Спосіб швидкісного заправлення балонів газом високого тиску

1. Спосіб швидкісного заправлення балонів газом високого тиску, наприклад повітрям, азотом, аргоном, гелієм чи ксеноном, заснований на попередньому охолодженні балонів з наступним заправленням їх газом до високого тиску, який відрізняється тим, що попереднє охолодження балонів проводять шляхом дозованого заповнення їх інертним зрідженим газом, наприклад вуглекислим C2 1 3 Технічне рішення по зазначеному французькому патенту дозволяє лише в незначному ступені понизити температуру газу в балоні після заправлення газом до кінцевого тиску і не виключає пауз для наступних дозаправлень для вирівнювання температури газу з температурою навколишнього середовища. Стосовно до ракетно-космічної техніки таке технічне рішення неприйнятне, тому що збільшує масу балона за рахунок додаткової установки трубчастого стержня з дисками і не забезпечує стійкість конструкції балона до вібраційних перевантажень на активній ділянці польоту ракети внаслідок консольного закріплення стержня. По авторському свідоцтву (АС) СРСР № 1435887 кл. F17C 5/06, 1986р. для прискорення заправлення балонів перед подачею газу в балони роблять його дроселювання в проміжну ємкість з наступною подачею дросельованого газу в балони. Спосіб прискорення заправлення по цьому АС недостатньо ефективний і для заправлення балонів високим тиском до 20МПа практично неприйнятний. Для істотного зниження температури газу необхідно забезпечити значне зниження його тиску в проміжній ємкості, тому що спад температури газу визначається спадом тиску в ступені меншої одиниці. Тому, навіть при відсутності теплообміну газу з проміжною ємкістю при зниженні тиску в 1,5 рази, температура газу понизиться приблизно на 10% (див. згаданий довідник, стор.182, формула Т 16.18). Крім того, слід зазначити, що не в кожній заправній станції тиск подачі газу може бути підвищено до величини, яка забезпечує дросельований тиск у проміжній ємкості до тиску заправлення балонів порядку 20МПа. Найбільш близьким по технічній сутності рішенням до пропонованого способу є спосіб заправлення балонів стиснутим газом по АС СРСР № 1691657 від 09.08.1988р. кл. F17C 5/06 (прототип). Відповідно до цього способу заправлення балонів газом провадиться почерговим дозаправленням їх з резервуара і двох ресиверів з використанням ежектора. На першому етапі заправлені газом балони і перший ресивер вакуумують за рахунок ежекції при перепуску газу з резервуара у другий ресивер. На другому етапі після чергового дозаправлення балонів із другого ресивера або резервуара балони охолоджують за рахунок випускання газу з них у перший ресивер. На третьому етапі після охолодження балонів здійснюють їхнє дозаправлення з другого ресивера або резервуара. У порівнянні з традиційною схемою і методикою заправлення балонів газом з резервуара через вентиль цей спосіб ускладнює систему заправлення за рахунок уведення ежектора, двох ресиверів і засобів контролю тиску газу в них і необхідністю періодичного перерозподілу потоку газу між резервуаром, двома ресиверами і балонами. Другим недоліком цього способу є велика тривалість охолодження балонів ежекційним газом через недостатній ступінь охолодження балонів, оскільки, як і в попередньому винаході-аналогу, для охолодження газу використовується ежектор. 76155 4 Третій недолік полягає в необхідності виготовлення ресиверів, значно більшого об'єму, ніж у балонів, що заправляються, і розрахованих з вимог техніки безпеки на більш високий тиск. Четвертий недолік полягає в необхідності збереження залишкової кількості газу в ресивері після заправлення балонів або несанкціонованої витрати його при випуску в навколишнє середовище. В основу винаходу "Спосіб швидкісного заправлення балонів газом високого тиску" поставлена задача шляхом охолодження балонів дозованим заправленням їх інертним зрідженим газом з температурою кипіння нижче температури навколишнього середовища, а після його випару випуском парів у навколишнє середовище і вирівнюванням тиску в балонах з тиском навколишнього середовища і наступним заправленням балонів стиснутим газом, забезпечити скорочення часу заправлення балонів стиснутим газом, спрощення методики заправлення і зменшення номенклатури заправного устаткування. Спільною із прототипом істотною ознакою винаходу є заправлення балонів стиснутим газом після попереднього охолодження балонів. Істотною відмітною ознакою, у порівнянні з прототипом, є попереднє, перед заправленням стиснутим газом, охолодження балонів зрідженим газом з дозованим заправленням і температурою кипіння нижче температури навколишнього середовища, а після випару зрідженого газу випуском його парів у навколишнє середовище з наступним заправленням балонів газом до кінцевого тиску. Сукупність відомих істотних ознак (подача в балони газу високого тиску і його охолодження) і нових істотних відмітних ознак (охолодження газу високого тиску за рахунок зниження температури балонів після випару в них зрідженого газу) дозволяє одержати наступні результати: значно скоротити час заправлення балонів газом високого тиску за рахунок вилучення їхніх дозаправлень до кінцевого тиску, завдяки більш високій швидкості попереднього охолодження балонів зрідженим газом замість ежекції газу, що заправляється; спростити та зробити дешевшою систему заправлення балонів за рахунок вилучення ежектора, двох ресиверів, розрахованих на високий тиск і великий об'єм, а також газорозподільної арматури і частини засобів контролю тиску газу; спростити методику заправлення за рахунок вилучення перепуску ежекційного газу, та газу, що заправляється, між ресиверами і балонами; зменшити витрату попередньо осушеного та очищеного від сторонніх домішок газу високого тиску за рахунок випуску його у навколишнє середовище з ресиверів. Практична реалізація способу заправлення балонів газом високого тиску здійснюється в наступній послідовності: вибирають тип зрідженого газу для охолодження балонів; визначають дозу заправлення зрідженого газу в балони; роблять дозоване заправлення балонів зрідженим газом без їхнього попереднього вакуумування для газу з високим тиском пружності парів і з попереднім вакуумуванням для газу з низьким тиском пружності парів; роблять коротку витримку для вирівнювання температури парів зрідженого газу з темпе 5 ратурою стінки балонів; дренажують пари охолоджуючого балони газу в навколишнє середовище; заправляють балони газом до необхідного тиску при температурі навколишнього середовища; контролюють відсутність спаду тиску в балонах після короткої витримки. Приведемо більш детальний опис цих операцій. Для охолодження балонів вибирають зріджені інертні гази, що вилучають корозійне руйнування металу балонів. Температура випару зрідженого газу повинна бути нижче температури навколишнього середовища. У зворотному випадку знижується інтенсивність теплообміну парів зі стінками балонів. Для зменшення маси зрідженого газу, що витрачається на охолодження балонів, його питома теплота випару повинна бути максимально можливою. Крім зазначених факторів вибір зрідженого газу визначається його доступністю, тобто широким використанням у техніці, низькою вартістю, пожежовибухонебезпечністю та високим тиском пружності парів для вилучення вакуумування балонів. Серед зріджених газів, що відповідають цим вимогам, можна відзначити вуглекислоту і деякі фреони (12, 13, 22). У процесі вибору типу зрідженого газу визначають необхідність вакуумування балонів. Для зріджених газів з низьким тиском пружності парів при температурі навколишнього середовища, наприклад для фреону 12, що має тиск пружності парів при 20°С - 5,7кгс/см2, балони перед заправленням вакуумують. Для вуглекислого газу з тиском пружності парів при тій же температурі 58,4кгс/см2 вакуумування балонів не потрібно, і його заправлення здійснюють при атмосферному тиску повітря в балонах (по величинах тиску пружності парів див., наприклад, "Справочник машиностроителя", М., 1956,стор.100, 103). Величина дози заправлення зрідженим газом визначається з умови рівності роботи, яка витрачена компресорною станцією або газом у резервуарі на заповнення балонів до необхідного тиску, з теплотою випару зрідженого газу. Робота, яка витрачається на заповнення балонів газом, як сказано в згаданому довіднику Х. Кухлинга, визначається добутком об'єму балонів на кінцевий тиск заправлення ( V P). Теплота випару зрідженого газу визначається добутком його маси на питому теплоту випару (G q) - див, наприклад, цей же довідник Х. Кухлинга, стор. 169. У цьому випадку маса зрідженого газу, що заправляється в балони (доза заправлення), визначається вираженням V P G , q де: G, кг - маса зрідженого газу, що заправляється в балони; 76155 6 3 V, м - об'єм балонів; 2 P, кг/м - кінцевий тиск заправлення балонів газом високого тиску; q, кгм/кг - питома теплота випару зрідженого газу. Дозоване заправлення балонів інертним зрідженим газом провадиться під тиском пружності його парів при температурі навколишнього середовища. Після заправлення зрідженого газу в балони роблять невелику, порядку 10 хвилин, витримку для охолодження його стінок за рахунок вирівнювання температур стінок і парів зрідженого газу. Після закінчення витримки дренажують пари зрідженого газу до вирівнювання тиску в балонах з тиском навколишнього середовища. Відразу після дренажування парів зрідженого газу роблять заправлення балонів з ресиверів компресорної станції газом до високого тиску необхідної величини. За рахунок глибокого охолодження балонів зрідженим газом температура їхнього підігріву після заправлення не перевищить температури навколишнього середовища і, як правило, повторне дозаправлення балонів до необхідного тиску не потрібно. У якості основних технічних переваг пропонованого способу швидкісного заправлення балонів газом високого тиску шляхом попереднього охолодження балонів зрідженим газом слід зазначити низьку витрату зрідженого газу і малі витрати часу на охолодження балонів. Наприклад, для титанових балонів, що заправляються повітрям до тиску 20МПа, при їхньому охолодженні вуглекислим газом витрата останнього складає усього 6% від сумарного об'єму балонів, а час охолодження балонів не перевищує 10 хвилин за рахунок низької (мінус 78,2°С) температури випару. У практиці експлуатації двигунових установок розробки ДКБ "Південне" установлено, що титанові балони при їхньому заправленні повітрям до тиску 20МПа підігріваються на 30-40°С, а час їхнього заправлення, з урахуванням пауз для охолодження і наступних дозаправлень до необхідного тиску, складає від 3-х до 6 годин. Тому, застосування пропонованого способу надто перспективно, стосовно до двигунових установок ракет і КА. Пропонований спосіб швидкісного заправлення балонів газом високого тиску шляхом попереднього охолодження балонів зрідженим газом не викликає технічних труднощів. Спосіб дозволяє, у порівнянні з існуючими способами, істотно скоротити час заправлення балонів газом високого тиску, а також значно знизити вартість заправного устаткування за рахунок вилучення з її складу ресиверів великого об'єму, розрахованих на високий тиск, а також ежектора з контрольно-вимірювальним оснащенням. Комп’ютерна верстка О. Чепелев Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601