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一种液氢球罐悬挂支撑系统

文献发布时间:2023-06-19 19:23:34


一种液氢球罐悬挂支撑系统

技术领域

本发明属于液氢储罐结构设计技术领域,尤其涉及一种液氢球罐悬挂支撑系统。

背景技术

为实现“碳中和”目标,氢能成为最具发展潜力的清洁能源。氢气在常温常压下密度极低,氢的储运就成为制约氢能产业发展的瓶颈。常见氢储运方式包括高压氢气储氢、物理吸附储氢和低温液态储氢,其中液氢储存是最为经济可靠的方式,这就对大型液氢储存设备国产化提出需求。

液化储氢是将氢气压缩后深冷到零下252.8℃以下使之液化成液氢,然后存入特制的绝热真空容器中保存,所以常温环境下液氢储存的最大难点是实现保冷。因为储存设备漏热量与设备的比表面积成正比,而球型储罐是所有储存设备中比表面积最小的,所以目前液氢存储多采用双层球形储罐。为了减少双层球形储罐的内罐和外罐之间的漏热,本领域技术人员常在内、外罐夹层间设置夹层保冷材料、夹层连接结构或夹层管路等。

设置夹层连接结构支撑内罐的同时,在内、外罐之间的夹层中填充保冷材料不失为一种较佳方案;而作为对内罐提供足够的支撑,保证内、外罐之间夹层的存在的夹层连接结构是必不可少的。但夹层连接结构在连接内、外罐时也存在热桥,其漏热量与连接结构的形式、结构数量密切相关,如何尽量减少夹层间连接结构的漏热就成为提升双层球形储罐的保冷效果之路中亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足,提供一种液氢球罐悬挂支撑系统,能够支撑内罐的同时减少双层液氢球罐夹层间的漏热。

为实现上述目的,本发明采用了以下技术方案:

一种液氢球罐悬挂支撑系统,包括球形的外罐,设置在所述外罐内部的球形内罐,所述外罐内壁与所述内罐外壁之间的夹层设置有用于将所述内罐悬挂吊起的罐顶悬挂系统,所述罐顶悬挂系统包括若干设置在所述夹层中上部的悬挂装置,所述悬挂装置的顶端与所述外罐内壁固定连接,所述悬挂装置的底端与所述内罐的外壁固定连接。

优选的,所述悬挂装置包括上耳板、上翼板、松紧部件、下翼板以及垫板,所述上耳板位于所述悬挂装置的顶端,且所述上耳板的顶端与所述外罐内壁固定连接,所述上耳板的底端设置有上翼板,所述上翼板的顶端和所述上耳板的底端之间旋转活动连接,所述上翼板的底端与所述松紧部件的顶端固定连接,所述松紧部件的底端与所述下翼板的顶端固定连接,所述下翼板的底端与所述垫板的上表面固定连接,所述垫板的下表面固定设置在所述内罐的外壁上。

优选的,所述松紧部件包括上拉杆、下拉杆和松紧节,所述松紧节为两端开口且中空的刚性套筒状;

所述上拉杆的顶端与所述上翼板的底端固定连接,所述上拉杆的底端外表面设置有外螺纹区域,所述松紧节的内表面顶端部分设置有与所述上拉杆底端外螺纹相适配的内螺纹区域,所述上拉杆的底端旋转进出于所述松紧节的顶端,所述松紧节的底端与所述下拉杆的顶端固定连接,所述下拉杆的底端与所述下翼板的顶端固定连接;

或者,所述上拉杆的顶端与所述上翼板的底端固定连接,所述上拉杆的底端与所述松紧节的顶端固定连接,所述松紧节的内表面底端部分设置有内螺纹区域,所述下拉杆的外表面顶端部分设置有与所述松紧节的内表面底端内螺纹区域相适配的外螺纹区域,所述下拉杆的顶端旋转进出于所述松紧节的底端,所述下拉杆的底端与所述下翼板的顶端固定连接;

或者,所述上拉杆的顶端与所述上翼板的底端固定连接,所述松紧节内表面的顶端部分与底端部分均设置有内螺纹区域,所述上拉杆的底端外表面设置有与所述松紧节内表面顶端内螺纹区域相适配的外螺纹区域,所述下拉杆的顶端外表面设置有与所述松紧节内表面底端内螺纹区域相适配的外螺纹区域,所述上拉杆的底端旋转进出于所述松紧节的顶端,所述下拉杆的顶端旋转进出于所述松紧节的底端,所述下拉杆的底端与所述下翼板的顶端固定连接。

优选的,所述上拉杆或所述下拉杆为空心拉杆;

或者,所述上拉杆和所述下拉杆均为空心拉杆。

优选的,所述悬挂装置还包括销钉,所述上翼板的顶端和所述上耳板的底端的对应位置处设置均有通孔,所述销钉穿过所述通孔,将所述上翼板和所述上耳板活动铰接。

优选的,所述外罐的赤道面的内壁上还设置有用于限制所述内罐横向位移的赤道面限位系统,所述赤道面限位系统包括若干限位装置,所述限位装置的后端固定设置在所述外罐内壁上,所述限位装置的前端朝向所述内罐的外壁,且所述限位装置的前端与所述内罐的外壁无任何连接。

优选的,所述限位装置包括挡块、套筒和弹簧,所述挡块位于所述限位装置的前部,所述套筒位于所述限位装置的后部,所述弹簧设置于所述套筒内部,所述套筒中空且两端开口,所述套筒的后端固定设置在所述外罐的内壁上,所述弹簧的后端固定设置在与所述套筒内的所述内罐外壁上,所述弹簧的前端与所述挡块的后端固定连接,所述挡块的前端朝向所述内罐的外壁;所述内罐冷缩形变后且未受到横向载荷的状态下,所述内罐外壁与所述挡块的前端无接触。

优选的,所述挡块内部中空,且所述挡块为玻璃钢材料。

优选的,所述限位装置还包括筋板,若干所述筋板环绕所述套筒外壁的后端,将所述套筒焊接固定在所述外罐的内壁上。

优选的,所述外罐内壁与所述内罐外壁之间的夹层抽真空并填充中空玻璃微珠绝热。

本发明的有益效果在于:

(1)本发明的罐顶悬挂系统仅通过若干悬挂装置将液氢球罐的内罐悬挂吊起,相较于在内、外罐之间夹层的不同位置设置大范围的夹层连接件进行全方位内罐支撑的现有技术而言,悬挂装置仅设置在内罐外壁与外罐内壁之间夹层的中间至顶部范围内,安装范围小;同时悬挂装置只需承受内罐、液氢以及夹层间填充物的重量,重力载荷小,所以仅用少量的悬挂装置就可以将内罐悬挂吊起,即减少了夹层连接件的数量,降低了液氢球罐的材料成本与安装难度,提高了安装效率。

(2)本发明中作为夹层连接件的悬挂装置数量少,且其横截面积小,降低了内、外罐之间支撑连接带来的漏热,提高了液氢球罐的保冷效果。

(3)本发明悬挂装置中采用空心的上拉杆、下拉杆,可以进一步减少内、外罐之间支撑连接带来的漏热。

(4)在液氢球罐安装过程中,可以通过调节悬挂装置中的松紧部件,使松紧部件中的上拉杆和下拉杆旋转进出于松紧结的两端,来调节内罐圆心所在的高度,使内罐与外罐处于同心的最佳位置,大大降低了安装过程中竖直方向上内罐位置调节的难度。

(5)当向内罐中充注低温液氢,使内罐发生冷缩形变的过程中,本发明的悬挂装置可以将内罐冷缩形变产生的额外应力转化成上翼板、上耳板之间以销钉为轴发生的相对转动的转动偏移量以及上拉杆、下拉杆旋转进出松紧结两端的周向转动的转动偏移量,也即罐顶悬挂系统在内罐发生冷缩形变时,通过将内罐的冷缩形变产生的位移量转化罐顶悬挂系统内部可活动部分的转动偏移量,减少了外罐因内罐冷缩形变而受到的额外应力,降低了外罐和夹层连接件之间因额外应力断裂的风险,提高了整个液氢球罐的安全系数,也延长了液氢球罐的使用寿命。

(6)当液氢球罐受到地震等横向载荷作用时,本发明的赤道面限位系统通过若干环绕设置在外罐赤道面的内壁上的限位装置,来限制内罐的横向位移;且当内罐冷缩形变后、未受到横向载荷时,内罐外壁与限位装置挡块的前端无接触,此时内罐和外罐之间不会因为限位装置的存在而形成热桥,更不会造成漏热。

(7)赤道面限位系统的存在弥补了罐顶悬挂系统相较于大范围、全方面支撑方式而言,内罐稳固效果相对较差的缺陷;本发明中的赤道面限位系统和罐顶悬挂系统相辅相成,在对内罐提供悬挂支撑的同时,辅以横向限位,提高了液氢球罐的安全系数、保冷效果,延长了液氢球罐的使用寿命,降低了液氢球罐的整体成本。

(8)当液氢球罐在深冷收缩过程中发生晃动或受到地震等横向载荷作用时,内罐会产生横向位移;当内罐与限位装置的挡块相接触,并不断将挡块向套筒内推,压缩套筒内与挡块相连接的弹簧因为具有阻尼,在被压缩和释放的弹动过程中会消耗内罐的动能,以达到逐渐消减内罐的横向晃动,使内罐尽快恢复到稳定状态的目的,削弱了内罐横向晃动时对外罐的冲击强度。

(9)本发明的限位装置低热导率高强度材料制成的挡块或套筒来限制内罐的最大横向位移,即当弹簧被压缩到最大限度时,挡块或套筒的存在会限制内罐继续横向移动,使内罐与外罐之间至少保留挡块或套筒前、后端间距这么大的间隙,保证内罐和外罐之间不会直接接触;相较于内、外球罐直接接触的漏热量,限位装置的存在减少了大量的直接漏热;相较于大范围的夹层连接件进行全方位内罐支撑的现有技术而言,虽然本发明的限位装置与内罐外壁接触时会发生连接漏热,但是当限位装置作为夹层连接件时,不仅接触横截面很小,每次接触时间也很短,也降低了内、外罐之间连接带来的漏热,提高了液氢球罐的保冷效果。

(10)本发明的限位装置中采用空心的挡块,可以进一步减少当内、外罐之间连接时带来的漏热。

(11)本发明内、外罐之间的夹层采用抽真空并填充中空玻璃微珠的方式绝热,这种夹层处理方式不仅可以将后续内罐中低温液氢的大部分冷量隔绝在内罐中,而且不会对本发明设置于夹层的罐顶悬挂系统和赤道面限位系统产生连接方式上的限制,施工便捷;与罐顶悬挂系统、赤道面限位系统相配合,缩短了整体的安装工期,减少了人力成本,使液氢球罐更好、更安全地储存液氢。

附图说明

图1为本发明的整体结构透视图;

图2为本发明的悬挂装置结构示意图;

图3为图2中A处放大剖视图;

图4为图2中B处放大剖视图;

图5为本发明的限位装置结构示意图;

图6为图5的剖视图;

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下:

Ⅰ-罐顶悬挂系统;Ⅱ-赤道面限位系统;

1、悬挂装置;11、上耳板;12、上翼板;13、销钉;14、松紧部件;141、上拉杆;142、松紧结;143、下拉杆;15、下翼板;16、垫板;

2、限位装置;21、挡块;22、套筒;23、筋板;24、弹簧;

3、外罐;

4、内罐;

5、支撑架;

具体实施方式

本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下对本发明技术方案的技术特征进行等价替换和常规推理得出的方案均落入本发明的保护范围。

本发明的整体结构如图1所示,大型液氢球罐的内罐4设置于外罐3的内部,外罐3的外表面下方设置有用于支撑整个液氢球罐立于地面的支撑架,这些支撑架为传统可调式支柱拉杆结构。一种液氢球罐悬挂支撑系统,包括设置在内罐4与外罐3之间的罐顶悬挂系统Ⅰ和赤道面限位系统Ⅱ。为便于理解,结合附图1-图6,对本发明的具体结构作以下描述:

1、罐顶悬挂系统Ⅰ

罐顶悬挂系统Ⅰ包括若干悬挂装置1,如图1-4所示,悬挂装置1包括上耳板11、上翼板12、销钉13、松紧部件14、下翼板15以及垫板16。上耳板11设置于悬挂装置1的顶端,且上耳板11的顶端与外罐3顶部区域的内壁焊接固定;上耳板11远离外罐3顶部区域一端的两侧,即上耳板11的底端两侧均设置有上翼板12。上翼板12的顶端与上耳板11的底端对应位置开设有相同尺寸的通孔,销钉13穿过上翼板12与上耳板11的通孔将他们活动铰接,上翼板12与上耳板11可以以销钉13为轴发生相对转动。两块上翼板12的底端之间固定设置有松紧部件14。

如图4所示,松紧部件14包括上拉杆141、松紧结142和下拉杆143,其中,上拉杆141和下拉杆143均为空心拉杆;松紧结142为两端开口且中空的刚性套筒结构,松紧结142内表面的顶端部分与底端部分均设置有内螺纹。上拉杆141的顶端设置在两块上翼板12的底端之间且与两块上翼板12固定连接,且与上耳板11的底端不接触。上拉杆141远离上翼板12的一端,即上拉杆141的底端,其外表面设置有与松紧结142顶端内表面相适配的外螺纹区域;下拉杆143的顶端外表面设置有与松紧结142底端内表面相适配的外螺纹区域;上拉杆141和下拉杆143均可以通过螺纹配合,旋转进出于松紧结142的两端。

可选的,上拉杆141和下拉杆143的尺寸参数可以相同,也可以完全不同;对应的松紧结142可以为长度方向上变径的空心筒体(即松紧结142两端直径不同),也可以是在长度方向上各处直径都相同的空心圆柱形筒体。

可选的,上拉杆141的底端与松紧结142的顶端之间可以固定连接,即只有下拉杆143可以通过螺纹配合,旋转进出于松紧结142的底端;或是下拉杆143的顶端与松紧结142的底端之间固定连接,即只有上拉杆141可以通过螺纹配合,旋转进出于松紧结142的顶端。

可选的,上拉杆141和下拉杆143中任意一个可以为实心拉杆或上拉杆141和下拉杆143均为实心拉杆。

下拉杆143远离松紧结142的一端,即下拉杆143的底端两侧固定设置有下翼板15。两块下翼板15远离下拉杆143的一端,即两块下翼板15的底端固定设置在垫板16的上表面,垫板16的下表面与内罐4的顶端外壁焊接固定。下拉杆143的底端与垫板16不接触。

本发明中悬挂装置1的各部分承重都是经过预先计算和检验的,即保证松紧结142两端与上拉杆141、下拉杆143之间螺纹配合的部分在竖直方向上有足够的承重力。又因为悬挂装置1不止一个,所以内罐4不会发生以某一个悬挂装置1为轴,在重力的作用下使上拉杆141或下拉杆143相对松紧结142不断旋出,最终上拉杆141或下拉杆143完全旋出松紧结142而导致内罐4坠落砸坏外罐3的情况发生。

悬挂装置1均布在内罐4和外罐3中上部至顶部范围的夹层中,且悬挂装置1的两端连接着内罐4的顶部外壁和外罐3的顶部内壁,用来承受内罐4、内罐4内充注的液氢以及夹层之间填充介质的重力载荷。悬挂装置1的具体数量以及各悬挂装置1设置于液氢球罐夹层顶部的具体位置由内罐4、外罐3的规格参数以及悬挂装置1自身在竖直方向上的承重来决定。悬挂装置1的数量和其设置的具体位置不能作为对本发明的限制。

2、赤道面限位系统Ⅱ

赤道面限位系统Ⅱ包括若干限位装置2,如图1、图5-图6所示,限位装置2包括挡块21、套筒22、筋板23以及弹簧24。限位装置2的前部是内部空心且前端开口的圆筒状挡块21,挡块21的前端开口正对着内罐4的外壁,且与内罐4的外壁无任何连接。限位装置2的后部是套筒22,套筒22中空且两端开口,若干筋板23环绕套筒22后端的外围,将套筒22焊接固定在外罐3的内壁上。套筒22中空的内部设置有弹簧24,弹簧24的后端固定设置在外罐3的内壁上,弹簧24的前端与挡块21的后端面相固定连接。弹簧24在未受到拉伸或压缩的力时,弹簧24的前、后端相距记为d

可选的,挡块21正对着内罐4外壁的前端可以是封闭的前端面;或挡块21可以为实心挡块。

可选的,挡块21的具体形状不局限于圆筒形,还可以是六面体等其他形状,套筒22的形状根据挡块21的具体形状做适应性调整。

可选的,挡块21的前端面可以是平面,或是可以与内罐4的外壁贴合的弧面。

若干限位装置2间隔相同的距离,环绕设置在外罐3赤道面的内壁上,用来在内罐4受到地震等横向载荷作用时,限制内罐4的横向位移。

下面对本发明一种液氢球罐悬挂支撑系统的具体工作方式作以下进一步描述:

液氢球罐在投入使用前,需要先将内罐4和外罐3等部分组装好后,再对内罐4和外罐3的夹层部分做一定的处理,最后再向内罐4内充注低温液氢。一般默认球形内罐4的外径小于球形外罐3的内径。

本发明的罐顶悬挂系统Ⅰ和赤道面限位系统Ⅱ也是在组装内罐4和外罐3的过程中进行安装的。在安装过程中,罐顶悬挂系统Ⅰ中的悬挂装置1将内罐4悬挂吊起,并且可以通过调节悬挂装置1中的松紧部件14,使松紧部件14中的上拉杆141和下拉杆143旋转进出于松紧结142的两端,来调节内罐4圆心所在的高度,使内罐4与外罐3处于同心的最佳位置,大大降低了安装过程中竖直方向上内罐4位置调节的难度,提高了液氢球罐的安装效率。

当内罐4的体积较小时,内罐4的外壁不与赤道面限位系统Ⅱ中限位装置2的挡块21前端相接触;当内罐4的体积较大时,内罐4的外壁与赤道面限位系统Ⅱ中限位装置2的挡块21前端相接触,并向挡块21施以压力,限位装置2中的弹簧24处于被压缩的状态。

在安装完成后,将内罐4和外罐3之间的夹层抽真空并填充中空玻璃微珠绝热,中空玻璃微珠的结构和其在保温过程中的使用属于现有技术,这里不再赘述。本发明通过这种夹层处理方式不仅可以将后续内罐4中低温液氢的大部分冷量隔绝在内罐4中,而且不会对本发明设置于内罐4和外罐3之间夹层的罐顶悬挂系统Ⅰ和赤道面限位系统Ⅱ产生连接方式上的限制,施工便捷;与罐顶悬挂系统Ⅰ、赤道面限位系统Ⅱ相配合,缩短了整体的安装工期,减少了人力成本。

在完成夹层处理之后,再向内罐4内充注低温液氢,这个过程中内罐4会发生冷缩形变。若内罐4的体积较大,在安装过程中内罐4的外壁就已经对限位装置2的挡块21前端施以压力;则在内罐4冷缩形变过程中,限位装置2中的弹簧24随着压力的降低逐渐回弹至不被压缩的状态,即弹簧24恢复原长;内罐4冷缩形变至稳定状态时,挡块21的前端与内罐4外壁不接触,此时二者间不形成热桥,即此时的赤道面限位系统Ⅱ不会造成漏热。本实施例中,内罐4冷缩形变至稳定状态时,挡块21的前端与内罐4外壁保持3mm间隙。即无论内罐4体积大小,始终保证内罐4冷缩形变至稳定状态,且液氢球罐不受横向载荷作用时,本发明的赤道面限位系统Ⅱ中所有的限位装置2都不与内罐4外壁发生接触。

在内罐4发生冷缩形变的过程中,悬挂装置1与内罐4、外罐3相接触的地方会受到额外的应力。而在悬挂装置1中,存在销钉13连接上耳板11与上翼板12的活动铰接结构以及松紧部件14,即悬挂装置1可以将受到的额外应力转化成上翼板12、上耳板11之间以销钉13为轴发生的相对转动的转动偏移量,以及上拉杆141、下拉杆143旋转进出松紧结142两端的周向转动的转动偏移量。也即罐顶悬挂系统Ⅰ在内罐4发生冷缩形变时,通过将内罐4的冷缩形变产生的位移量转化罐顶悬挂系统Ⅰ内部可活动部分的转动偏移量,减少了外罐3因内罐4冷缩形变而受到的额外应力,降低了外罐3和夹层连接件之间因额外应力断裂的风险,提高了整个液氢球罐的安全系数,也延长了液氢球罐的使用寿命。

本发明的罐顶悬挂系统Ⅰ通过悬挂吊起内罐4的方式,对内罐4进行支撑,相较于在内罐4与外罐3之间夹层的不同位置处设置多个支撑架(即夹层连接件)进行大范围、全方面支撑的方式而言,本发明的罐顶悬挂系统Ⅰ仅位于夹层的中上部分,不必在整个夹层空间中设置夹层连接件,减少了夹层连接件的设置范围。同时,本发明的罐顶悬挂系统Ⅰ采用悬挂式夹层连接结构进行内外球罐之间的支撑,各悬挂装置1只承受内罐4、液氢以及夹层间填充的部分中空玻璃微珠的重量,所以悬挂装置1的数量相较于大范围、全方面支撑方式的夹层连接件而言,本发明的夹层连接件数量少、横截面积小,这直接降低了内外球罐之间的因为提供支撑的夹层连接件而带来的漏热,提升了液氢球罐的保冷效果。空心的上拉杆141和下拉杆143也进一步减少了各悬挂装置1的漏热。

在内罐4冷缩形变至稳定状态,且液氢球罐不受横向载荷作用时,本发明的赤道面限位系统Ⅱ中所有的限位装置2都不与内罐4外壁发生接触,此时内罐4和外罐3之间不会因为限位装置2的存在而形成热桥,限位装置2也自然不会造成漏热。当液氢球罐在深冷收缩过程中发生晃动或受到地震等横向载荷作用时,内罐4会产生横向位移;当内罐4与限位装置2的挡块21相接触,并不断将挡块21向套筒22内推,压缩套筒22内与挡块21相连接的弹簧24,弹簧24因为具有阻尼,在被压缩和释放的弹动过程中会消耗内罐4的动能,以达到逐渐消减内罐4的横向晃动,使内罐4尽快恢复到稳定状态的目的,削弱了内罐4横向晃动时对外罐3的冲击强度。并且限位装置2会以低热导率高强度材料制成的挡块21或套筒22来限制内罐4的最大横向位移,即当弹簧24被压缩到最大限度时,挡块21或套筒22的存在会限制内罐4继续横向移动,使内罐4与外罐3之间至少保留挡块21或套筒22前、后端间距这么大的间隙,内罐4和外罐3之间不会直接接触;再者,因为内罐4不会同时和所有的限位装置2接触,所以相较于内罐4直接与外罐3接触的漏热而言,内罐4与限位装置2的接触横截面很小,每次接触时间也很短,漏热也大大减少。空心的挡块21在与内罐4接触时也进一步减少了漏热量。

赤道面限位系统Ⅱ的存在弥补了罐顶悬挂系统Ⅰ相较于大范围、全方面支撑方式而言,内罐4稳固效果相对较差的缺陷。本发明中的赤道面限位系统Ⅱ和罐顶悬挂系统Ⅰ相辅相成,在对内罐4提供悬挂支撑的同时,辅以横向限位,提高了液氢球罐的安全系数;减少了夹层间连接件的范围和数量,减少了安装难度和安装成本,提高了安装效率,降低了内罐4与外罐3之间的漏热量,使内罐4与外罐3之间的夹层也尽可能多的填充满绝热的中空玻璃微珠,再将夹层抽真空,大大提高了液氢球罐的保冷效果,使液氢球罐更好、更安全地储存液氢。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

技术分类

06120115889076