CN115325427A - 一种外置磁场滤氧器的防固空液氢储罐 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种外置磁场滤氧器的防固空液氢储罐，包括：储罐主体、自增压***、泄压***、加注***和排放***；储罐主体的底部为液腔，顶部为气枕区；自增压***的进口端与储罐主体的液腔相通，出口端与气枕区相通；泄压***的进口端与储罐主体的气枕区相通，出口端与外界大气相通；加注***的进口端与外部的液氢源连接，出口端与储罐主体的气枕区相通；排放***的进口端与储罐主体的液腔相通，出口端与外界大气相通；其中，泄压***、加注***和排放***的管路上均安装有磁场滤氧器，当外界空气进入储罐主体时，磁场滤氧器用于捕获进入储罐主体的空气中的氧气。本发明能够消除现有液氢储罐中的固空富氧累积，延长液氢储罐复温周期。

Description

一种外置磁场滤氧器的防固空液氢储罐
技术领域
本发明属于液氢储运技术领域，具体涉及一种外置磁场滤氧器的防固空液氢储罐。
背景技术
随着国内航天事业和民用氢能产业的蓬勃发展，具有高比冲、无污染特性的液氢应用水平得到大幅提升，大规模的液氢生产和储运是未来的发展趋势。然而，液氢储罐内部液氢在进行加注、转注、排放等操作时，虽然内部理论上处于正压状态，但外部空气依然不可避免地进入储罐内部，由于内部温度约为20K左右，进入后的空气会首先液化为液空，随后沉积在储罐内壁，并逐渐形成固空，随着液氢储罐使用时长的增加，固空会不断累积，固空颗粒也会不断增大，因此，极易造成少量空气的渗入并在低温工况下凝固和累积。
相关研究表明，这种积累的固空是富氧的，当固空中的氧大于空气中氧组分的比例时，液氢***易发生***或爆轰。由于氧氮凝固点差异，固空颗粒的氧含量随着颗粒半径增加而上升，当氧含量大于21％后，固空导致的自燃或自动爆轰的危险性剧增，此时需要对储罐进行复温，消除固空带来的安全隐患。由于固空的危险性主要源于固空颗粒中的高氧含量，所以若能减少进入液氢储罐内部的氧气，则固空的危险性会迅速降低，进而可以增加液氢储罐的使用周期。所以，对于大型液氢生产、贮存***，解决固空累积带来的安全隐患至关重要。
目前均采用定期复温方式消除液氢中沉积的固空，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；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，至少每两年进行一次。通常作法是将常温氢气或者氮气快速填充至贮罐内并静置一段时间，待其充分换热之后将内部的气体排出，再进行下一次的换热。对于较大容量的液氢储罐，往往需要多次置换过程才能将整个储罐温度恢复至常温。
采用复温法消除固空的缺点主要体现在以下两方面：
1)为加速复温速度，通常需要对液氢储罐内充注常温氢气或者氮气，随着实际应用的液氢储罐数量急剧上升，将会造成大量的氢气或氮气等换热介质气的消耗；
2)复温需要较长的时间，液氢储罐不能继续使用，所以频繁进行复温操作将会影响液氢相关的生产、使用及试验进程。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种外置磁场滤氧器的防固空液氢储罐，能够消除现有液氢储罐中的固空富氧累积，延长液氢储罐复温周期。
本发明是通过下述技术方案实现的：
一种外置磁场滤氧器的防固空液氢储罐，包括：储罐主体、自增压***、泄压***、加注***和排放***；
所述储罐主体内的底部设有液氢，储罐主体内的顶部充满氢气，液氢所在处为液腔，氢气所在处为气枕区；
所述自增压***的进口端与储罐主体内的液腔相通，出口端与储罐主体内的气枕区相通，用于将储罐主体内的液氢汽化为氢气，以调整储罐主体内的压力；
所述泄压***的进口端与储罐主体内的气枕区相通，出口端与外界大气相通，用于排放储罐主体内的氢气；
所述加注***的进口端与外部的液氢源连接，出口端与储罐主体内的气枕区相通，用于给储罐主体内加注液氢；
所述排放***的进口端与储罐主体内的液腔相通，出口端与外界大气相通，用于排放储罐主体内的液氢；
其中，所述泄压***、加注***和排放***的管路上均安装有磁场滤氧器，当外界空气进入储罐主体内时，磁场滤氧器用于捕获进入储罐主体内的空气中的氧气。
进一步的，所述泄压***、加注***和排放***的管路上均安装有两个以上串联的磁场滤氧器。
进一步的，所述磁场滤氧器包括：第一强磁体、第二强磁体及高磁导率多孔介质；
令泄压***、加注***和排放***的管路的管壁均为绝热管道壳体；所述高磁导率多孔介质安装在所述绝热管道壳体内；第一强磁体和第二强磁体分别安装在绝热管道壳体外部，且第一强磁体与第二强磁体的安装位置异极相对，两者之间形成外部磁场；同时，第一强磁体和第二强磁体的安装位置均与高磁导率多孔介质的安装位置相对。
进一步的，高磁导率多孔介质、第一强磁体及第二强磁体的两端均安装有固定架。
进一步的，所述高磁导率多孔介质采用磁性金属丝或不锈钢钢毛。
进一步的，所述第一强磁体和第二强磁体为永磁体或电磁体，可通过拆卸永磁体或控制电磁体电源实现高磁导率多孔介质外部磁场的有无。
进一步的，所述储罐主体包括：外罐、内罐及罐体支架；内罐安装在外罐内部，内罐的外表面和外罐的内表面之间的空腔形成高真空绝热层；罐体支架安装在外罐外部；所述储罐主体通过所述罐体支架支撑在地面或平台上；
所述自增压***包括：自增压管路、汽化换热器及第一低温调节阀；所述自增压管路位于所述储罐主体的外部，自增压管路的两端均穿过外罐和内罐的壁面后，其一端与所述内罐的液腔相通，另一端与内罐的气枕区相通；汽化换热器和第一低温调节阀均安装在所述自增压管路上；
令泄压***上的磁场滤氧器为第一磁场滤氧器；所述泄压***包括：泄压管路、第一磁场滤氧器及第二低温调节阀；所述泄压管路的一端穿过外罐和内罐的壁面后，与所述内罐的气枕区相通；泄压管路的另一端与外界大气相通；第一磁场滤氧器和第二低温调节阀均安装在所述泄压管路上；
令加注***上的磁场滤氧器为第二磁场滤氧器；所述加注***包括：加注管路、第二磁场滤氧器及第三低温调节阀；所述加注管路的一端穿过外罐和内罐的壁面后，与所述内罐的气枕区相通；加注管路的另一端与外部的液氢源连接；第二磁场滤氧器和第三低温调节阀均安装在所述加注管路；
令排放***上的磁场滤氧器为第三磁场滤氧器；所述排放***包括：排放管路、第三磁场滤氧器及第四低温调节阀；所述排放管路的一端穿过外罐和内罐的壁面后，与所述内罐的液腔相通；排放管路的另一端与外界大气相通；第三磁场滤氧器和第四低温调节阀均安装在所述排放管路上。
进一步的，所述第一磁场滤氧器、第二磁场滤氧器、第三磁场滤氧器均在泄压管路、加注管路、排出管路远离内罐的外侧。
进一步的，所述自增压管路、泄压管路、加注管路、排出管路、第一低温调节阀、第二低温调节阀、第三低温调节阀及第四低温调节阀均采用绝热材料。
有益效果：
(1)常见气体中，氧气具有相对较强的顺磁性，而氮气具有逆磁性，相对磁化率绝对值比氧气小三个数量级。常见气体相对于氧气的磁化率如下，氧气(顺磁性，100)、氢气(逆磁性，-0.11)、氮气(逆磁性，-0.40)。此外，对于顺磁性物质，分子热运动会干扰分子磁矩的规则排列，当温度降低时，分子热运动减弱，顺磁效应即会增强，所以在液氢温区下，氧气的顺磁磁化率会大幅提升，因此，本发明根据液氢中固空颗粒的氧含量分布特征及氧气的顺磁性(即磁场富集氧气)的原理，设计了可用于液氢储罐的磁场滤氧器，能够减少固空颗粒的氧源输入，抑制固空的生长速度；减缓液氢储罐中的固空富氧累积，延长液氢储罐复温周期。
(2)本发明无需引入常温氢气或者氮气来加速液氢储罐的复温速度，因此不会造成大量的氢气或氮气等换热介质气的消耗，且本发明无需对液氢储罐进行复温，因此，不会由于复温时间较长，影响液氢相关的生产、使用及试验进程。
(3)本发明的磁场滤氧器不对液氢储罐的整体结构产生影响，只需安装在与外界相连的管路上即可，同时磁场的特性符合液氢应用工况的安全性需求。
(4)本发明的磁场滤氧器均位于低温调节阀外侧，在富集氧气或释放氧气时，均不会对液氢储罐产生影响。
(5)本发明可以在所述泄压管路、加注管路、排出管路上分别可设置两个以上串联的磁场滤氧器，以提升捕获氧气的效果。
附图说明
图1为本发明的防固空液氢储罐的示意图；
图2为本发明的磁场滤氧器的示意图；
其中，1-外罐，2-内罐，3-高真空绝热层，4-罐体支架，5-自增压管路，6-汽化换热器，7-第一低温调节阀，8-泄压管路，9-第一磁场滤氧器，10-第二低温调节阀，11-加注管路，12-第二磁场滤氧器，13-第三低温调节阀，14-排放管路，15-第三磁场滤氧器，16-第四低温调节阀，17-第一强磁体，18-第二强磁体，19-绝热管道壳体，20-高磁导率多孔介质，21-固定架。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本实施例提供了一种外置磁场滤氧器的防固空液氢储罐，参见附图1，包括：储罐主体、自增压***、泄压***、加注***和排放***；
所述储罐主体包括：外罐1、内罐2和罐体支架4；内罐2安装在外罐1内部，内罐2的外表面和外罐1的内表面之间的空腔形成高真空绝热层3；罐体支架4安装在外罐1外部；所述储罐主体通过所述罐体支架4支撑在地面或平台上；所述内罐2的内腔底部设有液氢，所述液氢未充满所述内罐2的内腔，并将所述内罐2的内腔分为液腔和气枕区，液氢所在处为液腔，气枕区位于内罐2的内腔顶部，气枕区充满氢气；
所述自增压***包括：自增压管路5、汽化换热器6及第一低温调节阀7；所述自增压管路5位于所述储罐主体的外部，自增压管路5的两端均穿过外罐1和内罐2的壁面后，其一端与所述内罐2的液腔相通，另一端与内罐2的气枕区相通；汽化换热器6和第一低温调节阀7均安装在所述自增压管路5上，所述汽化换热器6用于将所述液氢汽化为氢气；
所述泄压***包括：泄压管路8、第一磁场滤氧器9及第二低温调节阀10；所述泄压管路8的一端穿过外罐1和内罐2的壁面后，与所述内罐2的气枕区相通；泄压管路8的另一端与外界大气相通；第一磁场滤氧器9和第二低温调节阀10均安装在所述泄压管路8上；
所述加注***包括：加注管路11、第二磁场滤氧器12及第三低温调节阀13；所述加注管路11的一端穿过外罐1和内罐2的壁面后，与所述内罐2的气枕区相通；加注管路11的另一端与外部的液氢源连接；第二磁场滤氧器12和第三低温调节阀13均安装在所述加注管路11；
所述排放***包括：排放管路14、第三磁场滤氧器15及第四低温调节阀16；所述排放管路14的一端穿过外罐1和内罐2的壁面后，与所述内罐2的液腔相通；排放管路14的另一端与外界大气相通；第三磁场滤氧器15和第四低温调节阀16均安装在所述排放管路14上；
其中，自增压管路5、泄压管路8、加注管路11、排出管路14、第一低温调节阀7、第二低温调节阀10、第三低温调节阀13及第四低温调节阀16均使用绝热材料实现保温；
所述第一磁场滤氧器9、第二磁场滤氧器12、第三磁场滤氧器15均在泄压管路8、加注管路11、排出管路14远离内罐2的外侧；
其中，参见附图2，所述第一磁场滤氧器9、第二磁场滤氧器12、第三磁场滤氧器15结构相同，均为磁场滤氧器，磁场滤氧器包括：第一强磁体17、第二强磁体18、高磁导率多孔介质20及固定架21；
令泄压管路8、加注管路11及排放管路14的管壁均为绝热管道壳体19；所述高磁导率多孔介质20安装在所述绝热管道壳体19内；第一强磁体17和第二强磁体18分别安装在绝热管道壳体19外部，且第一强磁体17与第二强磁体18的安装位置异极相对，两者之间形成强磁场；同时，第一强磁体17和第二强磁体18的安装位置均与高磁导率多孔介质20的安装位置相对；其中，高磁导率多孔介质20、第一强磁体17及第二强磁体18的两端均安装有固定架21，用于对高磁导率多孔介质20、第一强磁体17及第二强磁体18进行定位和安装；
其中，所述高磁导率多孔介质20采用磁性金属丝或不锈钢钢毛；
所述第一强磁体17和第二强磁体18为永磁体或电磁体，可通过拆卸永磁体或控制电磁体电源实现高磁导率多孔介质20外部磁场的有无；
所述磁场滤氧器的工作原理如下：
第一强磁体17与第二强磁体18之间形成强磁场；由于高磁导率多孔介质20的磁导率高，磁场集中在高磁导率多孔介质20内部，离开高磁导率多孔介质20表面的磁场随距离迅速衰减，形成很高的磁场梯度，对顺磁性物质具有很强的吸力；当绝热管道壳体19内有流体通过时，磁场滤氧器运行，第一强磁体17与第二强磁体18向高磁导率多孔介质20提供外部磁场，高磁导率多孔介质20表面形成强磁场梯度；当第二低温调节阀10、第三低温调节阀13或第四低温调节阀16打开(即泄压管路8、加注管路11或排放管路14内有流体通过)时，外部空气不可避免地流入内罐2时，空气中具有强顺磁性的氧气被高磁导率多孔介质20表面的梯度磁场捕获，剩余气体继续通过；当第二低温调节阀10、第三低温调节阀13或第四低温调节阀16关闭(即泄压管路8、加注管路11或排放管路14内无流体通过)时，第一强磁体17与第二强磁体18不再向高磁导率多孔介质20提供外部磁场，高磁导率多孔介质20内已捕获的氧气在浓度差的驱动下向外部扩散，由于此时低温调节阀(即第二低温调节阀10、第三低温调节阀13或第四低温调节阀16)已关闭，所以不会影响内罐2内的液氢。
其中，所述泄压管路8、加注管路11、排出管路14上分别可设置两个以上串联的磁场滤氧器，以提升捕获氧气的效果。
所述防固空液氢储罐的使用方法包括：自增压方法、泄压方法、液氢排放方法及液氢加注方法；
自增压方法：打开第一低温调节阀7，内罐2液腔内的液氢通过第一低温调节阀7后，进入汽化换热器6中吸热气化转换为氢气，氢气通过自增压管路5进入内罐2顶部的气枕区，整个自增压的过程通过第一低温调节阀7控制，实现内罐2内的压力调节；
泄压方法：当内罐2内的压力过高时，打开第二低温调节阀10，使第一磁场滤氧器9处于运行状态，将高压氢气排出；达到设定压力后，关闭第二低温调节阀10，移除第一磁场滤氧器9中的高磁导率多孔介质20的外部磁场，使其处于非运行状态，并将富集的氧气解吸释放；
液氢排放方法：当需要将内罐2内的液氢转注时，打开第四低温调节阀16，使第三磁场滤氧器15处于运行状态；通过自增压***对内罐2的内腔进行增压，将液氢由下方排放管路14挤出；排放完成后，关闭自增压***、第四低温调节阀16，移除第三磁场滤氧器15中的高磁导率多孔介质20的外部磁场，使其处于非运行状态，并将富集的氧气解吸释放；
液氢加注：当需要对内罐2内的液氢进行加注时，打开第二低温调节阀10、第三低温调节阀13，使第一磁场滤氧器9、第二磁场滤氧器12处于运行状态；外部液氢源的液氢通过加注管路11进入内罐2中，在液氢加注过程中，气枕区的氢气通过泄压管路8放空，以调节液氢加注时内罐2的压力波动；液氢加注完成后，关闭第二低温调节阀10和第三低温调节阀13，移除第一磁场滤氧器9和第二磁场滤氧器12中的高磁导率多孔介质20的外部磁场，使两者处于非运行状态，并将富集的氧气解吸释放。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (9)

1.一种外置磁场滤氧器的防固空液氢储罐，其特征在于，包括：储罐主体、自增压***、泄压***、加注***和排放***；
所述储罐主体内的底部设有液氢，储罐主体内的顶部充满氢气，液氢所在处为液腔，氢气所在处为气枕区；
所述自增压***的进口端与储罐主体内的液腔相通，出口端与储罐主体内的气枕区相通，用于将储罐主体内的液氢汽化为氢气，以调整储罐主体内的压力；
所述泄压***的进口端与储罐主体内的气枕区相通，出口端与外界大气相通，用于排放储罐主体内的氢气；
所述加注***的进口端与外部的液氢源连接，出口端与储罐主体内的气枕区相通，用于给储罐主体内加注液氢；
所述排放***的进口端与储罐主体内的液腔相通，出口端与外界大气相通，用于排放储罐主体内的液氢；
其中，所述泄压***、加注***和排放***的管路上均安装有磁场滤氧器，当外界空气进入储罐主体内时，磁场滤氧器用于捕获进入储罐主体内的空气中的氧气。
2.如权利要求1所述的一种外置磁场滤氧器的防固空液氢储罐，其特征在于，所述泄压***、加注***和排放***的管路上均安装有两个以上串联的磁场滤氧器。
3.如权利要求1或2所述的一种外置磁场滤氧器的防固空液氢储罐，其特征在于，所述磁场滤氧器包括：第一强磁体(17)、第二强磁体(18)及高磁导率多孔介质(20)；
令泄压***、加注***和排放***的管路的管壁均为绝热管道壳体(19)；所述高磁导率多孔介质(20)安装在所述绝热管道壳体(19)内；第一强磁体(17)和第二强磁体(18)分别安装在绝热管道壳体(19)外部，且第一强磁体(17)与第二强磁体(18)的安装位置异极相对，两者之间形成外部磁场；同时，第一强磁体(17)和第二强磁体(18)的安装位置均与高磁导率多孔介质(20)的安装位置相对。
4.如权利要求3所述的一种外置磁场滤氧器的防固空液氢储罐，其特征在于，高磁导率多孔介质(20)、第一强磁体(17)及第二强磁体(18)的两端均安装有固定架(21)。
5.如权利要求3所述的一种外置磁场滤氧器的防固空液氢储罐，其特征在于，所述高磁导率多孔介质(20)采用磁性金属丝或不锈钢钢毛。
6.如权利要求3所述的一种外置磁场滤氧器的防固空液氢储罐，其特征在于，所述第一强磁体(17)和第二强磁体(18)为永磁体或电磁体，可通过拆卸永磁体或控制电磁体电源实现高磁导率多孔介质(20)外部磁场的有无。
7.如权利要求4-6任一项所述的一种外置磁场滤氧器的防固空液氢储罐，其特征在于，所述储罐主体包括：外罐(1)、内罐(2)及罐体支架(4)；内罐(2)安装在外罐(1)内部，内罐(2)的外表面和外罐(1)的内表面之间的空腔形成高真空绝热层(3)；罐体支架(4)安装在外罐(1)外部；所述储罐主体通过所述罐体支架(4)支撑在地面或平台上；
所述自增压***包括：自增压管路(5)、汽化换热器(6)及第一低温调节阀(7)；所述自增压管路(5)位于所述储罐主体的外部，自增压管路(5)的两端均穿过外罐(1)和内罐(2)的壁面后，其一端与所述内罐(2)的液腔相通，另一端与内罐(2)的气枕区相通；汽化换热器(6)和第一低温调节阀(7)均安装在所述自增压管路(5)上；
令泄压***上的磁场滤氧器为第一磁场滤氧器(9)；所述泄压***包括：泄压管路(8)、第一磁场滤氧器(9)及第二低温调节阀(10)；所述泄压管路(8)的一端穿过外罐(1)和内罐(2)的壁面后，与所述内罐(2)的气枕区相通；泄压管路(8)的另一端与外界大气相通；第一磁场滤氧器(9)和第二低温调节阀(10)均安装在所述泄压管路(8)上；
令加注***上的磁场滤氧器为第二磁场滤氧器(12)；所述加注***包括：加注管路(11)、第二磁场滤氧器(12)及第三低温调节阀(13)；所述加注管路(11)的一端穿过外罐(1)和内罐(2)的壁面后，与所述内罐(2)的气枕区相通；加注管路(11)的另一端与外部的液氢源连接；第二磁场滤氧器(12)和第三低温调节阀(13)均安装在所述加注管路(11)；
令排放***上的磁场滤氧器为第三磁场滤氧器(15)；所述排放***包括：排放管路(14)、第三磁场滤氧器(15)及第四低温调节阀(16)；所述排放管路(14)的一端穿过外罐(1)和内罐(2)的壁面后，与所述内罐(2)的液腔相通；排放管路(14)的另一端与外界大气相通；第三磁场滤氧器(15)和第四低温调节阀(16)均安装在所述排放管路(14)上。
8.如权利要求7所述的一种外置磁场滤氧器的防固空液氢储罐，其特征在于，所述第一磁场滤氧器(9)、第二磁场滤氧器(12)、第三磁场滤氧器(15)均在泄压管路(8)、加注管路(11)、排出管路(14)远离内罐(2)的外侧。
9.如权利要求7所述的一种外置磁场滤氧器的防固空液氢储罐，其特征在于，所述自增压管路(5)、泄压管路(8)、加注管路(11)、排出管路(14)、第一低温调节阀(7)、第二低温调节阀(10)、第三低温调节阀(13)及第四低温调节阀(16)均采用绝热材料。
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