ТЕРМОКОМПРЕССИОННОЕ УСТРОЙСТВО
THERMOCOMPRESSION 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 термокомпрсссиошюго 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.
Известно компрессионное устройство для регенерации хладагентов (см., например, патент США №5379607, МПК: F25B 49/00, от 12.10.1993), содержащее компрессор, ресивер, емкости высокого давления, теплообменники и 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. Кроме того, усложнена конструкция и эксплуатация устройства.
Недостатками аналога являются загрязнение газа при заправке баллонов потребителя, низкая эффективность и сложность конструкции устройства.
Известно также термокомпрессионное устройство по патенту России №2351840, МПК: F17C 5/06, с приоритетом от 07.08.2007, выбранное в качестве прототипа и содержащее источник газа высокого давления с подключенным к нему баллонами-компрессорами, параллельно включенными в объединенную магистраль заправки баллонов-компрессоров и подачи газа потребителю па входе в теплообменник-охладитель, а также источник холода. В состав устройства входят модули термоциклирования баллонов-компрессоров, теплоизолированные емкости которых заполнены теплоносителем с погруженными в пего баллонами-компрессорами, подключенными к источнику газа высокого давления, и снабжены каждая нагревателем и теплообменником-охладителем, подключенными к источнику холода. Данное устройство позволяет обеспечить непрерывную заправку баллонов потребителя газом, исключающую его загрязнение, но использование жидкого теплоносителя для проведения термоциклирования баллонов-компрессоров значительно усложняет конструкцию и эксплуатацию устройства для термоциклирования баллонов-компрессоров.
Недостатками прототипа является сложность конструкции и эксплуатации устройства для термоциклирования баллонов-компрессоров.
Задачей настоящего изобретения является создание такого термокомпрессионного устройства, которое исключало бы использование жидкого или газообразного теплоносителя, улучшало и упростило конструкцию и эксплуатацию устройства для термоциклировапия баллонов-компрессоров, при этом обеспечивало бы непрерывную заправку баллонов потребителя газом, исключающую его загрязнение.
Технический результат достигается тем, что в тсрмокомпрессионном устройстве, содержащем источник газа высокого давления с подключенным к нему баллонами-компрессорами, параллельно включенными в объединенную магистраль заправки баллонов-компрессоров и подачи газа потребителю на входе в теплообменник-охладитель, а также источник холода, в отличие от известного, в нем каждый баллон-компрессор выполнен в виде теплоизолированной двустенной емкости с оребрением внутреннего сосуда, размещенным в межстенной полости, подключенной к источнику холода, при этом в каждой теплоизолировапной двустенной емкости внутренний сосуд снабжен подогревателем, а мсжстснная полость на выходе сообщена с охлаждаемым экраном, установленным в слоях теплоизоляции.
Использование предлагаемого термокомпрессионпого устройства, например, при заправке баллонов потребителя, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, таких как спутники связи, позволят получить значительный экономический эффект за счет улучшения и упрощения конструкции и эксплуатации устройства для термоциклирования баллонов-компрессоров, а также за счет обеспечения непрерывной заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение.
Сущность изобретения поясняется чертежом.
Термокомпрсссионнос 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 двух баллонов-компрессоров 2, 3, источника холода 4, например, сосуда Дьюара с жидким азотом, и объединенной магистрали 5 заправки баллонов-компрессоров и подачи газа потребителю, снабженной теплообменником-охладителем 7. В термокомпрессионном устройстве два автономно работающих баллона-компрессора 2, 3 параллельно включены в объединенную магистраль 5 заправки баллонов-компрессоров и подачи газа потребителю на входе 8 в теплообменник-охладитель 7. Каждый баллон-компрессор 2, 3 выполнен в виде теплоизолированной емкости с двумя стенками - двустенной емкости с оребрением 9, 10 внутреннего сосуда 11, 12, размещенным в образованной стенками емкости полости - межстенной полости 13, 14 соответственно, подсоединенной к источнику холода 4, при этом в каждой тенлоизолированной двустенной емкости внутренний сосуд 11, 12 снабжен соответственно подогревателем 15, 16, например, электронагревателем из угольной ткани, закрепленным на внешней стенке внутреннего сосуда и подключенным к внешнему источнику электропитания, а межстенная полость 13, 14 на выходе 17, 18 сообщена с охлаждаемым экраном 19, 20, установленным в слоях теплоизоляции 21, 22. В объединенную магистраль 5 включены вентили 23, 24. 25, установленные соответственно на выходе (входе) источника газа высокого давления 1, баллона-компрессора 3 и баллона-компрессора 3, а также вентиль 26, установленный на входе (выходе) из теплообменника-охладителя 7. Такая расстановка вентилей посредством их переключения обеспечивает как заправку баллонов-компрессоров 2, 3, так и подачу газа потребителю 6, а при необходимости и обратную перекачку газа из баллонов потребителя 6. В качестве теплоизоляции 21, 22 используют, например, пенополиуретан или многослойную экранно-вакуумную изоляцию.
Подачу хладагента, например, жидкого азота от источника холода 4, например, из сосуда Дьюара производят по трубопроводу подачи хладагента 27, снабженному вентилями 28, 29, установленными непосредственно на входе соответственно в межстстеные полости 13, 14. Охлаждаемые экраны 19, 20 выполнены, например, в виде обечаек 30, 31 с закрепленными на их поверхности трубчатыми змеевиками 32, 33, скрепленными соответственно с обечайками посредством пайки.
Поясним эксплуатацию термокомпрессионного устройства.
2
-5
-5
Перед началом функционирования термокомпрессионного устройства производят очистку внутренних полостей объединенной магистрали заправки баллонов-компрессоров и подачи газа потребителю, включая баллоны-компрессоры 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 4·10объемных долей.
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 подачи ксенона и баллонов осуществляют процесс термокомпрессии и подачу ксенона в баллоны потребителя 6, который производится следующим образом:
В исходном положении все вентили закрыты.
Первоначально производят захолаживание баллонов-компрессоров 2, 3 для этого открывают вентиля 28 и 29 на трубопроводе подачи хладагента 27, например, парообразного или жидкого азота от источника холода 4, например, например, из сосуда Дьюара и подают в межстенные полости 13, 14 жидкий или парообразный азот, захолаживают внутренние сосуды 11, 12 до температуры порядка минус 80°C, при этом пары азота, образующиеся в межстенных полостях 13, 14, через выходы 17, 18 поступают в змеевики 32, 33 охлажденных экранов 19, 20 соответственно, охлаждают экраны 19, 20, снимают теплопритоки, поступающие из окружающей среды к баллонам-компрессорам 2, 3 и сбрасываются в атмосферу.
В захолаженные внутренние сосуды 11, 12 из стендового баллона 1 подают ксенон, для чего открывают вентили 23, 24, 25, и заполняют внутренние сосуды 11, 12 до заданного давления, при этом происходит конденсация ксенона во внутреннем сосуде 11, 12 (цикл всасывания). После заполнения внутреннего сосуда 11, 12 баллонов-компрессоров 2, 3 ксеноном и охлаждения его до температуры порядка минус 80°C стендовый баллон 1 отсекают (закрывают вентили 23, 24, 25) и закрытием вентилей 28, 29 на трубопроводе подачи хладагента 27 прекращают подачу хладагента в межстенные полости 13, 14. Одновременно включают подогреватели 15, 16 и нагревают внутренние сосуды 11, 12 до температуры порядка плюс 90°C, при этом давление ксенона во внутренних сосудах 11, 12 растет, а при сообщении его с баллонами потребителя 6 посредством открытия вен-гилей 24, 25, 26 на объединенной магистрали 5, ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 7, охлаждается до заданной температуры (температуры охлаждающей среды) и поступает в баллоны потребителя 6 (цикл нагнетания). После выравнивания давления между внутренними сосудами 11, 12 баллонов-компрессоров 2, 3 и баллонами потребителя 6 вентили 24, 25, 26 закрывают, а также выключают подогреватели 15, 16.
2
Таких последовательных процессов (температурных циклов) охлаждения-нагрева вновь пополняемых порций ксенона из стендового баллона 1 в баллоны-компрессоры 2, 3 совершают столько, сколько необходимо для достижения заданного давления ксенона в баллонах потребителя 6, например, до 100 кг/см.
Выполнение устройства с одинаковыми автономно работающими баллонами-компрессорами, которые параллельно включены в объединенную магистраль заправки баллонов-компрессоров и подачи газа в баллоны потребителя на входе в теплообменник-охладитель, позволяет обеспечить непрерывную заправку баллонов потребителя газом, исключающую загрязнение газа, т.к. такая конструкция дает возможность производить заправку (цикл нагнетания), например от баллона-компрессора 2, в то время как баллон-компрессор 3 находится в состоянии подготовки к заправке (цикл всасывании), т.е. одновременно, когда баллон-компрессор 2 находится в состоянии цикла нагнетания, баллон-компрессор 3 находится в состоянии цикла всасывания и наоборот.
Такой режим работы баллонов-компрессоров позволяет попеременно, а в целом бесперебойно пополнять баллоны потребителя закачиваемым газом (ксеноном). Выполнение каждого баллона-компрессора 2, 3 в виде теплоизолированной двустенной емкости, снабженной автономными подогревателями 15, 16 и получающей непосредственное охлаждение от общего источника холода 4 посредством прокачки хладагента через межстенную полость 13, 14 позволяет исключить потребность в специальном теплоносителе и оборудовании (специальных агрегатов и устройств) для его подготовке при охлаждении и нагревании, и тем самым значительно улучшить и упростить конструкцию и эксплуатацию устройства термоциклирования баллонов-компрессоров 2, 3, при этом обеспечивается непрерывная заправка баллонов потребителя 6 газом, исключающая его загрязнение, что выполняет поставленную задачу.