RU2432523C1

RU2432523C1 - Thermo-compression device

Info

Publication number: RU2432523C1
Application number: RU2010109655/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Гореликов (RU); Владимир Иванович Гореликов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2011-10-27

Abstract

FIELD: machine building. ^ SUBSTANCE: thermo-compression device contains source of gas of high pressure with tank-compressor connected to it, device for tank-compressor thermo-cycling and main for heat carrier pumping. Different from prototype, the tank-compressor is made in form of a thermo-insulated double-wall reservoir with a ribbed internal vessel arranged in a between-the wall cavity connected to a device for tank-compressor thermo-cycling. This device corresponds to various temperature heat exchangers parallel connected to a circuit of the main for heat carrier pumping. The heat exchangers are made in form of a coil of the pipe with ribs. Also, one heat exchanger is equipped with a jacket for cooling agent pumping, while another is equipped with a heater, a heating element of which is set in slots between the ribs of the pipe contacting it. Each heat exchanger is equipped with an external jacket with heat insulation. ^ EFFECT: improved design and arrangement of thermo-compressor device and raised efficiency due to improved heat exchange at heat carrier pumping. ^ 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 purity requirements of both the injected gas and the internal volumes and surfaces of the refueling system.

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.The principle of operation of a thermocompression 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 suction-discharge cycles as necessary to achieve a given pressure in the refueling tank.

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.Compression refrigeration units are known (see, for example, Russian patent No. 20442332 dated 05.06.1991, IPC: F25B 1/00) containing a compressor, high-pressure tanks, a gas line and a gas supply line to the consumer, heat exchangers. The presence in them of a mechanical compressor that uses lubricant for rotating and moving units and parts does not exclude gas pollution with oil (grease) vapors, which is unacceptable when pumping (filling) gas into consumer cylinders that use this gas as a working component.

Недостатками аналога являются загрязнение газа при заправке баллонов потребителя, низкая эффективность и сложность конструкции устройства.The disadvantages of the analogue are gas pollution when filling consumer cylinders, low efficiency and design complexity of the device.

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.A compression device for recovering refrigerants is also known (see, for example, US Pat. No. 5,379,607, IPC: F25B 49/00, dated 12/10/1993), selected as a prototype and containing a high pressure gas source connected to compressor cylinders and a device for thermal cycling of compressor cylinders from a set of multi-temperature tanks, including a low-temperature tank with a heat exchanger connected to a cold source, as well as a coolant pumping line. The device also includes a compressor, receiver, heat exchanger-condenser and gas supply lines to the consumer. The device provides regeneration of CFC-type refrigerants (coolants) (Freon-11, Freon-12, Freon-113) for pumping into a transport cylinder (consumer), while the pumping process is long and ineffective, and the maintenance of the device and its equipment is complicated as during operation, and during routine maintenance.

Недостатками прототипа являются невозможность исключения загрязнения газа при заправке баллонов потребителя и низкая эффективность устройства.The disadvantages of the prototype are the impossibility of eliminating gas pollution when refueling consumer cylinders and the low efficiency of the device.

Техническим результатом является повышение эффективности путем улучшения теплообмена при прокачке теплоносителя при обеспечении исключения загрязнения газа при заправке баллонов потребителя.The technical result is to increase efficiency by improving heat transfer during pumping of the coolant while ensuring the exclusion of gas pollution when filling consumer cylinders.

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 двустенной емкости с оребрением внутреннего сосуда, размещенным в межстенной полости, подсоединенной к устройству для термоциклирования баллона-компрессора, выполненному в виде разнотемпературных теплообменников и параллельно включенных в контур магистрали прокачки теплоносителя, при этом теплообменники выполнены в виде змеевиков из трубки с оребрением, причем один теплообменник снабжен рубашкой для прокачки хладагента, а другой снабжен подогревателем, нагревательный элемент которого расположен в пазах между ребер трубки, контактируя с ней (с тепловым контактом), при этом каждый теплообменник снабжен внешним кожухом с теплоизоляцией.The technical result is achieved in that in a thermocompression device containing a high-pressure gas source with a compressor cylinder connected to it, a device for thermocycling a compressor cylinder and a coolant pumping line, in contrast to the prototype, the compressor cylinder is made in the form of a heat-insulated double-walled tank with fins internal vessel placed in the interstitial cavity connected to the device for thermal cycling of the compressor cylinder, made in the form of heat of different temperatures exchangers and connected in parallel to the circuit of the coolant pumping line, while the heat exchangers are made in the form of coils from a tube with fins, and one heat exchanger is equipped with a jacket for pumping refrigerant, and the other is equipped with a heater, the heating element of which is located in the grooves between the edges of the tube in contact with it ( with thermal contact), with each heat exchanger equipped with an external casing with thermal insulation.

Использование предлагаемого термокомпрессионного устройства, например, при заправке баллонов потребителя, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, таких как спутники связи, позволяет получить значительный экономический эффект за счет обеспечения заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение, при повышении эффективности работы устройства путем улучшения теплообмена при прокачке теплоносителя.The use of the proposed thermocompression device, for example, when refueling consumer cylinders mounted on spacecraft, such as communication satellites, allows to obtain a significant economic effect by providing refueling of consumer cylinders with gas, eliminating its pollution, while increasing the efficiency of the device by improving heat transfer during pumping coolant.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых приведены:The invention is illustrated by drawings, which show:

на фиг.1 - термокомпрессионное устройство;figure 1 - thermocompression device;

на фиг.2 - нагревательный элемент.figure 2 - heating element.

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 подключенных 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 разнотемпературных теплообменников 7 и 8, которые в свою очередь выполнены в виде змеевиков из трубки с оребрением и параллельно включены 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, электронагревателем, включающим электронагревательный элемент 11, выполненный из электроизолированного провода с высоким электросопротивлением, например, из нихрома, и расположенный в пазах между ребер 12 трубки 13 с обеспечением теплового контакта с трубкой (см. фиг.2). Ребра 12 выполнены, например, из ленты или проволоки, навитой в виде спирали с заданным шагом на трубку 13 и закрепленной, например, посредством пайки на поверхности трубки. Трубка 13 и ребра 12 изготовлены из высокопроводного материала, например, из меди, латуни, алюминия. Тепловой контакт нагревательного элемента 11 и трубки 13 обеспечивают заполнением паза между ребрами 12 высокотеплопроводным электроизоляционным материалом, например окисью алюминия (Al₂O₃). Нагревательный элемент 11 укладывают в пазы между ребрами 12 перед заполнением пазов окисью алюминия (на фиг.2 не показана). Нагревательный элемент 11 выполнен, например, из провода ПМЖ-НХ-0,3 ТУ 16.505.400-72. Каждый теплообменник 7, 8 снабжен внешним кожухом 14 с теплоизоляцией.Thermocompression device consists of the following main components and parts: high pressure gas source 1, for example, high pressure bench cylinders filled with clean gas, for example, xenon and compressor cylinder 2 connected to it, as well as a device for thermal cycling of the compressor cylinder and pumping line coolant 3. The cylinder-compressor 2 is made in the form of a thermally insulated container with two walls - double-walled tanks with fins 4 of the inner vessel 5, placed in the cavity walls formed by the walls - interstitial cavity 6 connected to a device for thermal cycling of the compressor cylinder, made in the form of two different-temperature heat exchangers 7 and 8, which, in turn, are made in the form of coils from a tube with fins and are simultaneously connected to the coolant pumping line 3. One heat exchanger 7 is equipped with a jacket 9 for pumping refrigerant, for example liquid nitrogen. Another heat exchanger 8 is equipped with a heat carrier heater 10, for example, an electric heater, including an electric heating element 11 made of an electrically insulated wire with high electrical resistance, for example, nichrome, and located in the grooves between the ribs 12 of the tube 13 to ensure thermal contact with the tube (see Fig. 2). The ribs 12 are made, for example, of tape or wire, wound in the form of a spiral with a given step on the tube 13 and fixed, for example, by soldering on the surface of the tube. The tube 13 and ribs 12 are made of highly conductive material, for example, copper, brass, aluminum. The thermal contact of the heating element 11 and the tube 13 is ensured by filling the groove between the ribs 12 with a highly conductive insulating material, for example, aluminum oxide (Al ₂ O ₃ ). The heating element 11 is placed in the grooves between the ribs 12 before filling the grooves with aluminum oxide (not shown in figure 2). The heating element 11 is made, for example, from the wire PMZH-NH-0.3 TU 16.505.400-72. Each heat exchanger 7, 8 is equipped with an external casing 14 with thermal insulation.

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).The inter-wall cavity 6 of the compressor 2 is in communication with the pipelines of the coolant pumping line, on which a valve 15, a gas reducer 16, valves 17 and 18, heat exchangers 7 and 8, and valves 19, 20, 21, respectively, are installed for communication with the atmosphere, with a consumer of cooled and heated coolant (air).

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. В качестве теплоизоляции использован, например, пенополиуретан 23. 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. Газовый редуктор 16 используют при настройке и регулировке расхода и давления в магистрали прокачки теплоносителя 3.As the coolant, gas is used, for example, air, which is supplied to the inlet 22 to the coolant pumping line 3, for example, from bench cylinders with high pressure gas (air). For insulation, for example, polyurethane foam 23 was used. Refueling, for example, with xenon of a compressor cylinder 2 from bench cylinders 1, is carried out through a pipe 24 with valve 25. The compressor 2 is connected to consumer cylinders 26 via a filling line 27 with valves 28, 29 and heat exchanger-cooler 30. Gas reducer 16 is used when setting up and adjusting the flow rate and pressure in the flow line of the coolant 3.

Работает термокомпрессионное устройство следующим образом.Works thermocompression device as follows.

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.Before the start of operation, the internal cavities of the filling lines, including the compressor cylinder and consumer cylinders, are cleaned of moisture and air. Cleaning is carried out by the vacuum method, followed by purging with pure nitrogen and xenon. The source of injected gas, for example, xenon into consumer cylinders are bench cylinders 1 filled with pure high-pressure xenon 40 kg / cm ² . In the injected xenon there should be no more than 3 · 10 ^-5 volume fractions of oxygen, and water vapor should not exceed 4 · 10 ^-5 volume fractions.

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:The operation of the device is based on the principle of a thermocompressor, in which the xenon pressure necessary for refueling (injection) is achieved in the cylinder-compressor 2 according to an isochoric process. After cleaning the internal cavities of the supply lines of xenon cylinders, the process of thermal compression and the supply of xenon into the cylinders of the consumer 26 are carried out, which is performed as follows:

В исходном положении все вентили закрыты.In the initial position, all valves are closed.

Первоначально производят захолаживание баллона-компрессора 2, для этого открывают вентили 15 и 17 на магистрали прокачки теплоносителя 3 (например, воздуха, закаченного в замкнутый контур) и, например, от стендовых баллонов высокого давления подают на вход 22 в магистраль прокачки теплоносителя 3 воздух, пропускают его 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, 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 воздуха. 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. Далее открывают вентиль 18, после чего включают подогреватель 10 (электронагреватель), 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, или при открытии вентиля 21 - потребителю воздуха, 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/см².Initially, the compressor-cylinder 2 is cooled down, for this purpose, valves 15 and 17 are opened on the coolant pumping line 3 (for example, air pumped into a closed circuit) and, for example, air is supplied to the inlet 22 of the coolant pumping line 3 from the high pressure cylinder, they pass it through a heat exchanger 7 cooled by a refrigerant, for example, liquid nitrogen supplied, for example, from a Dewar vessel, and pass through a jacket 9 of the heat exchanger 7, where the pumped heat carrier (air) is cooled to a pore temperature core minus 90 ° C. Cooled air from the heat exchanger 7 enters the interstitial cavity 6 of the compressor cylinder 2, cools the inner vessel 5 to a temperature of minus 80 ° C and is discharged when the valve 19 is opened into the atmosphere, or when the valve 20 is opened, to the consumer of the cooled air. Xenon is fed into the refrigerated inner vessel 5 of the compressor cylinder 2 from the bench cylinder 1, for which the valves 25, 28 are opened and the inner vessel 5 is filled to a predetermined pressure, while xenon is condensed in the inner vessel 5 (suction cycle). After filling the inner vessel 5 of the compressor cylinder 2 with xenon and cooling it to a temperature of about minus 80 ° С, the bench cylinder 1 is cut off (valves 25, 28 are closed) and at the same time valve 17 is closed on the coolant flow line 3. Next, valve 18 is opened, and then turned on a heater 10 (electric heater), while the coolant (air), when passing through the heat exchanger 8, is heated to a temperature of the order of plus 95 ° C and enters the interstitial cavity 6 of the compressor cylinder 2, heats the inner vessel 5 to temperatures order plus 90 ° С and is discharged when the valve 19 is opened into the atmosphere, or when the valve 21 is opened, to the air consumer, while the xenon pressure in the inner vessel 5 rises, and when it communicates with the consumer cylinders 26 by opening the valves 28 and 29 on the fuel line 27, xenon, passing through the heat exchanger-cooler 30, is cooled to a predetermined temperature (temperature of the cooling medium) and enters the cylinders of the consumer 26 (discharge cycle). After equalizing the pressure between the inner vessel 5 of the compressor cylinder 2 with consumer cylinders 26, valves 28 and 29 are closed, and valve 18 is also closed on the coolant pumping line 3 and the heater (electric heater) 10 is turned off. Such successive processes (temperature cycles) of cooling and heating are replenished portions of xenon from the bench cylinder 1 to the compressor cylinder 2 are performed as much as is necessary to achieve a given xenon pressure in consumer cylinders 26, for example, up to 100 kg / cm ² .

Выполнение баллона-компрессора 2 в виде теплоизолированной двухстенной емкости с оребрением внутреннего сосуда 5 и выполнение устройства для термоциклирования в виде двух разнотемпературных теплообменников 7, 8, включающих змеевики из оребренной трубки, не только позволяют использовать в качестве теплоносителя газ или жидкость, но при этом значительно повысить эффективность устройства путем улучшения теплообмена при прокачке теплоносителя через теплообменники 7, 8 и межстенную полость 6 баллона-компрессора. Кроме того, термокомпрессионное устройство исключает загрязнение газа при заправке баллонов потребителя 26, что позволяет достичь технического результата.The implementation of the compressor cylinder 2 in the form of a thermally insulated double-walled tank with ribbing of the inner vessel 5 and the implementation of the device for thermal cycling in the form of two different-temperature heat exchangers 7, 8, including coils from the finned tube, not only allow the use of gas or liquid as a coolant, but significantly to increase the efficiency of the device by improving heat transfer during pumping of the coolant through heat exchangers 7, 8 and the interwall cavity 6 of the compressor cylinder. In addition, the thermal compression device eliminates gas pollution during refueling of consumer cylinders 26, which allows to achieve a technical result.

Claims

A thermocompression device containing a high-pressure gas source with a compressor cylinder connected to it, a device for thermal cycling of a compressor cylinder and a coolant pumping line, characterized in that the compressor cylinder is made in the form of a heat-insulated double-walled tank with an internal vessel finned in an interwall cavity connected to the device for thermal cycling of the compressor cylinder, made in the form of different temperature heat exchangers and parallel connected to tour of the coolant pumping line, while the heat exchangers are made in the form of coils from a tube with fins, and one heat exchanger is equipped with a jacket for pumping refrigerant, and the other is equipped with a heater, the heating element of which is located in the grooves between the edges of the tube, in contact with it, while each heat exchanger is equipped with external casing with thermal insulation.