ТЕРМОКОМПРЕССОР Российский патент 2011 года по МПК F04B19/24 F17C5/00 

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, преимущественно к области средств перекачки газов высокой чистоты с одновременным повышением их давления. В качестве такого газа применен ксенон, который заправляется с помощью предлагаемого термокомпрессора в емкости двигательных установок космических аппаратов.

Известны компрессоры поршневого типа, служащие для закачивания ксенона в подлежащие заполнению емкости, по выходе из которых сжимаемый газ охлаждается с помощью охлаждающих устройств.

[См. А.К.Михайлов, В.П.Ворошилов. Компрессорные машины. Москва. 1989, стр.20, 21, 44-76].

Это делается с целью снижения давления закачиваемого газа в подлежащую заполнению емкость с тем условием, чтобы при нагреве емкости от тепла окружающей среды давление в ней не превысило допустимого для этой емкости.

Недостатками поршневых компрессоров являются существенные утечки дорогого ксенона в процессе закачивания, загрязнение его посторонними веществами, выделяющимися при работе компрессора или попадающими в него из окружающей среды (смазка, пылевидные частицы, атмосферный воздух и т.д.).

И хотя в дальнейшем производится очистка ксенона после поршневого компрессора, но это требует применения громоздкого и дорогостоящего оборудования и дополнительного времени, да и стопроцентной очистки практически добиться невозможно и какая-то часть попадающих в ксенон в процессе закачки примесей все равно остается.

Вторым недостатком поршневых компрессоров является повышение температуры закачиваемого в емкость газа, являющееся следствием известного физического закона. Зачастую это требует охлаждения емкости с целью недопущения повышения давления газа выше допустимого предела, а это опять-таки требует дополнительного оборудования, расходования дополнительного времени, иногда довольно значительного, и средств.

Кроме того, в некоторых случаях доступ охлаждающих устройств к заполняемой емкости затруднен, а то и просто невозможен (например, при нахождении заправляемой емкости в составе космического аппарата).

Известны мембранные компрессоры или аккумуляторы давления с плоскими или гофрированными мембранами, которые практически полностью исключают попадание нежелательных примесей в перекачиваемый газ, пока находятся в исправном состоянии. Однако мембраны являются слабым звеном в таких компрессорах и аккумуляторах давления в части прочности, поскольку толщина их обычно не превышает нескольких десятых долей миллиметра и велика вероятность появления трещин в них или от усталости материала, из которого они изготовлены, или в результате вскрытия в нем дефектных мест, не обнаруживаемых в процессе изготовления.

Кроме того, остается необходимость охлаждать емкость, в которую происходит закачивание газа.

Аналогом предлагаемого термокомпрессора является устройство по патенту RU 2274582. Данным изобретением предусмотрено применение холодильной машины и аккумулятора давления с мембраной. В теплообменнике холодильной машины ксенон охлаждается и сжижается и в таком состоянии поступает в заправляемую емкость. После чего заправленная емкость нагревается с помощью нагревательного устройства или от тепла окружающей среды до перехода ксенона из жидкого состояния в газообразное и устанавливается на космический аппарат. В случае, если давление ксенона, закачиваемого таким способом, оказывается недостаточным, в работу включается аккумулятор давления с мембраной, работающий на сжатом воздухе, который и доводит давление до необходимой величины.

Недостатками изобретения по патенту RU 2274587 являются большая сложность устройства и наличие в составе устройства аккумулятора давления с мембраной, что снижает надежность работы устройства и повышает вероятность ухудшения качества ксенона из-за возможной разгерметизации мембраны и попадания рабочего газа в ксенон. Причем разгерметизация мембраны может происходить в любой, заранее неопределяемый момент.

Последствия этой разгерметизации могут быть обнаружены только по результатам анализа ксенона после заправки заполняемой емкости, а это влечет за собой необходимость сброса ксенона из заправляемой емкости в транспортировочную и его направление на переработку в специализированное предприятие, что приведет к большой потере времени и обойдется очень дорого.

К недостаткам изобретения по патенту RU 2274587 С2 относится также невозможность применить его при заправке емкости, установленной в космическом аппарате, поскольку доступ к заправляемой емкости нагревательного устройства практически невозможен, а нагрев ксенона в емкости от тепла окружающей среды займет недопустимо длительное время (ориентировочно несколько суток) ввиду низкой теплопроводности стенок емкости и конструкций самого космического аппарата.

Известны термокомпрессоры, использующие сжижение ксенона при отрицательных температурах и последующее его нагревание до перевода в газообразное состояние с закачиванием в этом состоянии в заправляемую емкость.

Таковым является устройство по патенту US 6029473 (А), которое принято за прототип.

Основным элементом устройства по этому патенту является перегонный резервуар, представляющий собой емкость внутренним объемом 4-6 л, в которой размещены змеевик, служащий для циркуляции по нему жидкого азота, и электронагреватель.

В перегонный резервуар периодически поступает определенная порция ксенона из баллона-источника и охлаждается при протекании по змеевику жидкого азота. При этом давление в перегонном резервуаре значительно понижается, так что из баллона-источника в него поступает дополнительная порция ксенона. Когда температура ксенона в перегонном резервуаре понизится до (-60) - (-100)°С, ксенон переходит в жидкое состояние.

Затем подводящие и отводящие магистрали перегонного резервуара (т.е. ксеноновые и жидкого азота) перекрываются и включается нагреватель.

Ксенон при этом вновь переходит в газообразное состояние, давление его повышается, становится выше давления в заправляемой емкости и он перетекает из перегонного резервуара в заправляемую емкость до выравнивания давления в них. Затем циклы охлаждения и нагревания порций ксенона в перегонном резервуаре повторяются до заполнения заправляемой емкости требуемым количеством ксенона.

Изобретение предполагает достижение давления в заправляемой емкости до 180 бар.

К недостаткам устройства по патенту US 6029473 (А) относится сложность устройства, включающего в себя системы циркуляции ксенона, жидкого и газообразного азота, электроподогрева сжиженного ксенона для его газификации, измерения и регулирования параметров этих систем.

Перегонный резервуар по своим характеристикам (объему и давлению) относится к объектам Гостехнадзора и является источником повышенной опасности. Поочередное охлаждение и нагревание его конструкций создает циклическое нагружение на их элементы, чему материалы сопротивляются хуже всего. Более того, это не просто охлаждение и нагревание, а таковые, сопровождаемые тепловыми ударами. Особенно это касается момента попадания жидкого азота в змеевик, когда в течение нескольких секунд температура падает более чем на 200°С. Отсюда высокая вероятность разгерметизации змеевика, да и корпуса самого перегонного резервуара.

Недостатком является также наличие электрического нагревателя в непосредственной близости от змеевика с жидким азотом.

Нагреватель имеет мощность более двух киловатт и при его включении происходит второй термический удар, воздействующий на змеевик и корпус перегонного резервуара.

К тому же, в случае короткого замыкания электронагревателя температура и давление в перегонном резервуаре резко возрастут и могут привести к разрушению последнего. Последствия этого ясны без объяснений.

К недостаткам относится также большая термическая инерционность (масса перегонного резервуара составляет 30 кг), что заставляет применять повышенную мощность электронагревателя и увеличенный расход жидкого азота. Это снижает экономичность устройства в целом.

Целью изобретения является упрощение конструкции, повышение надежности, сокращение длительности цикла охлаждения-нагревания ксенона.

Эта цель достигается тем, что предлагаемый компрессор состоит всего из четырех змеевиков, по трем из которых протекает охлаждаемый ксенон, размещенных в трех корпусах трубчатого типа и одного электрического подогревателя сжатого воздуха малого давления (до 10 бар), в котором происходит умеренный нагрев этого воздуха до температуры примерно 70°С. К тому же электроподогреватель размещается отдельно от змеевиков и любая его неисправность и даже авария не окажут никакого влияния на линию ксенона.

Циклическое нагревание и охлаждение ксенона происходят более плавно и с меньшими перепадами температур и сопровождаются многократно меньшими тепловыми и силовыми воздействиями на элементы конструкции.

Высокое давление ксенона создается только в одном змеевике, выполненном из стальной трубы внутренним диаметром не более 20 мм.

Этот змеевик не является объектом Гостехнадзора и опасность от него не более чем от трубопроводов высокого давления (до 250 кгс/см²) рядового воздушного пульта. Да и объем его, как правило, не более одного литра и располагается он внутри трубчатого корпуса, который является надежной дополнительной защитой от маловероятной разгерметизации змеевика.

Масса змеевика, в котором производится нагревание ксенона, вместе с трубчатым корпусом не более 3 кг, а с учетом того, что температурный диапазон охлаждения-нагревания составляет не более 100°С (вместо примерно 200 у прототипа), тепловая инерция змеевика вместе с трубчатым корпусом примерно в 60 раз меньше, т.е потребуется во столько же раз меньше времени для осуществления одного цикла или, при сохранении времени цикла, во столько же раз меньшая мощность.

Предлагаемый термокомпрессор обеспечивает полную сохранность и исходное качество перекачиваемого ксенона, он надежнее и дешевле известных термокомпрессоров и для работы ему достаточно лишь наличие источника стандартного сжатого воздуха давлением около 200 атмосфер и стандартного источника напряжения 220 В, частотой 50 Гц.

Схематически устройство предлагаемого термокомпрессора представлено на чертеже. В качестве перекачиваемого газа использован ксенон.

Термокомпрессор состоит из теплообменника 1 со змеевиком 2, по которому протекает предварительно охлаждаемый ксенон, змеевиком 3, по которому протекает предварительно охлаждаемый сжатый воздух, и распылителем сжатого воздуха 4; теплообменника 5 с расположенным внутри змеевиком 6, по которому протекает окончательно охлаждаемый ксенон и где он начинает конденсироваться, и с распылителем сжатого воздуха 7; теплообменника 8 с расположенным внутри змеевиком 9, в который из змеевика 6 стекает частично сконденсировавшийся ксенон и где происходит конденсация оставшегося газообразным ксенона, и с распылителем сжатого воздуха 10; электронагревателя 11, в котором с помощью электронагревательного элемента нагревается протекающий через него сжатый воздух; вентилей 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24; термометров сопротивления 25, 26.

Работает предлагаемый термокомпрессор следующим образом (исходное состояние - все вентили закрыты).

Открывают вентиль 14, подают от сети сжатый воздух давлением примерно 200 атмосфер, продолжают подачу сжатого воздуха в течение 5-10 минут, сбрасывая отработавший воздух в дренаж, при этом температура воздуха понижается примерно с +20°С до -20°С, вследствие проявления известного физического закона - при истечении большинства газов (в том числе воздуха) в объем, давление в котором меньше давления истекающего газа, температура газов понижается. В частности, для воздуха это понижение составляет 1°С на каждые 4 атмосферы снижения его давления.

Открывают вентили 12 и 13, в змеевики 2 и 3 подают соответственно ксенон давлением 10-100 атмосфер от источника и сжатый воздух давлением примерно 200 атмосфер от сети, при этом температура ксенона в змеевике 2 и сжатого воздуха в змеевике 3 понижается примерно до -10°С.

Открывают вентили 16, 17, 19, 22. Сжатый воздух с температурой примерно -10°С через вентили 16, 19 поступает в теплообменники 5 и 8 через распылители 7 и 10, при этом температура его понижается примерно до -60°С.Через вентили 22, 17 отработавший сжатый воздух, температура которого примерно -40°С, возвращается в теплообменник 1, где его низкая температура используется для более глубокого охлаждения ксенона и сжатого воздуха, протекающих по змеевикам 2 и 3, что сокращает время протекания процесса в целом и экономит расход сжатого воздуха, поступающего через вентиль 14. Такую продувку теплообменников 5 и 8 проводят в течение 5-10 мин.

Открывают вентили 15, 18. Ксенон из змеевика 2 с температурой примерно -10°С поступает в змеевик 6, где охлаждается примерно до -50°С, часть его конденсируется и поступает в змеевик 9, где оставшийся газообразным ксенон конденсируется и накапливается до заполнения змеевика. Контроль заполнения ведется по показаниям термометра 25. После того как температура, показываемая термометром 25 опустится примерно до -50°С, продолжают данную операцию охлаждения ксенона в змеевике 9 еще примерно в течение 10 мин. При этом давление ксенона упадет примерно до 10 атмосфер.

Закрывают вентили 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 22, открывают вентиль 24, подают сжатый воздух давлением примерно 10 атмосфер через вентиль 24 в электронагреватель 11, включают его электронагревательный элемент, нагревают электронагреватель примерно до 70°С, выдерживают при этой температуре примерно 10 мин. Контроль ведут по термометру 26.

Открывают вентиль 23 и запорный орган на заполняемой емкости, открывают вентили 20, 21, пропускают нагретый воздух через полость теплообменника 8 до повышения температуры, показываемой термометром 25, примерно до -10°С. При этом давление ксенона повышается вплоть до 225 атмосфер в зависимости от давления в заполняемой емкости. Если это количество ксенона не достигло требуемой величины, вышеперечисленные операции повторяют необходимое количество раз.

В промышленности предлагаемый термокомпрессор может применяться для сжатия ксенона на давления от нескольких атмосфер до нескольких сотен атмосфер с гарантией сохранения качества поступающего в термокомпрессор газа.

Термокомпрессор предназначен для перекачивания газов высокой чистоты из емкостей-источников в емкости двигательных установок космических аппаратов. В качестве перекачиваемого газа применен ксенон. Термокомпрессор имеет три емкости для размещения ксенона, выполненные из трубы внутренним диаметром не более 20 мм, которые расположены внутри корпусов трубчатого типа, и обдуваются дросселированным в две ступени с использованием дополнительного змеевика сжатым воздухом, исходным давлением, например, 200 кгс/см². Перекачивание ксенона производится путем попеременного сжижения его при температуре ниже критической и последующего нагревания сжатым воздухом низкого давления, предварительно нагретым в электронагревателе, с переводом ксенона в газообразное состояние. При этом давление ксенона повышается до величины, превышающей давление в заправляемой емкости, и ксенон перетекает в нее. Техническим результатом является упрощение конструкции, повышение надежности и сокращение длительности цикла охлаждения-нагревания ксенона. 1 ил.

Термокомпрессор, содержащий емкость для ксенона, змеевик с охлаждающей средой, электронагреватель и систему вентилей, отличающийся тем, что емкость разделена на три части, каждая из которых выполнена из металлической трубы, внутренним диаметром не более 20 мм, которой придана форма змеевика и которая размещена в корпусе трубчатого типа, причем две части предназначены для предварительного охлаждения ксенона, а одна - для его окончательного охлаждения и сжижения и для последующего нагрева до температуры перехода из жидкого состояния в газообразное, а в качестве охлаждающей среды использован сжатый воздух высокого давления, например 200 атмосфер, прошедший процесс двухступенчатого дросселирования с использованием дополнительного змеевика, при этом электронагреватель, предназначенный для нагревания воздуха низкого давления, выполнен в виде отдельного устройства, соединяемого трубопроводом с той частью ксеноновой емкости, которая служит для сжижения и последующей газификации ксенона.