RU2460932C1

RU2460932C1 - Thermocompression device

Info

Publication number: RU2460932C1
Application number: RU2011100130/06A
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Гореликов (RU); Владимир Иванович Гореликов; Валентина Фёдоровна Рябова (RU); Валентина Фёдоровна Рябова
Original assignee: Открытое акционерное общество "Ракетно-космическая корпорация "Энергия" имени С.П. Королева"
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2012-09-10
Also published as: RU2011100130A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: proposed device comprises high-pressure gas source with compressor cylinder connected thereto, device for compressor cylinder heat cycling and hear carrier circulation line. Compressor cylinder is made up of heat-insulated two-wall vessel with ribbed inner vessel fitted between walls communicated with compressor heat cycling device made up of different-temperature heat exchangers connected in parallel to heat carrier circulation line. Inner vessel ribbing is shaped to spiral to make helical channel between inner vessel wall and two-wall vessel outer wall.

EFFECT: perfected design, high-efficiency heat exchange.

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.

Известны компрессионные холодильные установки (см., например, патент России №2044232 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 нарами 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. 2044232 dated 06/05/1991, 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 of a mechanical compressor in them, using grease for rotating and moving units and parts, does not exclude gas pollution with oil (grease) bunks, 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 с подключенным к нему баллоном-компрессором, устройство для термоциклирования баллонов-компрессоров и 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 и не исключает загрязнения парами масла (смазки), кроме того, малоэффективны теплообменные устройства.A compression device for recovering refrigerants is also known (see, for example, US Pat. No. 5,379,607, IPC: F25B 49/00, dated October 12, 1993), selected as a prototype and containing a high pressure gas source with a compressor cylinder connected to it, device for thermal cycling of compressor cylinders and heat carrier pumping line. The device also includes a compressor, receiver, heat exchanger-condenser and gas supply lines to the consumer. The device provides the 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 does not exclude contamination with oil vapor (grease), in addition , heat exchange devices are ineffective.

Недостатками прототипа являются загрязнения газа при заправке баллонов потребителя и низкая эффективность теплообменных устройств.The disadvantages of the prototype are gas pollution when refueling consumer cylinders and low efficiency of heat exchangers.

Техническим результатом настоящего изобретения является улучшение конструкции термокомпрессионного устройства и повышение эффективности теплообмена при работе баллона-компрессора.The technical result of the present invention is to improve the design of the thermocompression device and increase the efficiency of heat transfer during operation of the compressor cylinder.

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 известного, в нем 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, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя, причем оребрение внутреннего сосуда выполнено спиралевидной формы с образованием спирального канала между стенкой внутреннего сосуда и наружной стенкой двустенной емкости.The technical result is achieved by the fact 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 known one, the compressor cylinder in it is made in the form of a heat-insulated double-walled tank with ribbing of the inner vessel, placed in the inter-wall cavity connected to the device for thermal cycling of the compressor cylinder, made in the form of different temperature heat exchangers connected in parallel to the coolant pumping line, and the ribbing of the inner vessel is made in a spiral form with the formation of a spiral channel between the wall of the inner vessel and the outer wall of the double-walled tank.

Использование предлагаемого термокомпрессионного устройства, например, при заправке баллонов потребителя, устанавливаемых на космических летательных аппаратах, таких как спутники связи, позволят получить значительный экономический эффект за счет обеспечения заправки баллонов потребителя газом, исключающей его загрязнение, при этом упрощается обслуживание при эксплуатации, а также повышается надежность работы компрессора при прокачке газообразного теплоносителя.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 providing refueling of consumer cylinders with gas, eliminating its pollution, while simplifying maintenance during operation, and also increasing the reliability of the compressor when pumping gaseous coolant.

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, 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, параллельно включенных в магистраль прокачки теплоносителя 3. Оребрение 4 внутреннего сосуда 5 выполнено, например, в виде перегородки, имеющей форму спирали, или спиральной ленты из высокотеплопроводного материала, таких как медь, алюминий, закрепленной посредством пайки на боковой поверхности внутреннего сосуда 5 с образованием спирального канала 9 между стенкой внутреннего сосуда 5 и наружной стенкой 10 теплоизолированной двустенной емкости.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 a compressor cylinder 2 connected to it, as well as a device for thermal cycling of a compressor cylinder and a coolant pumping line 3. The compressor cylinder 2 is made in the form of a thermally insulated container with two walls - a double-walled container with fins 4 of the inner vessel 5, placed in the cavity walls formed by the walls - interstitial cavity 6 connected to the device for thermal cycling of the compressor cylinder, made in the form of two different-temperature heat exchangers 7 and 8, connected in parallel to the coolant pumping line 3. The fins 4 of the inner vessel 5 are made, for example, in the form of a partition having the shape of a spiral, or spiral tape of highly conductive material, such as copper, aluminum, fixed by soldering on the side surface of the inner vessel 5 with the formation of a spiral channel 9 between the wall of the inner ud 5 and the outer wall 10 of the thermally insulated double-walled container.

Магистраль прокачки теплоносителя 3 выполнена в виде разомкнутого контура и на входе 11 подключена к источнику подачи теплоносителя, например стендовым баллонам с газом высокого давления, а на выходе 12 сообщена с атмосферой или с потребителями охлажденного и подогретого теплоносителя. В качестве теплоносителя используют газ, например воздух, гелий, азот. Для теплоизоляции баллона-компрессора 2, теплообменников 7, 8 и магистрали прокачки теплоносителя 3 используют, например, пенополиуретан 13. В состав магистрали прокачки теплоносителя 3: вентиль 14, газовый редуктор 15, вентили 16 и 17, теплообменники 7 и 8; межстенная полость 6 и расположенный в ней спиральный канал 9, а также вентили 18, 19, 20 предназначены соответственно для сообщения с атмосферой, потребителями охлажденного и подогретого теплоносителя, например воздуха.The coolant pumping line 3 is made in the form of an open circuit and at the input 11 is connected to a coolant supply source, for example, bench cylinders with high pressure gas, and at the exit 12 it is connected with the atmosphere or with consumers of the cooled and heated coolant. As the heat carrier, a gas is used, for example, air, helium, nitrogen. For thermal insulation of the compressor cylinder 2, heat exchangers 7, 8, and heat transfer pipe 3, for example, polyurethane foam 13 is used. The heat transfer pipe 3 is used as part of the heat transfer pipe 3: valve 14, gas reducer 15, valves 16 and 17, heat exchangers 7 and 8; the interwall cavity 6 and the spiral channel 9 located therein, as well as the valves 18, 19, 20, respectively, are designed to communicate with the atmosphere, consumers of cooled and heated coolant, such as air.

Заправку, например, ксеноном баллона-компрессора 2 от стендовых баллонов 1 производят по трубопроводу 21 с вентилем 22. Баллон-компрессор 2 подключен к баллонам потребителя 23 посредством заправочной магистрали 24 с вентилями 25 и 26 и теплообменником-охладителем 27.Refueling, for example, with xenon of a compressor cylinder 2 from bench cylinders 1, is carried out through a pipeline 21 with valve 22. The compressor cylinder 2 is connected to consumer cylinders 23 via a filling line 24 with valves 25 and 26 and a heat exchanger-cooler 27.

Трубопровод 21 включен в заправочную магистраль 24 между вентилями 25 и 26, что обеспечивает подачу газа из баллонов 1 отдельно как в баллоны потребителя 23, так и в баллон-компрессор 2. Газовый редуктор 15 используют при настройке и регулировке расхода и давления теплоносителя в магистрали прокачки теплоносителя 3.The pipeline 21 is included in the filling line 24 between the valves 25 and 26, which ensures the gas supply from the cylinders 1 separately both to the consumer cylinders 23 and to the compressor cylinder 2. The gas reducer 15 is used when setting and adjusting the flow rate and pressure of the coolant in the pumping line coolant 3.

Первый теплообменник 7 снабжен рубашкой 28 для прокачки хладагента, например жидкого азота, а второй теплообменник 8 подогревателем 29, например, врезным подогревателем марки «Cetal».The first heat exchanger 7 is provided with a jacket 28 for pumping refrigerant, for example liquid nitrogen, and the second heat exchanger 8 with a heater 29, for example, a Cetal brand mortise heater.

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

Перед началом функционирования производят очистку внутренних полостей магистралей заправки и подачи газа, например ксенона, 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^-5объемных долей.Before starting the operation, the internal cavities of the gas and gas supply lines, for example xenon, are cleaned, including the compressor cylinder and consumer cylinders, for moisture and air. Cleaning is carried out by the vacuum method, followed by purging with pure nitrogen and xenon. The source of injected gas, such as xenon, into the consumer’s cylinders is 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 и баллонов осуществляют процесс термокомпрессии и подачу ксенона в баллоны потребителя 23, который производится следующим образом.The operation of the device is based on the use of the principle of a thermocompressor, in which the xenon pressure required 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 23 cylinders are carried out, which is carried out 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 вентиля 14 и 16 на магистрали прокачки теплоносителя 3 (например, воздуха) и от стендовых баллонов подают на вход 11 в магистраль прокачки теплоносителя воздух, пропускают его через теплообменник 7, охлаждаемый хладагентом, например жидким азотом, подаваемым, например, из сосуда Дьюара и пропускают через рубашку 28 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 и проходит через спиралевидный канал 9, захолаживает внутренний сосуд 5 до температуры порядка минус 80°С и сбрасывается при открытии вентиля 18 в атмосферу или при открытии вентиля 19 - потребителю. В захоложенный внутренний сосуд 5 из стендового баллона 1 подают ксенон, для чего открывают вентили 22, 25 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 22 и 25) и одновременно закрывают вентиль 16 на магистрали прокачки теплоносителя 3. Далее открывают вентиль 17 на магистрали прокачки теплоносителя 3, после чего включают подогреватель 29 (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, где проходит через спиралевидный канал 9, нагревает внутренний сосуд 5 до температуры порядка плюс 90°С и сбрасывается при открытии вентиля 18 в атмосферу, а при открытии вентиля 20 - потребителю подогретого теплоносителя, при этом давление ксенона во внутреннем сосуде 5 растет, а при сообщении его с баллонами потребителя 23 посредством открытия вентилей 25 и 26 на заправочной магистрали 24, ксенон, проходя через теплообменник-охладитель 27, охлаждается до заданной температуры (температуры охлаждающей среды) и поступает в баллоны потребителя 23 (цикл нагнетания). После выравнивания давления между внутренним сосудом 5 баллона-компрессора 2 и баллонами потребителя 23 вентили 25 и 26 закрывают, а также закрывают вентиль 17 на магистрали прокачки теплоносителя 3 и выключают подогреватель 29 (электронагреватель). 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 23, например, до 100 кг/см².Initially, the compressor-cylinder 2 is cooled down; for this, valves 14 and 16 are opened on the coolant pumping line 3 (for example, air) and air is supplied from the test cylinders to the inlet 11 to the coolant pumping line, and it is passed through a heat exchanger 7 cooled by a refrigerant, for example liquid nitrogen supplied, for example, from the Dewar vessel and passed through the jacket 28 of the heat exchanger 7, where the pumped coolant (air) is cooled to a temperature of about minus 90 ° C. Cooled air from the heat exchanger 7 enters the interstitial cavity 6 of the compressor cylinder 2 and passes through the spiral channel 9, cools the inner vessel 5 to a temperature of about minus 80 ° C and is discharged when the valve 18 is opened into the atmosphere or when the valve 19 is opened to the consumer. Xenon is fed into a refrigerated inner vessel 5 from a bench balloon 1, for which valves 22, 25 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 ° C, the stand cylinder 1 is cut off (valves 22 and 25 are closed) and at the same time valve 16 is closed on the coolant flow line 3. Next, valve 17 is opened on the coolant flow line 3, after which the heater 29 (electric heater) is turned on. In this case, 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 cylinder of the compressor 2, where it passes through the spiral channel 9, heats the inner vessel 5 to a temperature of the order of plus 90 ° C and is discharged when opening valve 18 into the atmosphere, and when valve 20 is opened, to the consumer of the heated coolant, while the xenon pressure in the inner vessel 5 rises, and when it communicates with the cylinders of the consumer 23 by opening valves 25 and 26 on the gas station gistrali 24, xenon, passing through the heat exchanger-cooler 27 is cooled to a predetermined temperature (coolant temperature) and the consumer enters the cylinders 23 (discharge cycle). After equalizing the pressure between the inner vessel 5 of the compressor cylinder 2 and the consumer cylinders 23, the valves 25 and 26 are closed, as well as the valve 17 is closed on the coolant pumping line 3 and the heater 29 (electric heater) is turned off. Such successive processes (temperature cycles) of cooling and heating of newly replenished portions of xenon from bench cylinder 1 to cylinder compressor 2 are performed as many as are necessary to achieve a given xenon pressure in consumer cylinders 23, for example, up to 100 kg / cm ² .

Выполнение размещенного в межстенной полости 6 оребрения 4, в форме спирали, например в виде спиральной ленты из высокотеплопроводного материала, закрепленной на поверхности внутреннего сосуда 5 с образованием спирального канала 9 между стенкой внутреннего сосуда 5 и наружной стенкой 10 двустенной емкости, увеличивает площадь поверхности для теплообмена через стенку и значительно повышает эффективность теплообмена между теплоносителем и газом (ксеноном) в процессе прокачки теплоносителя через спиралевидный канал 9 при проведении термоциклирования баллона-компрессора 2, что позволяет получить технический результат.The execution of the finned 4 located in the inter-wall cavity 6, in the form of a spiral, for example, in the form of a spiral tape of highly heat-conducting material, mounted on the surface of the inner vessel 5 with the formation of a spiral channel 9 between the wall of the inner vessel 5 and the outer wall 10 of the double-walled tank, increases the surface area for heat exchange through the wall and significantly increases the efficiency of heat transfer between the coolant and gas (xenon) during the pumping of the coolant through the spiral channel 9 during thermal iklirovaniya cylinder compressor 2, which allows to obtain a technical result.

Claims

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, 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, parallel included in the mages the pumping channel of the coolant, and the ribbing of the inner vessel is made spiral-shaped with the formation of a spiral channel between the wall of the inner vessel and the outer wall of the double-walled tank.