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.
Известны компрессионные холодильные установки (см., например, патент России №20442332, МПК F25В 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.
Недостатками прототипа являются невозможность исключения загрязнения газа при заправке баллонов потребителя и сложность обслуживания при эксплуатации оборудования, а также низкая эффективность работы.
Задачей настоящего изобретения является создание такого термокомпрессионного устройства, в котором достигалось бы упрощение и улучшение конструкции термокомпрессионного устройства и его эксплуатационных качеств, а также повышение эффективности работы термокомпрессионного устройства.
Технический результат достигается тем, что в термокомпрессионное устройство, содержащее источник газа высокого давления с подключенными к нему баллонами-компрессорами и устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров в виде набора разнотемпературных емкостей, в отличие от прототипа введено установочное устройство для разнотемпературных емкостей, расположенное на платформе, на которой также 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, неподвижная стойка оснащена механизмом подъема разнотемпературных емкостей, выполненным в виде каретки, установленной с возможностью перемещения вдоль неподвижной стойки по направляющим посредством винтового стержня с закрепленным на его торце двигателем, при этом разнотемпературные емкости закреплены на установочном устройстве с возможностью поворота относительно него на одинаковом расстоянии относительно оси вращения посредством первых пар соединяемых между собой кронштейнов, причем одни из кронштейнов пары закреплены на установочном устройстве, а другие - на разнотемпературных емкостях, при этом на каждой из разнотемпературных емкостей со стороны, противоположной расположению кронштейнов первых пар, и на каретке расположены взаимодействующие между собой кронштейны вторых пар, идентичных первым парам кронштейнов, а расстояние между точкой крепления баллонов-компрессоров и неподвижной стойкой равно расстоянию между осью разнотемпературной емкости, установленной на каретке, и неподвижной стойкой.
В отличие от прототипа, в котором разнотемпературные емкости были установлены порознь, введено установочное устройство, общее для разнотемпературных емкостей, а также механизм подъема разнотемпературных емкостей и т.д., что позволило получить технический результат, заключающийся в исключении загрязнения газа при его заправке в баллоны потребителя, при этом упростилось обслуживание при эксплуатации, 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 упрощения обслуживания при эксплуатации.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
Термокомпрессионное устройство состоит из следующих основных узлов и деталей: источника газа высокого давления 1, например стендовых баллонов высокого давления, заправленных чистым газом, например ксеноном, с подключенными к нему баллонами-компрессорами 2, а также устройства для термоциклирования баллонов-компрессоров в виде набора разнотемпературных емкостей 3, 4, 5 (первой, второй, третьей, предназначенных для обеспечения заданных температур баллонов-компрессоров), которые закреплены посредством пар соединенных между собой кронштейнов 6, 7 на установочном устройстве 8 с возможностью поворота относительно него и на одинаковом расстоянии относительно оси вращения 9 установочного устройства 8, при этом один кронштейн из пары 6 (7) установлен на каждой из разнотемпературных емкостей 3, 4, 5, а второй кронштейн из пары 6 (7) установлен на установочном устройстве 8. Установочное устройство 8 расположено на платформе 10, на которой также установлена жестко неподвижная стойка 11. В верхней части неподвижной стойки 11 на кронштейне 12 закреплена крышка 13, размеры которой соответствуют размеру каждой горловины разнотемпературных емкостей 3, 4, 5. На крышке 13 подвешены баллоны-компрессоры 2. Неподвижная стойка 11 оснащена механизмом подъема разнотемпературных емкостей 3, 4, 5, выполненным в виде каретки 14, установленной с возможностью перемещения вдоль неподвижной стойки по направляющим 15 посредством винтового стержня 16, на торце которого закреплен двигатель 17. Крепление каждой из разнотемпературных емкостей 3, 4, 5 к направляющим 15 осуществлено с помощью пар соединенных между собой кронштейнов 18, 19, идентичных первым парам соединенных между собой кронштейнов 6, 7. Один кронштейн из пары 18 (19) закреплен на каждой из разнотемпературных емкостей 3, 4, 5 со стороны, противоположной расположению соединенных между собой кронштейнов первых пар 6, 7, а другой кронштейн из пары 18 (19) закреплен на каретке. Один кронштейн из пары соединенных между собой кронштейнов 6, 7, 18, 19 представляет собой пластину 20 с отверстием, закрепленную на разнотемпературной емкости, а ответная часть - это пластина 21 со штырем, закрепленная на установочном устройстве 8 (для пар 6, 7) или закрепленная на каретке (для пар 18, 19). 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. Разнотемпературные емкости 3, 4, 5 снабжены гибкими металлорукавами (на чертежах не показано) для заправки (слива) теплоносителей. Для повышения эффективности теплообмена теплоносителя с баллонами-компрессорами 2 на крышке 13 закреплено устройство, побуждающее циркуляцию теплоносителя в разнотемпературные емкости 3, 4, 5, например погружная шнекообразная мешалка 28. В верхней и нижней части стойки 11 установлены ограничители 29 подъема и спуска каретки 14, например бесконтактные датчики, изготавливаемые по ГОСТ Р50030.5.2-99, которые электрически связаны с блоком управления (на чертежах не показано) двигателем 17.
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 потребителя, 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, 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, расположенного на неподвижной стойке 11, обеспечивающих поочередный подъем каждой емкости до совмещения с крышкой 13. При этом установочное устройство 8 разворачивают относительно оси вращения 9 до размещения емкости 3 под крышкой 13. Расстыковка пар соединенных между собой кронштейнов 6, 7 и стыковка пар соединяемых между собой кронштейнов 18, 19 производится в процессе размещения соответствующей емкости 3 (4, 5) под крышкой 13, вначале которого после разворота при совмещении с положением под крышкой кронштейн в виде пластины 20 с отверстием располагается над штырем кронштейна ответной части 21 для пар 18, 19; при подъеме емкости 3 (4, 5) кронштейн в виде пластины 20 с отверстием надевается на штырь кронштейна ответной части 21 для пар 18, 19, соединяя кронштейны между собой, при этом кронштейн в виде пластины 20 с отверстием снимается со штыря кронштейна ответной части 21 для пар 6, 7, рассоединяя кронштейны этих пар.
2
После стыковки (соединения) пар соединяемых между собой кронштейнов 18 и 19 и включают двигатель 17 (на подъем), при этом винтообразный стержень 16, соединенный с кареткой 14 резьбовым соединением, вращаясь, осуществляет подъем (перемещение вверх) каретки 14 с закрепленной на ней посредством указанных кронштейнов емкостью 3 (во время начала подъема происходит расстыковка пар соединенных между собой кронштейнов 6, 7) до совмещения с крышкой 13; ограничителями 29 подъема и спуска каретки с емкостью служат, например, по ГОСТ Р 50030.5.2-99 бесконтактные датчики, установленные в верхней и нижней частях стойки 11 и электрически связанные с блоком управления двигателем 17. При подъеме емкости 3 баллоны-компрессоры 2 и мешалка 28 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 каретки 14 и емкости 3 в нижнее положение, при этом один из кронштейнов в виде пластины 20 с отверстием надевается на штырь пластины 21 (для пар 6, 7) и происходит стыковка кронштейнов, закрепляющих емкость 3 на установочном устройстве 8; каретка опускается ниже - так, что штырь пластины 21 выходит из отверстия пластины 20 для пар кронштейнов 18 и 19, в результате происходит расстыковка пар соединенных между собой кронштейнов 18 и 19. Далее установочное устройство 8 вращают до установки емкости 4 под крышкой 13 и производят операции по подъему и спуску емкости 4 аналогично операциям с емкостью 3. 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 каретки 14 и емкости 4 в нижнее положение и крепление ее к установочному устройству 8, при этом операции по расстыковке (стыковке) пар соединенных между собой кронштейнов аналогичны операциям при расстыковке (стыковке) кронштейнов (кронштейны 6, 7, 18, 19 на всех емкостях 3, 4, 5 одинаковые). Затем перемещают установочное устройство 8 до установки емкости 5 под крышкой 13 и производят операции по подъему и спуску емкости 5 аналогично операциям, проводимым с емкостью 3. 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 каретку 14 вместе с емкостью 5 опускают в нижнее положение. 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.
Таким образом, предлагаемое термокомпрессионное устройство при обеспечении заправки баллонов потребителя газом исключает загрязнение газа, при этом упрощено обслуживание при эксплуатации предлагаемого устройства за счет использования установочного устройства 8 и механизма подъема разнотемпературных емкостей, что выполняет поставленную задачу.