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 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) тина CFC (фреон-11, фреон-12, фреон-113) для откачки в транспортный баллон (потребителю), при этом процесс откачки длителен и малоэффективен, а обслуживание устройства и его оборудования усложнено, как во время эксплуатации, так и в период проведения регламентных работ.
Недостатками прототипа являются загрязнения газа при заправке баллонов потребителя и малая эффективность теплообменного устройства.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности термокомпрессионного устройства за счет уменьшения теплопритоков в процессе термоциклирования баллона-компрессора.
Технический результат достигается тем, что в термокомпрессионном устройстве, содержащем источник газа высокого давления с подключенным к нему баллоном-компрессором, выполненным в виде теплоизолированной двустенной емкости с оребрением внутреннего сосуда, размещенным в межстенной полости, подсоединенной к устройству для термоциклирования баллона-компрессора, выполненному в виде параллельно включенных в контур магистрали прокачки теплоносителя разнотемпературных теплообменников, первый из которых снабжен охлаждающей рубашкой, а второй - подогревателем, в отличие от известного, в нем двустенная емкость снабжена тепловым экраном, выполненным в виде обечайки, на поверхности которой с тепловым контактом закреплен трубчатый змеевик, подключенный через пускоотсечное и дроссельное устройства к штуцеру для выхода хладагента из охлаждающей рубашки первого теплообменника.
Использование предлагаемого термокомпрессионного устройства, например, при заправке баллонов потребителя, устанавливаемых па космических летательных аппаратах, таких как спутники связи, позволят получить значительный экономический эффект за счет обеспечения заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение, а также за счет повышение эффективности устройства путем уменьшения теплопритоков в процессе термоциклирования баллона-компрессора.
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, состоящего из двух разнотемпературных теплообменников 7 и 8, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя 3, причем первый теплообменник 7 снабжен охлаждающей рубашкой 9 для прокачки хладагента, например, жидкого азота, а второй теплообменник 8 снабжен подогревателем 10 теплоносителя, например, электронагревателем.
Двустенная емкость снабжена тепловым экраном 11, выполненным в виде обечайки, на поверхности которой с тепловым контактом закреплен трубчатый змеевик 12. Тепловой контакт обеспечивают, например, пайкой. Трубчатый змеевик 12 подключен через пускоотсечное устройство 13, например, вентиль и дроссельное устройство 14, например, дроссельную шайбу к штуцеру 15 для выхода хладагента из охлаждающей рубашки 9 первого теплообменника 7. Подачу хладагента от источника холода, например, от сосуда Дьюара в охлаждающую рубашку 9 производят через штуцер 16. Теплообменники 7 и 8 кожухотрубного типа снабжены внешней теплоизоляцией 17. Тепловой экран 11 размещен в слоях теплоизоляции 18 баллона-компрессора и является барьером на пути внешних теплопритоков, поступающих к двустенной емкости. В качестве теплоизоляции 17, 18 используют, например, пенополиуретан или экранно-вакуумпую теплоизоляцию.
Магистраль прокачки теплоносителя 3 включает: вентиль 19, газовый редуктор 20, вентили 21 и 22, теплообменники 7 и 8, межстенную полость 6 двустенной емкости и вентили 23, 24 и 25 предназначенные соответственно для сообщения с атмосферой, потребителями охлажденного и подогретого теплоносителя.
В качестве теплоносителя используют газ, например, воздух, который подают на вход 26 в магистраль прокачки теплоносителя 3, например, от стендовых баллонов с газом (воздухом) высокого давления. Заправку, например, ксеноном баллона-компрессора 2 от стендовых баллонов 1 производят посредством трубопровода 27 с вентилем 28. Баллон-компрессор 2 подключен к баллонам потребителя 29 посредством заправочной магистрали 30 с вентилями 31 и 32 и теплообменником-охладителем 33. Газовый редуктор 20 используют при настройке и регулировке расхода и давления теплоносителя в магистрали прокачки теплоносителя 3.
Поясним эксплуатацию термокомпрессионного устройства.
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 29, который производится следующим образом.
В исходном положении все вентили закрыты.
Первоначально производят захолаживание баллона-компрессора 2, для этого открывают вентиля 19 и 21 на магистрали прокачки теплоносителя (воздуха) 3 и, например, от стендовых баллонов высокого давления подают на вход 26 в магистрали прокачки теплоносителя 3 воздух, пропускают его через теплообменник 7, охлаждаемый хладагентом, например, жидким азотом, подаваемым, например, из сосуда Дьюара к штуцеру 16 и пропускают через рубашку 9 теплообменника 7, при этом открывают вентиль 13. Жидкий азот, охлаждая теплообменник 7, испаряется и в виде холодного пара под давлением из полости рубашки 9 через штуцер 15 поступает в дроссельную шайбу 14. При прохождении азота через дроссельную шайбу 14 в процессе дросселирования азот доохлаждается, после чего поступает в трубчатый змеевик 12 теплового экрана 11, охлаждает экран 11 и, отбирая тепло, поступающее к двустенной емкости из окружающей среды, сбрасывается в атмосферу. В теплообменнике 7 охлаждают прокачиваемый теплоноситель (воздух) до температуры порядка минус 90°C.
2
Охлажденный воздух из теплообменника 7 поступает в межстенную полость 6 баллона-компрессора 2, захолаживает внутренний сосуд 5 до температуры порядка минус 80°C и сбрасывается при открытии вентиля 23 в атмосферу или при открытии вентиля 24 - потребителю охлаждаемого воздуха. В захоложенный внутренний сосуд 5 из стендового баллона 1 подают ксенон, для чего открывают вентили 27, 28 и заполняют внутренний сосуд 5, доводя 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°C стендовый баллон 1 отсекают (закрывают вентили 27 и 28) и одновременно закрывают вентиль 21 на магистрали прокачки теплоносителя 3. Также закрывают вентиль 13, отсекающий подачу хладагента в трубчатый змеевик 12 теплового экрана 11. Далее открывают вентиль 22 на магистрали прокачки теплоносителя 3, после чего включают подогреватель 10. 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, нагревает внутренний сосуд 5 до температуры порядка плюс 90°С и сбрасывается при открытии вентиля 23 в атмосферу, а при открытии вентиля 25 - потребителю подогретого теплоносителя. При нагревании давление ксенона во внутреннем сосуде 5 растет, а при сообщении его с баллонами потребителя 29 посредством открытия вентилей 31 и 32 на заправочной магистрали 30, ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 33, охлаждается до заданной температуры (температуры охлаждающей среды) и поступает в баллоны потребителя 29 (цикл нагнетания). После выравнивания давления между внутренним сосудом 5 баллона-компрессора 2 и баллонами потребителя 29 вентили 31 и 32 закрывают, а также закрывают вентиль 22 на магистрали прокачки теплоносителя 3 и выключают подогреватель 10. 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 29, например, до 100 кг/см.
Выполнение баллона-компрессора 2 в виде тенлоизолированной двустенной емкости с оребрснием внутреннего сосуда в совокупности тепловым экраном 11, выполненным в виде обечайки, на поверхности которой с тепловым контактом закреплен трубчатый змеевик 12, подключенный через пускоотсечное устройство 13 и дроссельное устройство 14 к штуцеру 15 для выхода хладагента из охлаждающей рубашки 9 первого теплообменника 7, позволяет повысить эффективность устройства путем уменьшения тенлопритоков за счет использования холодных паров хладагента, отходящих в атмосферу из рубашки 9 теплообменника 7 в процессе термоциклирования баллона-компрессора 2, при этом сокращается количество теплоносителя (воздуха), прокачиваемого, через межстенную полость, необходимое на охлаждение внутреннего сосуда 5; уменьшение теплопритоков также сокращает время, затрачиваемое па захолаживание внутреннего сосуда 5 и находящегося в нем ксенона. Кроме того, термокомпрессионное устройство исключает загрязнение газа при заправке баллонов потребителя 29.