一种用于加氢站的氢气预冷系统的制作方法

1.本实用新型涉及制冷技术领域，特别涉及一种用于加氢站的氢气预冷系统。


背景技术：

2.氢燃料电池汽车是一种以氢气为燃料的新能源汽车，由于氢气具有清洁、无污染、热值高等优点，氢燃料电池汽车具有非常好的发展前景。
3.氢气的存储是氢燃料电池汽车广泛推广的一个重要环节，当前主要的存储方式有高压气态储氢、液氢和金属氢化物三种主要方式。在交通运输领域，相比另外两种储氢方式而言，高压气态储氢的应用更为普遍。高压气态储氢具有技术简单、安全、经济性好、稳定性高和效率高等优点。当前主流的车载储罐的最高压力为35mpa和70mpa，由于70mpa储罐拥有更高的续航里程，所以其具有更好的前景。在快速加注过程中，70mpa的车载储罐内的温升是一个非常严重的问题。温度的上升不仅会影响车载储罐的soc，同时也会带来安全隐患。因此，快速加注过程必须降低温升问题带来的风险，否则这将会成为氢燃料电池汽车推广过程中的一大障碍。
4.目前，温升问题的解决方法主要是在加氢机上游增加氢气预冷系统。此系统通过制冷循环，使用直接或间接的方法对高压氢气进行冷却，从而降低车载储罐的入口氢气温度，在规定时间内完成快速加注的操作，并达到控制温度不超过85℃的上限。现有的加氢站有一部分是通过液氮对高压氢气进行冷却，此方法的缺点是占用空间大，系统搭建成本较高。还有就是单级制冷循环，此方法的缺点主要在于蒸发温度过低将导致压力比p
k
/p0过高。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的缺陷，本实用新型的目的在于提供一种用于加氢站的氢气预冷系统，采用复叠式制冷系统，并在系统中加入安全监控系统以应对突发的安全状况；此外，还考虑到经济性要求，对于具体的加注情况，选择合适的预冷温度，通过控制两个制冷循环中制冷剂的流量来实现，具有安装方便、安全性高、节省空间且成本相对较为低廉的特点。
6.为了达到上述目的，本实用新型的技术方案为：
7.一种用于加氢站的氢气预冷系统，包括管壳式换热器5，管壳式换热器5的高压氢气入口51通过单向阀2、a快换接头1与加氢站内高压氢气连通，管壳式换热器5的高压氢气出口53的管路上经出气口球阀8连接b快换接头9；
8.管壳式换热器5的制冷剂出口52与回热器11制冷剂入口相连通，回热器11制冷剂出口与蒸发冷凝器14低温系统入口相连，蒸发冷凝器14低温系统出口连接a压缩机13入口，a压缩机13出口接回热器11的低温系统入口,并经a节流阀10和管壳式换热器5的制冷剂入口54相连；管壳式换热器5、a节流阀10、回热器11、膨胀容器12、a压缩机13和蒸发冷凝器14组成低温系统；
9.蒸发冷凝器14的高温系统出口经b节流阀17连接冷凝器16的入口，冷凝器16出口
与b压缩机15入口连接，b压缩机15出口连接蒸发冷凝器14高温系统入口；蒸发冷凝器14、b压缩机15、冷凝器16和b节流阀17组成高温系统。
10.所述的a压缩机13的低温系统出口与回热器11的低温系统入口之间外接一个膨胀容器12用于降低系统压力。
11.所述的高压氢气入口51与a快换接头1之间的管路上设置有单向阀、a温度传感器3以及a压力传感器4；管壳式换热器5的高压氢气出口53与b快换接头9之间的管路上连接有b温度传感器6、b压力传感器7。
12.所述的管壳式换热器5，包括若干根直通式的高压316l不锈钢气管。
13.所述的管壳式换热器5的外壳设有保温层。
14.所述的高温系统使用制冷剂r404a,低温系统使用制冷剂r23。
15.本实用新型的优点：
16.(1)、本实用新型采用复叠式制冷循环，首先，经过高温系统中的制冷循环，通过冷凝蒸发器14和低温系统进行换热。接下来，经过低温系统中的制冷循环，在管壳式换热器5中，对高压氢气进行换热，使氢气的温度满足sae j2601加注协议的要求。选择合适的预冷温度，通过控制两个制冷循环中制冷剂的流量来实现。
17.(2)、温度传感器和压力传感器的设置用于检测系统工作参数是否正常，能够随时观察管道内气体运行是否正常，如有异常情况能够在保证快速加注过程安全性的前提下，及时处理相关问题。
18.(3)、由于管壳式换热器5内的高压气管均为管路直通，安装拆卸均非常便捷，并且在换热器内不会发生气体泄露，保证了使用的安全性。
19.(4)、本实用新型结构简单，节省了安装空间，降低了系统能耗，解决了单级系统中压比过高的问题。
附图说明
20.图1为本实用新型的结构示意图。
21.图2为管壳式换热器5的结构示意图。
22.图1中：1、a快换接头；2、单向阀；3、a温度传感器；4、a压力传感器；5、管壳式换热器；6、b温度传感器；7、b压力传感器；8、出气口球阀；9、b快换接头；10、a节流阀；11、回热器；12、膨胀容器；13、压缩机；14、蒸发冷凝器；15、压缩机；16、冷凝器；17、b节流阀。
23.图2中：51、高压氢气入口；52、制冷剂出口；53、高压氢气出口；54、制冷剂入口。
具体实施方式
24.下面通过具体实施对本实用新型所述的氢气预冷系统作进一步的详细描述。
25.参照图1，一种用于加氢站的氢气预冷系统，包括管壳式换热器5，管壳式换热器5的高压氢气入口51通过单向阀2、a快换接头1与加氢站内高压氢气连通，管壳式换热器5的高压氢气出口53的管路上经出气口球阀8连接b快换接头9。
26.参照图2，管壳式换热器5的制冷剂出口52与回热器11制冷剂入口相连通，回热器11制冷剂出口与蒸发冷凝器14低温系统入口相连，蒸发冷凝器14低温系统出口连接a压缩机13入口，a压缩机13出口接回热器11的低温系统入口,并经a节流阀10和管壳式换热器5的
制冷剂入口54相连；管壳式换热器5、a节流阀10、回热器11、膨胀容器12、a压缩机13和蒸发冷凝器14组成低温系统。
27.蒸发冷凝器14的高温系统出口经b节流阀17连接冷凝器16的入口，冷凝器16出口与b压缩机15入口连接，b压缩机15出口连接蒸发冷凝器14高温系统入口；蒸发冷凝器14、b压缩机15、冷凝器16和b节流阀17组成高温系统。
28.所述的a压缩机13的低温系统出口与回热器11的低温系统入口之间外接一个膨胀容器12用于降低系统压力。
29.所述的高压氢气入口51与a快换接头1之间的管路上设置有单向阀、a温度传感器3以及a压力传感器4；管壳式换热器5的高压氢气出口53与b快换接头9之间的管路上连接有b温度传感器6、b压力传感器7。能够随时观察管道内气体运行是否正常，如有异常情况能够在保证快速加注过程安全性的前提下，及时处理相关问题。
30.所述的管壳式换热器5包括若干根直通式的高压316l不锈钢气管。不锈钢气管直接穿过制冷剂区域完成换热过程。由于管壳式换热器内的高压气管均为管路直通，安装拆卸均非常便捷，并且在换热器内不会发生气体泄露，保证了使用的安全性。
31.所述的管壳式换热器5的外壳设有保温层，外置管路中也设有保温层，防止低温氢气与外界环境换热，用于降低换热过程中的热量损失。
32.所述的高温系统使用制冷剂r404a,低温系统使用制冷剂r23。在蒸发冷凝器14中制冷剂r404a与制冷剂r23进行换热；在高温系统和低温系统中，制冷剂经过制冷循环反复利用。
33.本实用新型的工作原理为：
34.预冷系统运行前，检查所有阀门的状态，确保所有阀门均能正常工作。管道加70mpa气压测试系统密闭性。
35.a.管壳式换热器5准备工作：确保换热器各管路连接完好，检查密封性。外露管路必须设置保温层。一切准备就绪后，管壳式换热器5中加入制冷剂，制冷剂选用低温制冷剂r23。
36.b.复叠式制冷循环准备：
37.与准备工作完成的管壳式换热器5连接，打开制冷循环，设置好冷却参数，开机启动，使管壳换热器5内温度达到指定要求，并待其稳定后将氢气输入系统。
38.复叠式制冷系统启动时，应先启动高温系统，待其蒸发温度降低到足以保证低温系统的冷凝压力不致超过限制值时，再启动低温系统。
39.c.冷却操作
40.步骤a、b准备完成后，开启制冷循环，设置冷却温度后开机启动。a快换接头1与加氢站内高压氢气上游装置相连，将高压氢气接入氢气预冷系统，其后连接一个单向阀2。高压氢气经过单向阀2，经a温度传感器3以及a压力传感器4测量高压氢气的温度和压力后，进入管壳式换热器5，在管壳式换热器5内管道中的高压氢气与制冷剂进行换热，管壳式换热器中的制冷剂为r23，换热后的制冷剂r23经过回热器11，在蒸发冷凝器14中与高温系统的制冷剂r404a进行换热。管壳式换热器5的气体出口53处接b温度传感器6以检测出口气体温度，b压力传感器7用于检测系统出口压力，通过b温度传感器6和b压力传感器7的读数，判定氢气预冷系统运行是否正常。如果出现异常状况，停止冷却机组，关闭单向阀2，通过b快换
接头9将系统中的氢气排出，查找产生故障的原因并排除故障。如果试运行正常，则使用加氢机进行正常的快速加注过程。