Патент на изобретение №2347133

(54) КОМПРЕССИОННОЕ ТЕРМИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к области проектирования и эксплуатации термокомпрессоров. В компрессионном термическом устройстве, содержащем источник высокого давления газа с подключенным к нему, по меньшей мере, одним компрессором, устройство для термоциклирования компрессоров и нагреватель. Компрессоры выполнены в виде баллонов-компрессоров, а устройство для термоциклирования выполнено в виде заполненной теплоносителем теплоизолированной емкости, снабженной теплообменником и устройством формирования потока жидкости. Теплообменник, устройство формирования потока жидкости и баллоны-компрессоры расположены внутри емкости в среде теплоносителя и теплообменник сообщен на входе с источником холода, а на выходе – с атмосферой. При этом по первому варианту нагреватель выполнен в виде электрического обогревателя и расположен в герметичном кожухе на донной части емкости; по второму варианту нагреватель выполнен в виде рубашки с циркулирующим теплоносителем, закрепленной на корпусе емкости под теплоизоляцией; по третьему варианту нагреватель выполнен в виде рубашки из угольной ткани, подключенной к источнику электропитания и закрепленной на внешней поверхности корпуса емкости под теплоизоляцией. Использование изобретения позволит обеспечить высокую чистоту закачиваемого газа в баллоны потребителя и повышение эффективности. 3 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к холодильной технике, а точнее к области проектирования и эксплуатации компрессионных термических установок и 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 устройства каскадных холодильных установок (см., например, авторское свидетельство СССР №1826669, МКИ F25B 7/00 от 20.03.1989 г.), содержащих несколько компрессионных устройств, испарители, теплообменники, газовые баллоны. Сжатие и подачу газа здесь осуществляют, используя компрессоры. Серьезным недостатком каскадных установок являются их сложность и громоздкость (большое количество компрессоров, испарителей, теплообменников).

Известно также компрессионное термическое устройство (см., например, патент RU 2044232, F25B 1/00 от 05.06.1991 г.), выбранное в качестве прототипа и содержащее источник высокого давления газа с подключенным к нему одним или более баллонами и устройство для термостатирования баллонов. Это устройство содержит компрессор, обеспечивающий сжатие и подачу газа. Однако механизмы компрессора содержат вращающиеся и перемещающиеся узлы и детали, требующие наличия смазки, что не исключает возможности загрязнения перекачиваемого газа.

Общими недостатками аналога и прототипа являются невозможность обеспечения высокой чистоты заканчиваемого газа в баллоны потребителя и низкая эффективность устройства.

Задачей настоящего изобретения является создание такого компрессионного термического устройства, которое обеспечивало бы высокую чистоту закачиваемого газа в баллоны потребителя и повышение эффективности.

Технический результат по первому варианту достигается тем, что в компрессионном термическом устройстве, содержащем источник высокого давления газа с подключенным(и) к нему компрессором(ами), устройство для термоциклирования компрессоров и нагреватель, в отличие от известного компрессоры выполнены в виде баллонов-компрессоров, а устройство для термоциклирования выполнено в виде заполненной теплоносителем теплоизолированной емкости, снабженной теплообменником и устройством формирования потока жидкости, причем теплообменник, устройство формирования потока жидкости и баллоны-компрессоры расположены внутри емкости в среде теплоносителя, и теплообменник сообщен на входе с источником холода, а на выходе – с атмосферой, при этом нагреватель выполнен в виде электрического обогревателя и расположен в герметичном кожухе на донной части емкости.

Технический результат по второму варианту достигается тем, что в компрессионном термическом устройстве, содержащем источник высокого давления газа с подключенным(и) к нему компрессором(ами), устройство для термоциклирования компрессоров и нагреватель, в отличие от известного компрессоры выполнены в виде баллонов-компрессоров, а устройство для термоциклирования выполнено в виде заполненной теплоносителем теплоизолированной емкости, снабженной теплообменником и устройством формирования потока жидкости, причем теплообменник, устройство формирования потока жидкости и баллоны-компрессоры расположены внутри емкости в среде теплоносителя, и теплообменник сообщен на входе с источником холода, а на выходе – с атмосферой, при этом нагреватель выполнен в виде рубашки с циркулирующим теплоносителем, закрепленной на корпусе емкости под теплоизоляцией.

Технический результат по третьему варианту достигается тем, что в компрессионном термическом устройстве, содержащем источник высокого давления газа с подключенным(и) к нему компрессором(ами), устройство для термоциклирования компрессоров и нагреватель, в отличие от известного компрессоры выполнены в виде баллонов-компрессоров, а устройство для термоциклирования выполнено в виде заполненной теплоносителем теплоизолированной емкости, снабженной теплообменником и устройством формирования потока жидкости, причем теплообменник, устройство формирования потока жидкости и баллоны-компрессоры расположены внутри емкости в среде теплоносителя, и теплообменник сообщен на входе с источником холода, а на выходе – с атмосферой, при этом нагреватель выполнен в виде рубашки из угольной ткани, подключенной к источнику электропитания и закрепленной на внешней поверхности корпуса емкости под теплоизоляцией.

Технический результат достигается за счет того, что компрессионное термическое устройство использует принцип термоциклирования баллона-компрессора, заполняемого газом, а устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров выполнено в виде теплоизолированной емкости, заполненной теплоносителем. В среде теплоносителя расположены теплообменник, элемент формирования потока жидкости и баллоны-компрессоры. Теплообменник подключен к источнику холода, а нагреватель, выполненный в виде рубашки с прокачкой теплоносителя, в качестве которого может быть применена горячая вода, используется при наличии источника с горячим теплоносителем, например, на стенде, снабженном системой отопления помещения, от которой подают горячую воду, подключив рубашку емкости к системе отопления. Использование сопутствующей системы отопления помещения позволит исключить потребление электроэнергии на обогрев емкости, при этом, исключив пожароопасность, например, при применении в качестве заполняемого емкость теплоносителя – этилового спирта, а также повысив экономичность.

Вариант с электронагревателем используют при отсутствии сопутствующего источника горячего теплоносителя, например в условиях заправки ксеноном баллонов потребителя непосредственно на технической позиции, где есть только источник электроэнергии, например передвижная электростанция. В данном случае в устройстве для термоциклирования баллонов-компрессоров применяют емкость, снабженную электронагревателем, выполненным, например, в виде электрокипятильника (или набора электрокипятильников), погруженного(ых) или прикрепленного(ых) к донной части емкости. Такой вариант нагревателя позволяет регулировать температуру нагрева теплоносителя в емкости и погруженных в теплоноситель баллонов-компрессоров в разных интервалах температур.

Вариант нагревателя в виде рубашки из угольной ткани, подключенной к источнику тока, позволяет обеспечить равномерный нагрев по всей поверхности емкости, более экономичен и менее инерционен при разогреве теплоносителя в емкости, что повышает эффективность его использования по сравнению с электронагревателем по второму варианту, обеспечивающим местный нагрев, за счет возможности обогрева внешней поверхности емкости, а также упрощает конструкцию изделия.

Предлагаемое техническое решение позволяет обеспечить высокую чистоту закачиваемого газа в баллоны потребителя и повысить эффективность устройства, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения.

Использование предлагаемого компрессионного термического устройства, например, при заправке устанавливаемых на космических аппаратах баллонов ксеноном, который применяется в качестве рабочего компонента в электрореактивных двигателях на космических летательных аппаратах типа «Ямал», «Белка» и др., позволит дать значительный экономический эффект за счет обеспечения высокой чистоты закачиваемого ксенона в бортовые штатные баллоны и повышения эффективности устройства.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

фиг.1 – общий вид компрессионного термического устройства с расположением и креплением нагревателя на корпусе емкости (первый вариант);

фиг.2 – узел расположения и крепления нагревателя на корпусе емкости (второй вариант);

фиг.3 – узел расположения и крепления нагревателя на корпусе емкости (третий вариант).

Компрессионное термическое устройство состоит из следующих основных узлов и агрегатов: источника высокого давления газа 1, например стендовых баллонов высокого давления, с подключенными к нему одним или несколькими баллонами-компрессорами 2, и устройства для термоциклирования 3 баллонов-компрессоров. Устройство для термоциклирования 3 баллонов-компрессоров выполнено в виде заполненной теплоносителем 4, например этиловым спиртом, теплоизолированной емкости 5, снабженной теплообменником 6, мешалкой 7, выполненной, например, в виде шнека погружного типа, установленного вертикально в центре, и нагревателем 8. Теплообменник 6, мешалка 7 и баллоны-компрессоры 2 расположены внутри емкости 5 в среде теплоносителя 4. Теплообменник 6 посредством теплоизолированного трубопровода с вентилем 21 сообщен на входе 9 с источником холода 10, например с сосудом Дьюара, заполненным жидким азотом, а на выходе 11 с атмосферой.

По первому варианту (см. фиг.1) нагреватель 8 выполнен в виде электрического обогревателя, например электроплитки-конфорки, размещенной в герметичном корпусе, или стандартного кипятильника, расположенного на донной части 12 емкости 5.

По второму варианту (см. фиг.2) нагреватель 8 выполнен в виде рубашки 13 с циркулирующим (прокачиваемым) в ней теплоносителем, например этиловым спиртом, подогретым до 100°С. Рубашка 13 может быть выполнена в виде кольцеобразной емкости с внутренними спиральными перегородками 14, образующими спиральные каналы вокруг емкости 5 для прокачки теплоносителя. Такую рубашку выполняют за одно целое с корпусом 15 емкости 5.

По третьему варианту (см. фиг.3) нагреватель 8 выполнен в виде рубашки 16 из угольной ткани, в качестве которой используют ткань ТУ 1916-155-05763346-95. Нагреватель 8 из угольной ткани подключен к источнику электропитания и закреплен на внешней поверхности корпуса 15 емкости 5.

В качестве теплообменника 6 используют, например, высокоэффективный змеевик с бифилярной намоткой, изготовленный из оребренной или гладкой трубки, а в качестве тепла изоляции 17, размещенной снаружи емкости 5, используют, например, пенопласт марки ПСБ или рипор, при этом нагреватель 8 расположен под теплоизоляцией 17 – между корпусом 15 емкости 5 и теплоизоляцией 17, кроме первого варианта, когда нагреватель 8 может быть выполнен в виде стандартного кипятильника, погруженного в теплоноситель 4 и расположенного в герметичном кожухе, преимущественно на донной части 12 емкости 5. Баллоны-компрессоры 2 подключены к стендовым баллонам 1 посредством трубопровода с вентилем 18, а к баллонам потребителя 20 подключены посредством трубопровода с вентилем 19. Сосуд Дьюара 10 снабжен предохранительным клапаном 22.

Работает компрессионное термическое устройство следующим образом.

Для закачки (заправки) газа, например ксенона, в баллоны потребителя 20, устанавливаемые на борту космических летательных аппаратов типа «Ямал», используют компрессионное термическое устройство, в котором необходимое для заправки давление ксенона достигается в баллоне-компрессоре 2 по изохорическому процессу. Необходимость применения данного устройства, использующего принцип термокомпрессора, объясняется требованиями по чистоте как самого ксенона, так и внутренних объемов и поверхностей заправляемой системы.

Ксенон – газ, имеющий наибольший удельный вес 5,85 кг/м по ГОСТ 10219-77, на космических летательных аппаратах используют в качестве рабочего компонента в электрореактивных двигателях и по техническим условиям в ксеноне должно быть кислорода не более 6·10^-6, а водяных паров не более 6·10^-6 объемных долей, и тем более недопустимо загрязнение ксенона парами масла (смазки), используемого для смазки механических компрессоров (поршневых, турбинных и даже мембранных), особенно, если учесть очень высокую стоимость ксенона.

Перед заправкой ксеноном штатных баллонов потребителя 20 производят очистку заправляемой системы, включая баллоны-компрессоры 2 и баллоны потребителя 20, для чего используют процесс вакуумирования с последующим наддувом сухим ксеноном.

Заправку (закачку) баллонов потребителя 20 ксеноном осуществляют следующим образом: для ускорения процесса теплообмена между теплоносителем 4 и баллонами-компрессорами 2 включают мешалку 7, открывают вентиль 21 и из сосуда Дьюара 10 жидкий азот пропускают через теплообменник 6 с дренажом паров азота в атмосферу, при этом, охлаждая теплоноситель 4 до температуры порядка -80°С, производят захолаживание баллонов-компрессоров 2, после чего открывают вентиль 18 и заполняют ксеноном баллоны-компрессоры 2 от стендового баллона 1, имеющего давление порядка 20 кг/см². При охлаждении баллонов-компрессоров 2 происходит всасывание ксенона из стендового баллона 1 за счет конденсации ксенона в баллонах-компрессорах 2. После заполнения баллонов-компрессоров 2 ксеноном закрывают вентили 18 и 21 и включают нагреватель 8, разогревая теплоноситель 4 до температуры порядка +90°С, при этом открывают вентиль 19 и производят заправку баллонов потребителя 20 ксеноном. При нагревании баллонов-компрессоров 2 идет закачивание (процесс нагнетания) ксенона в баллоны потребителя 20 за счет испарения в баллонах-компрессорах 2 ксенона, сконденсированного при всасывании (давление ксенона в баллонах-компрессорах 2 растет за счет нагрева).

Таких циклов всасывания – нагнетания совершается столько, сколько необходимо для закачки ксенона в баллоны потребителя 20 до заданного давления при температуре окружающей среды. Выполнение устройства для термоциклирования 3 баллонов-компрессоров с нагревателем 8 в виде электрического обогревателя, расположенного на донной части 12 емкости 5 (по первому варианту, см. фиг.1), например конфорки для электроплиты типа ЭКЧ – 220, 2 кВт, размещенной в герметичном корпусе (кожухе) (для исключения образования конденсата на электронагревательном элементе) и закрепленной на донной части 12 емкости 5 с тепловым контактом, обеспечивает компактность, простоту в изготовлении и повышает эффективность нагрева теплоносителя 4, а в сочетании с перемешиванием последнего посредством мешалки 7 обеспечивает эффективный теплообмен с баллонами-компрессорами 2, что ускоряет процесс их нагрева.

Выполнение устройства для термоциклирования 3 баллонов-компрессоров с нагревателем 8 в виде рубашки с циркулирующим теплоносителем, закрепленной на корпусе 15 емкости 5 (по второму варианту, см. фиг.2), например в виде кольцеобразной емкости, внутренними спиральными перегородками 14, образующими спиралеобразные каналы вокруг корпуса 15 емкости 5 для прокачки теплоносителя, подогретого до 100°С, обеспечивает экономичность и повышает эффективность нагрева теплоносителя 4, а в сочетании с перемешиванием последнего посредством мешалки 7 обеспечивает эффективный теплообмен с баллонами-компрессорами 2, что ускоряет процесс их нагрева. Выполнение устройства для термоциклирования 3 баллонов-компрессоров с нагревателем 8 в виде рубашки из угольной ткани, подключенной к источнику электропитания и закрепленной на внешней поверхности корпуса 15 емкости 5 (по третьему варианту, см. фиг.3), например из углеродной ткани ТУ 1916-155-05763346-95, обеспечивает компактность, простоту в изготовлении и повышает эффективность нагрева теплоносителя 4 через эффективность нагрева теплоносителя 4 через стенку корпуса 15 емкости 5, обогреваемую по всей поверхности рубашкой (электронагревателем) 8, а в сочетании с перемешиванием теплоносителя 4 посредством мешалки 7 обеспечивается эффективный теплообмен с баллонами-компрессорами 2, что ускоряет процесс их нагрева.

Таким образом, все три варианта компрессионного термического устройства имеют оригинальные исполнения, как конструкции устройства для термоциклирования 3 с нагревателями 8, так и их работы при термоциклировании баллонов-компрессоров 2, при этом обеспечивается заполнение (заправка) баллонов потребителя 20 газом высокой чистоты до необходимого (заданного) давления, что выполняет поставленную задачу.

Формула изобретения

1. Компрессионное термическое устройство, содержащее источник высокого давления газа с подключенным(и) к нему компрессором(ами), устройство для термоциклирования компрессоров и нагреватель, отличающееся тем, что компрессоры выполнены в виде баллонов-компрессоров, а устройство для термоциклирования выполнено в виде заполненной теплоносителем теплоизолированной емкости, снабженной теплообменником и устройством формирования потока жидкости, причем теплообменник, устройство формирования потока жидкости и баллоны-компрессоры расположены внутри емкости в среде теплоносителя, и теплообменник сообщен на входе с источником холода, а на выходе – с атмосферой, при этом нагреватель выполнен в виде электрического обогревателя и расположен в герметичном кожухе на донной части емкости.

2. Компрессионное термическое устройство, содержащее источник высокого давления газа с подключенным(и) к нему компрессором(ами), устройство для термоциклирования компрессоров и нагреватель, отличающееся тем, что компрессоры выполнены в виде баллонов-компрессоров, а устройство для термоциклирования выполнено в виде заполненной теплоносителем теплоизолированной емкости, снабженной теплообменником и устройством формирования потока жидкости, причем теплообменник, устройство формирования потока жидкости и баллоны-компрессоры расположены внутри емкости в среде теплоносителя, и теплообменник сообщен на входе с источником холода, а на выходе – с атмосферой, при этом нагреватель выполнен в виде рубашки с циркулирующим теплоносителем, закрепленной на корпусе емкости под теплоизоляцией.

3. Компрессионное термическое устройство, содержащее источник высокого давления газа с подключенным(и) к нему компрессором(ами), устройство для термоциклирования компрессоров и нагреватель, отличающееся тем, что компрессоры выполнены в виде баллонов-компрессоров, а устройство для термоциклирования выполнено в виде заполненной теплоносителем теплоизолированной емкости, снабженной теплообменником и устройством формирования потока жидкости, причем теплообменник, устройство формирования потока жидкости и баллоны-компрессоры расположены внутри емкости в среде теплоносителя, и теплообменник сообщен на входе с источником холода, а на выходе – с атмосферой, при этом нагреватель выполнен в виде рубашки из угольной ткани, подключенной к источнику электропитания и закрепленной на внешней поверхности корпуса емкости под теплоизоляцией.

РИСУНКИ