液氢储罐静态蒸发率测试方法及系统与流程

本发明涉及液氢储罐检测，特别涉及一种液氢储罐静态蒸发率测试方法及系统。

背景技术：

1、静态蒸发率是衡量低温绝热容器绝热性能的核心指标，是指低温绝热容器在静置状态下，24小时内低温液体自然蒸发损失的质量占总充装质量的百分比。国内已出台gb/t18443.5《真空绝热深冷设备性能试验方法 第5部分：静态蒸发率测量》等相关标准，明确将静态蒸发率作为液氢绝热压力容器的核心验收指标。

2、然而，液氢储罐静态蒸发率的测试目前面临诸多技术难题，主要集中在以下几个方面：

3、1、超低温与安全管控难度大

4、液氢需要在-253℃的超低温环境下储存，且氢气具有极高的易燃易爆性，测试过程对低温适配仪器及防爆安全设施的要求极为苛刻。另外，民用液氢供应渠道有限，直接开展液氢实测试验的门槛和风险都很高，工程实践中难以规模化推行。

5、2、相变与传热过程精准预测难

6、液氢的相变换热、非稳态热质传递规律十分复杂，正-仲氢转化、热分层等效应会直接影响蒸发速率。现有多相流数值方法很难精准预测液气界面的传质特性，容易出现压力、蒸发率预测偏差。

7、3、替代测试换算精度难保障

8、为规避液氢测试的高风险，行业常规做法是采用液氮替代液氢进行测试；但液氮与液氢在沸点（两者相差约57k，远超国标允许的20k温差限值）、密度（液氮密度约为液氢的11倍）和汽化潜热等物性上存在显著差异，两者的蒸发特性不同，需要对绝热层漏热、结构漏热进行精准修正，换算系数控制难度极大。液氢与液氮的蒸发率比值对绝热性能和液氮充满率高度敏感，换算系数在2.9至8.3之间，波动较大，导致准确性和可靠性难以保证。其测量原理基于相变潜热，面临着测试介质相变带来的复杂性和不确定性。

9、4、干扰因素剥离与数据校准难

10、测试过程中环境温湿度、大气压力、残余气体导热等干扰因素众多，同时高精度流量测量、称重校核的系统误差控制要求严苛，需要长时间连续采集数据才能获得稳定的热平衡结果。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种液氢储罐静态蒸发率测试方法及系统，采用低温氦气作为测试介质，利用氦气在液氢储罐中吸热升温引起的显热变化，能够从根本上规避液氢直接测试的高风险，同时避免液氮替代法中因物性差异和相变复杂导致的折算误差，操作简便，测试精度高。

2、一方面，本发明实施例提供一种液氢储罐静态蒸发率测试方法，包括：

3、对被测液氢储罐进行预冷，使液氢储罐内部温度达到预设温度；

4、向预冷后的液氢储罐内充入低温氦气；

5、关闭液氢储罐所有阀门，使液氢储罐静置预设静置时长；

6、采集预设静置时长起始时和终止时液氢储罐内氦气的温度参数和压力参数；

7、根据起始时和终止时氦气的温度参数和压力参数，查询氦气物性参数表得到起始时和终止时氦气的内能值，基于液氢储罐容积和氦气密度计算液氢储罐内的氦气质量;

8、根据所述氦气质量以及起始时和终止时氦气的内能差，计算预设静置时长内液氢储罐的吸热量；

9、根据所述吸热量和液氢的物性参数，计算得到液氢储罐的静态蒸发率。

10、根据本发明的一些实施例，所述对被测液氢储罐进行预冷，包括：

11、第一次预冷：利用液氮对被测液氢储罐进行冷却，液氮充满率达到液氢储罐有效容积的90%以上，冷却时间不少于48小时，然后排出液氮；

12、第二次预冷：将氦气降温至-253℃以下，对液氢储罐进行二次预冷，记录循环氦气在液氢储罐出口回制冷机处的温度，当出口温度趋于平稳且低于-253℃时，预冷完成。

13、根据本发明的一些实施例，在第一次预冷中，液氮充装速率不超过50l/min，在液氢储罐内容器的上、中、下三个高度位置分别设置温度测点，当三个测点温度均降至-190℃以下且各测点温差不超过10℃时，判定第一次预冷完成；液氮排放采用底部排放结合顶部氮气加压吹扫的方式，排放时间不少于2小时；

14、在第二次预冷中，循环氦气流量控制在5~20g/s，当出口温度稳定在20k以下且30分钟内波动不超过±0.5k时，判定第二次预冷完成。

15、根据本发明的一些实施例，所述基于液氢储罐容积和氦气密度计算液氢储罐内的氦气质量的步骤中，液氢储罐内氦气质量的计算公式为：

16、m = v · ρ ；

17、式中，m为液氢储罐内的氦气质量，单位为kg；v为储罐容积，单位为m3，ρ为液氢储罐内的氦气密度，单位为kg/m3。

18、根据本发明的一些实施例，所计算预设静置时长内液氢储罐的吸热量的计算公式为：

19、q = m · (u2- u1) ；

20、式中，q为液氢储罐的吸热量，单位为kj；m为液氢储罐内的氦气质量，单位为kg；u1为起始时液氢储罐内的氦气内能，单位为kj/kg；u2为终止时液氢储罐内的氦气内能，单位为kj/kg。

21、根据本发明的一些实施例，液氢测试静态蒸发率的计算公式为：

22、dtest= q / (η · γ · v · ρh2) × 100% ；

23、式中，dtest为液氢测试静态蒸发率，单位为%/d；q为液氢储罐的吸热量；η为液氢储罐的额定充满率；γ为液氢在大气压力下的汽化潜热，单位为kj/kg；v为储罐容积，单位为m3；ρh2为液氢在大气压力下的密度，单位为kg/m3。

24、根据本发明的一些实施例，所述计算得到液氢储罐的静态蒸发率，还包括：

25、将测试静态蒸发率折算为标准状态下液氢的静态蒸发率，计算公式为：

26、dstd= dtest· (0.7·(tstd- ts)/(th- ts) + 0.3·(tstd4- ts4)/(th4- ts4)) ；

27、式中，dstd为标准状态下液氢的静态蒸发率，单位为%/d；dtest为液氢测试静态蒸发率，单位为%/d；tstd为标准状态温度，取值为293.15k；ts为液氢在大气压力下的饱和温度，单位为k；th为测试期间平均环境温度，单位为k。

28、根据本发明的一些实施例，所述计算预设静置时长内液氢储罐的吸热量的步骤之后，还包括：

29、基于定容比热容的积分法进行验证液氢储罐的吸热量，验证公式为：

30、；

31、式中，q为液氢储罐的吸热量，单位为kj；m为液氢储罐内的氦气质量，单位为kg;cv(t)为氦气在温度t下的定容比热容，单位为kj/(kg·k)；t1为起始时液氢储罐内的氦气温度，单位为k；t2为终止时液氢储罐内的氦气温度，单位为k；dt为温度微元，即积分变量；

32、并基于压力变化进行验证，在定容条件下压力和温度满足如下公式：

33、p2/t2= p1/t1；

34、式中，p1为起始时氦气压力，p2为终止时氦气压力；

35、如果实测的p2/t2与p1/t1的比值偏差超过3%，则氦气在测试温度范围内偏离理想气体行为，需要进行修正。

36、根据本发明的一些实施例，所述方法还包括重复静置及采集步骤：

37、获取连续两个预设静置时长内的静态蒸发率d1和d2，所述预设静置时长为24小时；

38、当d1与d2之间的差值不超过5%时，判定测试结果有效；

39、当差值超过5%时，继续进行第三个预设静置时长的试验，若仍超过5%，则重新进行试验。

40、又一方面，本发明实施例提供一种液氢储罐静态蒸发率测试系统，用于实现上述的液氢储罐静态蒸发率测试方法。该系统包括：

41、液氢储罐，设置有压力检测接口和温度检测接口；

42、压力检测模块，设置于所述压力检测接口处，用于检测液氢储罐内部的压力；

43、温度检测模块，设置于所述温度检测接口处，用于检测液氢储罐内部氦气的温度；

44、氦气供给模块，用于向液氢储罐内充入低温氦气，所述氦气供给模块包括氦气瓶和氦制冷机，所述氦气瓶通过管路与液氢储罐连通，管路上设置有控制阀门；

45、数据处理单元，与所述压力检测模块和温度检测模块信号连接，用于采集预设静置时长起始时和终止时液氢储罐内氦气的压力参数和温度参数；基于储罐容积和氦气密度计算储罐内氦气质量；根据所述氦气质量以及起始时和终止时氦气的内能差计算预设静置时长内液氢储罐的吸热量；根据所述吸热量和液氢的物性参数计算液氢储罐的静态蒸发率。

46、本发明实施例的液氢储罐静态蒸发率测试方法及系统，至少具有如下有益效果：

47、采用低温氦气作为液氢储罐静态蒸发率测试介质，通过测量氦气吸热升温引起的显热变化计算漏热量，进而折算液氢蒸发率。一是氦气为惰性气体，无毒、不可燃、不爆炸，彻底规避了液氢易燃易爆的高危风险，测试无需防爆场地和复杂安全设施，操作门槛和人员风险大幅降低。二是氦气在测试全程保持气态，不存在液氢相变、正-仲氢转化及热分层等复杂干扰，气体扩散性好，罐内温度场比较稳定，测试参数准确性和再现性高，满足工程精度要求。三是直接基于氦气物性参数计算漏热量，无需建立液氮-液氢折算模型，也无需数值仿真迭代，计算简洁、物理意义清晰。四是氦气在20k至50k测试工况下不会冷凝，能够稳定复现液氢容器传热环境；氦气易获取、用量小、可回收，无需依赖稀缺昂贵的液氢资源，测试周期短，综合成本低。五是氦气排放无污染，环境友好，广泛应用于液氢罐箱、槽车和固定式储罐出厂检验、定期检验及绝热性能评估。

48、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。