CN215765885U - 一种基于双蒸发温度的加氢预冷系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种基于双蒸发温度的加氢预冷系统,系统包括高压氢气管线,高压氢气管线输出端与预冷系统输入端连接,预冷系统包括制冷主机,所述制冷主机通过管线分别与第一换热器和第二换热器连接,第一换热器和第二换热器分别布设于高压氢气管线输送前侧和输送后侧;本实用新型将部分预冷负荷利用较高温度制冷剂进行吸收,剩余预冷负荷用低压蒸发温度制冷剂吸收,在保证氢气预冷设定温度情况下,提高了制冷系统整体蒸发温度及COP,从而降低能耗,并采用制冷剂直接储能和满液蒸发换热,大大提高了换热系数和预冷速度。
Description
技术领域
本实用新型涉及加氢站加氢技术领域,具体地指一种基于双蒸发温度的加氢预冷系统。
背景技术
为了促进燃料电池车的推广,其相关的技术设施如加氢站的建设也是氢燃料推广的重要一环。目前的技术方案有多种,其中一种是将管拖车长管内的氢气通过压缩机加压后存储在加氢站高压储罐内。加氢时将存放在加氢站的高压储罐中氢气通过流量调节阀,再通过加氢机向燃料电池车的气瓶加氢。
对于车载气瓶,有明确规定车用复合材料气瓶内气体的温度不能超过85℃。不同于大部分气体,在加氢工作区间,氢气具负的焦耳汤姆逊效应,气体绝热节流后温度会显著升高,减压阀后温升有时候高达40℃。此外,在气瓶充注过程中,由于压缩热效应等原因,气瓶内氢气温度急剧上升,难以短时间通过自然散热排掉,危害气瓶安全,影响加氢结束后氢气质量,从而影响车的续航里程。
美国机动车工程师学会SAE发布的SAE J2601-2016《轻质车用氢气充装方案》中建议需要在加氢流程中增加预冷环节,降低氢气温度,规定了加氢站不同的温度等级T40,T30,T20等。T40的加氢站要求在加氢期间,加氢站出口氢气温度保持在到-33℃至-40℃之间。也就是说,氢气预冷环节需要将氢气从较高温度(假设环境温度35℃)降低到较低温度,温度跨度非常大。
此外,由于加氢动作发生存在间歇式,在加氢间隔时间,制冷机组会逐渐升温至环境温度。SAE J2601协议还要求,必须在加氢开始后30s内达到预冷温度范围内,例如,T40的加氢站要在30s内,氢气温度达到-33℃至-40℃之间。制冷机组本身具有启动程序,需要占用时间。且要将换热器温度从环境温度(假设为20℃)冷却到-40℃,一般在较短时间内难以完成。在加氢过程中,预冷负荷会在非常大的范围内波动,对于制冷系统而言,蒸发温度越低,制冷系统COP越低,能耗越高。常规的氢气预冷系统,一般采用单蒸发温度制冷主机进行直接预冷或者间接预冷。
对于单蒸发温度预冷系统,加氢期间氢气温度从常温降低到预冷设定温度(一般为-40℃)之间所释放的热量,全部由低压蒸发温度(蒸发温度至少-45℃)的制冷剂吸收,制冷系统COP较低,进而能耗较大。对于采用单蒸发温度间接预冷系统,由于采用载冷剂,存在两次换热,预冷系统蒸发温度更低(T40, 蒸发温度至少-50℃),能耗更高。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述不足,提供一种基于双蒸发温度的加氢预冷系统及其控制方法,将部分预冷负荷利用较高温度制冷剂进行吸收,剩余预冷负荷用低压蒸发温度制冷剂吸收,在保证氢气预冷设定温度情况下,提高制冷系统整体蒸发温度及COP,从而降低能耗,并采用制冷剂直接储能和满液蒸发换热,提高换热系数和预冷速度。
本实用新型为解决上述技术问题,所采用的技术方案是:一种基于双蒸发温度的加氢预冷系统,包括高压氢气管线,高压氢气管线输出端与预冷系统输入端连接,预冷系统包括制冷主机,所述制冷主机通过管线分别与第一换热器和第二换热器连接,第一换热器和第二换热器分别布设于高压氢气管线输送前侧和输送后侧,所述高压氢气管线上设有流量调节阀。
优选地,所述制冷主机一输出端通过第一输出管线与第一换热器输入端连接,第一换热器输出端通过第一回流管线与制冷主机一回流端连接;所述制冷主机另一输出端通过第二输出管线与第二换热器输入端连接,第二换热器输出端通过第二回流管线与制冷主机另一回流端连接。
优选地,所述制冷主机包括第一储液器和第二储液器,所述第一储液器输出端通过第一输出管线与第一换热器输入端连接,第一换热器输出端通过第一回流管线与第一储液器回流端连接;所述第二储液器输出端通过第二输出管线与第二换热器输入端连接,第二换热器输出端通过第二回流管线与第二储液器回流端连接,第一储液器、第二储液器、第一压缩机、第二压缩机和冷凝器依次设于循环管线上。
优选地,所述第一储液器出液端与第二储液器进液端通过管线连接,第二储液器出气端与第一压缩机输入端通过管线连接,冷凝器输出端与第一储液器进液端通过管线连接,冷凝器输入端与第二压缩机输出端通过管线连接,第一压缩机输出端与第二压缩机输入端通过管线连接。
优选地,所述第一储液器出气端通过连接管与第二压缩机输入端连接。
优选地,所述冷凝器与第一储液器之间的管线上还设有第一膨胀阀,所述第一储液器与第二储液器之间的管线上还设有第二膨胀阀。
优选地,第一换热器外壁上靠近高压氢气管线氢气入口处设置有第一温度传感器,用于检测第一换热器壁面温度TW1;第二换热器外壁上靠近高压氢气管线氢气入口处设置有第二温度传感器,用于检测第二换热器壁面温度TW2;第一换热器所在区域的高压氢气管线氢气出口处设置有第三温度传感器,用于检测第一换热器出口氢气温度TH1;第二换热器所在区域的高压氢气管线氢气出口处设置有第四温度传感器,用于检测第二换热器出口氢气温度TH2。
优选地,所述第一输出管线上设有第一液泵,所述第二输出管线上设有第二液泵,所述第一液泵入口处设有第五温度传感器,用于检测第一液泵入口处的制冷剂温度TR1,所述第二液泵入口处设有第六温度传感器,用于检测第二液泵入口处的制冷剂温度TR2。
本实用新型的有益效果:
1、本实用新型将部分预冷负荷利用较高温度制冷剂进行吸收,剩余预冷负荷用低压蒸发温度制冷剂吸收,在保证氢气预冷设定温度情况下,提高了制冷系统整体蒸发温度及COP,从而降低能耗,并采用制冷剂直接储能和满液蒸发换热,大大提高了换热系数和预冷速度。
2、本实用新型相对于单蒸发预冷系统,双蒸发温度换热器的布置相当于将一个大换热器拆分成两个较小的不同蒸发温度的换热器,不会对换热器成本造成大幅提升,但是会提高预冷系统整体的蒸发温度,从而提高预冷系统COP,减少能耗;此外相对于载冷剂间接储能和换热,采用制冷剂直接储能和换热,可以进一步提高了预冷系统蒸发温度,还可以提高换热器中的换热系数和降温速度,从而实现加氢系统整体性能的提高。
附图说明
图1 为一种基于双蒸发温度的加氢预冷系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的详细描述。
如图1所示,一种基于双蒸发温度的加氢预冷系统,包括高压氢气管线1,高压氢气管线1输出端与预冷系统2输入端连接,预冷系统2包括制冷主机2.1,所述制冷主机2.1通过管线分别与第一换热器2.2和第二换热器2.3连接,第一换热器2.2和第二换热器2.3分别布设于高压氢气管线1输送前侧和输送后侧,所述高压氢气管线1上设有流量调节阀9。
优选地,所述制冷主机2.1一输出端通过第一输出管线2.4与第一换热器2.2输入端连接,第一换热器2.2输出端通过第一回流管线2.5与制冷主机2.1一回流端连接;所述制冷主机2.1另一输出端通过第二输出管线2.6与第二换热器2.2输入端连接,第二换热器2.2输出端通过第二回流管线2.7与制冷主机2.1另一回流端连接。
优选地,所述制冷主机2.1包括第一储液器2.1.1和第二储液器2.1.2,所述第一储液器2.1.1输出端通过第一输出管线2.4与第一换热器2.2输入端连接,第一换热器2.2输出端通过第一回流管线2.5与第一储液器2.1.1回流端连接;所述第二储液器2.1.2输出端通过第二输出管线2.6与第二换热器2.2输入端连接,第二换热器2.2输出端通过第二回流管线2.7与第二储液器2.1.2回流端连接,第一储液器2.1.1、第二储液器2.1.2、第一压缩机2.1.3、第二压缩机2.1.4和冷凝器2.1.5依次设于循环管线2.1.3上。
优选地,所述第一储液器2.1.1出液端与第二储液器2.1.2进液端通过管线连接,第二储液器2.1.2出气端与第一压缩机2.1.3输入端通过管线连接,冷凝器2.1.5输出端与第一储液器2.1.1进液端通过管线连接,冷凝器2.1.5输入端与第二压缩机2.1.4输出端通过管线连接,第一压缩机2.1.3输出端与第二压缩机2.1.4输入端通过管线连接。
优选地,所述第一储液器2.1.1出气端通过连接管2.1.6与第二压缩机2.1.4输入端连接。
优选地,所述冷凝器2.1.5与第一储液器2.1.1之间的管线上还设有第一膨胀阀2.1.7,所述第一储液器2.1.1与第二储液器2.1.2之间的管线上还设有第二膨胀阀2.1.8。
优选地,第一换热器2.2外壁上靠近高压氢气管线1氢气入口处设置有第一温度传感器3,用于检测第一换热器2.2壁面温度TW1;第二换热器2.3外壁上靠近高压氢气管线1氢气入口处设置有第二温度传感器4,用于检测第二换热器2.3壁面温度TW2;第一换热器2.2所在区域的高压氢气管线1氢气出口处设置有第三温度传感器5,用于检测第一换热器2.2出口氢气温度TH1;第二换热器2.3所在区域的高压氢气管线1氢气出口处设置有第四温度传感器6,用于检测第二换热器2.3出口氢气温度TH2。
优选地,所述第一输出管线2.4上设有第一液泵2.8,所述第二输出管线2.6上设有第二液泵2.9,所述第一液泵2.8入口处设有第五温度传感器7,用于检测第一液泵2.8入口处的制冷剂温度TR1,所述第二液泵2.9入口处设有第六温度传感器8,用于检测第二液泵2.9入口处的制冷剂温度TR2。
本实施例中,第一储液器和第二储液器的内部存储有制冷剂液体,外部包裹有隔热层,避免从空气中吸热,增加制冷负荷。第一液泵和第二液泵转速可调,分别用于控制第一换热器和第二换热器的出口氢气温度是否达到预设值。第一压缩机和第二压缩机转速可调,可以是分别两个压缩机或者是单个压缩机的两个压缩腔。第一换热器和第二换热器外部包裹有隔热层,避免从空气中吸热,增加制冷负荷。第一换热器与第二换热器采用制冷剂直接冷却方式对氢气进行降温。制冷剂出口保持两相态,干度为0.6-0.95。
在上述技术方案中,来自于高压氢气管线的氢气经过流量调节阀等焓节流后升温,然后通过预冷系统中第一换热器将温度降低至中间设定温度TS1,再经过第二换热器将温度降低至预冷设定温度TS2。然后通过氢气出口进入加氢机进行加注。
制冷剂流路中,制冷主机采用双级压缩系统,两级储液及满液蒸发换热,在制冷主机中,冷凝器出口处的高压制冷剂经过第一膨胀阀的一次节流变成中间压力的气液两相态(对应中间蒸发温度TEV1),在第一储液器中进行气液分离;第一储液器中的液体部分一部分通过第一输出管线输送,由第一液泵泵送至第一换热器中,与高温氢气进行一级换热,并由第一回流管线回到第一储液器中;第一储液器中液体另一部分出来后进入第二膨胀阀进行二次节流,变成低压气液两相态(对应低压蒸发温度TEV2),被储存在第二储液器中;第二储液器中的液体部分通过第二输出管线输送,由第二液泵泵送至第二换热器中,与高温氢气进行二级换热,再通过第二回流管线回到第二储液器中;其气体部分被第一压缩机压缩成中间压力蒸汽,然后与第一储液器的连接管出来的气体部分混合后一起进入第二压缩机,被压缩到高压后进入到冷凝器中,完成制冷循环。
另外本实施例还公开上述基于双蒸发温度的加氢预冷系统的控制方法,它包括如下步骤:
步骤1):当监测到有车辆抵达,将第一液泵2.8和第二液泵2.9开至最大转速,开启制冷主机2.1,对第一换热器2.2和第二换热器2.3进行提前冷却,检测第一换热器壁面温度TW1,第二换热器壁面温度TW2;设中间设定温度为TS1,预冷设定温度为TS2,且中间设定温度TS1>预冷设定温度TS2;在本实施例中,预冷设定温度TS2,根据站等级由加氢站参考加注协议决定,对于T20加氢站范围为(-26~-17.5℃);对于T30加氢站,范围为(-33~-26℃);对于T40加氢站,范围为(-40~-33℃);中间设定温度TS1>预冷设定温度TS2,TS1取决于环境温度、第一换热器第一入口温度、预冷设定温度TS2、预冷系统COP等因素,需要综合考虑。
步骤2):对于第一液泵2.8,若TW1>TS1,则保持最大转速;若TW1≤TS1,降低转速至最低,然后检测TW2是否达到TS2;对于第二液泵2.9,若TW2>TS2,则保持最大转速;若TW2≤TS2,则判断是否加氢开始,如果没有开始加注,则第二液泵2.9降低到最低转速;
步骤3):氢气预冷阶段,换热器出口氢气温度控制方法为:如果开始加注,检测第一换热器2.2出口氢气温度TH1,第二换热器2.3出口氢气温度TH2,根据第一换热器2.2出口氢气温度TH1与中间设定温度TS1之差调节第一液泵2.8转速,使第一换热器2.2出口氢气温度TH1满足条件:dT1≤(TH1-TS1)≤dT2;
调节第二液泵2.9转速,使第二换热器2.3出口氢气温度TH2满足条件:dT3≤(TH2-TS2)≤dT4,且TH2≥-40℃;
步骤4):制冷主机蒸发温度控制:制冷主机开启后,检测第一液泵2.8入口制冷剂温度TR1,第二液泵2.9入口制冷剂温度TR2;调节第一膨胀阀2.1.7开度和第二压缩机2.1.4转速,使得(TR1-TEV1)≤dT5;调节第二膨胀阀2.1.8开度和第一压缩机2.1.3转速,使得dT6≤(TR2-TEV2)≤dT7;其中,中间蒸发温度TEV1= TS1-ΔT1;低压蒸发温度TEV2= TS2-ΔT2,ΔT1和ΔT2在5~10℃之间。
优选地,所述dT1为-3~ -1℃,dT2为1~2℃,dT3为-3~0℃,2℃≤dT4-dT3≤7℃,dT5为0~3℃,dT6为-5~0℃,dT7为1~3℃。
本实施例中,通过对比试验分析数据:例如单级预冷采用一个换热器将氢气冷却至-40℃;双级预冷时,采用两个换热器,高温级换热器 HX1 先将氢气冷却至中间温度 Tm,第二级换热器再将其冷却至-40℃;换热器级数不会影响氢气质量流量、进口温度和出口温度,即双级预冷配置不会影响氢气总放热量。单级预冷由于仅有一个换热器,不存在中间温度,在此仅作为对比基准,其COP 约为1.09,预冷能耗 2.16kWh;
而对于本实施例采用双预冷系统(即双蒸发温度的加氢预冷系统),并且采用上述控制方法,结果显示,随着中间温度 Tm 的上升,呈高压状态的压缩机耗功线性下降,低压状态的压缩机耗功指数上升,但是幅度较小,总能耗也出现最小值1.58kWh,对应COP为1.49,相对于单级预冷,节能 26.8%。
总的来说,在总容积一定的情况下,相对于单蒸发预冷系统,本实施例的这种采用相应控制方法的双蒸发温度换热器的预冷负荷总是低于单蒸发预冷系统。本实施例实现双级预冷的过程不会影响氢气总放热量/预冷负荷,中间温度变化只会影响预冷换热器间的预冷负荷分配;本实施例中的双级预冷系统能耗总是低于单级预冷系统,在合理的中间温度下,双级预冷系统比单级预冷系统节能 20-30%。
上述的实施例仅为本实用新型的优选技术方案,而不应视为对于本实用新型的限制,本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下,可以相互任意组合。本实用新型的保护范围应以权利要求记载的技术方案,包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进,也在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于双蒸发温度的加氢预冷系统,包括高压氢气管线(1),高压氢气管线(1)输出端与预冷系统(2)输入端连接,其特征在于:预冷系统(2)包括制冷主机(2.1),所述制冷主机(2.1)通过管线分别与第一换热器(2.2)和第二换热器(2.3)连接,第一换热器(2.2)和第二换热器(2.3)分别布设于高压氢气管线(1)输送前侧和输送后侧,所述高压氢气管线(1)上设有流量调节阀(9)。
2.根据权利要求1所述的一种基于双蒸发温度的加氢预冷系统,其特征在于:所述制冷主机(2.1)一输出端通过第一输出管线(2.4)与第一换热器(2.2)输入端连接,第一换热器(2.2)输出端通过第一回流管线(2.5)与制冷主机(2.1)一回流端连接;所述制冷主机(2.1)另一输出端通过第二输出管线(2.6)与第二换热器(2.2)输入端连接,第二换热器(2.2)输出端通过第二回流管线(2.7)与制冷主机(2.1)另一回流端连接。
3.根据权利要求2所述的一种基于双蒸发温度的加氢预冷系统,其特征在于:所述制冷主机(2.1)包括第一储液器(2.1.1)和第二储液器(2.1.2),所述第一储液器(2.1.1)输出端通过第一输出管线(2.4)与第一换热器(2.2)输入端连接,第一换热器(2.2)输出端通过第一回流管线(2.5)与第一储液器(2.1.1)回流端连接;所述第二储液器(2.1.2)输出端通过第二输出管线(2.6)与第二换热器(2.2)输入端连接,第二换热器(2.2)输出端通过第二回流管线(2.7)与第二储液器(2.1.2)回流端连接,第一储液器(2.1.1)、第二储液器(2.1.2)、第一压缩机(2.1.3)、第二压缩机(2.1.4)和冷凝器(2.1.5)依次设于循环管线(2.1.3)上。
4.根据权利要求3所述的一种基于双蒸发温度的加氢预冷系统,其特征在于:所述第一储液器(2.1.1)出液端与第二储液器(2.1.2)进液端通过管线连接,第二储液器(2.1.2)出气端与第一压缩机(2.1.3)输入端通过管线连接,冷凝器(2.1.5)输出端与第一储液器(2.1.1)进液端通过管线连接,冷凝器(2.1.5)输入端与第二压缩机(2.1.4)输出端通过管线连接,第一压缩机(2.1.3)输出端与第二压缩机(2.1.4)输入端通过管线连接。
5.根据权利要求3所述的一种基于双蒸发温度的加氢预冷系统,其特征在于:所述第一储液器(2.1.1)出气端通过连接管(2.1.6)与第二压缩机(2.1.4)输入端连接。
6.根据权利要求4所述的一种基于双蒸发温度的加氢预冷系统,其特征在于:所述冷凝器(2.1.5)与第一储液器(2.1.1)之间的管线上还设有第一膨胀阀(2.1.7),所述第一储液器(2.1.1)与第二储液器(2.1.2)之间的管线上还设有第二膨胀阀(2.1.8)。
7.根据权利要求1所述的一种基于双蒸发温度的加氢预冷系统,其特征在于:第一换热器(2.2)外壁上靠近高压氢气管线(1)氢气入口处设置有第一温度传感器(3),用于检测第一换热器(2.2)壁面温度TW1;第二换热器(2.3)外壁上靠近高压氢气管线(1)氢气入口处设置有第二温度传感器(4),用于检测第二换热器(2.3)壁面温度TW2;第一换热器(2.2)所在区域的高压氢气管线(1)氢气出口处设置有第三温度传感器(5),用于检测第一换热器(2.2)出口氢气温度TH1;第二换热器(2.3)所在区域的高压氢气管线(1)氢气出口处设置有第四温度传感器(6),用于检测第二换热器(2.3)出口氢气温度TH2。
8.根据权利要求3所述的一种基于双蒸发温度的加氢预冷系统,其特征在于:所述第一输出管线(2.4)上设有第一液泵(2.8),所述第二输出管线(2.6)上设有第二液泵(2.9),所述第一液泵(2.8)入口处设有第五温度传感器(7),用于检测第一液泵(2.8)入口处的制冷剂温度TR1,所述第二液泵(2.9)入口处设有第六温度传感器(8),用于检测第二液泵(2.9)入口处的制冷剂温度TR2。
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