Система регенерации гипоксической газовоздушной среды с повышенным содержанием аргона для обитаемых герметизированных объектов

Система регенерации гипоксической газовоздушной среды с повышенным содержанием аргона для обитаемых герметизированных объектов

Реферат

Изобретение относится к средствам обеспечения обитаемости и пожаробезопасности подводных лодок, глубоководных обитаемых аппаратов и других средств освоения мирового океана, автономных космических объектов и других герметизированных обитаемых объектов (далее - ГОО).

Повышение пожаробезопасности ГОО при поддержании заданных параметров обитаемости, безопасных для экипажа, является актуальной научно-технической задачей, решение которой позволит уменьшить риск гибели людей и техники.

В последние годы широко исследуется возможность применения на ГОО газовоздушных сред, обеспечивающих снижение вероятности возгорания и пожара вследствие низкого содержания в них кислорода, т.е. применение гипоксических газовоздушных сред (далее - ГГВС).

Согласно результатам проведенных исследований [Павлов Б.Н., Солдатов П.Э., Дьяченко А.И. Выживаемость лабораторных животных в аргонсодержащих гипоксических средах // Авиационная и экологическая медицина. 1998. Т. 32, №4. С. 33-37; Павлов Б.Н., Буравкова Л.Б., Смолин В.В., Соколов Г.М. Кислородно-азотно-аргоновая газовая среда при длительном пребывании человека в барокамере при избыточном давлении // Морской медицинский журнал. 1999. №2. С. 18-21] установлено, что при содержании кислорода до 14% об. обеспечивается безопасность для здоровья человека.

Кроме того, в рамках выполнения ОКР шифр «Аргон» выявлено, что в нормобарических ГГВС при составе 13-14 об. % O₂, 25-35 об. % Ar и остальное N₂ резко, на несколько порядков, уменьшается вероятность возгорания и пожара и при этом обеспечивается безопасность для здоровья экипажа и сохранение его работоспособности на требуемом уровне.

Создание и поддержание нормобарических ГГВС с пониженным содержанием кислорода и повышенным содержанием аргона до 25-35 об. % в настоящее время существующими средствами не обеспечивается и является проблемой.

Известны системы создания и поддержания условий обитаемости на подводных лодках [А.Е. Аврущенко, А.Ф. Новиков, В.И. Френкель «Системы электрохимической регенерации воздуха атомных подводных лодок», издательство «Русская история», Москва, 2002] и в космических летательных аппаратах [Серебряков В.Н. «Основы проектирования систем жизнеобеспечения экипажа космических летательных аппаратов», издательство «Машиностроение», Москва, 1983], которые состоят из системы регенерации газовоздушной среды, средств очистки и кондиционирования.

Средства очистки и кондиционирования приведенных выше систем должны сохранить свои рабочие характеристики в присутствии повышенного содержания инертного газа - аргона в нормобарических ГГВС.

Центральное звено системы обеспечения обитаемости - система регенерации воздуха, обеспечивающая поглощение диоксида углерода и выработку и подачу кислорода в необходимых количествах - требует существенных изменений для создания, регенерации, регулирования и поддержания нормобарической ГГВС на уровне 13-14 об. % O₂, 25-35 об. % Ar, 0,3 об. % CO₂ и остальное N₂.

Известен ряд устройств для регенерации воздуха в герметически закрытых помещениях [патент РФ №2401145, МПК A62B 11/00, опубл. 10.10.2010 г.; патент РФ №2147251, МПК A62B 11/00, опубл. 10.04.2000; патент РФ №2399392, МПК A62B 11/00, опубл. 20.09.2010 г.]. Устройства содержат вентилятор и патрон с регенеративным продуктом, регенеративный продукт выполнен в виде пластин супероксида калия на пористой волокнистой матрице; патрон снабжен теплозащитным кожухом и работает следующим образом - при возникновении необходимости применения устройства для регенерации воздуха герметичная оболочка разрывается и из нее извлекается содержимое, заключенное в теплозащитный кожух, далее очищаемый воздух из помещения поступает на вход вентилятора, затем воздух поступает в патрон, при прохождении воздуха над регенеративными пластинами происходит поглощение диоксида углерода и выделяется необходимый для дыхания кислород, при этом степень отработки продукта может контролироваться по показаниям газоанализаторов, а также визуально - по изменению окраски пластин, далее при снижении содержания кислорода в помещении производится замена регенеративной части устройств на имеющуюся в запасе, при этом все операции по запуску производятся в описанной выше последовательности.

Данные устройства не позволяют создавать и поддерживать в герметизированном объекте ГГВС с повышенным содержанием аргона, так как обеспечивают поддержание требуемых параметров воздуха в помещении только по диоксиду углерода и кислороду.

Известна система электрохимической регенерации воздуха совмещенного типа для герметизированных пространств, обеспечивающая поглощение диоксида углерода, выработку и поддержание заданных значений кислорода [патент РФ №2481880, МПК B01D, опубл. 13.12.2011 г.]. Система включает предназначенный для выработки газообразного кислорода блок электролиза, содержащий электролизер, разделительные кислородную и водородную колонки и фильтры; блок десорбции для выделения двуокиси углерода; узел абсорбции для поглощения двуокиси углерода из окружающего воздуха, состоящий из основного блока абсорбции со сборным баком и дополнительных разнесенных блоков абсорбции, размещенных в разных помещениях, и работает следующим образом: анолит с кислородом и католит с водородом, образующиеся в электролизере, в виде газожидкостных эмульсий поступают в кислородную и водородную разделительные колонки соответственно; кислород из разделительной колонки, пройдя фильтр кислородный, смешивается с воздухом, подаваемым вентиляторами из помещений, и поступает в блоки абсорбции, где очищается от двуокиси углерода; анолит из кислородной разделительной колонки поступает в блок десорбции, где происходит его нагрев и термическое разложение с выделением двуокиси углерода, очищенный от двуокиси углерода и обогащенный кислородом воздух подается в герметизированные помещения.

Конструкция данной системы регенерации предполагает ее использование только в режиме поддержания концентрации двуокиси углерода не более 0,5% об. и концентрации кислорода в диапазоне 19-21% об. без наличия повышенного содержания аргона.

Известна система электрохимической регенерации газовоздушных сред раздельного типа [А.Е. Аврущенко, А.Ф. Новиков, В.И. Френкель «Системы электрохимической регенерации воздуха атомных подводных лодок», издательство «Русская история», Москва, 2002], принятая за прототип. Система содержит генератор кислорода с твердополимерным электролитом, абсорбционную подсистему удаления двуокиси углерода (скруббер) с регенерируемым поглотителем (моноэнатоламин), блок контроля атмосферы, блок автоматического управления.

Система работает следующим образом.

В электролизере с твердополимерным электролитом, входящем в состав генератора кислорода, происходит разложении воды, при этом в анодной камере образуется кислород, в катодной камере - водород. Смесь кислорода с водой по трубопроводам поступает в кислородный сепаратор, где кислород отделяется от воды и подается в систему вентиляции герметизированного объекта. В верхней части скруббера происходит очистка воздуха от двуокиси углерода с помощью регенерируемого поглотителя. Поглотитель абсорбирует двуокись углерода из воздуха. Очищенный воздух подается обратно в герметизированный объект. Из нижней части скруббера поглотитель, насыщенный двуокисью углерода, поступает в регенератор, где нагревается и выделяет двуокись углерода, которая затем выбрасывается за пределы герметизированного объекта, очищенный поглотитель подается обратно в верхнюю часть скруббера. С помощью блока контроля атмосферы и блока автоматического управления система регенерации поддерживает концентрацию двуокиси углерода не выше 0,5% об. и концентрацию кислорода в диапазоне от 19 до 21% об.

Упомянутые выше системы регенерации имеют общий недостаток, который заключается в том, что данные системы применимы только для регенерации и поддержания, пригодного для дыхания, естественного состава газовоздушной среды (19-21 об. % O₂, 78 об. % N₂, не более 0,5 об. % CO₂) и не позволяют создавать, регенерировать и регулировать в герметизированных объектах нормобарические ГГВС в диапазоне 13-21 об. % O₂, 0-35 об. % Ar, 0,3 об. % CO₂ и остальное N₂, обеспечивающих повышение пожаробезопасности объекта, ввиду отсутствия устройства, предназначенного для хранения и подачи аргона в герметизированный объект, в необходимом количестве; средств газового контроля, предназначенных для работы в широких диапазонах концентраций при наличие большой концентрации аргона до 50%, а также специального газового смесителя, предназначенного для равномерного перемешивания всех компонентов ГГВС, исключающего расслоение газовой смеси при больших концентрациях аргона.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является:

создание и поддержание на заданном уровне параметров нормобарических ГГВС с повышенным содержанием аргона для минимизации рисков возгораний и развития пожаров в герметизированных объектах при сохранении допустимого уровня работоспособности и безопасности для экипажа.

Указанный технический результат достигается в заявляемой системе регенерации ГГВС с повышенным содержанием аргона для обитаемых герметизированных объектов, содержащей

механически не связанные друг с другом модули кислородный и углекислотный,

при этом модуль кислородный содержит электролизер с твердополимерным электролитом, вырабатывающим кислород и водород, насосы, перекачивающие воду по газожидкостным линиям, соединяющим электролизер с кислородной и водородной колоннами, источник питания, пульт управления,

при этом модуль углекислотный содержит электровентилятор, подающий по газовой линии в абсорбер ГГВС для очистки от двуокиси углерода, полупогружной насос, перекачивающий через ротаметр, по жидкостной линии, регенерируемый поглотитель насыщенный двуокисью углерода из абсорбера в десорбер, предназначенный для выделения двуокиси углерода из жидкого регенерируемого поглотителя с помощью электрических нагревателей, пульт управления, источник питания;

модуль аргоновый, предназначенный для хранения и подачи газообразного аргона, содержащий автоматическую рампу с баллонами аргона;

блок регулирования в составе регулятора расхода кислорода, регулятора расхода аргона, клапана сбросного электромагнитного, датчика давления и смесителя газового;

блок газового контроля с газоанализатором на кислород, работающим в среде с повышенным содержанием аргона до 50% об., с газоанализатором на диоксид углерода, работающим в среде с повышенным содержанием аргона до 50% об., с газоанализатором на аргон с диапазоном контроля 0-50% об.;

блок автоматического управления;

при этом соединение модуля кислородного, модуля аргонового, модуля углекислотного с блоком регулирования, модуля углекислотного с герметизированным объектом и блока регулирования с герметизированным объектом осуществляется с помощью газовых линий;

при этом блок газового контроля, блок регулирования, пульт управления кислородным модулем, пульт управления углекислотным модулем электрически соединены с блоком автоматического управления информационно-управляющими связями.

Сущность заявленного изобретения поясняется на рис. 1, где представлена функциональная схема системы регенерации.

Система регенерации ГГВС с повышенным содержанием аргона для обитаемых герметизированных объектов содержит модуль 1 кислородный, состоящий из электролизера 2 с твердополимерным электролитом, колонны 3 кислородной, колонны 4 водородной, насоса 5, источника 6 питания, пульта 7 управления; модуль 8 углекислотный, состоящий из абсорбера 9, десорбера 10, электровентилятора 11, насоса 12 полупогружного, ротаметра 13, нагревателя 14, пульта 15 управления, источника 16 питания; модуля 17 аргонового, содержащего автоматическую рампу с баллонами аргона; блок 18 регулирования, состоящий из регулятора 19 расхода кислорода, регулятора 20 расхода аргона, клапана 21 сбросного электромагнитного, датчика 22 давления и смесителя 23 газового; блок 24 газового контроля с газоанализатором на кислород, работающим в среде с повышенным содержанием аргона до 50% об., с газоанализатором на диоксид углерода, работающим в среде с повышенным содержанием аргона до 50% об., с газоанализатором на аргон с диапазоном контроля 0-50% об.; блок 25 автоматического управления, а также включает линию 26 кислородную, линию 27 кислородно-водяную, линию 28 водную, линию 29 водородно-водяную, линию 30 аргоновую, линию 31 двуокиси углерода, линию 32 ГГВС с повышенным содержанием аргона, линию 33 поглотителя, линию 34 водородную.

Модуль 1 кислородный, модуль 8 углекислотный, модуль 17 аргоновый и блок 24 газового контроля включают также запорно-регулирующую арматуру (на чертеже не показана).

Система регенерации работает следующим образом.

Систему регенерации размещают внутри герметизированного объекта. Система регенерации работает в двух режимах. В первом режиме в герметизированном объекте формируется нормобарическая ГГВС с составом: O₂ - 13-14% об.; Ar - 25-35% об.; CO₂ - не более 0,3 % об.; N₂ - остальное. Запуск системы осуществляется с пульта управления блока 25 автоматического управления. После запуска блок 25 автоматического управления опрашивает все модули и блоки системы на наличие ошибок и готовности к работе, а также получает информацию от блока 24 газового контроля о текущем составе, влажности и температуре ГГВС в герметизированном объекте. После анализа полученной информации блок 25 автоматического управления разрабатывает оптимальный алгоритм работы системы, при этом в зависимости от состава ГГВС алгоритмы работы системы могут различаться. Например, если в герметизированном объекте определен естественный состав воздуха (O₂ - 19-21% об.; N₂ - 78% об.; CO₂ - не более 0,3% об., Ar - не более 0,9% об.), то система регенерации работает следующим образом. Блок 25 автоматического управления выдает команду модулю 17 аргоновому на подачу аргона по линии 30 в смеситель 23 газовый блока 18 регулирования и далее в герметизированный объект. При этом включается электровентилятор 11, открывается регулятор 20 расхода аргона блока 18 регулирования и начинается постепенное замещение азота и кислорода аргоном. Блок 24 газового контроля с помощью газоанализаторов непрерывно отслеживает состав газовой смеси. Давление внутри герметизированного объекта контролируется датчиком 22 давления блока 18 регулирования и в случае превышения нормальных показателей сбрасывается за пределы герметизированного объекта с помощью клапана 21 сбросного электромагнитного. Модули 1 кислородный и 8 углекислотный находятся в режиме ожидания. По достижении требуемого газового состава блок 25 автоматического управления дает команду модулю 17 аргоновому на прекращение подачи аргона, регулятор 20 расхода аргона закрывается. После формирования ГГВС с повышенным содержанием аргона в герметизированный объект через промежуточный отсек запускается экипаж. Система переходит в режим регенерации заданного состава ГГВС. Работа системы во втором режиме заключается в подаче в герметизированный объект необходимого для дыхания экипажа количества кислорода и удаления из герметизированного объекта избытка двуокиси углерода, образующегося в процессе дыхания экипажа при наличии повышенной концентрации аргона. В случае снижения концентрации кислорода ниже 13% об. начинается его подача в герметизированный объект, при этом управляющий сигнал на включение модуля 1 кислородного поступает либо от блока 25 автоматического управления системы регенерации, либо с пульта 7 управления модулем от оператора. Открывается регулятора 19 расхода кислорода блока 18 регулирования, источник 8 питания подает электрическую энергию на электролизер 2 с твердополимерным электролитом и начинается электрохимическое разложение дистиллированной воды, при этом в анодной камере выделяется газообразный кислород, в катодной камере выделяется газообразный водород. Далее смесь кислорода и воды в виде газожидкостной эмульсии по линии 27 поступает в кислородную колонну 3, а смесь водорода и воды по линии 27 - в водородную колонну 4. Кислород в кислородной колонне 3 отделяется от воды, откуда по линии 26 сначала поступает в смеситель 23 газовый, а далее поступает в герметизированный объект. Водород в водородной колонне 4 отделяется от воды, затем по линии 34 сбрасывается за пределы герметизированного объекта. Циркуляция воды между электролизером и колоннами обеспечивается насосами 5 по линии 28. Блок 7 питания позволяет плавно регулировать расход кислорода. В случае увеличения концентрации двуокиси углерода выше 0,3% об. начинается ее утилизация из герметизированного объекта, при этом управляющий сигнал на включение модуля 8 углекислотного поступает либо от блока 25 автоматического управления системы регенерации, либо с пульта управления 15 модулем от оператора. Из герметизированного объекта ГГВС с избытков двуокиси углерода по линии 23 с помощью электровентилятора 11 подается в абсорбер 10. В абсорбере 10 ГГВС орошается нетоксичным жидким регенерируемым поглотителем и очищается от двуокиси углерода. Поглотитель, насыщенный двуокисью углерода, полупогружным насосом 12 по линии 33 качается в десорбер 11, где с помощью нагревателя 14 происходит термическое разложение поглотителя с выделением двуокиси углерода, которая выбрасывается по линии 31 за пределы герметизированного объекта. Из десорбера 11 очищенный поглотитель по линии 33 снова поступает в абсорбер 10 на орошение. Расход поглотителя устанавливается дроссельными шайбами и визуально контролируется ротаметром 13. Очищенная от двуокиси углерода ГГВС по линии 32 поступает в смеситель 23 газовый блока 18 регулирования и затем в герметизированный объект. Состав газовой смеси непрерывно отслеживается блоком 24 газового контроля.

Равномерное перемешивание ГГВС в герметизированном объекте, как в процессе ее создания, так и в процессе регенерации обеспечивается смесителем 23 газовым.

Модуль кислородный 1 и модуль 7 углекислотный взаимодействуют с блоком 25 автоматического управления с помощью информационно-управляющих связей, но при этом имеют собственные пульт 7 управления и пульт 15 управления, соответственно, это позволяет использовать их независимо от системы и друг от друга.

Линия 26 кислородная, линия 27 кислородно-водяная, линия 28 водная, линия 29 водородно-водяная, линия 30 аргоновая, линия 31 двуокиси углерода, линия 32 ГГВС с повышенным содержанием аргона, линия 33 поглотителя, линия 34 водородная выполнены в виде трубопроводов из нержавеющей стали.

Система регенерации гипоксической газовоздушной среды с повышенным содержанием аргона для обитаемых герметизированных объектов, содержащая механически не связанные друг с другом модули кислородный и углекислотный, блок автоматического управления, блок газового контроля; при этом модуль кислородный содержит электролизер с твердополимерным электролитом, вырабатывающим кислород и водород, насосы, перекачивающие воду по газожидкостным линиям, соединяющим электролизер с кислородной и водородной колоннами, источник питания, пульт управления, при этом модуль углекислотный содержит электровентилятор, подающий по газовой линии в абсорбер гипоксическую газовоздушную среду для очистки от двуокиси углерода, полупогружной насос, перекачивающий через ротаметр, по жидкостной линии, регенерируемый поглотитель, насыщенный двуокисью углерода, из абсорбера в десорбер, предназначенный для выделения двуокиси углерода из жидкого регенерируемого поглотителя с помощью электрических нагревателей, пульт управления, источник питания, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит модуль аргоновый, предназначенный для хранения и подачи газообразного аргона, содержащий автоматическую рампу с баллонами аргона; блок регулирования в составе регулятора расхода кислорода, регулятора расхода аргона, клапана сбросного электромагнитного, датчика давления и смесителя газового; блок газового контроля с газоанализатором на кислород, работающим в среде с повышенным содержанием аргона до 50 об.%, с газоанализатором на диоксид углерода, работающим в среде с повышенным содержанием аргона до 50 об.%, с газоанализатором на аргон с диапазоном контроля 0-50 об.%; при этом соединение модуля кислородного, модуля аргонового, модуля углекислотного с блоком регулирования, модуля

углекислотного с герметизированным объектом и блока регулирования с герметизированным объектом осуществляется с помощью газовых линий; при этом блок газового контроля, блок регулирования, пульт управления кислородным модулем, пульт управления углекислотным модулем электрически соединены с блоком автоматического управления информационно-управляющими связями.