一种超低温气体实验平台及其工作方法技术

本发明专利技术公开了一种超低温气体实验平台及其工作方法，属于超低温气体测试技术领域，该工作平台包括通过工艺管线和阀门组件相互连接的气体控制及分析系统、实验系统以及辅助系统；气体控制及分析系统具有气体控制端和气体分析端，实验系统具有冷箱、制冷组件以及实验测试件，辅助系统具有自增压液氮容器和分子泵组。待测气体从气体控制端进入，被制冷组件冷却至实验温度后，进入实验测试件进行实验，再排入气体分析端进行分析。本申请实验平台可以模拟实际工业生产，通过测试氢气、氦气及其他气体介质在超低温环境下的生产性能，对实际生产工艺和液化设备的设计、使用和维护提供重要参考，具有工况范围广，工况种类多，操作简单，数据可靠等优点。数据可靠等优点。数据可靠等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种超低温气体实验平台及其工作方法


[0001]本专利技术涉及超低温气体测试
，特别涉及一种超低温气体实验平台及其工作方法。

技术介绍

[0002]液氦的常压沸点低至4.2K左右，常用于低温超导、核磁共振以及强子对撞等大科学工程领域；液氢因其密度低、热值高，燃烧清洁的优点，目前是重要的液体火箭推进剂，被称为“终极能源”。液氦与液氢等超低温液化气体因其独特性能被广泛应用于航空航天、国防军事、尖端科研、高端制造、医疗交通、新能源等领域，是国防军工和高科技产业发展不可或缺的战略性物资。
[0003]“双碳”背景下随着氢能源的不断发展，以及我国在建大科学装置的日益增多，实验室级别的氦液化和氢液化装置已不能满足使用需求，大规模工业级液氢、液氦生产装置需求日益显著。
[0004]液氢、液氦的生产涉及多项低温技术，如超低温冷凝、超低温冷冻、超低温吸附、超低温正仲氢转化等。只有掌握了氢气和氦气在超低温条件下的物理和化学性质才能正确设计并制造出大型液化装置，从而实现液氢和液氦的大规模生产。
[0005]目前超低温液体的生产，特别是液氦的生产一般仅为实验室规模，国内外公开的可以指导大规模生产的超低温气体性质十分稀少，例如高压、高空速、高真空、变温区工况下气体的超低温性质，这使得在设计大型液化装置、进行大规模超低温液化气体生产时往往十分被动，对小型实验装置数据无法做到准确的放大并修正，从而严重制约了行业的发展。

技术实现思路

[0006]基于此，本专利技术提供了一种超低温气体实验平台及其工作方法，可以模拟实际工业生产，通过测试氢气、氦气及其他气体介质在超低温环境下的生产性能，例如超低温冷凝、超低温冷冻、超低温吸附、超低温正仲氢转化等数据，可对实际生产工艺和液化设备的设计、使用和维护提供重要参考，从而推动大规模超低温液化气体行业的发展。
[0007]本专利技术采用的技术方案是：一种超低温气体实验平台，包括通过工艺管线和阀门组件相互连接的气体控制及分析系统、实验系统以及辅助系统；所述气体控制及分析系统具有气体控制端和气体分析端；所述气体控制端位于实验平台的前端，所述气体分析端位于实验平台的后端；所述实验系统具有冷箱、制冷组件以及实验测试件，所述制冷组件部分位于所述冷箱内，所述实验测试件可拆卸设置于所述冷箱内；所述制冷组件与所述气体控制端相连，所述实验测试件与所述气体分析端相连，待测气体从所述气体控制端进入，被所述制冷组件冷却至实验温度后，进入所述实验测试件进行实验，再排入所述气体分析端；
所述辅助系统具有自增压液氮容器和分子泵组，所述自增压液氮容器与所述冷箱、制冷组件相连，用于向所述冷箱、制冷组件提供冷源；所述分子泵组与所述冷箱相连，为所述冷箱提供高真空环境。
[0008]在本申请公开的超低温气体实验平台中，所述气体控制端包括入口以及流量控制器，所述流量控制器用于对进入实验平台的气体进行计量和控制。
[0009]在本申请公开的超低温气体实验平台中，所述气体分析端包括依次连接的恒温水浴箱、背压阀以及出口；所述恒温水浴箱内置气路盘管，用于对所述实验测试件排出的尾气复温，所述背压阀用于控制系统的工作压力。
[0010]在本申请公开的超低温气体实验平台中，所述背压阀的前端分出一支管作为分析口，所述分析口与分析仪器相连。
[0011]在本申请公开的超低温气体实验平台中，所述制冷组件包括依次连接的液氮预冷器、回热器以及冷头换热器；所述回热器、冷头换热器位于所述冷箱内；所述液氮预冷器与所述自增压液氮容器相连，用于将待测气体冷却至液氮温区，所述回热器用于将待测气体与所述实验测试件排出的尾气进行换热，所述冷头换热器用于将待测气体冷却至实验温度。
[0012]在本申请公开的超低温气体实验平台中，所述冷头换热器安装在制冷机的制冷冷头上；所述冷头换热器内置气路盘管，所述制冷冷头将冷量传递至气路盘管内，从而将内部流通的待测气体冷却至实验温度。
[0013]在本申请公开的超低温气体实验平台中，所述冷头换热器上设置有温度控制器，所述实验测试件上设置有温度测点。
[0014]在本申请公开的超低温气体实验平台中，所述冷箱为圆筒结构，其顶部采用强制密封的法兰，所述制冷机与进出管路均安装在所述法兰上。
[0015]基于同样的专利技术构思，本申请还提供了通过上述试样平台进行测试的方法，具体地，一种超低温气体实验平台的工作方法，采用以上任一项所述实验平台，包括以下步骤：步骤S1. 实验准备将冷箱抽高真空并始终维持高真空环境，向液氮预冷器、冷箱供给液氮；打开制冷机，利用吹扫气体将实验测试件冷却至指定实验温度，然后设置背压阀的阀前压力为指定实验压力；步骤S2. 实验测试设置流量控制器的供气量为指定实验流量，待测气体从入口进入实验平台，然后经液氮预冷器冷却至液氮温区，接着进入冷箱，先由回热器回收部分冷量进一步冷却，然后进入冷头换热器冷却至实验温度，再进入实验测试件中进行超低温实验；从实验测试件排出的尾气经回热器复热至液氮温区后，由恒温水浴箱恢复至常温，一部分尾气经阀门减压后从分析口进入分析仪器，其余气体则经出口安全排放；步骤S3. 停止实验关闭制冷机，停止液氮供应；吹扫气体进入实验平台，使各系统复温至常温，并继续吹扫将系统保压，然后关闭系统所有阀门和部件，结束当次实验。
[0016]在本申请公开的工作方法中，所述步骤S2中，实验过程中通过分析仪器连续检测实验测试件排出尾气的杂质成分，并记录各实验参数，计算出该工况下超低温气体的性质。
[0017]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：（1）本申请提供一种超低温气体实验平台，可以模拟实际工业生产，通过测试氢气、氦气及其他气体介质在超低温环境下的生产性能，例如超低温冷凝、超低温冷冻、超低温吸附、超低温正仲氢转化等数据，可对实际生产工艺和液化设备的设计、使用和维护提供重要参考，从而推动大规模超低温液化气体行业的发展。本申请针对气体在超低温环境下的特性搭建了测试实验平台，具有工况范围广，工况种类多，操作简单，数据可靠等优点。
[0018]（2）本申请使用强制密封及高性能分子泵组可实现冷箱极低的漏率，从而获取高真空环境；在高真空环境下，通过液氮预冷和冷头换热器制冷以及回热器冷量回收，从而给实验测试件创造温区可变的超低温实验环境；通过在实验平台前端设置流量控制器，在实验平台后端设置背压阀，中间设置有恒温水浴从而可以提供恒压、恒流、恒温的实验气体；通过更换不同型式的实验件，如吸附器、仲氢转化器、冷冻器、冷凝器等，从而改变实验类型以完成气体在超低温环境下不同生产性质的研究。
附图说明
[0019]为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020]图1为超低温气体实验平台的结构示意图。
[0021]附图标记：100、气体控制及分析系统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超低温气体实验平台，其特征在于，包括通过工艺管线和阀门组件相互连接的气体控制及分析系统、实验系统以及辅助系统；所述气体控制及分析系统具有气体控制端和气体分析端；所述气体控制端位于实验平台的前端，所述气体分析端位于实验平台的后端；所述实验系统具有冷箱、制冷组件以及实验测试件，所述制冷组件部分位于所述冷箱内，所述实验测试件可拆卸设置于所述冷箱内；所述制冷组件与所述气体控制端相连，所述实验测试件与所述气体分析端相连，待测气体从所述气体控制端进入，被所述制冷组件冷却至实验温度后，进入所述实验测试件进行实验，再排入所述气体分析端；所述辅助系统具有自增压液氮容器和分子泵组，所述自增压液氮容器与所述冷箱、制冷组件相连，用于向所述冷箱、制冷组件提供冷源；所述分子泵组与所述冷箱相连，为所述冷箱提供高真空环境。2.根据权利要求1所述的超低温气体实验平台，其特征在于，所述气体控制端包括入口以及流量控制器，所述流量控制器用于对进入实验平台的气体进行计量和控制。3.根据权利要求1所述的超低温气体实验平台，其特征在于，所述气体分析端包括依次连接的恒温水浴箱、背压阀以及出口；所述恒温水浴箱内置气路盘管，用于对所述实验测试件排出的尾气复温，所述背压阀用于控制系统的工作压力。4.根据权利要求3所述的超低温气体实验平台，其特征在于，所述背压阀的前端分出一支管作为分析口，所述分析口与分析仪器相连。5.根据权利要求1所述的超低温气体实验平台，其特征在于，所述制冷组件包括依次连接的液氮预冷器、回热器以及冷头换热器；所述回热器、冷头换热器位于所述冷箱内；所述液氮预冷器与所述自增压液氮容器相连，用于将待测气体冷却至液氮温区，所述回热器用于将待测气体与所述实验测试件排出的尾气进行换热，所述冷头换热器用于将待测气体冷却至实验...

【专利技术属性】
技术研发人员：江蓉，严磊，程香，赖勇杰，向润清，李亮，吴华飞，曹峻，祁珂，李自飞，李忠，魏伟，
申请(专利权)人：四川空分设备集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：