CN218380586U - 一种液氢液浴汽化换热系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液氢液浴汽化换热系统，包括进液管路、进液切断阀、换热件、冷液循环管路和出液管路；进液切断阀设置在进液管路上，换热件的进液口设置在进液切断阀之后，冷液循环管路分别与换热件的冷媒出口和冷媒进口连接；本方案通过与传统的空温式汽化器方案相比，采用液浴汽化换热器可节约换热器成本约50％以上，占地节约70％以上；通过本实用新型若冷媒的冷量应用到加氢站的氢气预冷，可将80％以上的冷量进行回收，节约加氢站氢气加注过程预冷冷量的需求，降低冷媒空气加热器负荷，减小加氢站冷冻机组的运行耗能，降低加氢站运行成本，针对于1000kg/12hr的加氢站。

Description

一种液氢液浴汽化换热系统

技术领域

本实用新型涉及液氢加氢站领域，尤其是一种液氢液浴汽化换热系统。

背景技术

随着氢燃料电池汽车的逐渐兴起与规模化应用，作为氢燃料电池汽车的配套设施，加氢站的建设目前也在加速进行，由于今后很多加氢站的单站日加氢量将会远超1000kg，这就意味着液氢加氢站会在未来氢能产业链中占据非常重要的位置。液氢加氢站一般由液氢储罐、高效液氢增压泵、高压液氢汽化器、氢气存储容器、冷却系统以及加氢机和控制系统等关键模块组成。目前的液氢加注通常是先对液体进行增压，然后在高压汽化器里让它吸收环境空气中的热量自然汽化后，随即氢气进入储氢容器进行储存或直接对下游的氢燃料电池汽车进行加氢。

通过空温式汽化器实现汽化，被广泛使用，其具有结构简单，造价较低的优点，但其体积大，其一般都是利用空气的自然对流，通过大面积的散热管来进行传热，传热效率低，运行能耗高，液氢低温冷量通过空气带走得不到有效利用；由于液氢一个大气压下的正常氢沸点为20.37K(-252.78℃)，比空气中的主要成分氧气和氮气的沸点温度都要低，采用空温式汽化器进行液氢汽化，设计选型差异易造成汽化器局部结冰、雾气重，影响换热效率，一般要求设置备用空温式汽化器进行切换操作。

实用新型内容

本实用新型的实用新型目的在于：针对上述问题，提供一种液氢液浴汽化换热系统，解决了现有技术在对液氢进行升温的过程中采用空温式汽化器，不仅占用面积大，而且在换热点容易造成汽化器局部结冰、雾气重，影响换热效率的问题。

本方案是这样进行实现的：

一种液氢液浴汽化换热系统，包括进液管路、进液切断阀、换热件、冷液循环管路和出液管路；所述进液切断阀设置在进液管路上，所述换热件的进液口设置在进液切断阀之后，所述冷液循环管路分别与换热件的冷媒出口和冷媒进口连接，使冷媒循环管路能够对换热件内的低温液氢冷量进行换热。

基于上述一种液氢液浴汽化换热系统，所述换热件为管壳式液浴汽化换热器和/或套管式液浴汽化换热器。

基于上述一种液氢液浴汽化换热系统，所述管壳式液浴汽化换热器和套管式液浴汽化换热器上均设置有进液口、出液口、冷媒出口和冷媒进口；所述进液口与进液管路连接，所述出液口与出液管路连接，所述冷媒出口和冷媒进口分别与冷液循环管路两端连接。

基于上述一种液氢液浴汽化换热系统，所述冷液循环管路包括冷媒空气加热器、膨胀液槽、冷媒循环泵和调节管路；所述冷媒空气加热器与换热件的冷媒出口连接，所述膨胀液槽的进液口与冷媒空气加热器连接；所述冷媒循环泵设置在膨胀液槽的出口端上，所述调节管路分别与冷媒循环泵的出口端和膨胀液槽的进口端连接。

基于上述一种液氢液浴汽化换热系统，所述冷液循环管路包括冷媒空气加热器、膨胀液槽、冷媒循环泵、调节管路和冷量回收管路；所述冷量回收管路与换热件的冷媒出口连接，所述冷媒空气加热器与冷量回收管路连接，所述膨胀液槽的进液口与冷媒空气加热器连接；所述冷媒循环泵设置在膨胀液槽的出口端上，所述调节管路分别与冷媒循环泵的出口端和膨胀液槽的进口端连接。

基于上述一种液氢液浴汽化换热系统，所述冷量回收管路包括载冷剂进液管线、冷量回收换热器和载冷剂出液管线；所述载冷剂进液管线和载冷剂出液管线分别与冷量回收换热器连接。

基于上述一种液氢液浴汽化换热系统，所述调节管路上设置有回流调节阀。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.本方案采用液浴汽化换热器替换空温式汽化器的方法，让45MPa液氢与冷媒进行换热，使得冷媒温度降低，吸收液氢冷量的冷媒进入到冷媒冷量回收换热器和空气加热器，冷媒温度升高后进入膨胀液箱，通过循环泵回到液浴汽化换热器再与液氢进行换热；液氢汽化到接近环境温度后去存储和加注。液浴汽化换热器可采用1、特殊管壳式结构：管程介质为液氢，管程材质为316L，壳程介质为冷媒，材质为304。2、套管式结构：内管介质为液氢，材质为316L，外管介质为冷媒，材质为304。

该工艺采用冷媒与液氢进行液液换热实现冷量的间接安全转移，冷媒蓄冷量可以用来对加氢站加注氢气进行直接或间接预冷实现冷量回收或者直接通过空气加热。这样采用温区接近的介质进行换热，降低设备选型难度、提高系统设备的安全性和可靠性。该工艺实用新型的液浴汽化换热器，具有体积小结构紧凑、传热效率高、成本低的特点，选用特殊管壳式结构或套管式结构，对进入换热器冷媒流量通过冷媒循环泵出口回流管进行调节实现对液氢汽化后温度的精准调节。同时，该工艺冷媒蓄冷量可以用来对加氢站加注氢气进行直接或间接预冷实现冷量回收，节约加氢站冷冻机运行功耗；或者直接通过空气加热冷媒实现冷媒的复温循环，由于冷媒和空气温差较小，空气加热器可设计常规成熟的换热器，成本低、运行维护更方便。该工艺冷媒至少应该选择冰点≤-60℃左右，热容高，粘度低，而工艺控制实际工作温度在-40～常温之间，可保障低温液氢与冷媒换热过程安全可靠，不至冷媒结冰危害到液浴汽化换热器。

附图说明

图1是本实用新型实施例1整体的结构示意图；

图2是本实用新型实施例2整体的结构示意图；

图3是本实用新型中管壳式液浴汽化换热器的结构示意图；

图4是本实用新型中套管式液浴汽化换热器的结构示意图；

图中标记：1、进液管路；2、进液切断阀；3、换热件；4、冷液循环管路；5、出液管路；6、冷量回收管路；31、管壳式液浴汽化换热器；32、套管式液浴汽化换热器；41、冷媒空气加热器；42、膨胀液槽；43、冷媒循环泵；44、调节管路；45、回流调节阀；61、载冷剂进液管线；62、冷量回收换热器；63、载冷剂出液管线。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或隐含地包括一个或多个该特征。

实施例1

如图1所示，一种液氢液浴汽化换热系统，其至少包括但不限于进液管路1、进液切断阀2、换热件3、冷液循环管路4和出液管路5；进液切断阀2设置在进液管路1上，换热件3的进液口设置在进液切断阀2之后，冷液循环管路4分别与换热件3的冷媒出口和冷媒进口连接，使冷媒循环管路能够对换热件3内的低温液氢冷量进行换热。

基于上述结构，本方案通过将现有技术中的空温式气化器替换为换热件3，同时将换热件3与冷液循环管路4进行连接，使冷液循环管路4对换热后冷媒进行升温，改变了升温位置，保证了在换热件3处不会局部结冰，影响换热效率，同时由于不采用空温式气化器，整体的安装体积可以极大的进行减小，降低主加注管路的整体体积，提升整体的工作效率。

作为示例的，换热件3可以为管壳式液浴汽化换热器31和/或套管式液浴汽化换热器32，管壳式液浴汽化换热器31和套管式液浴汽化换热器32上均设置有进液口、出液口、冷媒出口和冷媒进口。

进液口与进液管路1连接，出液口与出液管路5连接，冷媒出口和冷媒进口分别与冷液循环管路4两端连接。

基于上述结构，高压低温液氢通过进液管路1进入到换热件3中，高压低温液氢在换热件3中与冷媒发生反应，使冷媒与液氢发生换热反应，提升液氢的整体的温度，使液氢温度达到可直接使用的状态；冷媒在换热件3中与持续的与液氢发生换热，使在换热件3中不会产生结冰线下，而冷液循环系统在换热件3外部进行吸热或冷量回收处理，保证了高压低温液氢作业区的稳定性，提升了工作效率。

作为示例的，冷液循环管路4可以包括冷媒空气加热器41、膨胀液槽42、冷媒循环泵43和调节管路44；冷媒空气加热器41与换热件3的冷媒出口连接，膨胀液槽42的进液口与冷媒空气加热器41连接；冷媒循环泵43设置在膨胀液槽42的出口端上，调节管路44分别与冷媒循环泵43的出口端和膨胀液槽42的进口端连接。

基于上述结构，在换热件3中与低温液氢换热的冷媒输送到主管路工作区的外部，由冷媒空气加热器41进行加热处理，空气对冷媒进行加热复温，根据站点配置和冷量需求选型设计，温度升高到接近环境温度的冷媒回到膨胀液槽42储存，然后存储的冷媒由冷媒循环泵43提供动力将冷媒泵送至换热件3的冷媒进口中，使升温后的冷媒循环的在换热件3中与低温液氢进行换热。

作为示例的，调节管路44上可以设置有回流调节阀45，通过回流调节阀45可以调节进入到换热件3中冷媒的量，通过调节回膨胀液槽42冷媒流量来实现对气氢和出液浴汽化换热器冷媒温度的精准控制，以维持系统的温度平衡和稳定。

作为示例的，冷媒至少应该选择冰点≤-60℃的冷媒。

实施例2

如图2所示，一种液氢液浴汽化换热系统，其至少包括但不限于进液管路1、进液切断阀2、换热件3、冷液循环管路4和出液管路5；进液切断阀2设置在进液管路1上，换热件3的进液口设置在进液切断阀2之后，冷液循环管路4分别与换热件3的冷媒出口和冷媒进口连接，使冷媒循环管路能够对换热件3内的低温液氢冷量进行换热。

作为示例的，换热件3可以为管壳式液浴汽化换热器31和/或套管式液浴汽化换热器32，管壳式液浴汽化换热器31和套管式液浴汽化换热器32上均设置有进液口、出液口、冷媒出口和冷媒进口。

进液口与进液管路1连接，出液口与出液管路5连接，冷媒出口和冷媒进口分别与冷液循环管路4两端连接。

作为示例的，冷液循环管路4可以包括冷媒空气加热器41、膨胀液槽42、冷媒循环泵43、调节管路44和冷量回收管路6；冷量回收管路6与换热件3的冷媒出口连接，冷媒空气加热器41与冷量回收管路6连接，膨胀液槽42的进液口与冷媒空气加热器41连接；冷媒循环泵43设置在膨胀液槽42的出口端上，调节管路44分别与冷媒循环泵43的出口端和膨胀液槽42的进口端连接。

基于上述结构，在换热件3中与低温液氢换热的冷媒输送到主管路工作区的外部，通过冷量回收管路6对冷媒中的冷量进行回收利用，在由冷媒空气加热器41进行加热处理，空气对冷媒进行加热复温，根据站点配置和冷量需求选型设计，温度升高到接近环境温度的冷媒回到膨胀液槽42储存，然后存储的冷媒由冷媒循环泵43提供动力将冷媒泵送至换热件3的冷媒进口中，使升温后的冷媒循环的在换热件3中与低温液氢进行换热。

作为示例的，冷量回收管路6可以包括载冷剂进液管线61、冷量回收换热器62和载冷剂出液管线63；载冷剂进液管线61和载冷剂出液管线63分别与冷量回收换热器62连接，冷量回收换热器62直接与冷媒输送管线连通。

基于上述结构，通过载冷剂进液管线61和载冷剂出液管线63对载冷剂进行输送，使载冷剂在冷量回收换热器62中与冷媒进行换热，使载冷剂能够将冷媒中的部分冷量带走进行回收利用，冷媒在通过冷量回收换热器62后直接进入到冷媒空气加热器41中。

作为示例的，调节管路44上可以设置有回流调节阀45，通过回流调节阀45可以调节进入到换热件3中冷媒的量，通过调节回膨胀液槽42冷媒流量来实现对气氢和出液浴汽化换热器冷媒温度的精准控制，以维持系统的温度平衡和稳定。

作为示例的，冷媒至少应该选择冰点≤-60℃的冷媒；载冷剂种类可根据加氢站加注预冷温度选择。

本方案通过与传统的空温式汽化器方案相比，采用液浴汽化换热器可节约换热器成本约50％以上，占地节约70％以上；通过本实用新型若冷媒的冷量应用到加氢站的氢气预冷，可将80％以上的冷量进行回收，节约加氢站氢气加注过程预冷冷量的需求，降低冷媒空气加热器41负荷，减小加氢站冷冻机组的运行耗能，降低加氢站运行成本，针对于1000kg/12hr的加氢站，基于此种工艺节约下的氢气预冷的电耗，相当于～200KWh/d；通过本实用新型选用冷媒与液氢进行液液换热，采用高效率、小体积的管壳式或套管式换热器，采用简单的冷媒循环工艺，冷媒循环系统能耗仅冷媒循环泵43克服系统管路个设备的压降，系统经济性和稳定性高。

本方案的使用方法：

启动冷媒循环泵43，冷媒在液浴汽化换热器(套管式结构)外管中建立冷媒循环，确保载冷剂有流量，建立载冷剂循环，开启液氢入口切断阀，设定冷媒回流调节阀45调节冷媒出换热器和换热器出口气氢温度，换热器出口气氢目标温度为不低于环境温度-10℃，冷媒出换热器温度设定为进液浴汽化换热器冷媒温度+5℃。若出现载冷剂流量波动，冷媒可通过冷媒空气加热器41进行负荷调节复温加热，使得冷媒12温度接近环境温度-5℃，以此实现液氢的高效汽化，冷量的最大量回收和冷媒系统的稳定循环。冷媒选用氟化液，冰点-135℃，无色、无味、无毒、不可燃、粘度低绝对环保安全，为专门用来替代氟利昂等“破坏臭氧层”的物质。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种液氢液浴汽化换热系统，包括进液管路、进液切断阀、换热件、冷液循环管路和出液管路；所述进液切断阀设置在进液管路上，所述换热件的进液口设置在进液切断阀之后，所述冷液循环管路分别与换热件的冷媒出口和冷媒进口连接，使冷媒循环管路能够对换热件内的低温液氢冷量进行换热。

2.如权利要求1所述的一种液氢液浴汽化换热系统，其特征在于：所述换热件为管壳式液浴汽化换热器和/或套管式液浴汽化换热器。

3.如权利要求2所述的一种液氢液浴汽化换热系统，其特征在于：所述管壳式液浴汽化换热器和套管式液浴汽化换热器上均设置有进液口、出液口、冷媒出口和冷媒进口；所述进液口与进液管路连接，所述出液口与出液管路连接，所述冷媒出口和冷媒进口分别与冷液循环管路两端连接。

4.如权利要求1～3任意一项所述的一种液氢液浴汽化换热系统，其特征在于：所述冷液循环管路包括冷媒空气加热器、膨胀液槽、冷媒循环泵和调节管路；所述冷媒空气加热器与换热件的冷媒出口连接，所述膨胀液槽的进液口与冷媒空气加热器连接；所述冷媒循环泵设置在膨胀液槽的出口端上，所述调节管路分别与冷媒循环泵的出口端和膨胀液槽的进口端连接。

5.如权利要求1～3任意一项所述的一种液氢液浴汽化换热系统，其特征在于：所述冷液循环管路包括冷媒空气加热器、膨胀液槽、冷媒循环泵、调节管路和冷量回收管路；所述冷量回收管路与换热件的冷媒出口连接，所述冷媒空气加热器与冷量回收管路连接，所述膨胀液槽的进液口与冷媒空气加热器连接；所述冷媒循环泵设置在膨胀液槽的出口端上，所述调节管路分别与冷媒循环泵的出口端和膨胀液槽的进口端连接。

6.如权利要求5所述的一种液氢液浴汽化换热系统，其特征在于：所述冷量回收管路包括载冷剂进液管线、冷量回收换热器和载冷剂出液管线；所述载冷剂进液管线和载冷剂出液管线分别与冷量回收换热器连接。

7.如权利要求5所述的一种液氢液浴汽化换热系统，其特征在于：所述调节管路上设置有回流调节阀。

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