термокомпрессионное устройство (варианты)

Формула изобретения

1. Термокомпрессионное устройство, содержащее источник газа высокого давления с подключенным к нему баллоном-компрессором, устройство для термоциклирования баллона-компрессора и магистраль прокачки теплоносителя, отличающееся тем, что 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 теплообменников, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя, причем один теплообменник снабжен рубашкой для прокачки хладагента, а другой - подогревателем теплоносителя, при этом магистраль прокачки теплоносителя выполнена в виде замкнутого контура, в который включены побудитель циркуляции теплоносителя и ресивер.

2. Термокомпрессионное устройство, содержащее источник газа высокого давления с подключенным к нему баллоном-компрессором, устройство для термоциклирования баллона-компрессора и магистраль прокачки теплоносителя, отличающееся тем, что 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 теплообменников, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя, причем один теплообменник снабжен рубашкой для прокачки хладагента, а другой - подогревателем теплоносителя, при этом магистраль прокачки теплоносителя выполнена в виде разомкнутого контура и на входе подключена к источнику подачи теплоносителя.

Описание изобретения к патенту

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 № 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.

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, подключенный к баллонам-компрессорам, и устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров из набора разнотемпературных емкостей, включающего низкотемпературную емкость с теплообменником, подключенным к источнику холода, а также 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, а обслуживание устройства и его оборудования усложнено как во время эксплуатации, так и при проведении регламентных работ.

Недостатками прототипа являются невозможность исключения загрязнения газа при заправке баллонов потребителя и разбросанность составляющих частей конструкции.

Техническим результатом является улучшение конструкции и компоновки термокомпрессионного устройства, а также упрощение его эксплуатационных качеств и повышение эффективности.

Технический результат по первому варианту 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 прототипа 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 теплообменников, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя, причем один теплообменник снабжен рубашкой для прокачки хладагента, а другой - подогревателем теплоносителя, при этом магистраль прокачки теплоносителя выполнена в виде замкнутого контура, в который включены побудитель циркуляции теплоносителя и ресивер.

Технический результат по второму варианту 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 прототипа 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 теплообменников, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя, причем один теплообменник снабжен рубашкой для прокачки хладагента, а другой - подогревателем теплоносителя, при этом магистраль прокачки теплоносителя выполнена в виде разомкнутого контура и на входе подключена к источнику подачи теплоносителя, а на выходе сообщена с атмосферой или с потребителями охлажденного и подогретого теплоносителя.

Использование предлагаемого термокомпрессионного устройства, например, при заправке баллонов потребителя, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, таких как спутники связи, позволит получить значительный экономический эффект за счет исключения загрязнения газа при его заправке в баллоны-компрессоры, за счет улучшения конструкция устройства, упрощения обслуживания при эксплуатации устройства, а также за счет повышения эффективности работы устройства.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведены:

на фиг.1 - термокомпрессионное устройство с замкнутым контуром магистрали нагнетания теплоносителя;

на фиг.2 - термокомпрессионное устройство с разомкнутым контуром магистрали нагнетания теплоносителя.

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 подключенными 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 теплообменников 7 и 8, выполненных, например, в виде змеевиков, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя 3. Один теплообменник 7 снабжен рубашкой 9 для прокачки хладагента, например, жидкого азота. Другой теплообменник 8 снабжен подогревателем 10 теплоносителя, например врезным электронагревателем марки «Cetal».

По первому варианту (см. фиг.1) магистраль прокачки теплоносителя 3 выполнена в виде замкнутого контура, в который включены побудитель циркуляции 13 теплоносителя, например компрессор, и ресивер 14.

По второму варианту (см. фиг.2) магистраль прокачки теплоносителя 3 выполнена в виде разомкнутого контура и на входе 11 подключена к источнику подачи теплоносителя, например к стендовым баллонам с газом высокого давления, а на выходе 12 сообщена с атмосферой или с потребителями охлажденного и подогретого теплоносителя.

По первому варианту (см. фиг.1) межстенная полость 6 баллона-компрессора 2 сообщена с трубопроводами магистрали прокачки теплоносителя, на которых установлены вентиль 15, газовый редуктор 16, вентили 17 и 18, теплообменники 7 и 8, дополнительно включены побудитель циркуляции теплоносителя 13 с ресивером 14, подключенный через вентиль 22, образуя замкнутый контур прокачки теплоносителя. Ресивер 14 - накопитель теплоносителя предназначен для создания запасов накопителя в замкнутом контуре, обеспечивающего длительную надежную работу устройства для термоциклирования баллона-компрессора 2 при различных режимах работы. Замкнутый контур, включая ресивер 14, заполнен теплоносителем, например воздухом, до заданного давления. Газовый редуктор 16 предназначен для настройки и регулирования расхода и давления теплоносителя в магистрали прокачки теплоносителя 3.

По второму варианту (см. фиг.2) межстенная полость 6 баллона-компрессора 2 сообщена с трубопроводами магистрали прокачки теплоносителя, на которых установлены вентиль 15, газовый редуктор 16, вентили 17 и 18, теплообменники 7 и 8, а также вентили 19, 20, 21, предназначенные соответственно для сообщения с атмосферой, с потребителем охлажденного и подогретого теплоносителя (воздуха), образуя разомкнутый контур прокачки теплоносителя.

В качестве теплоносителя помимо воздуха можно использовать такие газы, как гелий или азот. Для теплоизоляции баллона-компрессора 2, теплообменников 7, 8 и магистрали прокачки теплоносителя 3 используют, например, пенополиуретан 23. В качестве пускоотсечных устройств используют, например, вентили. Заправку, например, ксеноном баллона-компрессора 2 от стендовых баллонов 1 производят по трубопроводу 24 с вентилем 25. Баллон-компрессор 2 подключен к баллонам потребителя 26 посредством заправочной магистрали 27 с вентилями 28, 29 и теплообменником-охладителем 30. Трубопровод 24 включен в заправочную магистраль 27 между вентилями 28 и 29, что обеспечивает подачу газа из баллона 1 отдельно как в баллон-компрессор 2, так и в баллоны потребителя 26. Газовый редуктор 16 используют при настройке и регулировке расхода и давления в магистрали прокачки теплоносителя 3.

Работает термокомпрессионное устройство следующим образом. Перед началом функционирования производят очистку внутренних полостей магистралей заправки, 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 ². В закачиваемом ксеноне должно быть кислорода не более 3·10^-5 объемных долей, а водяных паров не более 4·10^-5 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 баллонов осуществляют процесс термокомпрессии и подачу ксенона в баллоны потребителя 26, который производится следующим образом.

В исходном положении все вентили закрыты.

По первому варианту (см. фиг.1) первоначально производят захолаживание баллона-компрессора 2, для этого открывают вентили 15 и 17 на магистрали прокачки теплоносителя 3 (например, воздуха, закачанного в замкнутый контур) и включают компрессор 13, обеспечивая прокачку воздуха по замкнутому контуру. Воздух проходит через теплообменник 7, охлаждаемый хладагентом, например жидким азотом, подаваемым, например, из сосуда Дьюара, и пропускают через рубашку 9 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 захолаживает внутренний сосуд 5 до температуры порядка минус 80°С. В захоложенный внутренний сосуд 5 баллона-компрессора 2 из стендового баллона 1 подают ксенон, для чего открывают вентили 25, 28 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 25, 28) и одновременно закрывают вентиль 17 на магистрали прокачки теплоносителя 3, а вентиль 18 открывают, после чего включают подогреватель 10 (электронагреватель). Поток воздуха, переключенный на теплообменник 8, при прохождении через него 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, при этом давление ксенона во внутреннем сосуде 5 растет, а при сообщении его с баллонами потребителя 26 посредством открытия вентилей 28 и 29 на заправочной магистрали 27, ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 30, охлаждается до заданной температуры (температуры охлаждающей среды) и поступает в баллоны потребителя 26 (цикл нагнетания). После выравнивания давления между внутренним сосудом 5 баллона-компрессора 2 баллонами потребителя 26 вентили 28 и 29 закрывают, а также закрывают вентиль 18 на магистрали прокачки теплоносителя 3 и выключают нагреватель (электронагреватель) 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 26, например до 100 кг/см ².

По второму варианту (см. фиг.2) первоначально производят захолаживание баллона-компрессора 2, для этого открывают вентиля 15 и 17 на магистрали прокачки теплоносителя 3 (например, воздуха) и от стендовых баллонов подают на вход 11 в магистраль 3 воздух, пропускают его через теплообменник 7, охлаждаемый хладагентом, например жидким азотом, который подают от источника холода, который может быть выполнен в виде сосуда Дьюара, и пропускают через рубашку 9 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, захолаживает внутренний сосуд 5 до температуры порядка минус 80°С и сбрасывается при открытии вентиля 19 в атмосферу, или при открытии вентиля 20 - потребителю охлажденного теплоносителя. В захоложенный внутренний сосуд 5 баллона-компрессора 2 из стендового баллона 1 подают ксенон, для чего открывают вентили 25, 28 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 25, 28) и закрывают вентиль 17 на магистрали прокачки теплоносителя 3. Далее открывают вентиль 18 на магистрали прокачки 3 и включают подогреватель (электронагреватель) 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 19 в атмосферу, а при открытии вентиля 21 потребителю подогретого теплоносителя, при этом давление ксенона во внутреннем сосуде 5 растет, а при сообщении его с баллонами потребителя 26 посредством открытия вентилей 28 и 29 на заправочной магистрали 27, ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 30, охлаждается до заданной температуры (температуры окружающей среды) и поступает в баллоны потребителя 26 (цикл нагнетания). После выравнивания давления между внутренним сосудом 5 баллона компрессора 2 и баллонами потребителя 26 вентили 28, 29 закрывают, а также закрывают вентиль 18 на магистрали прокачки 3 и включают подогреватель (электронагреватель) 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 26, например до 100 кг/см ².

Выполнение по первому варианту (см. фиг.1) магистрали прокачки теплоносителя 3 в виде заполненного газом (воздухом) замкнутого контура, образованного межстенной полостью 6 баллона-компрессора 2, сообщенной с трубопроводами магистрали прокачки теплоносителя, на которых установлены вентиль 15, газовый редуктор 16, вентили 17 и 18, теплообменники 7 и 8, дополнительно включены побудитель циркуляции теплоносителя 13 с ресивером 14, подключенным через вентиль 22, обеспечивает возможность использовать термокомпрессионное устройство в штатных условиях, например, на стартовой позиции без привязки к стендовым баллонам со сжатым воздухом при заполнении (закачке) газа (ксенона) в баллоны потребителя 26, что повышает мобильность и компактность устройства.

Выполнение по второму варианту (см. фиг.2) магистрали прокачки теплоносителя 3 в виде разомкнутого контура, образованного межстенной полостью 6 баллона-компрессора 2, сообщенной с трубопроводами магистрали прокачки теплоносителя, на которых установлены вентиль 15, газовый редуктор 16, вентили 17 и 18, теплообменники 7 и 8, а также вентиль 19, предназначенный для сообщения магистрали прокачки теплоносителя с атмосферой, вентиль 20, предназначенный для сообщения магистрали прокачки теплоносителя с потребителем холода, например холодильника, и вентиль 21, предназначенный для сообщения магистрали прокачки теплоносителя с потребителем тепла, например с теплообменником-обогревателем, обеспечивает проведение процесса термоциклирования баллона-компрессора 2 с использованием газообразного теплоносителя, например воздуха, от стендовых баллонов с газом высокого давления, при этом не исключается возможность утилизации (использования) остаточной тепловой энергии, отходящей с отработанным газом в процессе термоциклирования баллона-компрессора 2, что повышает экономичность устройства.

Таким образом, оба варианта термокомпрессионного устройства обеспечивают заправку баллонов потребителя 26 газом (ксеноном), исключающую загрязнение закачиваемого газа, при этом устройство для термоциклирования баллона-компрессора 2 выполнено в виде двух теплообменников 7, 8, сообщенных с межстенной полостью 6 баллона-компрессора 2. Оба варианта термокомпрессионного устройства представляют решения, улучшающие компактность, повышающие удобство при обслуживании во время эксплуатации устройства, использующего в качестве теплоносителя газ (воздух).