RU2351839C1

RU2351839C1 - Device for thermocycling of cylinder-compressors

Info

Publication number: RU2351839C1
Application number: RU2007126913/06A
Authority: RU
Inventors: Виктор Никитович Банин (RU); Виктор Никитович Банин; Владимир Иванович Гореликов (RU); Владимир Иванович Гореликов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2009-04-10

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention is related to refrigerating equipment, more precisely, to the field of design and operation of compressive thermal devices (thermocompressors), which are used for instance in gas filling of high pressure cylinders. Device for thermocycling of cylinder-compressors comprises heat insulated reservoir equipped with cover and filled with coolant. Heat exchanger is arranged in the form of coil with bifilar winding of tube fixed on reservoir cover with equidistant location of coil turns relative to mixer equipped with door arranged in the form of auger - single or multiple-stage, encased into cylindrical vessel fixed on cover in cantilever manner, cavity of which communicates via holes in upper and lower parts of body to cavity of heat insulated tank. Heater is arranged in the form of tubular electric heat exchanger combined with device of temperature monitoring, for instance temperature detector or thermoregulator, is vertically installed at reservoir bottom and placed into coolant medium in area between cylinder-compressors installed between heat exchanger and mixer, and fixed on reservoir cover. Cylinder-compressors are connected to header that combines manifolds for filling and supply of gas to consumer.

EFFECT: increased efficiency of thermocycling process.

1 dwg

Description

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.The invention relates to refrigeration, and more specifically to the field of design and operation of compression thermal devices (thermocompressors) used, for example, when filling high-pressure cylinders with gas in compliance with high requirements for the purity of both the injected gas and the internal volumes and surfaces of the refueling system.

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.The principle of operation of a compression thermal device is widely known. It is based on a container (cylinder compressor), which is first cooled, preferably to a gas condensation temperature, and filled with gas from bench cylinders. Then the bench cylinders are cut off, the container is heated, the gas pressure in it increases, and it is pumped into the refueling tank. There are as many such cycles of suction-pumping as necessary to achieve a given pressure in the refueling tank.

Известны устройства для термоциклирования (см., например, Энциклопедический справочник «Холодильная техника», книга 1, Госторгиздат, 1960 г. Под редакцией Ш.Н.Кобулашвили, стр.477, рис.1), содержащие емкость, частично заполненную теплоносителем (фреоном-12). Внутри емкости расположен теплообменник, выполненный в виде простого змеевика, и электрический нагреватель блочного типа. Устройство снабжено компрессором для откачки паров холодильного агента. Змеевик расположен в паровой части емкости и служит испарителем холодильной машины.Known devices for thermal cycling (see, for example, the Encyclopedic Handbook "Refrigeration", book 1, Gostorgizdat, 1960; edited by Sh.N. Kobulashvili, p. 477, Fig. 1), containing a container partially filled with coolant (freon -12). Inside the tank is a heat exchanger made in the form of a simple coil, and an electric block-type heater. The device is equipped with a compressor for pumping refrigerant vapor. The coil is located in the steam part of the tank and serves as the evaporator of the refrigeration machine.

Недостатком аналога является низкая эффективность процесса термоциклирования.A disadvantage of the analogue is the low efficiency of the thermal cycling process.

Известно также устройство для термоциклирования (регенерации) хладагентов (см., например, патент США № 5379607, МКИ F25B 49/00, от 12.10.1993 г., опубликовано 10.01.1995 г.), выбранное в качестве прототипа и содержащее теплоизолированную емкость, снабженную крышкой и заполненную теплоносителем, теплообменник и нагреватель. В состав устройства входят компрессор, ресивер, конденсатор. Конструктивное исполнение устройства обеспечивает регенерацию хладагентов (теплоносителей) типа CFC (Ф-11, Ф-12, Ф-113) для откачки в транспортный баллон (потребителю). Наличие обычного механического компрессора, имеющего смазку вращающихся и перемещающихся узлов и деталей, не исключает загрязнение газа парами масла (смазки), что применительно к перекачке чистого газа недопустимо.A device for thermal cycling (regeneration) of refrigerants is also known (see, for example, US patent No. 5379607, MKI F25B 49/00, dated October 12, 1993, published January 10, 1995), selected as a prototype and containing a thermally insulated container, equipped with a lid and filled with coolant, heat exchanger and heater. The device includes a compressor, receiver, capacitor. The design of the device provides the regeneration of refrigerants (coolants) type CFC (F-11, F-12, F-113) for pumping into a transport cylinder (consumer). The presence of a conventional mechanical compressor having lubrication of rotating and moving units and parts does not exclude gas pollution by oil vapors (lubricants), which is unacceptable with respect to pumping pure gas.

Недостатком прототипа является невысокая эффективность процесса термоциклирования.The disadvantage of the prototype is the low efficiency of the thermal cycling process.

Задачей настоящего изобретения является создание такого устройства для термоциклирования баллонов-компрессоров, которое обеспечивало бы повышение эффективности процесса термоциклирования путем улучшения конструкции и компоновки устройства.The present invention is the creation of such a device for thermal cycling of compressor cylinders, which would provide an increase in the efficiency of the thermal cycling process by improving the design and layout of the device.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для термоциклирования баллонов-компрессоров, содержащем теплоизолированную емкость, снабженную крышкой и заполненную теплоносителем, теплообменник выполнен в виде змеевика с бифилярной намоткой трубки, закрепленного на крышке емкости с равноудаленным расположением витков змеевика относительно мешалки, снабженной двигателем, выполненной в виде шнека, - одно- или многозаходного, заключенного в закрепленный консольно на крышке цилиндрический корпус, полость которого сообщена через отверстия в верхней и нижней частях корпуса с полостью теплоизолированной емкости, нагреватель выполнен в виде трубчатого электронагревателя, сблокированного с устройством контроля температуры, например датчиком температуры или терморегулятором, вертикально установлен на дне емкости и размещен в среде теплоносителя в зоне между баллонами-компрессорами, расположенными между теплообменником и мешалкой и закрепленными на крышке емкости, при этом баллоны-компрессоры подключены к коллектору, объединяющему магистрали заправки и подачи газа потребителю.The technical result is achieved by the fact that in the device for thermal cycling of compressor cylinders containing a thermally insulated container equipped with a lid and filled with a coolant, the heat exchanger is made in the form of a coil with bifilar winding of a tube mounted on the lid of the container with an equally spaced arrangement of coil coils relative to the mixer equipped with an engine made in the form of a screw, - single or multiple, enclosed in a cylindrical housing fixed to a console on the lid, the cavity of which is communicated with Without a hole in the upper and lower parts of the housing with a cavity of a thermally insulated container, the heater is made in the form of a tubular electric heater interlocked with a temperature control device, for example, a temperature sensor or a temperature controller, vertically mounted on the bottom of the container and placed in a coolant medium in the area between the compressor cylinders located between the heat exchanger and the mixer and fixed on the lid of the tank, while the compressor cylinders are connected to a collector that combines the filling and supply lines and the gas consumer.

Эффект достигается тем, что устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров выполнено и скомпоновано из известных конструктивных элементов (узлов) с улучшенными конструктивными характеристиками, позволяющими обеспечить повышение эффективности процесса термоциклирования баллонов-компрессоров, что подтверждено испытаниями опытных образцов, изготовленных с использованием предлагаемого технического решения.The effect is achieved by the fact that the device for thermal cycling of compressor cylinders is made and assembled from known structural elements (assemblies) with improved structural characteristics, which allow to increase the efficiency of the process of thermal cycling of compressor cylinders, which is confirmed by tests of prototypes made using the proposed technical solution.

Использование предлагаемого устройства для термоциклирования баллонов компрессоров, например, при закачке (заправке) баллонов, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, ксеноном, который используется в качестве рабочего компонента в электрореактивных двигателях на космических летательных аппаратах типа «Ямал», «Белкам и др., позволит дать значительный экономический эффект за счет обеспечения повышения эффективности процесса термоциклирования баллонов-компрессоров.The use of the proposed device for the thermal cycling of compressor cylinders, for example, when pumping (refueling) cylinders mounted on spacecraft, with xenon, which is used as a working component in electric propulsion engines on spacecraft such as "Yamal", "Proteins, etc., will allow to give a significant economic effect by providing increased efficiency of the process of thermal cycling of compressor cylinders.

Сущность изобретения поясняется чертежом.The invention is illustrated in the drawing.

Устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров состоит из следующих основных узлов и деталей: теплоизолированной емкости 1, снабженной крышкой 2 и заполненной теплоносителем 3, например этиловым спиртом, теплообменника 4 и нагревателя 5. Теплообменник 4 выполнен в виде змеевика 6 с бифилярной намоткой трубки, закрепленного на крышке 2 емкости 1 с равноудаленным расположением витков змеевика 6 относительно мешалки 7, снабженной двигателем 8, выполненной в виде одно- или многозаходного шнека, заключенного в цилиндрический корпус 9, закрепленный консольно на крышке 2, имеющий отверстия 10 в верхней и нижней частях корпуса, при этом в нижней части отверстия могут быть выполнены как у торца, так и на торце, или нижней торец 11 может быть открытым. Нагреватель 5 выполнен в виде трубчатого электронагревателя, сблокированного с устройством контроля температуры 12 - датчиком температуры или терморегулятором, вертикально установлен на дне 13 емкости 1 и размещен в среде теплоносителя 3 в круговой зоне между баллонами-компрессорами 14, расположенными между теплообменником 4 и мешалкой 7 и закрепленными на крышке 2 емкости 1. Баллоны-компрессоры 14 подключены к коллектору 15, объединяющему магистрали заправки 16 и подачи 17 газа потребителю 18. Магистраль заправки 16 снабжена вентилем 19 и подключена к стендовым газовым баллонам 20, а магистраль подачи газа 17 потребителю 18 снабжена вентилем 21 и теплообменником- охладителем 22. Теплообменник 4 подключен к источнику холода, например к сосуду Дьюара 23 с жидким азотом, посредством теплоизолированного трубопровода с вентилем 24 и предохранительным клапаном 25.A device for thermal cycling of compressor cylinders consists of the following main assemblies and parts: a thermally insulated container 1 equipped with a cover 2 and filled with a heat carrier 3, for example ethanol, a heat exchanger 4 and a heater 5. The heat exchanger 4 is made in the form of a coil 6 with a bifilar winding of a tube fixed to the cover 2 of the tank 1 with an equally spaced arrangement of turns of the coil 6 relative to the mixer 7, equipped with an engine 8, made in the form of a single or multi-auger screw enclosed in a cylindrical housing 9 eplenny cantilevered on the cover 2, openings 10 having the upper and lower housing parts, wherein the bottom of the hole may be formed at the end face, and at the end, or bottom end 11 may be open. The heater 5 is made in the form of a tubular heater, interlocked with a temperature control device 12 — a temperature sensor or a temperature controller, vertically mounted on the bottom 13 of the tank 1 and placed in the medium of the coolant 3 in a circular zone between the compressor cylinders 14 located between the heat exchanger 4 and the mixer 7 and fixed on the cover 2 of the tank 1. The compressor cylinders 14 are connected to the manifold 15, which combines the gas refueling line 16 and the gas supply 17 to the consumer 18. The gas line 16 is equipped with a valve 19 and is connected and to bench gas cylinders 20, and the gas supply line 17 to the consumer 18 is equipped with a valve 21 and a heat exchanger-cooler 22. The heat exchanger 4 is connected to a cold source, for example, to a Dewar vessel 23 with liquid nitrogen, through a heat-insulated pipe with a valve 24 and a safety valve 25.

Работает устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров следующим образом. Перед началом работы устройства производят очистку магистралей заправки 16 и подачи 17 газа, включая баллоны-компрессоры 14 и баллоны потребителя 18, от влаги и воздуха. Очистка производится способом вакуумирования с последующей продувкой чистым (сухим) газом, например азотом и ксеноном. Источником закачиваемого газа, например ксенона, в баллоны потребителя 18 являются стендовые баллоны 20, заполненные чистым ксеноном высокого давления порядка 40 кг/см². В закачиваемом ксеноне должно быть кислорода не более 6·10^-6, а водяных паров не более 7·10^-6 объемных долей. Такие требования по чистоте выставляются к ксенону, который используют в качестве рабочего компонента в электрореактивных двигателях космических летательных аппаратов типа «Ямал», «Белка» и др., являющихся потребителем 18 закачиваемого чистого ксенона.The device for thermal cycling of compressor cylinders is as follows. Before starting the operation of the device, the refueling lines 16 and the gas supply 17, including compressor cylinders 14 and consumer cylinders 18, are cleaned of moisture and air. Cleaning is carried out by a vacuum method, followed by purging with clean (dry) gas, for example nitrogen and xenon. The source of injected gas, such as xenon, into the consumer cylinders 18 are bench cylinders 20 filled with pure high-pressure xenon of the order of 40 kg / cm ² . In the injected xenon there should be no more than 6 · 10 ^-6 oxygen, and water vapor not more than 7 · 10 ^-6 volume fractions. Such purity requirements are set for xenon, which is used as a working component in the electric propulsion engines of spacecraft such as Yamal, Belka, etc., which are consumers of 18 injected pure xenon.

Работа устройства основана на использовании принципа термокомпрессора, в котором необходимое для заправки (закачки) давление ксенона достигается в баллоне-компрессоре 14 по изохорическому процессу. После проведения очистки внутренних полостей магистралей 16, 17 и баллонов 14, 18 производят захолаживание баллонов-компрессоров 14, для чего открывают вентиль 24 и подают жидкий азот из сосуда Дьюара 23 в теплообменник 4, захолаживают теплоноситель 3 и расположенные в его среде баллоны-компрессоры 14 до температуры порядка минус 80°С, при этом мешалка 7 включена и обеспечивает перемешивание теплоносителя 3 для улучшения и ускорения процесса захолаживания баллонов-компрессоров 14, а выполненные в цилиндрическом корпусе отверстия способствуют циркуляции теплоносителя. Затем открывают вентиль 19 и захоложенные баллоны-компрессоры 14 заполняют ксеноном из стендовых баллонов 20 (цикл всасывания). После заполнения стендовые баллоны отсекают (закрывают вентиль 19) и закрывают вентиль 24, включают нагреватель 5, и при работающей мешалке 7 нагревают теплоноситель 3 и баллоны-компрессоры 14 до температуры порядка плюс 100°С, при этом давление в баллонах-компрессорах 14 растет. В случае превышения температуры заданных значений по показаниям устройства контроля температуры 12 производится отключение нагревателя вручную, если устройство контроля выполнено в виде датчика температура, или автоматически, если устройство контроля выполнено в виде регулятора температуры. При открытии вентиля 21 ксенон, охлаждаясь в теплообменнике-охладителе 22 до температуры порядка 20°С, перекачивается в баллоны потребителя 18 (цикл нагнетания). Таких циклов всасывания-нагнетания совершается столько, сколько необходимо для достижения заданного давления ксенона в баллонах потребителя 18, например до 150 кг/см².The operation of the device is based on the use of the principle of a thermocompressor, in which the xenon pressure necessary for refueling (injection) is achieved in the compressor cylinder 14 by an isochoric process. After cleaning the internal cavities of the highways 16, 17 and the cylinders 14, 18, the compressor cylinders 14 are cooled down, for which the valve 24 is opened and liquid nitrogen is supplied from the Dewar vessel 23 to the heat exchanger 4, the coolant 3 and the compressor cylinders 14 located in it are cooled to a temperature of the order of minus 80 ° C, while the mixer 7 is turned on and provides mixing of the coolant 3 to improve and accelerate the cooling process of the compressor cylinders 14, and the holes made in the cylindrical body contribute to the circus coolant oscillations. Then the valve 19 is opened and the refrigerated compressor cylinders 14 are filled with xenon from the bench cylinders 20 (suction cycle). After filling, the stand cylinders are cut off (close valve 19) and the valve 24 is closed, the heater 5 is turned on, and when the stirrer 7 is working, the coolant 3 and the compressor cylinders 14 are heated to a temperature of about + 100 ° C, while the pressure in the compressor cylinders 14 rises. If the temperature exceeds the set values according to the indications of the temperature control device 12, the heater is switched off manually if the control device is made in the form of a temperature sensor, or automatically if the control device is made in the form of a temperature controller. When valve 21 is opened, xenon, being cooled in a heat exchanger-cooler 22 to a temperature of about 20 ° C, is pumped into consumer cylinders 18 (discharge cycle). There are as many such suction-discharge cycles as necessary to achieve a given xenon pressure in consumer 18 cylinders, for example up to 150 kg / cm ² .

Таким образом, в результате использования данного изобретения обеспечивается заполнение баллонов потребителя 18 до заданного давления ксенона с соблюдением повышенной чистоты компонента (ксенона) необходимой, например, для эффективной и экономичной работы электрореактивных двигателей, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, при этом обеспечивается повышение эффективности процесса термоциклирования путем улучшения конструкции и компоновки устройства для термоциклирования баллонов-компрессоров 14, что в свою очередь позволяет выполнить поставленную задачу.Thus, as a result of using this invention, it is possible to fill consumer 18 cylinders to a predetermined xenon pressure while observing an increased purity of the component (xenon) necessary, for example, for efficient and economical operation of electric propulsion engines installed on spacecraft, while increasing the efficiency of the thermal cycling process by improving the design and layout of the device for thermal cycling of compressor cylinders 14, which in turn Allows you to complete the task.

Claims

A device for thermal cycling of compressor cylinders containing a thermally insulated container equipped with a lid and filled with a heat carrier, a heat exchanger and a heater, characterized in that the heat exchanger is made in the form of a coil mounted on the tank lid with bifilar winding of a tube with an equally spaced arrangement of coil turns relative to the mixer equipped with an engine made in the form of a screw enclosed in a cylindrical body fixed cantilever to the lid, the cavity of which is communicated through openings in the upper the lower and lower parts of the casing with a cavity of a thermally insulated container, the heater being made in the form of a tubular electric heater interlocked with a temperature control device, vertically mounted on the bottom of the container and placed in a coolant medium in the area between the compressor cylinders located between the heat exchanger and the mixer and mounted on the lid containers, while the compressor cylinders are connected to a collector that combines the gas refueling and gas supply lines to the consumer.