限量充装装置、具有其的低温容器及充装方法 【技术领域】
本发明涉及低温介质的充装，特别是涉及一种限量充装装置和具有其的低温容器、以及一种向低温容器内充装低温介质的方法。
背景技术
如液氧、液氮、液氩、液化天然气(LNG)等的低温介质是工业上常用的原料。它们的工作温度较低，并通常以液态形式存储在低温容器内。例如，液氮的工作温度通常在-196℃左右。在将液化了的低温介质从充装源充入容器的过程中，介质会不断汽化，导致容器内压力升高。这会使得容器内与充装源之间的压差减小甚至消失，导致充装不能继续进行。另外，容器内压力过高还会形成安全隐患。
因此，现在一般采用排放式充装。如图1所示，现有的低温容器1上通常设有充液管2、排气管3。在充装过程中，一面利用充液管2进行充装、一面利用排气管3排掉蒸汽以降低容器内压力，从而保持容器内与充装源之间的稳定的压差。然而，利用这种方法，一部分介质会以蒸汽的形式排放掉。
实际上，存储在低温容器内的低温介质通常是气液平衡状态。因此，在充装时需要控制容器内液体的充满率。在现有技术中，通常在容器1上设置一测满管4。在充装过程中测满管4打开，当其中有液体流出时即表明容器已经达到设计的充满率。这时，需要人工关闭充装源的阀门以及容器上各管的阀门，以停止充装。然而，利用这种方法，一部分介质会以液体的形式被排放掉。
低温介质是经过复杂的工艺过程并花费大量的附加能源和费用而获得的。在现有的容器充液方式中，从排气管3和测满管4排出的介质会不可避免地被浪费掉，这不仅容易污染环境还会造成资源浪费，另外如果处理不当还会形成安全隐患。如何避免充装过程中介质的浪费是一个急待解决的问题。
另外，现有充液方式需要工作人员集中注意力，及时打开和关闭相应管路的阀门。例如，如果在充装时忘记打开测满阀4，可能造成容器内的液体超过安全液位，从而引起憋压、炸罐等危险。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题在于，提供一种用于低温容器的限量充装装置，以减少、甚至避免在充装过程中低温介质的浪费。
本发明要解决的另一个技术问题在于，提供一种低温容器。
本发明要解决的再一个技术问题在于，提供一种向低温容器内充装低温介质的方法，以减少、甚至避免在充装过程中低温介质的浪费。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于低温容器的限量充装装置，该低温容器上设有用于充装低温介质的充液管。所述限量充装装置位于该低温容器内，并包括：承压腔，与该充液管的出口端相连通；出液管，设置在该承压腔的顶壁上，用于将该承压腔与该低温容器内部相连通；以及止流装置，可随该低温容器内液位的高低而移动，以在该液位到达指定液位时封闭该出液管，并在该液位未到达指定液位时打开该出液管。
优选地，该止流装置包括：止流块，位于该承压腔内用于封闭该出液管；浮筒，位于该承压腔外并可随该低温容器内液位的高低而上下移动；以及导杆，用于固定连接该止流块和该浮筒。
优选地，在该承压腔的底壁上设有下挡管，用于限制该止流块向下移动；该导杆穿过该下挡管进入该承压腔内以连接该止流块。
优选地，在该承压腔顶壁对应于该出液管的位置上设有与该导杆相配合的导向管。其中，该导杆穿过该出液管并从该导向管的顶部穿出；并且该导向管上设有一个或多个出液孔，该出液管通过该出液孔与该低温容器内部连通。
优选地，限量充装装置还包括固定到该承压腔的限位管，用于与该浮筒的外壁相配合以限制该浮筒的移动方向沿着该出液管的轴线。
优选地，所述限位管的顶端设有至少一个开口，使得该限位管内、外的压力一致。
优选地，该限位管上固定有与该浮筒外壁相配合的密封环，该密封环上设有凹槽以减小与该浮筒外壁的接触面积。
优选地，所述止流块的用于与该出液管配合的配合面为锥面。
优选地，该充液管焊接到该承压腔上，以达到预定的连接强度。
优选地，该充液管的出口端位于该承压腔内，并设置有朝向该承压腔侧壁且背向该止流装置的出口。
优选地，该充液管的出口被设置为足够大以减小低温介质进入承压腔时对该承压腔的冲击。
优选地，该限量充装装置地直径在80mm到100mm之间、长度在100mm到150mm之间。
为实现上述目的，本发明还提供了一种存储低温介质的低温容器，其上设有用于充装该低温介质的充液管。在该低温容器内还设有具有上述结构和特点或其组合的限量充装装置。
优选地，该限量充装装置被设置在靠近该低温容器的上部的位置。
为实现上述目的，本发明还提供了一种向低温容器内充装低温介质的方法。该方法包括：在该低温容器上设置充液管，并将液态的低温介质经由该充液管从一充装源充入该低温容器内。该方法还包括：在该低温容器内设置限量充装装置，包括：承压腔，与该充液管的出口端相连通；出液管，用于将该承压腔与该低温容器内部相连通；以及可移动的止流装置，用于打开和封闭该出液管；使离开该充液管的低温介质首先进入承压腔；当该低温容器内的液位未到达指定液位时，使得该止流装置远离该出液管以打开该出液管，从而使承压腔内的介质经由该出液管离开该承压腔进入该低温容器内；以及当该低温容器内的液位到达指定液位时，利用该止流装置封闭该出液管，以禁止承压腔内的介质进入低温容器内。
优选地，所述方法还包括：当该出液管被封闭后，停止从该充装源充入低温介质。
优选地，所述停止从充装源充入低温介质的步骤还包括：在检测到该充液管或该承压腔内压力突然升高、或者该充液管内流量突然减小时产生一切断信号；以及该充装源的动力泵根据该切断信号停止工作。
优选地，所述方法还包括：设置该出液管使得低温介质从靠近该低温容器上部的位置排出，从而利用排出的低温介质冷却位于该低温容器上部的低温介质的蒸汽。
利用本发明，可以在无需排放容器内介质的情况下对容器进行充装，从而实现了无损充装，避免了资源浪费，降低了成本，同时有利于环境保护。在本发明的充装过程中，无需打开低温容器上的排放管和测满管的阀门；甚至，根据本发明的低温容器上无需设置现有技术中的排放管和/或测满管。通过计算确定限量充装装置的安装位置，可以准确地控制充入低温容器的液体量，从而杜绝了现有技术中可能存在的过充现象和过压危险(如炸罐)。另外，本发明的限位充装装置可以实际需要具体设计，从而能够满足客户不同的充装率要求。
下面结合附图和详细实施方式对本发明进行详细说明。
【附图说明】
图1为现有低温容器的结构示意图；
图2为根据本发明的设有限量充装装置的低温容器的结构示意图；
图3为图2中限量充装装置的结构图，其中出液管处于打开状态；以及
图4为限量充装装置的结构图，其中出液管处于封闭状态。
【具体实施方式】
图2示出了根据本发明的低温容器10，容器上设有充液管12。在容器10内，还设有与充液管12相连的限量充装装置20。如图3所示，限量充装装置20包括：与充液管12的出口端121相连通的承压腔21；设置在承压腔21的顶壁211上的、用于连通承压腔21与低温容器10的内部相连通的出液管22；以及，止流装置23。止流装置23可随容器内介质液位的高低而上下移动，以在液位到达指定液位时封闭出液管22，并在液位未到达指定液位时打开出液管22。
根据本发明的一个具体实施例，如图3所示，止流装置23包括：位于承压腔21内用于封闭出液管22的止流块231；位于承压腔21外并可随容器10内液位的高低而上下移动的浮筒232；以及将止流块231与浮筒232固定连接的导杆233。优选地，将止流块231的用于与出液管22相配合的配合面设置成锥面或其他密封结构，以提高止流块231对出液管22的密封效果。
优选地，在承压腔21的底部固定有限位管24。限位管24与浮筒232的外壁相配合以限制浮筒232的移动方向沿着出液管22的轴线，从而限制止流装置23相对于出液管22的移动方向。在限位管24的顶端可设置至少一个(优选为多个)开口241，使得限位管24的内、外的压力一致，即与容器10内部的压力一致。为了尽量减小浮筒232与限位管24之间的摩擦阻力，可以在限位管24的内壁上设置一圈密封环242，并利用该密封环241与浮筒232的外壁相配合。在密封环241上还可设置凹槽243，以进一步减小其与浮筒外壁的接触面积。
优选地，在承压腔21的底壁212上设有下挡管214。导杆233穿过下挡管214进入承压腔21内，从而与止流块231相连。下挡管214位于止流块231的下方。这样，在容器10内液位较低时，下挡管214能限制止流块231的向下移动。优选地，在承压腔顶壁211对应于出液管22的位置上还设置有导向管215，该导向管上设有至少一个(优选为多个)出液孔216，用于使出液管214与容器内部连通。导杆233可从出液管22中穿过并从导向管215的顶部穿出。下挡管214和导向管215均可与导杆233相配合，以限制导杆233的移动方向沿着出液管22的轴线，从而进一步限制止流装置23相对于出液管22的移动方向。
来自低温介质充装源(图中未示出)的介质通常具有较大的压力。在这里，充液管12优选地被焊接到承压腔21的顶壁上，以达到预定的连接强度，从而确保当较大压力的低温液体进入承压腔21时充液管12不会扭曲、摇摆、或折断。为了尽量降低介质进入承压腔21时的压力、减小其对承压腔21的冲击，可以将位于充液管出口端121的出口122设置成足够大，如将出口122的高度设置为与承压腔的高度相当。另外，为了避免进入承压腔21内的低温介质直接冲击承压腔内的部件(如止流装置的导杆233、出液管22等)，可以将位于承压腔21内的出口122设置成朝向承压腔21的侧壁且背向止流装置23。
下面具体说明向本发明的低温容器10充装低温介质的过程。
在向容器10充装低温介质时，充装源中的液态低温介质首先从充液管12进入承压腔21。这时，止流块231由于重力的作用远离出液管22，从而使得承压腔21内的低温介质能够经由出液管22进入到容器10的内部。通常，充装源中的低温介质具有比待充装容器内更大的压力和更低的温度。由于承压腔21的自身容积较小，因而离开出液管22的介质也具有较低的温度，从而能够冷却聚集在容器10上部的介质的蒸汽，甚至使其重新液化。这样，容器10内的压力得到了有效降低，从而无需再利用排气管将蒸汽排出。优选地，可将限量充装装置20靠近容器10的上部设置，以更好地对容器内的蒸汽进行冷却。
随着容器10内液位的上升，液体对浮筒232产生的浮力逐渐增加，从而使得整个止流装置23逐渐上移。设计止流装置23的结构和构造，使得当容器10内的液体到达设计的指定液位时，浮筒232恰好上浮到使止流块231封闭出液管22的位置(如图4所示)。这时，进入承压腔21的介质不能再通过出液管22进入容器10内部，同时从充装源向容器的充装被停止。
根据本发明，该停止可以自动进行，例如，通过检测承压腔21内的压力变化来实现。由于低温介质汽化速度非常快，而承压腔21和充液管12内基本上充满了液态的低温介质，因而当出液管22被封闭时承压腔21和充液管12内的压力会迅速上升，例如可在1秒内产生高达2～5bar的压差。这种压差会阻碍介质从充液管12进入承压腔21，从而使得充液管12内的流量迅速减小。在容器外部可外接压力表或流量计来检测这种压力或流量的突然变化，并在检测到变化时向用于为充装源提供动力的泵发送切断信号。该泵在接收到该切断信号后停止工作从而停止充装。在这里，承压腔21被设计为可以承受较大的压力，例如小于等于35bar的压力。当然，也可以通过其他信号来实现充装的自动停止。由于本发明可以实现充装的自动停止，因而充装源可以设置在离低温容器较远的地方，即能够实现远程充装。
现有技术的容器中没有过充保护装置，以较高的压力充装很容易导致容器过充的危险。另外，现有的充装方式，在充装的同时需要进行放气，而且从观测到测满管流出液体到关闭阀门也需要经过一定的时间，因而采用过高的压力进行充装是不经济的。然而，本发明低温容器由于设置有限位充装装置因而能够在到达指定液位后立即停止向容器的充装操作，从而避免过充现象发生；而且也不需要在充装时排出介质。因而，本发明的容器能够以较高的压力被充装，从而能够实现快速充装。例如，对于小于2000L左右的低温容器，充装时间通常为3～20分钟。
此外，本发明的限位充装装置结构小巧，其直径可设置在80mm到100mm之间而长度可设置在100mm到150mm之间，因而基本上不会对容器的承载容积造成影响。
可见，通过在充液管的一端设置本发明的限量充装装置20，可以在无需排放容器内介质的情况下对容器进行充装，从而实现了无损充装。对于设置有限量充装装置的低温容器来说，在充装介质时，排气管和测满管(如果设置有这些管的话)上的阀门均可以关闭。甚至，可以无需在低温容器上设置它们中的一个或全部，如取消设置测满管。
应当指出，虽然通过上述实施方式对本发明进行了描述，然而本发明还可有其它多种实施方式。在不脱离本发明精神和范围的前提下，熟悉本领域的技术人员显然可以对本发明做出各种相应的改变和变形，但这些改变和变形都应当属于本发明所附权利要求及其等效物所保护的范围内。