一种冷能利用的液氢高压预冷系统及其方法与流程

本发明属于液氢，具体涉及一种冷能利用的液氢高压预冷系统及其方法。

背景技术：

1、近年来，随着氢能产业的迅速发展，液氢作为一种能够高效储存和运输的模式，相较于气态氢在规模化发展氢能产业中显示出更加明显的优势。在燃料电池领域，许多工业氢气难以满足燃料电池的高纯度要求，而液氢技术路线能够有效控制硫、氯等杂质含量，从而提供更纯净的氢气。液氢技术不仅适用于燃料电池，还广泛应用于半导体、电真空材料、硅晶片、光导纤维等领域。这些领域对氢气的纯度有着极高的要求。

2、在氢能的中间储运方面，大规模储运是氢能发展的瓶颈。液氢作为最佳的储运途径，能够实现氢气的规模化、高效储运。在液氢加注或转注过程中，预冷系统是不可或缺的环节，它确保液氢在输送和储存过程中能够维持低温状态。预冷的过程包括清洁、置换、介质冷却等步骤。然而，液氢的温度非常低，通常在20k左右(约-253℃)，这要求管路和容器的温度也要降至极低，并且由于热量传导需要时间，将大型容器和长管路冷却至液氢温度需要较长时间。此外，为了确保系统内部的所有部分都能达到所需的温度，预冷过程需要更多的时间来实现均匀的温度分布，这些步骤需要严格控制和监测，以确保液氢在输送和储存过程中的安全性和稳定性。因此，亟需开发出一种能够减少预冷时间的液氢预冷系统。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中的不足，并提供一种冷能利用的液氢高压预冷系统及其方法。预冷过程采用自增压输送的高压液氢，降低气膜对壁面冷却的影响，提升预冷效率，并且采用节流产生额外冷量，通过设计的贴壁冷屏和快冷却液氢管路进一步减少预冷时间。

2、本发明所采用的具体技术方案如下：

3、第一方面，本发明提供一种冷能利用的液氢高压预冷系统，包括液氢加注罐主体结构、液氢加注管路、液氢供给罐、快冷却液氢管路和氢气冷却管路；所述液氢加注罐主体结构包括液氢加注内罐和液氢加注外罐，且液氢加注内罐设置在液氢加注外罐内；

4、所述快冷却液氢管路自外向内分别为管路外壁、管路中间壁和管路内壁；所述管路外壁和管路中间壁设置真空夹层，进行高效绝热；所述管路中间壁和管路内壁之间为用于填充仲正氢转化催化剂的填充剂流道；所述管路内壁内部为预冷时液氢流通的中心流道；

5、所述液氢加注内罐外侧设置贴壁冷屏，用于冷却液氢加注内罐；所述液氢加注内罐顶部设置排空管路和增压管路，排空管路和增压管路上分别设有第一排空阀和氢气增压阀；所述液氢加注内罐底部设置液氢加注管路和输送管路；所述输送管路上设有液氢输送阀；

6、所述液氢加注管路依次连接液氢供给罐、液氢供给阀、快冷却液氢管路的中心流道、液氢阀门、液氢计量元件、液氢加注阀至液氢加注内罐底部利用液氢供给罐的液氢进行预冷和加注；

7、所述氢气冷却管路依次连接液氢加注内罐的顶部、氢气回流阀、贴壁冷屏、氢气节流阀、节流元件、快冷却液氢管路中的填充剂流道，利用低温氢气冷能进行快速预冷；所述氢气冷却管路上通过第二排空阀设有用于排空液氢储存时氢气的支路。

8、作为优选，所述管路外壁、管路中间壁和管路内壁均采用不锈钢管。

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

10、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。

11、作为优选，所述液氢阀门采用球阀、截止阀、调节阀或安全阀；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。

12、作为优选，所述液氢供给罐采用自增压方式进行液氢输送。

13、作为优选，所述液氢加注管路、快冷却液氢管路和氢气冷却管路外部均设置绝热材料，防止漏热。

14、作为优选，所述填充剂流道内部填充颗粒状的仲正氢转化催化剂，降低热阻。

15、作为优选，所述贴壁冷屏和液氢加注内罐加工为一个整体，减少接触热阻。

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

17、s1：预冷阶段：

18、打开液氢供给阀、液氢阀门、液氢加注阀、氢气回流阀、氢气节流阀；所述液氢供给罐通过自增压进入高压供液状态；高压液氢通过液氢供给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，随后依次通过液氢阀门、液氢计量元件、液氢加注阀进入液氢加注内罐，对液氢加注内罐进行预冷；预冷过程产生的高压氢气通过氢气回流阀进入氢气冷却管路；首先进入贴壁冷屏，从外侧对液氢加注内罐进行冷却，减小液氢加注内罐的预冷时间；随后通过氢气节流阀进入节流元件进行节流制冷，由高压氢气转变为低温低压氢气，并进入快冷却液氢管路的填充剂流道；低温低压氢气在填充的仲正氢催化剂的作用下开始进行仲正转化，进一步产生冷量，对管路中间壁、管路内壁进行冷却，减小快冷却液氢管路的预冷时间，随后氢气流出快冷却液氢管路并排空；

19、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，关闭氢气回流阀和氢气节流阀；

20、s2：加注阶段：

21、打开第一排空阀；所述液氢供给罐通过自增压进入低压加注状态，加注液氢依次通过液氢供给阀、快冷却液氢管路、液氢阀门、液氢计量元件、液氢加注阀进入液氢加注内罐，当液氢加注内罐内部的液氢达到指定液位后，加注完成，关闭液氢供给阀、液氢阀门、液氢加注阀；

22、s3：贮存阶段：

23、打开氢气回流阀和第二排空阀，关闭第一排空阀；液氢存储产生的低温氢气通过氢气回流阀进入贴壁冷屏，从外侧对液氢加注内罐进行冷却，降低存储过程的液氢汽化量，随后通过第二排空阀排空。

24、本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：

25、(1)本发明提供的预冷系统，采用高压液氢进行预冷，有效降低液氢与罐壁的过热度，减少了气膜的持续时间，从而显著提升冷却效率；汽化后的高压氢气则通过节流元件产生冷量，这一冷量被用于后续液氢管路的冷却，进一步提高了系统的冷却性能；

26、(2)本发明提供的预冷系统，利用低温氢气节流后的冷量和仲正氢转化产生的冷量对液氢管路内壁面进行双向预冷，这样的设计大幅缩减了管路的降温时间，并实现了低温氢气冷量的充分利用；

27、(3)本发明提供的预冷系统中贴壁冷屏与液氢加注内罐的外侧紧密相连，不仅减少了预冷时间，而且在存储阶段还能降低液氢的蒸发量，提高了整个系统的经济性和安全性。

技术特征：

1.一种冷能利用的液氢高压预冷系统，其特征在于，包括液氢加注罐主体结构、液氢加注管路(1)、液氢供给罐(2)、快冷却液氢管路(4)和氢气冷却管路(20)；所述液氢加注罐主体结构包括液氢加注内罐(14)和液氢加注外罐(15)，且液氢加注内罐(14)设置在液氢加注外罐(15)内；

2.根据权利要求1所述的冷能利用的液氢高压预冷系统，其特征在于，所述管路外壁(5)、管路中间壁(7)和管路内壁(9)均采用不锈钢管。

3.根据权利要求1所述的冷能利用的液氢高压预冷系统，其特征在于，所述液氢加注内罐(14)和液氢加注外罐(15)之间形成真空环境，并设置多层防辐射屏绝热。

4.根据权利要求1所述的冷能利用的液氢高压预冷系统，其特征在于，所述增压管路的出口和输送管路的出口均通过法兰(18)与外部设备连接。

5.根据权利要求1所述的冷能利用的液氢高压预冷系统，其特征在于，所述液氢阀门(11)采用球阀、截止阀、调节阀或安全阀；所述液氢计量元件(12)采用质量流量计、液位计、流速计、温度传感器或压力传感器。

6.根据权利要求1所述的冷能利用的液氢高压预冷系统，其特征在于，所述液氢供给罐(2)采用自增压方式进行液氢输送。

7.根据权利要求1所述的冷能利用的液氢高压预冷系统，其特征在于，所述液氢加注管路(1)、快冷却液氢管路(4)和氢气冷却管路(20)外部均设置绝热材料，防止漏热。

8.根据权利要求1所述的冷能利用的液氢高压预冷系统，其特征在于，所述填充剂流道(8)内部填充颗粒状的仲正氢转化催化剂，降低热阻。

9.根据权利要求1所述的冷能利用的液氢高压预冷系统，其特征在于，所述贴壁冷屏(22)和液氢加注内罐(14)加工为一个整体，减少接触热阻。

10.一种利用权利要求1～9任一所述液氢高压预冷系统的方法，其特征在于，具体过程如下：

技术总结本发明公开了一种冷能利用的液氢高压预冷系统及其方法，属于液氢技术领域。该预冷系统液氢加注罐主体结构、液氢加注管路、液氢供给罐、快冷却液氢管路和氢气冷却管路。其中快冷却液氢管路自外向内分别为管路外壁、真空夹层、管路中间壁、填充剂流道和管路内壁。液氢加注内罐外侧设置贴壁冷屏，用于冷却液氢加注内罐。该系统采用高压液氢进行预冷，有效降低液氢与罐壁的过热度，减少了气膜的持续时间；此外，利用低温氢气节流后的冷量和仲正氢转化产生的冷量对液氢管路内壁面进行双向预冷，大幅缩减了管路的降温时间，实现了低温氢气冷量的充分利用。技术研发人员：张春伟,申娟,江雅娟,张钰莹,陈红兵,王晓宇,郑栋晨,李庆港,谢志阳,蒋全浩,石宁钰,陈静,王成刚受保护的技术使用者：北京航天试验技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/8/20