液氢储罐上的取样系统
技术领域
本发明涉及液氢储罐技术领域，具体涉及液氢储罐上的液氢取样装置。
背景技术
液氢具有密度高、安全性能高、压力小等特点。当前，中国对氢的总体需求量虽然相对较小，但是对超纯氢的需求却出现了供不应求的现象。国内已经步入氢能使用的爆发期，以及涉氢设备的快速增长期。氢能源汽车、加氢站以及电子半导体行业剧增，进一步导致超纯氢需求缺口的扩大。
为确保提供满足纯度要求的超纯氢，液氢储罐中的超纯氢需要进行采样检测。便捷、安全、可靠的取样是获取精准检测结果的有效保障。传统的检测方式为：在液氢储罐内抽取液氢，然后送至实验室进行检测。这种采样检测方式所需的检测周期长、抽取的液氢量相对较大，样品在运输保存过程中容易污染。传统的检测方式已经不能满足日益增长的超纯氢使用需求。
为了克服传统检测方式的弊端，液氢储罐上需要设置能与检测仪器相配套的取样机构，取样机构与检测仪器相连接就能实现就近检测。采样时液氢的温度、流量都会对检测仪器的精确程度产生干扰，因此最大程度的减少对检测仪器的干扰对获得准确数据具有重要意义。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是：提供一种液氢储罐上的取样系统，通过该采样机构能实现就近检测，检测准确性好。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：液氢储罐上的取样系统，所述的液氢储罐包括夹套层结构的罐体，罐体中设置有内管，内管从罐体顶部伸出与排放管连接，罐体的底部设置底部取样装置，排放管上连接有第一排放取样管，第一排放取样管上设置有第一取样控制阀和第一取样装置，罐体内部压力能使得液氢经排放管进入至第一取样装置中，底部取样装置的结构包括：设置在罐体底部的底部取样座，底部取样座与罐体的夹套层连通，底部取样管设置在底部取样座和罐体的夹套层中，底部取样管包括内、外套设的取样内管和取样外管，底部取样管的两端分别为取样端和连接端，底部取样管的取样端伸入至罐体内，底部取样管的连接端密封固定连接有取样壳体，取样壳体与底部取样座固定密封，取样壳体从底部取样座中伸出；取样端的取样外管封闭，取样端的取样内管伸出取样外管、并弯曲形成弯钩状的取样头，取样端的取样外管上连接有隔热进液管头，连接端的取样外管上连接有排出管，排出管从底部取样座中伸出；取样壳体与底部取样管连接的一端内部设置有密封绝缘填料，底部毛细管贯穿固定于密封绝缘填料设置，底部毛细管的两端分别与取样内管和分析管密封连通，所述的分析管从取样壳体中伸出，伸出取样壳体的分析管用于与检测仪器相连接，取样壳体中设置有加热器。
进一步地，前述的液氢储罐上的取样系统，其中，位于罐体的夹套层中的底部取样管呈螺旋环绕状设置。
进一步地，前述的液氢储罐上的取样系统，其中，所述的加热器采用换热盘管，换热盘管绕设在分析管外，换热盘管的换热介质进口端和换热介质出口端分别伸出取样壳体。
进一步地，前述的液氢储罐上的取样系统，其中，隔热进液管头和取样头均向下弯曲设置。
进一步地，前述的液氢储罐上的取样系统，其中，第一取样装置的结构包括：所述的第一排放取样管包括排放内管和排放外管，排放内管和排放外管之间形成空腔，第一排放取样管的排放内管上开设有第一取样口，第一取样口处的排放内管外壁上设置有向外凸出的第一内管连接座，第一排放取样管的排放外管上开设有第一连接通孔，第一排放取样管的排放外管的外壁上密封固定设置第一绝缘筒体，第一绝缘筒体内部形成第一绝缘腔室，第一绝缘筒体上连接有用于对第一绝缘腔室抽成空的第一真空接管，第一绝缘筒体外密封固定连接有加热套筒，绝缘座从绝缘腔室延伸至加热套筒内，绝缘座与第一绝缘筒体相固定，绝缘座轴向贯穿开设有安装通孔，绝缘座的底部固定连接有第一取样管，第一取样管的管口与安装通孔之间密封隔断，第一取样管与加热套筒密封固定并伸出加热套筒，加热套筒上设置有介质输入管和介质输出管；第一取样口与安装通孔之间设置有第一毛细管，第一毛细管的两端分别伸入第一排放取样管和第一取样管内，第一毛细管外固定密封设置有内部真空的绝缘管，绝缘管的一端与第一内管连接座螺纹密封固定，第一毛细管外的第一内管连接座内设置有密封绝缘填料，所述的绝缘管密封压挡在密封绝缘填料上；绝缘管与第一连接通孔之间设置有密封绝缘填料，绝缘管的另一端伸入至安装通孔内的上端部，第一毛细管外的安装通孔内设置有密封绝缘填料。
更进一步地，前述的液氢储罐上的取样系统，其中，第一绝缘筒体与第一排放取样管的排放外管之间的连接结构包括：第一排放取样管的排放外管的外壁上设置有外管连接座，外管连接座上设置有第一密封圈，第一绝缘筒体与外管连接座之间螺纹密封固定，并且第一绝缘筒体的顶部压挡在第一密封圈上。
更进一步地，前述的液氢储罐上的取样系统，其中，加热套筒的内壁上设置有第一密封斜面，第一密封斜面上方的加热套筒的内壁上设置有内螺纹，第一绝缘筒体的外壁上设置有与第一密封斜面相配合的第二密封斜面，第二密封斜面上方的第一绝缘筒体的外壁上设置有外螺纹，加热套筒与第一绝缘筒体之间螺纹密封连接，且加热套筒内壁上的第一密封斜面密封卡挡在第一绝缘筒体外壁上的第二密封斜面上。
更进一步地，前述的液氢储罐上的取样系统，其中，绝缘座与第一取样管之间的连接结构包括：第一取样管的上端口包括内、外设置的内端口和外端口，内端口和外端口之间形成连接凹槽，连接凹槽内设置有第二密封圈，内端口的顶部端面设置有支撑部；绝缘座的安装通孔的底部设置有第三密封圈，所述的第三密封圈套装在第一毛细管外，绝缘座下端伸入至连接凹槽内、并压挡在第二密封圈上，绝缘座与连接凹槽之间螺纹密封固定，第一取样管的内端口的支撑部支撑压挡在第三密封圈的底部。
更进一步地，前述的液氢储罐上的取样系统，其中，罐体上设置有带控制阀的排气口，排放管上设置有排放阀。
再进一步地，前述的液氢储罐上的取样系统，其中，排放管上还连接有第二排放取样管，第一排放取样管与第二排放取样管并联设置，第二排放取样管上设置有第二取样控制阀和第二取样装置，所述的第二取样装置的结构包括：第二排放取样管的排放内管上还开设有第二取样口，第二取样口处的排放内管上设置有向排放外管方向凸出的第二内管连接座，排放外管上还开设有第二连接通孔，第二排放取样管的排放外管的外壁上密封固定设置第二绝缘筒体，第二绝缘筒体内部形成第二绝缘腔室，第二绝缘筒体上连接有用于对第二绝缘筒体抽真空的第二抽真空接管，第二绝缘筒体内设置有内部真空的真空外套管，真空外套管内设置有第二取样管，真空外套管与第二取样管的之间密封固定，真空外套管支撑在第二绝缘筒体内，并且真空外套管与第二内管连接座、以及第二连接通孔之间密封固定，第二取样管的一端穿过真空外套管伸入至第二排放取样管的排放内管中，第二取样管的另一端伸出真空外套管和第二绝缘筒体与检测仪器连接，第二绝缘筒体内伸出真空外套管的第二取样管上设置流量控制阀；所述的第二绝缘筒体、真空外套管、第二取样管均由上向下倾斜后水平弯折设置。
本发明的优点在于：一、底部取样装置、第一取样装置和第二取样装置，三个取样装置提供了三个不同的取样点，可以根据实际需要选择取样装置，实现就近取样检测。二、底部取样装置、第一取样装置、第二取样装置密封可靠性好、绝缘隔热效果好，能大大减少取样过程中对罐体内部液氢的影响，为就近检测提供保障。三、底部取样装置和第一取样装置中毛细管的设置，大大提高了气氢的稳定性，从而能有效提高检测准确度；底部取样装置和第一取样装置均对低温氢气进行加热，这使得底部取样装置和第一取样装置输出的氢气温度升高，从而能有效减少低温对检测的影响，有效提高就近检测的准确度。四、第二取样装置结构简单，管路倾斜设置能有效减缓液氢对管路的冲击、同时通过调节流量控制阀来调节液氢流量，这大大提高了液氢取样的稳定性，从而能有效提高就近检测结果的可靠性。
附图说明
图1是本发明所述的液氢储罐上的取样系统的结构示意图。
图2是图1中底部取样装置的结构示意图。
图3是图1中第一取样装置的结构示意图。
图4中图3中A部分的放大结构示意图。
图5是图1中第二取样装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，液氢储罐上的取样系统，所述的液氢储罐包括夹套层结构的罐体1，罐体1包括内罐体和外罐体，内、外罐体之间形成夹套层101，这有利于液氢储存。罐体1中设置有内管2，内管2从罐体1顶部伸出与排放管3连接，罐体1上设置有带控制阀110的排气口11。本实施例中，罐体1的底部设置底部取样装置4，排放管3上连接有第一排放取样管33和第二排放取样管34，第一排放取样管33和第二排放取样管34并联设置，第一排放取样管33上设置第一取样控制阀331和第一取样装置5，第二排放取样管34上设置有第二取样控制阀341和第二取样装置6。在第一取样控制阀331罐体1内部的压力能使得液氢经排放管3进入至第一取样装置5中，在第二取样控制阀341打开的状态下，罐体1内部的压力能使得液氢经排放管3进入第二取样装置6中。
具体地，图2、图3所示，底部取样装置4的结构包括：设置在罐体1底部的底部取样座41，底部取样座41与罐体1的夹套层101连通，底部取样座41和夹套层101中设置有底部取样管42。本实施例中，位于罐体1的夹套层101中的底部取样管42呈螺旋环绕状设置，底部取样管42螺旋环绕设置能有效延长取样的路径，从而增加温度梯度，避免外界温度干扰，螺旋环绕还能有效减小底部取样管42所需的安装空间。底部取样管42包括内、外套设的取样内管421和取样外管422，底部取样管42的两端分别为取样端和连接端，底部取样管42的取样端伸入至罐体1内，底部取样管42的连接端密封固定连接有取样壳体43，取样壳体43与底部取样座41固定密封，取样壳体3从底部取样座41中向外伸出；取样端的取样外管422封闭，取样端的取样内管421伸出取样外管422、并弯曲形成弯钩状的取样头4211，本实施例中，为了防止罐体内底部的颗粒杂质堵塞取样头4211，取样头4211上设置过滤器4212。取样端的取样外管422上连接有隔热进液管头4221。本实施例中，取样头4211与隔热进液管头4221均向下弯曲设置。取样头4211与隔热进液管头4221向下弯曲设置，有以下作用：一、加大取样头4211和隔热进液管头4221的强度。二、在罐体1内低液位的情况下，便于取样头4211取样，同时便于液氢流入隔热进液管头4221中。三、通过弯头阻力，防止罐体1外的液体或气体倒灌，从而大大减少取样对罐体1中液氢的影响。
连接端的取样外管422上连接有排出管4222，排出管4222从底部取样座41中伸出。取样壳体43与底部取样管42连接的一端内部设置有密封绝缘填料10，底部毛细管44贯穿固定于密封绝缘填料10设置，底部毛细管44的内径通常为1～5mm。底部毛细管44的两端分别与取样内管421和分析管45密封连通，所述的分析管45从取样壳体43中伸出，伸出取样壳体43的分析管45用于与检测仪器相连接，取样壳体43中设置有加热器。所述的加热器采用换热盘管46，换热盘管46绕设在分析管45外，换热盘管46的换热介质进口端461和换热介质出口端462分别伸出取样壳体43。说明书中所有密封绝缘填料均采用聚三氟氯乙烯材质。
当需要对罐体1内的液氢进行检测时，将分析管45与检测仪器相连通。罐体1中的液氢经取样头4211进入至取样内管421中，取样内管421中的低温液氢经底部毛细管44后呈低温氢气进入至分析管45中，分析管45中的氢气进入至检测仪器中检测。底部毛细管44的设置使得进入分析管45中的氢气流量的稳定性大大提高，从而能避免因流量不稳或流量过大对检测仪器的准确性造成影响。
与此同时，罐体1内的液氢经隔热进液管头4221进入取样外管422，取样外管422中的液氢直接从排出管4222排出，这起到很好的隔热作用，有效减小取样过程对液氢储罐内部的影响。换热介质不断从换热盘管46的换热介质进口端461进入至换热盘管46中，然后从换热介质出口端462流出，从而对分析管45中的低温氢气进行加热。换热盘管46的设置能很好地为分析管45内的氢气提供热量，避免因低温对检测仪器的准确性造成影响。
第一排放取样管33和第二排放取样管34的结构均包括内、外设置的排放内管31和排放外管32，排放内管31和排放外管32之间形成空腔，这种夹套层结构有利于减少外界温度对液氢的影响。
本实施例中，如图4所示，第一取样装置5的结构包括：第一排放取样管33上的排放内管31上开设有第一取样口51，第一取样口51处的排放内管31外壁上设置有向排放外管32方向凸出的第一内管连接座52，第一排放取样管33的排放外管32上开设有第一连接通孔321，第一连接通孔321对应位置处的排放外管32的外壁上密封固定设置第一绝缘筒体53，第一绝缘筒体53内部形成第一绝缘腔室531，第一绝缘筒体53上连接有用于对第一绝缘腔室531抽成空的第一真空接管532，第一绝缘筒体53外密封固定连接有加热套筒54，绝缘座55从第一绝缘腔室531延伸至加热套筒54内，绝缘座55与第一绝缘筒体54相固定，绝缘座55轴向贯穿开设有安装通孔551，绝缘座55的底部固定连接有第一取样管56，第一取样管56的管口与安装通孔551之间密封隔断，第一取样管56与加热套筒54密封固定并伸出加热套筒54，加热套筒54上设置有介质输入管541和介质输出管542。用于加热的介质通过介质输入管541进入，从介质输出管542输出，通常加热的介质可采用氮气。第一取样口51与安装通孔551之间设置有第一毛细管57，第一毛细管57的两端分别伸入第一排放取样管33和第一取样管56内，第一毛细管57外固定密封设置有内部真空的绝缘管58，绝缘管58的一端与第一内管连接座52螺纹密封固定，绝缘管58与第一连接通孔321之间也设置有密封绝缘填料，绝缘管58的另一端伸入至安装通孔551内的上端部，第一毛细管57外的安装通孔551内设置有密封绝缘填料20。第一毛细管57外的第一内管连接座52内设置有密封绝缘填料20，所述的绝缘管58密封压挡在密封绝缘填料20上。
本实施例中，第一绝缘筒体53与第一排放取样管33的排放外管32之间的连接结构包括：第一排放取样管33的排放外管32的外壁上设置有外管连接座322，外管连接座322上设置有第一密封圈3221，第一绝缘筒体53与外管连接座322之间螺纹密封固定，并且第一绝缘筒体53的顶部压挡在第一密封圈3221上。螺纹与密封圈双重密封能有效提高第一绝缘筒体53与第一排放取样管33之间的密封性。
所述的加热套筒54的内壁上设置有第一密封斜面541，第一密封斜面541上方的加热套筒54的内壁上设置有内螺纹，第一绝缘筒体53的外壁上设置有与第一密封斜面541相配合的第二密封斜面532，第二密封斜面532上方的第一绝缘筒体53的外壁上置有外螺纹，加热套筒54与第一绝缘筒体53之间螺纹密封连接，且加热套筒54内壁上的第一密封斜面541密封卡挡在第一绝缘筒体53外壁上的第二密封斜面532上。螺纹密封与斜面密封，双重密封结构大大提高的加热套筒54与第一绝缘筒体53之间的密封可靠性。
另外，绝缘座55与第一取样管56之间的连接结构包括：第一取样管56的上端口包括内、外设置的内端口561和外端口562，内端口561和外端口562之间形成连接凹槽563，连接凹槽563内设置有第二密封圈59，内端口561的顶部端面设置有支撑部5611；绝缘座55的安装通孔551的底部设置有第三密封圈50，所述的第三密封圈50套装在第一毛细管57外，第一毛细管57的内径通常为1～5mm。绝缘座55下端伸入至连接凹槽563内、并压挡在第二密封圈59上，绝缘座55与连接凹槽563之间螺纹密封固定，第一取样管56的内端口561的支撑部5611支撑压挡在第三密封圈50的底部。
取样工作时，第一取样控制阀331开启，第一绝缘腔室531内保持真空，加热介质从介质输入管541进入至加热套筒54内。通常加热介质可采用受热的氮气。罐体1中的液氢经第一排放取样管33进入至第一毛细管57中。第一毛细管57中的液氢汽化成低温氢气进入至第一取样管56中。由于第一毛细管57外设置了真空的绝缘管58，绝缘管58又外设置有第一绝缘腔室531，双层绝缘能起到很好的隔热作用，有效防止外部热量对液氢储罐内部产生影响。绝缘座55、以及绝缘座55的安装通孔551内的密封绝缘填料20进一步起到有效地隔热作用，进一步减少外部热量对液氢储罐内部的影响。此外，第一绝缘腔室531、绝缘座55延长了取样的路径，也有效减少了外部温度对液氢储罐内部的影响。加热套筒54内的加热介质对进入第一取样管56内低温氢气进行加热，换热后的加热介质从介质输出管542输出。受热后的氢气由第一取样管56输送至检测仪器进行检测。第一毛细管57有效确保了取样时氢气流量稳定，从而有效避免因流量过大或流量不稳影响检测结果。另外，加热介质对低温氢气进行加热，有效避免温度过低对仪器检测结果造成影响或损坏检测仪器。取样结束后，控制阀110开启，排放管3以及第一排放取样管33中多余的液氢可回流至至罐体1中，从而减少液氢损耗。
图5所示，第二取样装置6的结构包括：第二排放取样管34的排放内管31上还开设有第二取样口61，第二取样口61处的排放内管31上设置有向排放外管32方向凸出的第二内管连接座62，第二排放取样管34的排放外管32还开设有第二连接通孔323，排放外管32的外壁上密封固定设置第二绝缘筒体63，第二绝缘筒体63内部形成第二绝缘腔室631，第二绝缘筒体63上连接有用于对第二绝缘腔室631抽真空的第二抽真空接管632，第二绝缘筒体63内设置有内部真空的真空外套管64，真空外套管64内设置有第二取样管65，真空外套管64与第二取样管65的之间密封固定，真空外套管64支撑在第二绝缘筒体63内，本实施例中，真空外套管64通过加强筋66支撑在第二绝缘筒体63内，真空外套管64与第二内管连接座62、以及第二连接通孔322之间密封固定，第二取样管65的一端穿过真空外套管64和第二取样口61伸入至排放内管31中，第二取样管65的另一端伸出真空外套管64和第二绝缘筒体63与检测仪器连接，第二绝缘筒体63内伸出真空外套管64的第二取样管65上设置流量控制阀651；所述的第二绝缘筒体63、真空外套管64、第二取样管65均由上向下倾斜后水平弯折设置，这样弯折设置的目的在于：引导液氢平缓流出，减少液氢对管道的冲击。第二取样装置6的结构简单，制作成本低。
取样工作时，第二排放取样管34上的第二取样控制阀341打开。罐体1中的液氢经内管2、排放管3、第二排放取样管34进入至第二取样管61中，第二取样管61中的液氢向外输出至检测仪器中。真空外套管64和第二绝缘筒体63起到了很好的隔绝作用，有效减少外界温度干扰。通过调节流量控制阀651以调节液氢流量，从而将液氢以适当的流量输出，以进行正氢、仲氢等相关检测。取样结束后，控制阀110开启，排放管3以及第二排放取样管34中多余的液氢可回流至至罐体1中，从而减少液氢损耗。
排放管3上设置第一取样装置5和第二取样装置6，其目的在于：可以根据需要分别获取气氢或液氢，以供检测使用；也可同时对气氢和液氢采样分析，从而能更准确、全面的获得罐体1能液氢的成分、状态等相关信息。
本发明的优点在于：一、在罐体1的底部设置有用于采集气氢的底部取样装置4、在排放管3上设置用于采集气氢的第一取样装置5和用于采集液氢的第二取样装置6，三个取样装置为就近检测提供了三个不同的取样点，可以根据实际需要选择对应的取样装置。二、底部取样装置4、第一取样装置5、第二取样装置6密封性好、绝缘隔热效果好，能大大减少取样过程中对罐体内部液氢的影响，为就近检测提供保障。三、底部取样装置4和第一取样装置5中均设置有毛细管，毛细管大大提高了气氢的稳定性，从而能有效提高检测准确度；底部取样装置4中设置了用于对低温氢气进行加热的加热器，第一取样装置5中设置了用于对低温氢气进行加热的加热套筒54，这都使得底部取样装置4和第一取样装置5输出的氢气温度升高，这个能有效减少低温对检测的影响，有效提高就近检测的准确度。四、第二取样装置6结构简单，管路倾斜能有效减缓液氢对管路的冲击，同时通过调节流量控制阀651来调节液氢流量，这都大大提高了液氢取样的稳定性，从而能有效提高就近检测结果的可靠性。
