逆布雷顿氦气制冷循环的主动绝热式液氢储罐及绝热方法

本发明涉及一种液氢储罐，具体涉及一种逆布雷顿氦气制冷循环的主动绝热式液氢储罐及绝热方法。

背景技术：

1、氢能具有清洁、高效、资源丰富等优点，广泛应用于航空航天、汽车等领域，且随着能源需求的增长和能源系统向低碳基系统转型，可再生能源越来越受到重视，但可再生能源存在间歇性和转换效率有限的问题，氢作为能量载体可以实现可再生能源的储存。

2、常用的储氢方法主要有压缩气态储氢、低温液态氢、固体储氢和有机液体储氢，其中低温液态氢因其能量密度高、安全性好、加氢时间短等优点，是目前地面运输和移动应用首选的储氢方法。

3、由于液氢与外界环境温差较大，不可避免地会发生热泄漏和蒸发损失，同时因为氢具有超低沸点以及低汽化热，因此液氢储罐需要有良好的绝热措施才能减小蒸发损失。液氢储罐的绝热方式可分为主动绝热和被动绝热，其中，被动绝热中绝热性能较好的是高真空多层绝热、真空空心玻璃微球绝热以及真空珠光砂绝热；主动绝热主要通过制冷机主动耗能提供制冷量进行热量转移。

4、主动绝热和被动绝热相比，主动绝热在液氢储罐中应用较多，但现有20k温区低温制冷机存在耗能量大且制冷量小，导致效率低的问题，并不适用于大型液氢储罐。

技术实现思路

1、本发明的目的是解决现有液氢储罐的主动绝热方式采用低温制冷机存在耗能大且制冷量小，导致效率低且不适用于大型液氢储罐的技术问题，而提供逆布雷顿氦气制冷循环的主动绝热式液氢储罐及绝热方法。

2、本发明的技术解决方案是：

3、本发明一种逆布雷顿氦气制冷循环的主动绝热式液氢储罐，其特殊之处在于：包括储罐单元、逆布雷顿氦气制冷循环系统、排液系统、抽真空系统和传感装置；

4、所述储罐单元包括液氢储罐外罐、设置在液氢储罐外罐内的液氢储罐内罐，以及设置在液氢储罐内罐和液氢储罐外罐之间的绝热夹层；

5、所述逆布雷顿氦气制冷循环系统包括通过绝热管道连接的氦气源、压缩机、第一级换热器、液氮槽、第二级换热器、膨胀机和两个换热管道；

6、所述换热管道为环形结构，换热管道水平铺设在液氢储罐内罐内且管道外侧壁靠近液氢储罐内罐的内壁；两个换热管道上下铺设且两者之间互相连通，其中上换热管道靠近液氢的液面表面设置，下换热管道位于液氢储罐内罐的赤道位置处；

7、氦气源的氦气进入压缩机进行压缩，压缩后的氦气依次经第一级换热器、液氮槽和第二级换热器进行冷却，再进入膨胀机中膨胀使温度降至20k以下，再通过上换热管道和下换热管道与液氢储罐内罐内的液氢进行换热，经换热升温的氦气从下换热管道出口输出，再依次通过第二级换热器、第一级换热器复温后返回压缩机进入循环；

8、所述排液系统通过管路与液氢储罐内罐连接，用于液氢储罐内罐的液氢排放；

9、所述抽真空系统与绝热夹层连接，用于维持绝热夹层的真空状态；

10、所述传感装置用于监测液氢储罐内罐内的压力和液氢的液位。

11、进一步地，所述液氢储罐内罐的底部设置有第一排液孔，顶部设置有第一回气孔；所述液氢储罐外罐和绝热夹层的底部分别设置有与第一排液孔对应的第二排液孔，所述液氢储罐外罐和绝热夹层的顶部分别设置有与第一回气孔对应的第二回气孔；所述排液系统包括排液管路、排液阀、自增压阀、自增压器以及增压回气阀；所述排液管路的排液端通过第一排液孔和两个第二排液孔与液氢储罐内罐的内部连通，排液管路的回气端通过第一回气孔和两个第二回气孔与液氢储罐内罐的内部连通；所述排液阀、自增压阀、自增压器以及增压回气阀沿排液管路的排液端至回气端依次设置，其中排液阀、自增压阀、自增压器靠近液氢储罐内罐的底部设置，增压回气阀靠近液氢储罐内罐的顶部设置；在排液阀和自增压阀间设置有一条支路管道，用于将排出的液氢输送入液氢槽车；所述自增压阀、自增压器和增压回气阀，用于使通过的液氢气化后再回到液氢储罐内罐内。

12、进一步地，所述抽真空系统包括真空泵、抽真空阀、真空规管和真空计；所述真空泵与绝热夹层内部连接；所述抽真空阀设置在真空泵与绝热夹层之间的管路上用于控制绝热夹层的真空度；所述真空规管与真空计配套，用于测定绝热夹层的真空度。

13、进一步地，所述传感装置包括气相引压管路、液相引压管路、压力表、压力表阀、压差液位计、液位计上阀、液位计下阀和平衡阀；所述气相引压管路的一端从液氢储罐内罐的顶部接入并与液氢储罐内罐内部连通；气相引压管路的另一端延伸至液氢储罐内罐底部位置处并设置有两条支路；所述液相引压管路的一端从液氢储罐内罐的底部接入并与液氢储罐内罐内部连通；液相引压管路的另一端设置有两条支路；所述气相引压管路的两条支路与液相引压管路的两条支路分别通过压差液位计和平衡阀连接；所述压力表、压力表阀和液位计上阀设置在气相引压管路上，且压力表、压力表阀靠近液氢储罐内罐的顶部设置，用于测量液氢储罐气枕区域的压力，液位计上阀靠近液氢储罐内罐底部设置；所述液位计下阀设置在液相引压管路管路上且靠近液氢储罐内罐底部的位置处。

14、进一步地，所述液氢储罐外罐与液氢储罐内罐通过悬挂式支撑结构相连。

15、进一步地，所述绝热夹层采用多层绝热材料、空心玻璃微球和珠光砂中的任一种。

16、进一步地，所述多层绝热材料的总厚度为10cm；所述绝热管道采用多层绝热材料包裹。

17、同时，本发明还提供了上述的逆布雷顿氦气制冷循环的主动绝热式液氢储罐的绝热方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

18、1)进行液氢充注，同时开启抽真空系统维持绝热夹层的真空状态，以及通过传感装置监控液氢储罐内罐内的液氢液位，液氢液位至90％停止液氢充注；

19、2)通过传感装置检测液氢储罐内罐内的压力，当压力达到设定值时，开启逆布雷顿氦气制冷循环系统，进行主动绝热。

20、进一步地，步骤2)中，主动绝热方法具体为：氦气源的氦气进入压缩机进行压缩，压缩后的氦气依次经第一级换热器、液氮槽和第二级换热器进行冷却，再进入膨胀机中膨胀使温度降至20k以下，再通过上换热管道和下换热管道与液氢储罐内罐内的液氢进行换热，经换热升温的氦气从下换热管道出口输出，再依次通过第二级换热器、第一级换热器复温后返回压缩机进入循环。

21、进一步地，步骤1)中，进行液氢液位监测时，先开启平衡阀，随后依次打开液位计上阀和液位计下阀，再关闭平衡阀，压差液位计开始工作。

22、本发明的有益效果：

23、1、本发明逆布雷顿氦气制冷循环的主动绝热式液氢储罐，采用逆布雷顿氦气制冷循环使氦气温度下降至20k以下后将低温氦气通入安装在液氢储罐中的环形换热管道内，通过低温氦气与液氢储罐内液氢的热交换，吸收罐内热量，延长了液氢存储时间，解决了低温制冷机耗能大、制冷量小、效率低的问题，且适用于大型低温球罐的绝热。

24、2、本发明逆布雷顿氦气制冷循环的主动绝热式液氢储罐中液氢储罐内的换热管道分为上下两个，上换热管道靠近液面表面处，下换热管道位于液氢储罐内罐的赤道处，能够缓解支撑结构处漏热而导致的局部液氢温度升高和罐内热分层现象。

25、3、本发明逆布雷顿氦气制冷循环的主动绝热式液氢储罐的绝热方法，排液系统中设置自增压阀、自增压器和增压回气阀，通过气化部分液氢完成自增压，能够在不借助外界增压装置的情况下，保证排液过程中液氢储罐内的压力稳定，并能够通过调节自增压阀开度控制气化的液氢量，进一步达到控制液氢储罐排液压力的目的。

26、4、本发明逆布雷顿氦气制冷循环的主动绝热式液氢储罐的绝热方法，绝热夹层内采用厚度为10cm，层数为160层的多层绝热材料，经理论计算该配置能够隔绝绝大部分环境漏热，若继续增加绝热层厚度或层数，漏热下降幅度很小但成本将继续增加，因此该配置能很好地兼顾绝热性能和经济性。