一种利用不凝性气体的液氢快速预冷系统及其方法与流程

本发明属于液氢，具体涉及一种利用不凝性气体的液氢快速预冷系统及其方法。

背景技术：

1、液氢作为一种清洁能源，其燃烧时只产生水蒸气，不会释放二氧化碳等温室气体。此外，液氢具有高能量密度，能够作为能源的有效存储媒介，有望解决可再生能源间歇性发电的问题。此外，液氢在未来交通运输领域的前景被广泛认可，特别是可以作为燃料电池车辆的能源，以减少对化石燃料的依赖。

2、尽管液氢的发展前景广阔，但仍面临一些挑战，例如生产成本高、储运安全等问题。在液氢加注或转注过程中，需要进行预冷操作以降低温度。由于液氢的温度非常低，通常在20k左右，这就要求相关的管路和容器的温度也要降至相应的低温。由于热量传导需要时间，将大型容器和长管路的温度冷却至液氢温度可能需要较长时间。为了确保系统内部的所有部分都能达到所需的温度，预冷过程需要充足的时间以实现温度的均匀分布。

3、在液氢预冷管路时，膜态沸腾作为预冷过程中最重要的换热机制，其绝大部分温降发生在膜态沸腾区，占总温降的比例超过了90％。这一比例远高于其他常见的低温流体，因此液氢系统预冷的时间相对更长。因此，亟需开发一种液氢快速预冷系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中的不择，并提供一种利用不凝性气体的液氢快速预冷系统及其方法。该系统利用不凝性气体破坏预冷过程中产生的稳定气膜，提升换热效率；同时利用波动压力调节，改变预冷过程的液氢压力及流量，实现液氢过热度的调控，进一步对预冷过程的稳定气膜进行破坏，减少预冷时间。

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供了一种利用不凝性气体的液氢快速预冷系统，包括液氢增压管路、液氢供给罐、液氢加注管路、快冷却液氢管路、液氢加注罐主体结构、不凝性气体管路、高压不凝性气体瓶和控制器；所述液氢加注罐主体结构包括液氢加注外罐和液氢加注内罐；所述高压不凝性气体瓶置于冷却池内；所述冷却池内填充有冷却剂，用于冷却高压不凝性气体瓶内部的不凝性气体；

4、所述快冷却液氢管路自外向内依次为管路外壁、真空夹层、管路内壁和中心流道；所述管路内壁内部设有管路内嵌流道，且管路内嵌流道上设置若干管路内嵌喷嘴；所述管路内嵌喷嘴一端与管路内嵌流道连通，另一端与中心流道连通，使得外部的不凝性气体通过管路内嵌流道进入中心流道；

5、所述液氢增压管路依次连接液氢供给罐的底部、第一液氢截止阀、液氢电磁阀、汽化器后与液氢供给罐的顶部连通，将液氢汽化后输入至液氢供给罐进行增压；所述液氢供给罐上设有用于获取其内部压力的压力传感器；

6、所述液氢加注管路依次连接液氢供给罐的底部、第二液氢截止阀、快冷却液氢管路的中心流道、液氢阀门、液氢计量元件、第三液氢截止阀后与液氢加注内罐连通，利用液氢供给罐内部的液氢进行预冷和加注；

7、所述液氢加注内罐的内侧壁面设有用于通入不凝性气体的壁面内嵌流道；所述壁面内嵌流道上设有若干壁面内嵌喷嘴，壁面内嵌喷嘴一端与壁面内嵌流道连通，另一端与液氢加注内罐内部连通，将不凝性气体输送至液氢加注内罐内部；

8、所述液氢加注内罐顶部设有排空管路和增压管路；排空管路和增压管路上分别设有氢气排空阀和氢气增压阀；所述液氢加注内罐底部还设有输送管路，且输送管路上设有第四液氢截止阀；

9、所述不凝性气体管路的前端依次连接高压不凝性气体瓶、不凝性气体截止阀、不凝性气体电磁阀；不凝性气体管路的后端分为两条支路，第一支路连接快冷却液氢管路的管路内嵌流道，使得不凝性气体通过管路内嵌喷嘴进入中心流道，第二支路连接液氢加注内罐的壁面内嵌流道，使得不凝性气体通过壁面内嵌喷嘴进入液氢加注内罐内部；

10、所述控制器通过信号线分别与液氢电磁阀、压力传感器和不凝性气体电磁阀连接；控制器获取液氢供给罐的内部压力后，通过反馈信号调节液氢电磁阀的开度；控制器控制不凝性气体电磁阀开关循环。

11、作为优选，所述液氢加注外罐和液氢加注内罐之间形成真空环境，并设置多层防辐射屏绝热。

12、作为优选，所述增压管路的出口和输送管路的出口均通过法兰与外部设备连接。

13、作为优选，所述不凝性气体为氦气或者氢气。

14、作为优选，所述冷却池内采用液氢或液氮介质作为冷却剂。

15、作为优选，所述液氢阀门采用球阀、截止阀、调节阀或安全阀。

16、作为优选，所述液氢计量元件采用质量流量计、液位计、流速计、温度传感器或压力传感器。

17、作为优选，所述液氢增压管路、液氢加注管路、不凝性气体管路外部均设置绝热材料，防止漏热。

18、作为优选，所述控制器控制液氢电磁阀的开度在指定范围内正弦或者余弦波动，从而规律性改变供液压力和流量。

19、第二方面，本发明提供了一种利用第一方面所述液氢快速预冷系统的方法，具体过程如下：

20、s1：预冷阶段：

21、打开第一液氢截止阀和液氢电磁阀，启动控制器；液氢供给罐底部的液相空间的部分液氢进入液氢增压管路，随后依次通过第一液氢截止阀、液氢电磁阀进入汽化器吸收热量汽化，最后进入液氢供给罐顶部的气相空间增压，使其具备向外部供液能力；所述压力传感器获取液氢供给罐的内部压力后，通过信号线传递至控制器；控制器通过反馈信号调节液氢电磁阀的开度，使液氢供给罐内部达到设定压力，在整个预冷阶段，液氢供给罐内部压力按正弦波动，规律性控制进入液氢加注管路内液氢的压力和流量；

22、打开第二液氢截止阀、液氢阀门、第三液氢截止阀和氢气排空阀；来自液氢供给罐的液氢进入液氢加注管路，依次通过第二液氢截止阀进入快冷却液氢管路的中心流道，对快冷却液氢管路进行冷却；随后依次流经液氢阀门、液氢计量元件、第三液氢截止阀进入液氢加注内罐，冷却液氢加注内罐；最终通过氢气排空阀排空；

23、打开不凝性气体截止阀和不凝性气体电磁阀；控制器控制不凝性气体电磁阀处开启和关闭的循环状态；

24、所述不凝性气体电磁阀开启时，不凝性气体流通：高压不凝性气体瓶在冷却池内部吸收冷量降温，不凝性气体依次通过不凝性气体截止阀和不凝性气体电磁阀，部分不凝性气体通过第一支路进入快冷却液氢管路的管路内嵌流道，并通过管路内嵌喷嘴进入中心流道；另一部分不凝性气体通过第二支路进入壁面内嵌流道，并通过壁面内嵌喷嘴进入液氢加注内罐内部；最终不凝性气体通过氢气排空阀排出；所述不凝性气体电磁阀关闭时，则不凝性气体不进行流通；通过不凝性气体的流通与否，破坏液氢段的气膜或增加气氢段的扰动，提升冷却效率；

25、持续上述过程直至快冷却液氢管路的中心流道和液氢加注内罐的温度都达到液氢温度，此时预冷完成，关闭不凝性气体截止阀和不凝性气体电磁阀；

26、s2：加注阶段：

27、通过控制器控制液氢供给罐内部的压力维持在相对高压状态，并且固定液氢电磁阀的开度；液氢供给罐内部的液氢通过液氢加注管路输送至液氢加注内罐；当液氢加注内罐内部的液氢达到指定液位后，加注完成，关闭第一液氢截止阀、液氢电磁阀、第二液氢截止阀、液氢阀门、第三液氢截止阀，氢气排空阀保持常开状态。

28、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

29、(1)本发明提供的液氢快速预冷系统，利用外部输入的间歇性低温不凝性气体，有效抑制液氢预冷过程产生的气膜现象，提升换热效率；

30、(2)本发明提供的液氢快速预冷系统结合不凝性气体输入需求，对快冷却液氢管路和液氢加注内罐壁面结构进行优化设计，通过设置多个并联的气体喷嘴，增加表面的液氢汽化核心数量，从而强化沸腾换热；

31、(3)本发明提供的液氢快速预冷系统中采用控制器控制液氢电磁阀的开度在指定范围内正弦或者余弦波动，规律性改变预冷过程的液氢流量和压力。这样可以间接实现液氢过热度的调控，进一步破坏已形成的稳定气膜。

32、综上，本发明提供的系统能够提升预冷效率，并减小整体预冷时间。这种方法不仅提高了能效，还有助于节省成本和时间，对液氢的储存和运输具有重要意义。