ТЕРМОКОМПРЕССИОННОЕ УСТРОЙСТВО
THERMO-COMPRESSION INSTALLATION

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, МПК: F25B 1/00 от 05.06.1991), 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 и сложность обслуживания при эксплуатации оборудования.
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, и устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров, включающее набор разнотемпературных емкостей. 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, громоздка и малоэффективна защита от воздействия статического электричества оборудования, входящего в состав устройства, которая в основном выполнена в виде неразъемных перемычек из длинных кабелей и непригодна для установки на взаимовращающихся частях оборудования.
Недостатками прототипа являются невозможность исключения загрязнения газа при заправке баллонов потребителя и необходимость использования громоздкой малоэффективной защиты от воздействия статического электричества.
Задачей настоящего изобретения является улучшение конструкции термокомпрессионного устройства и упрощение его эксплуатационных качеств, а также повышение эффективности и надежности защиты от воздействия статического электричества.
Технический результат достигается тем, что в термокомпрессионное устройство, содержащее источник газа высокого давления, подключенный посредством магистрали подачи газа к баллонам-компрессорам, и устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров из разнотемпературных емкостей, в отличие от прототипа, введено установочное устройство, выполненное в виде цилиндрического корпуса, закрепленного на неподвижной оси с возможностью вращения вокруг нее, при этом неподвижная ось расположена на платформе, на наружной боковой поверхности цилиндрического корпуса посредством разъемных кронштейнов закреплены разнотемпературные емкости на одинаковом расстоянии относительно неподвижной оси установочного устройства, причем на платформе жестко установлена неподвижная стойка, в верхней части неподвижной стойки на кронштейне закреплена крышка, размеры которой соответствуют размеру горловин разнотемпературных емкостей и на которой подвешены баллоны-компрессоры, а также побудитель циркуляции теплоносителя в разнотемпературных емкостях, неподвижная стойка оснащена механизмом подъема разнотемпературных емкостей, при этом между вращающимся цилиндрическим корпусом и неподвижной осью установлено токопроводящее устройство в виде контактного разъемного соединения, выполненного в виде обоймы с роликами из упругого диэлектрического эластичного материала, установленными с возможностью вращения посредством втулок на штифтах, скрепляющих кольца обоймы, выполненные из диэлектрического материала и свободно посаженные на неподвижную ось, вертикально установленную на платформе, при этом каждый ролик обтянут эластичной лентой из токопроводящего материала и установлен в поджатом состоянии между цилиндрическим корпусом и неподвижной осью.
Технический результат данного изобретения позволяет исключить загрязнение газа при его заправке в баллоны потребителя, при этом упрощается обслуживание при эксплуатации и повышается эффективность и надежность защиты от воздействия статического электричества, 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 типа «Ямал», позволит дать значительный экономический эффект за счет обеспечения заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение и упрощение обслуживания при эксплуатации, а также за счет повышения эффективности и надежности защиты от воздействия статического электричества.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено термокомпрессионное устройство в исходном положении перед началом термоциклирования баллонов-компрессоров; на фиг.2 (узел I) и на фиг.3 (разрез А-А) показано устройство контактного разъемного соединения и его размещение между вращающимся цилиндрическим корпусом и неподвижной осью для отвода статического электричества.
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 подключенными к нему баллонами-компрессорами 2, а также устройства для термоциклирования баллонов-компрессоров 2, в виде набора разнотемпературных емкостей 3, 4, 5 (первой, второй, третьей), предназначенных для обеспечения заданных температур баллонов-компрессоров, которые размещены на установочном устройстве 6. Установочное устройство 6 выполнено в виде цилиндрического корпуса 7, вращающегося на неподвижной оси 8, вертикально установленной на платформе 9. На боковой поверхности цилиндра 7 посредством разъемных кронштейнов 10 закреплены разнотемпературные емкости 3, 4, 5 на одинаковом расстоянии относительно оси вращения установочного устройства 6. На платформе 9 также жестко установлена неподвижная стойка 11, в верхней части которой закреплена крышка 12 на кронштейне 13, размеры которой соответствуют размеру горловин разнотемпературных емкостей 3, 4, 5, и на которой подвешены баллоны-компрессоры 2 и побудитель циркуляции теплоносителя в разнотемпературных емкостях 3, 4, 5, например, погружная шнекообразная мешалка 14. Неподвижная стойка 11 оснащена механизмом подъема 15 разнотемпературных емкостей 3, 4, 5, обеспечивающим стыковку каждой разнотемпературной емкости 3, 4, 5 с крышкой 12. Для отвода статического электричества между вращающимися цилиндрическим корпусом 7 и неподвижной осью 8 установлено токопроводящее устройство, выполненное в виде контактного разъемного соединения из обоймы 16 с упругими роликами 17, выполненными из диэлектрического материала, например, резины, и свободно вращающимися посредством втулок 18 на штифтах 19, скрепляющих кольца 20 обоймы 16, выполненные из диэлектрического материала, например из текстолита, и свободно посаженные на неподвижную ось, вертикально установленную на платформе 9. Каждый упругий ролик 17 обтянут по наружному контуру эластичной лентой 21 из токопроводного материала, например из меди, и установлен в деформированном и поджатом состоянии между цилиндрическим корпусом 7 и неподвижной осью 8. Упругий ролик 17 имеет размер наружного диаметра больше размера кругового зазора между цилиндрическим корпусом 7 и неподвижной осью 8.
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, емкость 3 заполнена этиловым спиртом и обеспечивает охлаждение баллонов-компрессоров 2 до температуры минус 80°С, емкость 4 заполнена водой и обеспечивает нагрев баллонов-компрессоров 2 до температуры плюс 20°С, а емкость 5 заполнена водой и обеспечивает нагрев баллонов-компрессоров 2 до температуры плюс 90°С. Баллоны-компрессоры 2 подключены к баллонам потребителя 22 посредством заправочной магистрали 23 с вентилем 24 и теплообменником-охладителем 25. Заправку, например, ксеноном баллонов-компрессоров 2 от стендовых баллонов 1 производят по трубопроводу 26 с вентилем 27. Емкости 3, 4, 5 снабжены гибкими металлоруковами (на чертеже не показано) для заправки (слива) теплоносителей.
Защита термокомпрессионного устройства от воздействия статического электричества выполнена в соответствии с общими требованиями к металлизации и заземлению изделий, установленных ГОСТ 19005-81, ОСТ 92-1615-74, так, например, металлизация элементов конструкции устройства выполнена с использованием перемычек металлизации по ГОСТ 18707-81 и др.
2
-5
-5
Работает термокомпрессионное устройство следующим образом. Перед началом работы устройства производят очистку внутренних полостей магистралей заправки и подачи газа, включая баллоны-компрессоры 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 порядка 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 баллонах компрессорах 2 по изохорическому процессу. После проведения очистки внутренних полостей магистралей и баллонов осуществляют процесс термокомпрессии и подачу (закачку) ксенона в баллоны потребителя 22, который производится с помощью установочного устройства 6 и механизма подъема 15, обеспечивающих поочередной подъем каждой емкости до совмещения с крышкой 12.
2
Работа производится следующим образом: установочное устройство 6 вращают относительно неподвижной оси 8 до установки емкости 3 под крышкой 12, затем посредством механизма подъема 15 производят подъем и стыковку (соединение) емкости 3 с крышкой 12. При подъеме емкости 3 баллоны-компрессоры 2 и мешалка 14 погружаются в теплоноситель (этиловый спирт, охлажденный до минус 80°С). В захоложенные баллоны-компрессоры 2 из стендовых баллонов 1 подают ксенон и заполняют до заданного давления, при этом происходит конденсация ксенона в баллонах-компрессорах 2 (цикл всасывания). После заполнения баллонов-компрессоров 2 ксеноном и охлаждения его до температуры порядка минус 80°С стендовые баллоны 1 отсекают и производят спуск емкости 3 в нижнее положение на установочное устройство 6 посредством механизма подъема 15. Далее установочное устройство 6 вращают до установки емкости 4 под крышкой 12 и производят посредством механизма подъема 15 подъем и стыковку (соединение) емкости 4 с крышкой 12. При подъеме емкости 4 баллоны-компрессоры 2 погружаются в теплоноситель (воду, подогретую до температуры плюс 20°С) и предварительно подогреваются до температуры порядка 20°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 2 растет. После подогрева баллонов-компрессоров 2 до температуры порядка 20°С производят спуск емкости 4 в нижнее положение на установочное устройство 6 посредством механизма подъема 15. Затем вращают установочное устройство 6 до установки емкости 5 под крышкой 12 и производят посредством механизма подъема 15 подъем и стыковку (соединение) емкости 5 с крышкой 12. При подъеме емкости 5 баллоны-компрессоры 2 погружаются в теплоноситель (воду, подогретую до температуры плюс 90°С) и подогреваются до температуры порядка плюс 90°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 2 растет, а при сообщении их с баллонами потребителя 22 посредством открытия вентиля 24 на заправочной магистрали 23 ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 25, охлаждается до заданной температуры (температуры окружающей среды) и поступает в баллоны потребителя 22 (цикл нагнетания). После выравнивания давления между баллонами-компрессорами 2 и баллонами потребителя 22 вентиль 24 закрывают и емкость 5 опускают в нижнее положение на установочное устройство 6 посредством механизма подъема 15. Таких последовательных процессов (температурных циклов) охлаждения-нагрева вновь пополняемых порций ксенона из стендовых баллонов 1 в баллоны-компрессоры 2 совершают столько, сколько необходимо для достижения заданного давления ксенона в баллонах потребителя 22, например, до 100 кг/см, погружная шнекообразная мешалка 14 включается в работу после завершения стыковки (соединения) каждой низкотемпературной емкости 3, 4, 5 с крышкой 12, а выключается перед началом отстыковки емкости 3, 4, 5 от крышки 12. Работа мешалки 14 значительно повышает эффективность теплообмена теплоносителя с баллонами-компрессорами 2, но при этом образуется статическое электричество за счет перемещения теплоносителя относительно элементов конструкции мешалки, емкости баллонов-компрессоров, что требует обеспечения и защиты термокомпрессионного устройства от статического электричества.
Данное устройство снабжено перемычками металлизации, изготовленными по ГОСТ 18707-81 на участках между неподвижными элементами устройства, однако для отвода статического электричества между вращающимися элементами конструкции, в частности между вращающимися цилиндрическим корпусом 7 и неподвижной осью 8, установлено токопроводящее устройство, выполненное в виде контактного разъемного соединения, состоящего из обоймы 16 с упругими роликами 17, выполненными из диэлектрического материала и вращающимися посредством втулок 18 на штифтах 19, скрепляющих кольца 20 обоймы 16, выполненные из диэлектрического материала и свободно посаженные на неподвижную ось 8, вертикально установленную на платформе 9, и имеющаяся перемычка металлизации между ними (осью и платформой) изготовлена по ГОСТ 18707-81, т.к. неподвижная ось 8 и платформа 9 скреплены между собой жестко. В свою очередь, платформа 9 подключена посредством кабеля заземления к общей шине заземления стенда. Кроме того, каждый упругий ролик 17 обоймы 16 обтянут по наружному контуру (периметру) эластичной лентой 21 из токопроводящего материала и установлен в деформированном и поджатом состоянии между цилиндрическим корпусом 7 и неподвижной осью 8. Таким образом, при вращении цилиндрического корпуса 7 относительно неподвижной оси 8, между ними сохраняется постоянный электрический контакт, и статическое электричество свободно отводится (перетекает) от цилиндрического корпуса 7 к неподвижной оси 8 последовательно от корпуса 7 на ленту 21, а от ленты 21 на неподвижную ось 8 и т.д. Деформированное и поджатое состояние диэлектрического эластичного упругого ролика 17 совместно с эластичной лентой 21 обеспечивают свободное перекатывание по ним цилиндрического корпуса 7, а ролик 17, в свою очередь, свободно перекатывается по поверхности неподвижной оси 8 при сохранении постоянного электрического контакта между ними и перетекании статического электричества по ленте 21.
Итак, предлагаемое термокомпрессионное устройство при обеспечении заправки баллонов потребителя газом исключает загрязнение газа, при этом упрощено обслуживание и улучшена конструкция устройства, а также повышена эффективность и надежность защиты устройства от воздействия статического электричества за счет установки между вращающимися частями конструкции устройства контактного разъемного соединения, состоящего из обоймы 16 с упругими роликами 17, что выполняет поставленную задачу.