ТЕРМОКОМПРЕССИОННОЕ УСТРОЙСТВО
TERMOCOMPRESSION 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 США №5379607, МПК: P25B 49/00, от 12.10.1993), содержащее компрессор, ресивер, емкости высокого давления, теплообменники и магистрали заправки и подачи газа потребителю. Устройство обеспечивает регенерацию хладагентов типа CFC (фреон-11, фреон-12, фреон-113) для откачки в транспортный баллон потребителю.
Наличие в них механического компрессора, использующего смазку для вращающихся и перемещающихся узлов и деталей, не исключает загрязнения газа парами масла (смазки), что недопустимо при перекачке (заправке) газа в баллоны потребителя, применяющего данный газ в качестве рабочего компонента. Кроме того, усложнена конструкция и эксплуатация устройства.
Недостатками аналога являются загрязнение газа при заправке баллонов потребителя, низкая эффективность и сложность конструкции устройства.
Известно также термокомпрессионное устройство по патенту России №2351840, МПК: P17C 5/06, с приоритетом от 07.08.2007, выбранное в качестве прототипа и содержащее источник газа высокого давления с подключенными к нему баллонами-компрессорами, источник холода и объединенную магистраль заправки баллонов-компрессоров и подачи газа потребителю, снабженную первым теплообменником-охладителем, на входе в который параллельно включены баллоны-компрессоры. В состав устройства входят модули термоциклирования баллонов-компрессоров, теплоизолированные емкости которых заполнены теплоносителем с погруженными в него баллонами-компрессорами, подключенными к источнику газа высокого давления, и снабжены каждая нагревателем и теплообменником-охладителем, подключенными к источнику холода. Данное устройство позволяет обеспечить непрерывную заправку баллонов потребителя газом, исключающую его загрязнение, но использование модулей термоциклирования баллонов-компрессоров, использующих жидкий теплоноситель, делает конструкцию термокомпрессионного устройства громоздкой и имеет низкую эффективность.
Недостатками прототипа являются громоздкость конструкции и низкая эффективность.
Техническим результатом, достигаемым настоящим изобретением, является повышение компактности и эффективности устройства, а также обеспечение непрерывной заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение.
Технический результат достигается тем, что в термокомпрессионном устройстве, содержащем источник газа высокого давления с подключенными к нему баллонами-компрессорами, источник холода и объединенную магистраль заправки баллонов-компрессоров и подачи газа потребителю, снабженную первым теплообменником-охладителем, на входе в который параллельно включены баллоны-компрессоры, в отличие от известного, каждый баллон-компрессор выполнен в виде теплоизолированной двустенной емкости с оребрением внутреннего сосуда, размещенным в межстенной полости, подключенной к источнику холода, при этом внутренний сосуд в каждой теплоизолированной двустенной емкости снабжен подогревателем, а межстенная полость на выходе сообщена с охлаждаемым экраном, установленным под слоями теплоизоляции, при этом объединенная магистраль заправки баллонов-компрессоров и подачи газа потребителю снабжена регулирующими дроссельными вентилями, установленными непосредственно на входе в каждый баллон-компрессор, и вторым теплообменником-охладителем, установленным на выходе из источника газа высокого давления, причем межтрубная полость второго теплообменника-охладителя подключена к выходу из охлаждаемого экрана каждого баллона-компрессора.
Использование предлагаемого термокомпрессионного устройства, например, при заправке баллонов потребителя, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, таких как спутники связи, позволит получить значительный экономический эффект за счет обеспечения непрерывной заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение, повышение компактности и эффективности работы устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
Термокомпрессионное 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 двух баллонов-компрессоров 2, 3, источника холода 4, например сосуда Дьюара с жидким азотом, и объединенной магистрали 5 заправки баллонов-компрессоров и подачи газа потребителю, снабженной первым теплообменником-охладителем 7, на входе 8 в который включены параллельно и автономно работающие баллоны-компрессоры 2, 3. Каждый баллон-компрессор 2 (3) выполнен в виде теплоизолированной емкости с двумя стенками - двустенной емкости с оребрением 9 (10) внутреннего сосуда 11 (12), размещенным в образованной стенками емкости полости - межстенной полости 13 (14) соответственно, подсоединенной к источнику холода 4, при этом в каждой теплоизолированной двустенной емкости внутренний сосуд 11, 12 снабжен соответственно подогревателем 15 (16), например электронагревателем из угольной ткани, закрепленным на внешней стенке внутреннего сосуда и подключенным к внешнему источнику электропитания, а межстенная полость 13 (14) на выходе 17 (18) сообщена с охлаждаемым экраном 19 (20), установленным под слоями теплоизоляции 21 (22). Объединенная магистраль 5 заправки баллонов-компрессоров и подачи газа потребителю снабжена регулирующими дроссельными вентилями 23 (24), установленными непосредственно на входе 25 (26) в каждый баллон-компрессор 2 (3), и дополнительно - вторым теплообменником-охладителем 27, установленным на выходе из источника газа высокого давления 1, причем межтрубная полость 28 второго теплообменника-охладителя 27 подключена к выходам 29 (30) из охлаждаемых экранов 19 (20) соответственно каждого баллона-компрессора 2 (3).
В качестве подогревателя 15 (16) используют, например, выполненный в виде чехла кожух из угольной ткани, в качестве которой используют угольную ткань ТУ 1916-155-05763346-95, который закрепляют с тепловым контактом на внешней поверхности стенки 16 внутреннего сосуда 11(12). Тепловой контакт обеспечивают, например, посредством стяжек (шнуровок) из стеклонити или клеями марки К-300; ВК-9 по ОСТ92-0949-74.
Охлаждаемые экраны 19, 20 выполнены, например, в виде обечаек 31, 32 из теплопроводного материала с закрепленными на их поверхности трубчатыми змеевиками 33 и 34, скрепленными соответственно с обечайками посредством пайки.
В качестве теплоизоляции 21, 22 используют, например, пенополиуретан или многослойную экранно-вакуумную изоляцию, закрепленную на охлаждаемых экранах 19, 20.
2
-5
-5
Объединенная магистраль 5 снабжена вентилями 35 и 36. Подачу хладагента в межстенную полость 13 (14), например жидкого азота, от источника холода 4, например из сосуда Дьюара, производят по теплоизолированному трубопроводу 37, снабженному вентилями 38, 39. Поясним эксплуатацию термокомпрессионного устройства. Перед началом функционирования термокомпрессионного устройства производят очистку внутренних полостей объединенной магистрали 5 заправки баллонов-компрессоров и подачи газа потребителю, включая баллоны-компрессоры 2 (3) и баллоны потребителей 6 от влаги и воздуха. Очистка производится способом вакуумирования с последующей продувкой чистым азотом и ксеноном. Источником закачиваемого газа, например ксенона, в баллоны потребителя 6 являются стендовые баллоны 1, заполненные чистым ксеноном высокого давления 80 кг/см. В закачиваемом ксеноне должно быть кислорода не более 4·10 объемных долей, а водяных паров не более 6·10 объемных долей.
Работа устройства основана на использовании принципа термокомпрессора, в котором необходимое для заправки (закачки) давление ксенона достигается в баллонах-компрессорах 2 (3) по изохорическому процессу. После проведения очистки внутренних полостей объединенной магистрали 5, баллонов-компрессоров 2 (3) и баллонов потребителя 6 производят захолаживание баллонов-компрессоров 2, 3, для этого открывают вентили 38 и 39 и подают, например, парообразный или жидкий азот от источника холода 4, например из сосуда Дьюара, в межстенные полости 13, 14, захолаживают баллоны-компрессоры 2, 3 до температуры порядка минус 80°C, при этом пары азота, образующиеся в межстенных полостях 13, 14, через выходы 17, 18 поступают в змеевики 33, 34 охлаждаемых экранов 19, 20 соответственно, охлаждают экраны 19, 20, снимают теплопритоки, поступающие из окружающей среды к баллонам-компрессорам 2, 3, и затем через выходы 29, 30 соответственно подаются в межтрубную полость 28 второго теплообменника-охладителя 27, в котором происходит предварительное охлаждение ксенона перед его подачей в баллоны-компрессоры 2, 3. Из межтрубной полости 28 пары азота сбрасываются в атмосферу.
В захоложенные внутренние сосуды 11, 12 из стендового баллона 1 подают ксенон, для чего устанавливают (настраивают) регулирующие дроссельные вентили 23(24) на режим дросселирования и открывают вентиль 35. Ксенон, попадая во второй теплообменник-охладитель 27, предварительно охлаждается и поступает в регулирующие дроссельные вентили 23, 24, в процессе дросселирования доохлаждается и заполняет внутренние сосуды 11, 12 до заданного давления, при этом происходит конденсация ксенона во внутреннем сосуде 11, 12 (цикл всасывания). После заполнения внутренних сосудов 11, 12 баллонов-компрессоров 2, 3 ксеноном и охлаждения его до температуры порядка минус 80°C стендовый баллон 1 отсекают (закрывают) вентилями 23, 24 и 35 и закрытием вентилей 38, 39 прекращают подачу хладагента в межстенные полости 13, 14. Одновременно включают подогреватели 15, 16 и нагревают внутренние сосуды 11, 12 до температуры порядка плюс 90°C, при этом давление ксенона во внутренних сосудах 11, 12 растет, а при сообщении его с баллонами потребителя 6 посредством открытия вентилей 23, 24 и 36 на объединенной магистрали 5, ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 7, охлаждается до заданной температуры (температуры охлаждающей среды) и поступает в баллоны потребителя 6 (цикл нагнетания). После выравнивания давления между внутренними сосудами 11, 12 баллонов-компрессоров 2, 3 и баллонами потребителя 6 вентили 23, 24 и 36 закрывают, а также выключают подогреватели 15, 16.
2
Таких последовательных процессов (температурных циклов) всасывания-нагнетания совершают столько, сколько необходимо для достижения заданного давления ксенона в баллонах потребителя 6, например до 180 кг/см.
Выполнение устройства с одинаковыми автономно работающими баллонами-компрессорами 2, 3, которые параллельно включены в объединенную магистраль заправки баллонов-компрессоров и подачи газа в баллоны потребителя на входе 8 первого теплообменника-охладителя 7, позволяет обеспечить непрерывную заправку баллонов потребителя 6 газом, исключающую загрязнение газа, т.к. такая конструкция дает возможность производить заправку (цикл нагнетания), например, от баллона-компрессора 2, в то время как баллон-компрессор 3 находится в состоянии подготовки к заправке (цикл всасывании), т.е. одновременно, когда баллон-компрессор 2 находится в состоянии цикла нагнетания, баллон-компрессор 3 находится в состоянии цикла всасывания и наоборот.
Такое смещение режимов работы баллонов-компрессоров позволяет попеременно, а в целом бесперебойно пополнять баллоны потребителя закачиваемым газом (ксеноном), при этом обеспечивается заданная чистота ксенона. Кроме того, объединенная магистраль заправки баллонов-компрессоров и подачи газа потребителю снабжена регулирующими дроссельными вентилями 23 и 24, установленными непосредственно на входе 25, 26 соответственно в каждый баллон-компрессор, и вторым теплообменником-охладителем 27, установленным на выходе из источника газа высокого давления, причем межтрубная полость 28 второго теплообменника-охладителя подключена к выходам 29, 30 из охлаждаемого экрана соответственно каждого баллона-компрессора, что позволяет значительно повысить эффективность и сократить время захолаживания газа (ксенона) путем предварительного охлаждения в процессе прохождения его через второй теплообменник-охладитель (за счет охлаждения отходящими парами азота) и регулирующие дроссельные вентили 23, 24 (за счет эффекта Джоуля-Томсона при дросселировании газа). Также повышается эффективность и экономичность предлагаемого устройства за счет дополнительного использования выбрасываемых (отходящих) холодных паров азота из охлаждаемых экранов 19, 20 баллонов-компрессоров. При этом обеспечивается непрерывная заправка баллонов потребителя 6 газом, исключающая его загрязнение, при повышении компактности.