用于为储罐加注加压气体的设备和方法与流程

本发明涉及一种用于为储罐加注加压气体的设备和方法。

更具体地，本发明涉及一种用于为储罐加注加压气体特别是加压氢的设备，该设备包括液化氢的源和流体转移回路，所述流体转移回路包括连接至所述源的上游端和打算连接至要加注的储罐的至少一个下游端，所述流体转移回路包括从上游至下游地串联布置的用于使来自所述源的流体朝向下游方向移动的构件、配置成允许在至少两个不同的温度之间调节流体的温度的温度调节装置、包括连接至加热装置的出口的入口和连接至所述流体转移回路的下游端的出口的缓冲储器，这意味着被供应至要被加注的储罐的流体必须流经所述缓冲储器，所述设备包括电子数据处理和存储构件，所述电子数据处理和存储构件配置成至少控制所述温度调节装置。为了提供高容量氢车辆再加注站，需要供应液态氢。液态的液化气体的供应还为所述站提供了冷能量源。在这些站中，其他冷源也是可得的。为了加注车辆，氢实际上通常需要被(预)冷却至-30℃至-40℃。

在加注车辆储罐之前预冷却氢是强烈要求的。要被冷却的流通常处于高于高压(100巴至1000巴)、高度可变的流量(0.5–3.6kg/min)并具有高度可变的入口温度(环境温度,-20℃至40℃)。温度的微调是需要的，在-40℃至-33℃的范围内仅具有几度的公差。

可得的冷流具有非常不同的特性：非常低的温度(针对液态氢-253℃，或者在低温泵的外侧处在-193℃至-123℃的范围内)；可变的压力和根据设备而异的流量。

已知多种不同的方案，例如参考wo2017186337a或us5479966。

然而，这些方案不允许在使用所述站时有效地布置冷流和热流。

本发明的目的是减轻全部的或一些现有技术的上述缺点。

为此，在按照在以上前序部分中给出的一般定义的其它方面，根据本发明的设备的特征在于所述电子数据处理和存储构件配置成在从所述缓冲储器提取流体以加注储罐的同时，在相对较高的第一温度下将流体供应至所述缓冲储器，以及在未从缓冲储器提取流体来加注储罐时，在相对较低的第二温度下将流体供应至所述缓冲储器。

此外，本发明的实施例可包括以下一个或多个特征：

-所述液体移动构件包括低温泵；

-所述温度调节装置包括所述转移回路的并联的部分，所述并联的部分包括两个并联的管线，所述两个并联的管线中的一个管线包括用于加热流体的换热器、所述温度调节装置包括配置成支配来自所述源的流体至所述两个并联的管线中的分配，以便调节所述温度调节构件下游的流体的温度；

-所述缓冲储器是包括绝热物的储罐；

-所述转移回路在所述缓冲储器的下游包括至少一个以下构件：膨胀阀、配置成调节流体的温度的换热器。

本发明还涉及一种使用根据上述或下述任一特征的设备来为储罐加注加压气体特别是加压氢的方法，该方法包括与从缓冲储器向储罐转移流体同时进行的、在确定的第一温度下将流体转移至所述缓冲储器的第一步骤。

根据其他可能的具体特征：

-该方法包括在将流体从缓冲储器转移至储罐之后进行的在比第一温度更低的第二温度下将流体转移至缓冲储器的第二步骤；

-所述第一温度介于230k与环境温度之间；

-所述第二温度介于50k与150k之间；

-在将流体转移至缓冲储器的第一步骤期间，被供应至储存设施的流体的流量和/或温度被控制成使得能防止缓冲储器内的压力的降低和/或温度的降低或者使得能将缓冲储器内的压力的降低和/或温度的降低减小至确定的值以下。

本发明还涉及在权利要求的范围内的包括上述或下述特征的任意组合的任何可供选择的设备或方法。

通过阅读以下参考单个附图给出的描述，其它特定的特征和优点将变得显而易见，在附图中：

图1以示意方式且以简化方式示出了根据本发明的设备的结构和操作的一个实施例。

设备1包括液化气体的源2(例如绝热的真空储罐)和流体转移回路3，该流体转移回路包括连接至源2的上游端和打算连接至要加注的储罐12的至少一个下游端(能够想到存在多个下游端以加注多个不同的储罐)。

流体转移回路3包括自上游至下游地串联布置的用于使来自所述源的流体朝下游方向移动的构件4(例如泵)、温度调节装置5、6、7和缓冲储器8，所述温度调节装置5、6、7配置成使得能够在至少两个不同的温度之间调节流体的温度。

如图所示，该转移回路3在下游位置还可包括膨胀阀7和用于在转移至储罐12之前调节温度的换热器5。

缓冲储器8包括入口和出口，其入口连接至加热装置5、6、7的出口并且其出口连接至流体转移回路3的下游端。这意味着，供应至要加注的储罐12的流体必须通过该缓冲储器8(作为替代，可想到并联布置的众多缓冲储器)。缓冲储器8例如是包含绝热物的储罐(例如i类或ii类储罐)。

该设备的所有或一些构件(阀、泵等)可通过电子数据处理和存储构件10控制，该电子数据处理和存储构件尤其被配置成至少控制温度调节装置5、6、7。

如图所示，所述温度调节装置优选包括转移回路的并联的部分，其具有两个并联的管线，其中一个管线包括用于加热流体的交换器/换热器5，该温度调节装置包括一组阀，该组阀配置成支配来自所述源的流体至所述两个并联的管线的分配，从而调节该温度调节装置的下游的流体的温度。通过在两个并联的分支中的一者或两者之间分配从源2获取的液体，能够在低温(当所有流避开该加热的换热器5时)与高温(当所有流均通过该加热的换热器5时)之间控制和改变流体的温度。在这两个温度之间，可实现一个或多个中间的温度。

根据一个有利的特征，该电子数据处理和存储构件10可配置成在流体正从缓冲储器8被提取以加注储罐12时以相对较高的第一温度将流体供应至缓冲储器8，以及在流体未从缓冲储器8提取以加注储罐12时以相对较低的第二温度将流体供应至缓冲储器8。

因此，设备的结构可以相对简单并且仅包括一个作为液态氢的源的储存设施2，低温泵4、小型常压加热器/常压炉5、具有简单的调节系统的一个或多个缓冲储器8。

液态氢可在低温/制冷温度下从源2被直接泵送至缓冲储器8。

缓冲储器8优选是绝热的并且保持低温/冷的温度以备将相对冷的氢供应至储罐12。

在加注储罐12的阶段中，泵4可供应被泵送的经加热器5加热的氢，以在从缓冲储器8提取流体时维持该缓冲储器的压力和温度。

在两个加注操作之间，可为缓冲储器8再次加注相对较冷的流体。在该加注阶段，泵4可通过避开加热器5的路径而供应较冷的氢，以补偿在缓冲储器8的加注期间的绝热加热。

这种操作模式使得能够将缓冲储器8保持在低于转移回路的下游端处所需的温度的接近恒定的低温(例如200k至230k)，以便补偿焦耳-汤姆孙效应(joule-thomson效应)。

在加注储罐12期间，出口温度调节器5可在合适时提供对被转移流体的温度的微调。

这种结构使得能够以简单且高效的方式使用在泵4的出口处的冷能量。事实上，无需专用换热器来实现这种效果，也没有任何复杂的对控制阀的控制。

全部的被泵送的液态氢的冷态容量均可被使用。在任何可能存在的加热器11(例如电加热器)处的电力消耗保持最小，加热器11除了提供例如几摄氏度的增温之外什么也不做。

这种设备/构架及其操作还允许泵4的输送速度与加注输送速度分离开。这使得能够使用相对低输出的泵4和对从高压缓冲储器8的加注速度的简单控制，高压缓冲储器众所周知地来自于供应气体的加注站。

缓冲储器8在其中流体从缓冲储器被提取的阶段期间被加注被加热的氢的事实也使得能够最大化缓冲储器8的容量和最小化其内的压降。

缓冲储器8是绝热的并且被维持在或能被维持在相对低的温度下，例如介于200k与230k之间的温度下。缓冲储器8优选是绝热的以便能最小化热损失。用于在这种温度下绝热的方法是公知的。还需要能够耐受制冷温度/低温。

优选地，制造缓冲储器的金属(或其他材料)的热容量是其内含有的气体的热容量的至少两倍，以便限制压力/温度变化。绝热物的厚度可根据该系统(气体+缓冲储器)的总热容量计算。

这使得能够在使用厚度小于10cm的泡沫绝缘物的情况下在12个小时的闲置时间之后例如将压力变化限制到30巴(bar)并且将温度变化限制到10℃。

这种储存设施8优选是属于i类或ii类的。

在加注罐12期间，在低温下从缓冲储器8提取氢并且氢可在下游的加注调节阀9(例如焦耳-汤姆孙型(joule-thomson型))中被膨胀。缓冲储器8的温度可以是额定的，使得这种膨胀不会将氢加热至-33℃以上。这种温度可例如介于200k与230k之间。在这种阶段中，离开缓冲储器8的氢之后可视情况而定地进入调节器5中，该调节器5允许对朝向连接至要加注的储罐12的加注喷嘴被引导的气体的温度进行调节。

在这种加注阶段期间，泵4可同时贡献于对缓冲储器8的加注，从而最小化其内的压力和温度的降低。

为此，离开泵4的流体可在进入缓冲储器8之前被环境加热器5完全加热。

相应的阀6可保持完全关闭。

相对较热的氢的进入使得能够通过在缓冲储器8中的绝热膨胀而最小化温度和压力的降低。

采用这种操作模式，即使是当泵的输出远远小于加注输送输出时，缓冲储器8中的压力和温度在储罐12的加注期间变化也很少，这归功于一个或多个缓冲储器8的热惯性并且归功于相对较热的氢的加入。

换热器11可以是电加热器或者是利用潜伏热或显热的处于(-33℃至-45℃)的范围内的温度下的冷能量储存装置。

在加注缓冲储器8的阶段期间(在储罐12的加注之外)，泵4可向储器8供应“半低温”氢。因此，当缓冲储器8的温度达到高阈值(例如介于220k与230k之间)时，来自源2的液态氢可被泵送至高达缓冲储器8的压力(例如介于400巴与900巴之间的压力)。

离开泵4的这种低温氢(温度例如介于80k与50k之间)可被直接引导至缓冲储器8中以为缓冲储器加压。在该加注温度下，储器8的温度可逐渐降低约(每个加注循环0.5k至5k，这取决于储器8的金属质量)。当缓冲储器8的温度达到低阈值(例如约200k)时，来自泵4的高压氢可被引导通过常压加热器5以免使得缓冲储器8过度冷却。

在没有来自被泵送的氢的冷量的输入的非使用阶段期间，热损失可导致缓冲储器8中的压力和温度升高。

缓冲储器8的高热惯性可使得能够部分地平滑这些温度变化。例如，简易设备(例如泡沫型的简易设备)可足以将这些损失降到约每100升处于200k与230k之间的温度下的缓冲储器50-100w。设备的品质(例如设备的厚度)可以是额定的以确保在规定的闲置时间内，这种压力和温度的升高维持受限。例如，通常期望在约12小时的闲置时间内，升高小于50巴以及小于20k。压力和温度设定值也可加入一定的裕度以将这些增加考虑在内。

缓冲储器8可具有小于其最大操作压力的为30巴至50巴的压力设定值。

同样，该缓冲储器8可具有在针对具有焦耳-汤姆孙效应的加注所需的温度以下的从10k至20k的温度设定值。

如上所述，缓冲储器8可包括串联使用的处于不同的压力水平的多个储器(例如一个储器的压力介于400巴至700巴之间，并且另一个储器的压力介于800巴与900巴之间)。这使得能够限制焦耳-汤姆孙效应。

本发明允许储罐能被加注加压氢，尤其是呈液体和/或气体形式并且尤其是超临界形式。