ТЕРМОКОМПРЕССИОННОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)
THERMOCOMPRESSION DEVICE (VERSIONS)

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 компрессионного термического 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 №2044232, МКИ F25B 1/00 от 05.06.1991 г.), 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, например, при использовании в электрореактивных двигателях, устанавливаемых на космических летательных аппаратах.
Недостатками аналога являются отсутствие возможности исключить загрязнение газа при заправке баллонов потребителя и малая эффективность устройства.
Известно также компрессионное устройство для регенерации хладагентов (см., например, патент США №5379607, 12.10.1993, МПК: F25B 49/00), выбранное в качестве прототипа и содержащее источник газа высокого давления, подключенный к баллонам-компрессорам, и устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров. В состав устройства также входят компрессор, ресивер, теплообменник-конденсатор. 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.
Недостатками прототипа являются невозможность исключения загрязнения газа при заправке баллонов потребителя и низкая эффективность устройства.
Задачей настоящего изобретения является создание такого термокомпрессионного устройства, которое обеспечивало бы заправку баллонов потребителя газом, исключающую его загрязнение, и повышало бы эффективность за счет ускорения процесса термоциклирования баллонов-компрессоров.
По первому варианту технический результат достигается тем, что в термокомпрессионное устройство, содержащее источник газа высокого давления, подключенный к баллонам-компрессорам и устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров, в отличие от прототипа устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров выполнено в виде набора разнотемпературных емкостей с одинаковыми горловинами, закрепленных на держателе, установленном с возможностью вращательно-поступательного перемещения относительно стойки, а в верхней части стойки жестко закреплен кронштейн с прикрепленной к нему крышкой, размер которой соответствует размеру каждой из горловин разнотемпературных емкостей и на которую подвешены баллоны-компрессоры, причем расстояние от продольных осей разнотемпературных емкостей до оси неподвижной стойки, а также расстояние между центром крышки и осью неподвижной стойки равны.
По второму варианту технический результат достигается тем, что в термокомпрессионное устройство, содержащее источник газа высокого давления, подключенный к баллонам-компрессорам, и устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров, в отличие от прототипа устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров выполнено в виде набора разнотемпературных емкостей с одинаковыми горловинами, закрепленных на держателе, прикрепленном к неподвижной стойке посредством, например, втулок или подшипников, установленных с возможностью вращательного перемещения относительно стойки, а в верхней части стойки закреплен кронштейн, установленный с возможностью поступательного перемещения вдоль неподвижной стойки, к кронштейну прикреплена крышка, размеры которой соответствуют размерам горловин разнотемпературных емкостей, и на нее подвешены баллоны-компрессоры, причем расстояние от продольных осей разнотемпературных емкостей до оси неподвижной стойки, а также расстояние между центром крышки и осью неподвижной стойки равны, при этом трубопровод, подключающий источник газа высокого давления к баллонам-компрессорам, снабжен гибкой связью.
По третьему варианту технический результат достигается тем, что в термокомпрессионное устройство, содержащее источник газа высокого давления, подключенный к баллонам-компрессорам и устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров, в отличие от прототипа устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров выполнено в виде набора разнотемпературных емкостей с одинаковыми горловинами, закрепленных на держателе, жестко прикрепленном к неподвижной стойке, а в верхней части стойки закреплен кронштейн, установленный с возможностью поступательного и вращательного перемещения относительно неподвижной стойки, к кронштейну прикреплена крышка, размеры которой соответствуют размерам горловин разнотемпературных емкостей, и на нее подвешены баллоны-компрессоры, причем расстояние между центром крышки и осью неподвижной стойки, а так же расстояние от осей разнотемпературных емкостей до оси неподвижной стойки равны, а трубопровод, подключающий источник газа высокого давления к баллонам-компрессорам, снабжен гибкой связью.
Основные различия заключаются в том, что держатель по первому варианту установлен с возможностью вращательно-поступательного перемещения относительно стойки, а кронштейн закреплен в верхней части неподвижной стойки жестко; по второму варианту держатель установлен с возможностью вращательного перемещения относительно неподвижной стойки, а кронштейн - с возможностью вертикального перемещения по неподвижной стойке; по третьему варианту держатель закреплен жестко (втулка законтрена), а кронштейн установлен с возможностью поступательного и вращательного перемещения относительно стойки; при этом трубопровод, подключающий источник газа высокого давления к баллонам-компрессорам, по второму и третьему вариантам снабжен гибкой связью.
Технический результат данного изобретения позволяет обеспечить упрощение конструкции (компоновки) и эксплуатации устройства, а также повысить эффективность, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения. Использование предлагаемого термокомпрессионного устройства, например, при заправке баллонов потребителя, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, позволит дать значительный экономический эффект за счет обеспечения непрерывной заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение, а также за счет повышения эффективности путем ускорения процесса термоциклирования баллонов-компрессоров.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где термокомпрессионное устройство изображено в исходном положении перед началом термоциклирования баллонов-компрессоров.
Термокомпрессионное устройство состоит из следующих основных узлов и деталей: источника газа высокого давления, например, стендовых баллонов 1 высокого давления, заправленных чистым газом, например, ксеноном и подключенных к баллонам-компрессорам 2, устройства для термоциклирования баллонов-компрессоров, выполненного в виде набора разнотемпературных емкостей 3, 4, 5 (первую, вторую, третью, предназначенных для обеспечения заданных температур баллонов-компрессоров) с одинаковыми горловинами 6. К неподвижной стойке 7 прикреплено приспособление для удержания разнотемпературных емкостей - держатель 8 для разнотемпературных емкостей 3, 4, 5 посредством, например, втулки 9 (или подшипников скольжения), при этом держатель 8 установлен с возможностью по первому варианту вращательно-поступательного перемещения относительно стойки 7, по второму варианту вращательного перемещения относительно стойки 7, по третьему варианту держатель закреплен жестко (втулка законтрена).
В верхней части стойки по первому варианту жестко закреплен, по второму варианту прикреплен к неподвижной стойке 7 посредством втулки 10, установленной с возможностью поступательного перемещения, по третьему варианту прикреплен к неподвижной стойке посредством втулок с возможностью поступательного и вращательного перемещения кронштейн 11. На кронштейне 11 закреплена крышка 12, размеры которой соответствуют размеру каждой из горловин 6 разнотемпературных емкостей, причем расстояние от продольных осей разнотемпературных емкостей 3, 4, 5 до оси неподвижной стойки 7, а также расстояние между центром крышки 12 и осью неподвижной стойки 7 равны. Разнотемпературные емкости 3, 4, 5 заполнены предварительно изготовленным теплоносителем, обеспечивающим охлаждение или нагрев баллонов-компрессоров 2 до заданных температур. Для обеспечения охлаждения или нагрева соответствующие емкости снабжены устройствами для охлаждения или нагрева теплоносителя, например, холодильными теплообменниками-змеевиками, подключенными к сосуду Дьюара с жидким азотом, и электронагревателями (кипятильниками). Так, например, первая емкость 3 заполнена этиловым спиртом и обеспечивает охлаждение баллонов-компрессоров 2 до температуры минус 80°С, вторая емкость 4 заполнена водой и обеспечивает нагрев баллонов-компрессоров 2 до температуры плюс 20°С и третья емкость 5 заполнена водой и обеспечивает нагрев баллонов-компрессоров 2 до температуры плюс 90°С. Источник газа высокого давления (стендовые баллоны 1) посредством трубопровода 13 с вентилем 14 подключен к баллонам-компрессорам 2, а баллоны-компрессоры 2 посредством трубопровода 15 с вентилем 16 подключены к баллонам потребителя 17. Перед баллонами потребителя 17 установлен теплообменник 18, охлаждаемый, например, водой от водопроводной системы стенда. Емкости 3, 4, 5 снабжены гибкими металлорукавами для заправки (слива) теплоносителей (на чертеже не показано), а крышка 12 снабжена побудителем циркуляции теплоносителя в емкостях 3, 4, 5, например, погружной шнекообразной мешалкой 19, повышающей эффективность теплообмена теплоносителя с баллонами-компрессорами 2. Шнекообразная мешалка 19 подвешена на крышке 12 и включается в работу после стыковки емкости 3 (4, 5) с крышкой 12. Подъемно-поворотные перемещения кронштейна 11 и (или) держателя 8 относительно неподвижной стойки 7 осуществляются вручную оператором, остановка кронштейна 11 или держателя 8 осуществляется за счет действующей силы трения между втулками 9, 10 и неподвижной стойкой 7. Во втором и третьем вариантах для обеспечения передвижения кронштейна 11 на последнем закреплена крышка 12 и баллоны-компрессоры 2, к которым от источника газа высокого давления подключен трубопровод, снабженный гибкой связью 20.
2
-5
-5
Работает термокомпрессионное устройство следующим образом. Перед началом работы устройства производят очистку внутренних полостей магистралей заправки и подачи газа потребителю, включая баллоны-компрессоры 2 и баллоны потребителя 17, от влаги и воздуха. Очистка производится способом ваккуумирования с последующей продувкой чистым (сухим) газом, например азотом и ксеноном. Источником закачиваемого газа, например ксенона, в баллоны потребителя 17 являются стендовые баллоны 1, заполненные чистым ксеноном высокого давления, порядка 40 кгс/см. В закачиваемом ксеноне должно быть кислорода не более 3·10 объемных долей, а водяных паров не более 4·10объемных долей. Такое требование по чистоте выставляется к ксенону, который используют в качестве рабочего компонента в электрореактивных двигателях космических летательных аппаратов, являющихся потребителями закачиваемого чистого ксенона. Работа устройства основана на использовании принципа термокомпрессора, в котором необходимое для заправки (закачки) давление ксенона достигается в баллонах-компрессорах 2 по изохорическому процессу.
После проведения очистки внутренних полостей магистралей и баллонов осуществляют процесс термокомпрессии и подачи (закачки) ксенона в баллоны потребителя 17, для чего по первому варианту: держатель 8 поворачивают, так, чтобы емкость 3 находилась точно под крышкой 12, далее держатель 8 перемещают вверх по неподвижной стойке 7 до стыковки емкости 3 с крышкой 12, при этом баллоны-компрессоры 2 погружаются в теплоноситель (этиловый спирт) и охлаждаются до температуры теплоносителя, порядка до минус 80°С. В захоложенные баллоны-компрессоры 2 открытием вентиля 14 производят подачу ксенона из стендовых баллонов 1, при этом происходит конденсация ксенона в баллонах-компрессорах 2 и их наполнение (цикл всасывания). После заполнения баллонов-компрессоров 2 ксеноном и охлаждения его до температуры порядка минус 80°С стендовые баллоны 1 отсекают (закрывают вентиль 14) и производят отсоединение емкости 3 от крышки 12 путем опускания держателя 8 в исходное (нижнее) положение. Далее поворачивают держатель 8 до установки емкости 4 под крышкой 12 и поднимают до соприкосновения и стыковки емкости 4 с крышкой 12, при этом баллоны-компрессоры 2 погружаются в теплоноситель (воду, подогретую до температуры плюс 20°С) и предварительно подогреваются до температуры теплоносителя, порядка 20°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 2 растет (предварительный процесс нагрева и подъема давления ксенона необходим для смягчения и снятия больших и резких напряжений в конструкции баллонов-компрессоров). После подогрева баллонов-компрессоров 2 до температуры порядка плюс 20°С производят отсоединение емкости 4 от крышки 1:2, опуская держатель 8 в исходное (нижнее) положение, и поворачивают держатель 8 до установки емкости 5 под крышкой 12, а затем поднимают держатель 8 до соприкосновения и стыковки емкости 5 с крышкой 12, при этом баллоны-компрессоры 2 погружаются в теплоноситель (воду, подогретую до температуры плюс 90°С) и подогреваются до температуры теплоносителя, порядка плюс 90°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 2 растет, а при открытии вентиля 16 ксенон, проходя через теплообменник 18, охлаждается до заданной температуры (температуры окружающей среды), например, до плюс 20°С и поступает в баллоны потребителя 17 (цикл нагнетания).
По второму варианту: держатель 8 поворачивают, так, чтобы емкость 3 располагалась точно под крышкой 12, далее опускают кронштейн 11 с закрепленной на ней крышкой 12 и с подвешенными на крышке 12 баллонами-компрессорами 2 до соприкосновения и стыковки крышки 12 с емкостью 3, при этом баллоны-компрессоры 2 погружаются в теплоноситель (этиловый спирт, охлажденный до минус 80°С) и охлаждаются до температуры теплоносителя, порядка до минус 80°С. В захоложенные баллоны-компрессоры 2 открытием вентиля 14 производят подачу ксенона из стендовых баллонов 1, при этом происходит конденсация ксенона в баллонах-компрессорах 2 и их наполнение (цикл всасывания). После заполнения баллонов-компрессоров 2 ксеноном и охлаждения его до температуры порядка минус 80°С стендовые баллоны 1 отсекают (закрывают вентиль 14) и производят отстыковку емкости 3 от крышки 12 путем подъема кронштейна 11 в исходное (верхнее) положение, при этом крышка 12 и баллоны-компрессоры 2 также поднимаются. Далее поворачивают держатель 8 до установки емкости 4 под крышкой 12 и опускают кронштейн 11 до соприкосновения и стыковки крышки 12 с емкостью 4, при этом баллоны-компрессоры 2 погружаются в теплоноситель (воду, подогретую до температуры плюс 20°С) и предварительно подогреваются до температуры теплоносителя, порядка 20°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 2 растет (процесс предварительного нагрева и подъема давления ксенона необходим для смягчения и снятия больших и резких напряжений в конструкции баллонов-компрессоров). После подогрева баллонов-компрессоров 2 до температуры порядка плюс 20°С производят отсоединение крышки 12 от емкости 4, поднимая кронштейн 11 с крышкой 12 и баллонами-компрессорами 2 в исходное верхнее положение, и поворачивают держатель 8 до установки емкости 5 под крышкой 12, а затем опускают кронштейн 11 до соприкосновения и стыковки крышки 12 с емкостью 5, при этом баллоны-компрессоры 2 погружаются в теплоноситель (воду, подогретую до температуры плюс 90°С) и подогреваются до температуры теплоносителя, порядка плюс 90°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 2 растет, а при открытии вентиля 16 ксенон, проходя через теплообменник 18, охлаждается до заданной температуры (температуры окружающей среды), например до плюс 20°С, и поступает (закачивается) в баллоны потребителя 17 (цикл нагнетания).
По третьему варианту: кронштейн 11 поворачивают, так, чтобы крышка 12 находилась точно над емкостью 3, далее опускают кронштейн 11 с закрепленной на ней крышкой 12 и с подвешенными на крышке 12 баллонами-компрессорами 2 до соприкосновения и стыковки крышки 12 с горловиной емкости 3, при этом баллоны-компрессоры 2 погружаются в теплоноситель (этиловый спирт, охлажденный до минус 80°С) и охлаждаются до температуры теплоносителя, порядка минус 80°С. В захоложенные баллоны-компрессоры 2 открытием вентиля 14 производят подачу ксенона из стендовых баллонов 1, при этом происходит конденсация ксенона в баллонах-компрессорах 2 и их наполнение (цикл всасывания). После заполнения баллонов-компрессоров 2 ксеноном и охлаждения его до температуры порядка минус 80°С стендовые баллоны 1 отсекают (закрывают вентиль 14) и производят отсоединение крышки 12 от емкости 3 путем подъема кронштейна 11 в исходное (верхнее) положение, при этом крышка 12 и баллоны-компрессоры 2 также поднимаются. Далее поворачивают кронштейн 11 с крышкой 12 и подвешенными на ней баллонами-компрессорами 2 до установки крышки 12 над емкостью 4 и опускают кронштейн 11 до соприкосновения и стыковки крышки 12 с емкостью 4, при этом баллоны-компрессоры 2 погружаются в теплоноситель (воду, подогретую до температуры плюс 20°С) и предварительно подогреваются до температуры теплоносителя, порядка 20°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 2 растет (предварительный процесс нагрева и подъема давления ксенона необходим для смягчения и снятия больших и резких напряжений в конструкции баллонов-компрессоров). После подогрева баллонов-компрессоров 2 до температуры порядка плюс 20°С производят отсоединение крышки 12 от емкости 4, поднимая кронштейн 11 с крышкой 12 и баллонами-компрессорами 2 в исходное верхнее положение, и поворачивают кронштейн 11 с крышкой 12 и подвешенными на ней баллонами-компрессорами 2 до установки крышки 12 над емкостью 5 и опускают кронштейн 11 до соприкосновения и стыковки крышки 12 с горловиной емкости 5, при этом баллоны-компрессоры 2 погружаются в теплоноситель (воду, подогретую до температуры плюс 90°С) и подогреваются до температуры теплоносителя, порядка плюс 90°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 2 растет, а при открытии вентиля 16 ксенон, проходя через теплообменник 18, охлаждается до заданной температуры (температуры окружающей среды), например до плюс 20°С, и поступает (закачивается) в баллоны потребителя 17 (цикл нагнетания).
2
Таких последовательных процессов (температурных циклов) охлаждения-нагрева вновь пополняемых порций ксенона из стендовых баллонов 1 в баллоны-компрессоры 2 совершается столько, сколько необходимо для достижения заданного давления ксенона в баллонах потребителя 17, например, до 150 кгс/см, как по первому, так и по второму, и по третьему вариантам. Выполнение устройства для термоциклирования баллонов-компрессоров 2 в виде набора разнотемпературных емкостей 3, 4, 5 с одинаковыми горловинами 6 и закрепление их на держателе 18 позволяет при поступательно-поворотном перемещении обеспечить попеременную стыковку (расстыковку) с унифицированной крышкой 12 с подвешенными на ней баллонами-компрессорами 2, позволяет ускоренно без промежуточных задержек на охлаждение-нагрев теплоносителя осуществлять процесс термоциклирования баллонов-компрессоров 2, заполненных газом (ксеноном), при этом обеспечивается заданная чистота газа (ксенона) и повышается эффективность, что обеспечивает выполнение поставленной задачи.
Установка по второму варианту кронштейна 11 с возможностью вертикального перемещения по неподвижной стойке 7, на которой закреплена крышка 12 с подвешенными на ней баллонами-компрессорами 2, позволяет проводить операцию термоциклирования баллонов-компрессоров 2 без подъема емкостей 3, 4, 5, заполненных теплоносителем, что повышает эффективность, удобство обслуживания и упрощает стыковку емкостей 3, 4, 5 с крышкой 12.
Установка по третьему варианту кронштейна 11 с возможностью вертикального и вращательного перемещения при неподвижном держателе 8 исключает подъем и вращательное перемещение емкостей 3, 4, 5, заполненных теплоносителем, а следовательно, упрощается обслуживание и конструкция устройства, повышается эффективность, при этом исключаются выплески теплоносителя из емкостей при их перемещениях, имеющихся в предыдущих вариантах.