УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЖИДКОГО ВОДОРОДА Российский патент 2016 года по МПК F25J1/02 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится к устройству для изготовления жидкого водорода, содержащему приспособление для обработки испаряемого газа, генерируемого в емкости для жидкого водорода транспортного судна для транспортировки жидкого водорода или т.п., причем указанное приспособление выполнено с возможностью повторного сжижения испаряемого газа для его повторного использования.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Водород обычно широко используют в качестве исходного материала, разбавляющего агента или т.п. в различных технических областях, таких как химическая промышленность, нефтеперерабатывающая промышленность, промышленность по производству чугуна или т.п. При этом политика по уменьшению выбросов СO₂ в настоящее время приведена в соответствие с мировым уровнем, а стоимость ископаемого топлива, такого как сырая нефть, непрерывно растет. Таким образом, в последние годы предполагается применять водород в качестве топлива или источников энергии в различных технических областях. В частности, предполагается применять водород в качестве топлива для двигателей автомобилей или турбин электрических генераторов. Водород обычно изготавливают посредством процесса парового риформинга углеводородов, процесса электролиза воды или т.п. При этом также возможно изготовление водорода посредством системы изготовления водорода, которая изготавливает водород с использованием низкокачественного угля, такого как бурый уголь или т.п., в качестве единственного основного исходного материала.

[0003] При этом когда изготавливают водород, например, путем использования низкокачественного угля в качестве единственного основного исходного материала, систему изготовления водорода обычно устанавливают рядом с областью добычи низкокачественного угля. С другой стороны, район сбыта водорода в основном существует в населенной области, такой как населенный пункт или т.п., которая расположена на расстоянии от области добычи низкокачественного угля. Соответственно, необходимо транспортировать водород, изготовленный в системе изготовления водорода, в район сбыта водорода.

[0004] Обычно, когда водород транспортируют в район сбыта по морю или океану, водород, изготовленный в системе изготовления водорода, охлаждают таким образом, чтобы он был сжижен посредством устройства для ожижения водорода, и сохраняют в цистерне для хранения жидкого водорода, что раскрыто, например, в JP 2005-241232 А. Затем жидкий водород транспортируют удобным образом в район сбыта. Таким образом, для транспортировки жидкого водорода по морю или океану обычно используют транспортное судно для транспортировки жидкого водорода, которое оборудовано емкостью для жидкого водорода для хранения жидкого водорода с поддержанием в нем очень низкой температуры.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Проблемы, которые должны быть решены настоящим изобретением

[0005] Когда жидкий водород время от времени транспортируют в район сбыта водорода посредством транспортного судна для транспортировки жидкого водорода, то сначала жидкий водород, хранящийся в цистерне для хранения жидкого водорода, подают в емкость для жидкого водорода транспортного судна для транспортировки жидкого водорода, который пришвартован в порту (далее назван как "порт погрузки") рядом с местом, в котором расположено устройство для ожижения водорода или цистерна для хранения жидкого водорода. Затем транспортное судно для транспортировки жидкого водорода совершает перемещение по морю или океану и достигает другого порта (далее назван как "порт выгрузки") рядом с районом сбыта водорода. Таким образом, жидкий водород, хранящийся в емкости для жидкого водорода транспортного судна для транспортировки жидкого водорода, подают в другую цистерну для хранения жидкого водорода, расположенную рядом с портом выгрузки. После этого транспортное судно для транспортировки жидкого водорода в порту выгрузки, у которого емкость для жидкого водорода все еще удерживает подходящее количество (например, несколько процентов по объему по отношению к объему емкости для жидкого водорода) жидкого водорода для сохранения емкости для жидкого водорода в холодном состоянии, возвращается в порт погрузки.

[0006] Таким образом, в порту погрузки жидкий водород, хранящийся в цистерне для хранения жидкого водорода рядом с портом погрузки, снова подают в емкость для жидкого водорода транспортного судна для транспортировки жидкого водорода. В таком случае температура емкости для жидкого водорода транспортного судна для транспортировки жидкого водорода увеличилась, поскольку тепло, находящееся снаружи емкости для жидкого водорода, было передано в емкость для жидкого водорода, когда транспортное судно для транспортировки жидкого водорода совершало перемещение из порта выгрузки в порт погрузки или когда транспортное судно для транспортировки жидкого водорода было пришвартовано в порту погрузки. В частности, температура в верхней части емкости для жидкого водорода стала выше, чем температура точки росы жидкого водорода. Следовательно, когда жидкий водород в цистерне для хранения жидкого водорода подают в емкость для жидкого водорода, подаваемый жидкий водород частично испаряется в результате разницы между температурой емкости для жидкого водорода и температурой подаваемого жидкого водорода таким образом, что сгенерировано большое количество испаряемого газа. Таким образом, необходимо обрабатывать большое количество испаряемого газа за короткий период времени, поскольку транспортное судно для транспортировки жидкого водорода по существу пришвартовано в течение короткого периода времени, составляющего один день или несколько дней.

[0007] Для решения данной проблемы возможно использование такого решения для смешивания большого количества сгенерированного испаряемого газа с водородом в качестве исходного материала, подаваемого из системы изготовления водорода в устройство для ожижения водорода, и его повторного сжижения посредством указанного устройства для ожижения водорода для его повторного использования. Однако, если испаряемый газ, температура которого является очень низкой, просто используют в качестве исходного материала устройства для ожижения водорода, то может быть вызвана такая проблема, которая вызывает неполадку устройства для ожижения водорода, которое выполнено с тем допущением, что водород в качестве исходного материала подают при обычной температуре. Таким образом, если испаряемый газ нагревают до обычной температуры и затем смешивают с водородом в качестве исходного материала, то возможно решение вышеописанной проблемы. Однако, согласно данному решению, испаряемый газ в состоянии очень низкой температуры однократно нагревают до обычной температуры и затем охлаждают до состояния сверхнизкой температуры снова посредством устройства для ожижения водорода. Таким образом, данное решение является очень иррациональным с точки зрения энергоэффективности, поскольку происходит потеря энергии холода испаряемого газа. Схожие проблемы могут быть вызваны в отношении испаряемого газа, сгенерированного в любом резервуаре для жидкого водорода, которым оборудованы средства для транспортировки жидкого водорода, отличные от транспортного судна для транспортировки жидкого водорода.

[0008] Настоящее изобретение, которое было выполнено для решения вышеописанной обычной проблемы, имеет задачу, состоящую в обеспечении наличия средств, которые могут эффективно применять и повторно сжижать испаряемый газ без потери его энергии холода для восстановления жидкого водорода, причем испаряемый газ генерируют в резервуаре для жидкого водорода транспортирующих средств для транспортировки жидкого водорода, таких как емкость для жидкого водорода транспортного судна для транспортировки жидкого водорода или т.п.

Средства для решения проблемы

[0009] Устройство изготовления жидкого водорода согласно настоящему изобретению, которое было реализовано для решения вышеописанной задачи, содержит блок цикла охлаждения, выполненный с возможностью протекания в нем циркулирующего водорода в качестве охлаждающего вещества, и блок изготовления жидкого водорода для изготовления жидкого водорода из газообразного водорода. Устройство отличается тем, что оно дополнительно содержит блок подачи испаряемого газа для подачи испаряемого газа, генерируемого в резервуаре для жидкого водорода, в блок цикла охлаждения через предварительно определенную впускную часть в блоке цикла охлаждения, и блок выпуска циркулирующего водорода для выпуска избыточного количества циркулирующего водорода, получаемого из испаряемого газа, подаваемого в блок цикла охлаждения посредством блока подачи испаряемого газа, в блок изготовления жидкого водорода через предварительно определенную выпускную часть в блоке цикла охлаждения.

[0010] Согласно варианту реализации настоящего изобретения, блок цикла охлаждения содержит компрессор, выполненный с возможностью сжатия циркулирующего водорода, расширитель, выполненный с возможностью расширения циркулирующего водорода, и по меньшей мере один теплообменник, размещенный между компрессором и расширителем, причем указанный теплообменник содержит низкотемпературный теплообменный элемент, расположенный с передней по ходу потока стороны компрессора, и высокотемпературный теплообменный элемент, расположенный с задней по ходу потока стороны компрессора. При этом, блок изготовления жидкого водорода содержит канал для исходного водорода, выполненный с возможностью протекания через него газообразного водорода, подаваемого из источника исходного водорода, расширительный клапан, размещенный с задней по ходу потока стороны канала для исходного водорода и выполненный с возможностью расширения газообразного водорода для изготовления жидкого водорода, и по меньшей мере один охладитель газообразного водорода, выполненный с возможностью охлаждения газообразного водорода посредством теплообмена с указанным по меньшей мере одним теплообменником блока цикла охлаждения.

[0011] В отношении этого варианта реализации, впускная часть в блоке цикла охлаждения размещена в месте, расположенном ниже по потоку относительно расширителя и выше по потоку относительно компрессора. При этом, выпускная часть в блоке цикла охлаждения размещена в месте, расположенном между первым низкотемпературным теплообменным элементом в направлении навстречу потоку от компрессора и первым высокотемпературным теплообменным элементом в направлении по потоку от компрессора.

[0012] В устройстве для изготовления жидкого водорода согласно настоящему изобретению впускная часть в блоке цикла охлаждения предпочтительно образована из множества впускных элементов, размещенных в зависимости от разницы между температурой циркулирующего водорода в блоке цикла охлаждения и температурой испаряемого газа, генерируемого в резервуаре для жидкого водорода. При этом, выпускная часть в блоке цикла охлаждения предпочтительно размещена между компрессором и первым высокотемпературным теплообменным элементом в направлении по потоку от компрессора.

[0013] В устройстве для изготовления жидкого водорода согласно настоящему изобретению предпочтительно, если расширитель представляет собой турбодетандер, а расширительный клапан представляет собой клапан Джоуля-Томсона. Резервуар для жидкого водорода устройства для изготовления жидкого водорода согласно настоящему изобретению может содержать, например, емкость для жидкого водорода транспортного судна для транспортировки жидкого водорода.

Преимущества настоящего изобретения

[0014] Согласно настоящему изобретению, испаряемый газ в состоянии очень низкой температуры, который выпускают, например, из емкости для жидкого водорода транспортного судна для транспортировки жидкого водорода, подают в канал циркулирования водорода блока цикла охлаждения через впускную часть, в которой протекает циркулирующий водород в состоянии очень низкой температуры. Поскольку разница между температурой испаряемого газа и температурой циркулирующего водорода является относительно маленькой во впускной части, то любая конкретная неполадка не возникает в устройстве для изготовления жидкого водорода, когда испаряемый газ в состоянии очень низкой температуры подают в блок цикла охлаждения через впускную часть. Кроме того, в состоянии очень низкой температуры не происходит потеря энергии холода испаряемого газа.

[0015] С другой стороны, избыточный циркулирующий водород, получаемый из испаряемого газа, подаваемого в блок цикла охлаждения, выпускают из места в канале циркулирования водорода, в котором циркулирующий водород протекает приблизительно при обычной температуре, в место в канале для исходного водорода, в котором исходный водород протекает приблизительно при обычной температуре. Поскольку разница между температурой циркулирующего водорода и температурой исходного водорода является относительно маленькой в последней точке, то любая конкретная неполадка не вызвана в устройстве для изготовления жидкого водорода, когда избыточный циркулирующий водород подают в канал для исходного водорода. Кроме того, количество циркулирующего водорода в блоке цикла охлаждения поддерживают на надлежащем уровне, поскольку избыточный циркулирующий водород предпочтительно выпускают.

[0016] Таким образом, избыточный циркулирующий водород, который выпускают в канал для исходного водорода, повторно сжижают в блоке изготовления жидкого водорода для того, чтобы он стал жидким водородом. Если рассматривать функциональные возможности устройства для изготовления жидкого водорода в целом, то испаряемый газ в состоянии очень низкой температуры подают на устройство для изготовления жидкого водорода и изготавливают жидкий водород, количество которого соответствует количеству поданного испаряемого газа. Таким образом, согласно настоящему изобретению, испаряемый газ в состоянии очень низкой температуры подают на устройство для изготовления жидкого водорода без возникновения какой-либо неполадки в любом элементе устройства для изготовления жидкого водорода таким образом, что изготовлен жидкий водород, количество которого соответствует количеству поданного испаряемого газа. Другими словами, испаряемый газ в состоянии очень низкой температуры, генерируемый в резервуаре для жидкого водорода, повторно сжижают для того, чтобы он стал жидким водородом для его повторного использования без потери энергии холода испаряемого газа и с эффективным применением энергии холода.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0017] На чертеже схематически показан вид системной конфигурации устройства для изготовления жидкого водорода согласно настоящему изобретению.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0018] Вариант реализации настоящего изобретения будет подробно описан далее со ссылкой на прилагаемые чертежи. Как показано на чертеже, устройство HS для изготовления жидкого водорода согласно варианту реализации настоящего изобретения оборудовано блоком R цикла охлаждения, в котором водород (далее называют как "циркулирующий водород") циркулирует в качестве охлаждающего вещества, и блоком Ρ изготовления жидкого водорода для изготовления жидкого водорода путем охлаждения газообразного водорода (далее называют как "исходный водород") в качестве исходного материала посредством блока цикла охлаждения R и путем последующего адиабатического расширения исходного водорода.

[0019] Блок R цикла охлаждения оборудован каналом 1 циркулирования водорода с круговой конфигурацией, через которую циркулирующий водород протекает по кругу. Циркулирующий водород протекает по кругу по часовой стрелке в канале 1 циркулирования водорода ввиду взаимного расположения, показанного на чертеже. Далее, для удобства, сторону выше по потоку и сторону ниже по потоку по отношению к направлению, вдоль которой циркулирующий водород протекает, по существу называют соответственно как "переднюю по ходу потока" и "заднюю по ходу потока". Канал 1 циркулирования водорода оборудован компрессором 2, охладителем 3 циркулирующего водорода, расположенным с задней по ходу потока стороны компрессора 2, и турбодетандером 4, расположенным с задней по ходу потока стороны охладителя 3 циркулирующего водорода, каждый из которых размещен в канале 1 циркулирования водорода.

[0020] Компрессор 2, который может представлять собой, например, устройство сжатия, приводимое в действие электрическим двигателем, адиабатически сжимает циркулирующий водород в состоянии обычного давления (например, 0,1 МПа абсолютного давления) и обычной температуры (например, 300 K) для того, чтобы обеспечить переход циркулирующего водорода в состояние высокого давления (например, 2 МПа абсолютного давления) и высокой температуры (например, 780 K). Охладитель 3 циркулирующего водорода, который может представлять собой, например, теплообменник, использующий охлаждающую воду при низкой температуре в качестве охлаждающей среды, охлаждает циркулирующий водород при высоком давлении и высокой температуре для того, чтобы обеспечить переход циркулирующего водорода в состояние обычной температуры с одновременным поддержанием его давления. Таким образом, циркулирующий водород при высоком давлении и обычной температуре охлаждают посредством первого и второго теплообменников Е1 и Е2 до достижения им турбодетандера 4 согласно приведенному далее подробному описанию таким образом, что циркулирующий водород достигает состояния очень низкой температуры (например, 40 K) с одновременным поддержанием его давления. Турбодетандер 4, который может представлять собой турбину для преобразования энергии давления или кинетической энергии газа при высоком давлении в механическую энергию и которая затем выдает механическую энергию за ее пределы, приводят в действие посредством циркулирующего водорода при высоком давлении и очень низкой температуре, пока она уменьшает давление и температуру циркулирующего водорода для сжижения по меньшей мере части циркулирующего водорода таким образом, что циркулирующий водород достигает состояния обычного давления и сверхнизкой температуры (например, 20 K). В альтернативном варианте вместо турбодетандера 4 возможно использование приспособления расширения, такого как клапан Джоуля-Томсона или т.п., который адиабатически расширяет циркулирующий водород.

[0021] Кроме того, канал 1 циркулирования водорода оборудован первым и вторым низкотемпературными теплообменными элементами 5 и 6, каждый из которых размещен в соответствующем месте, расположенном ниже по потоку относительно турбодетандера 4 и выше по потоку относительно компрессора 2. Кроме того, канал 1 циркулирования водорода оборудован первым и вторым высокотемпературными теплообменными элементами 7 и 8, каждый из которых размещен в соответствующем месте, расположенном ниже по потоку относительно охладителя 3 циркулирующего водорода и выше по потоку относительно турбодетандера 4. Первый низкотемпературный теплообменный элемент 5 и первый высокотемпературный теплообменный элемент 7 размещены в соответствующих друг другу местах для того, чтобы обменяться теплом друг с другом. Второй низкотемпературный теплообменный элемент 6 и второй высокотемпературный теплообменный элемент 8 размещены в соответствующих друг другу местах для того, чтобы обменяться теплом друг с другом. Каждый из первого низкотемпературного теплообменного элемента 5 и первого высокотемпературного теплообменного элемента 7 представляет собой компонент первого теплообменника Е1, подробно описанный далее, а каждый из второго низкотемпературного теплообменного элемента 6 и второго высокотемпературного теплообменного элемента 8 представляет собой компонент второго теплообменника Е2, подробно описанный далее.

[0022] Блок Ρ изготовления жидкого водорода оборудован каналом 11 для исходного водорода, через который протекает исходный водород в состоянии высокого давления (например, 2 МПа абсолютного давления) и обычной температуры, подаваемый из источника 10 подачи исходного водорода. Клапан 12 Джоуля-Томсона соединен с задним по ходу потока концом канала 11 для исходного водорода по отношению к направлению (вправо ввиду взаимного расположения, показанного на чертеже), вдоль которого протекает исходный водород. Кроме того, первый охлаждающий элемент 13 для охлаждения исходного водорода и второй охлаждающий элемент 14 для охлаждения исходного водорода последовательно размещены в канале 11 для исходного водорода от передней по ходу потока стороны к задней по ходу потока стороне по отношению к направлению, вдоль которого протекает исходный водород. Первый и второй охлаждающие элементы 13, 14 для охлаждения исходного водорода охлаждают исходный водород в состоянии высокого давления и обычной температуры таким образом, что исходный водород достигает состояния очень низкой температуры (например, 40 K) с одновременным приблизительным поддержанием его давления. Клапан 12 Джоуля-Томсона адиабатически расширяет исходный водород в состоянии высокого давления и очень низкой температуры с тем, чтобы уменьшить давление и температуру исходного водорода. Следовательно, по меньшей мере часть исходного водорода сжижают таким образом, что изготовлен жидкий водород. В альтернативном варианте для сжижения исходного водорода может быть использован расширительный клапан, отличный от клапана Джоуля-Томсона. Первый охлаждающий элемент 13 для охлаждения исходного водорода может представлять собой компонент первого теплообменника Е1, подробно описанного далее, а второй охлаждающий элемент 14 для охлаждения исходного водорода может представлять собой компонент второго теплообменника Е2, подробно описанного далее.

[0023] В устройстве HS для изготовления жидкого водорода, первый и второй теплообменники Е1 и Е2 расположены напротив блока R цикла охлаждения и блока Ρ изготовления жидкого водорода, причем первый теплообменник Е1 содержит первый низкотемпературный теплообменный элемент 5, первый высокотемпературный теплообменный элемент 7 и первый охлаждающий элемент 13 для охлаждения исходного водорода, а второй теплообменник Е2 содержит второй низкотемпературный теплообменный элемент 6, второй высокотемпературный теплообменный элемент 8 и второй охлаждающий элемент 14 для охлаждения исходного водорода. В каждом из первого и второго теплообменников Е1 и Е2, циркулирующий водород, протекающий через канал 1 циркулирования водорода в месте ниже по потоку относительно турбодетандера 4 и выше по потоку относительно компрессора 2, охлаждает циркулирующий водород, протекающий через канал 1 циркулирования водорода в месте ниже по потоку относительно охладителя 3 циркулирующего водорода и выше по потоку относительно турбодетандера 4, и дополнительно охлаждает исходный водород, протекающий через канал 11 для исходного водорода.

[0024] В устройстве согласно варианту реализации, показанному на чертеже, два теплообменника Е1 и Е2 расположены напротив блока R цикла охлаждения и блока Ρ изготовления жидкого водорода. Однако количество теплообменников, которые должны быть выполнены, не ограничено двумя и, поэтому, возможно использование трех или большего количества теплообменников (например, трех, четырех, пяти и т.д.). Другими словами, количество теплообменников, которые необходимо выполнить, может быть предпочтительно определено в зависимости от поверхности теплообмена каждого теплообменника и других свойств теплообмена каждого теплообменника.

[0025] Далее, будет описано то, как могут быть изменены термодинамические состояния циркулирующего водорода или исходного водорода, протекающего в блоке цикла охлаждения R или блоке Ρ изготовления жидкого водорода. Во-первых, будут описаны изменения состояния циркулирующего водорода, протекающего от турбодетандера 4 к компрессору 2 через канал 1 циркулирования водорода. Циркулирующий водород в состоянии обычного давления (например, 0,1 МПа абсолютного давления) и сверхнизкой температуры (например, 20 K), который протекал по направлению от турбодетандера 4 и был по меньшей мере частично сжижен, охлаждает циркулирующий водород, протекающий через второй высокотемпературный теплообменный элемент 8, а также исходный водород, протекающий через второй охлаждающий элемент 14 для охлаждения исходного водорода, когда он протекает через второй низкотемпературный теплообменный элемент 6. Следовательно, температура циркулирующего водорода в состоянии обычного давления, который протекал по направлению от второго низкотемпературного теплообменного элемента 6 (второй теплообменник Е2), была увеличена до несколько повышенной температуры (например, 80 K). В таком случае, сжиженную часть в циркулирующем водороде выпаривают, когда он протекает через второй низкотемпературный теплообменный элемент 6.

[0026] Циркулирующий водород, который протекал от второго низкотемпературного теплообменного элемента 6 (второй теплообменник Е2), охлаждает циркулирующий водород, протекающий через первый высокотемпературный теплообменный элемент 7, а также исходный водород, протекающий через первый охлаждающий элемент 13 для охлаждения исходного водорода, когда он протекает через первый низкотемпературный теплообменный элемент 5. Следовательно, температура циркулирующего водорода в состоянии обычного давления, который протекал от первого низкотемпературного теплообменного элемента 5 (первый теплообменник Е1), была увеличена до обычной температуры (например, 300 K). Затем циркулирующий водород в состоянии обычного давления и обычной температуры протекает в компрессору 2. Таким образом, циркулирующий водород адиабатически сжимают посредством компрессора 2 таким образом, что он переходит в состояние высокого давления (например, 2 МПа абсолютного давления) и высокой температуры (например, 780 K).

[0027] Далее будут описаны изменения состояния циркулирующего водорода, протекающего от компрессора 2 в турбодетандер 4 через канал 1 циркулирования водорода. Газообразный циркулирующий водород в состоянии высокого давления и высокой температуры, который протекал по направлению от компрессора 2, сначала охлаждают посредством охладителя 3 циркулирующего водорода для того, чтобы достигнуть состояния обычной температуры (например, 300 K) и высокого давления. Затем, циркулирующий водород в состоянии высокого давления и обычной температуры охлаждают посредством циркулирующего водорода, протекающего через первый низкотемпературный теплообменный элемент 5, с тем, чтобы достигнуть состояния очень низкой температуры (например, 80 K), когда он протекает через первый высокотемпературный теплообменный элемент 7. Циркулирующий водород в состоянии высокого давления и очень низкой температуры, который протекал от первого высокотемпературного теплообменного элемента 7 (первый теплообменник Е1), охлаждают посредством циркулирующего водорода, протекающего через второй низкотемпературный теплообменный элемент 6, с тем, чтобы достигнуть состояния дополнительно пониженной температуры (например, 40 K), когда он протекает через второй высокотемпературный теплообменный элемент 8. Затем циркулирующий водород в состоянии высокого давления и очень низкой температуры протекает в турбодетандера 4. Таким образом, циркулирующий водород расширяют посредством турбодетандера 4 для того, чтобы перейти в состояние обычного давления (например, 0,1 МПа абсолютного давления) и сверхнизкой температуры (например, 20 K) с тем, чтобы циркулирующий водород был по меньшей мере частично сжижен.

[0028] Кроме того, будут описаны изменения состояния исходного водорода, протекающего из источника 10 подачи исходного водорода в клапан 12 Джоуля-Томсона через канал 11 для исходного водорода. Исходный водород в состоянии высокого давления (например, 2 МПа абсолютного давления) и обычной температуры (например, 300 K), подаваемый источником 10 подачи исходного водорода, охлаждают посредством циркулирующего водорода, протекающего через первый низкотемпературный теплообменный элемент 5, для того, чтобы перейти в состояние очень низкой температуры (например, 80 K), когда он протекает через первый охлаждающий элемент 13 для охлаждения исходного водорода. Исходный водород в состоянии высокого давления и очень низкой температуры, который протекал от первого охлаждающего элемента 13 для охлаждения исходного водорода (первый теплообменник Е1), охлаждают посредством циркулирующего водорода, протекающего через второй низкотемпературный теплообменный элемент 6, с тем, чтобы достигнуть состояния дополнительно пониженной температуры (например, 40 K), когда он протекает через второй охлаждающий элемент 14 для охлаждения исходного водорода.

[0029] Затем, исходный водород в состоянии высокого давления и очень низкой температуры расширяют посредством расширения по циклу Джоуля-Томсона, когда он проходит через клапан 12 Джоуля-Томсона, для того, чтобы перейти в состояние обычного давления (например, 0,1 МПа абсолютного давления) и сверхнизкой температуры (например, 20 K) с тем, чтобы исходный водород был по меньшей мере частично сжижен. Сжиженный исходный водород, а именно жидкий водород в качестве продукта устройства HS для изготовления жидкого водорода, сохраняют в цистерне 15 для хранения жидкого водорода. Жидкий водород, хранящийся в цистерне 15 для хранения жидкого водорода, обычно подают в емкость для жидкого водорода транспортного судна 16 для транспортировки жидкого водорода, который пришвартован в порту (порту погрузки) рядом с областью, в которой расположено устройство HS для изготовления жидкого водорода.

[0030] В табл. 1 совместно показаны термодинамические состояния циркулирующего водорода или исходного водорода в соответствующих местах в блоке цикла охлаждения R или блоке Ρ изготовления жидкого водорода, причем эти места указаны посредством ссылочных символов а-k на чертеже. В таб. 1 символ "G" обозначает газообразное состояние, а 5 символ "L" обозначает жидкое состояние.

[0031] Устройство HS для изготовления жидкого водорода согласно настоящему изобретению дополнительно оборудовано приспособлением для обработки испаряемого газа для повторного сжижения испаряемого газа, который генерируют в емкости для жидкого водорода (не показана) транспортного судна 16 для транспортировки жидкого водорода, пришвартованного в порту (порт погрузки) рядом с областью, в которой расположено устройство HS для изготовления жидкого водорода, и который подают на приспособление для обработки испаряемого газа с тем, чтобы изготовить жидкий водород. Во-первых, далее будут описаны основная конструкция и функциональное назначение приспособления для обработки испаряемого газа. Вкратце, в приспособлении для обработки испаряемого газа устройства HS для изготовления жидкого водорода согласно настоящему изобретению, испаряемый газ в состоянии низкой температуры подают в часть в канале 1 циркулирования водорода блока цикла охлаждения R, в котором протекает циркулирующий водород в состоянии низкой температуры. При этом, избыточный циркулирующий водород, получаемый в результате подачи испаряемого газа, выпускают из части в канале 1 циркулирования водорода, в котором протекает циркулирующий водород в состоянии обычной температуры. Затем, избыточный циркулирующий водород подают в часть в канале 11 для исходного водорода блока Ρ изготовления жидкого водорода, в котором протекает исходный водород в состоянии обычной температуры, и смешивают с исходным водородом. Таким образом, испаряемый газ повторно сжижают и повторно используют в качестве жидкого водорода.

[0032] Приспособление для обработки испаряемого газа содержит элемент подачи испаряемого газа и элемент D выпуска циркулирующего водорода. Элемент С подачи испаряемого газа подает испаряемый газ в состоянии очень низкой температуры, генерируемый в емкости для жидкого водорода транспортного судна 16 для транспортировки жидкого водорода, в канал 1 циркулирования водорода в месте внизу по потоку относительно турбодетандера 4 и выше по потоку относительно компрессора 2. Согласно приведенному далее подробному описанию, элемент С подачи испаряемого газа смещает место, через которое испаряемый газ подают в канал 1 циркулирования водорода, в зависимости от температуры испаряемого газа таким образом, что минимизирована разница между температурой циркулирующего водорода в месте, через которое подают испаряемый газ, и температурой испаряемого газа.

[0033] С другой стороны, элемент D выпуска циркулирующего водорода выпускает циркулирующий водород в состоянии обычной температуры, находящийся в канале 1 циркулирования водорода, в канал 11 для исходного водорода в месте выше по потоку относительно первого охлаждающего элемента 13 для охлаждения исходного водорода по отношению к направлению, вдоль которого протекает исходный водород. Таким образом, выпущенный циркулирующий водород смешивается с исходным водородом в состоянии обычной температуры. То есть, элемент D выпуска циркулирующего водорода выпускает избыточный циркулирующий водород, получаемый в результате подачи испаряемого газа в канал 11 для исходного водорода, через часть, расположенную между первым низкотемпературным теплообменным элементом 5 и компрессором 2 в канале 1 циркулирования водорода, или через часть, расположенную между охладителем 3 циркулирующего водорода и первым высокотемпературным теплообменным элементом 7 в канале 1 циркулирования водорода. Однако в варианте реализации, показанном на чертеже, избыточный циркулирующий водород выпускают в канал 11 для исходного водорода через часть, расположенную между охладителем 3 циркулирующего водорода и первым высокотемпературным теплообменным элементом 7 в канале 1 циркулирования водорода.

[0034] Далее будут описаны конкретная конструкция и функциональное назначение приспособления для обработки испаряемого газа. Элемент С подачи испаряемого газа имеет канал 17 для введения испаряемого газа, через который испаряемый газ в состоянии обычного давления (например, 0,1 МПа абсолютного давления) и очень низкой температуры, генерируемый в емкости для жидкого водорода транспортного судна 16 для транспортировки жидкого водорода, транспортируют по трубам на устройство HS для изготовления жидкого водорода. Периферия канала 17 для введения испаряемого газа изолирована для предотвращения увеличения температуры испаряемого газа вследствие тепла, введенного с внешней стороны, несмотря на то, что такой изолирующий материал не показан на чертеже. Кроме того, первый канал 19 для подачи испаряемого газа и второй канал 20 для подачи испаряемого газа соединены через переключающий клапан 18 с задним по ходу потока концом канала 17 для введения испаряемого газа по отношению к направлению, вдоль которого протекает испаряемый газ. Переключающий клапан 18 в альтернативном варианте соединяет канал 17 для введения испаряемого газа с первым каналом 19 для подачи испаряемого газа или вторым каналом 20 для подачи испаряемого газа или закрывает канал 17 для введения испаряемого газа.

[0035] Задний по ходу потока конец первого канала 19 для подачи испаряемого газа соединен с каналом 1 циркулирования водорода в месте, расположенном между первым низкотемпературным теплообменным элементом 5 и вторым низкотемпературным теплообменным элементом 6 по отношению к направлению, вдоль которого протекает испаряемый газ. При этом, задний по ходу потока конец второго канала 20 для подачи испаряемого газа соединен с каналом 1 циркулирования водорода в месте, расположенном между вторым низкотемпературным теплообменным элементом 6 и турбодетандером 4 по отношению к направлению, вдоль которого протекает испаряемый газ. Соответственно, в альтернативном варианте элемент С подачи испаряемого газа может подавать испаряемый газ, находящийся в канале 17 для введения испаряемого газа, в канал 1 циркулирования водорода в месте, расположенном между первым низкотемпературным теплообменным элементом 5 и вторым низкотемпературным теплообменным элементом 6, или в месте, расположенном между вторым низкотемпературным теплообменным элементом 6 и турбодетандером 4, путем изменения условия соединения каналов переключающего клапана 18.

[0036] Кроме того, канал 17 для введения испаряемого газа оборудован нагнетателем 21 (или компрессором) с очень низкой степенью сжатия для обеспечения протекания испаряемого газа далее по потоку, первым датчиком 22 расхода для регистрации расхода испаряемого газа, протекающего через канал 17 для введения испаряемого газа, и датчиком 23 температуры для регистрации температуры испаряемого газа, которые размещены в свою очередь по направлению к задней по ходу потока стороне в местах, расположенных спереди по ходу потока относительно переключающего клапана 18 по отношению к направлению, вдоль которого протекает испаряемый газ. Значения данных, регистрируемые первым датчиком 22 расхода, и значения данных, регистрируемые датчиком 23 температуры, передают на управляющее устройство 24, что подробно описано далее. Испаряемый газ, генерируемый в емкости для жидкого водорода транспортного судна 16 для транспортировки жидкого водорода, находится в состоянии обычного давления. При этом, циркулирующий водород в канале 1 циркулирования водорода также находится в состоянии обычного давления в месте, в котором в него подают испаряемый газ. Соответственно, нагнетатель 21 с очень низкой степенью сжатия может легко подавать испаряемый газ в канал 1 циркулирования водорода. Поскольку испаряемый газ слегка сжат в таком случае, то температура испаряемого газа слегка изменена снаружи. При этом, если давление испаряемого газа выше, чем давление циркулирующего водорода в месте, в котором в него подают испаряемый газ, то нагнетатель 21 может быть исключен.

[0037] С другой стороны, элемент D выпуска циркулирующего водорода имеет канал 26 выпуска циркулирующего водорода, который соединяет часть канала 1 циркулирования водорода с частью канала 11 для исходного водорода через переключающий клапан 25, причем часть канала 1 циркулирования водорода расположена между охладителем 3 циркулирующего водорода и первым высокотемпературным теплообменным элементом 7, а часть канала 11 для исходного водорода расположена выше по потоку первого охлаждающего элемента 13 для охлаждения исходного водорода по отношению к направлению, вдоль которого протекает исходный водород. Переключающий клапан 25 соединяет часть канала 1 циркулирования водорода, расположенную между охладителем 3 циркулирующего водорода и первым высокотемпературным теплообменным элементом 7, с каналом 26 выпуска циркулирующего водорода или обрывает соединение между каналом 1 циркулирования водорода и каналом 26 выпуска циркулирующего водорода.

[0038] Кроме того, канал 26 выпуска циркулирующего водорода оборудован компрессором 27 для обеспечения протекания выпущенного циркулирующего водорода далее по потоку, клапаном 28 управления расходом для управления расходом циркулирующего водорода, протекающего через канал 26 выпуска циркулирующего водорода, и вторым датчиком 29 расхода для регистрации расхода циркулирующего водорода, протекающего через канал 26 выпуска циркулирующего водорода. Эти элементы 27, 28 и 29 размещены в свою очередь по направлению к задней по ходу потока стороне по отношению к направлению, вдоль которого циркулирующий водород выпускают из канала 1 циркулирования водорода. Значения данных, регистрируемые вторым датчиком 29 расхода, передают на управляющее устройство 24. Каждый из циркулирующего водорода в канале 1 циркулирования водорода в месте, расположенном между охладителем 3 циркулирующего водорода и первым высокотемпературным теплообменным элементом 7, и исходного водорода в канале 11 для исходного водорода в месте выше по потоку относительно первого охлаждающего элемента 13 для охлаждения исходного водорода находится в состоянии высокого давления. Однако, поскольку давление вышеописанного циркулирующего водорода и давление вышеописанного исходного водорода практически идентичны друг другу, то компрессор 27 может просто выпустить циркулирующий водород в канал 11 для исходного водорода, даже если степень сжатия компрессора 27 является очень низкой. Поскольку циркулирующий водород в таком случае слегка сжат, то происходит небольшое изменение температуры циркулирующего водорода в большую сторону. При этом, если давление циркулирующего водорода в вышеуказанном месте выше, чем давление исходного водорода, то компрессор 27 может быть исключен.

[0039] Управляющее устройство 24, которое представляет собой универсальное управляющее устройство, содержащее компьютер для приспособления для обработки испаряемого газа, управляет переключающим клапаном 18, нагнетателем 21, переключающим клапаном 25, компрессором 27 и клапаном 28 управления расходом путем использования управляющей информации, содержащей расход испаряемого газа, регистрируемый первым датчиком 22 расхода, температуру испаряемого газа, регистрируемую датчиком 23 температуры, и расход циркулирующего водорода, регистрируемый вторым датчиком 29 расхода. Далее будут описаны более подробно управляющие процедуры приспособления для обработки испаряемого газа, которые выполняют посредством управляющего устройства 24.

[0040] После того, как транспортное судно 16 для транспортировки жидкого водорода, у которого емкость для жидкого водорода удерживает подходящее количество (например, меньший процент по объему по отношению к объему емкости для жидкого водорода судна) жидкого водорода для поддержания емкости для жидкого водорода в холодном состоянии, достигнуло порта погрузки, расположенн рядом с цистерной 15 для хранения жидкого водорода, и пришвартовалось в нем, жидкий водород, хранящийся в цистерне 15 для хранения жидкого водорода, подают в емкость для жидкого водорода транспортного судна 16 для транспортировки жидкого водорода (далее называют как "емкость судна"). При этом, обычно оценивают, что транспортное судно 16 для транспортировки жидкого водорода будет пришвартовано в течение короткого периода времени, составляющего один день или несколько дней. В таком случае, оценивают, что температура емкости судна, в частности температура в верхней части емкости судна, становилась выше, чем температура точки росы жидкого водорода, поскольку тепло, находящееся за пределами емкости судна, было передано в емкость судна, когда транспортное судно 16 для транспортировки жидкого водорода совершало перемещение или было пришвартовано.

[0041] Следовательно, подаваемый жидкий водород частично испаряется в результате разницы между температурой емкости судна и температурой подаваемого жидкого водорода таким образом, что в пределах короткого периода времени генерируют большое количество испаряемого газа. Обычно, температура испаряемого газа, генерируемого в емкости судна, может составлять 50-80 K, когда была начата подача жидкого водорода. Затем, когда коэффициент заполнения жидкого водорода в емкости судна становиться выше, емкость судна охлаждают посредством жидкого водорода. Таким образом, поскольку температура емкости судна поэтапно уменьшается, температура испаряемого газа уменьшается до 20-50 K, что является температурой, находящейся рядом с температурой, при которой водород может быть сжижен.

[0042] Таким образом, нагнетатель 21 приводят в действие посредством управляющего устройства 24 таким образом, что испаряемый газ в состоянии очень низкой температуры (например, 20-80 K), генерируемый в емкости судна, подают на устройство HS для изготовления жидкого водорода через канал 17 для введения испаряемого газа с одновременным поддержанием его температуры. В таком случае, если температура испаряемого газа, регистрируемая датчиком 23 температуры, находится относительно в высоком диапазоне, равном или превышающем 50 K, например в диапазоне от 50 K до 80 K, то управляющее устройство 24 управляет переключающим клапаном 18 таким образом, что канал 17 для введения испаряемого газа соединен с первым каналом 19 для подачи испаряемого газа. С другой стороны, если температура испаряемого газа, регистрируемая датчиком 23 температуры, находится в относительно низком диапазоне, меньшем 50 K, например в диапазоне от 20 K до 50 K (за исключением только точки в 50 K), то управляющее устройство 24 управляет переключающим клапаном 18 таким образом, что канал 17 для введения испаряемого газа соединен со вторым каналом 20 для подачи испаряемого газа. При этом, когда испаряемый газ не подан на устройство HS для изготовления жидкого водорода, управляющее устройство 24 выключает нагнетатель 21 и управляет переключающим клапаном 18 таким образом, что обеспечено закрытие канала 17 для введения испаряемого газа.

[0043] Другими словами, когда температура испаряемого газа является относительно высокой, например находится в диапазоне от 50 K до 80 K, то испаряемый газ смешивают с циркулирующим водородом, например в состоянии в 80 K, в канале 1 циркулирования водорода в месте, расположенном между первым низкотемпературным теплообменным элементом 5 и вторым низкотемпературным теплообменным элементом 6. С другой стороны, когда температура испаряемого газа является относительно низкой, например находится в диапазоне от 20 K до 50 K (за исключением только точки в 50 K), испаряемый газ смешивают с циркулирующим водородом, например в состоянии в 20 K, в канале 1 циркулирования водорода в месте, расположенном между вторым низкотемпературным теплообменным элементом 6 и турбодетандером 4. Таким образом, часть канала 1 циркулирования водорода, в которую подают испаряемый газ, смещают в зависимости от температуры испаряемого газа таким образом, что минимизирована разница между температурой циркулирующего водорода в месте, в которое подают испаряемый газ, и температурой испаряемого газа. Следовательно, испаряемый газ особо не влияет на распределение температуры циркулирующего водорода в канале 1 циркулирования водорода. Поскольку испаряемый газ подают в канал 1 циркулирования водорода в состоянии очень низкой температуры, которое похоже на состояние, в котором испаряемый газ был сгенерирован в емкости судна согласно приведенному выше описанию, то отсутствует расход тепла холода испаряемого газа.

[0044] Если испаряемый газ подают в канал 1 циркулирования водорода в состоянии очень низкой температуры, которое похоже на состояние, в котором испаряемый газ был сгенерирован в емкости судна, то энергоэффективность устройства HS для изготовления жидкого водорода улучшается в значительной степени по сравнению со случаем, в котором испаряемый газ сначала нагревают до обычной температуры (300 K), а затем подают в канал 11 для исходного водорода. Если расход и температура испаряемого газа составляют соответственно, например, 0,53 кг/с и 20 K, то возможно уменьшение энергии приблизительно на 2,1 МВТ, как показано посредством приведенного далее выражения, поскольку теплоемкость водорода составляет 14,4 кДж/(кг·K). Таким образом, если предполагают, что энергопотребление устройства HS для изготовления жидкого водорода составляет 20,0 МВТ, то ожидают, что увеличение энергоэффективности составит приблизительно 10,5%.

14,4[кДж/(кг·K)]×0,53[кг/с]×280[K]=2130[кДж/с]=2,1[МВТ]

[0045] Если количество теплообменников больше двух, то количество каналов для подачи испаряемого газа может быть увеличено в зависимости от количества теплообменников, а переключающий клапан может быть выполнен в альтернативном варианте с возможностью соединения канала 17 для введения испаряемого газа с каждым из каналов для подачи испаряемого газа. Таким образом, управляющее устройство 24 может управлять этим переключающим клапаном в зависимости от температуры испаряемого газа таким образом, что минимизирована разница между температурой циркулирующего водорода в месте, через которое подают испаряемый газ, и температурой испаряемого газа.

[0046] Например, в таком случае количество теплообменников составляет N (N13), а именно количество низкотемпературных теплообменных элементов составляет Ν, причем Ν-количество каналов для подачи испаряемого газа в целом соединены с соответствующими частями в канале 1 циркулирования водорода, причем указанные части расположены между соответствующими смежными низкотемпературными теплообменными элементами или между самым верхним по потоку низкотемпературным теплообменным элементом и турбодетандером 4. В данном случае, в альтернативном варианте переключающий клапан может выбирать один из Ν-количества каналов для подачи испаряемого газа. Однако в случае, в котором количество теплообменников составляет N (N3), количество каналов для подачи испаряемого газа может быть меньше чем Ν, если только указанное количество не меньше чем 2.

[0047] Когда испаряемый газ подают в канал 1 циркулирования водорода согласно приведенному выше описанию, количество циркулирующего водорода в канале 1 циркулирования водорода чрезмерно увеличивается в зависимости от количества поданного испаряемого газа таким образом, что канал 1 циркулирования водорода удерживает избыточный циркулирующий водород. Таким образом, когда испаряемый газ подают в канал 1 циркулирования водорода, управляющее устройство 24 приводит в действие компрессор 27 с одновременным управлением переключающим клапаном 25 таким образом, что канал 1 циркулирования водорода между охладителем 3 циркулирующего водорода и первым высокотемпературным теплообменным элементом 7 соединен с каналом 26 выпуска циркулирующего водорода.

[0048] Кроме того, управляющее устройство 24 управляет клапаном 28 управления расходом таким образом, что расход циркулирующего водорода, регистрируемый вторым датчиком 29 расхода, совпадает с расходом испаряемого газа, регистрируемым первым датчиком 22 расхода. В данном случае, например, управляющее устройство 24 изменяет степень открытия клапана 28 управления расходом. Следовательно, циркулирующий водород, количество которого идентично количеству испаряемого газа, подаваемого в канал 1 циркулирования водорода, выпускают из канала 1 циркулирования водорода в канал 11 для исходного водорода и затем смешивают с исходным водородом. Соответственно, количество циркулирующего водорода в канале 1 циркулирования водорода поддерживают на надлежащем уровне. Если испаряемый газ не подан из емкости судна в канал 1 циркулирования водорода, то управляющее устройство 24 выключает компрессор 27 с одновременным управлением переключающим клапаном 25 таким образом, что канал 1 циркулирования водорода отсоединен от канала 26 выпуска циркулирующего водорода.

[0049] Поскольку циркулирующий водород, выпущенный из канала 1 циркулирования водорода в канал 11 для исходного водорода через канал 26 выпуска циркулирующего водорода, находится в состоянии обычной температуры, то выпущенный циркулирующий водород не уменьшает температуру исходного водорода, протекающего через канал 11 для исходного водорода. Соответственно, когда циркулирующий водород смешан с исходным водородом в канале 11 для исходного водорода, не происходит возникновение какой-либо неполадки в устройстве HS для изготовления жидкого водорода или блоке Ρ изготовления жидкого водорода, который выполнен с тем предположением, что водород в качестве исходного материала подают при обычной температуре.

[0050] Таким образом, устройство HS для изготовления жидкого водорода согласно варианту реализации настоящего изобретения обеспечивает преимущество, которое состоит в том, что испаряемый газ в состоянии очень низкой температуры подают на устройство HS для изготовления жидкого водорода без возникновения какой-либо неполадки в любом элементе устройства HS для изготовления жидкого водорода с тем, чтобы изготовить жидкий водород, количество которого соответствует количеству поданного испаряемого газа. Другими словами, большое количество испаряемого газа в состоянии очень низкой температуры, сгенерированного в емкости судна за короткий период времени, повторно сжижают для того, чтобы он стал жидким водородом для его повторного использования без потери энергии холода испаряемого газа и с эффективным применением энергии холода.

[0051] Согласно приведенному выше описанию, согласно варианту реализации, показанному на чертеже, избыточный циркулирующий водород, получаемый из испаряемого газа, подаваемого в канал 1 циркулирования водорода, выпускают из канала 1 циркулирования водорода между охладителем 3 циркулирующего водорода и первым высокотемпературным теплообменным элементом 7 в канал 11 для исходного водорода выше по потоку относительно первого охлаждающего элемента 13 для охлаждения исходного водорода по отношению к направлению, вдоль которого протекает исходный водород. При этом, циркулирующий водород в канале 1 циркулирования водорода в месте, расположенном между первым низкотемпературным теплообменным элементом 5 и компрессором 2, находится в состоянии обычной температуры. Соответственно, возможно обеспечить наличие альтернативного канала выпуска циркулирующего водорода, который соединяет вышеуказанную часть канала 1 циркулирования водорода с частью канала 11 для исходного водорода выше по потоку относительно первого охлаждающего элемента 13 для охлаждения исходного водорода по отношению к направлению, вдоль которого протекает исходный водород, и для выпуска избыточного циркулирующего водорода в канал 11 для исходного водорода через альтернативный канал выпуска циркулирующего водорода.

[0052] В данном случае циркулирующий водород в канале 1 циркулирования водорода между первым низкотемпературным теплообменным элементом 5 и компрессором 2 находится в состоянии обычного давления, а исходный водород в канале 11 для исходного водорода находится в состоянии высокого давления. Соответственно, необходимо обеспечить наличие компрессора и охладителя в альтернативном канале выпуска циркулирующего водорода, причем компрессор выполнен с возможностью сжатия циркулирующего водорода в состоянии обычного давления для того, чтобы достигнуть состояния высокого давления, схожего с давлением исходного водорода, а охладитель выполнен с возможностью охлаждения циркулирующего водорода, температура которого была увеличена до высокой температуры (например, 780 K) вследствие адиабатического сжатия циркулирующего водорода посредством компрессора. В данном случае также необходимо обеспечить наличие переключающего клапана, клапана управления расходом и датчика расхода так же, как и в случае с устройством HS для изготовления жидкого водорода, показанным на чертеже.

Промышленная применимость

[0053] Согласно приведенному выше описанию, устройство для изготовления жидкого водорода согласно настоящему изобретению применимо для устройства изготовления жидкого водорода с использованием водорода, изготовленного из низкокачественного угля, такого как бурый уголь или т.п., в качестве основного исходного материала. В частности, устройство согласно настоящему изобретению подходит для повторного сжижения испаряемого газа, генерируемого тогда, когда емкость для жидкого водорода транспортного судна для транспортировки жидкого водорода заполнена жидким водородом в случае, в котором жидкий водород транспортируют в обозначенные регионы посредством транспортного судна для транспортировки жидкого водорода.

Пояснение ссылочных номеров

[0054] HS Устройство для изготовления жидкого водорода, R Блок цикла охлаждения, Ρ Блок изготовления жидкого водорода, Е1 Первый теплообменник, Е2 Второй теплообменник, С Элемент для подачи испаряемого газа, D Элемент выпуска циркулирующего водорода, 1 Канал циркулирования водорода, 2 Компрессор, 3 Охладитель циркулирующего водорода, 4 Турбодетандер, 5 Первый низкотемпературный теплообменный элемент, 6 Второй низкотемпературный теплообменный элемент, 7 Первый высокотемпературный теплообменный элемент, 8 Второй высокотемпературный теплообменный элемент, 10 Источник подачи исходного водорода, 11 Канал для исходного водорода, 12 Клапан Джоуля-Томсона, 13 Первый охлаждающий элемент для охлаждения исходного водорода, 14 Второй охлаждающий элемент для охлаждения исходного водорода, 15 Цистерна для хранения жидкого водорода, 16 Транспортное судно для транспортировки жидкого водорода, 17 Канал для введения испаряемого газа, 18 Переключающий клапан, 19 Первый канал для подачи испаряемого газа, 20 Второй канал для подачи испаряемого газа, 21 Blower, 22 Первый датчик расхода, 23 Датчик температуры, 24 Управляющее устройство, 25 Переключающий клапан, 26 Канал выпуска циркулирующего водорода, 27 Компрессор, 28 Клапан управления расходом, 29 Второй датчик расхода.

Изобретение относится к технологии сжижения водорода. Устройство для изготовления жидкого водорода снабжено блоком (R) цикла охлаждения, в котором циркулирующий водород выполняет функцию охлаждающего вещества, и блоком (Р) генерирования жидкого водорода для генерирования жидкого водорода путем охлаждения водорода исходного материала под высоким давлением посредством блока (R) цикла охлаждения и путем адиабатического расширения водорода исходного материала посредством клапана (12) Джоуля-Томсона. Первый и второй теплообменники (E1, Е2) размещены вдоль блока (R) цикла охлаждения и блока (Р) генерирования жидкого водорода. Устройство (HS) для изготовления жидкого водорода снабжено приспособлением обработки испаряемого газа для генерирования жидкого водорода путем повторного сжижения испаряемого газа, генерируемого в цистерне для хранения жидкого водорода, в емкость (16) для транспортировки жидкого водорода. Испаряемый газ вводят в тракт (1) циркуляции водорода в части, в которой протекает циркулирующий водород, имеющий сверхнизкую температуру, а избыточный циркулирующий водород, генерируемый из указанного вводимого испаряемого газа, выпускают в тракт (11) для водорода исходного материала из части, в которой циркулирующий водород находится при комнатной температуре.

Использование изобретения позволяет эффективно применять и повторно сжимать испаряемый из резервуара газ без потери энергии холода для восстановления жидкого водорода. 6 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 табл.

1. Устройство для изготовления жидкого водорода, содержащее:
блок цикла охлаждения, выполненный с возможностью протекания в нем циркулирующего водорода в качестве охлаждающего вещества,
блок изготовления жидкого водорода для изготовления жидкого водорода из газообразного водорода,
блок подачи испаряемого газа для подачи испаряемого газа, генерируемого в резервуаре для жидкого водорода, в блок цикла охлаждения через предварительно определенную впускную часть в блоке цикла охлаждения, и
блок выпуска циркулирующего водорода для выпуска избыточного количества циркулирующего водорода, получаемого из испаряемого газа, подаваемого в блок цикла охлаждения посредством блока подачи испаряемого газа, в блок изготовления жидкого водорода через предварительно определенную выпускную часть в блоке цикла охлаждения.

2. Устройство по п. 1, в котором блок цикла охлаждения содержит: компрессор, выполненный с возможностью сжатия циркулирующего водорода,
расширитель, выполненный с возможностью расширения циркулирующего водорода, и
по меньшей мере один теплообменник, размещенный между компрессором и расширителем, причем теплообменник содержит низкотемпературный теплообменный элемент, расположенный с передней по ходу потока стороны компрессора, и высокотемпературный теплообменный элемент, расположенный с задней по ходу потока стороны компрессора,
причем блок изготовления жидкого водорода содержит:
канал для исходного водорода, выполненный с возможностью протекания в нем газообразного водорода, подаваемого из источника исходного водорода,
расширительный клапан, выполненный с возможностью расширения газообразного водорода для изготовления жидкого водорода и размещенный с задней по ходу потока стороны канала для исходного водорода, и
по меньшей мере один охладитель газообразного водорода, выполненный с возможностью охлаждения газообразного водорода посредством теплообмена с указанным по меньшей мере одним теплообменником блока цикла охлаждения,
при этом впускная часть в блоке цикла охлаждения размещена в месте, расположенном ниже по потоку относительно расширителя и выше по потоку относительно компрессора,
а выпускная часть в блоке цикла охлаждения размещена в месте, расположенном между первым низкотемпературным теплообменным элементом в направлении навстречу потоку от компрессора и первым высокотемпературным теплообменным элементом в направлении по потоку от компрессора.

3. Устройство по п. 1 или 2, в котором впускная часть в блоке цикла охлаждения образована из множества впускных элементов, размещенных в зависимости от разниц между температурой циркулирующего водорода в блоке цикла охлаждения и температурой испаряемого газа, генерируемого в резервуаре для жидкого водорода.

4. Устройство по п. 1, в котором выпускная часть в блоке цикла охлаждения размещена между компрессором и первым высокотемпературным теплообменным элементом в направлении по потоку от компрессора.

5. Устройство по п. 1, в котором расширитель представляет собой турбодетандер.

6. Устройство по п. 1, в котором расширительный клапан представляет собой клапан Джоуля-Томсона.

7. Устройство по п. 1, в котором резервуар для жидкого водорода представляет собой емкость для жидкого водорода транспортного судна для транспортировки жидкого водорода.