КОМПРЕССИОННОЕ ТЕРМИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
COMPRESSIVE THERMAL 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 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 устройства (см., например, патент РФ № 2044232, МКИ F25B 1/00, от 05.06.1991 г.), 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 электрореактивных двигателей, устанавливаемых на космических летательных аппаратах.
Недостатками аналога являются большая тепловая нагрузка на теплообменник-конденсатор при проведении заправки баллонов потребителя и низкая эффективность.
Известно также компрессионное устройство для регенерации хладагентов (см., например, патент США № 5379607, МКИ F25B 49/00, от 12.10.1993 г., опубл. 10.01.1995 г.), выбранное в качестве прототипа и содержащее источник газа высокого давления с подключенными к нему баллонами-компрессорами, расположенными в теплоизолированной емкости в среде теплоносителя, магистраль заправки и магистраль подачи газа потребителю, снабженную теплообменником-охладителем. В состав устройства входят компрессор, ресивер, теплообменник-конденсатор. 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.
Недостатками прототипа являются большая тепловая нагрузка на теплообменник-охладитель при проведении заправки баллонов потребителя и недостаточная эффективность.
Задачей настоящего изобретения является создание такого компрессионного термического устройства, которое обеспечит уменьшение тепловой нагрузки на теплообменник-охладитель при заправке баллонов потребителя и повысит эффективность.
Это достигается тем, что компрессионное термическое устройство снабжено дроссельным устройством, установленным на магистрали подачи газа потребителю перед теплообменником-охладителем, а магистраль заправки сообщена с магистралью подачи газа потребителю обводным трубопроводом, включенным на входе в дроссельное устройство.
Сущность изобретения заключается в том, что в компрессионном термическом устройстве, содержащем источник газа высокого давления с подключенными к нему баллонами-компрессорами, расположенными в теплоизолированной емкости в среде теплоносителя, магистраль заправки и магистраль подачи газа потребителю, снабженную теплообменником-охладителем, установлено дроссельное устройство, а магистраль заправки сообщена с магистралью подачи газа потребителю обводным трубопроводом, включенным перед входом в дроссельное устройство.
Технический результат в части установки дроссельного устройства на магистрали подачи газа потребителю перед теплообменником-охладителем и сообщения магистрали заправки с магистралью подачи газа потребителю обводным трубопроводом, включенным перед входом в дроссельное устройство, а также взаимная связь всех составных элементов конструкции устройства позволяют обеспечить уменьшение тепловой нагрузки на теплообменник-охладитель при заправке баллонов потребителя и повысить эффективность, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения.
Использование прелагаемого компрессионного термического устройства, например при закачке (заправке) баллонов потребителя, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, ксеноном, который используется в качестве рабочего компонента в электрореактивных двигателях на космических летательных аппаратах типа «Ямал», «Белка» и др., позволит дать значительный экономический эффект за счет обеспечения уменьшения тепловой нагрузки на теплообменник-охладитель при заправке баллонов потребителя и повышения эффективности.
Сущность изобретения поясняется чертежом. Компрессионное термическое 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 (к ним) баллонами-компрессорами 2, расположенными в теплоизолированной емкости 3 в среде теплоносителя 4, например этилового спирта, магистрали заправки 5 и магистрали подачи газа 6 потребителю 7, снабженной теплообменником-охладителем 8. На магистрали подачи газа 6 потребителю 7 перед теплообменником-охладителем 8 установлено дроссельное устройство 9, например дроссельная шайба. Магистраль заправки 5 сообщена с магистралью подачи газа 6 потребителю 7 обводным трубопроводом 10, включенным перед входом в дроссельное устройство 9. Магистраль заправки 5 снабжена вентилем 11 и подключена к стендовым баллонам 1, а магистраль подачи газа 6 потребителю 7 снабжена вентилем 12. Теплоизолированная емкость 3 снабжена теплообменником 13, подключенным к источнику холода, например к сосуду Дьюара 14 с жидким азотом, посредством теплоизолированного трубопровода 15 с вентилем 16 и предохранительным клапаном 17. В теплоизолированной емкости 3 расположена мешалка 18, погруженная в теплоноситель 4, и электронагреватель 19. Обводной трубопровод 10 снабжен вентилем 20.
2
-6
-6
Работает компрессионное термическое устройство следующим образом. Перед началом работы устройства производят очистку внутренних полостей магистрали заправки 5, обводного трубопровода 10 и магистрали подачи газа 6, включая баллоны-компрессоры 2 и баллоны потребителя 7, от влаги и воздуха. Очистка производится способом вакуумирования с последующей продувкой чистым (сухим) газом, например азотом и ксеноном. Источником, закачиваемого газа, например ксенона, в баллоны потребителя 7 являются стендовые баллоны 1, заполненные чистым ксеноном высокого давления порядка 40 кг/см. В закачиваемом ксеноне должно быть кислорода не более 6·10, а водяных паров не более 7·10 объемных долей. Такие требования по чистоте выставляются к ксенону, который используют в качестве рабочего компонента в электрореактивных двигателях космических летательных аппаратов типа «Ямал», «Белка» и др., являющихся потребителем 7 закачиваемого чистого ксенона.
2
2
2
2
2
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 5, 6, 10 и баллонов 2, 7 производят предварительную заправку баллонов потребителя 7 чистым ксеноном непосредственно из стендовых баллонов 1, имеющих давление порядка 40 кг/см, для чего открывают вентиль 20 и, минуя (в обход) баллоны-компрессоры 2, по обводному трубопроводу 10 (напрямую) производят предварительную заправку баллонов потребителя 7 до достижения в них давления порядка 30 кг/см, уравновешивающего (выравнивающего) давления источника давления 1 и потребителя 7, после этого вентиль 20 закрывают. При прохождении ксенона через дроссельное устройство 9 и теплообменник-охладитель 8 происходит его охлаждение до заданной температуры, например до температуры окружающей среды (порядка плюс 20°С), при этом дроссельное устройство 9 значительно снижает тепловую нагрузку на теплообменник-охладитель, повышая его эффективность, особенно при ускоренной заправке баллонов потребителя 7. После предварительной заправки баллонов потребителя 7 проводят захолаживание баллонов-компрессоров 2, для чего открывают вентиль 16 и подают парообразный или жидкий азот из сосуда Дьюара 14 в теплообменник 13, захолаживают теплоноситель 4 и расположенные в его среде баллоны-компрессоры 2 до температуры порядка минус 80°С, при этом мешалка 18 включена и обеспечивает перемешивание теплоносителя 4 для улучшения и ускорения процесса захолаживания баллонов-компрессоров 2. Затем открывают вентиль 11 и захоложенные баллоны-компрессоры 2 заполняют ксеноном из стендовых баллонов 1 (цикл всасывания). После заполнения стендовые баллоны 1 отсекают (закрывают вентиль 11) и закрывают вентиль 16; включают электронагреватель 19, и при работающей мешалке 18 нагревают теплоноситель 4 и баллоны-компрессоры 2 до температуры порядка плюс 100°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 2 растет, а при открытии вентиля 12 ксенон проходи через дроссельное устройство 9, в результате дросселирования охлаждается до температуры плюс 50°С и поступает в теплообменник-охладитель 8, где охлаждается до температуры окружающей среды, например до плюс 20°С, и закачивается в баллоны потребителя 7 (цикл нагнетания). Таких циклов всасывания-нагнетания совершается столько, сколько необходимо для достижения заданного давления ксенона в баллонах потребителя 7, например до 150 кг/см. Введение в состав устройства обводного трубопровода 10, сообщающего магистраль заправки 5 с магистралью подачи 6 потребителю 7, и включение его на входе в дроссельное устройство 9, минуя (в обход) баллоны-компрессоры 2, позволяет напрямую производить предварительную заправку баллонов потребителя 7 чистым ксеноном непосредственно из стендовых баллонов 1 до давления порядка 30 кг/см (до достижения давления, уравновешивающего, выравнивающего давления источника давления 1 и потребителя 7) и только после этого переключают и производят подачу ксенона через баллоны-компрессоры 2 (по схеме работы указанной выше), которые обеспечивают закачку ксенона в баллоны потребителя 7 до заданного давления (150 кг/см), что значительно сокращает энергозатраты и повышает эффективность устройства.
Таким образом, введение в состав устройства дроссельного устройства 9 и обводного трубопровода 10 обеспечивает уменьшение тепловой нагрузки на теплообменник-охладитель 8 при заправке баллонов потребителя 7 и повышает эффективность, что в свою очередь выполняет поставленную задачу.