一种大流量氢气换热器流动传热与催化转化测试装置

本发明属于氢液化流程中低温氢气换热器领域，尤其是涉及一种大流量氢气换热器流动传热与催化转化测试装置。

背景技术：

1、氢能是目前全球脱碳能源系统中最具发展前途的能源载体之一。液氢因具有高能量密度、清洁环保、可再生、安全性高等优点，适用于氢能的大规模储运与应用。液氢的使用可以减少对传统石油、天然气等有限资源的依赖，减少环境污染，是未来发展能源的一个重要方向。氢液化技术是液氢发展的关键技术之一。

2、氢分子可根据氢原子核自旋状态的不同，分为正氢和仲氢两种。在常温下，氢气由75％的正氢和25％的仲氢组成。当温度降低时，仲氢的平衡比例逐渐增加，在液氮温度下，仲氢的平衡浓度接近50％，直到液氢温度下，仲氢的平衡浓度接近100％。由于正仲氢自发转化速率极慢，正常氢在直接液化后仍含有大量的正氢。正仲氢转化放热高于液氢的气化潜热，若液氢中的正氢自发转化为仲氢，将会导致液氢蒸发损失。因此，在氢液化过程中，需采用高效的正仲氢转化催化剂，使仲氢含量加速提高至98％以上，以降低液氢储存时的蒸发损失。

3、催化与换热集成式低温氢气换热器是大型氢液化技术的关键设备。与传统的催化器和换热器分开布置的方案相比，其特点是：通过在换热器流道内填充催化剂的方式将换热流动过程与正仲氢转化过程相结合的一体化设计，结构紧凑，占用空间小，安装和维护成本低；可以同时降温和转化氢气，大大提高液化效率，降低能量损失和设备成本，相比催化与换热设备单独设置时氢液化能耗可降低15.3％以上。

4、在液氢生产工程实际中，集成式低温氢气换热器结构相比于传统的换热器更为复杂，同时由于影响因素众多，其内部的换热、流动、催化过程也更为难以预测，并且传统的换热器流动传热数据与关联式对集成式换热器不适用。因此，连续转化的实验数据十分有限，相关数据的匮乏也限制了连续转化低温氢气换热器在工业上的应用。获取相关数据对集成式换热器的结构设计与性能预测至关重要，可以为氢液化流程中的正仲氢转化设计提供参考，促进连续转化在氢液化工业中的应用。

5、目前行业内对于低温板翅式换热器的测试通常仅限于传热单元级别，即对翅片进行传热流动特性的测试。而对于整机测试，一般只在出厂前进行承压和泄漏率等方面的测试，而并不对流动换热性能进行测试，只是在整体流程装配完成后进行评估。这种测试方式明显较为简单粗放，无法准确评估换热器的性能，因此传热单元测试不能代替整机测试。因此，在换热器设计中通常会提供较大的设计余量，这导致了体积、重量和成本的不必要增加。由此可见，由于缺乏对换热器整机进行低温测试的实验台和数据，无法准确了解设计的精确性，也无法提供准确的数据反馈给设计人员，这对整个行业的技术进步是不利的。这也是当前行业面临的痛点之一。

6、公布号为cn 115343084 a的中国专利公开了一种低温工况下填料式板翅式换热器多温区测试装置及方法，主要包括氢气源、液氮预冷器、负压液氮预冷器、gm制冷机、冷热冷三层结构的填料式板翅式换热器和热导分析装置。氢气通过液氮预冷器后分成冷热两股流体，热侧通过gm制冷机预冷后进入换热器热通道；冷侧通过负压液氮预冷器与gm制冷机预冷后进入换热器冷通道。

7、但目前所公开的换热器测试装置为借助gm制冷机提供冷源。然而，当前商业单台gm制冷机在20～80k范围内所能提供的制冷量仅为数十瓦至百瓦级，所测换热器对应的氢液化装置单日产量仅为数十公斤，而实际工程中氢液化装置单日产量已高达2～30吨以上，低温氢气换热器的换热量达数百千瓦以上。因此，目前所公开的基于gm制冷机的低温氢气换热器测试装置无法满足工业级别大流量低温氢气换热器测试的大冷量需求。另一方面，氢液化流程通常采用2～5股流氢气换热器。目前所公开的换热器测试装置仅适用于小型两股流换热模块的性能测试，并未考虑封头流阻、流股分配均匀性等因素对换热器性能的综合影响，因而其无法用于多股流低温氢气换热器的性能测试。因此，亟需一种大流量低温氢气换热器性能测试装置，满足大型氢液化装置的催化与换热集成式低温氢气换热器的关键数据获取与设计改进需求。

技术实现思路

1、为实现大流量、集成式低温氢气换热器的性能测试，本发明提供了一种大流量氢气换热器流动传热与催化转化测试装置，可以测试用于大型氢液化流程的催化与换热集成式氢气换热器性能，获得在不同工况下的温度分布、压降、催化剂用量、正仲氢浓度等一系列基础数据。

2、一种大流量氢气换热器流动传热与催化转化测试装置，用于对换热测试单元进行测试，包括：氢气预冷及仲氢测量模块、低温测试模块、低温循环模块；其中，低温循环模块采用至少一个低温氦气循环模块和/或至少一个氦气压缩循环模块；

3、氢气预冷及仲氢测量模块通过相连管路为低温测试模块提供大流量氢气并对回流进行仲氢浓度测量；低温氦气循环模块和/或氦气压缩循环模块通过相连管路为低温测试模块提供换热测试单元所需的大流量氦气冷源；在低温测试模块中换热测试单元通过vcr接头以可拆卸的方式置于低温测试模块杜瓦中，并进行真空绝热处理；

4、每个vcr接头附近布置有温度传感器，用以测量换热测试单元冷热流体进出口的温度；同时，每个vcr接头附近引出一条支路到低温测试模块杜瓦外连接压力传感器，用以测量换热测试单元冷热流体进出口的压力；

5、所述的换热测试单元在其热流体侧的流道内填充正仲氢转化催化剂，氢气在流道内发生伴随连续催化转化的流动换热过程；换热测试单元的冷流体侧连接低温氦气循环模块和/或氦气压缩循环模块；换热测试单元的外壁和流体间壁上设有测温位点，用于测量壁面温度从而折算流体温度分布。

6、进一步地，所述的氢气预冷及仲氢测量模块包括：氢气预冷及仲氢测量模块杜瓦、高压氢气瓶、氢流量计、氢气流量调节阀、氢气回热器、液氮预冷罐、液氮盘管、温度旁通调节阀、氮气排空阀、氢气排空阀、测量调节阀、气相色谱仪、测量排空阀；

7、其中，高压氢气瓶依次串接氢流量计、氢气流量调节阀后分为两条支路，其中一条支路依次流经氢气回热器的热流体侧、液氮预冷罐中液氮盘管；另一条支路流经温度旁通调节阀后与流出液氮盘管的氢气汇合，进行温度调节；之后流入低温测试模块中换热测试单元热流体通道。

8、从低温测试模块中换热测试单元热流体通道流出的氢气进入氢气预冷及仲氢测量模块，流经氢气回热器的冷流体侧后通过氢气排空阀安全排空；在氢气排空阀前引出一条支路依次串接测量调节阀、气相色谱仪、测量排空阀后安全排空。

9、进一步地，所述的氢气回热器、液氮预冷罐、液氮盘管、温度旁通调节阀均放置于氢气预冷及仲氢测量模块杜瓦内，并进行真空绝热处理；

10、其中，液氮预冷罐采用多层绝热，并通过氮气排空阀排放蒸发产生的氮气。

11、进一步地，所述的低温氦气循环模块包括：低温氦气循环模块杜瓦、高压氦气罐、氦气罐补气阀、循环充注阀、预冷罐、液氮盘管、温度旁通调节阀、低温风机、氮气排空阀；

12、其中，从低温测试模块中换热测试单元冷流体通道流出的大流量氦气进入低温氦气循环模块，依次流经预冷罐中液氮盘管、低温风机后流入低温测试模块中换热测试单元冷流体通道，形成循环回路；

13、氦气罐补气阀、高压氦气罐、循环充注阀依次连接后在氦气流入预冷罐前接入氦气循环回路；在氦气进入预冷罐前引出一条支路，流经温度旁通调节阀后与流出液氮盘管的氦气汇合，进行温度调节。

14、进一步地，所述的预冷罐、液氮盘管、温度旁通调节阀、低温风机均放置于低温氦气循环模块杜瓦内，并进行真空绝热处理；

15、其中，预冷罐采用多层绝热，并通过氮气排空阀排放蒸发产生的氮气。

16、可选择地，所述预冷罐采用液氮预冷罐、液氢预冷罐或者两者的组合。

17、进一步地，所述的氦气压缩循环模块包括：氦气压缩循环模块杜瓦、氦气二级回热器、氦气一级回热器、压缩机、高压氦气罐、减压阀、氦气罐补气阀、氦气稳压罐、液氮预冷罐、液氮盘管、温度旁通调节阀、液氢预冷罐、液氢盘管、液氢回路阀门、氢气排空阀、氮气排空阀；

18、其中，从低温测试模块中换热测试单元冷流体通道流出的大流量氦气进入氦气压缩循环模块；大流量氦气依次流经氦气二级回热器冷流体通道、氦气一级回热器冷流体通道、压缩机、氦气稳压罐、氦气一级回热器热流体通道、液氮预冷罐中液氮盘管、氦气二级回热器热流体通道、液氢预冷罐中液氢盘管、液氢回路阀门后流入低温测试模块中换热测试单元的冷流体通道，形成循环回路；

19、氦气罐补气阀、高压氦气罐、减压阀、氦气稳压罐依次连接维持循环氦气压力；在氦气离开液氮预冷罐中液氮盘管后引出另一支路，通过温度旁通调节阀接入液氢回路阀门后管路，进行温度调节。

20、进一步地，所述氦气二级回热器、氦气一级回热器、液氮预冷罐、液氮盘管、温度旁通调节阀、液氢预冷罐、液氢盘管、液氢回路阀门均放置于氦气压缩循环模块杜瓦内，并进行真空绝热处理；

21、其中，液氮预冷罐采用多层绝热，并通过氮气排空阀排放蒸发产生的氮气；液氢预冷罐采用多层绝热，并通过氢气排空阀排放蒸发产生的氮气。

22、当低温测试模块内换热测试单元为多股流形式的正仲氢转化低温换热器，则采用多个低温氦气循环模块、多个氦气压缩循环模块或者低温氦气循环模块与氦气压缩循环模块组合的形式，共同为低温测试模块提供氦气。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、1、本发明基于低温氦气循环并采用液氮或液氢作为冷源，能够对更接近实际大型氢液化规模的低温氢气换热器进行大流量下流动传热及催化转化测试。同时采用氦气制冷单元，在获得低温冷源的同时避免了氢气冷源，减少氢气用量并改进了系统的安全性。

25、2、本发明与直接使用液态冷媒作为循环工质相比，避免了冷流体通道内气液相变的不稳定性对换热器性能测试的潜在影响；另外，由于氦气的比热容较高，是氮气的两倍以上。可有效减小循环工质的质量流量，从而减小循环输入功。

26、3、本发明可实现温度、流量大范围调节，换热测试单元中热流体氢气的进口状态可通过氢气流量调节阀和温度旁通调节阀进行调节，实现了温度、流量工况参数的解耦。冷流体提供的不同温度的冷量可通过氦气循环的流量与温度旁通调节阀进行调节，从而测得低温氢气换热器在更接近实际大型氢液化中不同工况下的换热流动及催化转化基础数据。

27、4、本发明的换热测试单元通过vcr接口与管路进行连接，可进行试样更换，包括多股流换热器，对不同结构不同类型的换热单元进行测试，从而获得较为广泛的相关基础数据。

28、5、本发明可以用于多股流低温氢气换热器的性能测试。目前所公开的换热器测试装置仅适用于小型两股流换热模块的性能测试，并未考虑封头流阻、流股分配均匀性等因素对换热器性能的综合影响。