ТЕРМОКОМПРЕССИОННОЕ УСТРОЙСТВО
THERMOCOMPRESSION DEVICE

Изобретение относится к холодильной технике, а точнее к области проектирования и эксплуатации компрессионных термических устройств (термокомпрессоров), используемых, например, при заполнении газом баллонов высокого давления с соблюдением высоких требований по чистоте как закачиваемого газа, так и внутренних объемов и поверхностей заправляемой системы.
Принцип работы термокомпрессионного устройства широко известен. Основу его составляет емкость (баллон-компрессор), которую вначале охлаждают, желательно до температуры конденсации газа, и заполняют ее газом из стендовых баллонов. Затем стендовые баллоны отсекают, емкость нагревают, давление газа в ней растет, и он перекачивается в заправляемую емкость. Таких циклов всасывания - нагнетания совершается столько, сколько необходимо для достижения заданного давления в заправляемой емкости.
Известно компрессионное устройство для регенерации хладагентов (см., например, патент СШЛ №5379607, МПК: F25B 49/00, от 12.10.1993), содержащее источник газа высокого давления, подключенный к баллонам-компрессорам, устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров и магистраль прокачки теплоносителя. В состав устройства также входят компрессор, ресивер, теплообменник-конденсатор и магистрали подачи газа потребителю. Устройство обеспечивает регенерацию хладагентов (теплоносителей) типа CFC (фреон-11, фреон-12, фреон-113) для откачки в транспортный баллон (потребителю), при этом процесс откачки длителен и малоэффективен. Наличие в таких устройствах механического компрессора, использующего смазку для вращающихся и перемещающихся узлов и деталей, не исключает загрязнение газа парами масла (смазки), что недопустимо при прокачке (заправке) газа в баллоны потребителя, применяющего данный газ в качестве рабочего компонента.
Известно также термокомпрессионное устройство (см., например, патент РФ №2432523 от 15.03.2010, МПК: F17C 5/06; F04B 19/24; F25B 49/00), выбранное в качестве прототипа и содержащее источник газа высокого давления с подключенным к нему баллоном-компрессором и источник холода. В нем баллон-компрессор выполнен в виде теплоизолированной емкости с двумя стенками - двустенной емкости с оребрением внутреннего сосуда, размещенным в образованной стенками емкости полости - межстенной полости, подсоединенной к устройству для термостатирования баллона-компрессора, выполненному в виде двух разнотемпературных теплообменников, параллельно включенных в контур магистрали прокачки теплоносителя.
Данное устройство обеспечивает перекачку (заправку) газа в баллоны потребителя, исключающую его загрязнение, но использование разнотемпературных теплообменников и контура магистрали прокачки теплоносителя в качестве устройства для термостатирования баллона-компрессора усложняет конструкцию термокомпрессионного устройства, делает устройство громоздким, при этом устройство имеет низкую эффективность теплозащиты.
Задачей настоящего изобретения является создание термокомпрессионного устройства улучшенной конструкции при его упрощении, повышении компактности и эффективности работы теплозащиты, а также уменьшение теплопритоков.
Технический результат достигается тем, что в термокомпрессионном устройстве, содержащем источник газа высокого давления с подключенным к нему баллоном-компрессором и источник холода, в отличие от известного, в нем баллон-компрессор выполнен в виде теплоизолированной двустенной емкости с оребрением внутреннего сосуда, размещенным в межстенной полости баллона-компрессора, и с теплообменником, выполненным в виде трубчатого змеевика, размещенного внутри сосуда и подключенного на входе к источнику холода, а на выходе к межстенной полости, которая сообщена с прокачным каналом охлаждаемого экрана, установленного под слоями теплоизоляции, при этом баллон-компрессор снабжен электроподогревателем, закрепленным с тепловым контактом на внешней поверхности стенки внутреннего сосуда и подключенным через гермоввод, встроенный в наружной стенке, к внешнему источнику электропитания.
Использование предлагаемого термокомпрессионного устройства, например, при заправке баллонов потребителя, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, таких как спутники связи, позволят получить значительный экономический эффект за счет обеспечения заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение, при этом упрощается и улучшается конструкция, повышается компактность и эффективность работы устройства и его теплообменных узлов за счет уменьшения теплопритоков.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
Термокомпрессионные устройство состоит из следующих основных узлов и деталей: источника газа высокого давления 1, например стендовых баллонов высокого давления, заправленных чистым газом, например ксеноном, и подключенных к нему баллона-компрессора 2, источника холода 3, например, сосуда Дьюара с жидким азотом. Баллон-компрессор 2 выполнен в виде теплоизолированной двустенной емкости с оребрением 4 внутреннего сосуда 5, размещенным в межстенной полости 6 баллона-компрессора, и с теплообменником 7, выполненным в виде трубчатого змеевика 8, размещенного внутри сосуда 5 и подключенного на входе 9 к источнику холода 3, а на выходе 10 - к межстенной полости 6, которая сообщена с прокачным каналом 11 охлаждаемого экрана 12, установленного под слоями теплоизоляции 13 и предназначенного для съема теплопритоков извне отходящими парами азота. Канал для прокачки - прокачной канал 11 выполнен, например, в виде трубчатого змеевика, припаенного к оболочке охлаждаемого экрана 12.
Баллон-компрессор 2 снабжен электроподогревателем 14, закрепленным с тепловым контактом на внешней поверхности стенки 15 внутреннего сосуда 5 и подключенным через гермоввод 16, встроенный в наружной стенке 17, к внешнему источнику электропитания.
В качестве электроподогревателя 14 выполняют, например, в виде чехла, для которого используют угольную ткань, в качестве которой используют угольную ткань ТУ1916-155-05763346-95, закрепленную на внешней поверхности стенки 15 внутреннего сосуда 5 с тепловым контактом, обеспечиваемым, например, посредством стяжек (шнуровок) из стеклонити или клеями марки К-300; ВК-9 по ОСТ92-0949-74.
Баллон-компрессор 2 подключен к баллонам потребителя 18 посредством магистрали подачи газа 19, снабженной вентилями 20 и 21 и теплообменником-охладителем 22.
Заправку, например, ксеноном баллона-компрессора 2 от стендовых баллонов 1 производят по снабженному вентилем 25 трубопроводу 26. В качестве теплоизоляции 13 используют пенополиуретан или экранно-вакуумную изоляцию, закрепленную на охлаждаемом экране 12.
Трубопровод 26 включен в магистраль подачи газа 19 между вентилями 20 и 21, что обеспечивает подачу газа из баллонов 1 отдельно как в баллоны потребителя 18, так и в баллон-компрессор 2.
Поясним эксплуатацию термокомпрессионного устройства.
2
-5
-5
Перед началом функционирования термокомпрессионного устройства производят очистку внутренних полостей магистралей заправки и подачи газа, например ксенона, включая баллон-компрессор и баллоны потребителей от влаги и воздуха. Очистка производится способом вакуумирования с последующей продувкой чистым азотом и ксеноном. Источником закачиваемого газа, например ксенона, в баллоны потребителя являются стендовые баллоны 1, заполненные чистым ксеноном высокого давления 40 кг/см. В закачиваемом ксеноне должно быть кислорода не более 3·5 объемных долей, а водяных паров не более 4·10 объемных долей.
Работа устройства основана на использовании принципа термокомпрессора, в котором необходимое для заправки (закачки) давление ксенона достигается в баллоне-компрессоре 2 по изохорическому процессу. После проведения очистки внутренних полостей магистралей подачи ксенона и баллонов осуществляют процесс термокомпрессии и подачу ксенона в баллоны потребителя 18, который производится следующим образом: в исходном положении все вентили закрыты.
Первоначально производят захолаживание баллона-компрессора 2, для этого открывают вентиль 23 на трубопроводе подачи хладагента, например жидкого азота, от источника холода 3, например из сосуда Дьюара, и подают жидкий азот или парообразный азот в змеевик 8 теплообменника 7, захолаживают теплообменник 7 и внутреннюю полость сосуда 5 до температуры порядка минус 80°С, при этом пары азота, образующиеся в змеевике 8, под давлением через выход 10 поступают в межстенную полость 6, захолаживают ее, образуя дополнительную прослойку хладагента, защищающую внутренний сосуд 5 от теплопритоков. Из межстенной полости 6 пары азота поступают в прокачной канал 11 охлаждаемого экрана 12, охлаждают экран 12, снимают (поглощают) теплопритоки, поступающие извне к баллону-компрессору 2, и сбрасываются в атмосферу.
В захоложенную внутреннюю полость сосуда 5 из стендового баллона 1 подают ксенон, для чего открывают вентили 25, 20 и заполняют внутреннюю полость сосуда 5 до заданного давления, при этом в ней происходит конденсация ксенона (цикл всасывания). После заполнения внутренней полости сосуда 5 ксеноном и охлаждения его до температуры порядка минус 80°С стендовый баллон 1 отсекают (закрывают вентили 25 и 20), закрывают вентиль 24 на трубопровода 23, прекращая подачу хладагента в змеевик 8 теплообменника 7, одновременно включают электроподогреватель 14 и подогревают внутренний сосуд 5 до температуры порядка плюс 90°С, при этом давление ксенона во внутренней полости сосуда 5 растет, а при сообщении его с баллонами потребителя 18 посредством открытия вентилей 20 и 21 на магистрали подачи газа 19 ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 22, охлаждается до заданной температуры (температуры охлаждающей среды) и поступает в баллоны потребителя 18 (цикл нагнетания). После выравнивания давления между внутренней полостью сосуда 5 и баллонами потребителя 18 вентили 20,21 закрывают, а также выключают электроподогреватель 14. Таких последовательных процессов (температурных циклов) охлаждения-нагрева вновь пополняемых порций ксенона из стендового баллона 1 во внутреннюю полость сосуда 5 (баллона-компрессора 2) совершают столько, сколько необходимо для достижения заданного давления ксенона в баллонах потребителя 5, например до 100 кг/см2.
Выполнение баллона-компрессора 2 в виде теплоизолированной двустенной емкости с оребрением 4 внутреннего сосуда 5, размещенного в межстенной полости 6, и с теплообменником, выполненным в виде трубчатого змеевика 8, размещенного внутри сосуда 5 и подключенного на входе 9 к источнику холода 3, а на выходе к межстенной полости 6, которая сообщена с прокачным каналом 11 охлаждаемого экрана 12, установленного под слоями теплоизоляции, позволяют использовать каскадную систему захолаживания баллона-компрессора 2, заключающуюся в последовательном захолаживании потока хладагента через теплообменные узлы конструкции: через теплообменник 7, обеспечивающий захолаживание внутренней полости сосуда 5 и заправляемого в нее газа (ксенона); через межстенную полость 6, обеспечивающую непосредственную защиту от теплопритоков к внутреннему сосуду 5, и через охлаждаемый экран 12, защищающий двустенную емкость баллона-компрессора 2 от теплопритоков извне.
Такая система защиты от теплопритоков баллона-компрессора 2 при его захолаживании значительно уменьшает теплопритоки, поступающие извне к баллону-компрессору 2, что повышает эффективность использования хладагента и сокращает время на захолаживание как конструкции баллона-компрессора, так и заправляемого в него газа (ксенона).
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает упрощение и улучшение конструкции термокомпрессионного устройства, повышает компактность, эффективность и уменьшает теплопритоки, при этом обеспечивается заправка баллонов потребителя газом (ксеноном), исключающая загрязнение закачиваемого газа, что выполняет поставленную задачу.