【技术实现步骤摘要】
本技术涉及氢气液化，特别是指用于氢气同质非平衡凝结液化的实验设备。
技术介绍
1、氢能是化石能源向可再生能源过渡的重要桥梁之一，液态氢的密度远高于气态氢，因此相同体积下液态氢能提供更高的能量密度。目前的氢液化系统采用高速旋转的透平膨胀机作为膨胀制冷装置，其机械运动部件存在运行不安全和不稳定的隐患，并且透平膨胀机结构复杂、加工难度大、维护成本高；此外透平膨胀机在工作时不能带液工作，否则会造成叶片损坏等严重问题。
2、因此，申请公告日为2021. 11. 26、申请公告号为cn 113701450 a的中国专利技术专利公开了一种氢超音速两相直接膨胀液化系统及氢液化装置，包括液化管路和预冷管路，液化管路中的气态氢气依次流经氢压缩机、第一换热器至第一超声速液化膨胀机，第一超声速液化膨胀机的出液侧连接有液氢储罐，第一超声速液化膨胀机的出气侧流通至第一换热器到达氢压缩机的进口侧。上述技术方案的预冷管路分为第一预冷管路和第二预冷管路依次对氢气进行预冷，通过预冷将液化管路内的气态氢气快速降温，再采用超声速液化膨胀机作为膨胀制冷装置实现氢在两相区膨胀。但超声速液化膨胀机作为膨胀制冷装置的技术尚不成熟，而氢气的膨胀参数及超声速液化膨胀机的结构直接影响氢气的液化效率，为进一步提高液氢的产率，需要对氢气的膨胀参数与氢气超声速液化膨胀机结构设计展开进一步研究。
技术实现思路
1、针对上述
技术介绍
中的不足，本技术提出用于氢气同质非平衡凝结液化的实验设备，要解决的技术问题是：现有技术无法探究氢气的膨
2、本申请的技术方案为：
3、用于氢气同质非平衡凝结液化的实验设备，包括依次连接的氢气供给单元、预冷单元及模拟氢气超声速液化膨胀机的喷管，喷管的进气侧与预冷单元间歇性连接，喷管的出气侧连接循环单元，喷管的出液侧连接测量单元和收集单元，所述喷管的截面为矩形，喷管的左右两侧面沿氢气流动方向设置有与测量单元连接的透光面板，所述预冷单元包括氢气管路、第一冷却介质管路和第二冷却介质管路，氢气管路包括第一氢压缩机、第二换热器、第三换热器、第二氢压缩机及温度压力传感器，第一冷却介质管路包括第一冷却介质压缩机、第二换热器和超声速液化膨胀机、第三换热器，第二冷却介质管路包括第二换热器。
4、本技术方案的氢气供给单元可以提供氢气，预冷单元可以对氢气进行压缩和冷却，氢气供给单元和预冷单元之间设有阀门一，利用喷管模拟氢气超声速液化膨胀机，将达到目标温度和目标压力的氢气膨胀液化获得液氢，喷管的进气方式、出液方式、出气方式均与氢气超声速液化膨胀机相同，喷管的进气侧和预冷单元之间设有阀门二，测试单元和收集单元沿氢气的流动方向设置，测试单元连接在喷管的两侧，收集单元连接在喷管的末端，测量单元可以对喷管内的液氢进行湿度测试，湿度越高，氢气的液化效率越高，液氢产率越高。喷管包括收缩段和扩张段，扩张段至出口均为出液侧，喷管进气侧设置与氢气超声速液化膨胀机相同的漩涡发生器，氢气和液氢通过离心力分离后分开收集，液氢在离心力的作用下流至喷管出液侧的末端，收集单元对出液侧末端的液氢进行收集，未液化的氢气从喷管的出气侧导出，并经过循环单元回收重新流入预冷单元。
5、具体地，喷管应为内部光滑无摩擦的筒状，喷管的上下侧面为先收缩后扩张的弧形面板，喷管的上下弧形面板与左右的透光面板共同围成密封管，只留下供氢气在其内流动的进口与出口。喷管的形状沿氢气的流动方向先收缩再扩张，便于氢气达到跨临界状态，进而出现非平衡凝结过程。矩形截面方便喷管连接测量单元，透光面板可适用于多种光学测量模块，透光面板左右设置方便连接测量单元。
6、具体地，在第二冷却介质管路中通入第二冷却介质，在第一冷却介质管路中通入第一冷却介质，第一冷却介质流经第一冷却介质压缩机、第二换热器，第二冷却介质在第二换热器中对第一冷却介质冷却降温，一次冷却后的第一冷却介质继续流经超声速液化膨胀机进行膨胀液化，在氢气管路中通入氢气，氢气依次经过第一氢压缩机压缩、在第二换热器中与第二冷却介质换热冷却、在第三换热器中与液化后的第一冷却介质换热冷却，再经过第二氢压缩机二次压缩，通过温度压力传感器监测氢气是否达到目标温度和目标压力，如达到目标温度和目标压力，打开阀门二，使氢气通过进气侧进入喷管，如未达到目标温度和目标压力，通过调整第一氢压缩机和第二氢压缩机的参数、更换第一冷却介质和第二冷却介质，使氢气压缩冷却到目标温度和目标压力。
7、优选地，所述喷管的出液侧包括沿喷管上下两侧壁上间隔均匀开设的溢流孔，各溢流孔连接收集单元。喷管的出液侧包括喷管以及位于喷管上下两侧壁上的溢流孔，氢气流经进气侧后沿喷管流动，由于喷管先收缩后扩张的形状，氢气的体积先压缩后膨胀，在此过程中氢气发生液化，溢流孔设置在氢气流动方向的末端，并且溢流孔的导出方向与离心力方向相匹配，各溢流孔的大小相同，溢流孔的导出方向模拟氢气超声速液化膨胀机的出液侧方向，喷管内膨胀液化得到的液氢通过溢流孔流至收集单元。
8、优选地，所述测量单元包括湿度测量模块，湿度测量模块设置在滑动机构上，滑动机构的滑动方向与喷管平行。所述湿度测量模块通过消光法测量凝结液滴的直径和数量。湿度测量模块包括通过电信号连接的光纤和激光发射箱，光纤通过滑动机构与喷管左右两侧的透光面板滑动连接。湿度测量通过消光法测量凝结液滴的直径和数量，再换算得到湿度，依次改变喷管进气侧的氢气温度和氢气压力，每次试验将光纤固定在喷管的不同位置进行多次测量，得出液化效率最高时的氢气膨胀条件。
9、优选地，所述测量单元包括密度测量模块，密度测量模块的测量方向垂直于喷管的透光面板。密度测量模块采用光学测量，密度测量模块通过剪切干涉法实时记录喷管内折射率的变化过程，通过换算得到密度，并输出各时刻的清晰图样供分析凝结的起始位置。
10、优选地，所述滑动机构包括与所述透光面板滑动连接的活动支架，所述湿度测量模块固定连接在活动支架上。滑动机构包括螺纹配合的活动支架和传动杆，湿度测量模块的光纤连接在滑动机构的活动支架上，传动杆通过固定架固定连接在喷管的正上方，传动杆的一端连接有驱动电机，活动支架的一端设置有与传动杆配合的内螺纹、另一端设置有关于喷管对称的与光纤插接配合的连接孔。活动支架也可以与传动杆插接，可以直接通过手动调节活动支架的位置。
11、优选地，所述密度测量模块包括依次连接在所述喷管一侧的激光发射器、激光衰减器、扩束器、准直透镜；喷管另一侧依次连接有50%分束器、反射镜及相机，所述50%分束器和反射镜成对设置。所述激光发射方向垂直于喷管内氢气的流动方向，喷管左侧的模块可以发射特定方向的激光束，喷管右侧的模块可以记录激光经反射或折射后的激光成像，记录喷管内折射率的变化过程，并输出各时刻的清晰图样供分析凝结的起始位置。
12、优选地，所述湿度测量模块设置在密度测量模块和喷管的溢流孔之间。湿度测量模块的光纤应避免与密度测量模块的激光光路发生干涉本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.用于氢气同质非平衡凝结液化的实验设备，其特征在于：包括依次连接的氢气供给单元（1）、预冷单元（3）及模拟氢气超声速液化膨胀机的喷管（5），喷管（5）的进气侧与预冷单元（3）间歇性连接，喷管（5）的出气侧连接循环单元，喷管（5）的出液侧连接测量单元（6）和收集单元（8），所述喷管（5）的截面为矩形，喷管（5）的左右两侧面沿氢气流动方向设置有与测量单元（6）连接的透光面板（501），所述预冷单元（3）包括氢气管路、第一冷却介质管路和第二冷却介质管路，氢气管路包括第一氢压缩机（302）、第二换热器（306）、第三换热器（307）、第二氢压缩机（304）及温度压力传感器（308），第一冷却介质管路包括第一冷却介质压缩机（301）、第二换热器（306）和超声速液化膨胀机（303）、第三换热器（307），第二冷却介质管路包括第二换热器（306）。
2.根据权利要求1所述的用于氢气同质非平衡凝结液化的实验设备，其特征在于：所述喷管（5）的出液侧包括沿喷管（5）上下两侧壁上间隔均匀开设的溢流孔，各溢流孔连接收集单元（8）。
3.根据权利要求2所述的用于氢气同质非平衡凝
4.根据权利要求3所述的用于氢气同质非平衡凝结液化的实验设备，其特征在于：所述测量单元（6）包括密度测量模块，密度测量模块的测量方向垂直于喷管（5）的透光面板（501）。
5.根据权利要求3所述的用于氢气同质非平衡凝结液化的实验设备，其特征在于：所述滑动机构包括与透光面板（501）滑动连接的活动支架（610），所述湿度测量模块固定连接在活动支架（610）上。
6.根据权利要求4所述的用于氢气同质非平衡凝结液化的实验设备，其特征在于：所述密度测量模块包括依次连接在所述喷管（5）一侧的激光发射器（601）、激光衰减器（602）、扩束器（603）、准直透镜（604）；喷管（5）另一侧依次连接有50%分束器（605）、反射镜（606）及相机（607），所述50%分束器（605）和反射镜（606）成对设置。
7.根据权利要求4所述的用于氢气同质非平衡凝结液化的实验设备，其特征在于：所述湿度测量模块设置在密度测量模块和喷管（5）的溢流孔之间。
8.根据权利要求1所述的用于氢气同质非平衡凝结液化的实验设备，其特征在于：所述第二氢压缩机（304）的出口设置有压力控制阀。
9.根据权利要求1所述的用于氢气同质非平衡凝结液化的实验设备，其特征在于：所述第二冷却介质管路包括第二换热器（306）和第一换热器（305），所述氢气管路还包括连接在第一氢压缩机（302）和第二换热器（306）之间的第一换热器（305）。
10.根据权利要求1所述的用于氢气同质非平衡凝结液化的实验设备，其特征在于：所述循环单元包括氢气循环管路和阀门三（7），氢气循环管路的一端与喷管（5）的出气侧连接、另一端与第一氢压缩机（302）连接。
...【技术特征摘要】
1.用于氢气同质非平衡凝结液化的实验设备，其特征在于：包括依次连接的氢气供给单元（1）、预冷单元（3）及模拟氢气超声速液化膨胀机的喷管（5），喷管（5）的进气侧与预冷单元（3）间歇性连接，喷管（5）的出气侧连接循环单元，喷管（5）的出液侧连接测量单元（6）和收集单元（8），所述喷管（5）的截面为矩形，喷管（5）的左右两侧面沿氢气流动方向设置有与测量单元（6）连接的透光面板（501），所述预冷单元（3）包括氢气管路、第一冷却介质管路和第二冷却介质管路，氢气管路包括第一氢压缩机（302）、第二换热器（306）、第三换热器（307）、第二氢压缩机（304）及温度压力传感器（308），第一冷却介质管路包括第一冷却介质压缩机（301）、第二换热器（306）和超声速液化膨胀机（303）、第三换热器（307），第二冷却介质管路包括第二换热器（306）。
2.根据权利要求1所述的用于氢气同质非平衡凝结液化的实验设备，其特征在于：所述喷管（5）的出液侧包括沿喷管（5）上下两侧壁上间隔均匀开设的溢流孔，各溢流孔连接收集单元（8）。
3.根据权利要求2所述的用于氢气同质非平衡凝结液化的实验设备，其特征在于：所述测量单元（6）包括湿度测量模块，湿度测量模块设置在滑动机构上，滑动机构的滑动方向与喷管（5）平行。
4.根据权利要求3所述的用于氢气同质非平衡凝结液化的实验设备，其特征在于：所述测量单元（6）包括密度测量模块，密度测量模块的测量方向垂直于喷管（5）的透光面板（501）。<...
【专利技术属性】
技术研发人员：张国杰，杨一帆，靳遵龙，张慧杰，陈佳恒，叶建明，王定标，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：新型
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