一种用于液氢发动机测试的高压液氢输送系统及其方法与流程

1.本发明涉及氢能技术领域，特指一种用于液氢发动机测试的高压液氢输送系统及其方法。


背景技术：

2.随着液氢的应用领域不断增加，以液氢作为发动机燃料的航天、航海和航空载具不断涌现。在以液氢为燃料的发动机测试过程中，需要将地面液氢储罐中的液氢在较短时间内输送至发动机测试端。而实际工程中，往往通过增压输送的方式将液氢储罐中的液氢输入至发动机测试端。在增压输送方式中，液氢预先被加注在液氢储罐中，然后向液氢储罐的顶空中注入高压氢气，从而增大管内压力，将液氢储罐中存储的液氢从出口压出，进入发动机测试端。但这种做法在实际应用中发现从液氢储罐中输出的液氢中存在大量的超临界氢，而超临界氢密度小于液氢，所以若输送至发动机测试端为超临界氢，则会导致氢燃料的供给量下降，影响正常的发动机测试。所以，在发动机测试时间段内防止向其输送超临界氢至关重要。但受限于液氢实验的特殊性和安全性，目前暂未发现抑制液氢增压输送过程超临界转变的相关技术。


技术实现要素：

3.本发明的目的是解决现有技术中通过增压输送液氢过程中容易出现液氢超临界转变的问题，并提供一种用于液氢发动机测试的高压液氢输送系统及其方法。在本发明中，首先利用高压氢气节流产生的冷量第一次预冷增压氢气，随后利用高压液氢节流产量的冷量第二次预冷增压氢气，减小液氢发生超临界转变的温度驱动势差，保证液氢输送系统在规定时间内均可输出常规液氢。
4.本发明拟用如下技术方案实现本发明的目的：
5.第一方面，本发明提供了一种用于液氢发动机测试的高压液氢输送系统，其包括增压氢气管路、氢气节流管路、液氢节流管路、液氢加注管路、氢气节流冷却器和液氢节流冷却器；
6.所述氢气节流冷却器内设有构成换热接触的第一氢气通路和第二氢气通路；
7.所述增压氢气管路的入口端连接高压氢气源，出口端连接液氢储罐的内腔顶空；增压氢气管路从入口端到出口端之间依次连接氢气阀、氢气流量计、氢气节流冷却器的第一氢气通路、氢气温度传感器、氢气压力传感器和液氢节流冷却器的管侧通道；
8.所述氢气节流管路的入口端连接氢气流量计和氢气节流冷却器之间的增压氢气管路，出口端外排；氢气节流管路从入口端到出口端之间依次连接氢气节流阀和氢气节流冷却器的第二氢气通路；
9.所述液氢节流管路的入口端连接液氢储罐的内腔底部，出口端外排；液氢节流管路从入口端到出口端之间依次连接第一液氢截止阀、液氢节流阀、液氢节流冷却器的壳侧通道；
10.所述液氢加注管路的入口端连接液氢储罐的内腔底部，出口端连接待测试的液氢发动机；液氢加注管路从入口端到出口端之间依次连接液氢流量计、液氢压力传感器、液氢温度传感器和第二液氢截止阀。
11.作为上述第一方面的优选，所述高压氢气源采用由压缩机提供的高压氢气或高压氢气瓶组。
12.作为上述第一方面的优选，所述液氢节流冷却器为管壳式换热结构，内部管侧通道用于流通待冷却的高压氢气，外部壳侧通道用于流通高压液氢节流产生的气液两相混合物。
13.作为上述第一方面的优选，所述液氢节流冷却器的换热管结构上设有增加换热面积的翅片。
14.作为上述第一方面的优选，所述氢气节流冷却器为气-气换热器，内部设有增加换热效率的热管。
15.作为上述第一方面的优选，所述氢气节流管路的出口端连接氢气回收设备或者直接放空。
16.作为上述第一方面的优选，所述液氢节流管路的出口端连接氢气回收设备或者直接放空。
17.作为上述第一方面的优选，所述氢气回收设备为用于发电的氢燃料电池。
18.第二方面，本发明提供了一种利用如上述第一方面任一所述系统的液氢发动机测试高压液氢输送方法，其包括：
19.s1、向液氢储罐内加注满足液氢发动机测试用量的液氢；
20.s2、打开氢气阀，将来自高压氢气源的常温高压氢气分别通过增压氢气管路和氢气节流管路导入氢气节流冷却器的第一氢气通路和第二氢气通路中，第二氢气通路中的高压氢气预先被氢气节流阀进行节流并降温，从而通过换热使第一氢气通路中的高压氢气初步降温；
21.s3、通过氢气温度传感器对初步降温后的高压氢气温度进行实时测量，并根据高压氢气实时温度进行如下控制：
22.若初步降温后的高压氢气温度未超过能够抑制液氢储罐内液氢超临界转变的目标温度，则保持第一液氢截止阀关闭，使初步降温后的高压氢气继续通过增压氢气管路直接穿过液氢节流冷却器的管侧通道后注入液氢储罐的液氢储罐气相区中，提升液氢储罐内部的压力；
23.若初步降温后的高压氢气温度仍然高于能够抑制液氢储罐内液氢超临界转变的目标温度，则打开第一液氢截止阀和液氢节流阀，使初步降温后的高压氢气继续通过增压氢气管路进入液氢节流冷却器的管侧通道中，而液氢储罐内的高压液氢则通过液氢节流管路进入液氢节流阀中进行节流降温，降温后的高压液氢进入液氢节流冷却器的壳侧通道进而对管侧通道内的高压氢气进行二次降温，使其不超过能够抑制液氢储罐内液氢超临界转变的目标温度；二次降温后的高压氢气注入液氢储罐的液氢储罐气相区中，以提升液氢储罐内部的压力；
24.s4、通过氢气压力传感器实时检测压力，当其压力达到目标压力值后打开第二液氢截止阀，使液氢储罐液相区底部的液氢在液氢储罐气相区的增压氢气作用下进入液氢加
注管路，并依次流经液氢流量计、液氢压力传感器、液氢温度传感器和第二液氢截止阀后，最终输送至液氢发动机测试端。
25.作为上述第二方面的优选，在液氢发动机测试端需要持续输送恒压液氢时，需根据系统中的各传感器所检测的数据联动控制系统中的各阀门开度，保证注入液氢储罐气相区中的高压氢气温度恒定，且液氢储罐气相区的压力恒定。
26.本发明相比现有技术突出且有益的技术效果是：
27.1)本发明利用高压氢气节流产生的冷量对增压氢气进行初步预冷，利用高压液氢节流及汽化产生的冷量对增压氢气进行二次预冷，具有形式多样、冷量可调、适应性广的优点。
28.2)本发明的高压氢气和高压液氢节流制冷时可进行自驱动，无需压缩机或增压泵等额外的动设备，系统结构简单、性能可靠。
29.3)本发明通过双节流产生的氢气纯度较高，可直接进行回收再利用，最大限度地降低液氢增压超临界转变抑制所消耗的资源量。
30.以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果做进一步说明，以充分的了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
31.图1是本发明一种用于液氢发动机测试的高压液氢输送系统的结构示意图。
32.图中：增压氢气管路1、高压氢气源2、氢气阀3、氢气流量计4、氢气节流冷却器5、第一氢气通路6、第二氢气通路7、氢气温度传感器8、氢气压力传感器9、液氢节流冷却器10、液氢储罐11、液氢储罐液相区12、液氢储罐气相区13、氢气节流管路14、氢气节流阀15、液氢节流管路16、第一液氢截止阀17、液氢节流阀18、液氢加注管路19、液氢流量计20、液氢压力传感器21、液氢温度传感器22、第二液氢截止阀23。
具体实施方式
33.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。本发明各个实施例中的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
34.在本发明的描述中，需要理解的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，可以是直接连接到另一个元件或者是间接连接即存在中间元件。相反，当元件为称作“直接”与另一元件连接时，不存在中间元件。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于区分描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
36.如图1所示，在本发明的一个较佳实施例中，提供了一种用于液氢发动机测试的高压液氢输送系统，其组成元件包括增压氢气管路1、高压氢气源2、氢气阀3、氢气流量计4、氢气节流冷却器5、第一氢气通路6、第二氢气通路7、氢气温度传感器8、氢气压力传感器9、液
氢节流冷却器10、液氢储罐11、氢气节流管路14、氢气节流阀15、液氢节流管路16、第一液氢截止阀17、液氢节流阀18、液氢加注管路19、液氢流量计20、液氢压力传感器21、液氢温度传感器22和第二液氢截止阀23。
37.液氢储罐11是一个外部包裹绝热材料的密闭罐体，管体上设置液氢加注口。液氢储罐11的罐体内腔用于存储待加注至液氢发动机中的液氢。在实际应用中，液氢储罐11的内腔以液氢液面为界分为液氢储罐液相区12和液氢储罐气相区13，当增压氢气管路1将增压氢气注入液氢储罐气相区13时，液氢储罐气相区13的压力会逐渐增大，进而将液氢储罐液相区12中的液氢通过液氢加注管路19注入液氢发动机测试端，该过程可称为液氢增压输送过程。
38.通过对该液氢增压输送过程的研究发现，导致该过程中液氢向超临界氢转变的原因主要在于液氢储罐液相区12和液氢储罐气相区13两者的气液两相交界面处的升温。由于液氢的三相点温度和压力分别为33.145k和1.296mpa，而液氢输送的动力通常为高压氢气源2提供的压力高达十几兆帕的室温氢气。所以当增压氢气进入液氢储罐11中进行增压时，除液氢储罐正常为发动机测试端输送液氢外，气液两相交界面位置存在气相高液相低的温度差，液氢储罐11中与增压氢气接触的液氢会逐渐转变为超临界氢。由于液氢向超临界氢转变时无相变潜热，且超临界氢的导热系数大于液氢，所以增压氢气的热量会迅速向液氢储罐的下部传输，使更多的液氢转变为超临界氢。因此，控制气液两相交界面处的液氢升温，减小交界面处液氢发生超临界转变的温度驱动势差，是抑制液氢增压输送过程中液氢向超临界氢转变的关键。
39.基于上述原理，本发明设计了对高压氢气进行降温的处理措施，首先利用高压氢气节流产生的冷量第一次预冷增压氢气，随后利用高压液氢节流产量的冷量第二次预冷增压氢气，从而使高压氢气进入液氢储罐11之前预先被降温至能够抑制液氢储罐11内液氢超临界转变的目标温度。
40.需要说明的是，能够抑制液氢储罐11内液氢超临界转变的目标温度，理论上越接近液氢储罐液相区12中存储的液氢的温度越佳。但实际应用时，无需将高压氢气降温至液氢温度，可根据实际的液氢超临界转变抑制效果设置一个高于液氢温度的目标温度。当高压氢气满足该目标温度时，能够总体上抑制液氢向超临界氢的转变即可，有极少量液氢发生超临界氢转变也是允许的。
41.下面对用于液氢发动机测试的高压液氢输送系统中各组成元件的具体连接方式和工作原理进行详细描述，以便于理解本发明的实质。
42.需要说明的是，高压氢气源2是指高于常压的氢气源，其具体的压力需要根据实际测试需要选定，并不限定具体的压力值，因此亦可称为增压氢气。该高压氢气源2可采用由压缩机提供的高压氢气或高压氢气瓶组，本实施例中选择用高压氢气瓶组来作为高压氢气源2提供增压氢气。
43.另外，为了实现对高压氢气的降温冷却，氢气节流冷却器5内设有构成换热接触的第一氢气通路6和第二氢气通路7。在本实施例中，氢气节流冷却器5优选采用为气-气换热器，内部可以设置增加换热效率的热管。
44.由于在高压氢气流量较大时，单纯依靠高压氢气的节流不一定能够达到充分的降温效果，因此还需要设置液氢节流冷却器10进行辅助二次降温。液氢节流冷却器10内分为
管侧通道和壳侧通道，两者构成换热接触。
45.继续参见图1所示，增压氢气管路1的入口端连接高压氢气源2，出口端连接液氢储罐11的内腔顶空，其作用是将冷却后的高压氢气输送至液氢储罐，完成增压。增压氢气管路1从入口端到出口端之间依次连接氢气阀3、氢气流量计4、氢气节流冷却器5的第一氢气通路6、氢气温度传感器8、氢气压力传感器9和液氢节流冷却器10的管侧通道。
46.氢气阀3的作用是控制整条增压氢气管路1的启闭，氢气流量计4的作用是对增压氢气管路1中的氢气流量进行检测，氢气温度传感器8的作用是对增压氢气管路1中的氢气温度进行检测，氢气压力传感器9的作用是对增压氢气管路1中的氢气压力进行检测。在本实施例中，液氢节流冷却器10可采用管壳式换热结构，内部管侧通道用于流通待冷却的高压氢气，外部壳侧通道用于流通高压液氢节流产生的气液两相混合物，由此利用液氢的冷量对高压氢气进行二次降温。同样的，液氢节流冷却器10的换热管结构上也可以设有增加换热面积的翅片。
47.氢气节流管路14的作用是利用部分高压氢气节流产生的冷量完成增压氢气的初步预冷。氢气节流管路14的入口端连接氢气流量计4和氢气节流冷却器5之间的增压氢气管路1，出口端外排。氢气节流管路14从入口端到出口端之间依次连接氢气节流阀15和氢气节流冷却器5的第二氢气通路7。其中氢气节流阀15的作用是对高压氢气进行节流，节流后的高压氢气压力减小且温度降低，随后进入氢气节流冷却器5的第二氢气通路7，为进入液氢储罐11的高压氢气提供冷量。
48.液氢节流管路16的作用是利用部分高压液氢节流及汽化产生的冷量完成增压氢气的再次预冷。液氢节流管路16的入口端连接液氢储罐11的内腔底部，出口端外排。液氢节流管路16从入口端到出口端之间依次连接第一液氢截止阀17、液氢节流阀18、液氢节流冷却器10的壳侧通道。第一液氢截止阀17的作用是控制液氢节流管路16的通断，从而控制液氢节流冷却器10是否启用。液氢节流阀18的作用是在液氢节流冷却器10启用时，对进入液氢节流冷却器10的壳侧通道的高压液氢进行节流，从而产生低温的气液两相混合物，气液两相混合物进入液氢节流冷却器10的壳侧通道后与管侧通道中的高压氢气进行换热，从而对高压氢气进行二次降温，使其满足目标温度要求。
49.液氢加注管路19的作用是将液氢储罐11中的液氢输送至待测试的液氢发动机中。因此，液氢加注管路19的入口端连接液氢储罐11的内腔底部，出口端连接待测试的液氢发动机的液氢加注口。液氢加注管路19从入口端到出口端之间依次连接液氢流量计20、液氢压力传感器21、液氢温度传感器22和第二液氢截止阀23。其中，第二液氢截止阀23的作用是控制整条液氢加注管路19的启闭，液氢温度传感器225的作用是对液氢加注管路19中的液氢温度进行检测，液氢压力传感器21的作用是对液氢加注管路19中的液氢压力进行检测，液氢流量计20的作用是对液氢加注管路19中的液氢流量进行检测，从而使加注至液氢发动机中的液氢的理化参数满足要求。
50.上述用于液氢发动机测试的高压液氢输送系统的运行方式如下：
51.(1)高压氢气源2可供应所需的增压氢气，液氢储罐9内已加注适量的液氢。
52.(2)打开氢气阀3，来自高压氢气源2的常温高压氢气进入增压氢气管路1，在经过氢气阀3和氢气流量计4后进入氢气节流冷却器5的氢气节流冷却器第一通路6，吸收高压氢气节流产生的冷量进行初步降温，随后在流经氢气温度传感器8和氢气压力传感器9后进入
液氢节流冷却器10，吸收高压液氢节流和汽化产生的冷量进行二次降温，达到设定温度后进入液氢储罐11，与液氢储罐气相区13的低温氢气混合，提升液氢储罐11内部的压力。
53.(3)增压氢气管路1中的高压氢气同时进入氢气节流管路14，首先经过氢气节流阀15进行节流，节流后的高压氢气压力减小且温度降低，随后进入氢气节流冷却器5的氢气节流冷却器第二通路7，为进入液氢储罐11的增压氢气提供冷量。
54.(4)打开第一液氢截止阀17，在液氢储罐气相区13中的高压氢气驱动下，液氢储罐11中的高压液氢进入液氢节流管路16，流经第一液氢截止阀17后进入液氢节流阀18进行节流，节流后的高压液氢变成低温低压的气液两相混合物，随后进入液氢节流冷却器10，为进入液氢储罐11的增压氢气提供冷量，冷量包括气液两相混合物的显冷以及液氢的汽化冷量。
55.(5)打开第二液氢截止阀23，在增压氢气的作用下，液氢储罐液相区12底部的液氢进入液氢加注管路19，依次流经液氢流量计20、液氢压力传感器21、液氢温度传感器22、第二液氢截止阀23，最终输送至液氢发动机测试端；
56.由此，本发明通过利用高压氢气和高压液氢节流产生的冷量对增压氢气进行预冷，进而抑制液氢储罐液相区的液氢超临界转变，最终可使液氢储罐输出的均为常规液氢，保证后续液氢发动机的正常测试。
57.当然，需要注意的是，上述流程为增压氢气流量较大时的运行方式，当增压氢气流量较小时，也可仅采用单一高压氢气节流或高压液氢节流的方式。
58.另外，需要注意的是，在本发明中，氢气节流管路14和液氢节流管路16的出口端外排氢气或液氢时，既可以连接氢气回收设备进行回收利用，也可以直接放空。作为本发明实施例的一种较佳实现方式，节流后的高压氢气和高压液氢可进行回收利用，如直接通入氢燃料电池发电，并利用产生的电能驱动制冷机组冷却增压氢气。
59.在本发明的另一实施例中，还基于上述高压液氢输送系统，提供了一种液氢发动机测试高压液氢输送方法，其具体包括s1～s4步骤：
60.s1、向液氢储罐9内加注满足液氢发动机测试用量的液氢；
61.s2、打开氢气阀3，将来自高压氢气源2的常温高压氢气分别通过增压氢气管路1和氢气节流管路14导入氢气节流冷却器5的第一氢气通路6和第二氢气通路7中，第二氢气通路7中的高压氢气预先被氢气节流阀15进行节流并降温，从而通过换热使第一氢气通路6中的高压氢气初步降温；
62.s3、通过氢气温度传感器8对初步降温后的高压氢气温度进行实时测量，并根据高压氢气实时温度进行如下控制：
63.若初步降温后的高压氢气温度未超过能够抑制液氢储罐11内液氢超临界转变的目标温度，则保持第一液氢截止阀17关闭，使初步降温后的高压氢气继续通过增压氢气管路1直接穿过液氢节流冷却器10的管侧通道后注入液氢储罐11的液氢储罐气相区13中，提升液氢储罐11内部的压力；
64.若初步降温后的高压氢气温度仍然高于能够抑制液氢储罐11内液氢超临界转变的目标温度，则打开第一液氢截止阀17和液氢节流阀18，使初步降温后的高压氢气继续通过增压氢气管路1进入液氢节流冷却器10的管侧通道中，而液氢储罐11内的高压液氢则通过液氢节流管路16进入液氢节流阀18中进行节流降温，降温后的高压液氢进入液氢节流冷
却器10的壳侧通道进而对管侧通道内的高压氢气进行二次降温，使其不超过能够抑制液氢储罐11内液氢超临界转变的目标温度；二次降温后的高压氢气注入液氢储罐11的液氢储罐气相区13中，以提升液氢储罐11内部的压力；
65.s4、通过氢气压力传感器9实时检测压力，当其压力达到目标压力值后打开第二液氢截止阀23，使液氢储罐液相区12底部的液氢在液氢储罐气相区13的增压氢气作用下进入液氢加注管路19，并依次流经液氢流量计20、液氢压力传感器21、液氢温度传感器22和第二液氢截止阀23后，最终输送至液氢发动机测试端。
66.另外，在液氢发动机测试端需要持续输送恒压液氢时，需根据系统中的各传感器所检测的数据联动控制系统中的各阀门开度，调节不同管路中的工质流量，从而保证注入液氢储罐气相区13中的高压氢气温度恒定，且液氢储罐气相区13的压力恒定。因此，作为本发明实施例的一种较佳实现方式，该系统中的各阀门和传感器都可以连接至自控设备中，由自控设备统一进行自动化控制。
67.以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。