RU2514335C2

RU2514335C2 - Thermocompression device

Info

Publication number: RU2514335C2
Application number: RU2012131634/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Гореликов; Сергей Александрович Гашилов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2012-07-23
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2014-04-27
Also published as: RU2012131634A

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: invention relates to refrigerating equipment, namely, to the field of design and operation of compression thermal devices. A thermal compression device comprises a source of high pressure gas with a connected compressor balloon, a source of cold and a manifold for supply of gas to a consumer equipped with a heat exchanger-cooler. The compressor-balloon is equipped with external heat protection and a heat exchanger made in the form of a pipe coil, placed in the inner cavity of the compressor-balloon and connected at the inlet to the source of cold, and at the outlet - to a spiral channel of a cooled screen made in the form of a jacket with a spiral partition. The pipe coil is installed with a thermal contact with a wall of the compressor balloon, and the cooled screen - with a clearance to the wall of the compressor balloon. The compressor-balloon is additionally equipped with an electric heater placed in the specified clearance and fixed with the thermal contact on the external surface of the compressor balloon wall.

EFFECT: improved design of a thermal compression device, higher efficiency of heat exchange during operation of a compressor-balloon, simplified design and operation of a thermal compression device and increased efficiency of heat exchange during operation of a compressor balloon, provision of consumer balloons charging with gas, excluding its contamination.

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 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.

Известно компрессионное устройство для регенерации хладагентов (см., например, патент США №5379607, МПК: F25B 49/00, от 12.10.1993), содержащее компрессор, ресивер, источник газа высокого давления с подключенным к нему баллоном-компрессором, устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров и магистраль подачи газа потребителю. Наличие в нем механического компрессора, использующего смазку для вращающихся и перемещающихся узлов и деталей, не исключает загрязнения парами масла (смазки), что не допускается при перекачке (заправке) газа в баллоны потребителя, кроме того усложнена конструкция и эксплуатация устройства.A compression device for recovering refrigerants is known (see, for example, US Pat. No. 5,379,607, IPC: F25B 49/00, dated October 12, 1993), comprising a compressor, a receiver, a high-pressure gas source with a compressor cylinder connected to it, and a thermal cycling device compressor cylinders and gas supply line to the consumer. The presence in it of a mechanical compressor using grease for rotating and moving units and parts does not exclude contamination by oil vapor (grease), which is not allowed when pumping (filling) gas into consumer cylinders, in addition, the design and operation of the device are complicated.

Известно также термокомпрессионное устройство (см., например, патент России №2351840 от 07.08.2007, МПК: F17C 5/06), выбранное в качестве прототипа и содержащее источник газа высокого давления с подключенным к нему баллоном-компрессором, источник холода иA thermocompression device is also known (see, for example, Russian patent No. 2351840 dated 08/07/2007, IPC: F17C 5/06), selected as a prototype and containing a high-pressure gas source with a compressor cylinder connected to it, a cold source and

магистраль подачи газа потребителю, снабженную теплообменником-охладителем. Теплоизолированные емкости, входящие в модули для термоциклирования баллонов-компрессоров, заполнены теплоносителем, в который погружают баллоны-компрессоры. Модули для термоциклирования баллонов-компрессоров снабжены нагревателем, мешалкой с электроприводом и теплообменником, погруженным в теплоноситель и подключенным к источнику холода. Данное устройство позволяет обеспечить заправку газом, исключая его загрязнение, но использование жидкого теплоносителя для проведения термоциклирования баллонов-компрессоров значительно усложняет конструкцию и эксплуатацию устройства, что также приводит к увеличению материальных затрат при изготовлении и эксплуатации устройства.gas supply line to the consumer, equipped with a heat exchanger-cooler. The thermally insulated containers included in the modules for thermal cycling of compressor cylinders are filled with a coolant into which the compressor cylinders are immersed. The modules for thermal cycling of compressor cylinders are equipped with a heater, an electric stirrer and a heat exchanger immersed in a coolant and connected to a cold source. This device allows for gas filling, excluding its pollution, but the use of a liquid coolant for thermal cycling of compressor cylinders significantly complicates the design and operation of the device, which also leads to an increase in material costs in the manufacture and operation of the device.

Недостатками прототипа являются сложность конструкции и эксплуатация устройства, а также наличие дополнительных громоздких агрегатов и узлов, необходимых при подготовке жидкого теплоносителя для термоциклирования баллонов-компрессоров.The disadvantages of the prototype are the complexity of the design and operation of the device, as well as the presence of additional bulky units and assemblies required in the preparation of a liquid coolant for thermal cycling of compressor cylinders.

Задачей настоящего изобретения является создание такого термокомпрессионного устройства, которое исключало бы использование жидкого или газообразного теплоносителя.The present invention is the creation of such a thermocompression device, which would preclude the use of liquid or gaseous coolant.

Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение конструкции и эксплуатации термокомпрессионного устройства, а также повышение эффективности теплообмена при работе баллона-компрессора, при обеспечении заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение.The technical result of the present invention is to simplify the design and operation of a thermocompression device, as well as to increase the efficiency of heat transfer during operation of a compressor cylinder, while ensuring that the consumer's cylinders are filled with gas, eliminating its pollution.

Технический результат достигается тем, что в тсрмокомпрессионном устройстве, содержащем источник газа высокого давления с подключенным к нему баллоном-компрессором, источник холода и магистраль подачи газа потребителю, снабженную теплообменником-охладителем, в отличие от известного, баллон-компрессор снабжен внешней теплозащитой и теплообменником, выполненным в виде трубчатого змеевика, размещенного во внутренней полости баллона-компрессора и подключенного на входе к источнику холода, а на выходе - к спиральному каналу охлаждаемого экрана, выполненного в виде рубашки со спиральной перегородкой, при этом трубчатый змеевик установлен с тепловым контактом со стенкой баллона-компрессора, а охлаждаемый экран - с зазором со стенкой баллона-компрессора, причем баллон-компрессор дополнительно снабжен электронагревателем, размещенным в упомянутом зазоре и закрепленным с тепловым контактом на внешней поверхности стенки баллона-компрессора.The technical result is achieved by the fact that in a compression compressor device containing a high-pressure gas source with a compressor cylinder connected to it, a cold source and a gas supply line to the consumer, equipped with a heat exchanger-cooler, unlike the known one, the compressor cylinder is equipped with external heat protection and a heat exchanger, made in the form of a tubular coil located in the inner cavity of the compressor cylinder and connected at the inlet to the source of cold, and at the outlet to the spiral channel of the cooled a screen made in the form of a shirt with a spiral partition, while the tubular coil is installed with thermal contact with the wall of the compressor cylinder, and the cooled screen is with a gap with the wall of the compressor cylinder, and the compressor cylinder is additionally equipped with an electric heater located in the said gap and fixed with thermal contact on the outer surface of the wall of the compressor cylinder.

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 исключения использования жидкого и газообразного теплоносителя, улучшения и упрощения конструкции и эксплуатации устройства, а также обеспечения заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение.The use of the proposed thermocompression device, for example, when refueling consumer cylinders mounted on spacecraft, such as communication satellites, will provide a significant economic effect by eliminating the use of liquid and gaseous coolant, improving and simplifying the design and operation of the device, as well as providing refueling consumer gas excluding its pollution.

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

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, источника холода 3, например из сосуда Дьюара, заправленного жидким азотом, и магистрали подачи газа 4 потребителю 5, снабженной теплообменником-охладителем 6. Баллон-компрессор 2 снабжен внешней теплозащитой 7 и теплообменников 8, выполненным в виде трубчатого змеевика 9, размещенного во внутренней полости 10 баллона-компрессора 2 и подключенного на входе 11 к источнику холода 3, а на выходе - к спиральному каналу 13 охлаждаемого экрана 14, выполненного в виде рубашки 15 со спиральной перегородкой 16, образующей спиральный капал 13. Трубчатый змеевик 9 установлен с тепловым контактом со стенкой 17 баллона-компрессора 2, например, посредством пайки, а охлаждаемый экран 14 установлен с зазором 18 относительно стенки 17 баллона-компрессора 2. Баллон-компрессор 2 дополнительно снабжен электронагревателем 19, выполненным, например, из угольной ткани, расположенным в упомянутом зазоре 18 и закрепленным с тепловым контактом, например, посредством клея К-300 или ВК-9, на внешней поверхности стенки 17 баллона-компрессора 2. Угольную (углеродную) ткань изготавливают по ТУ 1916-155-05763346-95, а электронагреватель 19 изготавливают в виде рубашки, плотно прилегающей к стенке 17 баллона-компрессора 2 и прикрепленной к ней посредством слоя электроизоляционного и теплопроводного клея К-300 или ВК-9. Электронагреватель 19 подключен к внешнему источнику электропитания.The thermocompression device consists of the following main components and parts: a high pressure gas source 1, for example high pressure bench cylinders filled with pure gas, such as xenon, and a compressor cylinder 2 connected to it, a cold source 3, for example, from a Dewar vessel filled with liquid nitrogen , and the gas supply line 4 to the consumer 5, equipped with a heat exchanger-cooler 6. The cylinder-compressor 2 is equipped with external heat protection 7 and heat exchangers 8, made in the form of a tubular coil 9, placed inside the lower cavity 10 of the compressor cylinder 2 and connected at the inlet 11 to the cold source 3, and at the outlet to the spiral channel 13 of the cooled screen 14, made in the form of a jacket 15 with a spiral partition 16, forming a spiral drip 13. A tubular coil 9 is installed with a heat contact with the wall 17 of the balloon compressor 2, for example, by soldering, and the cooled screen 14 is installed with a gap 18 relative to the wall 17 of the balloon compressor 2. The balloon compressor 2 is additionally equipped with an electric heater 19 made, for example, of coal and located in the aforementioned gap 18 and fixed with thermal contact, for example, by means of glue K-300 or VK-9, on the outer surface of the wall 17 of the compressor balloon 2. Coal (carbon) fabric is made according to TU 1916-155-05763346-95 and the electric heater 19 is made in the form of a shirt tightly adjacent to the wall 17 of the compressor cylinder 2 and attached to it by a layer of electrical insulating and heat-conducting adhesive K-300 or VK-9. The electric heater 19 is connected to an external power source.

Магистраль подачи газа 4 потребителю 5 снабжена вентилями 20 и 21, а баллон-компрессор 2 подключен к источнику газа высокого давления 1 (стендовым баллонам) посредством трубопровода заправки газа 22, снабженного вентилем 23 и включенного в магистраль подачи газа 4 между вентилями 20 и 21, что обеспечивает возможность подавать (закачивать) газ в баллоны потребителя 5 как из баллона-компрессора 2, так и напрямую из стендовых баллонов 1. Трубчатый змеевик 9, размещенный во внутренней полости 10 баллона-компрессора 2, на входе 11 подключен к источнику холода 3, например к сосуду Дьюара с жидким азотом посредством трубопровода 24, снабженного вентилем 25. Внешняя теплозащита 7 состоит из охлаждаемого отходящими из баллона-компрессора 2 парами азота экрана 14, обеспечивающего защиту баллона-компрессора 2 от теплопритоков, поступающих извне, и теплоизоляции 26, в качестве которой предлагается использовать, например, пенополиуретан или многослойную экранно-вакуумную изоляцию.The gas supply line 4 to the consumer 5 is equipped with valves 20 and 21, and the compressor cylinder 2 is connected to the high pressure gas source 1 (bench cylinders) by means of a gas filling pipe 22 provided with a valve 23 and included in the gas supply line 4 between the valves 20 and 21, which makes it possible to supply (pump) gas into the consumer’s cylinders 5 both from the compressor cylinder 2 and directly from the bench cylinders 1. A tubular coil 9 located in the inner cavity 10 of the compressor cylinder 2 is connected to the cold source at the input 11 3, for example, to a Dewar vessel with liquid nitrogen by means of a pipe 24 provided with a valve 25. External heat protection 7 consists of a screen 14 cooled by the nitrogen vapor leaving the compressor 2 and protecting the cylinder 2 from heat influx coming from the outside and thermal insulation 26, for which it is proposed to use, for example, polyurethane foam or multilayer screen-vacuum insulation.

Работает термокомпрессионное устройство следующим образом. Перед началом функционирования производят очистку внутренних полостей магистралей заправки и подачи газа, включая баллон-компрессор и баллоны потребителей, от влаги и воздуха. Очистка производится способом вакуумирования с последующей продувкой чистым азотом и ксеноном.Works thermocompression device as follows. Before the start of operation, the internal cavities of the gas filling and gas supply 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.

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.The source of injected gas, such as xenon, into the consumer’s 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 - not more than 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 и баллонов осуществляют процесс термокомпрессии и подачу ксенона в баллоны потребителя 5, 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 xenon supply lines and cylinders, the thermocompression process and the supply of xenon to the consumer 5 cylinders 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 вентиль 25 на трубопроводе подачи хладагента 24, например парообразного или жидкого азота, от источника холода 3, например сосуда Дьюара, и прокачивают жидкий или парообразный азот через трубчатый змеевик 9, размещенный во внутренней полости 10 баллона-компрессора 2; захолаживают баллон-компрессор 2 до температуры порядка минус 80°С, при этом пары азота, образующиеся в змеевике 9, через выход 12 поступают в спиральный канал 13 охлаждаемого экрана 14, охлаждают экран 14, снимают теплопритоки, поступающие из окружающей среды к баллону-компрессору 2, и сбрасываются в атмосферу. В захоложенный баллон-компрессор 2 из стендовых баллонов 1 подают ксенон, для чего открывают вентили 20, 23 и заполняют баллон-компрессор 2 до заданного давления, при этом происходит конденсация ксенона в баллон-компрессор 2 (цикл всасывания). После заполнения баллона-компрессора 2 ксеноном и охлаждения его до температуры порядка минус 80°С стендовый баллон 1 отсекают (закрывают вентили 20 и 23) и закрытием вентиля 25 на трубопроводе подачи хладагента 24 прекращают подачу хладагента в змеевике 9; одновременно включают электронагреватель 19 и нагревают баллон-компрессор 2 до температуры порядка плюс 90°С, при этом давление ксенона в баллоне-компрессоре 2 растет, а при сообщении его с баллонами потребителя 5 посредством открытия вентилей 20, 21 на магистрали подачи газа 4 ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 6, охлаждается до заданной температуры (температуры окружающей среды) и поступает в баллоны потребителя 5 (цикл нагнетания).Initially, the compressor-cylinder 2 is chilled, for this purpose, the valve 25 is opened on the refrigerant supply pipe 24, for example, vapor or liquid nitrogen, from a cold source 3, for example, a dewar vessel, and liquid or vapor nitrogen is pumped through a tubular coil 9 located in the inner cavity 10 compressor cylinder 2; the compressor-cylinder 2 is cooled down to a temperature of the order of minus 80 ° С, while the nitrogen vapors formed in the coil 9 pass through the outlet 12 into the spiral channel 13 of the cooled screen 14, cool the screen 14, and remove the heat influx coming from the environment to the compressor cylinder 2, and are discharged into the atmosphere. Xenon is supplied to a refrigerated cylinder-compressor 2 from bench cylinders 1, for which valves 20, 23 are opened and cylinder-compressor 2 is filled to a predetermined pressure, while xenon is condensed into cylinder-compressor 2 (suction cycle). After filling the compressor cylinder 2 with xenon and cooling it to a temperature of about minus 80 ° C, the stand cylinder 1 is cut off (valves 20 and 23 are closed) and closing the valve 25 on the refrigerant supply pipe 24 stops the flow of refrigerant in the coil 9; at the same time turn on the electric heater 19 and heat the cylinder-compressor 2 to a temperature of the order of plus 90 ° C, while the xenon pressure in the cylinder-compressor 2 increases, and when it communicates with the cylinders of the consumer 5 by opening valves 20, 21 on the gas supply line 4 xenon passing through heat exchanger-cooler 6, it is cooled to a predetermined temperature (ambient temperature) and enters the consumer 5 cylinders (discharge cycle).

После выравнивания давления между баллоном-компрессором 2 и баллонами потребителя 5 вентили 22 и 21 закрывают, а также включают электронагреватель 19. 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 5, например до 100 кг/см.After equalizing the pressure between the compressor cylinder 2 and the consumer 5 cylinders, the valves 22 and 21 are closed and the electric heater 19 is turned on. There are so many such successive processes (temperature cycles) of cooling — heating so many replenished portions of xenon from bench cylinder 1 to cylinder compressor 2, how much is needed to achieve a given xenon pressure in consumer 5 cylinders, for example up to 100 kg / cm.

Выполнение охлаждаемого отходящими парами азота (хладагента) экрана 14, выполненного в виде рубашки 15, спиральная перегородка которой образует канал в форме спирали, и установка экрана с зазором относительно стенки 17 баллона-компрессора 2 значительно улучшают теплозащиту баллона-компрессора 2 от теплопритоков из окружающей среды и повышают эффективность работы охлаждаемого экрана 14. Зазор 18 необходим для исключения теплового контакта более теплого охлаждаемого отходящими парами азота экрана 14 с относительно более холодной стенкой 17 баллона-компрессора 2.The execution of the screen 14 cooled in the form of a jacket 15, which is cooled by the exhaust nitrogen (refrigerant) vapor, the spiral partition of which forms a channel in the form of a spiral, and the installation of the screen with a gap relative to the wall 17 of the compressor 2 significantly improves the heat protection of the compressor 2 from environmental influx and increase the efficiency of the cooled screen 14. The gap 18 is necessary to prevent thermal contact of the warmer cooled by the exhaust nitrogen vapor of the screen 14 with a relatively colder wall 17 ba womb-compressor 2.

Размещение теплообменника 8, выполненного в виде трубчатого змеевика 9, во внутренней полости 10 баллона-компрессора 2 и подключение его непосредственно к источнику холода 3 в сочетании с электронагревателем 19 значительно улучшает компоновку и упрощает конструкцию, сокращают время и повышает эффективность теплообмена за счет непосредственного теплового контакта ксенона с поверхностью змеевика 9, при этом нет необходимости в использовании дополнительно жидкого или газообразного теплоносителя при проведении процесса термоциклирования, а следовательно, исключаются соответствующие устройства и оборудование.Placing the heat exchanger 8, made in the form of a tubular coil 9, in the inner cavity 10 of the compressor cylinder 2 and connecting it directly to the cold source 3 in combination with an electric heater 19 significantly improves the layout and simplifies the design, reduces the time and increases the heat exchange efficiency due to direct thermal contact xenon with the surface of the coil 9, while there is no need to use additional liquid or gaseous coolant during the thermal cycling process, therefore, appropriate devices and equipment are excluded.

Claims

Thermocompression device containing a high-pressure gas source with a compressor cylinder connected to it, a cold source and a gas supply line to the consumer, equipped with a heat exchanger-cooler, characterized in that the compressor cylinder is equipped with external heat protection and a heat exchanger made in the form of a tubular coil placed in the internal cavity of the compressor cylinder and connected at the inlet to the source of cold, and at the exit to the spiral channel of the cooled screen, made in the form of a jacket with a spiral th partition, while the tubular coil is installed with thermal contact with the wall of the compressor cylinder, and the cooled screen with a gap with the wall of the compressor cylinder, and the compressor cylinder is additionally equipped with an electric heater located in the said gap and fixed with thermal contact on the outer wall surface cylinder compressor.