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Diese
Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung
von Luftumgebungen. Der Erfindung findet insbesondere Anwendung
auf Umweltlebens-Erhaltungssysteme für Militärfahrzeuge und für Atombunker.
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Militärfahrzeuge
müssen
wirkungsvoll auf dem Schlachtfeld operieren können, wenn sie von atomaren,
biologischen und chemischen (ABC)-Waffen angegriffen oder mit dem
Angriff bedroht werden. Um zu gewährleisten, dass die Leistungsfähigkeit
der Mannschaft aufrechterhalten wird, wird normalerweise ein gemeinschaftlicher
Schutz durch die Schaffung einer sauberen Umgebung in einem abgeschlossenen
Raum eines Mannschaftswagens mit gefilterter Luft bereitgestellt.
Unter solchen Bedingungen kann die Mannschaft ohne die Behinderung von
Schutzhandschuhen und Gasmasken, die die Arbeitswirksamkeit der
Mannschaft außerordentlich verringern,
weiterarbeiten. Nichtsdestotrotz würden ABC-Anzüge normalerweise
die ganze Zeit getragen werden, da es schwierig ist, sie im begrenzten
Raum eines Fahrzeugs anzuziehen.
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Damit
das Fahrzeug bewohnbar bleibt und damit die Mannschaft als eine
wirksame militärische Einheit
operieren kann, ist ein wirksames Kühlsystem erforderlich, um die
physiologischen Anforderungen für
einen Fahrzeugaufenthalt in einem abgeschlossenen Fahrzeug zu erfüllen, wobei
die Mannschaft ABC-Schutzanzüge trägt. Systeme,
die einen gemeinschaftlichen ABC-Schutz
und das Abkühlen oder
Aufwärmen
der Umgebung der Mannschaftskabine bereitstellen, werden als "Umweltlebens-Erhaltungssysteme" bezeichnet.
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Herkömmlich basierten
Umweltlebens-Erhaltungssysteme für
Militärfahrzeuge
auf Aktivkohlefilter, wobei durch Dampfkreis lauf-Kühlung gekühlt wurde.
Obwohl Aktivkohlefilter ein hohes Schutzniveau bieten, sind sie
nicht regenerierbar und müssen nach
einem chemischen Angriff weggeworfen und ausgetauscht werden. Die
wirksame Nutzdauer der Filter hängt
von der Konzentration und dem Wesen der Bedrohung ab, kann bei einigen
ABC-Mitteln aber nur einige wenige Stunden betragen.
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Dies
schränkt
den wirksamen Betrieb eines Fahrzeugs auf einem Schlachtfeld ernsthaft
sein, wenn ABC-Waffen gegen sie eingesetzt werden, und erzeugt hohe
Betriebskosten auf Grund der Logistikkette, die erforderlich ist,
um eine regelmäßige Versorgung
mit neuen Filtern im vorderen Bereich des Schlachtfelds bereitzustellen,
um die Fahrzeugflotte zu unterstützen,
und auch der gleichzeitigen Entfernung und Entsorgung der kontaminierten
Filter.
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Es
wurden neuere Systeme entwickelt, die auf einer regenerierenden
Filtration an Stelle der nicht wiederverwendbaren Aktivkohleelemente
basieren.
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Die
Energieanforderungen für
Umweltlebens-Erhaltungssysteme waren bei deren Übernahme und Einsatz eine Einschränkung.
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Es
wurden eine Reihe von Vorschlägen
unterbreitet, um Systeme bereitzustellen, die von PALL Corporation
entwickelte Druckwechsel-Adsorptions- (pressure swing adsorption – PSA) Systeme
nutzen.
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Druckwechsel-Adsorptionssysteme
verwenden Filterbetten, die mit einem Adsorptionsmittel-Material
gefüllt
sind, das Gase unter Druck adsorbiert und Gase desorbiert, sobald
der Druck entfernt ist. Das System hat zwei Filterbetten, wobei
eines in Betrieb ist und unter Druck mit kontaminierter Luft gespeist
wird, von der Gase entfernt werden. Gleichzeitig wird das andere,
außer
Betrieb befindliche Bett regeneriert und mit von Druck verringerter,
gefilterter Luft gespült.
Bei Beendigung des Zyklus werden die Rollen der Betten vertauscht,
wobei der Vorgang durch einen automatischen Folge-Zeitgeber gesteuert
wird, um einen durchgehenden, ununterbrochenen Betrieb bereitzustellen.
Es wurden industrielle PSA-Systeme gezeigt, die viele Jahre lang
ohne Minderung von Leistungsverhalten oder Luftqualität arbeiten.
Es wurden von PALL Corporation entwickelte PSA-Systeme gezeigt,
die bei der Entfernung aller bekannten chemischen Mittel wirksam
sind. Um die Eignung der PSA-Systeme von PALL Corporation zu demonstrieren,
wurde 1988 durch das TNO Prins Maurits Labarotary in den Niederlanden
ein sechsmonatiger Test bereitgestellt, wobei eine Druckwechsel-Adsorption sowohl
mit simulierten als auch echten Mitteln getestet wurde. Die Einheit
wurde durch ein Bedrohungsszenarium herausgefordert, das in Abstimmung
mit TNO und dem US Army's
Edgewood Research Development and Engineering Centre entwickelt
wurde und beinhaltete Nerven-, Blut- und Blasenkampfstoffe sowie
eine Kohlenstoff-Aufbrecheinheit. Die Einheit entfernte alle chemischen
Kampfstoffe unter die Erfassungsgrenzen der Geräteausrüstung und bestätigte damit
endgültig,
dass die PSA-Technologie ein variables Konzept für gemeinschaftliche ABC-Schutzsysteme
war. Weitere Tests wurden 1991 durch das Battella Memorial Institute auf
Veranlassung der US Air Force durchgeführt, wobei ein Druckwechsel-Adsorber
im vollen Umfang getestet wurde.
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Als
Folge erschien in der Patent-Literatur eine Reihe von Vorschlägen für Umweltlebens-Erhaltungssysteme,
die PSA verwenden.
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US-A-4
732 579, Veltman et al, erteilt für FMC Corporation, schlägt ein System
und ein Verfahren für
die Bereitstellung einer durchgehenden Versorgung mit sauberer Luft
mit einer gewünschten Temperatur
für die
Mannschaftsmitglieder eines Kampffahrzeugs vor. Die kontaminierte
Luft soll anfänglich
durch Energie komprimiert werden, die von den Abgasen der Verbrennungsenergie-Einheit
des Fahrzeugs bezogen wird, wobei die anfänglich komprimierte Luft gekühlt wird,
um ihre Dichte zu erhöhen und
dann ein zweites Mal komprimiert und gekühlt wird, bevor sie durch ein
Druckwechsel-Adsorptionsmittelsystem strömt. Luft aus dem PSA-System
wird expandiert und in der Temperatur verändert, um dem Personal im Fahrzeug
saubere Luft zur Verfügung
zu stellen. Die von der Luft während
der Expansion freigegebene Energie wird verwendet, um die Luft im
zusätzlichen
Kompressor zu komprimieren. Das außer Betrieb befindliche PSA-Bett
wird vom in Betrieb befindlichen Bett mit sauberer Luft gespült, die
durch eine Öffnung
expandiert, um ihren Druck zu senken.
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US-A-4
769 051, Defranceso, erteilt für
United Technologies Corporation, offenbart ein Klimaanlagen-System,
das durch die Versorgung mit komprimierter Luft betrieben wird.
Die komprimierte Luft strömt
zu einer Luftkreislauf-Vorrichtung mit einem Kompressor, einer Turbine
und einem Last-Wärmeaustauscher.
Luft vom Kompressor wird zur Turbine übertragen, die die Luft expandiert
und kühlt,
bevor sie in den Last-Wärmeaustauscher
geführt
wird. Ein PSA-System reinigt die Luft, wenn sie vor der Expansion
vom Kompressor zur Turbine strömt.
Es wird Spülluft
für das
PSA-System aus der sauberen Luft gewonnen, die aus dem Last-Wärmeaustauscher austritt,
nachdem sie zuerst durch einen regenerierenden Wärmeaustauscher strömt, der
der Luft Wärme
entzieht, wenn sie vom Kompressor zum PSA-System strömt, bevor
sie weiter zur Turbine strömt.
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US-A-5
213 593, White et al, erteilt für
PALL Corporation, schlägt
ein PSA-System vor, das eine erste und eine zweite Sorbierkammer
hat, von denen jede eine erste und eine zweite Öffnung aufweist, die einen
Gasströmungspfad
zwischen ihnen und einem Sorptionsmittelbett definieren, das im
Gasströmungspfad
angeordnet ist, und einen Sorptionseinlassbereich in der Nähe der ersten Öffnung hat,
wobei eine Heizvorrichtung in der Nähe des Sorptionseinlassbereiches
angeordnet ist. Die Heizvorrichtungen werden von einer externen
Energiequelle betrieben. Eine Ventilanordnung verbindet einen Einlass,
einen Austritt und die ersten Öffnungen
der ersten und der zweiten Sorbierkammer und verbindet einen Auslass
mit den zweiten Öffnungen
der ersten und der zweiten Sorbierkammer. Gas wird durch eine Sorbierkammer
zum Auslass geleitet. Gleichzeitig wird ein Teil des Auslass-Gases
durch die andere Sorbierkammer zum Aus tritt geleitet. Energie von
der externen Energiequelle wird mit der Heizvorrichtung der anderen
Sorbierkammer verbunden, um den Sorptionseinlassbereich der anderen
Sorbierkammer zu erwärmen,
wenn das Auslass-Gas durch den Sorptionseinlassbereich strömt. Die
Steuereinrichtung ist angepasst, um die Zyklen zwischen der ersten
und der zweiten Sorbierkammer entsprechend einer NEMA-Zykluslänge von
weniger als etwa fünf
Minuten periodisch zu wiederholen. Ein Sorptionsmittelbett sorbiert
wenigstens einen Teil des Schadstoffs vom Gas und wird durch die
Adsorptionswärme
erwärmt,
wobei das andere Sorptionsmittelbett sowohl mittels der durch die
Heizvorrichtung gelieferten Energie als auch durch die Adsorptionswärme regeneriert
wird.
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Die
vorliegende Erfindung ergibt sich aus unserer Arbeit bei der Suche,
einen wirksameren Nutzen aus der Energie im System zu ziehen und
es insbesondere zu ermöglichen,
dass ein PSA-System unter dem wirksamsten Betriebsbedingungen arbeitet.
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In
einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellen wir ein Verfahren zur Bereitstellung
sauberer Luft mit einer gewünschten
Temperatur an eine Umgebung bereit, wobei das Verfahren Komprimieren
von ankommender Luft, die möglicherweise
mit atomaren, biologischen und chemischen Schadstoffen kontaminiert
ist; Kühlen
der komprimierten Luft in einem ersten Wärmeaustauscher; Komprimieren
der gekühlten
Luft aus dem ersten Wärmeaustauscher
in einem zusätzlichen
Kompressor; Kühlen
der komprimierten Luft vom zusätzlichen Kompressor
in einem zusätzlichen
Wärmeaustauscher;
Leiten der gekühlten
Luft vom zusätzlichen Wärmeaustauscher
durch ein regenerierendes Druckwechsel-Adsorptionssystem zur Bereitstellung von
sauberer Ausgabeluft, wobei die Schadstoffe davon entfernt sind;
Expandieren der gereinigten Luft in einer Turbine, die mit dem zusätzlichen
Kompressor verbunden ist, wobei dadurch Energie von der gereinigten
Luft zurückgewonnen
wird, um den zusätzlichen
Kompressor mittels expandierter, gereinigter Luft von der Turbine
anzutreiben, um Luft in der Umgebung zu klimatisieren; und Spülen des
regenerierenden Druckwechsel-Adsorptionssystems mit Luft umfasst,
die aus der expandierten, sauberen Luft gewonnen wird, wobei die
Spülluft
erwärmt
wird, bevor sie zum regenerierenden Druckwechsel-Adsorptionssystem
durch Wärmeaustausch
mit gereinigter Luft geführt
wird, die aus dem regenerierenden Druckwechsel-Adsorptionssystem
austritt, wodurch sowohl solche gereinigte Luft vor der Expansion
in der Turbine gekühlt
als auch die Spülluft
zum regenerierenden Druckwechsel-Adsorptionssystem bei der optimalen
Temperatur für
dessen wirksame Arbeitsweise geführt
wird.
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Druckwechsel-Adsorptionssysteme
erfordern, dass die Spülluft
vom Druck verringert sein sollte. Wenn, wie in den Systemen der
vorliegenden Erfindung, diese Spülluft
aus der expandierenden Luft durch die Turbine der Kaltluft-Einheit
gewonnen und dann wie oben beschriebenen erwärmt wird, kann Temperaturregelung
erreicht werden, ohne dass zusätzliche
Energie erforderlich ist.
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Die
erste Stufe der Luftkompression wird passenderweise durch einen
radialen Turbokompressor oder einem Kompressor einer anderen geeigneten
Art erreicht, der durch ein Getriebe angetrieben wird. Die Kompressoranordnung
kann durch eine Kurbelwelle einer Zusatz-Energieeinheit oder durch einen
hydraulischen oder elektrischen Hochspannungsmotor angetrieben werden,
dessen Energie entweder aus einer Zusatz-Energieeinheit oder aus dem
Fahrzeug-Hauptmotor gewonnen wird. Passenderweise wird der Kompressor
Luft durch einen Zyklon-Filter ansaugen. Ein solcher Kompressor
erzeugt zwangsläufig
Abwärme.
Wir haben festgestellt, dass diese Abwärme im System wirksam genutzt werden
kann, indem sie verwendet wird, um die Spülluft zu erwärmen, so
dass eine erhöhte
Spülwirksamkeit
bereitgestellt wird. Damit wird in der bevorzugtesten Anordnung
das Erwärmen
der Spülluft
in zwei Stufen erreicht. Erstens strömt die Spülluft, die aus der gereinigten,
durch die Turbine expandierten Luft gewonnen wird, durch einen Diffusor,
der Luft vom im Betrieb befindlichen Filter des Druckwechsel-Adsorptionssystems kühlt, wenn
sie durch die Turbine strömt
und wird dadurch selbst erwärmt.
Zusätzlich wird
diese erwärmte
Luft mittels der Abwärme
der Hauptkompression erwärmt.
Die Abwärme
kann vom Kompressorantrieb, zum Beispiel in der Form von heißem Öl aus dem
Kompressorgetriebe oder Motor-Schmiersystem, hydraulischer Flüssigkeit
oder heißer
Motorflüssigkeit
oder direkt aus der Kompressionswärme gewonnen werden.
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Das
Druckwechsel-Adsorptionssystem wird vorzugsweise zusätzlich zu
seinen Gas-Adsorptionsmittelbetten und stromaufwärts davon Wasserabscheider,
um freie Feuchtigkeit in der Luft nach der Kompression in der Luftkreislauf-Vorrichtung
zu entfernen, und außerdem
einen hochwirksamen Partikelfilter aufweisen, um feine Staubpartikel
und biologische Kampfmittel zu entfernen.
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Gemäß einer
zweiten alternativen Ausführungsform
dieser Erfindung stellen wir eine Vorrichtung für die Bereitstellung sauberer
und klimatisierter Luft an eine Umgebung bereit, wobei die Vorrichtung umfasst:
eine Luftkreislauf-Vorrichtung mit einem Kompressor, einer Turbine
und einem Last-Wärmeaustauscher,
wobei der Kompressor angepasst ist, um komprimierte Luft an die
Turbine zu übertragen, und
wobei die Turbine angepasst ist, um die Luft zu expandieren und
zu kühlen,
die aufgenommen wurde, bevor solche Luft zum Last-Wärmeaustauscher übertragen
wird; einen Kompressor für
die erste Stufe, der mit dem Kompressor der Luftkreislauf-Vorrichtung
verbunden ist, um als eine Quelle komprimierter Luft dafür zu dienen,
und eine Antriebseinrichtung für den
Kompressor für
die erste Stufe; ein Druckwechsel-Adsorptionssystem, wobei der Kompressor
und die Turbine der Luftkreislauf-Vorrichtung über das Druckwechsel-Adsorptionssystem
verbunden sind, um Schadstoffe aus der Luft zu entfernen, wobei
dieses System zwei Filterbetten umfasst, die so periodisch wiederholbar
sind, dass eines in Betrieb ist und mit kontaminierter Luft gespeist
wird, während
das andere außer
Betrieb ist und mit Spülluft
gespült
wird, wobei das System periodisch verläuft, um die Rolle der Betten
periodisch zu tauschen, und das Druckwechsel-Adsorptionssystem eine Spülleitung
aufweist, die mit der Luftkreislauf-Vorrichtung verbunden ist, um
Spülluft
aus Luft zu gewinnen, die durch die Turbine expandiert ist und durch
den Last-Wärmeaustauscher
strömt;
und einen Wärmeaustauscher, der
mit der Spülleitung
verbunden ist, um Wärme
aus der gereinigten Luft auszutauschen, die aus dem Druckwechsel-Adsorptionssystem
austritt, so dass die Spülluft
erwärmt
wird, bevor solche Luft in das Druckwechsel-Adsorptionssystem eindringt.
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In
einer dritten alternativen Ausführungsform dieser
Erfindung stellen wir in einem Verfahren zur Bereitstellung von
sauberer Luft mit einer gewünschten
Temperatur an eine Umgebung durch die Anwendung eines Druckwechsel-Adsorptionssystems
zur Entfernung möglicher
atomarer, biologischer und chemischer Schadstoffe aus der Luft das
System von der Art bereit, das zwei Filterbetten nutzt, von denen jedes
mit einem Sorptionsmittel-Material gefüllt ist, das Gase unter Druck
adsorbiert und Gase desorbiert, sobald der Druck entfernt ist, wobei
das System so angeordnet ist, das zu einer beliebigen Zeit das eine
Filterbett in Betrieb ist und mit möglicher kontaminierter Luft
unter Druck gespeist wird, während
zur gleichen Zeit das andere Filterbett außer Betrieb ist und regeneriert
wird, indem es mit vom Druck verringerter, sauberer Luft gespült wird,
wobei die Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung mit einer Luftkreislauf-Vorrichtung
verbunden ist, die einen Kompressor und eine Turbine umfasst, die
mit dem Kompressor verbunden ist, und angepasst ist, um den Kompressor
anzutreiben, wobei der Kompressor angepasst ist, komprimierte Luft
von einem Hauptkompressor aufzunehmen und solche Luft nach zusätzlicher Kompression
im Kompressor zur Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung zu führen, und
wobei die Turbine angepasst ist, um gereinigte Luft von der Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung
aufzunehmen und solche Luft zu expandieren und zu kühlen, wobei
die so gekühlte
Luft zu einem Last-Wärmeaustauscher strömt, wobei
die Verbesserung, dass die vom Druck verringerte, saubere Luft zum Spülen der
Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung aus expandierter, sauberer Luft
an der Auslassseite der Turbine gewonnen wird und erwärmt wird,
bevor sie zur Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung strömt, um das
außer
Betrieb befindlichen Filterbett durch Wärmeaustausch mit im System
zirkulierendem Fluid zu spülen, wobei
das Fluid durch den Hauptkompressor komprimierte Luft, kühlende Flüssigkeit,
die durch Abwärme erwärmt wird,
die im Hauptkompressor erzeugt wird, oder kühlende Flüssigkeit umfasst, die durch
Abwärme
erwärmt
wird, die in einer Energieeinheit erzeugt wird, die den Hauptkompressor
antreibt, und wahlweise des Weiteren saubere Luft umfasst, die von der
Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung zur Turbine strömt.
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Die
Erfindung wird nachfolgend ausführlicher und
nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben,
in denen zeigen:
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1 eine
etwas schematische Schaltungszeichnung für ein erstes System, das entsprechend der
vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, um saubere und klimatisierte
Luft an eine Umgebung bereitzustellen;
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2 eine
allgemein schematische Zeichnung des Druckwechsel-Adsorptionssystems
des Ausführungsbeispiels
von 1; und
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3a, 3b und 3c drei
unterschiedliche Möglichkeiten,
die Abwärme
in dem System von 1 zu nutzen.
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Mit
Bezug zuerst auf 1, die schematisch ein typisches
Ausführungsbeispiel
unseres Systems für
die Verwendung in Umständen
veranschaulicht, in denen eine leicht verfügbare Quelle von komprimierter
Luft in diesem System nicht ständig
vorhanden ist, strömt
eingegebene Luft 1 zu einem Hauptkompressor 2 durch
einen Zyklon-Filter 3, der grobe Schadstoffe entfernen
wird. Der Kompressor 2 ist passenderweise ein radialer
Turbokompressor oder ein anderer geeigneter Kompressor, der, wenn
nötig,
durch ein Getriebe angetrieben wird. Die Kompressoranordnung wird
durch eine geeignete Energiequelle (in 1 nicht
dargestellt), z. B. eine Kurbelwelle eines Zusatzmotors oder durch
einen hydraulischen oder elektrischen Motor in einer Weise angetrieben,
die bekannt und für
jeden Maschinenbauingenieur verständlich sein wird. Der Kompressor
oder ein hydraulischer oder elektrischer Motor können daher durch eine Zusatz-Energieeinheit
oder vom Fahrzeug-Hauptmotor angetrieben werden. Die komprimierte
Luft vom Hauptkompressor 2 strömt entlang Leitung 4 zu
einem Haupt-Wärmeaustauscher 5,
der durch Umgebungsluft 6 gekühlt wird, für die eine entsprechende Leitungsführung 7 in
einer Weise bereitgestellt ist, die an sich bekannt ist. Gekühlte Luft
vom Haupt-Wärmeaustauscher 5 strömt entlang
Leitung 8 zum Kompressor 9 einer Luftkreislauf-Vorrichtung 10,
die den Kompressor 9, eine mitwirkende Turbine 11 und
Last-Wärmeaustauscher 12 umfasst.
Eine zusätzliche
Kompression wird im Kompressor 9 an der gekühlten, komprimierten
Luft durchgeführt,
die vom Haupt-Wärmeaustauscher 5 entlang
Leitung 8 aufgenommen wird. Nach der zusätzlichen
Kompression wird die Luft in einem zusätzlichen Wärmeaustauscher 13 gekühlt, der
auch durch Umgebungsluft 6 gekühlt wird, wobei der zusätzliche
Wärmeaustauscher 13 mit
dem Kompressor 9 durch eine Leitung 14 verbunden
ist. Die gekühlte
und komprimierte Luft, die aus dem zusätzlichen Wärmeaustauscher 13 austritt,
strömt
entlang Leitung 15 zu einem regenerierenden Druckwechsel-Adsorptions-
(PSA) System 16, wo sie gereinigt wird, bevor sie entlang
den Leitungen 17, 18 zur Turbine 11 strömt. Die
gereinigte Luft aus dem PSA-System 16 wird in Turbine 11 expandiert,
bevor sie entlang Leitung 19 zum Last-Wärmeaustauscher 12 strömt. Die
durch die Expansion in Turbine 11 erzeugte Energie treibt
den Kompressor 9 an. Infolge der Expansion ist die Luft
gekühlt.
Durch den Last-Wärmeaustauscher 12 strömende kalte
Luft kühlt
Luft 20 aus der Raumumgebung der Mannschaftskabine, die
durch einen Ventilator 21 wieder zugeführt wird. Luft, die aus dem
Last-Wärmeaustauscher 12 austritt,
strömt
teilweise in den Mannschaftskabinenraum aus, um frische Luft, die
man atmen kann, und den notwendigen gemein schaftlichen Schutz bereitzustellen,
wobei Fahrzeugüberdruck durch
ein Druckentlastungsventil geregelt wird.
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2 veranschaulicht
schematisch das Druckwechsel-Adsorptionssystem 16.
Das System umfasst zwei Filterbetten 23 und 24,
die identisch sind. Jedes ist mit einem Sorptionsmittel-Material
gefüllt,
das Gase unter Druck adsorbiert und Gase desorbiert, sobald der
Druck entfernt ist. Das System wird durch Eingangsventil 25 und
Auslassventil 26 gesteuert, so dass zu jeder Zeit eines
der zwei Betten 23, 24 mit Einlassleitung 15 über Wasserabscheider 27 und
Partikelfilter 28 und mit Auslassleitung 17 verbunden
sein wird, während
das andere mit Spülleitung 29 und
mit Spülluft-Ausgangsleitung 30 zur
Atmosphäre
verbunden ist. Wasserabscheider 27 entfernt jegliches Wasser
von der gekühlten,
komprimierten Luft in Leitung 15, wobei Filter 28 ein
hochwirksamer Partikelfilter für
die Entfernung von feinen Staubpartikeln und biologischen Stoffen
bzw. Kampfstoffen ist.
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Spülluft für Leitung 29 wird
aus sauberer Luft gewonnen, die durch Turbine 11 expandiert
wurde und durch den Last-Wärmeaustauscher 12 geströmt ist und
so leicht erwärmt
wurde. Sie wird des Weiteren erstens durch Strömen durch Diffusor 32,
der einen indirekten Wärmeaustausch
mit sauberer Luft bereitstellt, die aus dem PSA-System 16 entlang
Leitung 17 austritt, und zweitens durch Strömen durch Zusatz-Wärmeaustauscher 33 erwärmt. Als
ein Ergebnis der Aufnahme des Regenerators 32 und Wärmeaustauschers 33 im
System wird die Spülluft
erwärmt,
bevor sie zum PSA-System 16 strömt, wobei gleichzeitig saubere
Luft vom PSA-System vor der Expansion in der Turbine 11 gekühlt wird.
Wir haben festgestellt, dass das Erwärmen der Spülluft auf diese Weise die Wirksamkeit
des PSA-Systems erhöht, ohne
dass eine separate Energiequelle erforderlich ist. Der Diffusor
nutzt einfach so wie Wärmeaustauscher 33 im
System bereits vorhandene Wärme,
wie unten ausführlicher
erläutert
wird. Infolge dessen ist das in 1 veranschaulichte
Grundsystem bereits durchaus energieeffizient.
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Die
Bauteile des in 1 veranschaulichten Systems
sind alle ohne weiteres verfügbar
und/oder können
ohne weiteres durch einen technischen Fachmann hergestellt werden.
Das Druckwechsel-Adsorptionssystem ist als ein fertiges Produkt von
PALL Corporation, East Hills, New York, USA erhältlich.
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3a, 3b und 3c zeigen
drei unterschiedliche Möglichkeiten,
in denen Wärmeaustauscher 33 wirksam
verbunden werden kann, um Abwärme
zu nutzen, die aus der Hauptkompression entsteht. In der Anordnung
von 3a sind Leitungen 34 und 35 zwischen
Wärmeaustauscher 33 und dem
Antrieb zum Kompressor 2 verbunden, um warmes, hydraulisches
Fluid oder Schmieröl
vom Kompressorantrieb zum Wärmeaustauscher 33 und
zurück
zum Kompressorantrieb zu führen.
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In
der alternativen Anordnung von 3b sind
Leitungen 36 und 37 mit einer Zusatz-Energieeinheit 38,
hier in der Form eines Motors, der den Kompressor 2 antreibt,
verbunden. Heißes
Kühlwasser
vom Motor 38 strömt
entlang Leitung 36 zum Wärmeaustauscher 33 und
dann zurück
zum Motor 38 entlang Leitung 37.
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Schließlich wird
in der Anordnung von 3c die durch Kompressor 2 erzeugte
Kompressionswärme
im Wärmeaustauscher 33 wirksam
genutzt. An Stelle von Leitung 4, die einfach den Kompressor
mit Haupt-Wärmeaustauscher 5 verbindet, um
die komprimierte Luft zu kühlen,
verbinden Leitungen 4a und 4b Kompressor 2 mit
Wärmeaustauscher 5 über Wärmeaustauscher 33.
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Wie
man erkennen wird, nutzt in allen drei dieser Anordnungen das System
Wärme,
die ansonsten lediglich als ungenutzte Energie auftritt. Wir haben
festgestellt, dass es für
die wirksamste Arbeitsweise des PSA-Filtersystems 16 wichtig
ist, dass die Temperatur des außer
Betrieb befindlichen Filters auf dem gleichen Niveau aufrechterhalten bleibt,
wie die in dem Filter, der sich in Betrieb befindet. Zusätzlich haben
wir festgestellt, dass wesentlich höhere Temperaturen der Spülluft erforderlich sind,
um vollständige
Desorption von beiden PSA-Betten
bei Beendigung eines Auftrags zu gewährleisten, während dessen
das System in Betrieb war. Beide diese Anforderungen sind mit dem
System leicht erreichbar, das eines der drei Varianten von 3a, 3b oder 3c verwendet.
Indem man so mit Abwärme
verfährt,
ist das System sehr energieeffizient.
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In
einer nicht veranschaulichten Variante, die für eine Anwendung geeignet ist,
in der das Fahrzeug bei kalten Umgebungsbedingungen eingesetzt werden
soll, wird ein zusätzlicher
Wärmeaustauscher zwischen
Turbine 11 und Last-Wärmeaustauscher 12 für die Kabinenluft
eingefügt,
wobei dieser zusätzliche
Wärmeaustauscher
verbunden wird, um Abwärme
von der Hauptkompression in einer der oben beschriebenen Möglichkeiten
zu nutzen, und nicht unbedingt in der gleichen Weise wie für Wärmeaustauscher 33,
wobei dadurch der Energie-Nutzeffekt des Systems weiter erhöht wird.