[发明专利]低温工况下填料式板翅式换热器多温区测试装置及方法

说明书

本发明属于一种换热器多温区测试装置及方法，为解决目前连续正仲氢催化转化的一体化技术，缺乏实验数据和理论分析，且测试装置均在绝热或等温工况下运行的技术问题，提供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，氢气从氢气源中流出，经过液氮预冷器进行第一步预冷，然后分成两股流体，分流后的热侧工质通过GM制冷机进一步预冷，然后进入填料式板翅式换热器的中间层翅片通道内；分流后的冷侧工质，经过负压液氮预冷器进行第二步预冷，然后再通过GM制冷机进一步预冷，进入填料式板翅式换热器的两侧翅片通道。通过调整预冷方式和预冷程度，即可实现液氢到液氮温区内正仲转化催化剂的填料式板翅式换热器的多温区运行测试实验。

技术领域

本发明属于一种换热器多温区测试装置及方法，具体涉及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。

背景技术

氢气包含正氢和仲氢两种状态，常温下，平衡氢气中的正氢与仲氢比例接近3:1，而液化温度下平衡氢气中的仲氢比例超过99％。氢的正仲转化反应会释放额外的热量，在液化条件下该部分热量甚至大于液氢的汽化潜热。因此，氢的正仲转化反应是氢气相对于其他低温工质在液化工艺中需要特殊考虑的问题。

自然条件下，氢的正仲转化反应十分缓慢，氢液化工艺中需要设置单独的正仲氢催化转化器来加快氢的正仲转化反应。根据转化方式不同，正仲氢催化转化器可以分为绝热正仲氢催化转化器、等温正仲氢催化转化器和连续正仲氢催化转化器。目前运行的氢液化装置中，大部分采用绝热正仲氢催化转化器或等温正仲氢催化转化器，这两种转化器的转化方式，一方面增加了氢液化工艺的设备数量，另一方面对高品质冷能造成了极大的浪费。

基于强换热与强反应耦合的理论，许多新型氢液化流程中采用了一种连续正仲氢催化转化的一体化技术，该技术的实质为低温换热器与正仲转化器相结合，将正仲转化催化剂填充到低温换热器流道中，使低温氢气在传热降温的过程中发生连续的正仲催化转化反应。该一体化技术的核心设备为正仲转化催化剂填料式低温换热器，其运行温区一般为液氢到液氮温区(30-80K)。但是，对于该一体化技术，仍处于研究起步阶段，缺乏实验数据和理论分析，限制了该一体化技术在大规模氢液化装置中的应用。另外，目前关于正仲氢催化转化技术的相关实验均集中于正仲转化催化剂的性能测试，其测试装置均在绝热或等温工况下运行，与该一体化技术的正仲转化催化剂填料式低温换热器运行工况相差较大。

发明内容

本发明为解决目前现有正仲氢催化转化技术的相关实验测试装置与连续正仲氢催化转化的一体化装置实际运行工况相差较大，以及连续正仲氢催化转化的一体化技术缺乏实验数据和理论分析的技术问题，提供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。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种低温工况下填料式板翅式换热器多温区测试装置，其特殊之处在于，包括氢气源、液氮预冷器、负压液氮预冷器、GM制冷机、填料式板翅式换热器和热导分析装置；

所述氢气源的出口与液氮预冷器的入口相连，液氮预冷器的出口分别连通负压液氮预冷器的入口、GM制冷机的一个入口和GM制冷机的一个出口；

所述负压液氮预冷器的出口分别连通GM制冷机的另一个入口和GM制冷机的另一个出口；

所述填料式板翅式换热器为三层翅片结构，设置在绝热装置内，填料式板翅式换热器中间层翅片通道的填料为正仲转化催化剂；所述GM制冷机的一个出口与填料式板翅式换热器的中间层翅片通道内部连通，使GM制冷机一个出口的流体作为填料式板翅式换热器热侧工质，另一个出口与填料式板翅式换热器的两侧翅片通道内部连通，使GM制冷机另一个出口的流体作为填料式板翅式换热器冷侧工质；

所述热导分析装置分别连接填料式板翅式换热器的热侧入口与热侧出口。

进一步地，所述液氮预冷器为绕管式换热器结构，液氮预冷器中的冷却工质为常压饱和液氮；