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 №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 малоэффективная работа теплоизоляции, в качестве которой использован пенополиуретан, и большие теплопритоки в баллоне-компрессоре.
Недостатками прототипа являются загрязнения газа при заправке баллонов потребителя, малоэффективная работа теплоизоляции и большие теплопритоки в баллоне-компрессоре.
Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение конструкции термокомпрессионного устройства, повышение эффективности работы теплоизоляции и снижение теплопритоков в баллоне-компрессоре.
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, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя, причем двустенная емкость снабжена внешней герметичной оболочкой, образующей с наружной стенкой двустенной емкости теплоизоляционную полость, в которой размещена экранно-вакуумная теплоизоляция в виде ленты, намотанной по спирали с перекрещиванием каждого последующего слоя с предыдущим и закрепленного на наружной стенке двустенной емкости, при этом непосредственно на наружной стенке с тепловым контактом закреплена угольная ткань, а между угольной тканью и теплоизоляцией проложены жгуты из стекловуали.
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 улучшается конструкция, повышается эффективность работы теплоизоляции и снижаются теплопритоки в баллоне-компрессоре.
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, выполненному в виде двух разнотемпературных теплообменников 7 и 8, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя 3.
Двустенная емкость снабжена внешней герметичной оболочкой 9, установленной с образованием теплоизоляционной полости 10 между наружной стенкой 11 двустенной емкости и внешней герметичной оболочкой 9. В качестве теплоизоляции 12, размещенной в теплоизоляционной полости 10 использована экранно-вакуумная теплоизоляция (расчетной толщины), закрепленная на наружной стенке 11 и полученная способом спиральной намотки ленты с перекрещиванием каждого предыдущего слоя с последующим слоем ленты, выполненной из полиэтилентерефталатной пленки металлизированной алюминием с двух сторон и продублированной стеклобумагой или стекловуалью. Ширина продублированной ленты выбирается равной ~100 мм.
Непосредственно на наружной стенке 11 с тепловым контактом закреплена, например, стеклонитью, угольная ткань 13, например, активированная адсорбционная угольная ткань марки ААУТ, которая использована в качестве адсорбента. Между угольной тканью 13 и теплоизоляцией 12 проложены жгуты 14 из стекловуали, создающих шлюзы для обеспечения прохода молекул газа к адсорбенту (угольной ткани ААУТ 13). Угольная ткань закреплена по периметру наружной стенки 11 в виде широкого пояса, стянутого и зашнурованного стеклонитью как корсет.
Магистраль прокачки теплоносителя 3 выполнена в виде разомкнутого контура и на входе 15 подключена к источнику подачи теплоносителя, например, стендовым баллонам с газом высокого давления, а на выходе 16 сообщена с атмосферой или с потребителями охлажденного и подогретого теплоносителя. В качестве теплоносителя используют газ, например, воздух, гелий, азот. В качестве пускоотсечных устройств используют, например, вентили. В состав магистрали прокачки теплоносителя 3 входят: вентиль 17, газовый редуктор 18, вентили 19 и 20, теплообменники 7 и 8, межстенная полость 6, а также вентили 21, 22, 23 предназначенные соответственно для сообщения с атмосферой, потребителями охлажденного и подогретого теплоносителя, например, воздуха.
Заправку, например, ксеноном баллона-компрессора 2 от стендовых баллонов 1 производят по трубопроводу 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 18 используют при настройке и регулировке расхода и давления теплоносителя в магистрали прокачки теплоносителя 3.
Для вакуумирования теплоизоляционной полости 10 на внешней герметичной оболочке 9 установлен штуцер или клапан вакуумирования 33.
Первый теплообменник 7 снабжен рубашкой 31 для прокачки хладагента, например, жидкого азота, а второй теплообменник 8 подогревателем 32, например, врезным подогревателем марки «Cetal».
Поясним эксплуатацию термокомпрессионного устройства.
-4
После изготовления баллона-компрессора 2 с использованием вышеуказанной теплозащиты производят следующие операции по подготовке теплозащиты к работе в составе термокомпрессионного устройства. Через штуцер (клапан) вакуумирования 33, установленный на внешней герметичной оболочке 9, производят вакуумирование вакуумным насосом, например, турбомолекулярным вакуумным насосом, теплоизоляционной полости 10 до получения вакуума, например, 1·10 мм рт. ст., при этом нагревают наружную стенку 11, на которой закреплен с тепловым контактом адсорбент (угольная ткань 13), например, путем прокачки через межстенную полость 6 горячего воздуха с температурой порядка плюс 120°С. Такая процедура осуществляется для регенерации адсорбента (угольной ткани 13). После проведения данной операции штуцер (клапан) вакуумирования 33 герметизируют и отстыковывают от вакуумного насоса.
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 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 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 17 и 19 на магистрали прокачки теплоносителя 3 (например, воздуха) и от стендовых баллонов подают на вход 15 в магистраль прокачки теплоносителя воздух, пропускают его через теплообменник 7, охлаждаемый хладагентом, например, жидким азотом, подаваемым, например, из сосуда Дьюара и пропускают через рубашку 31 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 проходит между ребрами оребрения 4, захолаживает внутренний сосуд 5 до температуры порядка минус 80°С и сбрасывается при открытии вентиля 21 в атмосферу или при открытии вентиля 12 - потребителю. 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°С стендовый баллон 1 отсекают (закрывают вентили 25 и 28) и одновременно закрывают вентиль 19 на магистрали прокачки теплоносителя 3. Далее открывают вентиль 20 на магистрали прокачки теплоносителя 3, после чего включают подогреватель 32 (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°С 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 20 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.
В процессе эксплуатации баллона-компрессора 2 в составе термокомпрессионного устройства угольная ткань 13 при охлаждении поглощает остаточные газы в теплоизоляционной полости 10 и при условии полной герметичности способствует поддержанию и сохранению глубокого вакуума, необходимого для эффективной работы теплоизоляции и уменьшения теплопритоков. Кроме того, использование угольной ткани в качестве адсорбента, например, вместо гранулированного активированного угля или силикагеля, значительно упрощает и улучшает конструкцию и технологию изготовления устройства, обеспечивающего поддержание вакуума в теплоизоляционной полости 10 баллона-компрессора 2 в процессе работы термокомпрессионного устройства, при этом исключаются специальные сетчатые карманы для засыпки и поджатия гранул адсорбента к охлаждаемой наружной стенке 11 емкости.
Снабжение баллона-компрессора 2, выполненного в виде двустенной емкости, герметичной теплоизоляционную полость 10, с использованием экранно-вакуумной теплоизоляция в виде ленты, намотанной по спирали с перекрещиванием каждого последующего слоя с предыдущим и закрепленного на наружной стенке двустенной емкости, а также в комплексе с ней угольной ткани, закрепленной непосредственно на наружной стенке с тепловым контактом, и проложенными между угольной тканью и теплоизоляцией жгутами из стекловуали, создающими шлюзы для обеспечения прохода молекул газа к адсорбенту (ААУТ) 13, обеспечивает высокоэффективную теплозащиту 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 теплообменниками 7 и 8, а также сокращает количество прокачиваемого теплоносителя (воздуха), затрачиваемого на термоциклирование баллона-компрессора 2.