[发明专利]一种液氦储槽充装前预冷装置

说明书

本发明专利公开了一种液氦储槽充装前预冷装置，涉及液氦储槽预冷技术领域，包括液氦储罐、节流阀、低温泵、换热器、压缩机、安全阀、喷射装置、液氦储槽、密度计、单向阀、第二喷射装置、控制单元以及各种截止阀等。本发明采用“液氢初步预冷+氦气浸泡预冷+液氦蒸发预冷”的方法，相较于其它预冷装置，充分利用液氦储罐内氦气的冷能，液氦消耗量减少，工艺经济效益提高。本发明采用氦气浸泡预冷的方法，进一步冷却液氦储槽，液化残留氢气并排出，保证产品质量的纯度合格，同时采用液氦蒸发预冷的方法增大氦与液氦储槽的换热速率，减少预冷时间。

技术领域

本发明涉及液氦储槽预冷技术领域，具体涉及一种液氦储槽充装前预冷装置。

背景技术

氦气具有极低的沸点(4.2K)、临界温度(5.15K)及临界压力(0.226MPa)，能够轻松实现其他低温液体无法实现的超低温冷却，因此在航空航天、核武器、潜艇、饱和潜水作业、核磁共振、半导体等科技领域发挥了不可替代的作用。当前，我国每年氦需求量超过2.2×10⁷m³，但我国仅在四川有一座年产量为6×10⁴m³的提氦工厂正在运行，和田河气田、阿克气田提氦厂尚在建设中，氦供应几乎全部依靠进口，且国际氦市场基本被美国掌控。因此，氦短缺成为了制约国防军工和高科技产业发展的“卡脖子”问题，如何减少氦在提取、运输和储存过程中的蒸发损失一直是广受关注的问题。

在陆地上，液氦从天然气提氦工厂运到用户端的主流运输方式是液氦槽车输送。虽然槽车采用了严格的保冷措施，但在充装、运输、分销等储运环节中储槽与环境的传热不可避免。其中，充装过程的蒸发损失主要受到储槽内壁温度的影响，即由充装前预冷的效果决定。国内现有的低温储槽预冷方法由火箭发动机系统预冷方法演变而来，采用循环预冷、浸泡预冷或排出预冷的方法，将需要储存的低温工质或者其它沸点更低的低温工质中携带的冷能传递给储槽，实现储槽的冷却降温，如授权公开号为CN 103343877 B、申请公开号为CN 108150825A、CN 110857749 A、CN 110145684 A等专利。但这些方法并未深入到液氦温区，如果直接运用到液氦储槽的预冷中会存在以下问题：(1)液氦作为目前已知沸点最低的自然资源，难以找到一种沸点低于液氦的低温工质直接将储槽预冷到液氦温区；(2)若直接以液氦为冷源预冷储槽，则面临着液氦资源消耗大、价格过于昂贵的问题，即使采用循环预冷的方法，也受到天然气提氦厂的氦液化装置的产能制约，时间成本巨大；(3)如果采用液氦与其它低温工质混合预冷的方法，考虑到液氦产品质量对纯度要求极高，如何保证遇冷后储槽内其它低温工质的残留量不会影响外输液氦产品的质量则是该方法必须面对的问题。因此，考虑到传统低温储罐预冷工艺直接应用于液氦储槽预冷时会面临的诸多问题，采用“液氢初步预冷+氦气深化预冷+液氦蒸发预冷”的方法，将液氦储槽温度预冷到液氦温区附近；初步预冷残留的氢气在后续预冷步骤中液化聚集到储槽底部排出，保证产品质量的纯度合格；采用浸泡预冷的方法，充分利用储罐内氦气的冷能，减少液氦的消耗量；同时采用液氦蒸发预冷的方法增大氦与液氦储槽的换热速率，克服预冷时间较长的问题。

发明内容

本发明的目的是：为了提供一种液氦储槽充装前预冷装置，可以采用“液氢初步预冷+氦气深化预冷+液氦蒸发预冷”的方法，利用多种工质混合预冷减少液氦的消耗量，并利用工质间液化温度的不同来实现液体的分离，从而减少充装时液氦的蒸发损失，并满足产品质量要求。