ТЕРМОКОМПРЕССИОННОЕ УСТРОЙСТВО
THERMAL 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 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 с подключенным к нему баллоном-компрессором, 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, 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 низкая надежность из-за наличия в магистрали прокачки теплоносителя на выходе из компрессора остаточного газа высокого давления при запуске и работе компрессора.
Техническим результатом является улучшение и упрощение эксплуатационных качеств термокомпрессионного устройства, а также повышение надежности работы компрессора при прокачке газообразного теплоносителя (воздуха).
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 прототипа баллон-компрессор выполнен в виде теплоизолированной двухстенной емкости с оребрением внутреннего сосуда, размещенным в межстенной полости, подсоединенной к устройству для термоциклирования баллона-компрессора, выполненному в виде разнотемпературных теплообменников и параллельно включенных в контур магистрали прокачки теплоносителя, причем магистраль прокачки теплоносителя выполнена в виде замкнутого контура, в который дополнительно включены ресивер, компрессор, обратный клапан и емкость, подключенная через дроссельное устройство к магистрали прокачки теплоносителя между обратным клапаном и компрессором, а дроссельное устройство и обратный клапан установлены непосредственно на выходе из компрессора.
Использование предлагаемого термокомпрессионного устройства, например, при заправке баллонов потребителя, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, таких как спутники связи, позволят получить значительный экономический эффект за счет обеспечения заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение, при этом упрощается обслуживание при эксплуатации, а также повышается надежность работы компрессора при прокачке газообразного теплоносителя.
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 - двухстенной емкости с оребрением 4 внутреннего сосуда 5, размещенным в образованной стенками емкости полости - межстенной полости 6, подсоединенной к устройству для термоциклирования баллона-компрессора, выполненному в виде двух разнотемпературных теплообменников 7 и 8, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя 3, которая выполнена в виде замкнутого контура и к которой дополнительно подключен ресивер 9. В магистраль прокачки теплоносителя 3 включены компрессор 10 и обратный клапан 11, а также к ней подключена выполненная, например, в виде сильфонного компенсатора емкость 12 через дроссельное устройство 13 между обратным клапаном 11 и компрессором 10. Дроссельное устройство 13, выполненное, например, в виде дроссельной шайбы, а также обратный клапан 11 установлены непосредственно на выходе 14 из компрессора 10.
Кроме того, на трубопроводах магистрали теплоносителя 3 установлены пускоотсечные устройства 15, газовый редуктор 16 и вентили 17, 18, 19; в качестве пускоотсечных устройств могут быть использованы, например, вентили. Газовый редуктор 16 предназначен для настройки и регулирования расхода и давления теплоносителя в магистрали прокачки теплоносителя 3. Ресивер 9 - накопитель теплоносителя - включен в магистраль прокачки теплоносителя 3 через вентиль 19 и предназначен для создания запасов теплоносителя в замкнутом контуре, обеспечивающих длительную надежную работу устройства термоциклирования баллона-компрессора при различных режимах работы. Замкнутый контур, включая ресивер 9, наполнен теплоносителем, например воздухом, до заданного давления. В качестве теплоносителя помимо воздуха можно использовать такие газы, как гелий или азот. Для теплоизоляции баллона-компрессора 2, теплообменников 7,8 и магистрали прокачки теплоносителя 3 используют, например, пенополиуретан 20. Заправку, например, ксеноном баллона-компрессора 2 от стендовых баллонов 1 производят по трубопроводу 21 с вентилем 22. Баллон-компрессор 2 подключен к баллонам потребителя 23 посредством заправочной магистрали 24 с вентилями 25, 26 и теплообменником-охладителем 27.
Трубопровод 21 включен в заправочную магистраль 24 между вентилями 25 и 26, что обеспечивает подачу газа из стендовых баллонов 1 отдельно, как в баллон-компрессор 2, так и в баллоны потребителя 23. Разнотемпературные теплообменники 7 и 8 выполнены в виде змеевиков, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя 3. Один теплообменник 7 снабжен рубашкой 29 для прокачки хладагента, например жидкого азота. Другой теплообменник 8 снабжен подогревателем 28 теплоносителя, например врезным электронагревателем марки «Cetal».
Межстенная полость 6 баллона-компрессора 2 сообщена с трубопроводами магистрали прокачки теплоносителя, на которых установлены вентиль 15, газовый редуктор 16, вентили 17 и 18, теплообменники 7 и 8, обратный клапан 11 и компрессор 10, образуя замкнутый контур прокачки теплоносителя.
2
-5
-5
Работает термокомпрессионное устройство следующим образом. Перед началом функционирования производят очистку внутренних полостей магистралей заправки, 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 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 баллоне компрессоре 2 по изохорическому процессу. После проведения очистки внутренних полостей магистралей подачи ксенона баллонов осуществляют процесс термокомпрессии и подачу ксенона в баллоны потребителя 23, который производится следующим образом.
В исходном положении все вентили закрыты.
2
Первоначально производят захолаживание баллона-компрессора 2, для этого открывают вентили 15 и 17 на магистрали прокачки теплоносителя 3 (например, воздуха, закачанного в замкнутый контур) и включают компрессор 10, обеспечивая прокачку воздуха по замкнутому контуру. Воздух проходит 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°С. Охлажденный воздух из теплообменника 7 поступает в межстенную полость 6 баллона-компрессора 2 и захолаживает внутренний сосуд 5 до температуры порядка минус 80°С. В захоложенный внутренний сосуд 5 из стендового баллона 1 подают ксенон, для чего открывают вентили 22, 25 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°С стендовый баллон 1 отсекают (закрывают вентили 22 и 25) и одновременно закрывают вентиль 17 на магистрали прокачки теплоносителя 3, а вентиль 18 открывают, после чего включают подогреватель 28 (электронагреватель). Поток воздуха, переключенный на теплообменник 8, при прохождении через него нагревается до температуры порядка плюс 95°С и поступает в межстенную полость 6 баллона компрессора 2, нагревает внутренний сосуд 5 до температуры порядка плюс 90°С, при этом давление ксенона во внутреннем сосуде 5 растет, а при сообщении его с баллонами потребителя 23 посредством открытия вентилей 25 и 26 на заправочной магистрали 24 ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 27, охлаждается до заданной температуры (температуры охлаждающей среды) и поступает в баллоны потребителя 23 (цикл нагнетания). После выравнивания давления между внутренним сосудом 5 баллона-компрессора 2 баллонами потребителя 23 вентили 25 и 26 закрывают, а также закрывают вентиль 18 на магистрали прокачки теплоносителя 3, выключают подогреватель (электронагреватель) 28 и останавливают компрессор 10. 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.
После остановки компрессора 10 в магистрали прокачки теплоносителя 3 на участке между обратным клапаном 11 и компрессором 10, т.е. на выходе из компрессора 10, остается остаточное давление газа теплоносителя, что может привести к отказам в работе при повторных запусках компрессора. Для исключения подобных ситуаций и обеспечения безотказных запусков и работы компрессора 10 в предлагаемом устройстве дополнительно введена емкость 12, включенная через дроссельное устройство 13 в магистраль прокачки теплоносителя 3 па участке между обратным клапаном 11 и компрессором 10. Дроссельное устройство 13 выполнено, например, в виде дроссельной шайбы с расчетным проходным сечением отверстия, обеспечивающим подпор газа при работе компрессора 10 и сброс газа в емкости 12 после остановки компрессора 10, когда остаточный газ, находящийся под высоким давлением на выходе 14 из компрессора 10, дросселируется через дроссельную шайбу и сбрасывается (перетекает) в емкость 12, обеспечивая давление газа на выходе 14 из компрессора 10, необходимое для плавного и надежного запуска компрессора 10.
Установка дроссельного устройства 13 и обратного клапана 11 непосредственно на выходе 14 из компрессора 10 обеспечивает минимальный газовый объем на данном участке, что значительно сокращает объем, размеры и вес емкости 12, выполненной, например, в виде сильфонного компенсатора.
Таким образом, дополнительное введение в магистраль прокачки теплоносителя емкости 12 и ее расположение на определенном участке в совокупности с введением дроссельного устройства 13 создает условия для плавного и надежного запуска и работы компрессора 10, что обеспечивает повышение надежности термокомпрессионного устройства в целом; кроме того, упрощается эксплуатация термокомпрессионного устройства.
Предлагаемое конструктивное решение обеспечивает возможность использования термокомпрессионного устройства в штатных условиях, например, на стартовой позиции без привязки к стендовым баллонам с сжатым воздухом при заполнении (закачке) газа (ксенона) в баллоны потребителя 23, что повышает мобильность и компактность термокомпрессионного устройства; при этом обеспечивается заправка баллонов потребителя 23 газом (ксеноном), исключающая загрязнение закачиваемого газа и повышается надежность устройства.