CN111879156A - 一种全多层钢制高压储氢容器换热结构及换热方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于氢能领域，涉及一种全多层钢制高压储氢容器换热结构及换热方法。包括保护壳、油箱和夹套；保护壳为套筒结构，套设于全多层钢制高压储氢容器中部，保护壳内为全多层钢制高压储氢容器的钢带层，保护壳和钢带层的间隙内通有导热介质；保护壳底端两侧设有两个鞍座，用于支撑全多层钢制高压储氢容器及换热结构；保护壳介质进口接头和保护壳介质出口接头分别焊接在保护壳左右端，保护壳介质进口接头用于连接油池，保护壳介质出口接头连接油箱和真空泵；夹套焊设于保护壳外部，夹套内设置折流板，夹套上设有夹套介质进出口。本发明可实现全多层钢制高压储氢容器内外换热，操作简单方便。

Description

一种全多层钢制高压储氢容器换热结构及换热方法

技术领域

本发明属于氢能领域，涉及一种全多层钢制高压储氢容器换热结构及换热方法。

背景技术

氢能具有热值高、来源多样、清洁环保、利用高效等优点，是未来能源的重要发展方向。大力发展氢能，是我国转变能源消费结构、保障能源安全、缓解空气污染、减少温室气体排放、保持经济可持续发展的重要举措。

全多层钢制高压储氢容器是我国自主研发、设计的产品，具有适应高参数设计、抑爆抗爆、缺陷分散、健康状态可在线监测、制造经济简便等优点，并且采用多层结构成功克服了高压储氢容器的氢脆难题，是氢能基础设施建设中关键的储氢设备，具有广泛的应用前景。

具有换热功能是全多层钢制高压储氢容器实现固态/高压混合储氢技术的关键之一。由于全多层钢制高压储氢容器储氢压力高，容器壁厚大，并且为全多层结构，直接在容器外部设置换热夹套，会使得传热困难。此外，为保证容器密封性，在容器端部设置的孔径很小，仅供氢气进出，无法为内换热提供进出口通道。鉴于该容器结构的特殊性，目前国内外还没有现成的换热结构及方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提出一种全多层钢制高压储氢容器换热结构及换热方法。

为解决该技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种全多层钢制高压储氢容器换热结构，包括保护壳、油箱和夹套；保护壳为套筒结构，套设于全多层钢制高压储氢容器中部，保护壳内为全多层钢制高压储氢容器的钢带层，保护壳和钢带层的间隙内通有导热介质；保护壳底端两侧设有两个鞍座，用于支撑全多层钢制高压储氢容器及换热结构；保护壳介质进口接头和保护壳介质出口接头分别焊接在保护壳左右端，保护壳介质进口接头用于连接油池，保护壳介质出口接头连接油箱和真空泵；夹套焊设于保护壳外部，夹套内设置折流板，夹套上设有夹套介质进出口。

作为一种改进，保护壳介质进口接头设于鞍座上方；保护壳介质进口接头和保护壳介质出口接头焊接在相邻两段钢带的间隙上方，方便介质通入到钢带层间隙中。本发明中，鞍座焊接在保护壳左右两侧，避免直接焊接在夹套上对夹套壳体造成挤压。

作为一种改进，保护壳内通入的介质为利于传热且不对钢带层性能产生影响的导热油。

作为一种改进，油箱上设有三个通孔，分别设于油箱上下端和侧部；下端通孔焊接螺纹接头，能和保护壳介质出口接头螺栓连接；侧部侧通孔为氢气检漏口，在换热过程中实时监测钢带层间氢气泄漏情况；上端通孔焊接U形管。

上述换热结构的制造方法，包括下述步骤：

(1)容器主体的钢带层缠绕完成后，找出容器其中一侧最上方离端部最近的第一处钢带间隙，在端部对此钢带间隙的位置做出标记；

(2)根据鞍座预计占有的位置，在容器另一侧鞍座偏上方，找出离该侧端部最近的第一处钢带间隙，在该侧端部对此钢带间隙的位置做出标记；

(3)保护壳完全包覆在钢带层外侧，并与容器两端焊接，根据上述标记的两处位置，在保护壳上开设保护壳进出口的通孔；

(4)折流板焊接在夹套上，夹套焊接在保护壳上，左右保留鞍座及保护壳进出口接头的位置，然后在保护壳上焊接鞍座、保护壳介质进口接头和保护壳介质出口接头。

本发明还提供了一种利用上述换热结构的换热方法，包括以下步骤：

(1)计算产生的钢带层间隙的容积，根据使用过程中的最高温度和最低温度，计算导热油热胀冷缩产生的最大体积差，由此确定油箱的容积参数，即油箱容积不得小于计算的最大体积差，然后制造油箱供后续使用；

(2)向保护壳内钢带层间隙通入导热油：

(3)保持钢带层间隙存在导热油，夹套内通换热介质，进行换热；

(4)使用过程中通过油箱上的氢气检漏口实时监测钢带层中是否发生氢气泄漏。

作为一种改进，导热油要求将钢带层材料及保护壳材料浸入导热油适当时间后，材料不发生腐蚀，且力学性能不发生改变。

作为一种改进，步骤(2)包括以下子步骤：

①保护壳介质出口接头安装出口阀门，并连接真空泵，保护壳介质进口接头安装进口阀门，连接透明塑料接管，然后连通到油池，为保证通入的导热油能始终充满钢带层间隙，油池油温不高于换热过程中的最低温度；

②打开进口阀门和出口阀门，开启真空泵，运行一段时间，使得导热油浸满透明塑料接管后，立即关闭进口阀门，以保证抽真空后，导热油进入的过程中没有空气干扰；

③真空泵抽真空到最大限度；

④打开进口阀门使油池的导热油灌入钢带层间隙，导热油溢出出口阀门后，关闭真空泵和进口阀门；

⑤拆除出口阀门，在保护壳介质出口接头上安装油箱，拆除进口阀门及透明塑料接管，在进口阀门的入口加丝堵。

与现有结构相比，本发明的有益效果在于：

1、利用该换热结构和方法，可实现全多层钢制高压储氢容器内外换热，操作简单方便。

2、本发明要求鞍座焊接在保护壳左右两侧，避免了直接焊接在夹套上对夹套壳体造成挤压；在钢带层和夹套之间添加保护壳，可防止夹套内的换热介质通入钢带层，对钢带层的性能产生不利影响。

3、本发明采用了在钢带层间隙通导热油的方法，不仅有效排出钢带层间隙中隔绝传热的空气，并且通入了利于传热的导热油，提高了传热系数，降低了厚壁问题产生的不利影响。

4、本发明提供了利用真空泵将保护壳介质通入钢带层间隙的有效方法，操作简单方便。

5、保护壳介质在使用过程会发生热胀冷缩，油箱提供保护壳介质的储存空间，保护壳介质膨胀时溢出进入油箱，收缩时油箱内介质可重新进入钢带层间隙。通过油箱上的氢气检漏口仍可实时监测钢带层间氢气泄漏情况，解决了因为设置夹套导致氢气检漏口无处安置的问题。油箱上端通孔焊接U形管，提供导热油溢出过多时的出口，也避免了外界雨水的干扰。

附图说明

图1为全多层钢制高压储氢容器示意图；

图2为全多层钢制高压储氢容器换热结构示意图；

图3为油箱结构示意图；

图4为全多层钢制高压储氢容器保护壳介质灌装示意图。

附图标记说明：

1-接口座、2-加强箍、3-保护壳、4-钢带层、5-氢气传感器接口、6-内筒、7-封头、8-油箱、9-保护壳介质出口接头、10-夹套、11-保护壳介质进口接头、12-鞍座、13-折流板、14-螺纹接头、15-氢气检漏口、16-U形管、17-出口阀门、18-真空泵、19-进口阀门、20-透明塑料接管、21-油池。

具体实施方式

如图1所示，一种全多层钢制高压储氢容器典型结构，包括接口座1、加强箍2、保护壳3、钢带层4、氢气传感器接口5、内筒6和封头7。除了应具备足够的承压能力，具有换热功能是全多层钢制高压储氢容器实现固态/高压混合储氢技术的关键。

本实施例中的全多层钢制高压储氢容器换热结构如图2所示，包括保护壳3、保护壳介质进口接头11、保护壳介质出口接头9、油箱8、鞍座12、夹套10和折流板13。其中保护壳3与全多层钢制高压储氢容器左右两端加强箍2焊接，并包覆全多层钢制高压储氢容器的钢带层4。保护壳介质进口接头11、保护壳介质出口接头9焊接在保护壳3左右两侧。保护壳介质出口接头9连接油箱8。鞍座12焊接在保护壳3底部左右两侧，避免直接焊接在夹套10上对其壳体造成挤压。保护壳介质进口接头11避开鞍座12位置，设置在鞍座12偏上方。保护壳介质进口接头11和保护壳介质出口接头9焊接在相邻两段钢带的间隙上方，方便介质通入到钢带层4的间隙中。保护壳3内通入的介质为利于传热的导热油。

夹套10焊接在保护壳3上，左右两端保留保护壳介质进口接头11、保护壳介质出口接头9以及鞍座12的位置，夹套10内设置折流板13，夹套10上设置夹套介质进出口。

图3为油箱8的结构示意图，导热油在使用过程会发生热胀冷缩，油箱8提供导热油的储存空间，导热油膨胀时溢出进入油箱8，收缩时油箱8内导热油可重新进入钢带层4的间隙。油箱8上设有三个通孔，下端通孔焊接螺纹接头14，可与保护壳介质出口接头9螺栓连接。左上侧通孔为氢气检漏口15，在换热过程中实时监测氢气泄漏情况。上端通孔焊接U形管16。

本发明还提供了一种上述换热结构的制造方法，包括下述步骤：

(1)容器的钢带层4缠绕完成后，找出容器其中一侧最上方离加强箍2最近的第一处钢带间隙，在加强箍2上对此钢带间隙的位置做出标记。

(2)根据鞍座12预计占有的位置，在容器另一侧鞍座12偏上方，找出离该侧加强箍2最近的第一处钢带间隙，在该侧加强箍2上对此钢带间隙的位置做出标记；

(3)保护壳3完全包覆在钢带层4外侧，并与两端的加强箍2焊接，根据上述标记的两处位置，在保护壳3上开设保护壳进出口的通孔；

(4)折流板13焊接在夹套10上，夹套10焊接在保护壳3上，左右保留鞍座12及保护壳进口接头11和保护壳介质出口接头9的位置，然后在保护壳3上焊接鞍座12、保护壳介质进口接头11和保护壳介质出口接头9。

本发明还提供了一种上述换热结构的使用方法，包括下述步骤：

(1)选取合适的导热油，要求将钢带层4的材料及保护壳3的材料浸入导热油适当时间后，材料不发生腐蚀，且力学性能不发生改变；

(2)计算产生的钢带层间隙的容积，根据使用过程中的最高温度和最低温度，计算导热油热胀冷缩产生的最大体积差，由此确定油箱8的容积参数(油箱8的容积不得小于计算的最大体积差)，然后制造油箱8供后续使用。

(3)向保护壳3内钢带层4的间隙通入导热油：

①保护壳介质出口接头9安装出口阀门17，并连接真空泵18，保护壳介质进口接头11安装进口阀门19，连接透明塑料接管20，然后连通到油池21，为保证通入的导热油始终充满钢带层4的间隙，油池21的油温不高于换热过程中的最低温度；

②打开进口阀门19和出口阀门17，开启真空泵18，运行一段时间，使得导热油浸满透明塑料接管20后，立即关闭进口阀门19，以保证抽真空后，导热油进入的过程中没有空气干扰；

③真空泵18抽真空到最大限度；

④打开进口阀门19使油池21的导热油灌入钢带层间隙，导热油溢出出口阀门17后，关闭真空泵18和进口阀门19；

⑤拆除出口阀门17，在保护壳介质出口接头9上安装油箱8，拆除进口阀门19及透明塑料接管20，在进口阀门19的入口加丝堵。

(4)保持钢带层4的间隙存在导热油，夹套10内通换热介质，进行换热。

(5)使用过程中通过油箱8上的氢气检漏口15实时监测钢带层4中是否发生氢气泄漏。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种全多层钢制高压储氢容器换热结构，其特征在于，包括保护壳、油箱和夹套；所述保护壳为套筒结构，套设于全多层钢制高压储氢容器中部，保护壳内为全多层钢制高压储氢容器的钢带层，保护壳和钢带层的间隙内通有导热介质；保护壳底端两侧设有两个鞍座，用于支撑全多层钢制高压储氢容器及换热结构；保护壳介质进口接头和保护壳介质出口接头分别焊接在保护壳左右端，保护壳介质进口接头用于连接油池，保护壳介质出口接头连接油箱和真空泵；所述夹套焊设于保护壳外部，夹套上设有夹套介质进出口。

2.根据权利要求1所述的换热结构，其特征在于，所述保护壳介质进口接头设于鞍座上方；保护壳介质进口接头和所述保护壳介质出口接头焊接在相邻两段钢带的间隙上方，方便介质通入到钢带层间隙中。

3.根据权利要求1所述的换热结构，其特征在于，所述保护壳内通入的介质为利于传热且不对钢带层性能产生影响的导热油。

4.根据权利要求1所述的换热结构，其特征在于，所述油箱上设有三个通孔，分别设于油箱上下端和侧部；下端通孔焊接螺纹接头，能和保护壳介质出口接头螺栓连接；侧部侧通孔为氢气检漏口，在换热过程中实时监测钢带层间氢气泄漏情况；上端通孔焊接U形管。

5.利用权利要求1所述的换热结构的换热方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)计算产生的钢带层间隙的容积，根据使用过程中的最高温度和最低温度，计算导热油热胀冷缩产生的最大体积差，由此确定油箱的容积参数，即油箱容积不得小于计算的最大体积差，然后制造油箱供后续使用；

(2)向保护壳内钢带层间隙通入导热油：

(3)保持钢带层间隙存在导热油，夹套内通换热介质，进行换热；

(4)使用过程中通过油箱上的氢气检漏口实时监测钢带层中是否发生氢气泄漏。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述导热油要求将钢带层材料及保护壳材料浸入导热油适当时间后，材料不发生腐蚀，且力学性能不发生改变。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下子步骤：

①保护壳介质出口接头安装出口阀门，并连接真空泵，保护壳介质进口接头安装进口阀门，连接透明塑料接管，然后连通到油池，为保证通入的导热油能始终充满钢带层间隙，油池油温不高于换热过程中的最低温度；

②打开进口阀门和出口阀门，开启真空泵，运行一段时间，使得导热油浸满透明塑料接管后，立即关闭进口阀门，以保证抽真空后，导热油进入的过程中没有空气干扰；

③真空泵抽真空到最大限度；

④打开进口阀门使油池的导热油灌入钢带层间隙，导热油溢出出口阀门后，关闭真空泵和进口阀门；

⑤拆除出口阀门，在保护壳介质出口接头上安装油箱，拆除进口阀门及透明塑料接管，在进口阀门的入口加丝堵。

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