ТЕРМОКОМПРЕССИОННОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2011 года по МПК F25B1/00 

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 низкая эффективность устройства.

Техническим результатом является повышение эффективности за счет уменьшения теплопритоков в процессе термоциклирования баллона- компрессора при обеспечении исключения загрязнения газа при заправке баллонов потребителя.

Технический результат 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 в нем баллон-компрессор выполнен в виде теплоизолированной двухстенной емкости с оребрением внутреннего сосуда, снабженной тепловым экраном цилиндрической формы, на поверхности которого с тепловым контактом закреплен трубчатый змеевик, включенный в контур магистрали прокачки теплоносителя на выходе из межстенной полости двухстенной емкости, причем на входе межстенная полость подсоединена к устройству для термоциклирования баллона-компрессора, выполненному в виде разнотемпературных теплообменников, параллельно включенных в контур магистрали прокачки теплоносителя, при этом тепловой экран размещен в слоях теплоизоляции с зазором от наружной стенки двухстенной емкости.

Использование предлагаемого термокомпрессионного устройства, например, при заправке баллонов потребителя, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, таких как спутники связи, позволят получить значительный экономический эффект за счет обеспечения заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение, при повышении эффективности работы устройства путем уменьшения теплопритоков в процессе термоциклирования баллона-компрессора.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором приведено термокомпрессионное устройство.

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 подключенного 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 - двухстенной емкости с оребрением 4 внутреннего сосуда 5 и снабженной тепловым экраном 6 цилиндрической формы, на поверхности которого с тепловым контактом закреплен трубчатый змеевик 7. Тепловой контакт обеспечивают, например, пайкой. Трубчатый змеевик 7 включен в контур магистрали прокачки теплоносителя 3 на выходе 8 из межстенной полости 9 двухстенной емкости. На входе 10 межстенная полость 9 двухстенной емкости подключена к устройству для термоциклирования баллона-компрессора, выполненному в виде двух разнотемпературных теплообменников 11 и 12, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя 3. Теплообменники 11 и 12 кожухозмеевикового типа с внешней теплоизоляцией (в теплообменнике 11 воздух охлаждается, а в теплообменнике 12 - нагревается). Тепловой экран 6 размещен в слоях теплоизоляции 13 с зазором от наружной стенки 14 двухстенной емкости и является барьером на пути теплопритоков, поступающих к наружной стенке 14 извне. Зазор между тепловым экраном 6 и наружной стенкой 14 необходим для исключения теплопередачи от более теплого экрана 6 (за счет отбора теплопритоков извне) к более холодной наружной стенке 14. Размер зазора определяют расчетным путем или экспериментально. В качестве теплоизоляции 13 используют, например, пенополиуретан, экранно-вакуумную изоляцию.

Межстенная полость 9 баллона-компрессора 2 сообщена с трубопроводами магистрали прокачки теплоносителя, на которых установлены вентиль 15, газовый редуктор 16, вентили 17 и 18, теплообменники 11 и 12, а также вентили 19, 20, 21, предназначенные соответственно для сообщения с атмосферой, с потребителем охлажденного и подогретого теплоносителя (воздуха), образуя контур магистрали прокачки теплоносителя, в состав которой входит также трубчатый змеевик 7 теплового экрана 6.

В качестве теплоносителя используют газ, например воздух, который подают на вход 22 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 по трубопроводу 23 с вентилем 24. Баллон-компрессор 2 подключен к баллонам потребителя 25 посредством заправочной магистрали 26 с вентилями 27, 28 и теплообменником-охладителем 29. 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/см². 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 25, который производится следующим образом.

В исходном положении все вентили закрыты.

Первоначально производят захолаживание баллона-компрессора 2, для этого открывают вентиля 15 и 17 на магистрали прокачки теплоносителя 3 (например, воздуха, закачанного в замкнутый контур) и, например, от стендовых баллонов высокого давления подают на вход 22 в магистраль прокачки теплоносителя 3 воздух, пропускают его через теплообменник 11, охлаждаемый хладагентом, например жидким азотом, подаваемым, например, из сосуда Дьюара и пропускают через межтрубное пространство (полость) 31. В теплообменнике 11 охлаждают прокачиваемый теплоноситель (воздух) до температуры порядка минус 90°C. Охлажденный воздух из теплообменника 11 через вход 10 поступает в межстенную полость 9 двухстенной емкости баллона-компрессора 2, захолаживает внутренний сосуд 5 до температуры порядка минус 80°C и через выход 8 поступает в трубчатый змеевик 7 теплового экрана 6, охлаждает экран 6, отбирая теплопритоки, поступающие на экран 6, и сбрасывается при открытии вентиля 19 в атмосферу или при открытии вентиля 20 потребителю охлажденного воздуха. В захоложенный внутренний сосуд 5 баллона-компрессора 2 из стендового баллона 1 подают ксенон, для чего открывают вентили 24, 27 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°C стендовый баллон 1 отсекают (закрывают вентили 24, 27) и одновременно закрывают вентиль 17 на магистрали прокачки теплоносителя 3. Далее открывают вентиль 18, после чего включают подогреватель 30 (электронагреватель), при этом теплоноситель (воздух) при прохождении через теплообменник 12 нагревается до температуры порядка плюс 95°C и поступает в межстенную полость 9 баллона компрессора 2, нагревает внутренний сосуд 5 до температуры порядка плюс 90°C и через выход 8 поступает в трубчатый змеевик 7 теплового экрана 6, нагревает экран 6 и прилегающие слои теплоизоляции 13, образуя тепловую защиту вокруг наружной стенки 14 от более холодной окружающей среды, что обеспечивает сокращение времени для нагрева баллона-компрессора за счет уменьшения утечек тепла в окружающую среду. После прохождения через змеевик 7 воздух сбрасывается при открытии вентиля 19 в атмосферу или при открытии вентиля 21 потребителю подогретого воздуха. При нагревании давление ксенона во внутреннем сосуде 5 растет, а при сообщении его с баллонами потребителя 25 посредством открытия вентилей 27 и 28 на заправочной магистрали 26 ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 29, охлаждается до заданной температуры (температуры охлаждающей среды) и поступает в баллоны потребителя 25 (цикл нагнетания). После выравнивания давления между внутренним сосудом 5 баллона-компрессора 2 баллонами потребителя 25 вентили 27 и 28 закрывают, а также закрывают вентиль 18 на магистрали прокачки теплоносителя 3 и выключают нагреватель (электронагреватель) 30. 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 25, например до 100 кг/см².

Выполнение баллона-компрессора 2 в виде теплоизолированной двухстенной емкости, снабженной тепловым экраном 6 цилиндрической формы, на поверхности которого с тепловым контактом закреплен трубчатый змеевик 7, включенный в контур магистрали прокачки теплоносителя 3 на выходе из межстенной полости 9 двухстенной емкости, может повысить эффективность устройства за счет уменьшения теплопритоков в процессе термоциклирования баллона-компрессора 2, при этом сокращается количество теплоносителя, прокачиваемого через межстеную полость, необходимое для охлаждения (нагрева) внутреннего сосуда 5; уменьшение теплопритоков также сокращает время, затрачиваемое на захолаживание (нагрев) внутреннего сосуда 5 и находящегося в нем ксенона. Кроме того, термокомпрессионное устройство исключает загрязнение газа при заправке баллонов потребителя 25, что позволяет достичь технического результата.

Изобретение относится к холодильной технике, а точнее к области проектирования и эксплуатации компрессионных термических устройств. Техническим результатом является улучшение конструкции и компоновки термокомпрессионного устройства и повышение эффективности путем улучшения теплообмена при прокачке теплоносителя. Технический результат 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 двухстенной емкости с оребрением внутреннего сосуда, снабженной тепловым экраном цилиндрической формы, на поверхности которого с тепловым контактом закреплен трубчатый змеевик, включенный в контур магистрали прокачки теплоносителя на выходе из межстенной полости двухстенной емкости, причем на входе межстенная полость подсоединена к устройству для термоциклирования баллона-компрессора, выполненному в виде разнотемпературных теплообменников, параллельно включенных в контур магистрали прокачки теплоносителя, при этом тепловой экран размещен в слоях теплоизоляции с зазором от наружной стенки двухстенной емкости. 1 ил.

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 двухстенной емкости с оребрением внутреннего сосуда, снабженной тепловым экраном цилиндрической формы, на поверхности которого с тепловым контактом закреплен трубчатый змеевик, включенный в контур магистрали прокачки теплоносителя на выходе из межстенной полости двухстенной емкости, причем на входе межстенная полость подсоединена к устройству для термоциклирования баллона-компрессора, выполненному в виде разнотемпературных теплообменников, параллельно включенных в контур магистрали прокачки теплоносителя, при этом тепловой экран размещен в слоях теплоизоляции с зазором от наружной стенки двухстенной емкости.