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 № 20442332, 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 в электрореактивных двигателях, устанавливаемых на космических летательных аппаратах.
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-копрессорами, погруженными в среду теплоносителя, заполняющую теплоизолированную емкость, образующими первый модуль термоциклирования, при этом к модулю подключены магистраль заправки и магистраль подачи газа потребителю, а магистраль подачи газа потребителю снабжена 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.
Общими недостатками аналога и прототипа являются отсутствие возможности исключить загрязнение газа при непрерывной заправке баллонов потребителя и низкая эффективность.
Задачей настоящего изобретения является создание такого компрессионного термического устройства, которое обеспечивало бы непрерывную заправку баллонов потребителя газом, исключающую его загрязнение, и повышало эффективность и экономичность.
Сущность изобретения заключается в том, что в компрессионное термическое устройство, содержащее источник газа высокого давления, первый модуль термоциклирования баллонов-компрессоров, теплоизолированная емкость которого заполнена теплоносителем с погруженными в него баллонами-компрессорами, подключенными к источнику газа высокого давления, магистраль заправки и магистраль подачи газа потребителю, снабженную теплообменником-охладителем, в отличие от прототипа введен второй модуль термоциклирования баллонов-компрессоров, теплоизолированная емкость которого заполнена теплоносителем с погруженными в него баллонами-компрессорами, теплоизолированная емкость каждого из модулей термоциклирования снабжена нагревателем и теплообменником, при этом баллоны-компрессоры, размещенные в первом модуле термоциклирования, и баллоны-компрессоры, размещенные во втором модуле термоциклирования, параллельно включены в общую магистраль подачи газа потребителю на входе в теплообменник-охладитель, а каждый теплообменник, размещенный в соответствующей теплоизолированной емкости, выполнен в виде змеевика с бифилярной намоткой трубки и на входе подключен к источнику холода, а на выходе к межтрубной полости теплообменника-охладителя.
Технический результат данного изобретения заключается в том, что обеспечивается непрерывная заправка баллонов потребителя газом, исключающая его загрязнение, при этом улучшается эффективность и экономичность, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения.
Использование предлагаемого компрессионного термического устройства, например при заправке баллонов потребителя, устанавливаемых на космических летательных аппаратах типа «Ямал», «Белка» и др., позволит дать значительный экономический эффект за счет обеспечения непрерывной заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение и повышения эффективности и экономичности.
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, 3, расположенными в среде теплоносителя 4, 5, например этилового спирта; баллоны-компрессоры 2, 3 подключены через магистрали заправки 6, 7 к источнику газа высокого давления 1 и через магистрали подачи газа 8, 9 - к потребителю 10; при этом магистрали подачи газа 8, 9 потребителю снабжены теплообменником-охладителем 11. Устройство выполнено с двумя модулями: первым модулем 12 и вторым модулем 13 для термоциклирования баллонов компрессоров 2, 3; каждый модуль 12, 13 содержит теплоизолированную емкость 14 (15), снабженную нагревателем 16 (17) и теплообменником 18 (19), заполненную теплоносителем 4 (5) и погруженными в теплоноситель 4 (5) баллонами-компрессорами 2 (3), которые параллельно включены в общую магистраль подачи газа 20 потребителю 10 на входе в теплообменник-охладитель 11. Теплообменник 18 (19), входящий в состав теплоизолированной емкости 14 (15), выполнен в виде змеевика с бифилярной намоткой трубки, на входе 21 (22) подключен посредством теплоизолированного трубопровода с вентилем 23 (24) к источнику холода 25, а на выходе 26 (27) к межтрубной полости 28 теплообменника-охладителя 11. В качестве источника холода 25 используют, например, сосуд Дьюара с жидким азотом. Теплоизолированные емкости 14 (15) снабжены мешалками 29 (30), выполненными, например, в виде шнека с цилиндрической рубашкой (корпусом). Магистраль заправки 6 (7) снабжена вентилем 31 (32), а магистраль подачи газа 8 (9) потребителю 10 снабжена вентилем 33 (34).
Работает компрессионное термическое устройство следующим образом.
2
-6
-6
Перед началом работы устройства производят очистку внутренних полостей магистрали заправки 6 (7) и магистрали подачи газа 8 (9), включая баллоны-компрессоры 2 (3) и баллоны потребителя 10 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 10 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 10 закачиваемого чистого ксенона.
2
Работа устройства основана на использовании принципа термокомпрессора, в котором необходимое для заправки (закачки) давление ксенона достигается в баллонах-компрессорах 2 (3) по изохорическому процессу. После проведения очистки внутренних полостей магистралей 6 (7), 8 (9) и баллонов 2 (3), 10 производят захолаживание баллонов-компрессоров 2 (3), для чего открывают вентиль 23 (24) и подают парообразный или жидкий азот из сосуда Дьюара 25 в теплообменник 18 (19), захолаживают теплоноситель 4 (5) и расположенные в его среде баллоны-компрессоры 2 (3) до температуры, порядка минус 80°С, при этом мешалка 29 (30) включена и обеспечивает перемешивание теплоносителя 4 (5) для улучшения и ускорения процесса захолаживания баллонов-компрессоров 2 (3). Затем открывают вентиль 31 (32) и захоложенные баллоны-компрессоры 2 (3) заполняют ксеноном из стендовых баллонов 1 (цикл всасывания). После заполнения стендовые баллоны 1 отсекают (закрывают вентиль 31 (32)) и закрывают вентиль 23 (24); включают нагреватель 16 (17), и при работающей мешалке 29 (30) нагревают теплоноситель 4 (5) и баллоны-компрессоры 2 (3) до температуры порядка плюс 100°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 2 (3) растет, а при открытии вентиля 33 (34) - порядка плюс 20°С, парами азота, отходящими из теплообменника 18 (19) и поступающими в межтрубную полость 28 теплообменника-охладителя 11. Охлажденный ксенон после теплообменника-охладителя поступает (закачивается) в баллоны потребителя 10, например, до 150 кг/см.
Выполнение устройства с двумя одинаковыми модулями 12 и 13, баллоны-компрессоры 2, 3, которых параллельно включены в общую магистраль подачи газа 20 потребителю 10 на входе в теплообменник-охладитель 11, позволяет обеспечить непрерывную заправку баллонов потребителя 10 газом, исключающую загрязнение газа, т.к. такое устройство дает возможность производить заправку (цикл нагнетания), например, от модуля 12, в то время как модуль 13 находится в состоянии подготовки к заправке (цикл всасывания), а именно одновременно, в то время как модуль 12 находится в состоянии цикла нагнетания, модуль 13 находится в состоянии цикла всасывания и наоборот. Такое смещение «состояний» в процессе работы модулей 12 и 13 позволяет попеременно, а в целом бесперебойно наполнять баллоны потребителя 10 закачиваемым газом (ксеноном), при этом обеспечивается заданная чистота ксенона и повышается эффективность и экономичность работы устройства, что обеспечивает выполнение поставленной задачи. Кроме того, использование отходящих паров азота из теплообменника 18 (19), подаваемых в межтрубную полость 28 теплообменника-охладителя 11, также повышает эффективность и экономичность предлагаемого устройства, т.к. дополнительно используется выбрасываемый холод паров азота.