ТЕРМОКОМПРЕССИОННОЕ УСТРОЙСТВО
THERMAL COMPRESSION 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.
Известны компрессионные холодильные установки (см., например, патент России №2044232 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 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, 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, а обслуживание устройства и его оборудования усложнено как во время эксплуатации, так и в период проведения регламентных работ.
Недостатками прототипа являются загрязнения газа при заправке баллонов потребителя и малая эффективность теплообменного устройства.
Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение конструкции термокомпрессионного устройства, повышение компактности его эксплуатационных качеств и эффективности.
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 двустенной емкости с оребрением внутреннего сосуда, размещенным в межстенной полости, подключенной к устройству для термоциклирования баллона-компрессора, выполненному в виде витого трубчатого теплообменника, на внутренней трубке которого выполнено внешнее оребрение, причем внутренняя трубка включена в магистраль прокачки теплоносителя, а межтрубное пространство подключено к трубопроводу для подачи хладагента, при этом трубчатый теплообменник снабжен подогревателем теплоносителя и теплозащитным кожухом.
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, а также за счет повышение эффективности устройства путем уменьшения теплопритоков в процессе термоциклирования баллона-компрессора.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведены:
на фиг.1 - термокомпрессионное устройство;
на фиг.2 - узел I устройство теплообменника;
на фиг.3 - сборка теплообменника до навивки и формирования змеевика (развертка).
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 - двустенной 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 витого трубчатого теплообменника 7, изготовленного по типу «труба в трубе». На внутренней трубке 8 теплообменника 7 выполнено внешнее оребрение 9, например, в виде проволоки, намотанной по спирали с определяемым шагом h, лежащим в диапазоне от 4 до 6 диаметров проволоки, являющимся оптимальным шагом для образования канала прокачки теплоносителя, и закрепленной, например, посредством пайки на внешней поверхности трубки 8 (см. фиг.3), которая включена в магистраль прокачки теплоносителя 3. При этом внутренняя трубка с оребрением установлена во внешнюю трубку с образованием зазора. Межтрубное пространство 10 теплообменника 7 подключено к трубопроводу 11 для подачи хладагента, например жидкого азота, из сосуда Дьюара. Теплообменник 7 снабжен подогревателем 12 теплоносителя, например врезным электронагревателем марки «Cetal», а также теплозащитным кожухом 13.
Магистраль прокачки теплоносителя 3 включает: вентиль 14, газовый редуктор 15, теплообменники 7, межстенную полость 6 двустенной емкости и вентили 16, 17 и 18, предназначенные соответственно для сообщения с атмосферой, потребителями охлажденного и подогретого теплоносителя.
В качестве теплоносителя используют газ, например воздух, гелий, азот. Заправку, например, ксеноном баллона-компрессора 2 от стендовых баллонов 1 производят посредством трубопровода 20 с вентилем 21. Баллон-компрессор 2 подключен к баллонам потребителя 22 посредством заправочной магистрали 23 с вентилями 24 и 25 и теплообменником-охладителем 26. Трубопровод 20 включен в заправочную магистраль 23 между вентилями 24 и 25, что обеспечивает подачу газа из баллонов 1 отдельно как в баллон-компрессор 2, так и в баллоны потребителя 22. Трубопровод 11 для подачи хладагента снабжен вентилем 27. В состав теплообменника 7 также входит внешняя трубка 28. Газовый редуктор 15 используют при настройке и регулировке расхода и давления теплоносителя в магистрали прокачки теплоносителя 3.
Изготовление теплообменника 7 по типу «труба в трубе» (см. фиг.3) производят следующим образом. На внешнюю поверхность внутренней трубки 8 теплообменника 7 навивают в виде спирали с шагом проволоку, образуя оребрение 9, и закрепляют, например, посредством пайки. Далее во внешнюю трубку 28 теплообменника 7 вставляют и протягивают на всю длину внутреннюю трубку 8 с оребрением. Проволока, создающая оребрение 9, имеет диаметр d меньший кругового зазора S, образуемого между внешней поверхностью внутренней трубки 8 и внутренней поверхностью внешней трубки 28. Из собранного пакета трубок 8 и 28 формируют спиральный змеевик - теплообменник 7 по типу «труба в трубе» и помещают его в защитный кожух 13. Спиральная навивка проволоки, имеющей диаметр d, меньший кругового зазора S, на внешнюю поверхность внутренней трубки 8 гарантирует сохранение кругового зазора по всей длине межтрубного пространства 10, при этом спиральная навивка проволоки создаст спиральный канал для прохождения хладагента, что значительно повышает эффективность теплообмена.
Поясним эксплуатацию термокомпрессионного устройства.
2
-5
-5
Перед началом функционирования термокомирессионного 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 3·10 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 и баллонов осуществляют процесс термокомпрессии и подачу ксенона в баллоны потребителя 22, который производится следующим образом.
В исходном положении все вентили закрыты.
Первоначально производят захолаживание баллона-компрессора 2, для этого открывают вентили 14 на магистрали прокачки теплоносителя (воздуха) 3 и, например, от стендовых баллонов высокого давления подают в магистрали прокачки теплоносителя 3 воздух, пропускают его через теплообменник 7, охлаждаемый хладагентом, например жидким азотом, подаваемым, например, из сосуда Дьюара, подключенного к трубопроводу 11, посредством открытия вентиля 27 и пропускают через межтрубное пространство 10 теплообменника 7, где охлаждают до температуры порядка минус 90°С теплоноситель (воздух), прокачиваемый по внутренней трубке 8, включенной в магистраль прокачки теплоносителя 3. Пары азота из межтрубного пространства 10 сбрасывается в атмосферу.
2
Охлажденный воздух из теплообменника 7 поступает в межстенную полость 6 баллона-компрессора 2, захолаживает внутренний сосуд 5 до температуры порядка минус 80°С и сбрасывается при открытии вентиля 16 в атмосферу или при открытии вентиля 17 - потребителю охлаждаемого воздуха. В захолаженный внутренний сосуд 5 из стендового баллона 1 подают ксенон, для чего открывают вентили 21, 24 и заполняют внутренний сосуд 5, доводя 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 21 и 24) и одновременно закрывают вентиль 27 на трубопроводе 11, прекращая подачу хладагента в межтрубное пространство 10 теплообменника 7. Одновременно включают подогреватель 12, при этом теплоноситель (воздух) при прохождении через теплообменник 7 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 и сбрасывается при открытии вентиля 16 в атмосферу, а при открытии вентиля 18 - потребителю подогретого теплоносителя. При нагревании давление ксенона во внутреннем сосуде 5 растет, а при сообщении его с баллонами потребителя 22 посредством открытия вентилей 24, 25 на заправочной магистрали 23 ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 26, охлаждается до заданной температуры (температуры охлаждающей среды) и поступает в баллоны потребителя 22 (цикл нагнетания). После выравнивания давления между внутренним сосудом 5 баллона-компрессора 2 и баллонами потребителя 22 вентили 24 и 25 закрывают, а также закрывают вентиль 14 на магистрали прокачки теплоносителя 3 и выключают подогреватель 12. Таких последовательных процессов (температурных циклов) охлаждения-нагрева вновь пополняемых порций ксенона из стендового баллона 1 в баллон-компрессор 2 совершают столько, сколько необходимо для достижения заданного давления ксенона в баллонах потребителя 22, например до 100 кг/см.
Наряду с выполнением баллона-компрессора 2 в виде теплоизолированной двустенной емкости с оребрением 4 внутреннего сосуда 5, увеличивающим площадь для теплообмена через стенку с теплоносителем и газом (ксеноном) в процессе термоциклирования баллона-компрессора 2, выполнение устройства для термоциклирования баллона-компрессора в виде витого трубчатого теплообменника, на внутренней трубке 8 которого выполнено внешнее оребрение 9, и внутренняя трубка включена в магистраль прокачки теплоносителя, а межтрубное пространство 10 подключено к трубопроводу 11 для подачи хладагента, при снабжении трубчатого теплообменника подогревателем теплоносителя и теплозащитным кожухом, обеспечивают возможность использования в качестве теплоносителя не только жидкость, но и газ, что значительно повышает эффективность процесса теплообмена и улучшает эксплуатационные качества, а также повышает компактность и улучшает конструкцию устройства, при этом обеспечивается заправка баллонов потребителя 22 газом (ксеноном), исключающая загрязнение закачиваемого газа, что выполняет поставленную задачу.