本发明专利技术公开了一种采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置及其方法，涉及氢气液化领域。相比于常规的单级制冷和单级正仲氢转化，本发明专利技术采用三级制冷和三级正仲氢转化完成氢气液化，逐级进行降温和正仲氢转化，将转化热平摊到每一级制冷，减轻了最后一级的制冷负荷。同时，本发明专利技术采用降温制冷机和液化制冷机进行双级制冷，使不同温区下制冷机存在不同制冷功率，通过冷量的梯级利用，最大限度地使用制冷机的制冷功率，合理减少制冷机数量。合理减少制冷机数量。合理减少制冷机数量。
【技术实现步骤摘要】
采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置及其方法
[0001]本专利技术涉及氢气液化领域，尤其涉及一种采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置。
技术介绍
[0002]氢能作为一种可再生能源，具有零碳排放、多途径制备和应用范围广等优点，是未来能源组成的重要部分。液氢作为一种质量能量密度高、安全性好的能源，逐渐成为我国氢能产业未来发展的重要方向。各大院所已相继以液氢为对象开展研究，但由于大型氢液化装置投资高且液氢运输困难，因此需要设计小型氢气液化装置提供研究所需的液氢，来满足以液氢为工作介质的实验研究。
[0003]常温氢气经过降温、冷凝相变、正仲氢转化三个过程后变成液氢，对应着显热、潜热、转化热三种能量的释放。氢气从常温降温到饱和温度时，主要为显热释放；从氢气冷凝为液氢时，主要为潜热释放。常温下氢气为75％正氢和25％仲氢，液氢状态时仲氢含量为99.8％，正仲氢转化过程持续地释放转化热，且转化过程缓慢，故常用催化器促进转化进程。目前，市场上的小型氢气液化装置通常仅在氢气液化温区(20K)设置一级正仲氢转化器，使得正仲氢的显热、液化潜热和转化热集中在20K液氢温区释放。但制冷机的制冷功率一般随温度降低而下降，由此导致小型氢液化装置的制冷效率低、液化量小和投资费用高。另外，由于制冷机的冷头较小，正仲氢催化器在实际工程中存在安装复杂、制造工艺难等问题。
技术实现思路
[0004]本专利技术的目的在于解决现有技术中小型氢气液化装置存在的问题，并提供一种采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，通过三级正仲氢催化器将转化热平摊到每一级制冷流程，合理利用冷量，避免末级制冷负荷过大，减少制冷机数量，从而达到提高制冷效率，节约成本的目的。
[0005]为解决上述问题，本专利技术采用的技术方案是：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其包括高压氢气瓶和分级制冷转化系统；
[0007]所述分级制冷转化系统包括液氮储罐和液氢储罐；液氮储罐内部设有蛇形换热器和第一段正仲氢转化催化器，且储罐内加注有浸没蛇形换热器和第一段正仲氢转化催化器的液氮；所述液氢储罐上设有降温制冷机和液化制冷机，且降温制冷机冷头和液化制冷机冷头均伸入隔热的液氢储罐内部，降温制冷机冷头上布置有降温制冷机冷头换热管和第二段正仲氢转化催化器，每个液化制冷机冷头上布置有液化制冷机冷头换热管和第三段正仲氢转化催化器；
[0008]高压氢气瓶通过供氢管路依次连接减压阀、质量流量计和调节阀后进入分级制冷转化系统中，并依次连接蛇形换热器、第一段正仲氢转化催化器、降温制冷机冷头换热管、
第二段正仲氢转化催化器、液化制冷机冷头换热管、第三段正仲氢转化催化器和液氢储罐；经减压阀减压后进入分级制冷转化系统的常压氢气，经过蛇形换热器进行第一段冷却，降温至液氮温区后经过第一段正仲氢转化催化器中进行第一段正仲氢转化，再进入降温制冷机冷头换热管中进行第二段冷却，降温至40
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50K后通过第二段正仲氢转化催化器中进行第二段正仲氢转化，然后进入液化制冷机冷头换热管中进行第三段冷却，降温至液氢饱和温区后通过第三段正仲氢转化催化器中进行第三段正仲氢转化，最后以液氢状态直接储存于液氢储罐中。
[0009]作为优选，液氮储罐上设有液氮的加注管路和排气管路。
[0010]作为优选，储存于液氢储罐中的液氢的仲氢含量至少为99.8％。
[0011]作为优选，所述降温制冷机冷头换热管和液化制冷机冷头换热管采用盘管、翅片管或脉动热管。
[0012]作为优选，所述降温制冷机冷头换热管和液化制冷机冷头换热管优选为环绕于冷头上构成换热接触的盘管形式。
[0013]作为优选，所述液氢储罐上设置的液化制冷机有多台，每一台液化制冷机上布置的液化制冷机冷头换热管和第三段正仲氢转化催化器并联接在供氢管路上。
[0014]作为优选，所述分级制冷转化系统中在第三段冷却之后，进一步设有一段或多段冷却。
[0015]作为优选，所述第二段正仲氢转化催化器(12)和第三段正仲氢转化催化器(15)安装于所在制冷机冷头的下方，并采用绝热布置。
[0016]作为优选，所述供氢管路中的氢气压力由减压阀(2)根据目标值进行调整，通过提高氢气压力来提高饱和温度，降低所需的制冷机冷量。
[0017]第二方面，本专利技术提供了一种利用第一方面中任一方案所述小型氢液化装置的正仲氢分段转化方法，其具体如下：
[0018]首先，向液氮储罐中加注液氮，确保淹没蛇形换热器和第一段正仲氢转化催化器；然后通过质量流量计和调节阀将供氢管路中的氢气流量调节至设定值，高压氢气瓶中的氢气经过减压阀的减压作用降到微正压后输入分级制冷转化系统中；
[0019]在分级制冷转化系统内，氢气首先经过液氮储罐中的蛇形换热器，与液氮发生热量交换，完成第一段冷却，温度降低到77K的液氮温区；经过第一段冷却后的氢气再通过第一段正仲氢转化催化器，实现部分正仲氢转化过程，转化过程释放的转化热由液氮吸收；氢气在液氮储罐中完成第一段冷却和第一段正仲氢转化后，继续通入到液氢储罐中，先通过降温制冷机冷头换热管与降温制冷机冷头进行换热，完成第二段冷却，温度降低至40
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50K；经过第二段冷却后的氢气再通过第二段正仲氢转化催化器，实现正仲氢转化过程，转化过程释放的转化热由降温制冷机冷头吸收，以维持氢气温度不上升；氢气在降温制冷机上完成第二段冷却和第二段正仲氢转化后，继续通入到多台并联的液化制冷机，在各液化制冷机上的液化制冷机冷头换热管处与液化制冷机冷头进行换热，完成第三段冷却，温度降低至20K的液氢饱和温区，经过第三段冷却后的氢气再通过第三段正仲氢转化催化器进行正仲氢转化，保证仲氢含量达到99.8％及以上，转化过程释放的转化热由液化制冷机冷头吸收，避免转化过程释放热量导致液氢蒸发；氢气完成液化和正仲氢转化流程后，直接以液氢状态储存在液氢储罐内。
[0020]相对于现有技术，本专利技术的有益效果如下：
[0021]1.相比于常规的单级制冷和单级正仲氢转化，采用三级制冷和三级正仲氢转化完成氢气液化，逐级进行降温和正仲氢转化，将转化热平摊到每一级制冷，减轻了最后一级的制冷负荷。同时，采用双级制冷机，根据不同温区下制冷机存在不同制冷功率，通过冷量的梯级利用，最大限度地使用制冷机的制冷功率，合理减少制冷机数量。
[0022]2.相比于全流程采用制冷机冷却，第一段冷却依靠液氮冷却，大幅降低氢气温度，减少了装置制冷机数量，节约成本，且液氮工质方便获得，价格低廉。
[0023]3.待液化氢气的压力处于微正压，在不对系统密封性和耐压性有过高要求的同时，可以有效防止外部含氧空气进入氢液化装置内容，显著提升装置的运行安全性。
附图说明
[0024]图1是一种采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置的结构示意图
[0025]图中附图标记为：1
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高压氢气瓶；2
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其特征在于，包括高压氢气瓶(1)和分级制冷转化系统；所述分级制冷转化系统包括液氮储罐(5)和液氢储罐(16)；液氮储罐(5)内部设有蛇形换热器(6)和第一段正仲氢转化催化器(7)，且储罐内加注有浸没蛇形换热器(6)和第一段正仲氢转化催化器(7)的液氮；所述液氢储罐(16)上设有降温制冷机(8)和液化制冷机(9)，且降温制冷机冷头(10)和液化制冷机冷头(13)均伸入隔热的液氢储罐(16)内部，降温制冷机冷头(10)上布置有降温制冷机冷头换热管(11)和第二段正仲氢转化催化器(12)，每个液化制冷机冷头(13)上布置有液化制冷机冷头换热管(14)和第三段正仲氢转化催化器(15)；高压氢气瓶(1)通过供氢管路依次连接减压阀(2)、质量流量计(3)和调节阀(4)后进入分级制冷转化系统中，并依次连接蛇形换热器(6)、第一段正仲氢转化催化器(7)、降温制冷机冷头换热管(11)、第二段正仲氢转化催化器(12)、液化制冷机冷头换热管(14)、第三段正仲氢转化催化器(15)和液氢储罐(16)；经减压阀(2)减压后进入分级制冷转化系统的常压氢气，经过蛇形换热器(6)进行第一段冷却，降温至液氮温区后经过第一段正仲氢转化催化器(7)中进行第一段正仲氢转化，再进入降温制冷机冷头换热管(11)中进行第二段冷却，降温至40
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50K后通过第二段正仲氢转化催化器(12)中进行第二段正仲氢转化，然后进入液化制冷机冷头换热管(14)中进行第三段冷却，降温至液氢饱和温区后通过第三段正仲氢转化催化器(15)中进行第三段正仲氢转化，最后以液氢状态直接储存于液氢储罐(16)中。2.如权利要求1所述的采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其特征在于，液氮储罐(5)上设有液氮的加注管路和排气管路。3.如权利要求1所述的采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其特征在于，储存于液氢储罐(16)中的液氢的仲氢含量至少为99.8％。4.如权利要求1所述的采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其特征在于，所述降温制冷机冷头换热管(11)和液化制冷机冷头换热管(14)采用盘管、翅片管或脉动热管。5.如权利要求1所述的采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其特征在于，所述降温制冷机冷头换热管(11)和液化制冷机冷头换热管(14)优选为环绕于冷头上构成换热接触的盘管形式。6.如权利要求1所述的采用低温冷机的正仲氢分段转化小型氢液化装置，其特征在于，所述液氢储罐(16)上...
【专利技术属性】
技术研发人员：张春伟，郭嘉翔，柴栋栋，李山峰，陈静，申娟，赵康，崔皓玉，杨行，
申请(专利权)人：北京航天试验技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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