ТЕРМОКОМПРЕССИВНОЕ УСТРОЙСТВО
THERMAL COMPRESSOR

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 от 05.06.1991, МПК: F25B 1/00), 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, низкая эффективность и сложность конструкции устройства.
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, устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров и магистраль прокачки теплоносителя. 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 и не исключает загрязнения парами масла (смазки), кроме того, малоэффективны теплообменные устройства.
Недостатками прототипа являются загрязнения газа при заправке баллонов потребителя и малая эффективность теплообменных устройств.
Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение конструкции термокомпрессионного устройства и повышение эффективности теплообмена при работе баллона-компрессора.
Технический результат достигается тем, что в термокомпрессионном устройстве, содержащем источник газа высокого давления с подключенным к нему баллоном-компрессором, устройство для термоциклирования баллона-компрессора и магистраль прокачки теплоносителя, в отличие от известного в нем баллон-компрессор выполнен в виде теплоизолированной двустенной емкости с оребрением внутреннего сосуда, размещенным в межстенной полости, подключенной к устройству для термоциклирования баллона-компрессора, выполненному в виде разнотемпературных теплообменников, при этом внутренний сосуд баллона-компрессора заполнен аккумулирующей насадкой из высокотеплопроводного материала.
Использование предлагаемого термокомпрессионного устройства, например, при заправке баллонов потребителя, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, таких как спутники связи, позволит получить значительный экономический эффект за счет обеспечения заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение, улучшения конструкции и повышения эффективности теплообмена при работе баллона-компрессора.
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, а также устройства для термоциклирования баллона-компрессора и магистрали прокачки теплоносителя 3. Баллон-компрессор 2 выполнен в виде теплоизолированной емкости с двумя стенками - двустенной емкости с оребрением 4 внутреннего сосуда 5, размещенным в образованной стенками емкости полости - межстенной полости 6, подсоединенной к устройству для термоциклирования баллона-компрессора, состоящего из двух разнотемпературных теплообменников 7 и 8, выполненных в виде змеевиков, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя 3.
Первый теплообменник 7 снабжен рубашкой 9 для прокачки хладагента, например жидкого азота, а второй теплообменник 8 подогревателем 10, например врезным подогревателем марки «Cetal».
Внутренний сосуд 5 баллона-компрессора 2 заполнен аккумулирующей насадкой 11, выполненной из высокотеплопроводного материала, например, в виде колец Рашига из алюминия, или катушек (предпочтительно плоской формы), намотанных из гофрированной алюминиевой (медной, латунной) ленты, послойно уложенных во внутреннем сосуде 5. Магистраль прокачки теплоносителя 3 выполнена в виде замкнутого контура 12, дополнительно включающего побудитель циркуляции 13, например компрессор и ресивер 14. Магистраль прокачки теплоносителя 3 включает: вентиль 15, газовый редуктор 16, вентили 17 и 18, теплообменники 7 и 8, межстенную полость 6 баллона-компрессора и дополнительно введенные побудитель циркуляции 13 с ресивером 14, подсоединенный через вентиль 19. Ресивером 14 - накопитель теплоносителя предназначен для создания запаса теплоносителя в замкнутом контуре 12, обеспечивающего длительную надежную работу устройства для термостатирования баллона-компрессора 2 при различных режимах работы. Замкнутый контур 12, включая ресивер 14, заполнен теплоносителем, например воздухом до заданного давления. В качестве теплоносителя используют газ, например воздух, гелий, азот. Для теплоизоляции теплообменников 7, 8, магистрали прокачки теплоносителя 3 используют, например, пенополиуретан, а баллон-компрессор 2 теплоизолирован экранно-вакуумной теплоизоляцией 20, размещенной в вакуумной полости 21, образованной внешней герметичной оболочкой 22 и стенкой баллона-компрессора. Вакуумирование вакуумной полости 21 производят через вакуумный клапан 23.
Заправку, например, ксеноном баллона-компрессора 2 от стендовых баллонов 1 производят посредством трубопровода 24 с вентилем 25. Баллон-компрессор 2 подключен к баллонам потребителя 26 посредством заправочной магистрали 27 с вентилями 28 и 29 и теплообменником-охладителем 30.
Трубопровод 24 включен в заправочную магистраль 27 между вентилями 28 и 29, что обеспечивает подачу газа из баллонов 1 отдельно как в баллоны потребителя 26, так и в баллон-компрессор 2. Газовый редуктор 16 используют при настройке и регулировке расхода и давления теплоносителя в магистрали прокачки теплоносителя 3.
Поясним эксплуатацию термокомпрессионного устройства.
2
.
-5
.
-5
Перед началом функционирования термокомпрессионного устройства производят очистку внутренних полостей магистралей заправки и подачи газа, например ксенона, включая баллон-компрессор 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 40 кг/см. В закачиваемом ксеноне должно быть кислорода не более 310 объемных долей, а водяных паров не более 410 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 26, который производится следующим образом.
В исходном положении все вентили закрыты.
2
Первоначально производят захолаживание баллона-компрессора 2, для этого открывают вентиля 15 и 17 на магистрали прокачки теплоносителя 3 (например, воздуха, закаченного в замкнутый контур) и включают компрессор 13, обеспечивающий прокачку воздуха по замкнутому контуру. Воздух проходит его через теплообменник 7, охлаждаемый хладагентом, например, жидким азотом, подаваемым, например, из сосуда Дьюара, и пропускают через рубашку 9 теплообменника 7, где охлаждают прокачиваемый теплоноситель (воздух) до температуры порядка минус 90°C. Охлажденный воздух из теплообменника 7 поступает в межстенную полость 6 баллона-компрессора 2 и проходит между ребрами оребрения 4, захолаживает внутренний сосуд 5 и размещенную в нем насадку 11 до температуры порядка минус 80°C. В захоложенный внутренний сосуд 5 из стендового баллона 1 подают ксенон, для чего открывают вентили 25, 28 и заполняют внутренний сосуд 5 до заданного давления, при этом происходит конденсация ксенона во внутреннем сосуде 5 (цикл всасывания). После заполнения внутреннего сосуда 5 баллона-компрессора 2 ксеноном и охлаждения его до температуры порядка минус 80°C стендовый баллон 1 отсекают (закрывают вентили 25 и 28) и одновременно закрывают вентиль 17 на магистрали прокачки теплоносителя 3. Далее открывают вентиль 18 на магистрали прокачки теплоносителя 3, после чего включают подогреватель 10 (электронагреватель). При этом теплоноситель (воздух) при прохождении через теплообменник 8 нагревается до температуры порядка плюс 95°C и поступает в межстенную полость 6 баллона компрессора 2, где проходит между ребрами оребрения 4, нагревает внутренний сосуд 5 до температуры порядка плюс 90°C и сбрасывается при открытии вентиля 21 в атмосферу, а при открытии вентиля 23 - потребителю подогретого теплоносителя, при этом давление ксенона во внутреннем сосуде 5 растет, а при сообщении его с баллонами потребителя 26 посредством открытия вентилей 28 и 29 на заправочной магистрали 27 ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 30, охлаждается до заданной температуры (температуры охлаждающей среды) и поступает в баллоны потребителя 26 (цикл нагнетания). После выравнивания давления между внутренним сосудом 5 баллона-компрессора 2 и баллонами потребителя 26 вентили 28 и 29 закрывают, а также закрывают вентиль 18 на магистрали прокачки теплоносителя 3 и выключают подогреватель 32 (электронагреватель). 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 26, например, до 100 кг/см.
Насадка 11 в процессе захолаживания (нагрева) баллона-компрессора аккумулирует холод (тепло) в массе насадки, которая представляет собой кольца из алюминия или смотанные в катушки гофрированные ленты из высокотеплопроводного материала и которая при соприкосновении с газом (ксеноном) за счет увеличения площади контакта с ним значительно повышает эффективность и ускоряет процесс теплообмена и конденсации газа в баллоне-компрессоре 2.
Выполнение баллона-компрессора 2 в виде теплоизолированной двустенной емкости с оребрением внутреннего сосуда в совокупности с насадкой, аккумулирующей холод (тепло), выполненной из высокотеплопроводного материала и расположенной во внутреннем сосуде, значительно увеличивающей площадь поверхности контакта, приводит к улучшению теплообмена между теплоносителем и газом (ксеноном) в процессе работы баллона-компрессора 2, что, в свою очередь, повышает экономичность (сокращает расход тепловой энергии на охлаждение (нагрев) ксенона в баллоне-компрессоре) и значительно сокращает время на прокачку теплоносителя через межстенную полость 6 и теплообменник 7 и 8, а также сокращает количество прокачиваемого теплоносителя (воздуха), затрачиваемого па термоциклирование баллона-компрессора 2.