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 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 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. Недостатками аналога являются малая эффективность и низкая экономичность процесса захолаживания газа.
Известно также термокомпрессионное устройство (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. 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 не экономичен.
Недостатками прототипа также как и у аналога являются малая эффективность и низкая экономичность процесса захолаживания газа.
Задачей настоящего изобретения является создание такого термокомпрессионного устройства, которое обеспечивало бы повышение эффективности и экономичности при захолаживании газа в баллонах-компрессорах.
Технический результат достигается тем, что в термокомпрессионное устройство, 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, в отличие от прототипа, на магистрали подачи газа на входе в баллоны-компрессоры дополнительно установлен охладитель, выполненный из трубки в виде змеевика, размещенной в кожухе, причем внутри трубки змеевика расположен сердечник по всей длине трубки с образованием зазора в кольцевом канале между стенкой трубки и сердечником, при этом внутренняя полость кожуха подключена гибкой связью к выходу из теплообменника, выполненного в виде змеевика, размещенного внутри низкотемпературной емкости, заполненной теплоносителем для захолаживания баллонов-компрессоров, погруженных в теплоноситель.
Результат достигается тем, что на магистрали подачи газа на входе в баллоны-компресоры дополнительно установлен охладитель, обеспечивающий предварительное охлаждение газа отходящими парами хладагента (азота) из теплообменника низкотемпературной емкости. Кроме того, охладитель содержит конструктивные элементы, повышающие эффективность теплообмена между газом, проходящим через трубку змеевика и хладагентом (отходящим азотом), омывающим змеевик, размещенный в кожухе.
Технический результат данного изобретения заключается в обеспечении повышения эффективности и экономичности при захолаживании газа в баллонах-компрессорах, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения.
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, где изображены:
на фиг.1 - термокомпрессионное устройство в рабочем положении;
фиг.2 - сечение теплообменника А-А.
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 подключенного посредством магистрали подачи газа 2 к баллонам-компрессорам 3; устройства для термоциклирования 4 баллонов-компрессоров, включающего низкотемпературную емкость 5 с теплообменником 6, сообщенным с источником холода 7, например сосудом Дьюара с жидким азотом. На магистрали подачи газа 2 на входе в баллоны-компрессоры 3 дополнительно установлен охладитель 8, выполненный из трубки в виде змеевика 9, размещенного в кожухе 10. Внутри трубки змеевика 9 расположен сердечник 11, например толстая проволока по всей длине трубки с образованием зазора в кольцевом канале между стенкой трубки и сердечником 11 (см. фиг.2). Внутренняя полость кожуха 10 подключена гибкой связью 12 к выходу из теплообменника 6, выполненного в виде змеевика, размещенного внутри низкотемпературной емкости 5, заполненной теплоносителем для захолаживания баллонов-компрессоров 3, погруженных в теплоноситель, например этиловый спирт.
c
Устройство для термоциклирования 4 баллонов-компрессоров 3 содержит, кроме низкотемпературной емкости 5, заполненной этиловым спиртом и обеспечивающей охлаждение баллонов-компрессоров 3 до температуры минус 80°С, емкость 13, заполненную водой и обеспечивающую нагрев баллонов-компрессоров 3 до температуры плюс 20°С, и емкость 14, заполненную водой и обеспечивающую нагрев баллонов-компрессоров 3 до температуры плюс 90°С. Для обеспечения охлаждения или нагрева соответствующие емкости снабжены устройствами для охлаждения или нагрева теплоносителя, так, например, низкотемпературная емкость 5 снабжена теплообменником 6, выполненным в виде змеевика, размещенного внутри емкости, и сообщенным с источником холода - сосудом Дьюара 7, заполненным жидким азотом, а емкости 13 и 14 снабжены электронагревателями (кипятильниками). Баллоны-компрессоры 3 подключены к баллонам потребителя 15 посредством заправочной магистрали 16 с вентилем 17 и теплообменником-охладителем 18, установленным на входе в баллоны потребителя 15. Магистраль подачи газа 2 снабжена вентилем 19. Емкости 5, 13, 14 и источник холода - сосуд Дьюара 7 закреплены посредством разъемных кронштейнов на установочном вращающемся устройстве 20, размещенном совместно с механизмом подъема 21 на платформе 22. Механизм подъема 21 смонтирован на стойке 23, закрепленной на платформе 22, и обеспечивает поочередный подъем (спуск) емкостей 5, 13, 14 до стыковки (расстыковки) с крышкой 24, закрепленной на кронштейне 25 в верхней части стойки 23. На крышке 24 подвешены баллоны-компрессоры 3, и закреплено устройство, побуждающее циркуляцию теплоносителя в емкости 5, 13, 14, например погружная мешалка 26, для повышения теплообмена теплоносителя с баллонами-компрессорами 3. Змеевик 9 теплообменника 6 сообщен с источником холода - сосудом Дьюара 7 посредством металлорукава 27 и переходника 28. Платформа 22 снабжена колесами 29 и домкратами 30. Для обеспечения равномерного зазора между сердечником и стенкой трубки используют, например, спиральную навивку тонкой проволоки 31 на сердечник перед его размещением в полости трубки; шаг навивки получен экспериментальным путем и равен 4÷6 d диаметра сердечника.
2
-5
-5
2
Работает термокомпрессионное устройство следующим образом. Перед началом работы устройства производят очистку внутренних полостей магистралей подачи и заправки газа, включая баллоны-компрессоры и баллоны потребителя 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, заполненные чистым ксеноном высокого давления порядка 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 баллонах-компрессорах 3 по изохорическому процессу. После проведения очистки внутренних полостей магистралей и баллонов осуществляют процесс термокомпрессии и закачку ксенона в баллоны потребителя 15, который производится с помощью установочного вращающегося устройства 20 и механизма подъема 21, обеспечивающих поочередный подъем каждой емкости 5, 13, 14 до совмещения с крышкой 24, затем производят ее подъем и стыковку (соединение) с крышкой 24 посредством механизма подъема 21. При подъеме низкотемпературной емкости 5 баллоны-компрессоры 3 и мешалка 26 погружаются в теплоноситель (этиловый спирт, охлажденный до минус 80°С). В захоложенные баллоны-компрессоры 3 из стендовых баллонов 1 подают ксенон и заполняют до заданного давления, при этом ксенон, проходя через охладитель 8, установленный на магистрали подачи газа 2 на входе в баллоны-компрессоры 3, предварительно захолаживается (охлаждается) в змеевике 9 до температуры отходящих паров азота из теплообменника 6 и пропускаемых через кожух 10 охладителя 8, а, попадая в баллоны-компрессоры 3, ксенон конденсируется (цикл всасывания). После заполнения баллонов-компрессоров 3 ксеноном и охлаждения его до температуры порядка минус 80°С стендовые баллоны 1 отсекают и производят спуск низкотемпературной емкости 5 в нижнее положение. Далее установочное вращающее устройство 20 вращают до установки емкости 13 под крышкой 24 и производят ее подъем и стыковку (соединение) с крышкой 24 посредством механизма подъема 21. При подъеме емкости 13 баллоны-компрессоры 3 и мешалка 26 погружаются в теплоноситель (воду, подогретую до плюс 20°С) и предварительно подогреваются до температуры порядка плюс 20°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 3 растет. После подогрева баллонов-компрессоров 3 до температуры порядка 1-20°С производят спуск емкости 13 в нижнее положение. Затем перемещают (вращают) установочное вращающее устройство 20 до установки емкости 14 под крышкой 24 и производят ее подъем и стыковку (соединение) с крышкой 24 посредством механизма подъема 21. При подъеме емкости 14 баллоны компрессоры 3 и мешалка 26 погружаются в теплоноситель (воду, подогретую до плюс 90°С) и подогреваются до температуры порядка плюс 90°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 3 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 3 и баллонами потребителя 15 вентиль 17 закрывают и емкость 14 опускают в нижнее положение. Таких последовательных процессов (температурных циклов) охлаждения-нагрева вновь пополняемых порций ксенона из стендовых баллонов 1 в баллоны-компрессоры 3 совершают столько, сколько необходимо для достижения заданного давления в баллонах потребителя 15, например до 100 кг/см. Предварительное захолаживание ксенона перед входом в баллоны-компрессоры 3, погруженные в теплоноситель низкотемпературной емкости 5, осуществляемое в дополнительно установленном на магистрали подачи газа 2 высокоэффективном охладителе 8, выполненном из трубки в виде змеевика 9, размещенного в кожухе 10 и снабженного сердечником 11, позволяет повысить эффективность захолаживания и экономичность за счет использования отходящих (выбрасываемых) паров азота после использования холода азота в теплообменнике 6, что, кроме того, сокращает время захолаживания в низкотемпературной емкости 5 и обеспечивает выполнение поставленной задачи.
c
в
c
Для обеспечения равномерного зазора между сердечником и стенкой трубки используют, например, спиральную навивку тонкой проволоки на сердечник перед его размещением в полости трубки; шаг навивки получен экспериментальным путем и равен 4÷6 d диаметра сердечника. Диаметр проволоки равен зазору , который определяют расчетным путем по внутреннему диаметру трубки змеевика D и диаметру сердечника d, выбираемым исходя из скорости и количества прокачиваемого компонента.
Помещая сердечник внутрь трубки большего диаметра с гладкими стенками, удается обеспечить высокие коэффициенты теплоотдачи. Это достигается за счет интенсивной циркуляции в полости, образуемой между сердечником с витками проволоки и стенкой трубки при их поперечном обтекании потоком, движущимся вдоль оребренной поверхности. Кроме того, при использовании сердечника значительно увеличивается теплообменная поверхность, что повышает эффективность теплообменника.