DE10323137B4 - Vorrichtung zur Anreicherung von Luft mit Sauerstoff in einem Flugzeug und einem Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung - Google Patents

Vorrichtung zur Anreicherung von Luft mit Sauerstoff in einem Flugzeug und einem Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Anreicherung von Luft mit Sauerstoff in einem Flugzeug, bei welcher in serieller Abfolge
eine Überdruckquelle (110) zur Abgabe von Luft,
ein Wasserabscheider (150),
zwei parallel angeordnete Molekularsiebbetten (200) zur wechselseitigen Adsorption und Desorption von Stickstoff,
eine einen Spülgasstrom zwischen den Molekularsiebbetten (200) ermöglichende Überströmeinrichtung (210),
ein den mit Sauerstoff angereicherten Produktgasstrom analysierendes Sauerstoffmessgerät (260) und
eine Umschaltvorrichtung (270) für den aus dem Molekularsiebbett (200) austretenden Produktgasstrom vorgesehen sind,
wobei in einer ersten Schaltstellung der Umschaltvorrichtung (270) eine Strömungsverbindung zu einem Auslasskanal (320) hergestellt ist und in einer zweiten Schaltstellung eine Strömungsverbindung zu einer Verbraucherleitung (310) besteht und dass Mittel zur Erzeugung eines Umschaltsignals von der ersten in die zweite Schaltstellung beim Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes für die Sauerstoffkonzentration vorgesehen sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anreicherung von Luft mit Sauerstoff in einem Flugzeug und ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung.
  • Eine Vorrichtung zur Anreicherung von Luft mit Sauerstoff ist aus der DE 101 42 946 A1 bekannt geworden. Die aus einer Überdruckquelle austretende heiße, mit Wasserdampf beladene Luft wird in einem Wärmetauscher abgekühlt und gelangt in einen Wasserabscheider, mit dem das Kondensat entfernt wird. Mittels zweier, parallel angeordneter Molekularsiebbetten, die abwechselnd im Adsorptionsbetrieb und Desorptionsbetrieb arbeiten, wird das mit Sauerstoff angereicherte Produktgas erzeugt. Zur Desorption des nicht genutzten Molekularsiebbettes wird ein Teil des Produktgases als Spülgasstrom verwendet, welcher das im Regenerationsbetrieb befindliche Molekularsiebbett durchströmt. Ein Umschaltventil, das den Molekularsiebbetten vorgeschaltet ist, schaltet zwischen Adsorptions- und Desorptionsphase um.
  • Die bekannte Vorrichtung speist das erzeugte Produktgas kontinuierlich in die Verbraucherleitung ein. Dabei kommt es vor, dass nach der Inbetriebnahme normalerweise nicht die volle Leistung des in der Adsorptionsphase arbeitenden Molekularsiebbettes zur Verfügung steht. Die volle Adsorptionsleistung liegt dann vor, wenn die Molekularsiebbetten den stationären Betriebspunkt erreicht haben. Während der Anlaufphase hat der Produktgasstrom daher nur einen Sauerstoffanteil, der unterhalb eines für den Betrieb notwendigen Schwellwertes liegt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der genannten Art derart zu verbessern, dass das Produktgas vorbestimmte Mindestanforderungen erreicht. Außerdem soll ein Verfahren zum Betreiben der Vorrichtung angegeben werden.
  • Die Lösung der Aufgabe für die Vorrichtung erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Die Lösung der Aufgabe für das Verfahren erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6.
  • Der Vorteil der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, dass, abhängig von der gemessenen Sauerstoffkonzentration des Produktgases, entweder eine Strömungsverbindung zu einem Auslasskanal hergestellt wird, so dass das Produktgas in die Umgebung abströmen kann oder dass bei ausreichendem Sauerstoffanteil das Produktgas der Verbraucherleitung zugeführt wird. Hierzu wird die Sauerstoffkonzentration des Produktgases mit einem Sauerstoff-Konzentrationsmessgerät gemessen und in einer Steuer- und Auswerteeinheit mit einem Schwellwert für die Sauerstoffkonzentration verglichen. Liegt die gemessene Sauerstoffkonzentration unterhalb des Schwellwertes, wird das Produktgas ungenutzt abgelassen. Wenn jedoch die Molekularsiebbetten die Betriebstemperatur erreicht haben und die Sauerstoffkonzentration den Schwellwert erreicht oder überschreitet, wird das Produktgas mittels einer Umschaltvorrichtung in die Verbraucherleitung eingespeist und kann für Atemzwecke genutzt werden.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • In zweckmäßiger Weise ist der Auslasskanal als gemeinsamer Strömungskanal für den Produktgasstrom und den Spülgasstrom ausgebildet. Der Spülgasstrom entsteht während der Desorptionsphase des nicht benutzten Molekularsiebbettes. Zusätzlich zum Spülgasstrom kann auch das in dem Wasserabscheider ausgeschiedene Kondenswasser dem Auslasskanal zugeführt werden.
  • In vorteilhafter Weise kann alternativ zur Sauerstoffkonzentration die Sauerstoffleistung für die Umschaltung von der Bereitschaftsphase in die Betriebsphase herangezogen werden. Die Umschaltung wird vorgenommen, wenn die Sauerstoffleistung, die sich aus dem Produkt von Sauerstoffkonzentration und Produktgasfluss ergibt, einen vorbestimmten Schwellwert erreicht oder überschreitet. Zur Erfassung des Produktgasstroms ist zusätzlich zum Sauerstoffmessgerät ein Durchflusssensor vorhanden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Anreicherung von Luft mit Sauerstoff bezieht sich auf eine Vorrichtung, bei welcher in serieller Abfolge
    eine Überdruckquelle zur Abgabe von Luft,
    ein Wasserabscheider,
    zwei parallel angeordnete Molekularsiebbetten zur wechselseitigen Adsorption und Desorption von Stickstoff und eine einen Spülgasstrom zwischen den Molekularsiebbetten ermöglichende Überströmeinrichtung vorgesehen sind.
  • Das Verfahren ist gekennzeichnet durch die Schritte,
    einen Produktgasstrom, welcher aus dem in der Adsorptionsphase befindlichen Molekularsiebbett austritt, mit einem Sauerstoffmessgerät zu analysieren,
    während einer Bereitschaftsphase, bei der die Sauerstoffkonzentration unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes für die Sauerstoffkonzentration liegt, den Produktgasstrom in einen Auslasskanal abzuleiten und
    während einer Betriebsphase, bei der die Sauerstoffkonzentration den vorbestimmten Schwellwert erreicht oder übersteigt, den Produktgasstrom einer Ver braucherleitung zuzuführen.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur gezeigt und im Folgenden näher erläutert.
  • Die einzige Figur zeigt eine Vorrichtung zur Anreicherung von Luft mit Sauerstoff, bei welcher in serieller Abfolge ein Triebwerk 110 als Überdruckquelle zur Abgabe von heißer Triebwerkluft, ein Wärmetauscher 120, ein Temperatursensor 130, eine Schnellverschlusskupplung 140, ein Wasserabscheider 150 zur Entfernung des freien Wassers aus der Triebwerkluft, ein Absperrventil 160 für die Zuluft, ein Druckminderer 170, ein Umschaltventil 180 zum wechselseitigen Befüllen und Entleeren von Molekularsiebbetten 200, ein Abschaltventil 190 für einen Auslasskanal 320, parallel angeordnete Molekularsiebbetten 200, eine Überströmeinrichtung 210, Rückschlagventile 220, ein Produktgas-Sammelbehälter 230, ein Produktgasfilter 240, ein Durchflusssensor 250, ein Sauerstoffsensor 260, ein Umschaltventil 270 für Produktgas, eine Drosselstelle 280, eine Schnellverschlusskupplung 290, eine Verbraucherleitung 310 und eine Mess- und Steuereinheit 300 angeordnet sind.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet folgendermaßen:
    Die aus dem Triebwerk 110 austretende heiße, mit Wasserdampf beladene Triebwerkluft wird in dem Wärmetauscher 120 auf circa 30 Grad Celsius abgekühlt. Der Temperatursensor 130 misst die Temperatur der Triebwerkluft hinter dem Wärmetauscher 120 und gibt diesen Wert zur Weiterverarbeitung an die Mess- und Steuereinheit 200 weiter. Hinter der Schnellverschlusskupplung 140 ist der Wasserabscheider 150 angeordnet, in dem das Kondensat entfernt und über den Auslasskanal 320 abgeführt wird. Die Abschaltventile 160 und 190 werden nur im Betrieb der Vorrichtung geöffnet, in der übrigen Zeit sind sie geschlossen, um ein Eindringen von Feuchtigkeit in die Molekularsiebbetten 200 zu verhindern. Mit Hilfe der Schnellverschluss kupplungen 140, 290 kann die Vorrichtung auch vollständig von dem Triebwerk 110 und der Verbraucherleitung 310 abgetrennt werden.
  • Der Druckminderer 170 reduziert den Druck auf einen Arbeitsdruck von circa 2 bis 3 bar. Über das Umschaltventil 180 wird die Luft den linken Molekularsiebbetten 200 zugeführt, wo Stickstoff adsorbiert wird. Die rechten Molekularsiebbetten 200 befinden sich in der Desorptionsphase und geben den vorab gebundenen Stickstoff an die Umgebung ab. Sobald die Adsorption abgeschlossen ist, wird das Umschaltventil 180 umgeschaltet und die rechten Molekularsiebbetten 200 werden für den Adsorptionsbetrieb benutzt.
  • Das mit Sauerstoff angereicherte Produktgas gelangt über die Rückschlagventile 220 in den Produktgas-Sammelbehälter 230. Um die Regeneration der Molekularsiebbetten 200 zu verbessern, wird ein Teil des erzeugten Produktgases über die Überströmeinrichtung 210 zu den auf der rechten Seite angeordneten Molekularsiebbetten 200 geleitet, die sich bei der in der Figur dargestellten Schaltstellung des Umschaltventils 180 in der Desorptionsphase befinden. Das Produktgas wird hinter den Molekularsiebbetten 200 in Produktgasfilter 240 gereinigt. Anschließend werden der Produktgasfluss mit dem Durchflusssensor 250 und die Sauerstoffkonzentration mit dem Sauerstoffmessgerät 260 gemessen und an die Mess- und Steuereinheit 300 übermittelt.
  • Das Umschaltventil 270 wird von der Mess- und Steuereinheit 300 derart angesteuert, dass während einer sogenannten „Warmlaufphase" oder „Bereitschaftsphase" das Produktgas über die Drosselstelle 280 in den Auslasskanal 320 gelangt und in die Umgebung abströmt. Die Bereitschaftsphase liegt solange vor, wie die gemessene Sauerstoffkonzentration unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes für die Sauerstoffkonzentration liegt. Hierzu wird in der Mess- und Steuereinheit 300 ständig die gemessene Sauerstoffkonzentration mit dem vorbestimmten Schwellwert verglichen. Sobald der Schwellwert erreicht oder überschritten ist und die entsprechende Flughöhe erreicht ist, erhält das Umschaltventil 270 von der Mess- und Steuereinheit 300 einen Umschaltimpuls, und das Produktgas gelangt über die Verbraucherleitung 310 in das in der Figur nicht dargestellte Sauerstoffverteilungsnetz des Flugzeuges.
  • In der Mess- und Steuereinheit 300 wird aus dem Produkt aus Sauerstoffkonzentration und dem mit dem Durchflusssensor 250 gemessenen Produktgasfluss die Sauerstoffleistung berechnet. Alternativ zur Sauerstoffkonzentration kann an der Mess- und Steuereinheit 300 auch ein Schwellwert für die Sauerstoffleistung vorgewählt werden, so dass die Umschaltung von der Bereitschaftsphase in die Betriebsphase dann erfolgt, wenn die Sauerstoffleistung den Schwellwert für die Sauerstoffleistung erreicht oder überschritten hat.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Anreicherung von Luft mit Sauerstoff in einem Flugzeug, bei welcher in serieller Abfolge eine Überdruckquelle (110) zur Abgabe von Luft, ein Wasserabscheider (150), zwei parallel angeordnete Molekularsiebbetten (200) zur wechselseitigen Adsorption und Desorption von Stickstoff, eine einen Spülgasstrom zwischen den Molekularsiebbetten (200) ermöglichende Überströmeinrichtung (210), ein den mit Sauerstoff angereicherten Produktgasstrom analysierendes Sauerstoffmessgerät (260) und eine Umschaltvorrichtung (270) für den aus dem Molekularsiebbett (200) austretenden Produktgasstrom vorgesehen sind, wobei in einer ersten Schaltstellung der Umschaltvorrichtung (270) eine Strömungsverbindung zu einem Auslasskanal (320) hergestellt ist und in einer zweiten Schaltstellung eine Strömungsverbindung zu einer Verbraucherleitung (310) besteht und dass Mittel zur Erzeugung eines Umschaltsignals von der ersten in die zweite Schaltstellung beim Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes für die Sauerstoffkonzentration vorgesehen sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal (320) eine Drosselstelle (280) aufweist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal (320) als gemeinsamer Strömungskanal für den Produktgasstrom und den Spülgasstrom ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal (320) zur Aufnahme des durch den Wasserabscheider (150) ausgeschiedenen Kondenswassers ausgeführt ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Produktgasfluss erfassender Durchflusssensor (250) vorhanden ist und dass das Umschaltsignal beim Erreichen oder Überschreiten eines vorbestimmten Schwellwertes für die Sauerstoffleistung als Produkt von Sauerstoffkonzentration und Produktgasfluss gebildet ist.
  6. Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung zur Anreicherung von Luft mit Sauerstoff in einem Flugzeug, bei welcher in serieller Abfolge eine Überdruckquelle (110) zur Abgabe von Luft, ein Wasserabscheider (150), zwei parallel angeordnete Molekularsiebbetten (200) zur wechselseitigen Adsorption und Desorption von Stickstoff und eine einen Spülgasstrom zwischen den Molekularsiebbetten (200) ermöglichende Überströmeinrichtung (210) vorgesehen sind, gekennzeichnet durch die Schritte einen Produktgasstrom, welcher aus dem in der Adsorptionsphase befindlichen Molekularsiebbett (200) austritt, mit einem Sauerstoff-Messgerät (260) zu analysieren, während einer Bereitschaftsphase, bei der die gemessene Sauerstoffkonzentration unterhalb eines vorgegebenen Schwellwertes für die Sauerstoffkonzentration liegt, das Produktgas in einen Auslasskanal abzuleiten, und während einer Betriebsphase, bei der die gemessene Sauerstoffkonzentration den vorbestimmten Schwellwert erreicht oder übersteigt, das Produktgas einer Verbraucherleitung (310) zuzuführen.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, den Auslasskanal (320) mit einer Drosselstelle (280) zu versehen.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, den Auslasskanal (320) als gemeinsamen Strömungskanal für den Produktgasstrom und den Spülgasstrom auszubilden.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, in den Auslasskanal (320) das in dem Wasserabscheider (150) ausgeschiedene Kondenswasser einzuleiten.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, zusätzlich zur Sauerstoffkonzentration den Produktgasfluss mit einem Durchflusssensor (250) zu erfassen und die Umschaltung von der Bereitschaftsphase in die Betriebsphase beim Überschreiten eines vorgegebenen Schwellwertes für die Sauerstoffleistung als Produkt aus Produktgasfluss und Sauerstoffkonzentration vorzunehmen.
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