一种双层真空球罐绝热系统

1.本发明涉及液氢高效绝热储存技术领域，具体是一种双层真空球罐绝热系统。


背景技术：

2.氢能源于水，又生成水。过程中不产生任何可污染物，因而被人们誉为“终极能源”。如何安全、高效的储蓄氢能是能源行业研究的重点之一，目前比较常见的储氢方式为物理储氢，其优点为使用灵活。物理储氢主要分为两大类：(1)高压气态储氢；(2)低温液态储氢；低温液态储氢因其储存效率高和安全性良好被行业内广泛关注。相比于外界环境温度，液氢的温度较低，巨大的温差迫使双层液氢球罐内部液氢快速蒸发。液氢蒸发主要存在三个途径：(1)热桥固体热传导；(2)高真空多层绝热夹层内辐射、固体和残余气体的漏热；(3)支撑内容器的支腿热传导漏热。针对高真空多层绝热夹层的漏热，研究者们提出在真空多层绝热夹层内的多层绝热材料内部设置气冷屏，可进一步地降低通过高真空多层绝热夹层漏入的热量。关于热桥漏热，工程上通常采用增加热桥管路的长度，进而增大热桥的导热热阻或采用导热率较低的材料；对于支腿漏热，工程通常将支腿中间隔断，添加热导率较低的玻璃钢，以阻隔地面热量向液氢球罐内容器传递。然而，由于液氢与地面存在较大温差，这种被动阻热方式依然会有部分热量传递进入液氢，迫使液氢蒸发，降低了液氢储罐的绝热性能。且申请人在前期理论分析的基础上发现，支撑结构漏热约占比整体漏热的三分之一。因此，如何降低液氢储罐支撑结构的漏热是提升储罐绝热性能的关键技术之一。基于此，本发明拟提供一种双层真空球罐绝热系统。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种双层真空球罐绝热系统，将液氢使用时产生的废弃冷能充分地用于液氢球罐支腿隔热和高压氢气加注降温等环节，不仅降低整个液氢加注站能耗，且提升了液氢储罐的绝热性能，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
5.一种双层真空球罐绝热系统，包括：
6.液氢球罐内容器，内部收容有液氢；
7.液氢球罐外容器，套设于所述液氢球罐内容器的外部；
8.高真空多层绝热层，设置于所述液氢球罐内容器和所述液氢球罐外容器之间；
9.多个支腿组件，均匀地布置在由液氢球罐内容器、液氢球罐外容器和高真空多层绝热层组成的液氢球罐的底部，且支腿组件分为外支腿和内支腿，分别用于支撑液氢球罐外容器和液氢球罐内容器；内支腿穿过液氢球罐外容器上的缺口设置；
10.其中，内支腿包括上内支腿和下内支腿，所述上内支腿的第一端连接在液氢贮罐内容器上，所述上内支腿的第二端连接有绝热储箱，所述绝热储箱底部密封在液氢球罐外容器上的缺口处，且下内支腿安装在绝热储箱的下方；多个支腿组件中的绝热储箱通过管路连通，且多个绝热储箱中储存有蓄冷介质；
11.取冷部件，用于将液氢贮罐内容器供出的液氢与绝热储箱中储存有蓄冷介质进行间接换热，实现液氢冷能回收再利用和球罐绝热性能提升的双重效果。
12.作为本发明进一步的方案：所述绝热储箱上部通过绝热结构连接在上内支腿的底部。
13.作为本发明再进一步的方案：所述绝热储箱底部设置有第二上法兰，所述第二上法兰密封在缺口处，所述第二上法兰通过第二下法兰连接在下内支腿上。
14.作为本发明再进一步的方案：所述取冷部件包括取冷工质储箱和蓄冷工质储箱；所述液氢贮罐内容器的输出端连接在取冷工质储箱内部的第一换热器的输入端，所述取冷工质储箱内部填充有取冷工质，所述取冷工质储箱内部的取冷工质通过管道循环流入至蓄冷工质储箱内部的第二换热器中，所述蓄冷工质储箱通过管道与绝热储箱内部连通，绝热储箱内部的蓄冷介质在蓄冷工质储箱与绝热储箱之间循环流动。
15.作为本发明再进一步的方案：所述液氢贮罐内容器依次通过第九阀门、第一泵组和第十阀门与第一换热器的输入端连接，用于为第一换热器提供液氢。
16.作为本发明再进一步的方案：所述取冷工质储箱的输出端通过第五阀门和第三泵组与第二换热器的输入端连接，所述第二换热器的输出端通过第四阀门与取冷工质储箱的输入端连接，用于使得取冷工质储箱内部的取冷工质能够在取冷工质储箱与第二换热器之间循环流动换热。
17.可选的，取冷工质可以为氟利昂22、氟利昂12和r410a等。
18.作为本发明再进一步的方案：还包括高压储氢管束，所述高压储氢管束的输入端通过第三阀门与第一换热器的输出端连接，用于为高压储氢管束提供氢气。
19.作为本发明再进一步的方案：所述高压储氢管束的输出端通过第二阀门与蓄冷工质储箱内部的第三换热器的输入端连接；所述第三换热器的输出端通过第一阀门与加氢枪的输入端连接，用于对高压储氢管束输出的常温高压氢气在减压过程会升温变成高温氢气进行冷却，所述高温氢气吸收蓄冷介质的冷能，降温后输送至加氢枪。
20.可选的，蓄冷介质可以为r1234yf、r32和r410a等。
21.作为本发明再进一步的方案：所述蓄冷工质储箱的输出端通过第六阀门和第二泵组与绝热储箱上的蓄冷工质入口分配管路连接，所述绝热储箱上的蓄冷工质出口管路通过第七阀门与蓄冷工质储箱的输入端连接。
22.作为本发明再进一步的方案：所述高真空多层绝热层包括多层绝热材料和真空夹层，所述高真空多层绝热层设置于液氢贮罐的外容器和内容器之间且绝热材料中设置有气冷屏。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在内支腿上设置绝热储箱，减少环境地面热量从内支腿传入液氢的支撑漏热；同时利用液氢使用时释放的冷能回收再利用对绝热储箱内部的蓄冷介质进行冷却，实现液氢冷能回收再利用和球罐绝热性能提升的双重效果。
附图说明
24.图1为本发明实施例一种双层真空球罐绝热系统的结构示意图。
25.图2为本发明实施例一种双层真空球罐绝热系统中液氢贮罐的结构示意图。
26.图中：1-氢燃料汽车、2-加氢枪、3-第一阀门、4-第二阀门、5-高压储氢管束、6-第三阀门、7-蓄冷介质、8-第三换热器、9-第二换热器、10-蓄冷工质储箱、11-第四阀门、12-第一换热器、13-取冷工质、14-取冷工质储箱、15-第五阀门、16-第三泵组、17-第六阀门、18-第七阀门、19-第二泵组、20-蓄冷工质入口分配管路、21-蓄冷工质出口管路、22-第一上法兰、23-第一下法兰、24-绝热结构、25-绝热储箱、26-第二上法兰、27-第二下法兰、28-液氢、29-第九阀门、30-第一泵组、31-内支腿、32-外支腿、33-吊耳、34-第十阀门、35-液氢贮罐内容器、36-多层绝热材料、37-真空夹层、38-液氢贮罐外容器。
具体实施方式
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.实施例1
29.请参阅图1～2，本发明实施例1中，为本发明实施例提供的一种双层真空球罐绝热系统的结构图，包括：液氢球罐内容器35、液氢球罐外容器38、高真空多层绝热层37、多个支腿组件和取冷部件。液氢球罐内容器35内部收容有液氢28；液氢球罐外容器38套设于所述液氢球罐内容器的外部；高真空多层绝热层37设置于所述液氢球罐内容器35和所述液氢球罐外容器38之间；支腿组件均匀地布置在由液氢球罐内容器35、液氢球罐外容器38和高真空多层绝热层37组成的液氢球罐的底部，且支腿组件分为外支腿32和内支腿31，所述外支腿32和内支腿31分别用于支撑液氢球罐外容器38和液氢球罐内容器35；内支腿31穿过液氢球罐外容器38上的缺口设置；其中，内支腿31包括上内支腿和下内支腿，所述上内支腿第一端连接在液氢贮罐内容器35底部，所述上支腿的第二端连接有绝热储箱25，所述绝热储箱25底部密封在液氢球罐外容器38上的缺口处，且下内支腿安装在绝热储箱25的下方；多个支腿组件中的绝热储箱25通过管路连通，且多个绝热储箱25中储存有蓄冷介质7。通过将绝热储箱25安装在液氢球罐外容器38缺口处，减少外界地面热量从内支腿传入液氢的支撑漏热。所述固定设置在下内支腿设置在外支腿32内部。取冷部件用于将液氢贮罐内容器35供出的液氢与绝热储箱25中储存有蓄冷介质7进行间接换热，实现冷能回收再利用。多个支腿组件可以设置为八个。取冷部件可以设置一次取冷利用或梯级取冷利用方式。
30.本发明通过在内支腿31上设置绝热储箱25，减少地面热量从内支腿传入液氢的内部热量；同时利用内容器35输出的液氢释放的冷能对绝热储箱25内部的蓄冷介质7进行间接换热，实现了对冷能的回收再利用。
31.如图1所示，作为本发明的一种优选实施例，所述绝热储箱25上部通过绝热结构24连接在上内支腿上，实现了进一步隔热。所述绝热结构24通过第一下法兰23和第一上法兰22连接在上支腿的第二端。所述绝热结构24可以为玻璃钢绝热结构。
32.作为本发明的一种优选实施例，所述绝热储箱25底部设置有第二上法兰26，所述第二上法兰26密封在外支腿32的缺口处，所述第二上法兰26通过第二下法兰27连接在下支腿上。所述第二下法兰27与下内支腿之间可以通过焊接连接。
33.作为本发明的一种优选实施例，所述取冷部件包括取冷工质储箱14和取冷工质
13；所述液氢贮罐内容器35的输出端连接在取冷工质储箱14内部的第一换热器12的输入端，所述取冷工质储箱14内部填充有取冷工质13，所述取冷工质储箱14内部的取冷工质13通过管道循环流入至蓄冷工质储箱10内部第二换热器9中，所述蓄冷工质储箱10通过管道与绝热储箱25内部连通，绝热储箱25内部的蓄冷介质7在蓄冷工质储箱10与绝热储箱25之间循环流动。如此液氢贮罐内容器35为外接供给的液氢通过取冷工质储箱14内部的第一换热器12与取冷工质13进行冷量交换，然后取冷工质13再流入至蓄冷工质储箱10中的第二换热器9与蓄冷工质储箱10中的蓄冷介质7进行冷量交换。如此实现了对液氢的冷能的回收再利用。
34.可选的，取冷工质13可以为氟利昂22、氟利昂12和r410a等。
35.具体的，所述液氢贮罐内容器35依次通过第九阀门29、第一泵组30和第十阀门34与第一换热器12的输入端连接，用于为第一换热器12提供液氢。所述第一泵组30用于为液氢流动提供动力。
36.所述取冷工质储箱14的输出端通过第五阀门15和第三泵组16与第二换热器9的输入端连接，所述第二换热器9的输出端通过第四阀门11与取冷工质储箱14的输入端连接，用于使得取冷工质储箱14内部的取冷工质13能够在取冷工质储箱14与第二换热器9之间循环流动换热。
37.本发明还包括高压储氢管束5，所述高压储氢管束5的输入端通过第三阀门6与第一换热器12的输出端连接，用于为高压储氢管束5提供高压氢气，高压储氢管束5对高压氢气进行储存。
38.作为本发明的一种优选实施例，所述高压储氢管束5的输出端通过第二阀门4与蓄冷工质储箱10内部的第三换热器8的输入端连接；所述第三换热器8的输出端通过第一阀门3与加氢枪2的输入端连接，用于对高压储氢管束5输出的常温高压氢气减压过程会升温变成高温氢气进行冷却，所述高温氢气吸收蓄冷介质7的冷能，降温后输送至加氢枪2，所述加氢枪2为氢燃料汽车1提供氢气，所述第三换热器8与蓄冷工质储箱10内部的蓄冷介质7换热。如此进一步的对液氢的冷能进行充分利用。加氢枪2为氢燃料汽车1提供燃料。
39.可选的，蓄冷介质7可以为r1234yf、r32和r410a等。
40.作为本发明的一种优选实施例，所述蓄冷工质储箱10的输出端通过第六阀门17和第二泵组19与绝热储箱25上的蓄冷介质入口分配管路20连接，所述绝热储箱25上的蓄冷工质出口管路21通过第七阀门18与蓄冷工质储箱10的输入端连接。如此第二泵组19为蓄冷介质7流动提供循环动力，实现了蓄冷介质7在绝热储箱25与蓄冷工质储箱10之间循环流动。
41.作为本发明的一种优选实施例，多个绝热储箱25之间通过管道串联连接。所述支腿组件还包括吊耳33，便于液氢球罐安装。
42.作为本发明的一种优选实施例，所述高真空多层绝热层包括多层绝热材料36和真空夹层37，所述真空夹层37位于液氢贮罐外容器38和液氢贮罐内容器35之间，且绝热材料中可以设置有气冷屏。可降低通过高真空多层绝热夹层漏入的热量。本发明中的阀门可以为低温截止阀。
43.作为本发明的另一种优选实施例，当取冷部件可以设置为一次取冷利用，则所述取冷部件包括蓄冷工质储箱10，所述取冷工质储箱14的输出端连接在蓄冷工质储箱10内部的第二换热器9的输入端，所述蓄冷工质储箱10通过管道与绝热储箱25内部连通，绝热储箱
25内部的蓄冷介质7在蓄冷工质储箱10与绝热储箱25之间循环流动。如此液氢贮罐内容器35为外接供给的液氢通过取冷工质储箱14中的第一换热器12与取冷工质储箱14中的取冷工质13进行冷量交换。如此实现了对液氢的冷能的回收再利用。
44.可选的，取冷工质储箱14和蓄冷工质储箱10均为保温储箱。
45.本发明关于热桥漏热，通常采用在热桥管路加长，进而增大热桥的导热热阻或采用导热率较低的材料；对于支腿组件漏热，通常将支腿中间隔断，添加热导率较低的玻璃钢，以减弱地面热量向液氢球罐内容器传递。然而，由于液氢与地面存在较大温差，这种被动阻热方式依然会有部分热量传递进入液氢，迫使液氢蒸发，降低了液氢储罐的绝热性能。
46.本发明的工作原理是：
47.本发明中液氢28流经管道k和第九阀门29进入第一泵组30增压后，从第一泵组30出口管路l流经第十阀门34进入第一换热器12。第一换热器12设置于取冷工质储箱14的内部；取冷工质储箱14内部收容取冷工质13，取冷工质13通过取冷工质储箱14的出口管路f和第五阀门15进入第三泵组16，取冷工质13经过第三泵组16增压后，从第三泵组16的出口管路g进入第二换热器9。第三换热器8设置于蓄冷工质储箱10内部，蓄冷工质储箱10内部储存蓄冷介质7，取冷工质13流经第二换热器9与蓄冷介质7进行冷量交换后，通过第二换热器9出口管路e以及第四阀门11回流至取冷工质储箱14，进而实现液氢冷能的回收再利用。所述蓄冷介质7吸收来自第二换热器9释放的冷能后流经蓄冷工质储箱10的出口管路h和第六阀门17进入第二泵组19，蓄冷介质7经过第二泵组19增压后，流经第二泵组19的出口管路i进入蓄冷工质入口分配管路20，蓄冷介质7通过入口分配管路20进入绝热储箱25内部，用于内支腿31吸收热量。蓄冷介质7在绝热储箱25内部吸收从地面导入内支腿的热量。吸收热量后蓄冷介质7通过蓄冷工质储箱出口管路21流经管路j和第七阀门18重新回流至蓄冷工质储箱10。依次循环为吸收液氢贮罐内支腿31传入的热量。绝热储箱25进一步吸收部分热量通过内支腿进入液氢28内部，绝热储箱25通过第一上法兰22、第一下法兰23和绝热结构24固定。内支腿下部采用第二上法兰26和第二下法兰27与外支腿32密封，为了使真空夹层37抽真空更容易。
48.液氢通过第一换热器12的出口管路d流出后通过第三阀门6进入高压储氢管束5保压储存，所述常温高压氢气从高压储氢管束5的出口端管路c流出，经过第三换热器8换热后从出口管路b流出流经第一阀门3进入加氢枪2，最后，通过管路a为氢燃料汽车1补给氢气。在高压氢气加注时，减少了一套额外的预冷装置，降低了液氢运行维护成本。
49.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。
50.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
51.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
52.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

技术特征：
1.一种双层真空球罐绝热系统，其特征在于，包括：液氢球罐内容器，内部收容有液氢；液氢球罐外容器，套设于所述液氢球罐内容器的外部；高真空多层绝热层，设置于所述液氢球罐内容器和所述液氢球罐外容器之间；多个支腿组件，均匀地布置在由液氢球罐内容器、液氢球罐外容器和高真空多层绝热层组成的液氢球罐的底部，且支腿组件分为外支腿和内支腿，分别用于支撑液氢球罐外容器和液氢球罐内容器；内支腿穿过液氢球罐外容器上的缺口设置；其中，内支腿包括上支腿和下支腿，所述上支腿的第一端连接在液氢贮罐内容器上，所述上支腿的第二端连接有绝热储箱，所述绝热储箱底部密封在液氢球罐外容器上的缺口处，且下支腿安装在绝热储箱的下方；多个内支腿中的绝热储箱通过管路连通，且多个绝热储箱中储存有蓄冷介质；取冷部件，用于将液氢贮罐内容器供出的液氢与绝热储箱中储存有蓄冷介质进行间接换热，实现液氢冷能回收再利用和球罐绝热性能提升的双重效果。2.根据权利要求1所述的一种双层真空球罐绝热系统，其特征在于，所述绝热储箱上部通过绝热结构连接在上内支腿的底部。3.根据权利要求2所述的一种双层真空球罐绝热系统，其特征在于，所述绝热储箱底部设置有第二上法兰，所述第二上法兰密封在外支腿内，所述第二上法兰通过第二下法兰连接在下内支腿上。4.根据权利要求1所述的一种双层真空球罐绝热系统，其特征在于，所述取冷部件包括取冷工质储箱和蓄冷工质储箱；所述液氢贮罐内容器的输出端连接在取冷工质储箱内部的第一换热器的输入端，所述取冷工质储箱内部填充有取冷工质，所述取冷工质储箱内部的取冷工质通过管道循环流入至蓄冷工质储箱内部第二换热器中，所述蓄冷工质储箱通过管道与绝热储箱内部连通，绝热储箱内部的蓄冷介质在蓄冷工质储箱与绝热储箱之间循环流动。5.根据权利要求4所述的一种双层真空球罐绝热系统，其特征在于，所述液氢贮罐内容器依次通过第九阀门、第一泵组和第十阀门与第一换热器的输入端连接，用于为第一换热器提供液氢。6.根据权利要求5所述的一种双层真空球罐绝热系统，其特征在于，所述取冷工质储箱的输出端通过第五阀门和第三泵组与第二换热器的输入端连接，所述第二换热器的输出端通过第四阀门与取冷工质储箱的输入端连接，用于使得取冷工质储箱内部的取冷工质能够在取冷工质储箱与第二换热器之间循环流动换热。7.根据权利要求6所述的一种双层真空球罐绝热系统，其特征在于，还包括高压储氢管束，所述高压储氢管束的输入端通过第三阀门与第一换热器的输出端连接，用于为高压储氢管束提供氢气。8.根据权利要求7所述的一种双层真空球罐绝热系统，其特征在于，所述高压储氢管束的输出端通过第二阀门与蓄冷工质储箱内部的第三换热器的输入端连接；所述第三换热器的输出端通过第一阀门与加氢枪的输入端连接，用于对高压储氢管束输出的常温高压氢气在减压过程升温变成高温氢气进行冷却，所述高温氢气吸收蓄冷介质的冷能，降温后再输送至加氢枪。
9.根据权利要求8所述的一种双层真空球罐绝热系统，其特征在于，所述蓄冷工质储箱的输出端通过第六阀门和第二泵组与绝热储箱上的蓄冷介质入口分配管路连接，所述绝热储箱上的蓄冷介质出口管路通过第七阀门与蓄冷工质储箱的输入端连接。10.根据权利要求1-9任一所述的一种双层真空球罐绝热系统，其特征在于，所述高真空多层绝热层包括多层绝热材料和真空夹层，所述真空夹层设置于液氢贮罐的内容器和外容器之间，且绝热材料中设置有气冷屏。

技术总结
本发明适用于液氢高效绝热储存技术领域，提供了一种双层真空球罐绝热系统；包括：液氢球罐内容器，内部收容有液氢；液氢球罐外容器，套设于液氢球罐内容器的外部；高真空多层绝热层，设置于液氢球罐内容器和液氢球罐外容器之间；多个支腿组件，均匀地布置在液氢球罐外容器的底部，且支腿组件分为外支腿和内支腿，分别用于支撑液氢球罐外容器和液氢球罐内容器；内支腿穿过多层绝热材料上的缺口设置；多个支腿组件中的绝热储箱通过管路连通，且多个绝热储箱中储存有蓄冷介质；取冷部件，用于将液氢贮罐内容器供出的液氢与绝热储箱中储存有蓄冷介质进行间接换热，实现液氢冷能回收再利用和球罐绝热性能提升的双重效果。和球罐绝热性能提升的双重效果。和球罐绝热性能提升的双重效果。


技术研发人员：谢福寿 于洋 厉彦忠
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/7/22