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 г., 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 парами 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, низкие надежность и экономичность.
Известно также термокомпрессионное устройство (см., например, патент РФ №2363860 от 21.01.2008, МПК: F04B 19/24, 37/00), выбранное в качестве прототипа и содержащее источник газа высокого давления с подключенными к нему баллонами-компрессорами, устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров, включающего набор разнотемпературных емкостей, магистраль заправки и магистраль подачи газа в баллоны потребителя, снабженную теплообменником-охладителем.
Устройство обеспечивает как прямую закачку газа в баллоны потребителя, так и обратную перекачку газа из баллонов потребителя в стендовые баллоны, но при проведении термоциклирования баллонов-компрессоров в процессе их нагревания не исключено повышение давления газа выше допускаемого (заданного давления в баллонах потребителя) в магистрали подачи газа в баллоны потребителя.
Недостатками прототипа являются отсутствие защиты от повышенного давления газа в магистрали подачи газа в баллоны потребителя, низкие надежность и экономичность.
Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение защиты от повышения давления газа в магистрали подачи газа в баллоны потребителя, повышение надежности и экономичности при обеспечении заправки баллонов потребителя, исключающей загрязнение закачиваемого газа.
Технический результат достигается тем, что в термокомпрессионном устройстве, содержащем источник газа высокого давления, подключенный к баллонам-компрессорам, устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров с набором разнотемпературных емкостей, магистраль заправки и магистраль подачи газа в баллоны потребителя, снабженную теплообменником-охладителем, в отличие от прототипа в магистраль подачи газа в баллоны потребителя введен предохранительный клапан, установленный на выходе из баллонов-компрессоров, причем предохранительный клапан размещен в герметичном кожухе, сообщенном через запорное устройство с емкостью для сбора сбрасываемого газа.
Техническим результатом данного изобретения является обеспечение защиты от повышенного давления в магистрали подачи газа в баллоны потребителя и повышение надежности и экономичности, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого изобретения. Использование предлагаемого технического решения, например, при заправке баллонов потребителя, устанавливаемых на спутниках связи, позволит получить значительный экономический эффект.
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 баллонов-компрессоров 2, устройства для термоциклирования баллонов-компрессоров, включающих набор разнотемпературных емкостей 3, 4, 5 (первую, вторую, третью, предназначенные для обеспечения заданных температур баллонов-компрессоров), а также магистраль заправки 6 и магистраль подачи газа 7 в баллоны потребителя 8, снабженную теплообменником-охладителем 9. Магистраль подачи газа 7 в баллоны потребителя снабжена предохранительным клапаном 10, помещенным в герметичный кожух 11, сообщенный через запорное устройство 12, например вентиль, с емкостью 13 для сбора сбрасываемого газа.
Разнотемпературные емкости 3, 4, 5 заполнены предварительно приготовленным теплоносителем, обеспечивающим охлаждение или нагрев баллонов-компрессоров 2 до заданных температур. Для обеспечения охлаждения или нагрева соответствующие емкости снабжены устройствами для охлаждения или нагрева теплоносителя, например, холодильными теплообменниками-змеевиками, подключенными к сосуду Дьюара с жидким азотом, и электронагревателями (кипятильниками). Так, например, емкость 3 заполнена этиловым спиртом и обеспечивает охлаждение баллонов-компрессоров 2 до температуры минус 80°C, емкость 4 заполнена водой и обеспечивает нагрев баллонов-компрессоров 2 до температуры плюс 20°C, а емкость 5 заполнена водой и обеспечивает нагрев баллонов-компрессоров 2 до температуры плюс 90°C. Баллоны-компрессоры 2 заправляют от стендовых баллонов 1, например, ксеноном посредством магистрали заправки 6, снабженной вентилем 14. Баллоны-компрессоры 2 подключены к баллонам потребителя 8 посредством магистрали подачи газа 7 с вентилем 15 и теплообменником-охладителем 9. Разнотемпературные емкости 3, 4, 5 закреплены посредством разъемных кронштейнов 16 на установочном устройстве 17, которое выполнено в виде цилиндрического корпуса 18, вращающегося на неподвижной поворотной оси 19, вертикально установленной на платформе 20. Разнотемпературные емкости 3, 4, 5 закреплены на одинаковом расстоянии относительно оси вращения установочного устройства 17. На платформе также жестко установлена неподвижная стойка 21, оснащенная механизмом подъема 22 разнотемпературных емкостей 3, 4, 5, для обеспечения стыковки поочередно каждой из разнотемпературных емкостей 3, 4, 5 с крышкой 15. В верхней части неподвижной стойки 21 на кронштейне 23 закреплена крышка 24, стыковочные размеры которой соответствуют размерам горловин разнотемпературных емкостей 3, 4, 5, на которой подвешены баллоны-компрессоры 2 и побудитель циркуляции теплоносителя в разнотемпературных емкостях 3, 4, 5, например погружная шнекообразная мешалка 25. Давление газа в магистрали подачи газа 7 к баллонам потребителя контролируют по манометру 26.
2
-5
-5
2
Работает термокомпрессионное устройство следующим образом. Перед началом работы устройства производят очистку внутренних полостей магистралей заправки и подачи газа, включая баллоны-компрессоры 2 и баллоны потребителя 8, а также кожух 11 с предохранительным клапаном 10 и емкость 13 для сбора сбрасываемого газа от влаги и воздуха. Очистка производится способом вакуумирования с последующей продувкой чистым азотом и ксеноном. Источником закачиваемою газа, например ксенона, в баллоны потребителя являются стендовые баллоны 1, 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 2 по изохоричсскому процессу. После проведения очистки внутренних полостей магистралей и баллонов осуществляют процесс термокомпрессии и подачу (закачку) ксенона в баллоны потребителя 8, который производится с помощью установочного устройства 17 и механизма подъема 22, обеспечивающих поочередный подъем каждой разнотемпературной емкости 3, 4, 5 до совмещения (стыковки) с крышкой 24. Работа производится следующим образом. Установочное устройство 17 вращают относительно поворотной оси 19 до установки емкости 3 под крышкой 24, затем посредством механизма подъема 22 производят подъем и стыковку (соединение) емкости 3 с крышкой 24. При подъеме емкости 3 баллоны-компрессоры 2 и мешалка 25 погружаются в теплоноситель (этиловый спирт, охлажденный до минус 80°C). В захоложенные баллоны-компрессоры 2 из стендовых баллонов 1 подают ксенон и заполняют до заданного давления, при этом происходит конденсация ксенона в баллонах-компрессорах 2 (цикл всасывания). После заполнения баллонов-компрессоров 2 ксеноном и охлаждения его до температуры порядка минус 80°C стендовые баллоны 1 отсекают и производят спуск емкости 3 в нижнее положение на установочное устройство 17 посредством механизма подъема 22. Далее установочное устройство 17 вращают до установки емкости 4 под крышкой 24 и производят посредством механизма подъема 22 подъем и стыковку (соединение) емкости 4 с крышкой 24. При подъеме емкости 4 баллоны-компрессоры 2 и мешалка 25 погружаются в теплоноситель (воду, подогретую до температуры плюс 20°C) и предварительно подогреваются до температуры порядка плюс 20°C, при этом давление в баллонах-компрессорах 2 растет. После подогрева баллонов-компрессоров 2 до температуры порядка плюс 20°C производится спуск емкости 4 в нижнее положение па установочное устройство 17 посредством механизма подъема 22. Затем вращают установочное устройство 17 до установки емкости 5 под крышкой 24 и производят посредством механизма подъема 22 подъем и стыковку (соединение) емкости 5 с крышкой 24. При подъеме емкости 5 баллоны-компрессоры 2 и мешалка 25 погружаются в теплоноситель (воду, подогретую до температуры плюс 90°C) и подогреваются до температуры порядка плюс 90°C, при этом давление в баллонах-компрессорах 2 растет, а при сообщении их с баллонами потребителя 8 посредством открытия вентиля 15 на магистрали подачи газа 7 в баллоны потребителя ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 9, охлаждается до заданной температуры (температуры окружающей среды) и поступает в баллоны потребителя 8 (цикл нагнетания). После выравнивания давления между баллонами-компрессорами 2 и баллонами потребителя 8 вентиль 15 закрывают и емкость 5 опускают в нижнее положение на установочное устройство 17 посредством механизма подъема 22. Таких последовательных процессов (температурных циклов) охлаждения-нагрева вновь пополняемых порций ксенона из стендовых баллонов 1 в баллоны-компрессоры 2 совершают столько, сколько необходимо для достижения заданного давления ксенона в баллонах потребителя 8, например, до 100 кг/см. Погружная шнекообразная мешалка 25 включается в работу после завершения стыковки (соединения) каждой разнотемпературной емкости 3, 4, 5 с крышкой 24, а включается перед началом отстыковки емкости 3, 4, 5 от крышки 24. Работа мешалки 25 значительно повышает эффективность теплообмена теплоносителя с баллонами компрессорами 2.
В процессе нагревания при термоциклировании баллонов-компрессоров 2 в случае повышения давления выше допускаемого (заданного) в магистрали подачи газа 7 в баллоны потребителя срабатывает предохранительный клапан 10 и часть газа, сбрасываемого через предохранительный клапан, попадает в герметичный кожух 11, откуда при открытии запорного устройства 12 перепускается в емкость 13 для сбора сбрасываемого газа. В качестве емкости для сбора сбрасываемого газа можно использовать, например, стендовый баллон, который по мере накопления газа (ксенона) отстыковывают и отправляют на стенд для повторного использования газа при заправке баллонов-компрессоров 2.
Установка на магистрали подачи газа 7 в баллоны потребителя предохранительного клапана 10, включенного на выходе из баллонов-компрессоров 2, и размещение предохранительного клапана 10 в герметичном кожухе 11, сообщенном через запорное устройство 12 с емкостью 13 для сбора сбрасываемого газа, обеспечивает защиту от повышения давления выше допускаемого (заданного) в магистрали подачи газа 7 в баллоны потребителя, при этом повышается надежность и экономичность термокомпрессионного устройства за счет исключения потерь газа (дорогостоящего ксенона) при срабатывании предохранительного клапана, что выполняет поставленную задачу. Кроме того, предлагаемое устройство обеспечивает заправку баллонов потребителя 8 газом (ксеноном), исключающую загрязнение закачиваемого газа как при закачке, так и при срабатывании предохранительного клапана.