ES2270140T3 - Sistema de suministro de oxigeno. - Google Patents

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Abstract

Un método para proporcionar gas a un sistema (10) que separa gas obtenido como producto de un gas (17) de suministro presurizado, incluyendo el método acondicionar el gas (17) de suministro dividiendo el suministro (14) de gas en gas (18) de sistema y gas (17) de suministro, alimentar el gas (17) de suministro a un condensador (22) donde el gas (17) de suministro se enfría mediante un refrigerante y la humedad se retira del gas (17) de suministro para secar el gas (17) de suministro, hacer pasar el gas (18) de sistema a un dispositivo (20) de enfriamiento donde el gas (18) de sistema se enfría, y usar el gas (18) de sistema enfriado como el refrigerante en el condensador (22), y caracterizado porque el gas (18) de sistema enfriado se comprime después de usar el gas de sistema enfriado como un refrigerante en el condensador (22), y se usa en el cambiador (24) de calor para calentar el gas (17) de suministro después de secar, para acondicionar adicionalmente el gas (17) de suministro para llevar la temperatura del gas (17) de suministro hasta dentro de un intervalo de funcionamiento óptimo para el sistema (10) separador aguas abajo.

Description

Sistema de suministro de oxígeno.
Esta invención se refiere a un método para proporcionar gas a un sistema que separa gas obtenido como producto de un suministro de gas.
Se conocen sistemas para separar gas obtenido como producto, tal como gas enriquecido en oxígeno para respiración, de un suministro de gas presurizado, tal como aire comprimido. En un dispositivo ejemplar, el suministro de gas presurizado es aire caliente y comprimido purgado de un motor de turbina de gas, y el sistema separador incluye al menos un, habitualmente una pluralidad de, lecho de tamiz molecular que incluye material de lecho de tamiz molecular que en un primer modo de operación adsorbe gas no obtenido como producto del suministro de aire comprimido y, en un segundo modo de operación, cuando el lecho del tamiz está abierto a presiones ambientales, el gas no obtenido como producto adsorbido se retira del material del lecho de tamiz molecular. El gas obtenido como producto enriquecido en oxígeno se separa del aire de suministro. Tal sistema se conoce como un sistema OBOG (generador de oxígeno de a bordo).
Los OBOGS se usan en aviones para producir gas enriquecido en oxígeno con propósitos de respiración.
Para un avión, el peso es un factor crítico para cualquier sistema instalado. El suministro de un sistema tal que sea capaz de proporcionar un gas respirable evita la necesidad de transportar grandes volúmenes de gas respirable comprimido en recipientes pesados. Sin embargo, la eficacia de un OBOG depende de muchos factores, uno de los cuales es la temperatura del suministro de aire alimentado a él, y otro de los cuales es la cantidad de humedad en el suministro de aire. Un OBOG funciona lo más eficazmente para adsorber gas no obtenido como producto, cuando el aire suministrado a él está dentro de un cierto intervalo de temperatura, y, debido a que la humedad del suministro de aire tiende a ser adsorbida por el material del lecho de tamiz molecular, un aire de suministro demasiado húmedo resta además propiedades a la eficacia de funcionamiento del OBOG.
Se sabe cómo enfriar en un avión el suministro de aire comprimido caliente hasta un punto relativamente pequeño antes de alimentar el suministro de aire al sistema de separación, utilizando aire ambiental que se usa como un refrigerante en un cambiador de calor, llamándose típicamente el aire ambiental aire entrante que fluye a través del cambiador de calor en virtud del movimiento del avión a través del aire, aunque en tierra, tal aire ambiental refrigerante puede ser introducido mediante un ventilador.
Otra consideración para un avión, particularmente un avión militar, es la temperatura del gas no obtenido como producto expulsado, pero incluso para un avión civil el escape de gas no obtenido como producto caliente es un desperdicio de energía.
US-A-4378920 muestra dividir el suministro de aire en aire de sistema y aire de suministro, enfriar el aire de sistema expandiendo sobre una turbina y a continuación usar el aire de sistema enfriado en un cambiador de calor para enfriar el aire de suministro antes de descargar el aire de sistema al exterior.
De acuerdo con un aspecto de la invención, se proporciona un método para proporcionar gas a un sistema de acuerdo con la reivindicación 1.
Así, utilizando el método de la invención, los problemas de los sistemas existentes, particularmente sistemas de tipo OBOG, al menos se reducen ya que la temperatura del gas de suministro alimentado al OBOG o los OBGS puede controlarse hasta dentro de un intervalo de temperatura en el que el OBOG o los OBOGS funcionan lo más eficazmente, y el gas de suministro húmedo se seca. Aunque acondicionar el gas de suministro implicará proporcionar un aparato acondicionador que contribuirá al peso, esto se contrarrestará ya que puede proporcionarse un sistema de separación de gas más pequeño y más ligero del que se requeriría de otro modo.
Además, en virtud de la invención, existe un desperdicio mínimo de energía en el suministro de gas y la temperatura del aire expulsado no necesita estar significativamente por encima de la temperatura ambiente.
El dispositivo de enfriamiento convenientemente es una turbina sobre la que se expande el gas de sistema. Cuando el suministro de gas es gas altamente presurizado caliente, tal como aire purgado de un motor de turbina de gas, la energía recuperada del gas presurizado caliente por la turbina puede ser utilizada por el aparato acondicionador, por ejemplo, para conducir a un compresor para comprimir y calentar el gas de sistema después de que el gas de sistema se haya usado como un refrigerante en el condensador, para usar en el cambiador de calor.
El método puede incluir detectar la temperatura del gas de suministro aguas abajo del cambiador de calor, para proporcionar una entrada o un controlador que abre y cierra una válvula para controlar el flujo del gas de sistema comprimido al cambiador de calor, de modo que la temperatura del gas de suministro suministrado al sistema separador pueda controlarse.
El método de la invención puede incluir utilizar aire ambiental como un refrigerante en un cambiador de calor pre-enfriador, para enfriar el gas de suministro antes de acondicionar el gas de suministro.
De acuerdo con un segundo aspecto de la invención, se proporcionan en combinación un sistema que separa gas obtenido como producto del gas de suministro y un aparato acondicionador de acuerdo con la reivindicación 7.
De acuerdo con un tercer aspecto de la invención, se proporciona un avión de acuerdo con la reivindicación 8.
Se describirán ahora modalidades de la invención con referencia al dibujo adjunto que es un diagrama ilustrativo ejemplar de una combinación de un sistema que separa gas obtenido como producto de gas de suministro y un aparato acondicionador para enfriar el gas de suministro para usar en el sistema separador, manejable mediante el método de la invención.
En referencia al dibujo, se muestra una combinación de un sistema 10 para separar gas obtenido como producto de un gas de suministro y un aparato 12 acondicionador para usar en un avión.
Se proporciona un suministro 14 de gas presurizado, que en este ejemplo es aire comprimido caliente purgado de un motor de turbina de gas del avión. Este se pre-enfría en un cambiador 15 de calor pre-enfriador mediante un refrigerante que es aire 16 de entrada que pasa a través del cambiador 15 de calor pre-enfriador debido al movimiento del avión a través del aire y/o mediante el funcionamiento de un ventilador. El suministro 14 de aire comprimido caliente se enfría así hasta algún punto, pero generalmente no suficientemente para el uso óptimo en el sistema 10 de separación de gas aguas abajo.
Así, el aire pre-enfriado pero todavía caliente y comprimido se divide a continuación para proporcionar aire de suministro a lo largo de un conducto 17 de suministro, aire de suministro que se alimenta al aparato 12 acondicionador, y aire de sistema que se lleva a lo largo de un conducto 18 para aire de sistema.
El conducto 18 para aire de sistema se alimenta a una turbina 20 sobre la cual el aire de sistema se expande substancialmente para enfriar el aire de sistema. El aire de sistema enfriado se alimenta a continuación a través de un conducto 21, hacia un condensador 22 donde el aire de sistema enfriado se usa como un refrigerante para enfriar el aire de suministro procedente del conducto 17 y así para hacer que el agua presente en el aire del suministro se elimine por condensación del aire de suministro, de modo que el aire de suministro también se seque a medida que se enfría.
Aunque no se muestra, puede proporcionarse adicionalmente un separador de agua aguas abajo para permitir que el agua condensada se retire del aire de suministro. El aire de suministro enfriado se alimenta a continuación, a través de otro cambiador 24 de calor opcional, al sistema 10 separador de gas obtenido como producto, que en este ejemplo incluye una pluralidad de OBOGS 25, 26 (solo dos de los cuales se muestran con propósitos ilustrativos) que, durante el uso, separan del aire de suministro gas obtenido como producto enriquecido en oxígeno para usar en un sistema de respiración aguas abajo por la tripulación/los pasajeros del avión.
El aire de sistema que se usaba como un refrigerante en el condensador 22 se alimenta subsiguientemente a un compresor 28 que, para la eficacia máxima, en este ejemplo, está soportado sobre un eje 29 común con la turbina 20, de modo que la energía recuperada del aire de suministro comprimido caliente se use para conducir el compresor 28. Así, el aire de sistema se calienta comprimiéndose antes de
alimentarse a un conducto 30.
Si después de secar el aire de suministro en el condensador 22 la temperatura del aire está por debajo del intervalo de temperatura en el que el OBOGS funciona óptimamente, la temperatura del aire de suministro puede elevarse en el otro cambiador 24 de calor opcional usando el aire de sistema comprimido y así calentado procedente del conducto 30 para calentar el aire de suministro. Para asegurar que la temperatura del aire de suministro no se eleve demasiado en el cambiador 24 de calor y se eleve para llevar la temperatura del aire de suministro hasta dentro del intervalo de temperatura óptimo para el OBOGS, puede proporcionarse una tubería 32 de derivación para el aire de sistema comprimido calentado, de modo que el aire de sistema o al menos una porción de él pueda expulsarse al ambiente en 35, sin pasar a través del cambiador 24 de calor adicional opcional.
El flujo de aire de sistema a lo largo de la tubería 32 de derivación es controlado por una válvula 34 que es una válvula que funciona eléctricamente, accionada por un controlador 38 en respuesta a una entrada desde un detector 39 de temperatura que está situado para detectar la temperatura del aire de suministro acondicionado justo antes de que el aire de suministro pase al sistema 10 separador. Así, la válvula 34 puede ser abierta y cerrada por el controlador y, si se desea, proporcionalmente, para asegurar que el aire de suministro se caliente solo hasta una temperatura deseada en el otro cambiador 24 de calor opcional.
Pueden realizarse diversas modificaciones sin aparatarse del alcance de la invención. Por ejemplo, aunque la invención se ha descrito particularmente para usar con un sistema 10 de concentración de oxígeno para un avión, la invención puede usarse para otros sistemas de gas y en otros ambientes distintos a un avión. Así, el suministro 14 de gas no necesita ser aire caliente comprimido, sino que puede ser un suministro de aire ambiental, aunque, en este caso, puede requerirse energía para conducir la turbina 20 y el compresor 28 cuando se proporciona.

Claims (8)

1. Un método para proporcionar gas a un sistema (10) que separa gas obtenido como producto de un gas (17) de suministro presurizado, incluyendo el método acondicionar el gas (17) de suministro dividiendo el suministro (14) de gas en gas (18) de sistema y gas (17) de suministro, alimentar el gas (17) de suministro a un condensador (22) donde el gas (17) de suministro se enfría mediante un refrigerante y la humedad se retira del gas (17) de suministro para secar el gas (17) de suministro, hacer pasar el gas (18) de sistema a un dispositivo (20) de enfriamiento donde el gas (18) de sistema se enfría, y usar el gas (18) de sistema enfriado como el refrigerante en el condensador (22), y caracterizado porque el gas (18) de sistema enfriado se comprime después de usar el gas de sistema enfriado como un refrigerante en el condensador (22), y se usa en el cambiador (24) de calor para calentar el gas (17) de suministro después de secar, para acondicionar adicionalmente el gas (17) de suministro para llevar la temperatura del gas (17) de suministro hasta dentro de un intervalo de funcionamiento óptimo para el sistema (10) separador aguas abajo.
2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo (20) de enfriamiento es una turbina sobre la que se expande el gas (18) de sistema.
3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado porque el suministro (14) de gas es gas altamente presurizado caliente y la energía se recupera del gas (14) presurizado caliente mediante la turbina (20) y es utilizada por el aparato acondicionador para conducir un compresor (28) para comprimir y calentar el gas (18) de sistema para usar en el cambiador (24) de calor, después de que el gas (18) de sistema se haya usado como un refrigerante en el condensador (22).
4. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, que incluye detectar la temperatura del gas (18) de suministro aguas abajo (39) del cambiador (24) de calor, para proporcionar una entrada a un controlador (38) que abre y cierra una válvula (34) en respuesta, para controlar el flujo del gas (17) de sistema comprimido al cambiador (24) de calor.
5. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque después de usar el gas de sistema comprimido para calentar el gas (18) de suministro en el cambiador (24) de calor, el gas (17) de sistema se expulsa.
6. Un método de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque el método incluye utilizar aire (16) ambiental como un refrigerante en un cambiador (15) de calor pre-enfriador, para enfriar el suministro (14) de gas antes de acondicionar el gas (17) de suministro.
7. En combinación, un sistema (10) que separa gas obtenido como producto de gas (17) de suministro y un aparato acondicionador para enfriar el gas (17) de suministro para usar en el sistema (10) separador, incluyendo el aparato acondicionador medios para dividir un suministro (14) de gas en gas (18) de sistema y gas (17) de suministro y para alimentar el gas (17) de suministro a un condensador (22) donde el gas (17) de suministro se enfría mediante un refrigerante y la humedad se retira del gas de suministro, para secar el gas (17) de suministro, un dispositivo (20) de enfriamiento, medios para hacer pasar el gas (18) de sistema al dispositivo (20) de enfriamiento donde el gas (18) de sistema se enfría, medios para alimentar el gas (18) de sistema enfriado al condensador (22) para usar como el refrigerante en el condensador (22), caracterizado porque incluye un compresor (28) para comprimir el gas (18) de sistema enfriado después de usar el gas (18) de sistema como un refrigerante en el condensador (22), un cambiador (24) de calor, medios para alimentar el gas (18) de sistema comprimido y el gas (17) de suministro enfriado y secado al cambiador (24) de calor mediante los cuales el gas (17) de suministro se calienta para llevar la temperatura del gas (17) de suministro hasta dentro de un intervalo de funcionamiento óptimo para el sistema (10) separador aguas abajo.
8. Un avión que tiene una combinación de un sistema (10) que separa gas obtenido como producto de gas (14) de suministro y un aparato acondicionador para enfriar el gas (17) de suministro para usar en el sistema (10) separador de acuerdo con la reivindicación 7.
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