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CN111197695A - 用于控制非石油燃料的温度的流体旁路方法与系统 - Google Patents

用于控制非石油燃料的温度的流体旁路方法与系统 Download PDF

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CN111197695A
CN111197695A CN201911129657.7A CN201911129657A CN111197695A CN 111197695 A CN111197695 A CN 111197695A CN 201911129657 A CN201911129657 A CN 201911129657A CN 111197695 A CN111197695 A CN 111197695A
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CN
China
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stream
bypass
heat exchanger
vaporizer
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CN201911129657.7A
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李先明
爱德华·永
杰夫·皮克斯
苏林德·辛格
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China Energy Investment Corp Ltd
National Institute of Clean and Low Carbon Energy
Original Assignee
China Energy Investment Corp Ltd
National Institute of Clean and Low Carbon Energy
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Abstract

本申请涉及一种用于控制非石油燃料的温度的流体旁路方法和系统。所述流体旁路方法包括：将燃料在足以实现期望的流速的压力下提供至车辆，所述燃料处于液态或基本上超临界的热力学状态，需要在汽化器中进一步加热；和将具有部分汽化或没有汽化的旁路流作为所述热交换器的冷侧上的冷流体分流至热交换器。所述方法还包括：将所述燃料流的剩余部分提供至所述汽化器；将从所述汽化器流出的所述剩余部分流与从所述热交换器的冷侧流出的所述冷流体混合以形成混合燃料流；和将所述混合燃料流作为所述热交换器的暖侧的暖流体提供至所述热交换器。

Description

用于控制非石油燃料的温度的流体旁路方法与系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2018年11月16日提交的标题为“用于控制非石油燃料的温度的流体旁路方法和系统”的美国临时申请号62/768,151、和2019年8月6日提交的标题为“用于控制非石油燃料的温度的流体旁路方法和系统”的美国申请号16/532,682的权益，其通过引用结合在本申请中。
技术领域
本公开涉及一种加压气体或燃料分配系统，更具体地，涉及一种包括用于控制非石油燃料、例如氢或天然气的温度的旁路方法与系统的加压气体或液体分注系统。
背景技术
在现有技术中，提供了具有用于存储液氢作为燃料的储罐的加氢站(HRS，hydrogen refueling station)。该储罐通常使用电动制冷系统和蓄热式热交换器(HX，heat exchanger)相结合以使蓄热器的温度每天24小时都维持在-40℃以下，以便在车辆需要再次加注时，燃料在适当的温度下准备好。然而，由于用于冷却燃料的蓄热器和热交换器系统中的热能的有限可用性，这种蓄热器和热交换器(HX)系统在将要背对背加注的车辆数量上受到限制，并且为了背对背地加注车辆，必须调整到较窄的环境温度、车辆类型和油箱容量范围内。例如，蓄热热交换器(HXs)是具有高压氢管线的物理上大的铝制块，其中制冷管线和冷氢管线被铸入铝中。这些“冷块”储存了在车辆加满时可用的低温。甚至当不断地利用制冷将冷块维持在-40℃或更低时，也不可能将所有系统管道都维持在期望的目标温度，因此，在喷嘴温度达到期望的目标温度之前，需要时间来冷却管道网络。
也就是说，在现有技术中的方法中，该方法与系统响应缓慢，需要30秒来达到期望的温度目标，并且通常具有较宽的维持冷块的温度范围，例如，-20℃至-39℃，该温度范围由于天气、一年的时间和背对背加满的数量而变化。结果是，由于温度波动，客户通常得到少于满罐的燃料，因此，售出的氢更少，并且对燃料电池车辆提供较短的行程。
此外，温度控制不良也是加氢站运行和维护成本升高的重要原因。当系统无法维持正确的温度范围时，技术团队必须到加氢站并基于数据调整热力系统，且使用测试罐来验证调整是否提高了性能。通常，这个过程可能需要数天，并可能导致加氢站在此过程中关闭，这将造成停工和损失。
为了克服一些这样的不足，现有技术使用各种用于控制燃料温度的系统与方法。例如，美国专利6,619,336B2公开了一种用于在气体进入接收罐之前冷却离开加压气源的气体的制冷系统。制冷系统可以使用机械制冷循环，例如，使用压缩和再循环的氢氟烃的制冷系统。可选地，制冷系统可以包括液氢源和冷藏设备，其中冷藏设备由来自液氢源的液氢冷却。制冷系统还包括热交换器，该热交换器适用于在气体流动至接收罐之前接收和冷却离开加压气源的气体。冷藏设备也可以使用可冷凝制冷剂来存储热能，直到在加注接收罐需要冷却时为止，其中制冷剂也可以是氢氟烃或使用压缩气体，如氩气或氮气。制冷系统可以包括至少部分地围绕加压气源的冷藏容器。然而，美国专利6,619,336B2中所述的用于冷却氢的方法存在以下几个问题：
(1)固定热存储系统只适用于固定数量的背对背(B2B)车辆，那么在制冷系统再次冷却系统之前，固定热存储系统都不再能继续加注车辆，其中大多数热存储系统可以背对背加注4-6辆车。
(2)对于车辆的连续背对背加注，制冷系统的冷却能力不够强大，例如低于所需的用于车辆的连续背对背加注的冷却能力，因此该制冷系统不能够连续地加注车辆。
(3)制冷需要每天24小时，每周7天的电力使用，以将蓄热器维持在-40℃以下，因此制冷成本高昂。
(4)蓄热热交换器HX表面积是固定的，因此，蓄热器是固定的，并且与负载相比制冷能力相对较小，因此需要基于环境条件和诸如管道长度的其他具体变化来调整制冷设定值，这导致长的调试时间，高的人工成本，以及个性化的HRS软件/硬件配置。
(5)蓄热器被调整至小范围的车辆油箱尺寸，并且对于较小或较大的油箱范围不灵活。例如，设计用于加注轻型车辆的温度控制单元(TCU，temperature control unit)与加注公共汽车的不兼容，反之亦然，因为所需的燃料量不同，具有不同冷却要求。
(6)温度控制单元的占地面积很大，且必须安装在与分配器相邻的坑里，由于TCU占地面积限制了分配器的数量和接近程度，因此加氢站使用的土地通常是非常宝贵的。
总之，现有技术的温度控制单元创造了车辆专用分配器，其限制了氢燃料的商业化和规模化应用。
发明内容
本公开通过对现有技术方法和系统提供若干方面的改进，来解决现有技术的不足。
在一个实施方案中，一种用于控制非石油燃料的温度的流体旁路方法，其包括：将燃料在足以实现期望的流速的压力下提供至车辆，所述燃料处于液态或基本上超临界的热力学状态，需要在汽化器中进一步加热；将具有部分汽化或没有汽化的旁路流分流形成较冷流；将所述燃料流的剩余部分提供至所述汽化器；将从所述汽化器流出的所述剩余部分流与所述较冷流混合以形成混合燃料流；提供所述混合燃料流用来为给车辆提供燃料。
在另一实施方案中，一种用于控制非石油燃料的温度的流体旁路方法，其包括：将燃料在足以实现期望的流速的压力下提供至车辆，所述燃料处于液态或基本上超临界的热力学状态，需要在汽化器中进一步加热；将具有部分汽化或没有汽化的旁路流分流至热交换器作为所述热交换器的冷侧上的冷流体；将所述燃料流的剩余部分提供至所述汽化器；将从所述汽化器流出的所述剩余部分流与从所述热交换器的冷侧流出的所述较冷流混合以形成混合燃料流；将所述混合燃料流提供至所述热交换器作为所述热交换器的暖侧的暖流体；其中从所述热交换器流出的冷流体是所述旁路流，所述冷流体现在是所述热交换器暖侧上的所述混合燃料流的一部分。
然而在另一实施方案中，提供了一种用于控制非石油燃料温度的系统，所述系统包括：泵，其配置为将燃料在足以实现期望的流速的压力下提供至车辆，其中，所述燃料处于液态或基本上超临界的热力学状态，需要在汽化器中进一步加热；旁路管线，其配置为通过旁路管线将具有部分汽化或没有汽化旁路流分流至热交换器作为所述热交换器的冷侧上的冷流体，其中，将从所述汽化器流出的所述剩余部分流与从所述热交换器的冷侧流出的所述冷流混合以形成混合燃料流；热交换器，其配置为接收冷侧上的冷流体并接收所述混合燃料流，所述混合燃料流作为暖流体提供至热交换器，在暖侧交换热量，其中从热交换器流出的所述冷流体是旁路流，所述冷流体现在是所述热交换器暖侧上的所述混合燃料流的一部分。
附图说明
本文中的附图用于提供对本公开的进一步理解，并构成说明书的一部分。附图与以下实施方案一起用于解释本公开，但不构成对本公开的限制。在附图中：
图1A为第一实施方案中的温度控制系统的原理图；
图1B为第一实施方案中提供的用于控制非石油燃料温度的流体旁路方法的流程图；
图2为第二实施方案中提供的用于控制非石油燃料温度的流体旁路方法的流程图；
图3为实施方案提供的流程模型仿真结果；
图4为第三实施方案提供的用于控制非石油燃料温度的系统的示意图；
图5为第四实施方案提供的用于控制非石油燃料温度的系统的示意图；和
图6为第五实施方案提供的用于控制非石油燃料温度的系统的示意图。
在各个附图中，相似的元件提供有相似的附图标记。应注意的是，附图不一定按大小或比例绘制，而是绘制以提供对其组件的更好理解，并且不旨在限制范围，而是提供示例性说明。
具体实施方式
如图1A所示，在一实施方案中，旁路管线和旁路控制阀围绕汽化器设置，以将燃料流的温度调整至加注的车辆类型所需的准确温度，该车辆类型可在启动程序期间通过分配器检测。系统可以自动调节分配的燃料温度并在整个燃料补给循环中维持理想温度，燃料循环至少包括启动程序，最小燃料补给程序，终止程序，泄漏检查程序等。
具体地，图1A示出了汽化器10的使用，其中旁路流12从汽化器10的上游分流至汽化器10的下游的点，其中旁路流12与汽化器出口流直接混合，例如通过混合器13。旁路流12的数量由控制器14控制，该控制器14控制阀15、16，使得达到期望的温度、压力和流速，例如，在-20℃至-40℃的范围内和20MPa至100MPa的范围内。一旦达到期望的温度，燃料流可以通过喷嘴分配至车辆。
图1B示出用于控制非石油燃料温度的方法的流程图，该方法包括下列步骤1-5(S1-S5)中的一个或多个，如下所述：
步骤1(S1)：燃料在足以实现期望流速的压力下提供到车辆，例如，足以将燃料供应到车辆的压力。燃料处于液态或基本上超临界的热力学状态，需要通过通常称为汽化的过程在汽化器中进一步加热。
步骤2(S2)：燃料的第一部分作为围绕汽化器的旁路流在旁路管线中分流。
当非石油燃料为液氢时，在一些实施方案中，燃料的第一部分的比例在5％至95％的范围内，如5％，15％，25％，35％，45％，55％，65％，75％，85％，95％，优选地，在10％至70％的范围内，如10％，20％，30％，40％50％，60％，70％；并且最优选地，在15％至40％的范围内，如15％，20％，25％，26％，27％，29％，30％，40％。
步骤3(S3)：燃料的剩余部分作为燃料的第二部分提供至汽化器，其中，蒸汽、电力、气体、环境空气或其他热源用于加热和汽化燃料第二部分。
在一些实施方案中，在流过汽化器之后，燃料第二部分的温度升高，而压力基本不变。汽化的燃料第二部分的优选温度在环境温度的10-20℃范围内，例如-20℃至20℃。
在其他实施方案中，在旁路管线中分流的燃料第一部分可以是具有部分汽化或没有汽化的非石油燃料的混合物，以帮助调节旁路流的温度。例如，如果旁路流完全取自于汽化器上游，那么旁路流没有被汽化。然而，为了升高旁路流的温度，第一部分可以包括在汽化器中至少部分汽化的非石油燃料，例如，如下面进一步讨论的，取自于汽化器的中间点处。
步骤4(S4)：来自汽化器的燃料的第二部分与旁路流混合形成混合燃料流，例如，来自汽化器的燃料的第二部分与来自旁路管线的燃料第一部分混合。
当非石油燃料为、例如，液氢时，混合燃料流的温度在-15℃至20℃的范围内，如-15℃，-10℃，-5℃，0℃，5℃，10℃，15℃，20℃，优选地，在-5℃至10℃的范围内，如-5℃，-2℃，0℃，2℃，7℃，10℃，并且最优选地，在-3℃至5℃的范围内，如-3℃，-1℃，0℃,1℃，2℃，3℃，4℃，5℃。
步骤5(S5)：然后将混合燃料流通过分配系统提供至车辆进行加注。
当在目标压力和温度下车辆的加注接近完成目标密度时，在完成加注之前，允许旁路管线中的燃料与分配系统的期望值相等。在加注结束时进行适当的操作，以使软管减压并将其从车辆上断开，以最小化排气。例如，管线中的燃料的任何剩余部分都返回到存储系统或用适当的例如氮气、氩气等的惰性气体进行冲洗。
图2示出了一些实施方案提供的用于控制非石油燃料、例如液氢或液化天然气的温度的方法的另一实施方案的流程图，该实施方案不仅可以达到期望温度，还可以达到混合燃料流的温度，该温度对流量计、控制器和分配器内的其他组件有害，其中这些部件的温度波动是这些组件的许多早期故障的根本原因之一。例如，当燃料站(fueling station)长时间不活动时，在引入可以造成加速故障和管道泄漏的如此的低温燃料时，这些组件升温并经历热循环。最初，该方法包括检测车辆的类型以通过补燃料站(refueling station)的分配器补充燃料，例如无线射频识别(RFID)、无线、红外传感器(IR sensor)、二维码(QRCode)、扫描仪、I/O模块等，或由车辆的驾驶员在键盘等中输入，以便确定接收非石油燃料所需的温度和压力。
例如，进入车辆的期望的分配燃料温度(例如燃料温度设定值)在-50℃至30℃的范围内，如-50℃，-30℃，-15℃，0℃，10℃，20℃，30℃，优选地，在-40℃至0℃的范围内，如-40℃，-20℃，-5℃，0℃，并且最优选地，进入车辆的期望的分配燃料温度在-40℃至-20℃的范围内，如-40℃，-35℃，-30℃，-25℃，-20℃，当然这取决于非石油燃料和车辆的类型。
期望的车辆压力在20MPa至100MPa的范围内，如20MPa，40MPa，60MPa，80MPa，100MPa，并且优选地在35MPa至70MPa的范围内，如35MPa，45MPa，55MPa，65MPa，70MPa。
然后，用于控制非石油燃料温度的方法包括步骤10-50(S10-S50)的一个或多个，如下所述：
步骤10(S10)：燃料在足以实现期望的流速的压力下提供至车辆，例如，以足以将燃料供应至车辆的压力。燃料处于液态或基本上超临界的热力学状态，需要通过通常被称为汽化的过程在汽化器中进一步加热。
步骤20(S20)：燃料的第一部分作为旁路流在围绕汽化器的旁路管线中分流至热交换器下游，并且提供为热交换器的冷侧的冷流体。
当非石油燃料为液氢时，在一些实施方案中，燃料的第一部分的比例在5％至95％的范围内，如5％，15％，25％，35％，45％，55％，65％，75％，85％，95％，优选地，在10％至70％的范围内，如10％，20％，30％，40％50％，60％，70％；并且最优选地，在15％至40％的范围内，如15％，20％，25％，26％，27％，29％，30％，40％。
步骤30(S30)：燃料的剩余部分作为燃料的第二部分提供至汽化器，其中，蒸汽、电力、气体、环境空气或其他热源用于加热和汽化燃料第二部分。
在一些实施方案中，在流经汽化器之后，燃料第二部分的温度升高，而其压力基本上不变。汽化的燃料第二部分的优选温度在环境温度的10-20℃范围内，例如-20℃至20℃。
在其他实施方案中，例如，在启动程序期间，允许较大量的旁路流绕过汽化器，并流经热交换器，然后与来自汽化器的热燃料混合，以形成用于分配流的混合燃料流。然后，离开汽化器的燃料、例如氢能够被迅速地冷却，以满足温度设定值。
在一些实施例中，例如在加注程序的后一部分中，当系统的管道冷却时，需要较小量的旁路流来维持燃料温度设定值，并且随着燃料的流体性质的变化，热交换器的传热性能将发生变化，这将需要控制旁路流的流量，以维持燃料分配温度设定值。可以理解的是，旁路流的量基于温度设定值、环境温度和/或管道的温度等来确定。
然而在另一实施方案中，在旁路管线中分流的燃料的第一部分可以是具有部分汽化或没有汽化的非石油燃料的混合物，以帮助调节旁路流的温度。例如，如果旁路流完全取自于汽化器上游，那么旁路流没有被汽化。然而，为了升高旁路流的温度，第一部分可以包括在汽化器中至少部分汽化的非石油燃料，例如，如下面进一步讨论的，取自于汽化器的中间点处。
步骤40(S40)：来自汽化器的燃料的第二部分与来自热交换器冷侧的旁路流混合以形成混合燃料流，例如，来自汽化器的燃料的第二部分与来自热交换器的燃料的第一部分混合。
在一些实施方案中，从热交换器冷侧流出的旁路流的温度高于热交换器上游的旁路流的温度，并且混合燃料流的温度接近环境温度。
当非石油燃料为、例如，液氢时，混合燃料流的温度在-15℃至20℃的范围内，如-15℃，-10℃，-5℃，0℃，5℃，10℃，15℃，20℃，优选地，在-5℃至10℃的范围内，如-5℃，-2℃，0℃，2℃，7℃，10℃，并且最优选地，在-3℃至5℃的范围内，如-3℃，-1℃，0℃,1℃，2℃，3℃，4℃，5℃。
步骤50(S50)：然后，混合燃料流作为热交换器暖侧的暖流体而提供至热交换器，其中热交换器冷侧的冷流体为燃料的第一部分，该燃料的第一部分为分流的旁路流，其作为混合燃料流的一部分混合。
当在目标压力和温度下车辆的加注接近完成至目标密度时，在完成加注之前，允许旁路管线中的所有冷燃料与分配系统的期望值相等。在加注结束时进行适当的操作，以使软管减压，并将其从车辆上断开，以最小化排气。例如，管线中燃料的任何剩余部分都返回到存储系统或用例如氮气、氩气等的适当的惰性气体进行冲洗。
在以上方法与步骤中，快速控制燃料流温度的能力通过控制流过旁路管线的冷燃料的量来提供，该冷燃料的量通过操作旁路控制阀来控制，例如比例、比例积分或比例积分微分控制，以在整个补燃料过程中维持分配的燃料的期望分配温度设定值，其中冷燃料与来自汽化器的热燃料混合，例如，以产生环境温度氢。例如，绕过汽化器的冷燃料提供到热交换器的冷侧，以调节将燃料分配至车辆的分配温度。然后冷燃料再循环返回至主燃料流，以混合到混合燃料流中用于进行分配。这样的方法允许基于背靠背加注的数量和频率自动补偿气候条件、一年中的时间、一天中的时间以及系统管道和组件的温度的变化。该方法也可以用于基于车辆储罐尺寸、检测到的车辆规格、顾客选择的燃料等级(氢等级可以是加注的最终状态或密度)或可能有利于最终储罐密度、氢加注时间或其他参数的其他变量来自动改变分配温度设定值。该方法为现有技术的改进，因为该方法不使用制冷系统或要求大的冷藏铝块，例如热存储块交换器，这降低补燃料站的资金成本和运营成本，并且降低了顾客的氢气价格。
图3为示出由一些实施方案提供的仿真模型的结果的流程图。例如，创建热交换器模型以确定用于补燃料站的设备的详细尺寸和容量要求。该模型根据美国科学技术研究院(NIST，National Institute of Science and Technology)标准，利用液态、气态和超临界氢的性质，以计算整体对流系数、比热流以及期望的热交换器(HX)的推荐尺寸和几何形状。
如图3所示，该模型用于完成由一些实施方案提供的用于控制非石油燃料温度的流体旁路方法的稳态仿真。图3中的燃料为液氢，并且该方法包括以下步骤，例如，模拟：
步骤10：在450bar，-252℃下提供燃料F1，并且燃料处于液体/超临界状态，需要在汽化器320中进一步加热。将氢分配到车辆的温度确定为平衡温度，目标为-40℃，440bar来加注车辆。也就是说，流经热交换器350的暖侧的混合流体F8的出口温度(HOTOUT)为-40℃。
步骤20：通过旁路阀330，将无汽化的旁路流F2提供至闪蒸罐335，该闪蒸罐作为模型辅助以增强数值的稳定性，然后将该旁路流F5提供至下游热交换器350。然后开始燃料分配过程，其中建模在440bar的压力下进行。
步骤30：燃料的剩余部分F3作为第二部分在440bar下提供至汽化器320。
步骤40：流经热交换器350冷侧的-50℃的旁路流F6与流经汽化器320的20℃的燃料的剩余部分F4在混合器325中混合以形成4℃(MIXOUT)的混合燃料流F7。
步骤50：混合燃料流F7作为暖流体提供至热交换器350的暖侧，并且混合燃料流F8的出口温度(HOTOUT)为-40℃。
从仿真结果可以看出，该方法可以调整大小以获得期望的结果。此外，由于在进入分配器之前混合燃料流的温度(MIXOUT)为4℃，具有一个流量计和/或阀门和/或其他组件的分配器的核心不会经受极端低温，且具有小的温度波动，这对分配器和组件产生小的应激温度。
应理解的是，可以进行进一步建模以改善动态响应时间并确定其他实施方案的容量需求，例如，不同的燃料、不同的车辆等。
图4示出用于控制非石油燃料温度的系统的另一实施方案，其中图4中的燃料为液氢。
如图4所示，系统400包括：LH2泵410，其配置将燃料在足以实现期望的流速的压力下提供至车辆，其中燃料处于液态或基本上上超临界的热力学状态，需要通过通常被称为汽化的过程在汽化器420中进一步加热；旁路阀430，其配置为通过旁路管线440将具有部分汽化或没有汽化的旁路流分流至热交换器450，该旁路流作为热交换器450冷侧的冷流体；汽化器420，其配置为接收燃料的剩余部分作为燃料第二部分以使用热源来汽化，其中，从汽化器420流出的燃料第二部分与从热交换器流出的旁路流混合以形成混合燃料流，然后混合燃料流作为暖流体提供至热交换器的暖侧，其中来自热交换器450的冷燃料与分流的旁路流混合以形成提供至热交换器450暖侧的混合燃料流；以及喷嘴470，其配置为使用氢燃料加注车辆。
在一实施方案中，在旁路流与来自汽化器的燃料的剩余部分、例如燃料的第二部分混合以形成混合燃料流之后，将混合燃料流提供至分配器460，以向车辆提供燃料。分配器460包括热交换器450，和可选地用于监控和控制向车辆分配燃料的一组各种设备480，例如，流量计、减压器/调压器、温度传感器、压力传感器等。喷嘴470设置为将燃料分配至车辆。
在其他实施方案中，在LH2泵410与LH2汽化器420之间的旁路阀430可以用热交换器450出口处的可选择的旁路阀430B来代替，以控制热交换器的流速和冷却速率。旁路阀430/430B的理想位置取决于燃料站的具体配置，其在本公开中不受限制。例如，当旁路阀430B位于LH2汽化器420和热交换器450之间时，燃料流具有更热的温度(-50℃)，该燃料流在阀门上施加较少的压力，由于设备的热变化和热冲击减少，因此提高了阀门的可靠性和使用寿命。因此，在一些实施方案中，只有旁路阀430B用于控制旁路流的分流，以用于改善的组件的使用寿命，因为其不经受来自供应源、例如LH2泵410的液氢(该液氢在热交换器450中加温)的极端低温，其中旁路流可以包括不同量的部分汽化的(或汽化的)燃料，即，取决于旁路流沿汽化器的不同阶段或位置处取出的位置。
在正常操作条件下，LH2泵410通过汽化器420供应燃料，在汽化器420中燃料在接近环境温度时汽化并进入分配器460。然而，由于燃料在到达喷嘴470之前必须冷却至-40℃以用于分配至车辆，因此，阀门控制单元495通过打开旁路阀430和/或430B相应地调节来自LH2泵410绕过LH2汽化器420的氢燃料的比例。旁路流流过旁路管线440至热交换器450，且将流向喷嘴470的混合燃料流的温度冷却至期望的分配温度。然后旁路流再循环，并与来自汽化器420的燃料的剩余部分混合，以形成混合燃料流，以用于分配(即分配流)，该混合燃料流达到0℃附近的平衡点。因此，不仅达到了期望的分配温度，而且还为易受极端热循环影响的一组各种设备480提供了有效的热保护。进入分配器460的混合燃料流的温度(例如如图4所示的5℃)不是严格控制的目标，而是仅为了提供相对温和的温度范围，使得分配器460内的组件不会暴露于剧烈的热温度循环中。
相反，唯一严格控制的目标温度是喷嘴470处的分配温度，该分配温度由阀门控制单元495连续控制。阀门控制单元495通过旁路阀430(和/或430B)调节流量，或可选地在考虑喷嘴总流量的情况下调节旁路比例，将分配温度目标维持在设定值。
相应地，阀门控制单元495能够监控变化的条件，例如，诸如温度传感器490的传感器测量值、喷嘴470处的环境需求或温度需求，并且通过旁路阀430(和/或430B)实时地且不断地调整燃料的第一部分，例如旁路燃料。
当非石油燃料为液氢时，热交换器450可以是回热式热交换器，例如，热交换器450是铝芯热交换器。
图5为另一实施方案提供的用于控制非石油燃料温度的系统，其具有与图4相似的功能和构造，且不再重述。
如图5所示，该系统包括泵510、汽化器520、旁路阀530A、530B和530C、分配器560以及沿汽化器520任意不同点提供的旁路管线540B。汽化器520包括多级传热线圈(heattransfer coil)，其中汽化器520的旁路管线540B可以设置为具有不同的氢气温度，例如，根据从汽化器中取出的级或位置的不同汽化量。在本实施方案中，根据分配温度目标要求，选择满足分配温度目标设定值的具有最高氢气温度、例如-250℃与30℃之间的旁路管线540B在旁路管线540中进一步分流以降低通过热交换器550的温度，这降低了管道和热交换器网络系统上的热应力。也就是说，在本实施方案中，旁路流包括绕过汽化器分流的燃料第一部分，和通过汽化器提供的比燃料第一部分更热的燃料第二部分的至少一部分。
图6为另一实施方案中的用于控制非石油燃料温度的系统，其也具有与图4相似的特征，且在此不再重述。
如图6所示，该系统包括泵610(其可以是活塞泵)、汽化器620、旁路阀630A和630B以及两个分配器660A和660B。单个泵610和单个汽化器620用于供应两个分配器660A和660B，其中每个分配器用于以不同的目标温度和压力加注车辆。通过旁路管线640的旁路流被划分到每个分配器660A和660B，并且分别由旁路阀630A和630B独立控制，其中每个分配器660A和660B内的诸如调压器的压力控制装置用于控制各自的喷嘴压力和它们各自的热交换器650A和650B，并且旁路控制阀630A和630B用于控制燃料分配温度。例如，当一辆轻型(标称70MPa)车辆和一辆中型或重型(标称35MPa)车辆都需要在同一加氢站加注，该系统可以通过具有两个分配器660A和660B满足这样的要求，其中泵610能够以所需的压力提供燃料，以满足最高的压力要求。
虽然示出了两个分配器660A和660B，但是可以理解的是，可以使用多个分配器，其中单个泵610和单个汽化器620用于供应多个分配器或多个泵，和/或汽化器可以用于满足系统需求。
此外，提供了存储计算机程序的计算机可读存储介质，其中，当计算机程序通过计算机中的处理器执行时，实施包括步骤1-50的上述方法。
本实施方案也包括存储在非瞬时性计算机可读介质中的计算机程序产品，其中，该计算机程序产品包括包括具有步骤1-50的方法的计算机程序，当该计算机程序通过计算机执行时，实施步骤1-50。
为了说明该热管理系统，以下提供了一些实施例。
实施例1：
450bar和20K(-253℃)的氢用于加注95bar的基本上空的车辆储罐。在这种情况下，30％的燃料流作为旁路流分流，并进入热交换器，在流经热交换器之后，旁路流的温度为-50℃。氢燃料流的剩余部分进入汽化器。然后流经热交换器的旁路流与流经汽化器的燃料流混合形成混合燃料流，其中混合燃料流的温度为-1℃，该温度对于分配器中的流量计、控制器和其他组件是舒适的，以避免由于温度波动的热冲击与热应力。
实施例2：
450bar和20K(-253℃)的氢用于加注195bar的基本上空的车辆储罐，其中29％的燃料流作为旁路流分流，并进入热交换器，在流经热交换器之后，旁路流的温度为-50℃。氢燃料流的剩余部分进入汽化器。然后流经热交换器的旁路流与流经汽化器的燃料流剩余部分混合形成混合燃料流，其中混合燃料流的温度为0℃，该温度对于分配器中的流量计、控制器和其他组件是舒适的。
实施例3：
450bar和20K(-253℃)的氢用于加注295bar的基本上空的车辆储罐，其中27％的燃料流作为旁路流分流，并进入热交换器，在流经热交换器之后，旁路流的温度为-50℃。氢燃料流的剩余部分进入汽化器。然后流经热交换器的旁路流与流经汽化器的氢燃料流剩余部分混合形成混合燃料流，并且混合燃料流的温度为1℃，该温度对于分配器中的流量计、控制器和其他组件是舒适的。
实施例4：
450bar和20K(-253℃)的氢用于加注395bar的基本上满的车辆储罐，其中26％的燃料流分流以形成旁路流，并进入热交换器，在流经热交换器之后，旁路流的温度为-50℃。氢燃料流的剩余部分进入汽化器。然后流经热交换器的旁路流与流经汽化器的氢燃料流剩余部分混合形成混合燃料流，且混合燃料流的温度为2℃，该温度对于分配器中的流量计、控制器和其他组件是舒适的。
实施例5：
450bar和20K(-253℃)的氢被用于加注435bar的基本上满的的车辆储罐，其中25％的燃料流作为旁路流分流，并且进入热交换器，在流经热交换器之后，旁路流的温度为-50℃。氢燃料流的剩余部分进入汽化器。然后流经热交换器的旁路流与流经汽化器的氢燃料流剩余部分混合形成混合燃料流，且混合燃料流的温度为3℃，该温度对于分配器中的流量计、控制器和其他组件是舒适的。
实施方案提供的用于控制非石油燃料温度的流体旁路方法与系统至少具有以下优点：
(1)消除单独的蓄冷器，降低了资金成本。
(2)消除制冷系统，降低资金和运营成本。
(3)减少燃料站设备的占地面积。
(4)提高制氢气分配性能，较快的冷却速度，可控的分配温度，氢分配温度设定值设置灵活。
(5)灵活加注任意尺寸的车辆储罐。在相关技术中，即使在单个分配器内，分配器也需要单独的分配通道，以提供专用的350bar和700bar喷嘴。本公开允许每个喷嘴在-40℃的分配温度下快速地加注350bar环境温度的中/重型(MD/HD，Medium Duty/Heavy Duty)车辆和700bar轻型车辆(LDV，Light Duty Vehicles)。
(6)在分配器中为流量计、阀门、过滤器、调节器和其他可能对温度低至-40℃(图3中的MIXOUT)的热循环敏感的仪器创建一个近环境温度区。
在以上实施方案的描述中，具体特征、结构、材料或特性可以在任何一个或多个实施方案或实施例中以任何合适的方式组合。
如本文所使用的，单数形式列举的并以单词“一”或“一个”开头的元件或步骤应该被理解为不排除多个所述元件或步骤，除非明确说明这种排除。此外，对当前所述的发明主题的“一个实施方案”的引用不旨在被解释为排除也包含所述特征的另外的实施方案的存在。此外，除非另有明确规定，否则“包括”、“包括”或“具有”(或类似术语)具有特定性质的元件或具有特定性质的多个元件的实施方案，可以包括另外不具有该特定性质的附加元件。
如本文所使用的，诸如“系统”或“控制器”的术语可以包括操作以执行一个或多个功能的硬件和/或软件。例如，系统或控制器可以包括计算机处理器或其他基于逻辑的设备，该设备基于存储在诸如计算机存储器的有形的和非瞬时性计算机可读存储介质上的指令来执行操作。或者，系统或控制器可以包括硬连线设备，该设备基于设备的硬连线逻辑执行操作。附图中所示的系统和控制器可以代表基于软件或硬连线指令操作的硬件、指导硬件执行操作的软件、或其组合。
应当理解的是，本文所述的主题不限于其本文说明书中阐述的或本文附图中示出的构造的细节和元件的布置的应用。本文所述的主题能够为其他实施方案并且能够以各种方式实践或执行。而且，应该理解的是，本文使用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该被认为是限制性的。本文中“包括”，“包括”或“具有”及其变体的使用旨在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加项目。
应理解的是，以上描述旨在是说明性的而非限制性的。例如，上述实施方案(和/或其方面)可以彼此结合使用。此外，在不背离当前所述主体的范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应于当前所述的主题的教导。虽然本文描述的尺寸、材料类型和涂层旨在限定所公开的主题的参数，但它们决不是限制性的，而是示例性实施方案。在阅读以上说明书后，许多其他实施方案对于本领域普通技术人员将变得显而易见。因此，本发明主题的范围应该参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。在所附权利要求中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”分别用作术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”的通俗英语的等同物。此外，在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅用作标记，并不旨在对其对象施加数字要求。此外，以下权利要求的限制并不是用手段加功能的格式编写的，也不旨在基于《美国法典》第35条第112(f)款来解释，除非这些权利要求限制明确使用短语“用于(means for)”，后面为功能说明，没有进一步结构。
该书面描述使用实施例来公开本发明主题的若干实施方案，并且还使本领域普通技术人员能够实践本发明主题的实施方案，包括制造和使用任何设备或系统和执行任何组合的方法。本发明主题是可授权的范围由权利要求限定，并且可以包括本领域普通技术人员想到的其他实施例。如果这些其他实施例具有与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质差别的等效结构元件，则这些其他实施例旨在在权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于控制非石油燃料的温度的流体旁路方法，所述方法包括以下步骤：
提供所述非石油燃料，所述非石油燃料处于液态或基本上超临界的热力学状态；
通过旁路管线来分流旁路流，所述旁路流为具有部分汽化或没有汽化的所述非石油燃料的至少第一部分；
将所述非石油燃料的第二部分提供至汽化器，以用于在所述汽化器中加热所述第二部分以提供加热的第二部分；
将来自所述汽化器的所述非石油燃料的所述加热的第二部分与所述旁路流混合以形成混合燃料流。
2.一种用于控制非石油燃料的温度的流体旁路方法，所述方法包括以下步骤：
提供所述非石油燃料，所述非石油燃料处于液态或基本上超临界的热力学状态；
通过旁路管线来分流旁路流至热交换器，所述旁路流为具有部分汽化或没有汽化的所述非石油燃料的至少第一部分；
将所述旁路流提供至所述热交换器的冷侧；
将所述非石油燃料的第二部分提供至汽化器，以用于在所述汽化器中加热所述第二部分以提供加热的第二部分；
将来自所述汽化器的所述非石油燃料的所述加热的第二部分与来自所述热交换器的所述旁路流混合以形成混合燃料流；
在所述热交换器的暖侧将所述混合燃料流提供至所述热交换器，以获得冷却的混合燃料流。
3.根据权利要求2所述的流体旁路方法，其中所述非石油燃料为液化天然气，并且所述方法还包括将所述冷却的混合燃料流供应到至少一辆车辆的步骤。
4.根据权利要求2所述的流体旁路方法，其中所述非石油燃料为液氢，并且所述方法还包括将所述冷却的混合燃料流供应至至少一辆车辆的步骤。
5.根据权利要求4所述的流体旁路方法，其中所述旁路流的比例在5％至95％的范围内。
6.根据权利要求4所述的流体旁路方法，其中所述混合燃料流的温度在-15℃至20℃的范围内。
7.根据权利要求4所述的流体旁路方法，其中所述热交换器为回热式热交换器。
8.根据权利要求7所述的流体旁路方法，其中所述热交换器为铝芯热交换器，并且所述第一部分取自所述汽化器中间的点。
9.根据权利要求2所述的流体旁路方法，其中用于将所述非石油燃料分配至所述至少一辆车辆的分配压力在20MPa至100MPa的范围内。
10.根据权利要求2所述的流体旁路方法，其中用于将所述非石油燃料分配至所述至少一辆车辆的分配温度在-50℃至30℃的范围内。
11.根据权利要求2所述的流体旁路方法，其中所述旁路流中的所述第二部分的量由至少一个可控阀门控制以将分配温度维持在分配温度设定值，以用于将所述燃料供应至所述至少一辆车辆。
12.根据权利要求11所述的方法，其中在完成向所述车辆供应所述燃料流之前，所述旁路流均衡到等于所述分配温度的温度。
13.根据权利要求2所述的方法，其还包括将所述燃料的至少第三部分从所述汽化器分流至所述旁路管线的步骤，其中所述第三部分在所述汽化器中至少部分地汽化。
14.根据权利要求2所述的方法，其还包括将所述冷却的混合燃料流供应至所述至少一辆车辆的步骤、和将所述非石油燃料提供至至少第二车辆的步骤，其中所述分流的旁路流被划分成第一旁路流和第二旁路流，其中所述第一旁路流分流至所述热交换器、用于冷却流向所述至少一辆车辆的混合燃料流，且所述第二旁路流分流至第二热交换器、用于冷却流向所述第二车辆的第二混合燃料流。
15.根据权利要求2所述的方法，其还包括用于将所述冷却的混合燃料流供应至所述至少一辆车辆的分配器，所述分配器包括流量计、调压器、喷嘴和所述热交换器。
16.一种用于控制非石油燃料的温度的系统，所述系统包括：
泵，其配置为将所述非石油燃料在使所述非石油燃料流向至少一辆车辆的压力下供应至所述至少一辆车辆，所述非石油燃料处于液态或基本上超临界的热力学状态；
旁路管线，其设置为分流具有部分汽化或没有汽化的所述非石油燃料的至少第一部分，所述旁路管线包括旁路阀；
汽化器，其包括用于接收来自所述泵的所述非石油燃料的入口，所述汽化器配置为加热所述非石油燃料的至少第二部分；
热交换器，其设置在汽化器的下游；以及
分配器，其包括用于将所述非石油燃料供应至所述车辆的喷嘴，
其中，所述热交换器以以下方式配置：来自所述旁路管线的所述非石油燃料的所述至少第一部分提供到所述热交换器的冷侧，并排出以与离开所述汽化器的所述非石油燃料的所述第二部分混合以形成混合燃料流，
其中，在通过所述分配器的所述喷嘴将所述混合燃料流排出至所述至少一辆车辆之前，所述混合燃料流提供到所述热交换器的暖侧。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述汽化器包括多个传热线圈部分，其中，至少第二旁路阀设置到所述多个传热线圈部分中的至少一个上，以通过所述旁路管线将所述加热的燃料的至少第三部分供应至所述热交换器。
18.根据权利要求16所述的系统，其中所述热交换器为回热式热交换器。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述热交换器为铝芯热交换器。
20.一种存储计算机程序的非瞬时性计算机可读存储介质，所述计算机程序包括根据权利要求2所述的用于控制非石油燃料的温度的流体旁路方法，当处理器执行所述计算机程序时，所述方法在计算机中执行。
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