ТЕРМОКОМПРЕССИОННОЕ УСТРОЙСТВО
THERMAL-COMPRESION FACILITY

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 термокомпрессионого 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 г., МПК: F25B 1/00), содержащие компрессор, емкости высокого давления, теплообменники, магистрали заправки и подачи газа потребителю. 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.
Известно также компрессионное устройство для регенерации хладагентов (см., например, патент США №5379607 от 12.10.1993 г., МПК: F25B 49/00), выбранное в качестве прототипа и содержащее источник газа высокого давления, подключенный посредством магистрали подачи газа к баллонам-компрессорам, устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров из разнотемпературных емкостей, с теплообменником в низкотемпературной емкости, сообщенным с источником холода, а также побудителем циркуляции теплоносителя. В состав устройства входят компрессор, ресивер, теплообменник-конденсатор и магистрали заправки и 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 и охлаждения длителен и малоэффективен и неэкономичен.
Недостатками прототипа являются малая эффективность и длительность процесса заправки газа в емкости потребителя, при этом не исключается загрязнение газа парами масла (смазки, используемой в компрессоре).
Задачей настоящего изобретения является создание такого термокомпрессионного устройства, которое обеспечивало бы повышение эффективности и сокращало время заправки баллонов потребителя газом за счет эффективного теплообмена при захолаживании баллонов-компрессоров в низкотемпературной емкости.
Технический результат данного изобретения позволяет повысить эффективность и сократить время заправки за счет эффективного теплообмена при захолаживании баллонов-компрессоров в низкотемпературной емкости, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения.
Технический результат достигается тем, что в термокомпрессионном устройстве, содержащем источник газа высокого давления, подключенный посредством магистрали подачи газа к баллонам-компрессорам, устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров из разнотемпературных емкостей, с теплообменником в низкотемпературной емкости, сообщенным с источником холода, а также побудителем циркуляции теплоносителя, в отличие от известного теплообменник выполнен в виде размещенного внутри низкотемпературной емкости змеевика с бифилярной намоткой трубки из высокопроводного материала, внешняя поверхность которой выполнена с оребрением в виде спиральных или кольцевых пластинчатых ребер по всей длине трубки, при этом побудитель циркуляции теплоносителя выполнен в виде погружной шнекообразной мешалки, размещенной в цилиндрической обечайке, на выходе из которой установлен конусообразный диффузор с плавной круговой отбортовкой для формирования кругового потока теплоносителя и направления его в зону расположения теплообменника вдоль стенки низкотемпературной емкости
Использование предлагаемого термокомпрессионного устройства, например, при заправке баллонов потребителя, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, например спутниках связи, позволит дать значительный экономический эффект за счет повышения эффективности и экономичности при захолаживании газа в баллонах-компрессорах.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг.1 - термокомпрессионное устройство в рабочем положении;
на фиг.2 низкотемпературная емкость, заполненная теплоносителем и состыкованная с крышкой;
на фиг.3 - оребренный участок трубки змеевика теплообменника.
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 баллонов-компрессоров 2; а также устройства для термоциклирования 3 баллонов-компрессоров, включающего заполненную теплоносителем низкотемпературную емкость 4 с теплообменником 5, сообщенным с источником холода 6, например, сосудом Дьюара, заполненным жидким азотом, и побудителем циркуляции теплоносителя 7.
В состав устройства для термоциклирования 3 баллонов-компрессоров кроме низкотемпературной емкости 4 входят емкости 8 и 9, заполненные предварительно изготовленным теплоносителем, обеспечивающим охлаждение или нагрев баллонов-компрессоров 2 до заданных температур.
Побудитель циркуляции теплоносителя 7 выполнен в виде погружной шнекообразной мешалки, размещенной в цилиндрической обечайке 10, на выходе из которой установлен конусообразный диффузор 11. Подача жидкого азота в теплообменник 5 из сосуда Дьюара производится с помощью системы наддува 12 по гибкому металлорукаву 13, пристыкованному к сосуду Дьюара посредством переходника 14.
Баллоны-компрессоры 2 подключены к баллонам потребителя 15 посредством заправочной магистрали 16 с вентилем 17 и теплообменником-охладителем 18, установленным на входе в баллоны потребителя 15. Заправку, например, ксеноном баллонов-компрессоров 2 от стендовых баллонов 1 производят по трубопроводу 19 с вентилем 20. Емкости 4, 8, 9 снабжены гибкими металлорукавами (на чертеже не показано) для заправки (слива) теплоносителя. Для повышения эффективности теплообмена теплоносителя с баллонами-компрессорами 2 на крышке 21 закреплено устройство 7, побуждающее циркуляцию теплоносителя в емкостях 4, 8, 9, выполненное в виде погружной шнекообразной мешалки, размещенной в цилиндрической обечайке 10. Устройство 7 включают после погружения его совместно с баллонами-компрессорами 2 в теплоноситель одной из емкостей 4, 8, 9.
Емкости 4, 8, 9 закреплены посредством разъемных кронштейнов на установочном устройстве 22 с возможностью поворота на одинаковом расстоянии относительно оси вращения установочного устройства 22, расположенного на платформе 23, на которой также установлена жестко неподвижная стойка 24. В верхней части неподвижной стойки 24 на кронштейне 25 закреплена крышка 21, размеры которой соответствуют размеру каждой из горловин емкостей 4, 8, 9 (размеры горловин емкостей равны между собой). На крышке 21 подвешены баллоны-компрессоры 2. Неподвижная стойка 24 оснащена механизмом подъема 26 емкостей, при этом с помощью установочного устройства 22 и механизма подъема 26, расположенного на неподвижной стойке 24, обеспечивают поочередный подъем каждой емкости до совмещения горловины с крышкой 21. Платформа 23 снабжена средствами перемещения колесами и средствами для фиксации платформы, например домкратами 28.
Диффузор 11 выполнен с плавной круговой отбортовкой 29 для формирования кругового потока теплоносителя и направления его в зону расположения теплообменника 5 вдоль стеки низкотемпературной емкости 4.
Теплообменник 5 выполнен в виде размещенного внутри низкотемпературной емкости 4 змеевика с бифилярной намоткой трубки 30, изготовленной из высокотеплопроводного материала, например, меди или алюминия с развитой внешней поверхностью, имеющей оребрение 31 в виде спиральных или кольцевых пластинчатых ребер, прикрепленных с тепловым контактом, например, посредством пайки по всей длине трубки.
Для обеспечения охлаждения или нагрева соответствующие емкости снабжены устройствами для охлаждении или нагрева теплоносителя, например, холодильными теплообменниками змеевиками, подключенными к сосуду Дьюара с жидким азотом, и электронагревателями (кипятильниками). Так, например, низкотемпературная емкость 4 заполнена этиловым спиртом и обеспечивает охлаждение баллонов-компрессоров 2 до температуры минус 80°С, емкость 8 заполнена водой и обеспечивает нагрев баллонов-компрессоров 2 до температуры плюс 20°С и емкость 9 заполнена водой и обеспечивает нагрев баллонов-компрессоров 2 до температуры плюс 90°С.
Работает термокомпрессионное устройство следующим образом.
2
Сначала производят очистку внутренних полостей магистралей заправки и подачи газа, включая баллоны-компрессоры и баллоны потребителя от влаги и воздуха. Очистка производится вакуумированием с последующей продувкой чистым азотом и ксеноном. Источником закачиваемого газа, например, ксенона в баллоны потребителя являются стендовые баллоны, заполненные чистым ксеноном высокого давления ~40 кг/см. 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 закачку ксенона в баллоны потребителя 15, при этом с помощью установочного устройства 22 и механизма подъема 26, расположенного на неподвижной стойке 24, обеспечивают поочередный подъем каждой емкости до совмещения горловины с крышкой 21. После чего установочное устройство 22 поворачивают относительно оси вращения до размещения низкотемпературной емкости 4 под крышкой 21, затем посредством механизма подъема 26 перемещают низкотемпературную емкость 4 до совмещения ее горловины с крышкой 21. При подъеме низкотемпературной емкости 4 баллоны-компрессоры 2 и погружная шнекообразная мешалка (побудитель циркуляции теплоносителя) 7 погружаются в теплоноситель - этиловый спирт, охлажденный до минус 80°С. Охлаждение теплоносителя осуществляется за счет подачи из сосуда Дьюара жидкого азота, который пропускают через теплообменник 5, выполненный в виде змеевика с бифилярной намоткой трубки 30, изготовленной из высокотеплопроводного материала и на внешней поверхности которой выполнено оребрение 31 в виде спиральный кольцевых пластинчатых ребер, прикрепленных с тепловым контактом по всей длине трубки 30. Такое конструктивное выполнение теплообменника 5 обеспечивает удельный теплосъем (холодосъем) с единицы поверхности трубки сердечника 30, что значительно повышает эффективность теплообмена и сокращает время охлаждения теплоносителя, а следовательно, и захолаживания баллонов-компрессоров 2. После погружения баллонов-компрессоров 2 в теплоноситель включают мешалку 7, которая отбирает (всасывает) теплоноситель из верхнего объема емкости 4 и подает его в нижний объем, где на выходе из цилиндрической обечайки 10 теплоноситель попадает на конусообразный диффузор 11 с плавной круговой отбортовкой 29, формирующий круговой поток теплоносителя и направляющий его в зону расположения теплообменника 5 вдоль стенки низкотемпературной емкости 4 для интенсификации теплообмена. 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 ~ -80°С стендовые баллоны 1 отсекают, погружную шнекообразную мешалку 7 выключают и производят спуск низкотемпературной емкости 4 в нижнее положение на установочное устройство 22. Далее установочное устройство 22 вращают до установки емкости 8 под крышкой 21 и производят посредством механизма подъема 26 подъем емкости 8 до совмещения с крышкой 21. При подъеме емкости 8 баллоны-компрессоры 2 и погружная шнекообразная мешалка 7 погружаются в теплоноситель - воду, подогретую до температуры +20°C, и предварительно подогреваются ~+20°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 2 растет.
2
После подогрева баллонов-компрессоров до температуры порядка +20°С производят спуск емкости 8 в нижнее положение. Затем перемещают (вращают) установочное вращающее устройство 22 до установки емкости 9 под крышкой 21 и производят ее подъем и стыковку (соединение) с крышкой 21 посредством механизма подъема 26. При подъеме емкости 9 баллоны компрессоры 3 и погружная шнекообразная мешалка 7 погружаются в теплоноситель (воду, подогретую до 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 15 посредством открытия вентиля 17 на заправочной магистрали 16 ксенон проходит через теплообменник-охладитель 18, охлаждается до заданной температуры (температуры окружающей среды) и поступает в баллоны потребителя 15 (цикл нагнетания). После выравнивания давления между баллонами-компрессорами 2 и баллонами потребителя 15 вентиль 17 закрывают, погружную шнекообразную мешалку 7 выключают и емкость 9 опускают в нижнее положение на установочное устройство 22. 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 в баллонах потребителя 15, например до 100 кг/см.
Таким образом, предлагаемое термокомпрессионное устройство при обеспечении заправки баллонов потребителя газом исключает загрязнение газа, при этом обеспечивает повышение эффективности и сокращает время заправки баллонов потребителя газом за счет интенсификации теплообмена при захолаживании баллонов-компрессоров в низкотемпературной емкости, что выполняет поставленную задачу.