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 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: F25B 49/00, от 12.10.1993), содержащее компрессор, ресивер, источник газа высокого давления с подключенным к нему баллоном-компрессором, устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров и магистраль подачи газа потребителю. Наличие в нем механического компрессора, использующего смазку для вращающихся и перемещающихся узлов и деталей, не исключает загрязнения парами масла (смазки), что не допускается при перекачке (заправке) газа в баллоны потребителя, кроме того усложнена конструкция и эксплуатация устройства.
Известно также термокомпрессионное устройство (см., например, патент России №2351840 от 07.08.2007, МПК: F17C 5/06), выбранное в качестве прототипа и содержащее источник газа высокого давления с подключенным к нему баллоном-компрессором, источник холода и
магистраль подачи газа потребителю, снабженную теплообменником-охладителем. Теплоизолированные емкости, входящие в модули для термоциклирования баллонов-компрессоров, заполнены теплоносителем, в который погружают баллоны-компрессоры. Модули для термоциклирования баллонов-компрессоров снабжены нагревателем, мешалкой с электроприводом и теплообменником, погруженным в теплоноситель и подключенным к источнику холода. Данное устройство позволяет обеспечить заправку газом, исключая его загрязнение, но использование жидкого теплоносителя для проведения термоциклирования баллонов-компрессоров значительно усложняет конструкцию и эксплуатацию устройства, что также приводит к увеличению материальных затрат при изготовлении и эксплуатации устройства.
Недостатками прототипа являются сложность конструкции и эксплуатация устройства, а также наличие дополнительных громоздких агрегатов и узлов, необходимых при подготовке жидкого теплоносителя для термоциклирования баллонов-компрессоров.
Задачей настоящего изобретения является создание такого термокомпрессионного устройства, которое исключало бы использование жидкого или газообразного теплоносителя.
Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение конструкции и эксплуатации термокомпрессионного устройства, а также повышение эффективности теплообмена при работе баллона-компрессора, при обеспечении заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение.
Технический результат достигается тем, что в тсрмокомпрессионном устройстве, содержащем источник газа высокого давления с подключенным к нему баллоном-компрессором, источник холода и магистраль подачи газа потребителю, снабженную теплообменником-охладителем, в отличие от известного, баллон-компрессор снабжен внешней теплозащитой и теплообменником, выполненным в виде трубчатого змеевика, размещенного во внутренней полости баллона-компрессора и подключенного на входе к источнику холода, а на выходе - к спиральному каналу охлаждаемого экрана, выполненного в виде рубашки со спиральной перегородкой, при этом трубчатый змеевик установлен с тепловым контактом со стенкой баллона-компрессора, а охлаждаемый экран - с зазором со стенкой баллона-компрессора, причем баллон-компрессор дополнительно снабжен электронагревателем, размещенным в упомянутом зазоре и закрепленным с тепловым контактом на внешней поверхности стенки баллона-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 исключения использования жидкого и газообразного теплоносителя, улучшения и упрощения конструкции и эксплуатации устройства, а также обеспечения заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение.
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 баллона-компрессора 2, источника холода 3, например из сосуда Дьюара, заправленного жидким азотом, и магистрали подачи газа 4 потребителю 5, снабженной теплообменником-охладителем 6. Баллон-компрессор 2 снабжен внешней теплозащитой 7 и теплообменников 8, выполненным в виде трубчатого змеевика 9, размещенного во внутренней полости 10 баллона-компрессора 2 и подключенного на входе 11 к источнику холода 3, а на выходе - к спиральному каналу 13 охлаждаемого экрана 14, выполненного в виде рубашки 15 со спиральной перегородкой 16, образующей спиральный капал 13. Трубчатый змеевик 9 установлен с тепловым контактом со стенкой 17 баллона-компрессора 2, например, посредством пайки, а охлаждаемый экран 14 установлен с зазором 18 относительно стенки 17 баллона-компрессора 2. Баллон-компрессор 2 дополнительно снабжен электронагревателем 19, выполненным, например, из угольной ткани, расположенным в упомянутом зазоре 18 и закрепленным с тепловым контактом, например, посредством клея К-300 или ВК-9, на внешней поверхности стенки 17 баллона-компрессора 2. Угольную (углеродную) ткань изготавливают по ТУ 1916-155-05763346-95, а электронагреватель 19 изготавливают в виде рубашки, плотно прилегающей к стенке 17 баллона-компрессора 2 и прикрепленной к ней посредством слоя электроизоляционного и теплопроводного клея К-300 или ВК-9. Электронагреватель 19 подключен к внешнему источнику электропитания.
Магистраль подачи газа 4 потребителю 5 снабжена вентилями 20 и 21, а баллон-компрессор 2 подключен к источнику газа высокого давления 1 (стендовым баллонам) посредством трубопровода заправки газа 22, снабженного вентилем 23 и включенного в магистраль подачи газа 4 между вентилями 20 и 21, что обеспечивает возможность подавать (закачивать) газ в баллоны потребителя 5 как из баллона-компрессора 2, так и напрямую из стендовых баллонов 1. Трубчатый змеевик 9, размещенный во внутренней полости 10 баллона-компрессора 2, на входе 11 подключен к источнику холода 3, например к сосуду Дьюара с жидким азотом посредством трубопровода 24, снабженного вентилем 25. Внешняя теплозащита 7 состоит из охлаждаемого отходящими из баллона-компрессора 2 парами азота экрана 14, обеспечивающего защиту баллона-компрессора 2 от теплопритоков, поступающих извне, и теплоизоляции 26, в качестве которой предлагается использовать, например, пенополиуретан или многослойную экранно-вакуумную изоляцию.
Работает термокомпрессионное устройство следующим образом. Перед началом функционирования производят очистку внутренних полостей магистралей заправки и подачи газа, включая баллон-компрессор и баллоны потребителей, от влаги и воздуха. Очистка производится способом вакуумирования с последующей продувкой чистым азотом и ксеноном.
2
-5
-5
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 5, который производится следующим образом.
В исходном положении все вентили закрыты.
Первоначально производят захолаживание баллона-компрессора 2, для этого открывают вентиль 25 на трубопроводе подачи хладагента 24, например парообразного или жидкого азота, от источника холода 3, например сосуда Дьюара, и прокачивают жидкий или парообразный азот через трубчатый змеевик 9, размещенный во внутренней полости 10 баллона-компрессора 2; захолаживают баллон-компрессор 2 до температуры порядка минус 80°С, при этом пары азота, образующиеся в змеевике 9, через выход 12 поступают в спиральный канал 13 охлаждаемого экрана 14, охлаждают экран 14, снимают теплопритоки, поступающие из окружающей среды к баллону-компрессору 2, и сбрасываются в атмосферу. В захоложенный баллон-компрессор 2 из стендовых баллонов 1 подают ксенон, для чего открывают вентили 20, 23 и заполняют баллон-компрессор 2 до заданного давления, при этом происходит конденсация ксенона в баллон-компрессор 2 (цикл всасывания). После заполнения баллона-компрессора 2 ксеноном и охлаждения его до температуры порядка минус 80°С стендовый баллон 1 отсекают (закрывают вентили 20 и 23) и закрытием вентиля 25 на трубопроводе подачи хладагента 24 прекращают подачу хладагента в змеевике 9; одновременно включают электронагреватель 19 и нагревают баллон-компрессор 2 до температуры порядка плюс 90°С, при этом давление ксенона в баллоне-компрессоре 2 растет, а при сообщении его с баллонами потребителя 5 посредством открытия вентилей 20, 21 на магистрали подачи газа 4 ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 6, охлаждается до заданной температуры (температуры окружающей среды) и поступает в баллоны потребителя 5 (цикл нагнетания).
После выравнивания давления между баллоном-компрессором 2 и баллонами потребителя 5 вентили 22 и 21 закрывают, а также включают электронагреватель 19. 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 5, например до 100 кг/см.
Выполнение охлаждаемого отходящими парами азота (хладагента) экрана 14, выполненного в виде рубашки 15, спиральная перегородка которой образует канал в форме спирали, и установка экрана с зазором относительно стенки 17 баллона-компрессора 2 значительно улучшают теплозащиту баллона-компрессора 2 от теплопритоков из окружающей среды и повышают эффективность работы охлаждаемого экрана 14. Зазор 18 необходим для исключения теплового контакта более теплого охлаждаемого отходящими парами азота экрана 14 с относительно более холодной стенкой 17 баллона-компрессора 2.
Размещение теплообменника 8, выполненного в виде трубчатого змеевика 9, во внутренней полости 10 баллона-компрессора 2 и подключение его непосредственно к источнику холода 3 в сочетании с электронагревателем 19 значительно улучшает компоновку и упрощает конструкцию, сокращают время и повышает эффективность теплообмена за счет непосредственного теплового контакта ксенона с поверхностью змеевика 9, при этом нет необходимости в использовании дополнительно жидкого или газообразного теплоносителя при проведении процесса термоциклирования, а следовательно, исключаются соответствующие устройства и оборудование.