Способ получения холодного газообразного кислорода и устройство для его осуществления

Способ получения холодного газообразного кислорода и устройство для его осуществления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к прикладной химии, а именно к способам и устройствам получения газообразного кислорода.

Автономные, малогабаритные, быстродействующие, с большим удельным выходом газа источники газообразного кислорода с высокой чистотой и нормальной температурой необходимы во многих областях жизни человека и, как правило, особенно необходимы в экстренных случаях и аварийных ситуациях. Например, такие источники газообразного кислорода необходимы для многих категорий больных людей (при приступах астмы, при сердечных приступах и ряде других заболеваний), для комплектации автомобилей скорой помощи, для жизнеобеспечения спасателей разных категорий при авариях на шахтах, на химических и других опасных предприятиях, для жизнеобеспечения пожарных при ликвидации пожаров, для экстренной подачи кислорода людям в самолетах при аварийной разгерметизации, для экстренной подачи кислорода персоналу в подводных лодках в случае выхода из строя других аварийных систем обеспечения кислородом или воздухом и во многих других областях.

Издавна и до настоящего времени широко используются в практике в качестве источников газообразного кислорода указанного назначения газобаллонные системы (ГБС). Однако наряду с хорошо известными преимуществами такие системы имеют ряд существенных недостатков: они имеют значительные массу и габариты, дают сравнительно низкий выход кислорода с единиц массы и объема, постоянно пребывают под действием высокого давления (100-200 кгс/см²) кислорода, что создает опасность разрыва или утечки кислорода и угрозу жизни человека в случае загорания или взрыва веществ или материалов при их контакте с истекающим кислородом, сложность дозаправки или перезаправки баллонов кислородом при отсутствии вблизи стационарных кислородных заправочных станций, неавтономность, сравнительно длительные времена приведения в действие, необходимость организации специальных мест хранения и постоянного контроля давления в баллонах.

Химические кислородные генераторы (ХКГ) на твердых пиротехнических составах (кислородгенерирующих твердых материалах) не имеют большинства из указанных недостатков ГБС. Сравнительно небольшие размеры и масса, относительно большой удельный выход с единицы массы (К_m) и объема (K_V) кислорода, отсутствие давления кислорода в корпусе в процессе хранения, автономность, постоянная готовность к работе в течение многих лет без регламентных проверок, быстродействие и простота запуска от маломощных автономных источников электроэнергии, надежность, простота переснаряжения при отсутствии стационарных мастерских и ряд других преимуществ делают их существенно более подходящими для использования в качестве источников газообразного кислорода в указанных выше областях применения.

Первыми, причем сравнительно давно (с 40-50 годов прошлого века), начали разрабатываться и применяться в практике ХКГ "классического типа", то есть основанные на традиционном способе сжигания твердых зарядов из кислородгенерирующих материалов в режиме, когда фронт самоподдерживающегося горения распространяется вглубь заряда, а выделяемые в этом процессе газообразные продукты оттекают от фронта горения в противоположном направлении (Химическая энциклопедия. Том 2 /изд. Сов. Энциклопедия // М., 1990, патенты: №3,868,225 (US); №2052283 (RU), №6.264.896 (US), №6.352.652 (US), №6.464.787 (US)). Такие ХКГ достаточно просты по устройству. Они состоят из корпуса, изготовленного из металла, предпочтительно стали, имеющего одно или несколько выходных отверстий, элементов для крепления корпуса к оборудованию, твердого заряда из кислородгенерирующего материала (причем заряд способен после инициирования к самоподдерживающемуся горению с выделением в этом процессе кислорода и образованием высокотемпературных шлаков), устройства для зажигания (инициирования) заряда, устанавливаемого у торца заряда и обеспечивающего в заданный момент воспламенение поверхности заряда, примыкающей к этому устройству, теплозащитных слоев или элементов из инертных материалов, которые могут устанавливаться как между зарядом и внутренней поверхностью корпуса, так и на внешней поверхности корпуса, для защиты корпуса от нагревания и одного или нескольких инертных фильтров для охлаждения генерируемого кислорода, для очистки генерируемого кислорода от примесей вредных газов и для очистки генерируемого кислорода от примесей частиц.

В качестве кислородгенерирующих компонентов кислородгенерирующих материалов (КГМ) для заряда таких ХКГ используются вещества из группы хлоратов или перхлоратов щелочных металлов, более конкретно, перхлораты и хлораты лития, натрия и калия, и предпочтительно хлорат натрия, иногда они используются совместно с веществами из группы пероксидов и супероксидов щелочных металлов; в качестве горючих в них применяются вещества из группы металлов: алюминия, магния, цинка, молибдена, железа, марганца, кобальта, никеля и, предпочтительно, железо; в качестве добавок разного назначения используются вещества из группы оксидов: оксиды меди, железа, кремния, цинка, марганца, кобальта, хрома и, предпочтительно, оксиды марганца и кобальта; пероксид бария, силикаты натрия и калия, стекло.

Однако ХКГ такого типа имеют существенный недостаток. Он заключается в неприемлемо высокой температуре выделяемого кислорода на выходе из газогенератора. Например, в патенте №3868225 (US) сообщается о температурах кислорода в газогенераторе до 370°С. Очевидно, что, если кислород используется после выхода из генератора непосредственно для дыхания, он должен быть дополнительно охлажден в ХКГ. Обычно охлаждение осуществляется использованием в ХКГ инертных фильтров с высокой теплоемкостью (теплообменников). Данный способ снижения температуры генерируемого ХКГ кислорода ведет к увеличению массы и габаритов ХКГ и снижению удельного выхода кислорода и зачастую делает неэффективным или невозможным использование ХКГ во многих областях применения.

Сравнительно недавно был предложен новый способ получения холодных газов в газогенераторах (патент №2108282 (RU) от 28.11.1996 г., опубл. бюллетень №10, 10.04.98.). Данный способ позволяет получать холодный (с температурой, близкой к нормальной) кислород в основное время работы ХКГ и таким образом практически устранить указанный недостаток, присущий ХКГ классического типа. На базе этого способа был предложен химический кислородный генератор с температурой выделяемого кислорода менее 50°С и, предпочтительно, менее 30°С (только в конце работы температура генерируемого кислорода может значительно повышаться) (заявка №2001121023 (RU) от 26.07.2001 г., опубл. бюллетень №18, 27.06.2003, заявка PCT/NL/02/00506 от 25.07.2002 г., опубл. WO 03/009899, 06.02.2003).

ХКГ такого типа, в принципе, состоят из тех же основных элементов, что и ХКГ классического типа:

1) корпус, изготовленный из металла, предпочтительно из стали, или композитного материала, имеющий одно или несколько выходных отверстий и крепления, обеспечивающие возможность переноски, транспортирования, монтирования корпуса в устройствах и крепления к оборудованию или стенкам. Корпус посредством выходного отверстия может быть соединен с буфером или баллоном;

2) твердый пористый заряд, который размещен внутри корпуса генератора. Причем заряд изготовлен из кислородгенерирующего материала, способного после инициирования к самоподдерживающемуся горению и выделению в этом процессе кислорода и образованию высокотемпературного шлака. Пористый заряд размещен в корпусе таким образом, чтобы получаемый при его горении кислород проходил за счет перепада давления через несгоревшую часть тела заряда от фронта горения в направлении его движения к выходному отверстию корпуса. При этом пористый заряд в процессе горения обеспечивает возможность прохождения полученного кислорода через свое тело без нарушения целостности и создания объемного горения.

Пористый заряд изготовлен из гранулированного материала, связанного связующим веществом и имеющего пористость в пределах от 41 до 61%.

В качестве основных компонентов кислородгенерирующих материалов для зарядов к ХКГ такого типа используются практически все те же вещества, что и для зарядов к ХКГ классического типа. Дополнительно, в качестве связующего материала они включают в малых количествах вещества: из группы неорганических связующих, в особенности силикаты натрия и калия и их смеси, и из группы органических лаков и связующих, предпочтительно натриевая соль поливинилтетразола, и, кроме того, натриевая соль карбоксицеллюлозы, поливинилацетат, нитроцеллюлоза, смесь пентафталевого ангидрида и пентаэритрита, эпоксидная смола и водорастворимые белки (заявка №2001121023 (RU), заявка PCT/NL/02/00506);

3) устройство для зажигания заряда, установленное у торца заряда и обеспечивающее в заданный момент инициирование воспламенения поверхности заряда, примыкающей к этому устройству;

4) инертный фильтр-теплообменник для охлаждения кислорода;

5) фильтр для очистки получаемого кислорода от вредных газов и фильтр для очистки получаемого кислорода от частиц. Два или три фильтра могут быть объединены;

6) теплозащитный слой из инертного теплоизоляционного материала (например, из стекловолокна или из силиконового волокна, пропитанных тем же связующим, которое использовано в заряде), размещаемый между зарядом и корпусом, или из наружного слоя заряда.

Указанное устройство для получения холодного кислорода и реализуемый при его работе способ генерирования кислорода являются наиболее близкими по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению и поэтому были приняты в качестве "прототипа" к предлагаемому изобретению.

Однако у прототипа имеется ряд существенных недостатков:

1) ХКГ-прототип имеет сравнительно низкий удельный выход кислорода с единицы массы (К_m - на уровне 40-50 л/кг) и единицы объема (K_v - на уровне 55-70 л/дм³). Очевидно, что низкий уровень величин К_m и K_v обуславливает, в целом, малое количество выделяемого ХКГ кислорода и, соответственно, делает низкой вероятность спасения людей, пользующихся таким ХКГ в аварийных и экстремальных ситуациях, в указанных выше областях применения.

2) Генерируемый ХКГ-прототипом кислород имеет относительно низкую чистоту: O₂ - 95,35-95,4%; СO₂ - 0,92-0,93%; N₂ - 2,1-2,12%; Н₂O - 1,58-1,60% (заявки №2001121023 (RU), PCT/NL/02/00506). Отмечается возможность присутствия в генерируемом ХКГ кислороде примесей хлора и его оксидов. Причина появления хлора в генерируемом ХКГ кислороде обусловлена тем, что реакция разложения хлоратов щелочных металлов (основного компонента кислородгенерирующего материала) может протекать не только по основному пути: МеСlO₃→MeCl+3/2O₂, но, в зависимости от условий, иногда и по пути: 2МеСlO₃→Mе2O+Сl₂+5/2O₂. Термическое разложение перхлоратов щелочных металлов (которые тоже могут использоваться в качестве основного компонента кислородгенерирующего материала) проходит через стадию образования хлоратов с соответствующим возможным выделением хлора. В присутствии избытка кислорода и при высоких температурах смеси хлора с кислородом могут образовывать различные оксиды хлора. Появление других вредных газов в выделяемом кислороде в большинстве случаев вызвано примесями различных элементов и соединений в исходных компонентах.

Для устранения примесей вредных газов в генерируемом ХКГ кислороде устанавливают в выходной части генератора "химический" фильтр. Такой способ устранения вредных примесей сравнительно эффективен, но требует, чтобы фильтр имел достаточно большие массу и габариты. С целью уменьшения массы и габаритов этому фильтру придают дополнительно функцию очистки кислорода от частиц. Тем не менее, такое техническое решение приводит к усложнению конструкции генератора, к увеличению его массы и габаритов, снижению удельного выхода кислорода и не обеспечивает полную очистку кислорода от примесей вредных газов.

3) ХКГ-прототип при срабатывании и после работы при отсутствии теплозащитного слоя имеет неприемлемо высокую температуру корпуса. В этом случае она может находиться на уровне температуры шлаков (800-1200 К), а иногда и выше. Это обусловлено тем, что кислородгенерирующие материалы при горении дают кислород и шлаки с высокой температурой. Для снижения разогрева корпуса ХКГ в процессе работы и после нее между зарядом и корпусом размещают относительно толстый слой инертного теплопоглощающего материала или используют несгорающий наружный слой заряда, что приводит к увеличению массы и габаритов, усложнению конструкции и снижению удельного выхода кислорода.

4) ХКГ-прототип имеет относительно малое время работы. Этот показатель находится на уровне 12-15 мин. Очевидно, что чем больше время работы ХКГ при достаточной скорости выделения кислорода и приемлемом уровне других характеристик, тем более надежно может быть обеспечена жизнеспособность потребителей кислорода в указанных выше областях применения и особенно в экстремальных и аварийных ситуациях.

Для увеличения времени работы ХКГ необходимо снижать скорость горения заряда. Однако используемые в прототипе кислородгенерирующие пиротехнические материалы уже имеют весьма низкие скорости горения (0,1-0,7 мм/с) и находятся на пределе устойчивого горения. При дальнейшем снижении их скорости горения в зависимости от состава и условий возможно прекращение горения заряда в процессе работы ХКГ, что может приводить к гибели потребителей кислорода из генератора.

5) В прототипе последние порции кислорода (объемом порядка 1-3% от всего выделяемого количества кислорода), выделяемые при сгорании конечного небольшого слоя кислородгенерирующего материала на заднем торце заряда, имеют высокую температуру (обычно на уровне 800-1000 К). В определенной мере этот кислород в пристеночных слоях охлаждается за счет теплоотдачи в стенки корпуса, но в ядре потока температура может оставаться высокой. Очевидно, что такой кислород нельзя использовать после выхода из генератора непосредственно для дыхания человека. Для охлаждения указанных порций кислорода в ХКГ-прототипе используют способ, заключающийся в пропускании кислорода через инертный фильтр-теплообменник, устанавливаемый в выходной части ХКГ, и передаче части тепла от кислорода в этот фильтр. В частных случаях этот фильтр объединяется с фильтром для очистки кислорода от примесей вредных газов и частиц. Однако указанный способ приводит к усложнению конструкции генератора, к увеличению его массы и габаритов и снижению удельного выхода кислорода.

6) ХКГ-прототип имеет недостаточную безопасность для потребителя в процессе работы. Генератор работает при давлениях кислорода в корпусе на уровне 3-5 кгс/см² (иногда выше). С учетом этого уровня давления рассчитывают и выбирают материал и толщину стенок корпуса генератора. Однако из-за разного рода случайностей (нарушения целостности заряда при снаряжении, хранении или транспортировке, технологического брака при изготовлении заряда, отклонения в характеристиках воспламенительного устройства из-за технологического брака, нарушения целостности при снаряжении, хранении и транспортировке и др.) при работе ХКГ возможно несанкционированное значительное увеличение газоприхода от заряда и воспламенительного устройства и, как следствие, резкое возрастание давления в корпусе. Случайное увеличение давления в корпусе генератора в процессе работы может быть вызвано также нарушением газопроницаемости зарядов и фильтров (из-за забивания пор шлаками или частицами, деформации фильтров и зарядов при снаряжении или транспортировке) и другими причинами. Подъем давления газа выше предельно возможного в корпусе может привести к его разрыву, травмированию человека и загоранию некоторых материалов при контакте с высокотемпературными кислородом и шлаками, выброшенными из разорвавшегося генератора. Для улучшения безопасности ХКГ выбирают более прочный материал для корпуса, увеличивают толщину корпуса. При этом проблема полностью не решается, так как подъем давления в корпусе по указанным случайным причинам может превысить и то предельное значение, которое обеспечивают и более прочный материал, и более толстые стенки. Данное обстоятельство вызывает необходимость создания новых, эффективных способов повышения безопасности ХКГ.

Задачей настоящего изобретения является создание способа получения холодного газообразного кислорода и химического кислородного генератора для его осуществления, которые позволяют повысить удельный выход кислорода при одновременном уменьшении температуры и увеличении чистоты генерируемого кислорода, снижении температуры корпуса в процессе и после работы генератора, увеличении времени его работы и повышении его безопасности в процессе работы.

Поставленная задача решается предлагаемым способом получения холодного газообразного кислорода в химическом кислородном генераторе, основанном на самоподдерживающемся горении заряда из кислородгенерирующего материала, включающем генерирование кислорода с образованием высокотемпературных шлаков при горении заряда, размещенного в камере сгорания, выделение дополнительного кислорода, охлаждение корпуса генератора, охлаждение и очистку от примесей различных газов генерированного при горении заряда кислорода за счет пропускания его через размещенный в пространстве между внешней поверхностью камеры сгорания и корпусом генератора многофункциональный активный элемент (МАЭ), имеющий пористую газопроницаемую структуру и материал которого способен, под воздействием выделяемого при горении заряда тепла, к термическому разложению с теплопоглощением и выделением кислорода без других газов и взаимодействию как самого МАЭ, так и конденсированных продуктов его разложения с кислотообразующими газами с образованием конденсированных веществ, очистку полученного кислорода от частиц на выходе из генератора.

В частности, верхний предел значения давления кислорода в камере сгорания ограничивают определенным заданным значением с помощью автоматического предохранительного клапана (АПК) путем сброса избытка кислорода из камеры сгорания через АПК в МАЭ.

В частности, организуют пропускание полученного кислорода через МАЭ в направлении движения фронта горения заряда.

В частности, организуют пропускание полученного кислорода через МАЭ в направлении, противоположном направлению движения фронта горения заряда.

Способ получения холодного газообразного кислорода осуществляют с помощью химического генератора кислорода с температурой, близкой к нормальной, содержащего корпус, изготовленный из металла, предпочтительно стали, или композиционного материала, имеющий одно или несколько выходных отверстий, твердый заряд из кислородгенерирующего материала, способного после инициирования к самоподдерживающемуся горению с выделением кислорода и образованием высокотемпературных шлаков, размещенный в камере сгорания, расположенной в корпусе и имеющей одно или несколько выходных отверстий, при этом в пространстве между внешней поверхностью камеры сгорания и корпусом генератора размещен многофункциональный активный элемент (МАЭ), имеющий пористую газопроницаемую структуру и материал которого способен, под воздействием выделяемого при горении заряда тепла, к термическому разложению с теплопоглощением и выделением кислорода без других газов и взаимодействию как самого МАЭ, так и конденсированных продуктов его разложения с кислотообразующими газами с образованием конденсированных веществ, устройство для зажигания заряда, установленное у торца заряда и обеспечивающее в заданный момент инициирование воспламенения поверхности заряда, примыкающей к этому устройству, фильтр для очистки получаемого кислорода от частиц, размещенный на выходе из генератора.

В частности, камера сгорания оснащена автоматическим предохранительным клапаном.

В частности, камера сгорания размещена таким образом, что выпуск полученного кислорода происходит в направлении движения фронта горения заряда.

В частности, камера сгорания размещена таким образом, что выпуск полученного кислорода происходит в направлении, противоположном направлению движения фронта горения заряда.

В частности, МАЭ выполнен в виде порошка, предпочтительно, с размером частиц от 0,05 до 0,5 мм, или в виде гранул, предпочтительно, с размером от 0,5 до 1,5 мм, или в виде твердого пористого тела, предпочтительно, с пористостью (æ=V_пор/V_МАЭ, где V_пор и V_МАЭ - соответственно, объем пор в МАЭ и объем самого МАЭ) в пределах от 15 до 30%, или в виде их комбинаций.

В частности, материал МАЭ выбирают из группы хлоратов и перхлоратов щелочных и щелочноземельных металлов в сочетании с веществами из группы пероксидов и супероксидов щелочных и щелочноземельных металлов, предпочтительно, из группы пероксидов и супероксидов щелочных и щелочноземельных металлов, в особенности супероксид натрия.

В частности, в качестве связующего материала МАЭ, выполненного в виде гранул или в виде твердого пористого тела, выбирают вещества, предпочтительно, из группы неорганических соединений, в особенности цементы.

В частности, материал МАЭ включает добавки, снижающие температуру начала разложения и ускоряющие термическое разложение веществ, использованных в этом материале, которые выбирают из группы оксидов и гидроксидов переходных металлов и простых и комплексных солей металлов, содержащих один или несколько катионов металлов и один или несколько анионов вида Мт_xО_у (где Мт - переходный металл, О - кислород, х - принимает значения 1 или 2, у - принимает значения от 1 до 7), предпочтительно, перманганат калия.

В частности, корпус имеет крепление или крепления, обеспечивающие возможность монтировать корпус в устройствах или прикреплять к оборудованию или стенкам.

В частности, корпус имеет крепление или крепления, обеспечивающие возможность переносить и транспортировать корпус.

В частности, корпус посредством выходного отверстия или отверстий соединен с буфером или баллоном.

Предлагаемый химический кислородный генератор иллюстрируется графическими изображениями:

Фиг.1. - продольный разрез генератора в исходном состоянии с использованием камеры сгорания, снабженной АПК и имеющей несколько выходных отверстий, которые направлены в сторону выходного отверстия генератора;

Фиг.2 - продольный разрез генератора, показанного на Фиг.1, в процессе работы;

Фиг.3 - продольный разрез генератора в исходном состоянии с использованием камеры сгорания без АПК и имеющей несколько выходных отверстий, которые направлены в сторону выходного отверстия генератора;

Фиг.4 - продольный разрез генератора, показанного на Фиг.3, в процессе работы;

Фиг.5. - продольный разрез генератора в исходном состоянии с использованием камеры сгорания, снабженной АПК и имеющей одно выходное отверстие, которое направлено в сторону, противоположную выходному отверстию генератора;

Фиг.6. - продольный разрез генератора, показанного на Фиг.5, в процессе работы.

Предлагаемые воплощения устройства ХКГ на основе описанного в заявке способа имеют ряд принципиальных отличий от прототипа:

- в них введен новый, имеющий принципиальное значение многофункциональный активный элемент, материал, размещение и функции которого описаны выше;

- в них введен новый элемент - камера сгорания, в которую помещают заряд из КГМ и которая размещается внутри корпуса ХКГ. КС представляет собой тонкостенную цилиндрическую оболочку, изготовленную из металла, предпочтительно из легированной стали, с одним или несколькими выходными отверстиями для выхода кислорода. КС необходима для изоляции заряда и устройства зажигания от материала МАЭ в процессе хранения (с целью предохранения от химического взаимодействия) и в процессе зажигания и горения заряда (с целью обеспечения требуемых режимов его горения), для создания нужных направлений движения фронта горения и течения кислорода в заряде и движения фронта термического разложения и фильтрации кислорода в МАЭ (с целью получения наибольшего выхода кислорода и наиболее эффективной очистки кислорода от примесей и охлаждения его и корпуса), а также для исключения выхода высокотемпературного шлака при горении заряда в каком-либо месте к стенке корпуса ХКГ и при разложении МАЭ;

- в них отсутствуют фильтры-теплообменники для охлаждения кислорода;

- в них отсутствуют инертные химические фильтры для очистки кислорода от примесей вредных газов;

- они могут быть оснащены автоматическим предохранительным клапаном, который устанавливается на КС и предназначен для ограничения верхнего предела давления кислорода в ХКГ в процессе работы и повышения безопасности ХКГ;

- в них отсутствуют инертные теплозащитные слои, элементы или покрытия как внутри корпуса ХКГ, так и снаружи.

Химический кислородный генератор содержит корпус 1, заряд 2 из КГМ, размещенный в камере сгорания 3, имеющей одно или несколько выходных отверстий 4. В пространстве между внешней поверхностью камеры сгорания 3 и корпусом 1 размещен многофункциональный активный элемент 5. У торца заряда 2 установлено устройство 6 для зажигания заряда 2. На выходе 7 из генератора размещен фильтр 8 для очистки получаемого кислорода от частиц. В некоторых воплощениях изобретения камера сгорания 3 оснащена автоматическим предохранительным клапаном 9.

На Фиг.2, 4, 6 показаны фронт 10 горения заряда 2, направление 11 движения фронта 10, шлаки 12, оставшиеся в камере сгорания, фронт 13 реакции термического разложения МАЭ 5, направление 14 движения фронта 13, конденсированные продукты 15 разложения МАЭ 5, направление 16 движения кислорода в ХКГ.

Предлагаемый химический кислородный генератор в различных воплощениях на основе предлагаемого способа работает следующим образом.

Заряд 2 из КГМ с торца зажигают с помощью устройства 6 зажигания. Выделяемый при горении заряда 2 кислород истекает через одно или несколько выходных отверстий 4 из камеры сгорания 3 и за счет перепада давления фильтруется через МАЭ 5 и затем через фильтр 8 очистки от частиц выходит к потребителю. Высокотемпературные шлаки 12, образующиеся при горении заряда 2, в виде спека остаются в камере сгорания 3.

В воплощении ХКГ, показанном на Фиг.1, 2, выделяемый из КС 3 кислород в основное время горения заряда 2 при используемом режиме горения имеет низкую температуру (менее 50°С и, предпочтительно, менее 30°С) и требует, в основном, удаления примесей вредных газов и лишь незначительного дополнительного охлаждения. Кислород, проходя через МАЭ 5 в направлении выхода 7 из генератора, очищается от примесей вредных газов благодаря химическому взаимодействию компонентов материала МАЭ 5 и их продуктов разложения с такими газами с образованием конденсированных веществ. Образованные конденсированные вещества задерживаются материалом МАЭ 5 и далее фильтром 8 и остаются в корпусе 1 ХКГ, не выделяясь вместе с генерируемым кислородом. При этом за счет теплоотдачи в материал МАЭ 5 кислород охлаждается до нормальной температуры.

В воплощениях ХКГ, показанных на Фиг.3, 4 и 5, 6, температура выпускаемого через одно или несколько выходных отверстий 4 КС 3 кислорода во время горения заряда 2 при используемом режиме горения весьма высокая (на уровне 800-1200 К). В воплощении ХКГ, показанном на Фиг.1, 2, такой же уровень температуры имеет порция кислорода (1-3% от всего генерируемого объема кислорода), выпускаемая из КС 3 при сгорании последней небольшой части заряда 2. Выпускаемый из КС 3 высокотемпературный кислород, проходя через пористый материал МАЭ 5, за счет расширения, конвективного теплообмена с материалом МАЭ 5 и затрат тепла на его термическое разложение охлаждается до температуры окружающей среды. При этом, благодаря способности веществ, из которых состоит материал МАЭ 5, и продуктов их разложения к химическому взаимодействию с вредными газами, присутствующими в виде примесей в кислороде, с образованием конденсированных продуктов, кислород очищается от этих примесей. Кроме того, кислород частично очищается и от примесей частиц шлака за счет задержки этих частиц мелкопористой структурой МАЭ 5. Материал МАЭ, подогретый до температуры начала разложения за счет теплопередачи от высокотемпературного кислорода, выпускаемого из КС 3, разлагается на кислород и конденсированные продукты. Этот дополнительно полученный кислород вместе с кислородом, поступившим из камеры сгорания 3, фильтруется через оставшуюся часть МАЭ 5 и фильтр 8 очистки от примесей частиц к выходу 7 из генератора. Конденсированные продукты 15 термического разложения материала МАЭ 5 и продукты его взаимодействия и указанных продуктов 15 его разложения с примесями вредных газов задерживаются как самим материалом МАЭ 5, так и фильтром 8 и остаются внутри корпуса 1 ХКГ.

Таким образом, очищенный от вредных примесей и охлажденный до нормальной температуры кислород поступает через выход 7 ХКГ к потребителю. Кроме того, за счет выделения дополнительного к получаемому при горении заряда 2 количества кислорода, в целом, увеличивается выход кислорода из представленных воплощений ХКГ на основе предлагаемого способа по сравнению с ХКГ-прототипом. Как следствие, при этом существенно возрастают и удельные характеристики: выход кислорода с единицы объема и единицы массы ХКГ.

При горении заряда 2 в КС 3 образуется значительное количество высокотемпературных шлаков 12, составляющих 45-55% от массы заряда и имеющих температуру на уровне 1000-1500К. Тепловой поток от этих шлаков за счет теплопередачи нагревает прилегающий к стенкам КС 3 в области нахождения шлаков 12 материал МАЭ 5. При этом сами шлаки 12 охлаждаются. Поглощая полученное тепло, материал МАЭ 5 разлагается с образованием кислорода (направление его движения - 16) и конденсированных продуктов 15. Конденсированные продукты 15 разложения МАЭ остаются в зоне их образования. Таким образом, за счет использования этого тепла из материала МАЭ выделяется дополнительный кислород.

При горении заряда 2 (Фиг.2) тепло от нагретой до температуры образующихся при горении заряда шлаков 12 поверхности КС 3 передается прилегающему к ней слою материала МАЭ 5. При этом нагретый до температуры начала разложения материал МАЭ в этой зоне начинает разлагаться на кислород и конденсированные продукты. Фронт 13 реакции термического разложения материала МАЭ распространяется по МАЭ вблизи нагретой поверхности КС 3 в направлении ее торца в соответствии с направлением движения 11 фронта 10 горения заряда 2 со скоростью, близкой к скорости движения фронта 10 по заряду. В направлении, перпендикулярном корпусу 1 ХКГ, фронт 13 реакции термического разложения материала МАЭ 5 распространяется со скоростью существенно меньшей. К моменту окончания горения заряда 2 часть материала МАЭ остается неразложенной. Термическое разложение этой части МАЭ с выделением кислорода продолжается до тех пор, пока все шлаки 12 в КС 3 не охладятся до температуры ниже температуры начала разложения материала МАЭ. Таким образом, время работы рассмотренных воплощений ХКГ, включающих МАЭ, увеличивается по сравнению с ХКГ-прототипом, в котором МАЭ отсутствует. При этом величина прироста времени работы зависит от толщины, пористости и природы материала МАЭ и температуры шлаков в камере сгорания.

По мере удаления от нагретой за счет тепла, переданного от шлаков 12, поверхности камеры сгорания 3 в направлении корпуса 1 ХКГ температура материала МАЭ 5 снижается за счет теплопоглощения предыдущими слоями на нагрев и термическое разложение материала. При определенной толщине МАЭ, которая зависит от температуры шлака, параметров термического разложения, теплофизических характеристик и пористости материала МАЭ и ряда других факторов, на поверхности корпуса 1 ХКГ реализуется температура окружающей среды. При этом тонкий слой материала МАЭ, прилегающий к поверхности корпуса генератора, может остаться недоразложенным.

Используемый при воплощении ХКГ АПК состоит из следующих основных элементов (на графических изображениях условно не показаны): клапан, пружина, корпус с несколькими отверстиями и регулятор давления пружины на клапан. АПК 9 крепится своим корпусом на внешней поверхности камеры сгорания 3 таким образом, что в исходном состоянии его клапан закрывает выполненное в КС отверстие. При этом клапан прижат к этому отверстию пружиной с силой упругости, соответствующей заданному давлению. Данное выполнение АПК не охватывает все возможные его конструктивные воплощения.

В процессе работы ХКГ, в случае аномального возрастания давления кислорода в камере сгорания 3 свыше заданной предельно допустимой величины (из-за случайного увеличения газоприхода от заряда из-за технологического брака, или из-за нарушения целостности при хранении и транспортировке, или из-за технологических разбросов скорости горения либо при случайной закупорке выходного отверстия (или части выходных отверстий) камеры сгорания или пор в заряде шлаками или другими продуктами, или из-за других причин), под действием давления кислорода клапан сжимает пружину и открывает отверстие в КС. При этом высокотемпературный кислород из нее под действием перепада давления сбрасывается не в атмосферу, а в МАЭ 5 и фильтруется через его пористое тело, где смешивается с кислородом, выделенным при термическом разложении материала МАЭ, и кислородом, выпущенным из одного или нескольких выходных отверстий КС, охлаждается за счет теплопередачи в материал МАЭ до температуры окружающей среды, очищается от частиц и примесей вредных газов (за счет взаимодействия с материалом МАЭ и продуктами его разложения) и следует в направлении фильтра 8 и выхода 7 из ХКГ. После снижения давления кислорода в КС до заданного значения клапан под действием пружины автоматически возвращается в исходное состояние и ХКГ продолжает работать в нормальном режиме. Таким образом, за счет введения в ХКГ АПК в сочетании с другими предлагаемыми в заявке техническим решениями: введением МАЭ, заключением заряда в отдельную оболочку - камеру сгорания, определенным взаимным расположением элементов в ХКГ и оптимизированной организацией газодинамического тракта движения кислорода в МАЭ, обеспечиваются стабильность функционирования и повышение безопасности в процессе работы генератора по сравнению с ХКГ-прототипом.

Для обеспечения движения кислорода, увеличения скорости теплопередачи от него в материал МАЭ, увеличения скорости выделения кислорода и скорости нейтрализации примесей вредных газов в кислороде МАЭ должен иметь пористую с развитой поверхностью структуру. Поэтому материал МАЭ изготавливают или в виде твердого пористого тела, предпочтительно, с коэффициентом пористости (æ) в пределах от 15 до 30%, или в виде порошка, предпочтительно, с размером частиц от 0,05 до 0,5 мм, или в виде гранул, предпочтительно, с размером от 0,5 до 1,5 мм (что примерно соответствует вышеуказанным пределам величины æ), или - в виде их комбинаций. При æ меньше 15% кислород из-за газодинамического сопротивления плохо проходит через тело МАЭ (что может привести к аномальности в работе ХКГ), а при æ более 30% резко ухудшается теплопередача через материал МАЭ и, за счет этого фактора и уменьшения массы МАЭ, может существенно снизиться эффективность способа в части повышения выхода кислорода из ХКГ. Таким образом, указанные пределы коэффициента пористости являются предпочтительными.

В соответствии с заявляемым способом наилучшим образом удовлетворяют комплексу требований к веществам для изготовления материала МАЭ вещества из группы пероксидов и супероксидов щелочных и щелочноземельных металлов, и в особенности супероксиды натрия и кальция. Пероксиды и супероксиды щелочных и щелочноземельных металлов способны к термическому разложению со значительным теплопоглощением и выделению при этом кислорода и образованию оксидов соответствующих металлов без выделения каких-либо других газов или газообразных соединений. При этом они имеют сравнительно невысокую температуру начала разложения (Т_н.р.) (от 1