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 закачиваемою 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.
Известны компрессионные холодильные установки (см., например, патент России №20442332 от 05.06.1991, МПК F25B 1/00), содержащие компрессор, емкости высокого давления, магистраль заправки и магистраль подачи газа потребителю, теплообменники. 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.
Недостатками аналога являются загрязнение газа при заправке баллонов потребителя, низкая эффективность и сложность конструкции устройства.
Известно также компрессионное устройство для регенерации хладагентов (см., например, патент США №5379607, МПК F25B 49/00, от 12.10.1993), выбранное в качестве прототипа и содержащее источник газа высокого давления с подключенным к нему баллоном-компрессором, 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, а обслуживание устройства и его оборудования усложнено как во время эксплуатации, так и при проведении регламентных работ. Кроме того, в таких устройствах возникают трудности при работе и отказы запуска компрессора из-за отсутствия.
Недостатками прототипа являются невозможность исключения загрязнения газа при заправке баллонов потребителя и низкая надежность из-за наличия в магистрали прокачки теплоносителя на выходе из компрессора остаточного газа высокого давления при запуске и работе компрессора.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение эксплуатационных качеств термокомпрессионного устройства, а также повышение надежности за счет обеспечения перераспределения потока прокачиваемого газа в магистрали прокачки теплоносителя при запуске и работе компрессора.
Технический результат достигается тем, что в термокомпрессионном устройстве, содержащем источник газа высокого давления с подключенным к нему баллоном-компрессором, устройство для термоциклирования баллона-компрессора и магистраль прокачки теплоносителя, в отличие от известного, в нем баллон-компрессор выполнен в виде теплоизолированной двухстенной емкости с оребрением внутреннего сосуда, размещенным в межстенной полости, подсоединенной к устройству для термоциклирования баллона-компрессора, выполненному в виде разнотемпературных теплообменников и параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя, а магистраль прокачки теплоносителя выполнена в виде замкнутого контура, в который дополнительно включены ресивер, газовый редуктор, компрессор, обратный клапан, при этом в состав магистрали прокачки теплоносителя введена перепускная магистраль с включенными в нее нерегулируемым дросселем и двумя фильтрами тонкой очистки, установленными на входе и выходе нерегулируемого дросселя, причем один конец перепускной магистрали сообщен с магистралью прокачки теплоносителя на входе в газовый редуктор, а другой конец сообщен с магистралью прокачки на участке между выходом из компрессора и обратным клапаном.
Технический результат предлагаемого изобретения позволяет исключить загрязнение газа при его заправке в баллоны потребителя, при этом упрощается обслуживание при эксплуатации устройства и повышается надежность за счет обеспечения перераспределения потока прокачиваемого газа в магистрали прокачки теплоносителя при запуске и работе компрессора.
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 обслуживание при эксплуатации, а также повышается надежность работы компрессора при прокачке газообразного теплоносителя.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведены:
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 баллона-компрессора 2, а также устройства для термоциклирования баллона-компрессора и магистрали прокачки теплоносителя 3. Баллон-компрессор 2 выполнен в виде теплоизолированной емкости с двумя стенками - двухстенной емкости с оребрением 4 внутреннего сосуда 5, размещенным в образованной стенками емкости полости - межстенной полости 6, подсоединенной к устройству для термоциклирования баллона-компрессора, выполненному в виде двух разнотемпературных теплообменников 7 и 8, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя 3, которая выполнена в виде замкнутого контура, и к которой дополнительно подключен ресивер 9, газовый редуктор 10, установленный перед компрессором 11, а также обратный клапан 12, установленный после компрессора 11. В состав магистрали прокачки теплоносителя 3 введена перепускная магистраль 13 с включенными в нее регулируемым дросселем 14, например дроссельной шайбой, и двумя фильтрами 15, 16 тонкой очистки, установленными соответственно на входе и выходе дросселя 14. Один конец перепускной магистрали 13 сообщен с магистралью прокачки теплоносителя 3 на входе в газовый редуктор 10, а другой конец сообщен с магистралью прокачки теплоносителя 3 на участке между выходом из компрессора 11 и обратным клапаном 12. Кроме того, на трубопроводах магистрали прокачки теплоносителя 3 установлены пускоотсечные устройства, в качестве которых используют, например, вентили 17, 18, 19.
Ресивер 9 - накопитель теплоносителя включен в магистраль прокачки теплоносителя 3 через вентиль 20 и предназначен для создания запасов теплоносителя в замкнутом контуре, обеспечивающего длительную надежную работу устройства термоциклирования баллона-компрессора 2 при различных режимах работы. Замкнутый контур, включая ресивер 9, наполнен теплоносителем, например воздухом, до заданного давления. В качестве теплоносителя помимо воздуха можно использовать такие газы, как гелий или азот. Для теплоизоляции баллона-компрессора 2, теплообменников 7,8 и магистрали прокачки теплоносителя 3 используют, например, пенополиуретан 21.
Заправку, например, ксеноном баллона-компрессора 2 от стендовых баллонов 1 производят по трубопроводу 22 с вентилем 23. Баллон-компрессор 2 подключен к баллонам потребителя 24 посредством заправочной магистрали 25 с вентилями 26, 27 и теплообменником-охладителем 28.
Трубопровод 22 включен в заправочную магистраль 25 между вентилями 26 и 27, что обеспечивает подачу газа из стендовых баллонов 1 отдельно как в баллон-компрессор 2, так и в баллоны потребителя 24. Разнотемпературные теплообменники 7 и 8 выполнены в виде змеевиков, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя 3. Один теплообменник 7 снабжен рубашкой 29 для прокачки хладагента, например жидкого азота. Другой теплообменник 8 снабжен подогревателем 30 теплоносителя, например, врезным электронагревателем марки «Cetal».
Кроме того, в качестве пускоотсечного устройства, установленного на трубопроводах магистрали прокачки теплоносителя 3 наряду с вентилями 17, 18, 19, используют и газовый редуктор 31. Газовый редуктор 10 и газовый редуктор 31 предназначены для настройки и регулирования расхода давления теплоносителя в магистрали прокачки теплоносителя 3.
2
-5
-5
Работает термокомпрессионное устройство следующим образом. Перед началом функционирования 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, заполненые чистым ксеноном высокого давления 40 кг/см. В закачиваемом ксеноне должно быть кислорода не более 3·10 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 баллонов осуществляют процесс термокомпрессии и подачу ксенона в баллоны потребителя 24, который производится следующим образом.
В исходном положении все вентили закрыты.
2
Первоначально производят захолаживание баллона-компрессора 2, для этого открывают вентили 17 и 18 на магистрали прокачки теплоносителя 3 (например, воздуха, закаченного в замкнутый контур) и включают компрессор 11, обеспечивая прокачку воздуха по замкнутому контуру. Воздух проходит через теплообменник 7, охлаждаемый хладагентом, например жидким азотом, подаваемым, например, из сосуда Дьюара и пропускают через рубашку 29 теплообменника 7, где охлаждают прокачиваемый теплоноситель (воздух) до температуры порядка минус 90°С. Охлажденный воздух из теплообменника 7 поступает в межстенную полость 6 баллона-компрессора 2 и захолаживает внутренний сосуд 5 до температуры порядка минус 80°С. В захоложенный внутренний сосуд 5 из стендового баллона 1 подают ксенон, для чего открывают вентили 23, 26 и заполняют внутренний сосуд 5 до заданного давления, при этом происходит конденсация ксенона во внутреннем сосуде 5 (цикл всасывания). После заполнения внутреннего сосуда 5 баллона-компрессора 2 ксеноном и охлаждения его до температуры порядка минус 80°С стендовый баллон 1 отсекают (закрывают вентили 23 и 26) и одновременно закрывают вентиль 18 на магистрали прокачки теплоносителя 3, а вентиль 19 открывают, после чего включают подогреватель 30 (электронагреватель). Поток воздуха, переключенный на теплообменник 8, при прохождении через него нагревается до температуры порядка плюс 95°С и поступает в межстенную полость 6 баллона компрессора 2, нагревает внутренний сосуд 5 до температуры порядка плюс 90°С, при этом давление ксенона во внутреннем сосуде 5 растет, а при сообщении его с баллонами потребителя 24 посредством открытия вентилей 26 и 27 на заправочной магистрали 25, ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 28, охлаждается до заданной температуры (температуры охлаждающей среды) и поступает в баллоны потребителя 24 (цикл нагнетания). После выравнивания давления между внутренним сосудом 5 баллона-компрессора 2 баллонами потребителя 24 вентили 26 и 27 закрывают, а также закрывают вентиль 19 па магистрали прокачки теплоносителя 3 и выключают подогреватель 30 (электронагреватель) и останавливают компрессор 11. Таких последовательных процессов (температурных циклов) охлаждения-нагрева вновь пополняемых порций ксенона из стендовою баллона 1 в баллон-компрессор 2 совершают столько, сколько необходимо для достижения заданного давления ксенона в баллонах потребителя 26, например до 100 кг/см.
Ведение в состав магистрали прокачки теплоносителя 3 перепускной магистрали 13, включающей нерегулируемый дроссель 14 и два фильтра 15,16 тонкой очистки, установленные на входе и выходе дросселя 14, а также сообщение одного конца перепускной магистрали 13 с магистралью прокачки теплоносителя 3 на входе в газовый редуктор 10, а другого конца перепускной магистрали - на участке между выходом из компрессора 11 и обратным клапаном 12, обеспечивают перепуск части газа в период запуска и работы компрессора 11 из магистрали прокачки теплоносителя 3 на выходе из компрессора 11 в магистраль прокачки теплоносителя перед газовым редуктором 10, что, в свою очередь, создает условия для плавного и надежного запуска компрессора 11 и устойчивой его работы в период прокачки газа (теплоносителя) в замкнутом контуре магистрали прокачки теплоносителя.
Нерегулируемый дроссель 14, выполненный в виде дроссельной шайбы с расчетным проходным сечением отверстия, обеспечивает заданный расход газа, необходимый для смятения пусковых и рабочих характеристик компрессора 11. Фильтры 15, 16 тонкой очистки обеспечивают гарантированную чистоту газа, проходящего через дроссель 14, и надежно защищают его от засоров как при прямом, так и при обратном потоке газа.
Таким образом, предлагаемое конструктивное решение обеспечивает возможность использования термокомпрессионного устройства в штатных условиях, например на стартовой позиции без привязки к стендовым баллонам со сжатым воздухом при заполнении (закачке) газа (ксенона) в баллоны потребителя 24, что повышает мобильность и компактность термокомпрессионного устройства; при этом обеспечивается заправка баллонов потребителя 24 газом (ксеноном), исключающая загрязнение закачиваемого газа, и повышается надежность устройства за счет обеспечения перераспределения потока прокачиваемого газа в магистрали прокачки теплоносителя при запуске и работе компрессора.