DE102004026650B4 - Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage zur Gewinnung von Sauerstoff an Bord eines Flugzeugs - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage zur Gewinnung von Sauerstoff an Bord eines Flugzeugs Download PDF

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage (2) zur Gewinnung von Sauerstoff an Bord eines Flugzeugs mit mindestens zwei Molekularsiebkammern (4, 6), wobei ein Teilmassenstrom des in der jeweils adsorbierenden Molekularsiebkammer (4) gewonnenen Sauerstoffs zum Spülen einer desorbierenden Molekular-siebkammer (6) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des der desorbierenden Molekularsiebkammer (6) zugeführten Spülsauerstoffs in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration und von dem Massenstrom des Produktgases gesteuert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage zur Gewinnung von Sauerstoff an Bord eines Flugzeugs mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen sowie eine Luftzerlegungsanlage zum Ausführen dieses Verfahrens.
  • Zur Gewinnung von Sauerstoff an Bord von Flugzeugen werden üblicherweise Luftzerlegungsanlagen verwendet, die nach dem Prinzip der Druckwechseladsorption die Luftbestandteile Stickstoff und Sauerstoff voneinander trennen.
  • Dabei erfolgt die Luftzerlegung so, dass Luft bei erhöhtem Druck durch ein Molekularsieb geleitet wird, wobei sich der leicht adsorbierbare Stickstoff an der Oberfläche eines Molekularsiebs anreichert, während der aufgrund seiner geringeren Molekülgröße nicht adsorbierbare Sauerstoff das Molekularsieb passiert.
  • Die Beladung des Molekularsiebs kann bis zum Erreichen eines Gleichgewichtszustands erfolgen. Danach ist dessen Adsorptionsvermögen erschöpft. Um den Prozess der Luftzerlegung erneut durchführen zu können, ist die Regeneration des beladenen Adsorbers, d.h. eine Desorption des Adsorbers erforderlich, die durch eine Druckabsenkung und anschließende Spülung erfolgt.
  • Um eine Luftzerlegung mit quasi-kontinuierlicher Gewinnung von Sauerstoff gewährleisten zu können, sind mindestens zwei parallel betriebene Molekularsiebkammern erforderlich, von denen sich jeweils eine im Adsorptionstakt befindet, während die andere zeitgleich regeneriert wird.
  • Zum Spülen der zu regenerierenden Molekularsiebkammer wird dem Produktgasstrom der adsorbierenden Molekularsiebkammer üblicherweise ein Teilgasstrom entzogen und der desorbierenden Molekularsiebkammer zugeführt.
  • Aus DE 693 23 481 T2 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines Produktgases, insbesondere Sauerstoffs, aus einem Speisegasgemisch mittels Druckwechseladsorption bekannt, bei dem ein Teilmassenstrom des Produktgases der desorbierenden Molekularsiebkammer zum Spülen zugeführt wird. Dabei wird die Menge des zugeführten Spülgases gesteuert, indem die Produktgaskonzentration des Spülgases nach dem Spülen der desorbierenden Molekularsiebkammer gemessen wird und die Spülgaszufuhr bei Erreichen einer bestimmten Produktgaskonzentration gestoppt wird.
  • Die Spülung der desorbierenden Molekularsiebkammer erfolgt bei bekannten Luftzerlegungsanlagen an Bord von Flugzeugen, indem den adsorbierenden Molekularsiebkammern während deren gesamten Adsorptionszyklen ein Teil des Produktgasstroms entzogen wird und als Spülgas der desorbierenden Molekularsiebkammer zugeführt wird. Dabei erfolgt die Begrenzung der Spülgasmenge über eine starre Drosselvorrichtung.
  • Diese Vorgehensweise führt beispielsweise bei der Luftzerlegung in großer Flughöhe, in der sich die Adsorptionszyklen aufgrund des dort herrschenden geringeren Luftdrucks verlängern, dazu, dass die zum Spülen der desorbierenden Molekularsiebkammer zur Verfügung gestellte Spülgasmenge größer als eigentlich erforderlich ist. Dies verringert den Wir kungsgrad der Luftzerlegungsanlage und wirkt sich negativ auf deren Energiebedarf, Größe und Gewicht aus.
  • Die Aufgabe dieser Erfindung ist es, das Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage zur Gewinnung von Sauerstoff an Bord von Flugzeugen so zu modifizieren, dass die oben genannten Nachteile nicht auftreten und die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens verbessert wird. Darüber hinaus soll eine entsprechende Luftzerlegungsanlage geschaffen werden.
  • Der verfahrensmäßige Teil dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Eine Luftzerlegungsanlage zur Ausführung dieses Verfahrens ist in Anspruch 4 definiert. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage zur Gewinnung von Sauerstoff an Bord eines Flugzeugs mit mindestens zwei Molekularsiebkammern wird ein Teilmassenstrom des in der jeweils adsorbierenden Molekularsiebkammer gewonnen Sauerstoffs zum Spülen einer desorbierenden Molekularsiebkammer zugeführt. Dabei wird die Menge des der desorbierenden Molekularsiebkammer zugeführten Spülsauerstoffs in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration und von dem Massenstrom des Produktgases gesteuert, um nur so viel Sauerstoff abzuzweigen wie zur Desorption erforderlich ist.
  • Wie beim Betreiben von Luftzerlegungsanlagen mit mehreren, zumindest zwei, parallel geschalteten Molekularsiebkammern üblich, wird ein Teil des von den adsorbierenden Molekularsiebkammern erzeugten Produktgases abgezweigt und der desorbierenden Molekularsiebkammer als Spülgas zugeführt. Während der Adsorption einer Molekularsiebkammer wird die Sauerstoffkonzentration und der Massenstrom des gewonnenen Produktgases gemessen und bei Erreichen von minimal zulässigen Werten von der Adsorption zur Desorption umgeschaltet, d.h. die zuvor adsorbierende Molekularsiebkammer wird regeneriert.
  • Abweichend von dem Stand der Technik wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage darauf verzichtet, der desorbierenden Molekularsiebkammer während der ge samten Adsorptionsphase einen immer gleichen Spülgasmassenstrom zukommen zu lassen. Stattdessen wird der der desorbierenden Molekularsiebkammer zugeführte Spülgasmassenstrom derart gesteuert, dass nur die zur Regenerierung des Molekularsiebs erforderliche Menge an Spülsauerstoff bzw. Spülgas von dem Produktgasstrom entnommen wird.
  • Auf diese Weise wird der Wirkungsgrad der Luftzerlegungsanlage, d.h. das Verhältnis von Produktgas, das der Sauerstoffversorgung des Flugzeugs zugeführt wird und von Produktgas, welches als Spülgas wieder in die Luftzerlegungsanlage rückgeführt wird, bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens über alle Flug-, Einsatz- und Betriebszustände deutlich verbessert. So wird der Sauerstoffversorgung des Flugzeugs von der Luftzerlegungsanlage immer die größtmögliche Sauerstoffmenge zur Verfügung gestellt. Dies wirkt sich auch positiv auf den Energiebedarf der Luftzerlegungsanlage aus. Des Weiteren kann die Größe und das Gewicht der Luftzerlegungsanlagen gegenüber den bekannten Luftzerlegungsanlagen an Bord von Flugzeugen verringert werden.
  • Die Mengensteuerung des der desorbierenden Molekularsiebkammer zugeführten Spülsauerstoffs erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft durch Steuern des Zuflussquerschnitts, also beispielsweise mittels eines Proportionalventils.
  • Hierbei wird der Querschnitt der Zuflussleitung zu der desorbierenden Molekularsiebkammer und damit einhergehend der Spülgasmassenstrom entsprechend den Flug- und Betriebsbedingungen verändert. Die Größe des Zuflussquerschnitts wird so eingestellt, dass nur die zum Regenerieren der Molekularsiebkammer erforderliche Spülgasmenge der entsprechenden Molekularsiebkammer zugeführt wird.
  • So kann zum Beispiel in großer Flughöhe der Zuflussquerschnitt verringert werden. Da sich mit zunehmender Flughöhe die Adsorptionsphasen verlängern, vergrößert sich auch die Zeitspanne, in der einer desorbierenden Molekularsiebkammer Spülgas zugeführt wird. Diese längere Spülphase wird durch die aus der Verringerung des Zuflussquerschnitts resultierende Verringerung des Spülgasmassenstroms ausgeglichen, so dass nur die zum Spülen erforderliche Menge an Spülgas dem Produktgas entnommen wird.
  • Es kann aber auch zweckmäßig sein, die Mengensteuerung des Spülsauerstoffs, welcher der desorbierenden Molekularsiebkammer zugeführten wird, durch ein Ändern der Zuflusszeiten vorzunehmen.
  • In diesem Fall wird vorteilhaft der von dem Produktgasstrom zum Spülen der desorbierenden Molekularsiebkammer abgeleitete Spülgasmassenstrom ermittelt und die Zuflussleitung zu der desorbierenden Molekularsiebkammer bei Erreichen der zur Regeneration des Molekularsiebs erforderlichen Spülgasmenge verschlossen.
  • Um den Wirkungsgrad der Luftzerlegungsanlage zu verbessern, kann es auch von Vorteil sein, die oben beschriebene Mengensteuerung des Spülgases durch ein kombiniertes Steuern des Querschnitts der Zuflussleitung und der Zuflusszeit vorzunehmen.
  • Zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens sind an der Luftzerlegungsanlage zur Gewinnung von Sauerstoff an Bord eines Flugzeugs Mittel zum Steuern der Spülsauerstoffmenge in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration und von dem Massenstrom des Produktgases vorgesehen.
  • Bevorzugt zählen hierzu neben einer Sensorik, die die Sauerstoffkonzentration und den Massenstrom des Produktgases ermittelt, eine Auswerteeinheit, welche die Messergebnisse der Sensorik verarbeitet und eine mit dieser Auswerteinheit verbundene Steuerungseinheit, die auf der Grundlage der Auswertung eine in der Spülgaszufuhr angeordnete variable Drosselvorrichtung ansteuert.
  • Zur variablen Drosselung der Spülgaszufuhr weisen die Mittel zum Steuern der Spülsauerstoffmenge zweckmäßigerweise zumindest ein Ventil auf, dessen Durchflussquerschnitt steuerbar ist.
  • Das Ventil, bei dem es sich beispielsweise um ein Proportionalventil oder ein Digitalventil handeln kann, wird von der Steuerungseinheit angesteuert, wobei durch entsprechende Steuerimpulse der Durchflussquerschnitt entsprechend des zum Regenerieren der desorbierenden Molekularsiebkammer benötigten Spülgasmassenstroms vergrößert oder verringert werden kann.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage weisen die Mittel zum Steuern der Spülsauerstoffmenge eine Zeitsteuerung auf, durch die die Öffnungszeit des zuführenden Ventils steuerbar ist.
  • Die Zeitsteuerung steuert die Öffnungszeit des in der Zuflussleitung angeordneten Ventils in Abhängigkeit des von der Sensorik gemessenen zur Verfügung stehenden Spülgasmassenstroms. Nach Ablauf einer ermittelten Durchflusszeit veranlasst die Zeitsteuerung das Verschließen der Zufuhrleitung.
  • Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Die Figur zeigt ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Luftzerlegungsanlage zur Gewinnung von Sauerstoff an Bord eines Flugzeugs.
  • Einer Luftzerlegungsanlage 2 wird über eine Zufuhrleitung 4 Luft zugeführt, die in der Umgebung des Flugzeugs angesaugt wird. Die Luftzerlegungsanlage 2 arbeitet nach dem Prinzip der Druckwechseladsorption und weist zumindest zwei Molekularsiebkammern 4 u. 6 auf, die wechselweise aus der angesaugten Luft Sauerstoff gewinnen oder re generiert werden. Die dargestellte Molekularsiebkammer 4 befindet sich in einer Adsorptionsphase, während die Molekularsiebkammer 6 regeneriert wird.
  • In der sauerstoffgewinnenden, d.h. adsorbierenden Molekularsiebkammer 4 wird die angesaugte Luft verdichtet und durchströmt unter Druck ein Molekularsieb. An diesem Molekularsieb wird der in der Luft enthaltende Stickstoff adsorptiv gebunden, während das Produktgas, bei dem es im Wesentlichen um Sauerstoff handelt, das Molekularsieb durchdringt und über eine Versorgungsleitung 10 einer nicht dargestellten Sauerstoffversorgung des Flugzeuges zur Verfügung gestellt wird.
  • Während der Sauerstoffgewinnung setzen sich in der adsorbierenden Molekularsiebkammer 4 immer mehr Stickstoffmoleküle an dem Molekularsieb fest, so dass dessen Adsorptionsvermögen nach einer gewissen Zeit erschöpft ist. Um wieder Luft zerlegen zu können, muss dieses Molekularsieb regeneriert, d. h. desorbiert werden.
  • Die Desorption des beladenen Molekularsiebs erfolgt durch einen Druckabbau und ein anschließendes Spülen der Molekularsiebkammer 6 mit Produktgas. Das zum Spülen erforderliche Produktgas wird der desorbierenden Molekularsiebkammer 6 von der zu diesem Zeitpunkt Produktgas erzeugenden Molekularsiebkammer 4, zur Verfügung gestellt. Hierzu wird ein Teil des Produktgasmassenstroms der adsorbierenden Molekularsiebkammer 4 von diesem abgezweigt und über eine Zufuhrleitung 12 der desorbierenden Molekularsiebkammer 6 zugeführt.
  • Die Sauerstoffkonzentration und der Massenstrom des Produktgases werden ausgangsseitig der Luftzerlegungsanlage 2 mit Hilfe einer Sensorik 14 ermittelt. Zum Verarbeiten der Messwerte der Sensorik 14 ist die Sensorik 14 mit einer Auswert- und Steuerungseinheit 16 verbunden. Die Auswert- und Steuerungseinheit 16 steuert auf der Grundlage der von der Sensorik 14 gelieferten Messwerte den Spülgasstrom, der von der adsorbierenden Molekularsiebkammer 4 über die Zufuhrleitung 12 der desorbierenden Molekularsiebkammer 6 zugeführt wird.
  • Hierfür ist in der Zufuhrleitung 12 ein variables Drosselventil 18 angeordnet, welches über eine Steuerleitung 20 von der Auswert- und Steuerungseinheit 16 ansteuerbar ist. Bei dem Drosselventil 18 handelt es sich um ein stellbares Proportionalventil, alternativ kann auch ein Digitalventil oder anderes geeignetes Ventil eingesetzt werden.
  • In Abhängigkeit von den von der Sensorik 14 aufgenommenen Werten für die Sauerstoffkonzentration und den Massenstrom des Produktgases, veranlasst die Auswert- und Steuerungseinheit 16 über die Steuerungsleitung 20 über das Drosselventil 18 eine Vergrößerung oder Verringerung des Zuflussquerschnitts der Zufuhrleitung 12 bzw. das Schließen dieser Zufuhrleitung 12.
  • Das Schließen der Zufuhrleitung 12 kann auch zeitgesteuert erfolgen. In Abhängigkeit von dem Drosselquerschnitt des Drosselventils 18 ermittelt die Auswert- und Steuerungseinheit 16 die Öffnungszeit des Drosselventils 18, sodass dieses Drosselventil 18 bei Erreichen der für die Desorption erforderlichen Spülgasmenge geschlossen wird. Dabei werden in der Auswert- und Steuerungseinheit 16 neben dem Drosselquerschnitt des Drosselventils 18 auch der die adsorbierenden Molekularsiebkammern 4 verlassende Produktgasstrom sowie Flug-, Einsatz- und Betriebsgrößen wie beispielsweise die Flughöhe bei der Ermittlung der Ventilöffnungszeit berücksichtigt. Auf diese Weise kann die Auswert- und Steuerungseinheit 16 ein optimales, den Betriebsbedingungen angepasstes Zeitfenster für die Spülgaszufuhr zur Verfügung stellen.
    • 2
    Luftzerlegungsanlage
    4
    Molekularsieb
    6
    Molekularsieb
    8
    Zufuhrleitung
    10
    Versorgungsleitung
    12
    Zufuhrleitung
    14
    Sensorik
    16
    Auswert- und Steuerungseinheit
    18
    Drosselventil
    20
    Steuerleitung

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage (2) zur Gewinnung von Sauerstoff an Bord eines Flugzeugs mit mindestens zwei Molekularsiebkammern (4, 6), wobei ein Teilmassenstrom des in der jeweils adsorbierenden Molekularsiebkammer (4) gewonnenen Sauerstoffs zum Spülen einer desorbierenden Molekular-siebkammer (6) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge des der desorbierenden Molekularsiebkammer (6) zugeführten Spülsauerstoffs in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration und von dem Massenstrom des Produktgases gesteuert wird.
  2. Luftzerlegungsanlage (2) zur Gewinnung von Sauerstoff an Bord eines Flugzeugs mit mindestens zwei wechselweise adsorbierenden und desorbierenden Molekularsiebkammern (4, 6), wobei die jeweils desorbierende Molekularsiebkammer (6) mit Sauerstoff der adsorbierenden Molekularsiebkammer (4) gespült wird, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (14, 16, 18, 20) zum Steuern der Spülsauerstoffmenge in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration und von dem Massenstrom des Produktgases vorgesehen sind.
  3. Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mengensteuerung des der desorbierenden Molekularsiebkammer (6) zugeführten Spülsauerstoffs durch Steuern des Zuflussquerschnitts erfolgt.
  4. Verfahren zum Betreiben einer Luftzerlegungsanlage (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mengensteuerung des der desorbierenden Molekularsiebkammer (6) zugeführten Spülsauerstoffs durch Ändern der Zuflusszeiten erfolgt.
  5. Luftzerlegungsanlage (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (14, 16, 18, 20) zum Steuern der Spülsauerstoffmenge zumindest ein Ventil (18) aufweisen, dessen Durchflussquerschnitt steuerbar ist.
  6. Luftzerlegungsanlage (2) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (14, 16, 18, 20) zum Steuern der Spülsauerstoffmenge eine Zeitsteuerung aufweisen, durch die die Öffnungszeit des zuführenden Ventils (18) steuerbar ist.
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