部分液氢通过返液管路重回储罐内，实现对大小流量的精准调控。

本发明的另一方面提供了一种所述的双层真空绝热冷箱结构在液氢流量计量中的应用。

本发明的有益效果：

本发明提供的双层真空绝热冷箱结构，对冷箱做内外双层真空绝热处理，最大限度的对于外部的热量进行隔绝，减少测试过程中液氢气化现象，保证检定与校准的准确性。

本发明提供的双层真空绝热冷箱结构，将低温液氢泵、制冷机、被检流量计置于冷箱内真空绝热层中，在检定过程中可直接于冷箱内部工作，避免了工作时与外部环境产生热量交换，将冷箱内部管道由普通直管设计为盘管与直管相结合的结构，更加节省空间且同时最大限度地隔绝了管路与外部环境的热交换，减少液氢气化现象。

本发明提供的双层真空绝热冷箱结构，进液口与返液口为独立设置，在检定阶段可实现液氢自循环状态，保证流经被检流量计液氢的稳定性，同时在检定时可以实现部分液氢通过返液口重回储罐内，实现对大小流量的精准调控。

本发明提供的双层真空绝热冷箱结构，结构简单，拆卸方便，冷箱可视化窗口同时兼顾观察与被检流量计拆卸功能，同时解决了封闭空间内流量计更换与观察器件运行状态、器件检修等问题，在防止液氢气化的基础上，降低了检测人员的操作难度。

附图说明

图1是本发明的实施例整体结构示意图；

图2是本发明的整体原理示意图；

图3是本发明双层绝热冷箱结构示意图；

图4是本发明双层绝热冷箱俯视结构示意图；

图5是本发明双层绝热冷箱整体剖视示意图；

图6是本发明双层绝热冷箱内部结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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的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。

本发明实施例提供了一种高集成化的双层真空绝热冷箱结构，包括冷箱、低温液氢泵、制冷机、配套调节阀门、被检流量计和管路系统。

所述的冷箱采用外筒与内筒相结合的双层真空结构，外筒底部与底座相连构成外真空层，内筒置于外筒内部，为内真空层。外筒顶部开设低温液氢泵、制冷机及配套阀门的第一法兰安装接口，内筒顶部预设有对应于外筒的第二安装接口，将低温液氢泵、被检流量计、管路系统、制冷机等关键设备集成于冷箱之内，部分盘管与内筒壁面接触，可在装置吹扫预冷阶段进一步增加冷箱过冷度，配合外真空层最大限度地解决了系统辐射漏热问题。内真空层采用圆柱形结构使内部设备安装方式更加合理，极大地减少液氢在流动过程中产生的对流漏热问题；制冷机对流经液相管路的液氢进一步过冷，以实现对同时处于外部环境与内筒内的设备所产生的热量交换进行补偿，最大限度地保证系统的绝热性能。具体的：

如图1、图3、图4、图5和图6所示，双层绝热冷箱2采用外筒207-1与内筒207-2相结合的双层结构，外筒底部与底座208相连构成外壳体，内筒置于外筒内部，其为内壳体。低温液氢泵221、制冷机218经过外筒顶部预设的第一法兰接口，与冷箱顶部盖板处法兰相连，从而最大限度的起到固定作用并加强连接处密封性。配套阀门通过冷箱顶部盖板预设的法兰接口以直插方式进入真空套筒进行连接，用于调节管路中的流量大小，采用真空套筒结构可进一步减少内外热量交换而且法兰结构便于阀门的拆卸更换。

冷箱顶部盖板处预设有气源法兰接口，真空绝热套筒以法兰连接方式与接口进行固定，冷箱外部液相管路与气相管路的真空套筒通过法兰与冷箱盖板上预设法兰盘相连接，该结构具有良好的可拆卸性与绝热功能；具体的：冷箱顶部盖板设有液氢进液口201、液氢出液口202与液氢返液出口204，双层绝热冷箱气口203、吹扫气源接口205均通过法兰连接方式进行固定连接。双层绝热冷箱液氢进液口201与液氢返液出口204处预设为真空插拔接口，避免与液氢储罐1连接时接口结霜问题。

内筒层与外筒层有一定间隔空间，两壳体以螺钉上下固定的方式进行悬挂连接，且内筒层顶部预设有对应于外筒的第二安装口，各零部件以直插方式进入内筒层中，该方式避免了因两壳体接触或壳体与管路接触而产生热交换，使冷箱绝热功能最大化。

外壳体正面设有可视化窗口206，圆形透明窗口通过法兰结构与外壳体预设法兰进行连接，内筒层开有相对应的矩形窗口，该可视化窗口便于操作人员观察冷箱内部设备情况并解决了密闭空间中被检流量计更换难问题。低温液氢泵与制冷机的主体置于冷箱内筒层中利用冷箱双层真空结构进行绝热处理，且液相管路穿过制冷机的冷头部位进一步实现液氢的过冷处理，保证管路中流体的液相状态；被检流量计219置于内筒层中，通过法兰与上下游管路进行固定连接，这种连接方式在起到固定作用的基础上更加便于流量计的拆卸更换；管路系统以盘管220和竖管的形式置于内筒层中，利用冷箱双层真空结构进行绝热处理，用于气体与液体的循环进出，此结构进一步缩小了管路系统所占体积而且更加利于进行绝热处理和拆卸撬装。具体的：

低温液氢泵出液管路调节阀209与外筒207-1顶部处预设法兰接口相连，用于调节低温液氢泵出液管路流入被检流量计219的流量大小。进液管路第一调节阀210与外筒207-1顶部处预设法兰接口相连，用于调节吹扫预冷阶段冷箱内管路系统中的气体流量大小，出液管路第一调节阀216与外筒207-1顶部处预设法兰接口相连，用于调节流入液氢储罐3的流量大小与返液时由液氢储罐3流出的流量大小，出液管路第二调节阀217与外筒207-1顶部处预设法兰接口相连，用于调节由被检流量计219流出的流量大小，气体管路第一调节阀213与气体管路第二调节阀214与外筒207-1顶部处预设法兰接口相连，用于调节由吹扫预冷过程中排气流量大小，返液管路第一调节阀215与外筒207-1顶部处预设法兰接口相连，用于调节返液流量大小与装置自循环状态的启停，返液出口管路第一调节阀211、返液出口管路第二调节阀212与外筒207-1顶部处预设法兰接口相连，用于调节返液过程中由返液管路流入液氢储罐1的流量大小，安全阀222-1、222-2、222-3采用直插式方式与盘管220相连接，避免盘管中压力超出限度，保证绝热系统失效等意外情况下的安全。

优选的，所述冷箱内外壳体间为外真空绝热层，对冷箱内部被检流量计、低温液氢泵、制冷机、盘管等进行绝热降温，减少与外部环境的热交换。

优选的，所述内筒为内真空绝热层，用于减少系统的漏热，避免液氢气化。

优选的，所述双层绝热冷箱液相口用于检定时液氢流出与返液时液氢流入。

优选的，所述气源法兰接口具有排气功能，通过气口实现吹扫气体排出。

优选的，所述配套调节阀门可以调控进液、返液、进气、排气的启停以及流量大小，实现不同流量点的检定。

如图2所示，本装置的工作过程：

液氢流量标准装置在检定开始前需要进行吹扫预冷工作。

利用真空泵7对装置进行抽真空，保持装置处于负压状态，可大幅降低装置内氧气含量和缩短氦气吹扫时间。

在启动吹扫预冷工作时，气源4中的高压氦气源4-1与高压氮气源4-2提供吹扫气体对装置采用分段进行吹扫方式，保证系统管路死角中氧气残留吹扫干净。

首先，高压氮气源4-2经液氢储罐气相口104对液氢储罐1和部分液相管路进行吹扫，将稳定高压氮气通入装置内，使氮气与装置内气体充分混合，低温液氢泵出液管路调节阀209、进液管路第一调节阀210、返液管路第二调节阀212、出液管路第二调节阀217、返液管路第一调节阀215、气体管路第一调节阀213开启，其余阀门与低温液氢泵221关闭，高压氮气对液氢储罐1部分管路进行吹扫，经由法兰连接的双层绝热冷箱吹扫气源接口205与气源管路401通过稀释罐6和特排管道8排出。

其次，高压氮气源4-2对液氢储罐1返液管路进行吹扫，返液管路第一调节阀211、气体管路第一调节阀213开启，其余阀门关闭，高压氮气对液氢储罐1返液管路进行吹扫，经由法兰连接的双层绝热冷箱吹扫气源接口205与气源管路401通过稀释罐6和特排管道8排出。

最后，高压氮气源4-2对液氢储罐3进行吹扫，进液管路第一调节阀210、出液管路第二调节阀217、出液管路第一调节阀216、气体管路第二调节阀214开启，其余阀门关闭，高压氮气经液氢储罐液相口301对储罐2进行吹扫，由液氢储罐气相口302进入盘管220，通过由法兰连接的双层绝热冷箱吹扫气源接口205与气源管路401由稀释罐6和特排管道8排出。

为进一步保证装置内部整体无杂质气体，采用惰性气体高压氦气源4-1按照上述氮气吹扫流程对装置再次进行二次吹扫。氦气吹扫完成后，再次利用真空泵7对装置进行抽真空。

检测液氢流量前，先对装置进行预冷使装置达到液氢温度，防止在检测时产生气液两相流。装置预冷采用梯度方式，可有效避免储罐及管道因温差过大产生剧烈反应，降低其使用寿命。

首先是液氢气化预冷，通过向液氢储罐1、液氢储罐3通入少量液氢，由于液氢与储罐内的温差过大使液氢迅速气化得到冷氢气，由冷氢气进一步吹扫管路系统使装置初步预冷，冷氢气预冷吹扫步骤与高压氮气源4-2吹扫流程保持一致。从安全角度考虑，排出的冷氢气先经过回温管5回温后，再利用稀释罐6氮气混合降低氢气浓度，经特排管道8排放。

其次利用低温液氢泵221驱动液氢在装置内运行进行二次预冷，制冷机218对液氢进一步过冷保证其液相稳定。具体流程为：

第一步，低温液氢泵出液管路调节阀209、进液管路第一调节阀210、返液管路第二调节阀212、返液管路第一调节阀211开启，其余阀门关闭，对调节液相管路进行预冷。

第二步，低温液氢泵出液管路调节阀209、进液管路第一调节阀210、出液管路第二调节阀217、返液管路第一调节阀215、返液管路第一调节阀211开启，其余阀门关闭，对自循环液相管路进行预冷。

第三步，低温液氢泵出液管路调节阀209、进液管路第一调节阀210、出液管路第二调节阀217、返液管路第一调节阀215、出液管路第一调节阀216开启，对测试主路进行预冷。

待所有管路预冷完毕后，切换阀门状态，低温液氢泵出液管路调节阀209、进液管路第一调节阀210、出液管路第二调节阀217、返液管路第一调节阀215、返液管路第一调节阀211开启，其余阀门关闭，使液氢保持为自循环流动状态，保证装置整体冷度为检定做准备，即液氢从液氢储罐1内流出经旁通液相管路再返回至液氢储罐1内。

吹扫预冷结束后，液氢流量标准装置进入检定流量计阶段，进液管路第一调节阀210、返液管路第二调节阀212、返液管路第一调节阀211、返液管路第一调节阀215关闭，低温液氢泵出液管路调节阀209、出液管路第二调节阀217、出液管路第一调节阀216开启。液氢储罐1内液氢流出，经由出液口101、双层绝热冷箱进液口201配合低温液氢泵221经过冷箱内部被检流量计219，由双层绝热冷箱液相口202与液氢储罐液相口301流入已存在部分液氢的液氢储罐3中，其中高精度称重单元103、303分别放置于液氢储罐1、液氢储罐3下方，用于对检定开始前与检定结束后储罐内的液氢质量进行称重测量。

检定结束后，返液管路第一调节阀215、返液管路第一调节阀211开启，液氢储罐3中的液氢经由液相口301与双层绝热冷箱液相口202通过冷箱内部返液管路，经双层绝热冷箱返液出口204与液氢储罐返液进口102重新流入液氢储罐1中。

在整个检定过程中，双层绝热冷箱2通过外层与内层真空绝热层的作用保证进入被检流量计219的液氢为纯液相，保证冷箱内部液相管路中流动的液氢也为纯液相，确保系统不会因与外部环境产生热交换而至使液氢气化。

综上，本发明能有效减少装置运行过程中由于漏热问题而致使液氢气化现象的产生，令管道、被检流量计、低温液氢泵等关键部件绝热性能更好，调节阀、低温液氢泵、制冷机均采用法兰接口与双层绝热冷箱进行连接，更加便于拆卸与维修，冷箱所采用的双真空层结构绝热效果更好，能够最大限度地避免液氢气化。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.面向液氢流量计量的高集成化的双层真空绝热冷箱结构，包括冷箱、低温液氢泵、制冷机、配套调节阀门、被检流量计和管路系统，其特征在于：

所述冷箱采用外筒与内筒相结合的双层真空结构，外筒底部与底座相连构成外真空层；内筒置于外筒内部，为内真空层；

所述外筒顶部开设低温液氢泵、制冷机及配套阀门的法兰接口；所述内筒顶部预设有对应于外筒的安装接口；

所述低温液氢泵、被检流量计、管路系统和制冷机集成于冷箱之内。

2.根据权利要求1所述的双层真空绝热冷箱结构，其特征在于：所述管路系统以盘管和竖管的形式置于内筒中，利用冷箱双层真空结构进行绝热处理，用于气体与液体的循环进出。

3.根据权利要求2所述的双层真空绝热冷箱结构，其特征在于：所述管路系统中的部分盘管与内筒壁面接触。

4.根据权利要求1所述的双层真空绝热冷箱结构，其特征在于：所述配套阀门通过法兰接口以直插方式进入真空绝热套筒进行连接，所述配套阀门用于调节管路系统中的流量大小。

5.根据权利要求4所述的双层真空绝热冷箱结构，其特征在于：所述配套调节阀门用于调控进液、返液、进气、排气的启停以及流量大小，实现不同流量点的检定。

6.根据权利要求5所述的双层真空绝热冷箱结构，其特征在于：所述冷箱的顶部盖板处还预设有气源法兰接口，实现吹扫气体的排出。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的双层真空绝热冷箱结构，其特征在于：所述外筒正面设有可视化窗口，内筒开有相对应的矩形窗口。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的双层真空绝热冷箱结构，其特征在于：所述制冷机对流经管路系统中液相管路的液氢进一步过冷，经低温液氢泵后进入被检流量计，通过质量法对被检流量计进行校准。

9.根据权利要求8所述的双层真空绝热冷箱结构，其特征在于：所述的液相管路中存在独立的进液管路与返液管路，在检定阶段实现液氢自循环状态，保证流经被检流量计液氢的稳定性；同时在检定时实现部分液氢通过返液管路重回储罐内，实现对大小流量的精准调控。

10.一种权利要求1所述的双层真空绝热冷箱结构在液氢流量计量中的应用。