一种液氢固空制备及测试装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种液氢固空制备及测试装置及其方法，可真实实现液氢介质浸没工况下的固空制备过程可视化及组分测量功能，强化对液氢固空的认识程度

【技术实现步骤摘要】
一种液氢固空制备及测试装置及其方法


[0001]本专利技术涉及液氢安全领域，特别涉及一种液氢固空制备及测试装置及其方法
。

技术介绍

[0002]液氢具有储氢密度大
、
运输效率高
、
储运压力低等优势，是氢能规模化储运的理想形式
。
早期氢液化装置的产能较低，但随着氢能战略的实施，氢液化产业进入快速发展阶段
。
液化氢气源含有微量氧
(
大于1×
10
‑8)
或者空气扩散到氢液化及储运装置内部时，则会形成固空，当固空累积到一定比例，即使在微弱能量的激发下也存在爆炸风险，目前已发生多起固空爆炸事故
。
[0003]固空问题广泛存在于氢能利用环节，需采用定期复温来消除固空带来的安全隐患，但当前仅能参考相对严格的国军标或者航天标准
。
例如，航天标准
QJ 3271《
氢氧发动机试验用液氢生产安全规程
》
中规定：液氢容器在连续生产三个月后应进行升温吹除
(
主要针对液氢接收容器
)
；国军标
GJB
‑
2645《
液氢包装贮存运输要求
》
中规定：液氢贮罐应定期进行升温作业，以清除积存的固态挥发性杂质
。
但频繁复温存在耗时长和冷量损耗大等缺陷，制约着液氢的规模化推广
。
由于液氢的性质特殊以及固空的危险性，多数科研机构尚不具备进行液氢固空实验的资质，可用于液氢固空试验的参考资料较少
。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种液氢固空制备及测试装置及其方法，实现真实液氢介质下的固空制备
、
生长过程可视化以及固空组分测量目标
。
[0005]本专利技术拟采用如下技术方案实现本专利技术的目的：
[0006]第一方面，本专利技术提供了一种液氢固空制备及测试装置，其包括可视化液氢杜瓦
、
模拟气管路
、
氧气管路
、
氮气管路
、
氦气管路
、
量管路
、
第一液氢排空管路
、
液氢加注管路
、
第一加注支路
、
第二加注支路和第二液氢排空管路；
[0007]可视化液氢杜瓦的壁面由杜瓦内壁和杜瓦外壁组成，为双层真空绝热结构；可视化液氢杜瓦的内腔上部和下部分别设置保冷容器和制备容器，制备容器外部通过环绕金属盘管构成液氢冷屏，且金属盘管的进口和出口均设置在保冷容器内部；制备容器内部设置有支架，支架上部安装有梯度磁场构件；制备容器的外底部设置有加热模块，用于对制备容器进行加热使支架上沉积的固空升华；可视化液氢杜瓦的壁面上位于模拟气管路出口高度处设置有可视化窗口，用于对支架和梯度磁场构件上的固空形成过程进行观察；
[0008]氧气管路依次连接高压氧气瓶
、
氧气调节阀和混合器，氮气管路依次连接高压氮气瓶
、
氮气调节阀和混合器；模拟气管路依次连接混合器
、
模拟气调节阀后穿过保冷容器接入制备容器中，且模拟气管路位于可视化液氢杜瓦内腔中的部分外装套管，其模拟气管路的出口端伸出套管并位于支架以及梯度磁场构件的正上方；
[0009]氦气管路依次连接高压氦气瓶和氦气调节阀后，分为两条支路，第一氦气支路末端接入套管中并用于向套管中通入氦气作为防止模拟气管路内部产生冰堵保护气，第二氦
气支路以可换热形式穿过保冷容器后再接入制备容器中，用于将氦气输入制备容器中作为液氢介质排空时的增压气；
[0010]测量管路一端连通制备容器，另一端穿过保冷容器后依次连接位于可视化液氢杜瓦外部的测量控制阀和气体成分分析设备，液氢固空的升华气通过测量管路进入气体成分分析设备；
[0011]第一液氢排空管路一端连接保冷容器，另一端伸出可视化液氢杜瓦后连接第一液氢排空阀，用于将保冷容器产生的氢气排出；
[0012]液氢加注管路前端连接液氢罐，后端分为第一加注支路和第二加注支路，其中第一加注支路依次连接第一液氢加注阀和制备容器，第二加注支路依次连接第二液氢加注阀和保冷容器，两条加注支路分别用于对制备容器和保冷容器进行液氢加注；可视化液氢杜瓦外部的第一加注支路连接有第二液氢排空管路，其上安装有第二液氢排空阀，用于在固空制备完成后将制备容器内部的液氢排空
。
[0013]作为上述第一方面的优选，所述可视化液氢杜瓦上设置的可视化窗口有两个，在外壁上呈
180
°
对向布置，并与梯度磁场构件处于同一高度；光源通过两侧的可视化窗口对模拟气管路下方的梯度磁场构件进行对向打光
。
[0014]作为上述第一方面的优选，所述可视化窗口采用蓝宝石玻璃作为与液氢介质直接接触的内视镜，采用石英玻璃作为外视镜
。
[0015]作为上述第一方面的优选，穿过保冷容器的第二氦气支路采用换热盘管形式
。
[0016]作为上述第一方面的优选，液氢罐通过自增压方式进行液氢加注，且液氢加注管路
、
第一加注支路和第二加注支路均采用真空绝热管
。
[0017]作为上述第一方面的优选，金属盘管内部填充有仲正氢催化剂
。
[0018]作为上述第一方面的优选，还包括温控仪
、
控制器和高速摄像仪，温控仪
、
控制器和高速摄像仪分别通过信号线连接控制器，加热模块与温控仪相连，由控制器通过温控仪实现加热模块功率控制，由控制器通高速摄像仪实现固空生长过程的图像信息采集
。
[0019]作为上述第一方面的优选，所述气体成分分析设备为气相色谱仪，用于测量固空的氧氮分布数据
。
[0020]作为上述第一方面的优选，所述梯度磁场构件
(36)
为用于形成梯度磁场的永磁体
。
[0021]第二方面，本专利技术提供了一种利用如上述第一方面任一所述装置的液氢固空制备及测试方法，其包括以下步骤：
[0022]S1、
液氢加注：打开第一液氢排空阀
、
测量控制阀
、
第一液氢加注阀和第二液氢加注阀，液氢罐中的液氢介质依次通过液氢加注管路
、
第一加注支路
、
第二加注支路进入制备容器和保冷容器，保冷容器加注过程产生的氢气通过第一液氢排空管路排出，制备容器加注过程产生的氢气通过测量管路排出；保冷容器中的液氢需加注到超过金属盘管的入口，使保冷容器中的液氢充满金属盘管进而对制备容器进行冷却；加注完成后，关闭第一液氢加注阀和第二液氢加注阀；
[0023]S2、
模拟气输送：打开氦气调节阀，使高压氦气瓶中的氦气介质进入套管对模拟气进行低温保护，随后关闭氦气调节阀；打开氧气调节阀和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种液氢固空制备及测试装置，其特征在于，包括可视化液氢杜瓦
(40)、
模拟气管路
(1)、
氧气管路
(2)、
氮气管路
(3)、
氦气管路
(11)、
量管路
(14)、
第一液氢排空管路
(17)、
液氢加注管路
(19)、
第一加注支路
(20)、
第二加注支路
(21)
和第二液氢排空管路
(22)
；可视化液氢杜瓦
(40)
的壁面由杜瓦内壁
(33)
和杜瓦外壁
(31)
组成，为双层真空绝热结构；可视化液氢杜瓦
(40)
的内腔上部和下部分别设置保冷容器
(39)
和制备容器
(38)
，制备容器
(38)
外部通过环绕金属盘管
(37)
构成液氢冷屏，且金属盘管
(37)
的进口和出口均设置在保冷容器
(39)
内部；制备容器
(38)
内部设置有支架
(34)
，支架
(34)
上部安装有梯度磁场构件
(36)
；制备容器
(38)
的外底部设置有加热模块
(35)
，用于对制备容器
(38)
进行加热使支架
(34)
上沉积的固空升华；可视化液氢杜瓦
(40)
的壁面上位于模拟气管路
(1)
出口高度处设置有可视化窗口
(32)
，用于对支架
(34)
和梯度磁场构件
(36)
上的固空形成过程进行观察；氧气管路
(2)
依次连接高压氧气瓶
(7)、
氧气调节阀
(5)
和混合器
(4)
，氮气管路
(3)
依次连接高压氮气瓶
(8)、
氮气调节阀
(6)
和混合器
(4)
；模拟气管路
(1)
依次连接混合器
(4)、
模拟气调节阀
(9)
后穿过保冷容器
(39)
接入制备容器
(38)
中，且模拟气管路
(1)
位于可视化液氢杜瓦
(40)
内腔中的部分外装套管
(10)
，其模拟气管路
(1)
的出口端伸出套管
(10)
并位于支架
(34)
以及梯度磁场构件
(36)
的正上方；氦气管路
(11)
依次连接高压氦气瓶
(13)
和氦气调节阀
(12)
后，分为两条支路，第一氦气支路末端接入套管
(10)
中并用于向套管
(10)
中通入氦气作为防止模拟气管路
(1)
内部产生冰堵保护气，第二氦气支路以可换热形式穿过保冷容器
(39)
后再接入制备容器
(38)
中，用于将氦气输入制备容器
(38)
中作为液氢介质排空时的增压气；测量管路
(14)
一端连通制备容器
(38)
，另一端穿过保冷容器
(39)
后依次连接位于可视化液氢杜瓦
(40)
外部的测量控制阀
(15)
和气体成分分析设备，液氢固空的升华气通过测量管路
(14)
进入气体成分分析设备；第一液氢排空管路
(17)
一端连接保冷容器
(39)
，另一端伸出可视化液氢杜瓦
(40)
后连接第一液氢排空阀
(18)
，用于将保冷容器
(39)
产生的氢气排出；液氢加注管路
(19)
前端连接液氢罐
(23)
，后端分为第一加注支路
(20)
和第二加注支路
(21)
，其中第一加注支路
(20)
依次连接第一液氢加注阀
(24)
和制备容器
(38)
，第二加注支路
(21)
依次连接第二液氢加注阀
(26)
和保冷容器
(39)
，两条加注支路分别用于对制备容器
(38)
和保冷容器
(39)
进行液氢加注；可视化液氢杜瓦
(40)
外部的第一加注支路
(20)
连接有第二液氢排空管路
(22)
，其上安装有第二液氢排空阀
(25)
，用于在固空制备完成后将制备容器
(38)
内部的液氢排空
。2.
如权利要求1所述的液氢固空制备及测试装置，其特征在于，所述可视化液氢杜瓦
(40)
上设置的可视化窗口
(32)
有两个，在外壁上呈
180
°
对向布置，并与梯度磁场构件
(36)
处于同一高度；光源
(41)
通过两侧的可视化窗口
(32)
对模拟气管路
(1)
下方的梯度磁场构件
(36)
进行对向打光
。3.
如权利要求1所述的液氢固空制备及测试装置，其特征在于，所述可视化窗口
(32)
采用蓝宝石玻璃作为与液氢介质直接接触的内视镜，采用石英玻璃作为外视镜
。4.
如权利要求1所述的液氢固空制备及测试装置，其特征在于，穿过保冷容器
(39)
的第二氦气支路采用换热盘管形式
。
5.
如权利要求1所述的液氢固空制备及测试装置，其特征在于，液氢罐
(23)
通过自...

【专利技术属性】
技术研发人员：张春伟，郭嘉翔，李绍斌，樊凤彬，阎玮，王静，杨行，苏谦，黎迎晖，陈静，李山峰，瞿骞，
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：