ТЕРМОКОМПРЕССИОННОЕ УСТРОЙСТВО
THERMO-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 №20442332, 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 из набора разнотемпературных емкостей, включающего низкотемпературную емкость с теплообменником, подключенным к источнику холода. 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, устройство громоздко и имеет длинные пневмо- и гидромагистрали между емкостями и оборудованием установки.
Недостатками прототипа являются невозможность исключения загрязнения газа при заправке баллонов потребителя и разбросонность составляющих частей конструкции.
Техническим результатом является улучшение конструкции и компоновки термокомпрессионного устройства, а также упрощение его эксплуатационных качеств.
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 набора разнотемпературных емкостей, включающего низкотемпературную емкость с теплообменником, подключенным к источнику холода, в отличие от прототипа введено установочное устройство, выполненное в виде цилиндрического корпуса, закрепленного с возможностью поворота на оси, жестко закрепленной на платформе, а на боковой поверхности цилиндрического корпуса посредством разъемных кронштейнов закреплены разнотемпературные емкости на равных расстояниях от оси, причем к входу в теплообменник низкотемпературной емкости гибким трубопроводом подключен источник холода в виде сосуда Дьюара с криогенным продуктом, закрепленного на боковой поверхности цилиндрического корпуса посредством кронштейна с установочной площадкой, причем на платформе жестко закреплена неподвижная стойка, оснащенная механизмом подъема разнотемпературных емкостей, 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.
Технический результат данного изобретения заключается в исключении загрязнения газа при его заправке в баллоны потребителя и улучшении компоновки устройства, при этом упрощается его обслуживание при эксплуатации и повышается 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 (спутников связи), позволит дать значительный экономический эффект за счет обеспечения заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение и упрощение обслуживания при эксплуатации, а также за счет улучшения компоновки и упрощения обслуживания термокомпрессионного устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено термокомпрессионное устройство.
Термокомпрессионное устройство состоит из следующих основных узлов и деталей: источника газа высокого давления 1, например стендовых баллонов высокого давления, заправленных чистым газом, например ксеноном, подключенного 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, при этом низкотемпературная емкость 3 снабжена теплообменником 6, подключенным к источнику холода 7. Разнотемпературные емкости 3, 4, 5 размещены на установочном устройстве 8. Установочное устройство 8 выполнено в виде цилиндрического корпуса 9, закрепленного с возможностью поворота вокруг оси 10, жестко установленной на платформе 11 в вертикальном положении. На боковой поверхности цилиндра 9 посредством разъемных кронштейнов 12 закреплены разнотемпературные емкости 3, 4, 5 на одинаковом расстоянии относительно оси 10. В качестве источника холода 7 использован сосуд Дьюара с криогенным продуктом, например жидким азотом, подключенный гибким трубопроводом 13, например металлорукавом, к входу 14 теплообменника 6 низкотемпературной емкости, при этом к боковой поверхности цилиндрического корпуса 9 прикреплен кронштейн 15 с установочной площадкой 16, на которой размещен сосуд Дьюара и которая может быть выполнена в виде основания с бортами, в которых выполнена выемка для упрощения установки сосуда на основание. Кронштейн 15 может быть составным и включать узлы крепления, аналогичные узлам крепления разъемных кронштейнов 12. На платформе 11 жестко установлена неподвижная стойка 17, оснащенная механизмом подъема 18 разнотемпературных емкостей 3, 4, 5. В верхней части неподвижной стойки 17 на кронштейне 19 закреплена крышка 20, 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 21.
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 источнику холода (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°C, емкость 4 заполнена водой и обеспечивает нагрев баллонов-компрессоров 2 до температуры плюс 20°C, а емкость 5 заполнена водой и обеспечивает нагрев баллонов-компрессоров 2 до температуры плюс 90°C. 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 металлорукавами (на чертеже не показано) для заправки (слива) теплоносителей, которые при работе термокомпрессорного устройства находятся в отстыкованном от емкостей 3, 4, 5 состоянии. Каждая емкость 3, 4, 5 снабжена соответственно теплоизолированной крышкой 28, 29, 30. Крышку с соответствующей емкости перед подъемом емкости снимают, а после спуска емкости закрывают соответствующей крышкой.
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 8 и механизма подъема 18, обеспечивающих поочередной подъем каждой емкости до совмещения с крышкой 20.
2
Работа производится следующим образом: установочное устройство 8 вращают относительно неподвижной оси 10 до установки емкости 3 под крышкой 20, затем посредством механизма подъема 18 производят подъем и стыковку (соединение) емкости 3 с крышкой 20. При подъеме емкости 3 баллоны-компрессоры 2 и мешалка 21 погружаются в теплоноситель (этиловый спирт, охлажденный до минус 80°C). 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°C стендовые баллоны 1 отсекают и производят спуск емкости 3 в нижнее положение на установочное устройство 8 посредством механизма подъема 18. Далее установочное устройство 8 вращают до установки емкости 4 под крышкой 20 и производят посредством механизма подъема 18 подъем и стыковку (соединение) емкости 4 с крышкой 20. При подъеме емкости 4 баллоны-компрессоры 2 погружаются в теплоноситель (воду, подогретую до температуры плюс 20°C) и предварительно подогреваются до температуры порядка 20°C, при этом давление в баллонах-компрессорах 2 растет. После подогрева баллонов-компрессоров 2 до температуры порядка 20°C производят спуск емкости 4 в нижнее положение на установочное устройство 8 посредством механизма подъема 18. Затем вращают установочное устройство 8 до установки емкости 5 под крышкой 20 и производят посредством механизма подъема 18 подъем и стыковку (соединение) емкости 5 с крышкой 20. При подъеме емкости 5 баллоны-компрессоры 2 погружаются в теплоноситель (воду, подогретую до температуры плюс 90°C) и подогреваются до температуры порядка плюс 90°C, 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 8 посредством механизма подъема 18. 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 21 включается в работу после завершения стыковки (соединения) каждой низкотемпературной емкости 3, 4, 5 с крышкой 20, а выключается перед началом отстыковки емкости 3, 4, 5 от крышки 20. Работа мешалки 21 значительно повышает эффективность теплообмена теплоносителя с баллонами-компрессорами 2.
Использование в качестве источника холода 7 сосуда Дьюара с криогенным продуктом, подключенного гибким трубопроводом 13 к входу 14 в теплообменник низкотемпературной емкости 3, и установка его в непосредственной близости к емкости и их совместное перемещение при поворотах установочного устройства на одной платформе с ними позволяют сократить длину гибкого трубопровода, исключить участок трубопровода для прокачки криогенной жидкости, подводящего к установочному устройству (к емкости 3), и улучшить компоновку термокомпрессионного устройства.
Итак, предлагаемое термокомпрессионное устройство при обеспечении заправки баллонов потребителя газом исключает загрязнение газа, при этом упрощено обслуживание и улучшена конструкция и компоновка устройства, что выполняет поставленную задачу.