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 компрессионного термического 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 №20442332 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 парами масла (смазки), что недопустимо при перекачке (заправке) газа в баллоны потребителя, применяющего данный газ в качестве рабочего компонента, например, при использовании в электрореактивных двигателях устанавливаемых на космических летательных аппаратах.
Недостатками аналогов являются сложность конструкции (компоновки) и эксплуатации.
Известно также компрессионное устройство для регенерации хладагентов (см., например, патент США №5379607 от 12.10.1993, МПК F25B 49/00), выбранное в качестве прототипа и содержащее источник газа высокого давления, подключенный к баллонам-компрессорам, и устройство для термоцикпирования баллонов-компрессоров, включающее набор разнотемпературных емкостей. В состав устройства также входят компрессор, ресивер, теплообменник-конденсатор. 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.
Недостатками прототипа являются сложность конструкции (компоновки) и эксплуатации, а также низкая эффективность устройства.
Задачей настоящего изобретения является упрощение и улучшение конструкции термокомпрессионного устройства и его эксплуатационных качеств, а также повышение эффективности работы термокомпрессионного устройства.
Технический результат достигается тем, что в термокомпрессионном устройстве, содержащем источник газа высокого давления, подключенный к баллонам-компрессорам, и устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров, в отличие от прототипа устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров выполнено в виде набора разнотемпературных емкостей с одинаковыми горловинами, закрепленных на держателе, установленном с возможностью вращательно-поступательного перемещения относительно пустотелой стойки, а также введен подъемно-поворотный механизм, трос которого одним концом закреплен в центре тяжести держателя разнотемпературных емкостей, при этом другой конец троса пропущен через блок, установленный на шарикоподшипниковом подпятнике в верхней части стойки, и прикреплен к расположенному внутри пустотелой стойки противовесу, перемещаемому вдоль ее оси, при этом к верхней части пустотелой стойки жестко прикреплен кронштейн с закрепленной на нем крышкой, на которой подвешены баллоны-компрессоры, а размеры крышки соответствуют размерам горловин разнотемпературных емкостей, при этом расстояния между продольными осями разнотемпературных емкостей и осью пустотелой стойки, а также между центром крышки и осью пустотелой стойки равны.
Технический результат данного изобретения позволяет обеспечить упрощение конструкции (компоновки) и эксплуатации устройства, а также повысить эффективность, 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, позволит дать значительный экономический эффект за счет улучшения конструкции, упрощения эксплуатации и повышения эффективности работы устройства.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где термокомпрессионное устройство изображено в исходном положении перед началом термоциклирования баллонов-компрессоров.
Термокомпрессионное устройство состоит из следующих основных узлов и деталей: источника газа высокого давления, например, стендовых баллонов 1 высокого давления, заправленных чистым газом, например ксеноном, и подключенных к баллонам-компрессорам 2, устройства для термоциклирования баллонов-компрессоров, включающего набор разнотемпературных емкостей 3, 4, 5 (первую, вторую, третью, предназначенных для обеспечения заданных температур баллонов-компрессоров) с горловинами 6, одинаковых конфигураций и равных размеров. Оно снабжено подъемно-поворотным механизмом 7, смонтированным на пустотелой стойке 8, на внешней поверхности которой расположен приспособление для удержания разнотемпературных емкостей - держатель 9, установленный посредством подшипников скольжения втулок 10 на пустотелой стойке 8 для обеспечения вращательного (горизонтального) и поступательного (вертикального) перемещения разнотемпературных емкостей 3, 4, 5, относительно нее и снабженный направляющей стойкой 11, исключающей перекосы при скольжении держателя по пустотелой стойке 8. При этом разнотемпературныс емкости 3, 4, 5 закреплены на держателе 9 равноудалено относительно оси вращения, т.е. расстояния между продольными осями разнотемпературных емкостей и осью пустотелой стойки равны. Подъемно-поворотный механизм 7 содержит трос 12, один конец которого закреплен в центре тяжести 13 держателя, а другой конец пропущен через блок 14, установленный на шарикоподшипниковом подпятнике 15 в верхней части пустотелой стойки 8, и прикреплен к противовесу 16, который размещен внутри пустотелой стойки 8 с возможностью перемещения вдоль ее оси. Баллоны-компрессоры 2 вместе с крышкой 17 для разнотемепературных емкостей 3, 4, 5, закреплены на кронштейне 18, жестко прикрепленном к верхней части стойки 8, и имеют установочные координаты, соответствующие координатам расположения разнотемпературных емкостей 3, 4, 5, относительно оси вращения держателя 9, т.е. оси пустотелой стойки. Разнотемпературные емкости 3, 4, 5 заполнены предварительно изготовленным 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, первая емкость 3 заполнена этиловым спиртом и обеспечивает охлаждение баллонов-компрессоров 2 до температуры минус 80°С, вторая емкость 4 заполнена водой и обеспечивает нагрев баллонов-компрессоров 2 до температуры плюс 20°С, и третья емкость 5 также заполнена водой, но обеспечивает нагрев баллонов-компрессоров 2 до температуры плюс 90°С. Баллоны-компрессоры 2 подключены к баллонам потребителя 19 посредством заправочной магистрали 20 с вентилем 21 и теплообменником-охладителем 22.
Разнотемпературные емкости 3, 4, 5 имеют одинаковые горловины 6, что необходимо для стыковки с крышкой 17, имеющей конфигурацию и размеры, аналогичные (соответствующие) конфигурации и размерам горловин 6, и установленной так, что расстояния между центром крышки и осью пустотелой стойки, а также между осями разнотемпературных емкостей и осью пустотелой стойки равны. Для повышения эффективности теплообмена теплоносителя с баллонами-компрессорами 2 на крышке 17 закреплено устройство, побуждающее циркуляцию теплоносителя в емкости 3, 4, 5, например погружная шнекообразная мешалка 23. Заправку ксеноном баллонов-компрессоров 2 от стендовых баллонов 1 производят по трубопроводу 24 с вентилем 25. Емкости 3, 4, 5 снабжены гибкими металлорукавами (не показано) для заправки (слива) теплоносителей.
2
-5
-5
Работает термокомпрессионное устройство следующим образом. Перед началом работы устройства производят очистку внутренних полостей магистралей заправки и подачи 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 кгс/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 по изохорическому процессу. После проведения очистки внутренних полостей магистралей и баллонов осуществляют процесс термокомпрессии и подачи (закачки) ксенона в баллоны потребителя, который обеспечивается с помощью подъемно-поворотного механизма 7.
2
Работа производится следующим образом: перемещают держатель 9 на втулках 10 вокруг стойки 8 (центром вращения является ось стойки 8) до установки емкости 3 под крышкой 17, при этом блок 14 на шарикоподшипниковом подпятнике 15 совместно с тросом 12 тоже перемещаются, затем поднимают держатель 9 до соприкосновения и стыковки емкости 3 с крышкой 17, при этом баллоны-компрессоры 2 погружаются в теплоноситель (этиловый спирт, охлажденный до минус 80°С). Подъем держателя 9 производится посредством приложения к ней незначительного усилия, которое уравновешивается и смягчается при подъеме (спуске) противовесом 16. 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°С стендовые баллоны 1 отсекают и производят отсоединение емкости 3 от крышки 17 путем опускания (спуска) установочной площадки держателя 9 в нижнее положение; далее перемещают (поворачивают) держатель 9 до установки емкости 4 под крышкой 17 и поднимают до соприкосновения и стыковки емкости 4 с крышкой 17, при этом баллоны-компрессоры 2 погружаются в теплоноситель (воду, подогретую до температуры плюс 20°С) и предварительно подогреваются до температуры порядка 20°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 2 растет. После подогрева баллонов-компрессоров 2 до температуры порядка 20°С производят отсоединение емкости 4 от крышки 17, опуская держатель 9 в нижнее положение, и перемещают держатель 9 до установки емкости 5 под крышкой 17, а затем поднимают держатель 9 до соприкосновения и стыковки емкости 5 с крышкой 17, при этом баллоны-компрессоры 2 погружаются в теплоноситель (воду подогретую до температуры плюс 90°С) и подогреваются до температуры порядка плюс 90°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 2 растет, а при сообщении их с баллонами потребителя 19 посредством открытия вентиля 21 на заправочной магистрали 20, ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 22, охлаждается до заданной температуры (температуры окружающей среды) и поступает в баллоны потребителя 19 (цикл нагнетания). Таких последовательных процессов (температурных циклов) охлаждения-нагрева вновь пополняемых порций ксенона из стендовых баллонов 1 в баллоны-компрессоры 2 совершается столько, сколько необходимо для достижения заданного давления ксенона в баллонах потребителя 19, например, до 150 кгс/см. Закрепление одного конца троса 12 в центре тяжести 13 держателя 9 обеспечивает при уравновешенном состоянии посредством противовеса 16 равномерную нагрузку на втулки 10, исключающую перекос втулок 10 при скольжении по стойке 8, при этом исключается заклинивание и торможение втулок 10 при перемещении (скольжении) по поверхности стойки 8, что упрощает эксплуатацию устройства. Координаты центра тяжести 13 держателя определяются при расчете с учетом веса емкостей 3, 4, 5, заполненных соответствующим теплоносителем.
Таким образом, предлагаемая компоновка и конструктивное исполнение отдельных узлов и деталей как подъемно-поворотного механизма 7, так и всего термокомпрессионного устройства в целом, обеспечивают улучшение эффективности устройства, что выполняет поставленную задачу.