一种低能耗低蒸发率液氢智能储罐

本发明涉及储氢装备，特别涉及一种低能耗低蒸发率液氢智能储罐。

背景技术：

1、液氢作为一种清洁燃料，具有高能量密度和零排放的特点，在航天、能源和交通领域有着广泛的应用。液氢是指将氢气压缩冷却至-253℃使其液化，由于液氢沸点极低的物理特性，故对液氢储存容器的保冷效果要求较高。液氢通常储存于真空绝热储罐中，由于液氢储罐内外温差大，即使储罐有再好的绝热性能，部分液氢也会不可避免地蒸发为气态。液氢的蒸发会导致两方面的损失，一是冷量的损失，即氢气制冷液化所消耗的能量，二是氢燃料的损失，液氢的蒸发会使储罐内压力上升，必须及时排掉，否则会造成储罐爆炸等安全隐患。在固定式液氢储罐中，造成液氢蒸发的主要因素是漏热，可采用导热系数低的材料降低导热，增加容器内外壁间的真空度，安装多层隔热层，以及使用冷屏等方式减少漏热，从而降低液氢的蒸发率。经过调研发现，现有液氢储罐存在诸多不足，具体如下：

2、(1)现有液氢储罐中，由于氢蒸发造成储罐内压力上升，在进行泄压排放时，并未对低温蒸发氢的冷量加以利用，而是直接将其排到储罐外，这将造成大量的冷量损失；

3、(2)现有液氢储罐中，储罐内蒸发氢的压力存在监测不准确，蒸发氢不能及时排出，易造成储罐爆炸等安全隐患；

4、(3)现有液氢储罐所采用冷屏中的低温工质需要先在储罐外制冷到一定温度，再引入到储罐内的冷屏中对储罐内胆进行冷却，在此过程中，低温工质的制冷需要额外消耗大量的能量；

5、(4)现有液氢储罐中，储罐内胆和外罐间的支撑结构易引起漏热，导致液氢的蒸发率升高，且储罐内胆充装液氢后遇冷收缩将硬性拉扯支撑结构，易造成连接强度变差，从而影响储罐的使用寿命。

6、综上所述，为了有效解决现有液氢储罐的不足，本发明提供了一种低能耗低蒸发率液氢智能储罐，以解决现有液氢储罐中蒸发氢的冷量未加以利用而直接排放、储罐内蒸发氢的压力存在监测不准确而不能及时排出、储罐保冷需要额外消耗大量能量、以及内外罐体支撑结构易引起漏热及连接强度变差等问题。

技术实现思路

1、(一)解决的技术问题：

2、本发明在储罐内胆外设置双层冷屏，冷屏内层设置催化剂槽放置仲正氢转化催化剂，仲氢转化为正氢为吸热反应，将储罐内胆中的蒸发氢引入到催化剂槽，低温蒸发氢经过仲正氢转化反应后，温度将变低，再进入冷屏中空腔中，经过冷屏内部均布的冷屏凸块的扰动，蒸发氢的冷量被充分吸收利用，因此无需引入其他低温工质对储罐内胆进行冷却，解决了液氢储罐内低温蒸发氢的冷量未加以利用而直接排放、保冷需要额外消耗大量能量的问题；储罐内设有压力传感器监测内胆中蒸发氢的压力，温压传感器监测冷屏内蒸发氢的温度及压力，可远程控制智能自动排放阀对内胆和冷屏中的蒸发氢进行排放，解决了储罐内蒸发氢的压力监测不准确，蒸发氢不能及时排掉，易造成储罐爆炸等安全隐患的问题；支撑结构的设计均考虑了遇冷收缩变形量，支撑结构的尺寸可以根据变形量而灵活调整，解决了内胆充装液氢后遇冷收缩时硬性拉扯支撑结构而造成连接强度变差的问题；储罐内填充变密度多层绝热材料，支撑结构均采用玻璃钢材料，且支撑结构内部空腔也保持足够的真空度，以减少漏热，从而降低液氢的蒸发率，解决了内外罐体支撑结构易引起漏热、液氢蒸发率升高的问题。

3、(二)技术方案：

4、一种低能耗低蒸发率液氢智能储罐，其由真空绝热储罐、冷屏装置、冷屏支撑机构、储罐支撑机构、液氢注入输出装置、蒸发氢排出装置组成；所述真空绝热储罐由外罐、内胆、变密度多层绝热材料组成，所述外罐和内胆均采用奥氏体不锈钢材料，内胆嵌套于外罐中，所述变密度多层绝热材料填充于外罐与内胆之间的中空腔内；所述冷屏装置由冷屏、冷屏凸块、催化剂槽组成，所述冷屏内部为中空形式，围绕内胆的圆柱罐体外串联设置两层冷屏，所述冷屏凸块周向均布于冷屏的内壁上，所述催化剂槽设置在冷屏内层中，与冷屏内部中空腔连通，用于放置仲正氢转化催化剂；所述冷屏支撑装置由6个冷屏外吊耳、6个外罐内吊耳、6个冷屏支撑吊杆机构、3个冷屏中部支撑机构、12个螺栓组成，所述冷屏外吊耳在冷屏外层外壁面上下端分别对称设置3个，且周向均布于冷屏的外壁面上，所述外罐内吊耳在外罐圆柱罐体内壁面上下端分别对称设置3个，且周向均布于外罐内壁面上，与冷屏外吊耳成对设置，所述冷屏支撑吊杆机构通过螺栓与冷屏外吊耳、外罐内吊耳连接，每对冷屏外吊耳和外罐内吊耳间都安装1个冷屏支撑吊杆机构用于固定冷屏装置，所述3个冷屏中部支撑机构周向均布于冷屏的内外层之间；所述储罐支撑机构由外罐支撑底座、内胆支撑柱、内胆支撑底座、楔形滑块、顶部支撑机构组成，所述外罐支撑底座设置于外罐底部，外罐支撑底座内部的中空槽ⅰ与外罐和内胆之间的中空腔相连通，所述内胆支撑柱下端方形支柱穿过内胆支撑底座的方形通孔与的楔形滑块配合连接，所述内胆支撑底座焊接固定在中空槽ⅰ的底部，所述楔形滑块采用玻璃钢材料制成，可在内胆支撑柱和外罐支撑底座间起隔热作用，楔形滑块置于内胆支撑底座内部，楔形滑块的上下平面与内胆支撑底座内部上下平面平齐，所述顶部支撑机构设置于外罐与内胆的顶部之间；所述液氢注入输出装置由液氢注入管道、液氢输出管道、阀门、管道支撑架组成，所述液氢输入管道设置于外罐底部，一端由管道支撑架支撑固定，另一端穿过外罐与内胆连通，所述液氢输出管道设置于外罐底部，一端由管道支撑架支撑固定，另一端穿过外罐与内胆连通，所述阀门设置于液氢注入管道、液氢输出管道上，所述管道支撑架焊接在外罐底部，用于支撑对应管道；所述蒸发氢排出装置由单向阀、蒸发氢排出管道ⅰ、蒸发氢排出管道ⅱ、智能自动排放阀ⅰ、泄压排放管道、温压传感器、智能自动排放阀ⅱ、压力传感器组成，所述单向阀通过螺纹ⅰ、螺纹ⅱ连接安装在蒸发氢排出管道ⅰ内，所述蒸发氢排出管道ⅰ设置于内胆的顶部，一端连通内胆，另一端与催化剂槽连通，所述蒸发氢排出管道ⅱ设置于内胆的顶部，一端连通内胆，一端与蒸发氢排出管道ⅰ连通，所述智能自动排放阀ⅰ安装在泄压排放管道上，所述泄压排放管道设置于外罐下端，一端连通冷屏的外层，一端通往外罐的外部，所述温压传感器安装泄压排放管道内部，用于监测冷屏中蒸发氢的温度和压力，所述智能自动排放阀ⅱ安装在蒸发氢排出管道ⅱ上，所述压力传感器安装在蒸发氢排出管道ⅱ内部，用于监测内胆中蒸发氢的压力。

5、所述冷屏凸块有圆柱体凸块、长方体凸块、三菱柱凸块三种形式，冷屏凸块的设置增加了换热面积，且对通入冷屏的蒸发氢有扰动作用，可以增强冷却效果。

6、所述冷屏支撑吊杆机构采用玻璃钢材料制成，两段拉杆间设有连接头，通过连接头和内置的弹簧ⅰ可调整冷屏支撑吊杆机构的长度，进而调整冷屏与外罐的安装精度及预留冷屏遇冷收缩的变形量，拉杆的一端焊接有2块连接板，连接板上设置有连接孔，用于将冷屏支撑吊杆机构通过螺栓连接到外罐和内胆上，拉杆可绕螺栓的轴线小幅度转动，连接头上对称设置有2个圆柱通孔ⅰ，在对外罐与内胆间的中空腔抽取真空时，可使连接头的内部也处于真空状态，以减少冷屏支撑吊杆机构产生的漏热。

7、所述冷屏中部支撑机构采用玻璃钢材料制成，设有中部支撑外筒、中部支撑内筒，中部支撑外筒内设有弹簧ⅱ、隔热缓冲垫ⅰ，当冷屏遇冷收缩时，可通过弹簧ⅱ灵活调整冷屏内外层的距离，以补偿遇冷收缩的变形量，中部支撑外筒外环面上对称设有2个圆柱通孔ⅱ，在对外罐与内胆间的中空腔抽取真空时，可使支撑外筒的内部也处于真空状态，以减少冷屏中部支撑机构产生的漏热。

8、所述内胆支撑柱下端方形支柱上设有斜凸台ⅰ、斜凹槽ⅰ，斜凸台ⅰ与楔形滑块上的斜凹槽ⅱ配合，斜凹槽ⅰ与斜凸台ⅱ配合，当内胆遇冷收缩时内胆支撑柱向上移动时，楔形滑块可水平移动和方形支柱保持配合，以补偿遇冷收缩的变形量，保证对内胆的支撑作用。

9、所述内胆支撑底座顶部设有方形通孔，侧面对称设置圆柱通孔ⅲ，在对外罐与内胆间的中空腔抽取真空时，可使内胆支撑底座的内部也处于真空状态，以减少内胆支撑底座产生的漏热。

10、所述顶部支撑机构采用玻璃钢材料制成，设有顶部支撑外筒、顶部支撑内筒，顶部支撑外筒内设隔热缓冲垫ⅱ、弹簧ⅲ，当内胆遇冷收缩时，可通过弹簧ⅲ灵活调整顶部支撑机构的长度，以补偿遇冷收缩的变形量，顶部支撑外筒外环面上对称设有2个圆柱通孔ⅳ，在对外罐与内胆间的中空腔抽取真空时，可使顶部支撑外筒的内部也处于真空状态，以减少顶部支撑机构产生的漏热。

11、所述单向阀设有外阀座、内阀座、阀芯，外阀座上设有排气通道、螺纹ⅱ、密封圈槽，内阀座上设有螺纹ⅰ、进气通道、密封平面，阀芯设有中空槽ⅱ、密封圈槽、平面密封圈槽、斜孔，斜孔与中空槽ⅱ连通，弹簧ⅳ内置于中空槽ⅱ中，单向阀关闭时，平面密封圈槽中内置的平面密封垫圈和密封平面形成平面密封对内胆进行密封，单向阀开启时，阀芯上移，蒸发氢从斜孔进入中空槽ⅱ，通过排气通道进入蒸发氢排出管道ⅰ，通入催化剂槽中。

12、所述智能自动排放阀ⅰ的开启与关闭可远程控制，其开启与关闭状态是根据温压传感器监测到的温度和压力值大小决定的。

13、所述智能自动排放阀ⅱ的开启与关闭可远程控制，其开启与关闭状态是根据压力传感器监测到的压力值大小决定的。

14、(三)本发明的有益效果为：

15、(1)本发明在储罐内胆外设置双层冷屏，冷屏内层设置催化剂槽放置仲正氢转化催化剂，冷屏中空腔内均布冷屏凸块以增大换热面积，将储罐内胆中的低温蒸发氢引入到催化剂槽，低温蒸发氢经过仲正氢转化反应后，再进入冷屏中空腔中，经过冷屏内部均布的冷屏凸块的扰动，蒸发氢的冷量被充分利用，因此无需引入其他低温工质对储罐内胆进行冷却，解决了液氢储罐的保冷需要额外消耗大量能量、低温蒸发氢的冷量未加以利用而直接排放的问题；

16、(2)本发明设有压力传感器监测内胆中蒸发氢的压力，温压传感器监测冷屏内蒸发氢的温度及压力，可远程控制智能自动排放阀对内胆和冷屏中的蒸发氢进行排放，解决了储罐内蒸发氢的压力存在监测不准确，蒸发氢不能及时排掉，易造成储罐爆炸等安全隐患的问题；

17、(3)本发明支撑结构的设计均预留了遇冷收缩变形量，支撑结构的尺寸可以根据变形量灵活调整，解决了内胆充装液氢后遇冷收缩时硬性拉扯支撑结构而造成连接强度变差的问题；

18、(4)本发明外罐和内胆之间空腔内填充变密度多层绝热材料，支撑结构均采用玻璃钢材料，且支撑结构内部空腔也保持足够的真空度，解决了支撑结构易引起漏热，造成液氢蒸发率升高的问题。