CN110155962A - 小型制氮充装机 - Google Patents

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耿文忠
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戴文元
苏根长
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Abstract

本申请公开了小型制氮充装机，包括：压缩空气处理系统，完成压缩空气的干燥净化处理；PSA系统，压缩空气经所述压缩空气处理系统后形成干燥空气并进入所述PSA系统；增压系统，经所述PSA系统制备的合格氮气进入所述增压系统；以及充装系统，经所述增压系统进行增压处理后的高压氮气进入所述充装系统进行充装。本申请采用有限元布局设计理念，即，空间分层叠加、设备功能组合，工艺渐进排列，合理布局设计等，将上述系统集成在同一壳体内，提高了快速高效制氮充装能力和性能指标，满足了部队实战要求，促进国防科技工程项目实用化、便捷化。

Description

小型制氮充装机
技术领域
本申请属于制氮充装技术领域，具体涉及小型制氮充装机。
背景技术
随着导弹型号研制技术的迅猛发展，近年来我国地地、地空等导弹快速列装部队，提高了我国国防力量。导弹发射前，由于阵地环境温度和飞行速度产生的热量，使得弹体温度升高，导致仪器设备不能正常工作，作战能力严重受挫。为了提高导弹的命中精度和可靠性，需要研制一种小型智能化冷气制取、气瓶清洗和高压充装为一体的配套设备，在发射前给导弹气瓶灌装充气，飞行时，启动高速高压冷气系统，冷气喷出，降低弹头温度，保证导弹命中目标精度。因此，为了满足型号需求，需要自主开发研制新的产品为其配套列装。通过历史查询以前型号的配套设备，参考制氮机和充瓶工艺及其设备，综合分析复杂的工艺流程，其费时、费力，难以适应现代化战争作战需求，且现有的关键氮气技术指标纯度为99.99％，露点-60℃，只能满足基本要求，可靠性难以保证。因此，本申请提出了提高快速高效制氮充装能力和性能指标，且满足部队实战要求的小型制氮充装机。
发明内容
针对上述现有技术的缺点或不足，本申请要解决的技术问题是提供一种小型制氮充装机。
为解决上述技术问题，本申请通过以下技术方案来实现：
小型制氮充装机，包括：压缩空气处理系统，完成压缩空气的干燥净化处理；PSA系统，压缩空气经所述压缩空气处理系统后形成干燥空气并进入所述PSA系统；增压系统，经所述PSA系统制备的合格氮气进入所述增压系统；以及充装系统，经所述增压系统进行增压处理后的高压氮气进入所述充装系统进行充装。
进一步地，上述的小型制氮充装机，其中，还包括抽真空系统，所述抽真空系统可对所述充装系统中的气瓶进行气体置换和气体提纯。
进一步地，上述的小型制氮充装机，其中，所述压缩空气处理系统、所述PSA系统、所述增压系统、所述充装系统以及所述抽真空系统集成设置在同一壳体内。
进一步地，上述的小型制氮充装机，其中，所述压缩空气处理系统包括：空压机、第一控制阀、第一缓冲容器、至少一个过滤器、干燥机以及第二缓冲容器，所述空压机生产的压缩空气经所述第一控制阀进入所述第一缓冲容器，然后经过至少一个过滤器后进入所述干燥机，然后进入至少一个所述过滤器后分成两个支路输出压缩空气，其中一支路与所述第二缓冲容器连通，所述第二缓冲容器的排气口与PSA系统连接，另一支路上设有流量调节阀，且该支路的出口为驱动气出口。
进一步地，上述的小型制氮充装机，其中，所述压缩空气处理系统还包括：第一压力表、第二压力表以及第一压力传感器，其中，所述第一压力表设置在所述第一控制阀和所述第一缓冲容器之间的管路上，所述第二压力表和所述第一压力传感器则设置在所述第二缓冲容器上。
进一步地，上述的小型制氮充装机，其中，所述过滤器上还配置有排污阀。
进一步地，上述的小型制氮充装机，其中，所述PSA系统包括：变压吸附设备、第三缓冲容器、第二控制阀以及第三控制阀，其中，干燥空气进入所述变压吸附设备完成制氮，经所述变压吸附设备碳化吸附的氮气进入所述第三缓冲器，所述第三缓冲器的排气口设有两个支路，其中一支路上设有所述第三控制阀，另一支路上设有所述第二控制阀并与所述增压系统连接；所述第三缓冲容器上还设有第二压力传感器。
进一步地，上述的小型制氮充装机，其中，在所述第三控制阀的出口管路上安装有纯度测试仪和露点测试仪，所述第二控制阀和所述增压系统之间还设有第一电磁阀。
进一步地，上述的小型制氮充装机，其中，所述变压吸附设备包括至少一个装有碳分子筛的吸附塔。
进一步地，上述的小型制氮充装机，其中，所述增压系统包括：增压泵、比例调节阀、第三压力传感器、第二电磁阀以及第四控制阀，驱动气进口和所述增压泵之间依次设有所述比例调节阀、所述第三压力传感器以及所述第二电磁阀，所述增压泵的排气管路通过所述第四控制阀与所述充装系统连接。
进一步地，上述的小型制氮充装机，其中，所述充装系统包括：第四缓冲容器、过滤器、针阀、第五压力传感器、第三电磁阀、减压阀、第六压力传感器、第五电磁阀、单向阀、第七电磁阀、第八压力传感器、第五控制阀以及气瓶，高压氮气经高压气进口进入所述第四缓冲容器，然后依次经过所述过滤器、所述针阀和所述第五压力传感器，然后形成两个并联支路，第一并联支路上依次设有所述第三电磁阀、所述减压阀、所述第六压力传感器、所述第五电磁阀以及所述单向阀，第二并联支路上设有所述第七电磁阀，所述第一并联支路和所述第二并联支路并联后的管路上依次设有所述第八压力传感器、所述第五控制阀以及所述气瓶。
进一步地，上述的小型制氮充装机，其中，所述充装系统还包括：第四电磁阀，所述第四电磁阀设置在所述第六压力传感器和所述第五电磁阀之间的分支管路上，在所述第四控制阀的分支管路上还安装有纯度测试仪和露点测试仪。
进一步地，上述的小型制氮充装机，其中，所述第四缓冲容器上还设有第四压力传感器和安全阀。
进一步地，上述的小型制氮充装机，其中，所述抽真空系统包括：真空泵、真空仪、真空阀、第七压力传感器、第八电磁阀以及第九电磁阀，所述抽真空系统的抽真空管路与第二并联支路连接，其中，所述抽真空管路包括第一抽真空支路和第二抽真空支路，所述第一抽真空支路上设有所述第九电磁阀，所述第二抽真空支路上设有所述第八电磁阀、所述真空阀、所述真空泵以及所述真空仪。
与现有技术相比，本申请具有如下技术效果：
本申请产品灵活便捷、小型化，其产品外形尺寸严格控制在：1.2m×1.1m×1.6m(长×宽×高)。在2.11m3的有限空间内，将空压、干燥、过滤净化、经PSA变压吸附空分制氮工艺要求，利用高压增压器，将低压氮气转变为35MPa～40MPa高压氮气，达到给导弹高压气瓶充气的要求；
为了保证高压气瓶充氮气体合格，利用抽真空技术，布局设计抽真空系统，进行真空氮气瓶清洗置换，将高压气瓶内其他气体快速抽出，并用高纯氮气进行置换，达到快速充装高压气瓶，缩短战时准备时间的要求；
本申请用于气瓶充装的氮气主要技术指标纯度为99.999％，露点-71℃；
本申请采用有限元布局设计理念，即，空间分层叠加、设备功能组合，工艺渐进排列，合理布局设计等，将上述系统集成在同一壳体内，提高了快速高效制氮充装能力和性能指标，满足了部队实战要求，促进国防科技工程项目实用化、便捷化。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1：本申请小型制氮充装机结构框图一；
图2：本申请小型制氮充装机结构框图二；
图3：本申请中压缩空气处理系统的结构图；
图4：本申请中PSA系统及增压系统的结构图；
图5：本申请中充装系统及抽真空系统的结构图。
具体实施方式
以下将结合附图对本申请的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本申请的目的、特征和效果。
如图1所示，本实施例小型制氮充装机M，包括：压缩空气处理系统M1，完成压缩空气的干燥净化处理；PSA系统M2，压缩空气经所述压缩空气处理系统M1后形成干燥空气并进入所述PSA系统M2；增压系统M3，经所述PSA系统M2制备的合格氮气进入所述增压系统M3；以及充装系统M4，经所述增压系统M3进行增压处理后的高压氮气进入所述充装系统M4进行充装。
其中，所述压缩空气处理系统M1、所述PSA系统M2、所述增压系统M3以及所述充装系统M4集成设置在同一壳体内。
进一步地，如图2所示，本实施例还包括抽真空系统M5，所述抽真空系统M5可对所述充装系统M4中的气瓶100进行气体置换和气体提纯。
其中，所述压缩空气处理系统M1、所述PSA系统M2、所述增压系统M3、所述充装系统M4以及所述抽真空系统M5集成设置在同一壳体内。
如图3所示，所述压缩空气处理系统M1包括：空压机10、第一控制阀K1、第一缓冲容器20、至少一个过滤器30、干燥机40以及第二缓冲容器50，所述空压机10生产的压缩空气经所述第一控制阀K1进入所述第一缓冲容器20，然后经过至少一个过滤器30后进入所述干燥机40进行干燥处理，然后进入至少一个所述过滤器30后分成两个支路输出压缩空气，其中一支路与所述第二缓冲容器50连通，所述第二缓冲容器50的排气口51与PSA系统M2连接，另一支路上设有流量调节阀52，且该支路的出口为驱动气出口53，其中该驱动气出口53连接下文所述的增压泵80，并为所述增压泵80提供驱动气。所述压缩空气处理系统M1还包括：第一压力表P1、第二压力表P2以及第一压力传感器Ps1，其中，所述第一压力表P1设置在所述第一控制阀K1和所述第一缓冲容器20之间的管路上，所述第二压力表P2和所述第一压力传感器Ps1则设置在所述第二缓冲容器50上。
所述过滤器30上还配置有排污阀31，所述排污阀31可将气体中过滤的水分及多余物自动定时排除。
如图4所示，所述PSA系统M2包括：变压吸附设备60、第三缓冲容器70、第二控制阀K2以及第三控制阀K3，其中，干燥空气61进入所述变压吸附设备60完成制氮，经所述变压吸附设备60碳化吸附的氮气进入所述第三缓冲器，所述第三缓冲器的排气口设有两个支路，其中一支路上设有所述第三控制阀K3，另一支路上设有所述第二控制阀K2并与所述增压系统M3连接；所述第三缓冲容器70上还设有第二压力传感器Ps2。
在所述第三控制阀K3的出口管路上安装有纯度测试仪和露点测试仪，所述第二控制阀K2和所述增压系统M3之间还设有第一电磁阀D1。
所述变压吸附设备60包括至少一个装有碳分子筛的吸附塔，具体地，在本实施例中，所述变压吸附设备60包括A、B两只装有碳分子筛的吸附塔，当压缩空气(压力一般为0.8MPa)从下至上通过A塔时，氧气、二氧化碳和水分被碳分子筛所吸附，而氮气则被通过并从塔顶流出。当A塔内分子筛吸附饱和时便切换到B塔进行上述吸附过程并同时对A塔分子筛进行再生。所谓再生，即，将吸附塔内气体排至大气从而使压力迅速降低至常压，使分子筛吸附的氧气、二氧化碳和水分从分子筛内释放出来的过程。
本实施例中的吸附塔装有碳分子筛，其中，碳分子筛采用气动气缸方式压紧，上方容积作为缓冲容积，、这样既满足了碳分子筛的吸附作用又具有压力容器缓冲作用，如此有机组合，大大的腾空了空间位置，便于其它设备整合安装。
在吸附平衡情况下，吸附剂在吸附同一气体时，气体压力越高，则吸附剂的吸附量越大。反之，压力越低，则吸附量越小。因此，在空气压力升高时，碳分子筛将大量吸附氧气、二氧化碳和水分。当压力降到常压时，碳分子筛对氧气、二氧化碳和水分的吸附量非常小。
经过碳化吸附的氮气进入第三缓冲容器70，第二压力传感器Ps2自动显示氮气压力，氮气在第三控制阀K3的出口管路71上装有纯度测试仪和露点测试仪，随时动态巡回检测氮气纯度和露点，按照检测结果当氮气纯度和露点达到要求指标99.999％和-71℃，自动程序转入下道工艺流程，否则将继续吸附处理直至达到要求为止。
如图4所示，所述增压系统M3包括：增压泵80、比例调节阀B1、第三压力传感器Ps3、第二电磁阀D2以及第四控制阀K4，驱动气进口82和所述增压泵80之间依次设有所述比例调节阀B1、所述第三压力传感器Ps3以及所述第二电磁阀D2，所述增压泵80的排气管路81通过所述第四控制阀K4与所述充装系统M4连接。
合理规范工艺流程，将前级压缩空气引入增压泵80，作为高压增压泵80驱动气，避免使用经净化吸附处理后的合格氮气。这样，提高了高纯氮气的制造效率，又满足了工艺原理用气要求。流程更加合理、科学、成熟、其直接效果是氮气回收率提高，产气量上升，间接效果是节约了能耗。
合格氮气经过第二控制阀K2和第一电磁阀D1进入增压泵80高压腔。增压泵80的驱动气通过流量调节阀52控制流量调节后，再经过比例调节阀B1，自动程序按预先设置的高压压力自动调节驱动气压力。增压压力与驱动气压力可按泵的设定公式对应比例进行自动调节，达到将低压增到高压的目的。高压气经过第四控制阀K4进入下文所述的充装系统M4。
如图5所示，所述充装系统M4包括：第四缓冲容器90、过滤器30、针阀KZ、第五压力传感器Ps5、第三电磁阀D3、减压阀J1、第六压力传感器Ps6、第五电磁阀D5、单向阀101、第七电磁阀D7、第八压力传感器Ps8、第五控制阀K5以及气瓶100，高压氮气经高压气进口91进入所述第四缓冲容器90，然后依次经过所述过滤器30、所述针阀KZ和所述第五压力传感器Ps5，然后形成两个并联支路，第一并联支路上依次设有所述第三电磁阀D3、所述减压阀J1、所述第六压力传感器Ps6、所述第五电磁阀D5以及所述单向阀101，第二并联支路上设有所述第七电磁阀D7，所述第一并联支路和所述第二并联支路并联后的管路上依次设有所述第八压力传感器Ps8、所述第五控制阀K5以及所述气瓶100。
所述充装系统M4还包括：第四电磁阀D4，所述第四电磁阀D4设置在所述第六压力传感器Ps6和所述第五电磁阀D5之间的分支管路上，在所述第四控制阀K4的分支管路102上还安装有纯度测试仪和露点测试仪。
所述第四缓冲容器90上还设有第四压力传感器Ps4和安全阀A1，其中，所述第四压力传感器Ps4用于显示所述第四缓冲容器90的压力，所述安全阀A1可以确保所述第四缓冲容器90的安全。
为了确保气瓶100充气质量达到要求，利用下文所述的抽真空系统M5对气瓶100进行气体置换和气体提纯处理。
如图5所示，所述抽真空系统M5包括：真空泵110、真空仪111、真空阀112、第七压力传感器Ps7、第八电磁阀D8以及第九电磁阀D9，所述抽真空系统M5的抽真空管路与第二并联支路连接，其中，所述抽真空管路包括第一抽真空支路和第二抽真空支路，所述第一抽真空支路上设有所述第九电磁阀D9，所述第二抽真空支路上设有所述第八电磁阀D8、所述真空阀112、所述真空泵110以及所述真空仪111。
首先打开真空阀112、第八电磁阀D8和第五控制阀K5，启动真空泵110，对气瓶100进行抽真空处理，其中，可以通过真空仪111测量真空度，也可以通过第七压力传感器Ps7、第八压力传感器Ps8观察真空压力。当真空压力达到要求值时关闭真空泵110，打开针阀KZ、第三电磁阀D3，并打开调节阀，将压力通过压力传感器观察调至0.8MPa，打开第五电磁阀D5，再打开第九电磁阀D9放气，进行气瓶100氮气压力置换。置换过程中，打开第四电磁阀D4可以测量监控气瓶100氮气纯度和露点，当露点和纯度符合要求后，所有阀门复原关闭，气瓶100置换结束。
置换结束给气瓶100充气，高压气进入所述第四缓冲容器90，然后通过过滤器30进行高压过滤后，打开针阀KZ用以控制流量，打开第七电磁阀D7和第五控制阀K5，给气瓶100充气。可以通过第四压力传感器Ps4、第五压力传感器Ps5和第八压力传感器Ps8实现充气压力监控。当达到气瓶100预设定充气压力，控制自动停止充气，完成气瓶100充装任务。
其中，在本实施例中，所述第四缓冲容器90装有分子筛，其中，分子筛采用气动气缸方式压紧，上方容积作为缓冲容积，这样既满足了分子筛的吸附作用又具有压力容器缓冲作用，如此有机组合，大大的腾空了空间位置，便于其它设备整合安装。
本申请中的第二缓冲容器50、第三缓冲容器70以及第四缓冲容器90，均采用产气率，产氮率更高的进口分子筛，并在空气、氮气和高压氮气三个流程多次吸附处理，可使设备更加小型化，同时节约能耗更加明显，并提升了高纯氮气的质量，满足了设备性能指标研制要求，达到了小型制氮国内领先先进的技术水平。
本申请通过多次试验测试验证，性能指标如下：
氮气输出压力：Max.40MPa(可调节)；
氮气纯度：99.999％；
氮气中含氧量：≤0.01％；
CO2含量：≤2PPM；
尘埃颗粒：≤5μm；
含油量：≤1PPM；
露点：≤-71℃。
本申请利用有限元布局结构，将制氮和气瓶充装集成融为一体。本申请集空压机、制氮机、增压器、真空气瓶置换和充装集成融合五维一体。设计要求整机外形结构尺寸仅为1.2m×1.1m×1.6m(长×宽×高)，设计融入有限元结构布局构思设计，充分利用结构布局空间，合理进行多元化的单元零部件和元器件的布局，以实现该机的小型化，适应部队战地实战使用要求。空压机生产的干燥氮气，经PSA制氮工艺后，利用高压增压器，将低压氮气转变为35MPa～40MPa高压氮气，达到给导弹高压气瓶充气的目的。为了保证高压气瓶充氮气体合格，利用抽真空技术将高压气瓶内其他气体快速抽出，并用高纯氮气进行置换，达到快速充装高压气瓶，缩短战时准备时间的要求。
本申请提高了小型制氮充装机的功能，保证了特殊高纯氮气使用要求的性能指标，确保了现代化武器研制和列装的保障条件，提升了部队的作战能力和现代建设的技术水平，具有其深远的战略意义和重要的实际推广应用意义。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限定，参照较佳实施例对本申请进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，均应涵盖在本申请的权利要求范围内。

Claims (14)

1.小型制氮充装机，其特征在于，包括：
压缩空气处理系统，完成压缩空气的干燥净化处理；
PSA系统，压缩空气经所述压缩空气处理系统后形成干燥空气并进入所述PSA系统；
增压系统，经所述PSA系统制备的合格氮气进入所述增压系统；
以及充装系统，经所述增压系统进行增压处理后的高压氮气进入所述充装系统进行充装。
2.根据权利要求1所述的小型制氮充装机，其特征在于，还包括抽真空系统，所述抽真空系统可对所述充装系统中的气瓶进行气体置换和气体提纯。
3.根据权利要求2所述的小型制氮充装机，其特征在于，所述压缩空气处理系统、所述PSA系统、所述增压系统、所述充装系统以及所述抽真空系统集成设置在同一壳体内。
4.根据权利要求1至3任一项所述的小型制氮充装机，其特征在于，所述压缩空气处理系统包括：空压机、第一控制阀、第一缓冲容器、至少一个过滤器、干燥机以及第二缓冲容器，
所述空压机生产的压缩空气经所述第一控制阀进入所述第一缓冲容器，然后经过至少一个过滤器后进入所述干燥机，然后进入至少一个所述过滤器后分成两个支路输出压缩空气，
其中一支路与所述第二缓冲容器连通，所述第二缓冲容器的排气口与PSA系统连接，
另一支路上设有流量调节阀，且该支路的出口为驱动气出口。
5.根据权利要求4所述的小型制氮充装机，其特征在于，所述压缩空气处理系统还包括：第一压力表、第二压力表以及第一压力传感器，其中，所述第一压力表设置在所述第一控制阀和所述第一缓冲容器之间的管路上，所述第二压力表和所述第一压力传感器则设置在所述第二缓冲容器上。
6.根据权利要求4所述的小型制氮充装机，其特征在于，所述过滤器上还配置有排污阀。
7.根据权利要求1至3任一项所述的小型制氮充装机，其特征在于，所述PSA系统包括：变压吸附设备、第三缓冲容器、第二控制阀以及第三控制阀，其中，干燥空气进入所述变压吸附设备完成制氮，经所述变压吸附设备碳化吸附的氮气进入所述第三缓冲器，所述第三缓冲器的排气口设有两个支路，其中一支路上设有所述第三控制阀，另一支路上设有所述第二控制阀并与所述增压系统连接；所述第三缓冲容器上还设有第二压力传感器。
8.根据权利要求7所述的小型制氮充装机，其特征在于，在所述第三控制阀的出口管路上安装有纯度测试仪和露点测试仪，所述第二控制阀和所述增压系统之间还设有第一电磁阀。
9.根据权利要求7所述的小型制氮充装机，其特征在于，所述变压吸附设备包括至少一个装有碳分子筛的吸附塔。
10.根据权利要求1至3任一项所述的小型制氮充装机，其特征在于，所述增压系统包括：增压泵、比例调节阀、第三压力传感器、第二电磁阀以及第四控制阀，驱动气进口和所述增压泵之间依次设有所述比例调节阀、所述第三压力传感器以及所述第二电磁阀，所述增压泵的排气管路通过所述第四控制阀与所述充装系统连接。
11.根据权利要求1至3任一项所述的小型制氮充装机，其特征在于，所述充装系统包括：第四缓冲容器、过滤器、针阀、第五压力传感器、第三电磁阀、减压阀、第六压力传感器、第五电磁阀、单向阀、第七电磁阀、第八压力传感器、第五控制阀以及气瓶，
高压氮气经高压气进口进入所述第四缓冲容器，然后依次经过所述过滤器、所述针阀和所述第五压力传感器，然后形成两个并联支路，第一并联支路上依次设有所述第三电磁阀、所述减压阀、所述第六压力传感器、所述第五电磁阀以及所述单向阀，第二并联支路上设有所述第七电磁阀，
所述第一并联支路和所述第二并联支路并联后的管路上依次设有所述第八压力传感器、所述第五控制阀以及所述气瓶。
12.根据权利要求11所述的小型制氮充装机，其特征在于，所述充装系统还包括：第四电磁阀，所述第四电磁阀设置在所述第六压力传感器和所述第五电磁阀之间的分支管路上，在所述第四控制阀的分支管路上还安装有纯度测试仪和露点测试仪。
13.根据权利要求11所述的小型制氮充装机，其特征在于，所述第四缓冲容器上还设有第四压力传感器和安全阀。
14.根据权利要求2或3所述的小型制氮充装机，其特征在于，
所述抽真空系统包括：真空泵、真空仪、真空阀、第七压力传感器、第八电磁阀以及第九电磁阀，
所述抽真空系统的抽真空管路与第二并联支路连接，
其中，所述抽真空管路包括第一抽真空支路和第二抽真空支路，所述第一抽真空支路上设有所述第九电磁阀，所述第二抽真空支路上设有所述第八电磁阀、所述真空阀、所述真空泵以及所述真空仪。
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