УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ БАЛЛОНОВ-КОМПРЕССОРОВ
DEVICE FOR THERMOCYCLING OF CYLINDER-COMPRESSORS

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 устройства для термоциклирования (см., например, Энциклопедический справочник «Холодильная техника», книга 1, Госторгиздат, 1960 г. Под редакцией Ш.Н.Кобулашвили, стр.477, рис.1), содержащие емкость, частично заполненную теплоносителем (фреоном-12). Внутри емкости расположен теплообменник, выполненный в виде простого змеевика, и электрический нагреватель блочного типа. Устройство снабжено компрессором для откачки паров холодильного агента. Змеевик расположен в паровой части емкости и служит испарителем холодильной машины.
Недостатком аналога является низкая эффективность процесса термоциклирования.
Известно также устройство для термоциклирования (регенерации) хладагентов (см., например, патент США № 5379607, МКИ F25B 49/00, от 12.10.1993 г., опубликовано 10.01.1995 г.), выбранное в качестве прототипа и содержащее теплоизолированную емкость, снабженную крышкой и заполненную теплоносителем, теплообменник и нагреватель. В состав устройства входят компрессор, ресивер, конденсатор. Конструктивное исполнение устройства обеспечивает регенерацию хладагентов (теплоносителей) типа CFC (Ф-11, Ф-12, Ф-113) для откачки в транспортный баллон (потребителю). Наличие обычного механического компрессора, имеющего смазку вращающихся и перемещающихся узлов и деталей, не исключает загрязнение газа парами масла (смазки), что применительно к перекачке чистого газа недопустимо.
Недостатком прототипа является невысокая эффективность процесса термоциклирования.
Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства для термоциклирования баллонов-компрессоров, которое обеспечивало бы повышение эффективности процесса термоциклирования путем улучшения конструкции и компоновки устройства.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для термоциклирования баллонов-компрессоров, содержащем теплоизолированную емкость, снабженную крышкой и заполненную теплоносителем, теплообменник выполнен в виде змеевика с бифилярной намоткой трубки, закрепленного на крышке емкости с равноудаленным расположением витков змеевика относительно мешалки, снабженной двигателем, выполненной в виде шнека, - одно- или многозаходного, заключенного в закрепленный консольно на крышке цилиндрический корпус, полость которого сообщена через отверстия в верхней и нижней частях корпуса с полостью теплоизолированной емкости, нагреватель выполнен в виде трубчатого электронагревателя, сблокированного с устройством контроля температуры, например датчиком температуры или терморегулятором, вертикально установлен на дне емкости и размещен в среде теплоносителя в зоне между баллонами-компрессорами, расположенными между теплообменником и мешалкой и закрепленными на крышке емкости, при этом баллоны-компрессоры подключены к коллектору, объединяющему магистрали заправки и подачи газа потребителю.
Эффект достигается тем, что устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров выполнено и скомпоновано из известных конструктивных элементов (узлов) с улучшенными конструктивными характеристиками, позволяющими обеспечить повышение эффективности процесса термоциклирования баллонов-компрессоров, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения.
Использование предлагаемого устройства для термоциклирования баллонов компрессоров, например, при закачке (заправке) баллонов, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, ксеноном, который используется в качестве рабочего компонента в электрореактивных двигателях на космических летательных аппаратах типа «Ямал», «Белкам и др., позволит дать значительный экономический эффект за счет обеспечения повышения эффективности процесса термоциклирования баллонов-компрессоров.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
Устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров состоит из следующих основных узлов и деталей: теплоизолированной емкости 1, снабженной крышкой 2 и заполненной теплоносителем 3, например этиловым спиртом, теплообменника 4 и нагревателя 5. Теплообменник 4 выполнен в виде змеевика 6 с бифилярной намоткой трубки, закрепленного на крышке 2 емкости 1 с равноудаленным расположением витков змеевика 6 относительно мешалки 7, снабженной двигателем 8, выполненной в виде одно- или многозаходного шнека, заключенного в цилиндрический корпус 9, закрепленный консольно на крышке 2, имеющий отверстия 10 в верхней и нижней частях корпуса, при этом в нижней части отверстия могут быть выполнены как у торца, так и на торце, или нижней торец 11 может быть открытым. Нагреватель 5 выполнен в виде трубчатого электронагревателя, сблокированного с устройством контроля температуры 12 - датчиком температуры или терморегулятором, вертикально установлен на дне 13 емкости 1 и размещен в среде теплоносителя 3 в круговой зоне между баллонами-компрессорами 14, расположенными между теплообменником 4 и мешалкой 7 и закрепленными на крышке 2 емкости 1. Баллоны-компрессоры 14 подключены к коллектору 15, объединяющему магистрали заправки 16 и подачи 17 газа потребителю 18. Магистраль заправки 16 снабжена вентилем 19 и подключена к стендовым газовым баллонам 20, а магистраль подачи газа 17 потребителю 18 снабжена вентилем 21 и теплообменником- охладителем 22. Теплообменник 4 подключен к источнику холода, например к сосуду Дьюара 23 с жидким азотом, посредством теплоизолированного трубопровода с вентилем 24 и предохранительным клапаном 25.
2
-6
-6
Работает устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров следующим образом. Перед началом работы устройства производят очистку магистралей заправки 16 и подачи 17 газа, включая баллоны-компрессоры 14 и баллоны потребителя 18, от влаги и воздуха. Очистка производится способом вакуумирования с последующей продувкой чистым (сухим) газом, например азотом и ксеноном. Источником закачиваемого газа, например ксенона, в баллоны потребителя 18 являются стендовые баллоны 20, заполненные чистым ксеноном высокого давления порядка 40 кг/см. В закачиваемом ксеноне должно быть кислорода не более 6·10, а водяных паров не более 7·10 объемных долей. Такие требования по чистоте выставляются к ксенону, который используют в качестве рабочего компонента в электрореактивных двигателях космических летательных аппаратов типа «Ямал», «Белка» и др., являющихся потребителем 18 закачиваемого чистого ксенона.
2
Работа устройства основана на использовании принципа термокомпрессора, в котором необходимое для заправки (закачки) давление ксенона достигается в баллоне-компрессоре 14 по изохорическому процессу. После проведения очистки внутренних полостей магистралей 16, 17 и баллонов 14, 18 производят захолаживание баллонов-компрессоров 14, для чего открывают вентиль 24 и подают жидкий азот из сосуда Дьюара 23 в теплообменник 4, захолаживают теплоноситель 3 и расположенные в его среде баллоны-компрессоры 14 до температуры порядка минус 80°С, при этом мешалка 7 включена и обеспечивает перемешивание теплоносителя 3 для улучшения и ускорения процесса захолаживания баллонов-компрессоров 14, а выполненные в цилиндрическом корпусе отверстия способствуют циркуляции теплоносителя. Затем открывают вентиль 19 и захоложенные баллоны-компрессоры 14 заполняют ксеноном из стендовых баллонов 20 (цикл всасывания). После заполнения стендовые баллоны отсекают (закрывают вентиль 19) и закрывают вентиль 24, включают нагреватель 5, и при работающей мешалке 7 нагревают теплоноситель 3 и баллоны-компрессоры 14 до температуры порядка плюс 100°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 14 растет. В случае превышения температуры заданных значений по показаниям устройства контроля температуры 12 производится отключение нагревателя вручную, если устройство контроля выполнено в виде датчика температура, или автоматически, если устройство контроля выполнено в виде регулятора температуры. При открытии вентиля 21 ксенон, охлаждаясь в теплообменнике-охладителе 22 до температуры порядка 20°С, перекачивается в баллоны потребителя 18 (цикл нагнетания). Таких циклов всасывания-нагнетания совершается столько, сколько необходимо для достижения заданного давления ксенона в баллонах потребителя 18, например до 150 кг/см.
Таким образом, в результате использования данного изобретения обеспечивается заполнение баллонов потребителя 18 до заданного давления ксенона с соблюдением повышенной чистоты компонента (ксенона) необходимой, например, для эффективной и экономичной работы электрореактивных двигателей, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, при этом обеспечивается повышение эффективности процесса термоциклирования путем улучшения конструкции и компоновки устройства для термоциклирования баллонов-компрессоров 14, что в свою очередь позволяет выполнить поставленную задачу.