ТЕРМОКОМПРЕССИОННОЕ 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 компрессионного термического 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 RU 2044232 C1, F25B 1/00, 1995, 3 стр.), 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 не допускается при перекачке (заправке) газа в баллоны потребителя, применяющего данный газ в качестве рабочего компонента, например, при использовании в электрореактивных двигателях, устанавливаемых на космических летательных аппаратах.
Недостатком аналога является отсутствие возможности перекачки газа в обратном направлении от потребителя к источнику газа высокого давления с обеспечением заданных (исходных) параметров газа.
Известно также компрессионное устройство для регенерации хладагентов (см., например, патент США №5379607 от 12.10.1993, МКИ: F25B 49/00,), выбранное в качестве прототипа и содержащее источник газа высокого давления, баллоны-компрессоры, устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров, баллоны потребителя, теплообменник-охладитель, магистрали и трубопроводы, пускоотсечные устройства. Наличие механического компрессора не исключает возможность загрязнения газа парами масла (смазки). Кроме того, устройство обеспечивает подачу газа потребителю с заданными параметрами только в одном направлении, а производить перекачку газа с заданными (исходными) параметрами в обратном направлении, например, из баллонов потребителя в стендовые баллоны устройство обеспечить не может, а такой вариант обратной перекачки газа необходим, например, при аварийной ситуации, когда газ, имеющий высокую стоимость, например ксенон, сбрасывать в атмосферу экономически нецелесообразно.
Недостатком прототипа также как и у аналога является отсутствие возможности перекачки газа в обратном направлении от потребителя к источнику газа высокого давления с обеспечением заданных (исходных) параметров газа.
Задачей настоящего изобретения является создание такого термокомпрессионного устройства, которое обеспечивало бы обратную перекачку газа с заданными (исходными) параметрами (по температуре, давлению, чистоте газа) и повышало экономичность путем повышения эффективности теплообменника-охладителя.
Технический результат достигается тем, что в термокомпрессионном устройстве, содержащем источник газа высокого давления, баллоны-компрессоры, устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров, баллоны потребителя, теплообменник-охладитель, магистраль и трубопровод, а также пускоотсечные устройства, в отличие от прототипа, к магистрали, соединяющей источник газа высокого давления с баллонами потребителя, между установленными на ней первым и вторым пускоотсечными устройствами подключен одним концом трубопровод, другой конец которого подключен к баллонам-компрессорам, при этом на трубопровод установлен теплообменник-охладитель, а между теплообменником-охладителем и устройством термоциклирования установлено третье пускоотсечное устройство.
Указанное позволяет обеспечить обратную перекачку газа с заданными (исходными) параметрами и повысить экономичность путем повышения эффективности теплообменника-охладителя, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения.
Использование предлагаемого термокомпрессионного устройства, например, при заправке баллонов потребителя ксеноном, применяемым в качестве рабочего компонента в электрореактивных двигателях, устанавливаемых на космических летательных аппаратах типа «Ямал», «БелКА» и др., позволит дать значительный экономический эффект за счет повышения эффективности теплообменника-охладителя, обеспечивающего как прямую, так и обратную перекачку ксенона при заправке баллонов потребителя или обратной перекачке газа из последних в баллоны источника (стенда) газа высокого давления с обеспечением заданных параметров газа.
Сущность изобретения поясняется чертежом. Термокомпрессионное устройство состоит из следующих основных узлов и деталей: источника газа высокого давления, например стендовых баллонов 1 с газом высокого давления, подключенного к баллонам-компрессорам 2, устройства для термоциклирования 3 баллонов-компрессоров 2, магистрали 4 и трубопровода 5, при этом магистраль 4 связывает стендовые баллоны 1 и баллоны потребителя 6, а трубопровод 5 является общим для соединения баллонов-компрессоров 2 и с источником высокого давления и с баллонами потребителя 6. На трубопроводе 5 установлен теплообменник-охладитель 7. На магистрали 4, соединяющей стендовые баллоны 1 с баллонами потребителя 6, установлены первое 8 и второе 9 пускоотсечные устройства, например вентили или электропневматические клапаны; стендовые баллоны 1 и баллоны потребителя 6 соединены также с баллонами-компрессорами 2. Баллоны-компрессоры 2 находятся в устройстве для термоциклирования 3, которое выполнено, например, в виде теплоизолированной емкости 10, заполненной теплоносителем 11, например этиловым спиртом, в который погружены баллоны-компрессоры 2, и снабженной устройствами и приборами, обеспечивающими охлаждение теплоносителя, например, парами жидкого азота из сосуда Дьюара 12 и его нагрев, например, электронагревателем 13 до заданных температур. Теплоизолированная емкость 10 снабжена устройством для циркуляции 14 теплоносителя 11 в емкости, что значительно улучшает процесс теплообмена между баллонами-компрессорами 2 и теплоносителем 11. Каждый баллон-компрессор 2 подключен к одному штуцеру 15, который при подаче газа из стендовых баллонов 1 в баллоны-компрессоры 2 является входом, а при закачке (заправке) газа из последних в баллоны потребителя 6 выполняет функцию выхода. При обратной перекачке газа из баллонов потребителя 6 в стендовые баллоны 1 функции штуцера 15, естественно меняются на противоположные. Баллоны-компрессоры соединены с источником газа высокого давления, например со стендовыми баллонами 1 и с баллонами потребителя 6 с помощью общего трубопровода 5, подключенного одним концом к магистрали 4 между первым 8 и вторым 9 пускоотсечными устройствами, при этом на трубопровод 5 последовательно установлены теплообменник-охладитель 7 и третье пускоотсечное устройство 16. Теплообменник-охладитель 7 выполнен в виде кожухотрубного теплообменника, через межтрубное пространство которого прокачивают хладагент, например воду или пары жидкого азота.
Работает устройство для термокциклирования 3 в режиме заправки газом баллонов потребителя 6 и в режиме обратной перекачки газа из баллонов потребителя в стендовые баллоны 1 следующим образом.
2
2
2
Заправку газом, например ксеноном, баллонов потребителя 6 начинают с захолаживания теплоносителя 11 и погруженных в него баллонов-компрессоров 2 до температуры прядка минус 80°С. Охлаждение производят жидким азотом, подаваемым из сосуда Дьюара 12 в змеевик, расположенный во внутренней полости теплоизолированной емкости 10. Одновременно с захолаживанием баллонов-компрессоров 2 открывают первое 8 и второе 9 пускоотсечные устройства (третье пускоотсечное устройство 16 при этом закрыто) и заполняют ксеноном баллоны потребителя 6 до выравнивания давления в стендовых баллонах 1 (исходное давление в них составляло порядка 70 кг/см) и в баллонах потребителя 6. После охлаждения баллонов-компрессоров 2 до температуры минус 80°С и выравнивания давления в стендовых баллонах 1 и баллонах потребителя 6 закрывают второе пускоотсечное устройство 9 и открывают третье пускоотсечное устройство 16, при этом из стендовых баллонов-компрессоров 2, где ксенон конденсируется, причем заполнение происходит до выравнивания давления в стендовых баллонах 1 и баллонах-компрессорах 2 (цикл всасывания). При заполнении баллонов-компрессоров 2 ксенон из стендовых баллонов 1 с давлением порядка 40 кг/см по магистрали 4 поступает в трубопровод 5 и, проходя через теплообменник-охладитель 7 и штуцер 15, заполняет баллоны-компрессоры 2, при этом через теплообменник-охладитель 7 хладагент не прокачивают и он работает как обычный трубопровод, через который подается газ. Заполненные ксеноном баллоны-компрессоры 2 после выравнивания давления отсекают от стендовых баллонов 1 (закрывают первое 8 и третье 16 пускоотсечные устройства) и нагревают теплоноситель 11 и баллоны-компрессоры 2 (включают электронагреватель 13) до температуры порядка плюс 90-100°С, при этом в баллонах-компрессорах 2 давление ксенона растет. Далее открывают третье 16 и второе 9 пускоотсечные устройства и заправляют (перекачивают) ксенон в баллоны потребителя 6 (цикл нагнетания), при этом ксенон из баллонов-компрессоров 2 через штуцер 15 по общему трубопроводу 5 поступает в теплообменник-охладитель 7 (во время цикла нагнетания через теплообменник-охладитель 7 прокачивают хладагент, например воду), где охлаждается до заданной температуры, например до плюс 20°С, и поступает в баллоны потребителя 6, после чего третье 16 и второе 9 пускоотсечные устройства закрывают. Таких циклов всасывания-нагнетания совершают столько, сколько необходимо для достижения заданного давления в баллонах потребителя 6, например, до 150 кг/см.
2
2
Обратная перекачка ксенона из баллонов потребителя 6 в стендовые баллоны 1 так же, как и заправка ксенона в баллоны потребителя 6, производится (начинается) с захолаживания теплоносителя 11 и баллонов компрессоров 2 до температуры минус 80. Одновременно с захолаживанием баллонов-компрессоров 2 открывают второе 9 и третье 16 пускоотсечные устройства (третье пускоотсечное устройство 16 закрыто) и производят перепуск ксенона из баллонов потребителя 6 (исходное давление в них порядка 150 кг/см) в стендовые баллоны 1 до выравнивания давления в баллонах потребителя 6 и стендовых баллонах 1. После охлаждения баллонов-компрессоров 2 до температуры минус 80°С и выравнивания давления в баллонах потребителя 6 и стендовых баллонах 1 закрывают первое пускоотсечное устройство 8 и открывают третье пускоотсечное устройство 16, при этом из баллонов потребителя 6 начинается заполнение ксеноном баллонов-компрессоров 2, где ксенон конденсируется. Заполнение происходит до выравнивания давления в баллонах потребителя 6 и в баллонах потребителя 6 и в баллонах-компрессорах 2 (цикл всасывания). Как указано выше теплообменник-охладитель 7 во время цикла всасывания работает как обычный трубопровод, через который подается газ (прокачка хладагента через теплообменник-охладитель 7 при этом не осуществляется). Заполненные ксеноном баллоны-компрессоры 2 отсекают (закрывают второе пускоотсечное устройство 9) от баллонов потребителя 6 и нагревают теплоноситель 11 и баллоны-компрессоры 2 (включают электронагреватель 13) до температуры порядка плюс 90-100°С, при этом в баллонах-компрессорах 2 давление ксенона растет. Далее открывают первое и третье пускоотсечные устройства 8 и 16 и перекачивают ксенон в стендовые баллоны 1 (цикл нагнетания), при этом ксенон из баллонов-компрессоров 2 через штуцер 15 по общему трубопроводу 5 поступает в теплообменник-охладитель 7 (во время цикла нагнетания через теплообменник-охладитель 7 прокачивают хладагент, например воду), где охлаждается до заданной температуры, например, до плюс 20°С и по магистрали 4 поступает в стендовые баллоны 1 до выравнивания давления в баллонах-компрессорах 2 и стендовых баллонах 1, после чего первое 8 и третье 16 пускоотсечные устройства закрывают. Таких циклов всасывания-нагнетания совершают столько, сколько необходимо для достижения заданного давления в стендовых баллонах 1, например, до 70 кг/см.
Таким образом, обеспечиваются заданные (исходные) параметры газа и экономичность путем повышения эффективности теплообменника-охладителя, что позволяет обеспечить поставленную задачу.
Использование предлагаемого термокомпрессионного устройства, например, при заправке баллонов потребителя ксеноном, применяемым в качестве рабочего компонента в электрореактивных двигателях устанавливаемых на космических летательных аппаратах типа «Ямал», «БелКА» и др. позволит дать значительный экономический эффект за счет повышения эффективности теплообменника-охладителя, обеспечивающего как прямую, так и обратную перекачку ксенона при заправке баллонов-потребителя или обратной перекачке газа из последних в баллоны источника (стенда) газа высокого давления с обеспечением заданных параметров газа.