Способ регенерации воздуха

Изобретение относится к способам регенерации воздуха в замкнутых объектах и может найти применение для аварийной регенерации воздуха подводных лодок. Для регенерации воздуха используют источник кислорода и азота, который хранят за пределами обитаемого объекта и при работе его подают в реактор для генерации смеси кислорода и азота с содержанием кислорода более 21%. Полученную смесь очищают от вредных примесей и направляют в атмосферу обитаемой части изолированного объекта, а отходы и часть воздуха, необходимую для корректировки состава атмосферы, направляют в другой реактор, в который дополнительно подают горючий компонент, сгорающий в окислителе. Образующуюся газовую смесь разогревают, а затем направляют ее в десорбирующую часть аппарата для сорбции диоксида углерода регенерируемым поглотителем и вместе с диоксидом углерода сбрасывают во внешнюю среду. Обеспечивается повышение пожаробезопасности отсека, снижение объема кислородсодержащего продукта и удаление кислородсодержащего продукта из обитаемой части замкнутого объекта. 2 ил.

 

Изобретение относится к способам регенерации воздуха в замкнутых объектах и может найти применение для аварийной регенерации воздуха подводных лодок.

Известен способ регенерации воздуха, в котором кислород для дыхания получают путем разложения твердых источников на основе хлората натрия (Пат. США №2469414, Кл. 252-187, приоритет от 12.12.48; Пат. ФРГ №3446550, кл. С 01 В 13/02, приоритет 20.12.84). Эти твердые источники кислорода запускаются инициаторами ударного действия или электроинициаторами. Генерация кислорода не зависит от поглощения диоксида углерода, поэтому для его удаления требуется поглотитель.

К недостаткам способа, использующего такие твердые источники кислорода, относятся трудность дозирования кислорода (управление), повышенная пожароопасность, большие габариты и масса исходных компонентов.

Известен способ регенерации воздуха, в котором кислород для дыхания получают пропусканием воздуха из помещения через регенеративный продукт на основе надперекиси калия, при этом одновременно из воздуха удаляется диоксид углерода (Пат. США №3443906, кл. 23-281, приоритет 19.10.65). В этом способе воздух прогоняется через регенеративный продукт. Если учесть нагрев регенерируемого воздуха теплом реакции и возникающую при этом естественную конвекцию воздуха, то такой способ регенерации позволяет максимально снизить затраты электроэнергии.

Основным недостатком этого способа является повышенная пожароопасность изолированного объекта при вынужденном хранении в нем регенеративного продукта. Причина пожароопасности способа состоит в повышенной химической активности окислителя (надперекиси калия) и необходимости его хранения непосредственно в отсеке. Для замкнутых объектов лимитирующим горение фактором является содержание кислорода в атмосфере, а не количество горючего компонента, что характерно для открытых систем с воздухом. Поэтому наличие кислородоносителя в отсеке резко усиливает пожароопасность.

Другим недостатком известного способа, использующего надперекись калия, является большой занимаемый объем и большая масса регенеративного продукта и необходимость хранения его в обитаемой части замкнутого объекта. Проблема объема всегда является острой для замкнутых объектов.

Основной причиной большого объема требуемых продуктов в известном способе является использование надперекиси калия, неполнота доработки регенеративного продукта (80%) и его относительно малая плотность (0,5 г/см³).

Задачей заявляемого изобретения является повышение пожаробезопасности отсека, снижение объема кислородсодержащего продукта и удаление кислородсодержащего продукта из обитаемой части замкнутого объекта.

Задача решается тем, что в способе в качестве источника кислорода используют источник кислорода и азота, который хранят за пределами обитаемой части замкнутого объекта и при работе его подают в реактор для генерации смеси кислорода и азота с содержанием кислорода более 21%, затем полученную смесь очищают от вредных примесей и направляют в атмосферу обитаемой части замкнутого объекта, а отходы и часть воздуха, необходимую для корректировки состава атмосферы, направляют в другой реактор, в который дополнительно подают горючий компонент, сгорающий в окислителе, и таким образом образующуюся газовую смесь разогревают, направляют ее в десорбирующую часть аппарата поглощения диоксида углерода регенерируемым поглотителем и вместе с диоксидом углерода сбрасывают во внешнюю среду.

В качестве источников кислорода и азота могут быть использованы, например, четырехокись азота (N₂О₄), а также сжатый воздух, который всегда имеется на подводной лодке в системе воздуха высокого давления (ВВД).

В сравнении с надперекисью калия четырехокись азота является жидкостью, находящейся под небольшим давлением (1,5-2 атм), обеспечивает высокую компактность хранения (плотность 1,45 г/см³), может храниться вне обитаемого отсека, но при необходимости легко транспортируется в любой отсек подводной лодки с любой дозировкой. Возможность хранения четырехокиси азота за пределами обитаемого отсека резко повышает его пожаробезопасность, так как количество кислорода в атмосфере замкнутого объекта является лимитирующим горение фактором в отличие от систем, контактирующих с воздушной атмосферой. В случае загорания концентрация кислорода в атмосфере быстро снижается до 10-12% и горение прекращается.

При разложении четырехокиси азота кроме кислорода образуется азот, который не участвует в дыхании и который необходимо удалять из атмосферы. Поскольку содержание азота в воздухе (79%) больше, чем в поступающей газовой смеси (33%), то для подготовки нагретой газовой смеси, предназначенной для десорбции поглотителя диоксида углерода, используют воздух.

Нагретая газовая смесь готовится сжиганием горючего компонента в воздушной среде в специальном реакторе. Затем она поступает в десорбционную часть аппарата для сорбции диоксида углерода и путем нагрева поглотителя и отдува диоксида углерода восстанавливает работоспособность поглотителя. Охлажденная газовая смесь вместе с десорбированным диоксидом углерода сжимается компрессором и сбрасывается за пределы обитаемого отсека.

Пример 1

В способе регенерации воздуха используют четырехокись азота и осуществляют способ следующим образом (см. схему фиг.1). Для жизнеобеспечения 15 человек экипажа из емкости 1, находящейся за пределами обитаемого отсека подводной лодки, подают 20 г/мин четырехокиси азота в конденсатор 11. В конденсаторе 11 жидкую четырехокись азота испаряют и превращают в двуокись азота. Далее двуокись азота нагревают в теплообменнике 2, разлагают на кислород и окись азота (NO) и подают в двигатель внутреннего сгорания 3. Одновременно в двигатель внутреннего сгорания подают дизельное топливо в количестве 0,2 г/мин. В двигателе внутреннего сгорания окись азота разлагают на кислород и азот и газовую смесь охлаждают в теплообменнике 2 до температуры 50°С. В конденсаторе 4 при давлении 0,35 МПа конденсируют остатки неразложившейся двуокиси азота. Далее полученную газовую смесь пропускают последовательно через щелочной поглотитель 5 и адсорбер 8.

Для регенерации поглотителя диоксида углерода через десорбер 7 пропускают нагретую до 120°С инертную газовую смесь, которую получают в двигателе внутреннего сгорания 6. В качестве окислителя в двигатель внутреннего сгорания 6 подают сконденсированную двуокись азота из конденсатора 4 и воздух из атмосферы отсека в количестве 10,3 л/мин. Такое количество воздуха необходимо удалять для того, чтобы обеспечить постоянство содержания азота (80%) в атмосфере отсека. Кроме того, в двигатель 6 добавляют 0,85 г/мин четырехокиси азота и подают 0,6 г/мин дизтоплива из емкости 9. Далее вместе с десорбированным диоксидом углерода газовую смесь охлаждают до 40-50°С, компремируют в компрессоре 10 до давления внешней среды примерно до 3,5 МПа и сбрасывают. Работа компрессора 10 обеспечивается двигателем 6.

Общее количество требуемой четырехокиси азота для жизнеобеспечения 15 человек в течение 7 суток составляет 218 кг. Общее количество требуемого дизтоплива на 7 суток работы составляет 8,1 кг. Общий объем расходуемых продуктов составляет 0,160 м³.

Объем регенеративного продукта на основе надперекиси калия (патент США №3443906), необходимый для жизнеобеспечения 15 человек в течение 7 суток, равен 0,830 м³, т.е. в 5 раз больше.

Пример 2

Способ регенерации воздуха, использующий воздух высокого давления (400 атм), осуществляют следующим образом (см. схему фиг.2).

Для жизнеобеспечения 15 человек из баллона 1, находящегося за пределами обитаемого отсека подводной лодки, подают 85 л воздуха/мин при давлении 0,4 МПа в короткоцикловой безнагревный адсорбер 2. В адсорбере 2 воздух разделяют на два потока. Первый поток производительностью 12,4 л/мин содержит 66,6% кислорода и 33,3% азота и выпускается в атмосферу обитаемого отсека. Второй поток производительностью 72,4 л/мин содержит 12% кислорода и 88% азота, после подогрева до 120°С в смесителе 4 направляется на регенерацию поглотителя диоксида углерода.

Для регенерации поглотителя диоксида углерода через десорбер 5 пропускают нагретую до 120°С инертную газовую смесь. Часть этой смеси получают в двигателе внутреннего сгорания 3 при сгорании 0,23 г/мин бензина в воздухе, который в количестве 5,2 л/мин забирают из атмосферы обитаемого отсека. Такое количество воздуха необходимо удалять из атмосферы отсека для поддержания постоянного содержания азота (80%) в атмосфере. Вместе с десорбированным диоксидом углерода газовую смесь охлаждают до 40-50°С в конденсаторе 9, компремируют в компрессоре 8 до давления внешней среды и сбрасывают.

Общее количество потребляемого сжатого воздуха на 7 суток жизнеобеспечения 15 человек составляет 1105 кг.

Общее количество потребляемого бензина составляет 2,3 кг.

Двигатель внутреннего сгорания обеспечивает работу компрессора при давлении сжатия до 0,8 МПа.

Объем требуемых запасов сжатого воздуха (2,14 м³) на 7 суток жизнеобеспечения 15 человек больше, чем требуемый объем регенеративного продукта на основе надперекиси калия (0,83 м³). Однако необходимо учесть, что на подводных лодках воздух высокого давления по отношению к системе жизнеобеспечения является "даровым" продуктом и специальных запасов его не требуется.

В числе других достоинств предлагаемого способа следует отметить его более высокую работоспособность в аварийной ситуации (повышенной влажности воздуха и повышенного давления), а также отсутствие твердых отходов и проблемы утилизации.

Способ регенерации воздуха в замкнутых объектах, отличающийся тем, что для регенерации воздуха используют источник кислорода и азота, который хранят за пределами обитаемого объекта и при работе его подают в реактор для генерации смеси кислорода и азота с содержанием кислорода более 21%, затем полученную смесь очищают от вредных примесей и направляют в атмосферу обитаемой части изолированного объекта, а отходы и часть воздуха, необходимую для корректировки состава атмосферы, направляют в другой реактор, в который дополнительно подают горючий компонент, сгорающий в окислителе, и таким образом образующуюся газовую смесь разогревают, а затем направляют ее в десорбирующую часть аппарата для сорбции диоксида углерода регенерируемым поглотителем и вместе с диоксидом углерода сбрасывают во внешнюю среду.