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 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 нарами 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 с подключенным к нему баллоном-компрессором, 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, малоэффективны теплообменные устройства.
Недостатками прототипа являются загрязнения газа при заправке баллонов потребителя и низкая эффективность теплообменных устройств.
Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение конструкции термокомпрессионного устройства и повышение эффективности теплообмена при работе баллона-компрессора.
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, подсоединенной к устройству для термоциклирования баллона-компрессора, выполненному в виде разнотемпературных теплообменников, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя, причем оребрение внутреннего сосуда выполнено спиралевидной формы с образованием спирального канала между стенкой внутреннего сосуда и наружной стенкой двустенной емкости.
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 упрощается обслуживание при эксплуатации, а также повышается надежность работы компрессора при прокачке газообразного теплоносителя.
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. Оребрение 4 внутреннего сосуда 5 выполнено, например, в виде перегородки, имеющей форму спирали, или спиральной ленты из высокотеплопроводного материала, таких как медь, алюминий, закрепленной посредством пайки на боковой поверхности внутреннего сосуда 5 с образованием спирального канала 9 между стенкой внутреннего сосуда 5 и наружной стенкой 10 теплоизолированной двустенной емкости.
Магистраль прокачки теплоносителя 3 выполнена в виде разомкнутого контура и на входе 11 подключена к источнику подачи теплоносителя, например стендовым баллонам с газом высокого давления, а на выходе 12 сообщена с атмосферой или с потребителями охлажденного и подогретого теплоносителя. В качестве теплоносителя используют газ, например воздух, гелий, азот. Для теплоизоляции баллона-компрессора 2, теплообменников 7, 8 и магистрали прокачки теплоносителя 3 используют, например, пенополиуретан 13. В состав магистрали прокачки теплоносителя 3: вентиль 14, газовый редуктор 15, вентили 16 и 17, теплообменники 7 и 8; межстенная полость 6 и расположенный в ней спиральный канал 9, а также вентили 18, 19, 20 предназначены 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 21 с вентилем 22. Баллон-компрессор 2 подключен к баллонам потребителя 23 посредством заправочной магистрали 24 с вентилями 25 и 26 и теплообменником-охладителем 27.
Трубопровод 21 включен в заправочную магистраль 24 между вентилями 25 и 26, что обеспечивает подачу газа из баллонов 1 отдельно как в баллоны потребителя 23, так и в баллон-компрессор 2. Газовый редуктор 15 используют при настройке и регулировке расхода и давления теплоносителя в магистрали прокачки теплоносителя 3.
Первый теплообменник 7 снабжен рубашкой 28 для прокачки хладагента, например жидкого азота, а второй теплообменник 8 подогревателем 29, например, врезным подогревателем марки «Cetal».
Работает термокомпрессионное устройство следующим образом.
2
-5
-5
Перед началом функционирования 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 4·10объемных 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 23, который производится следующим образом.
В исходном положении все вентили закрыты.
2
Первоначально производят захолаживание баллона-компрессора 2, для этого открывают вентиля 14 и 16 на магистрали прокачки теплоносителя 3 (например, воздуха) и от стендовых баллонов подают на вход 11 в магистраль прокачки теплоносителя воздух, пропускают его через теплообменник 7, охлаждаемый хладагентом, например жидким азотом, подаваемым, например, из сосуда Дьюара и пропускают через рубашку 28 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 через спиралевидный канал 9, захолаживает внутренний сосуд 5 до температуры порядка минус 80°С и сбрасывается при открытии вентиля 18 в атмосферу или при открытии вентиля 19 - потребителю. В захоложенный внутренний сосуд 5 из стендового баллона 1 подают ксенон, для чего открывают вентили 22, 25 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 22 и 25) и одновременно закрывают вентиль 16 на магистрали прокачки теплоносителя 3. Далее открывают вентиль 17 на магистрали прокачки теплоносителя 3, после чего включают подогреватель 29 (электронагреватель). При этом теплоноситель (воздух) при прохождении через теплообменник 8 нагревается до температуры порядка плюс 95°С и поступает в межстенную полость 6 баллона компрессора 2, где проходит через спиралевидный канал 9, нагревает внутренний сосуд 5 до температуры порядка плюс 90°С и сбрасывается при открытии вентиля 18 в атмосферу, а при открытии вентиля 20 - потребителю подогретого теплоносителя, при этом давление ксенона во внутреннем сосуде 5 растет, а при сообщении его с баллонами потребителя 23 посредством открытия вентилей 25 и 26 на заправочной магистрали 24, ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 27, охлаждается до заданной температуры (температуры охлаждающей среды) и поступает в баллоны потребителя 23 (цикл нагнетания). После выравнивания давления между внутренним сосудом 5 баллона-компрессора 2 и баллонами потребителя 23 вентили 25 и 26 закрывают, а также закрывают вентиль 17 на магистрали прокачки теплоносителя 3 и выключают подогреватель 29 (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 23, например, до 100 кг/см.
Выполнение размещенного в межстенной полости 6 оребрения 4, в форме спирали, например в виде спиральной ленты из высокотеплопроводного материала, закрепленной на поверхности внутреннего сосуда 5 с образованием спирального канала 9 между стенкой внутреннего сосуда 5 и наружной стенкой 10 двустенной емкости, увеличивает площадь поверхности для теплообмена через стенку и значительно повышает эффективность теплообмена между теплоносителем и газом (ксеноном) в процессе прокачки теплоносителя через спиралевидный канал 9 при проведении термоциклирования баллона-компрессора 2, что позволяет получить технический результат.