DE3838508C2

DE3838508C2 -

Info

Publication number: DE3838508C2
Application number: DE19883838508
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. 2800 Bremen De Mickeleit
Original assignee: Erno Raumfahrttechnik 2800 Bremen De GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1988-11-12
Filing date: 1988-11-12
Publication date: 1990-10-11
Also published as: DE3838508A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung der Kohlendioxidkonzentration in der Gasatmosphäre eines luftdicht abgeschlossenen Raumes, insbesondere einer Orbitalstation, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Bei der Überwachung der Gaszusammensetzung in der Atmosphäre von Orbitalstationen stellt sich unter anderem die Aufgabe einer Kontrolle des Kohlendioxid anteils in der Raumluft derartiger Stationen. Dies gilt sowohl für die atembare Atmosphäre in bemannten Raum stationen als auch beispielsweise für Experimente, bei denen die CO₂-Produktion und/oder der CO₂-Verbrauch von Pflanzen untersucht werden soll. Zwar sind bereits eine ganze Reihe von Verfahren bekannt, mit denen eine Überwachung der Gaszusammensetzung und damit unter anderem auch des CO₂-Anteils in einem derartigen abgeschlossenen System möglich ist, jedoch weisen diese Verfahren häufig Nachteile auf, die sie insbesondere für eine Verwendung in Orbitalstationen ungeeignet erscheinen lassen. Entweder sind diese bekannten Verfahren zu aufwendig und die zu ihrer Durchführung benötigten Einrichtungen damit zu schwer bzw. zu teuer, oder sie sind nicht genau genug, oder aber sie eignen sich nicht für eine gleichzeitige Regelung des Kohlendioxid- Partialdruckes in einer Gasatmosphäre.

So ist aus der DE-OS 22 33 013 ein Verfahren der eingangs genannten Art bekannt, bei dem Massenspektrometer zur Ermittlung des CO₂-Anteils in einer Gasatmosphäre eingesetzt wird und bei dem die Einstellung eines vorgegebenen CO₂-Partialdrucks über eine mit dem Signalausgang des Massenspektrometers verbundene Stellschaltung für Absperrventile erfolgt. Daneben ist aus der DE-OS 36 14 387 ein Verfahren zur gesteuerten Anreicherung einer Gasatmosphäre mit CO₂ bekannt, bei dem die Steuerung der CO₂-Zufuhr aus einem Gasgenerator über die Messung des Abbrandverhaltens einer von einem Meßgas gespeisten Flamme erfolgt. Während das erstgenannte Verfahren aufgrund des zu seiner Durchführung erforderlichen Aufwandes für Orbitalstationen problematisch ist, scheidet das zuletzt beschriebene Verfahren allein schon aus Sicherheitgsgründen sowie wegen der nicht gewährleisteten Regelgenauigkeit von vornherein für den vorgesehenen Verwendungszweck aus.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit dessen Hilfe eine exakte und funktionssichere Regelung der Kohlendioxidkonzentration in einer luftdicht abgeschlossenen Umgebung möglich ist und das zugleich den speziellen Anforderungen der Weltraumtechnik hinsichtlich Platzbedarf, Gewicht und minimaler Wartungsanforderungen gerecht wird. Ferner soll durch die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitgestellt werden.

Die Erfindung löst die erste Aufgabe durch ein Ver fahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentan spruches 1. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt dabei eine reversible, heterogene Dissoziationsreaktion vom Typ

(f = fest, g = gasförmig) zugrunde, wobei XCO₃ ein Karbonat eines Alkalimetalls, eines Erdalkalimetalls oder eines Metalls und XO das Oxid dieses Elementes ist. Da die jeweiligen Dampf drücke der beiden Festkörper, d .h. des Karbonats und des Oxids gegenüber demjenigen des gasförmig vorliegen den Kohlendioxids nahezu vernachlässigbar sind, ent spricht der Gesamtdruck des Reaktionssystems praktisch dem temperaturabhängigen Gleichgewichtsdruck des Kohlen dioxids, der identisch ist mit dem CO₂-Partialdruck in der Gasatmosphäre des zu kontrollierenden Gasgemisches. Die Messung und Regelung der Kohlendioxidkonzentration in der Gasatmosphäre wird bei dem Verfahren gemäß der Erfindung damit auf eine technisch vergleichsweise einfach zu realisierende Temperaturmessung und -rege lung zurückgeführt. Zur Lösung der weiteren Aufgabe sieht die Erfindung eine Vorrichtung mit den kennzeich nenden Merkmalen des Anspruches 4 vor.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung, die insbe sondere der weiteren Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der zu seiner Durchführung vorgesehe nen Vorrichtung im Hinblick auf den speziellen Einsatz in einer Orbitalstation dienen, sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die Figur zeigt dabei eine Prinzip skizze eines mit einer Vorrichtung zur Regelung der Kohlendioxidkonzentration ausgestatteten, luftdicht abgeschlossenen Raumes.

Dieser Raum 1, bei dem es sich beispielsweise um das Innere einer Orbitalstation handeln kann, ist über eine Rohrleitung 2 sowie über Ventile 3 und 4 mit einer Reaktionskammer 5 verbunden. Weiterhin ist in diesem System eine Pumpe 6 vorgesehen. Die Reaktionskanmer 5 ist durch einen Filter 7 in zwei Bereiche 8 und 9 unterteilt, von denen der in der Zeichnung linke Bereich 8 mit einer Aufheizeinrichtung versehen ist. Diese besteht aus einer Heizwicklung 10, einem Tempera turfühler 11 sowie einer einstellbaren Regeleinheit 12, deren Eingang vom Temperaturfühler 11 beaufschlagt wird und die den Stromdurchgang durch die Heizwicklung 10 kontrolliert.

Die Heizwicklung 10 verläuft dabei in einer Füllung 13, die aus einer feinverteilten Mischung Kalziumkarbonat CaCO₃ und Kalziumoxid CaO besteht und die einen Teil des Bereiches 8 der Reaktionskammer 5 einnimmt.

Zur Einstellung eines vorgegebenen Kohlendioxidanteils in der Atmosphäre des Raumes 1 wird die reversible, heterogene Dissoziationsreaktion:

CaCO₃ CaCO + CO₂

ausgenutzt, bei der der sich einstellende Partialdruck des Kohlendioxids in der Atmosphäre der Reaktionskammer 5 von der Temperatur bestimmt wird, bei der diese Reaktion abläuft.

Mit Hilfe der Pumpe 6 wird aus dem Raum 1, dessen Gasatmosphäre zu regeln ist, ein Gasstrom in den mit dem Reaktionsgemisch gefüllten Bereich 8 der Reaktions kammer 5 gefördert, der dort über die Füllung 13 strömt und in dem sich der durch die Temperatur in diesem Bereich vorgegebene CO₂-Partialdruck einstellt. Dieses Gas strömt weiter in den angrenzenden Bereich 9 der Reaktionskammer 5, wobei der Filter 7 den Gasstrom frei von Feststoffpartikeln hält. Über die Rohrleitung 2 strömt das Gasgemisch anschließend in Pfeilrichtung zurück in den zu überwachenden Raum 1. Durch zeitweili ges Schließen der Ventile 3 und 4 ist es dabei möglich, eine diskontinuierliche Betriebsweise zu realisieren.

Es läßt sich zeigen, daß der sich auf diese Weise einstellende Partialdruck des Kohlendioxids über eine Beziehung der Art

ln p _co2 = f (1/T)

von der Reaktionstemperatur abhängt, d. h. daß der natürliche Logarithmus des Partialdrucks umgekehrt proportional dieser Temperatur ist. Innerhalb einer Elementgruppe, beispielsweise derjenigen der Erdalkali metalle, wächst dabei für einen konstanten Gleich gewichtsdruck p _co2 die Temperatur T mit steigender Ordnungszahl.

Im Fall des für das hier beschriebene Ausführungsbei spiel verwendeten Feststoffgemisches Kalziumkarbonat/ Kalziumoxid wurde durch einen vorangehenden Kalibrier versuch ermittelt, daß sich der Zusammenhang zwischen dem Gleichgewichtspartialdruck des Kohlendioxids und der Reaktionstemperatur gemäß der Beziehung

beschreiben läßt.

Um nun beispielsweise eine Kohlendioxidkonzentration von 0,1%, entsprechend einem CO₂-Partialdruck von 0,76 Torr im Raum 1 einzustellen, muß die Reaktionstem peratur etwa 543 Grad Celsius betragen. Auf diesen Temperaturwert wird die Regeleinheit 12 für die Heiz wicklung 10 voreingestellt. Um den Partialdruck des Kohlendioxids im Gasgemisch des Raumes 1 konstant bei dem in diesem Fall vorgegebenen Wert von 0,76 Torr zu halten, muß somit die Regeleinheit 12 die Temperatur in der Reaktionskammer 5 konstant auf einen Wert von 543 Grad Celsius regeln. Eine Abweichung um etwa 3 Grad von diesem Wert würde dabei zu einer Abweichung des Partialdruckes um etwa 0,076 Torr oder 0,01% von der vorgegebenen Kohlendioxidkonzentration führen.

Anzumerken ist, daß die Teilchengröße des als Füllung 13 eingebrachten Kalziumkarbonats als Maß der für die Reaktion zur Verfügung stehenden freien Oberfläche entscheidend für die Geschwindigkeit des Reaktionsab laufes ist. Um einen raschen Reaktionsablauf zu er zielen, sollte die Siebfraktion möglichst klein sein, beispielsweise zwischen 20 und 50 Mikrometern. Anderer seits ist es im Hinblick auf eine möglichst weitgehende Unabhängigkeit des Reaktionsablaufes vom Zersetzungs grad des beteiligten Feststoffgemisches vorteilhaft, wenn größere Partikel bzw. Aggregate eingesetzt werden. Die Abhängigkeit des sich einstellenden CO₂-Dampf druckes vom Zersetzungsgrad des Feststoffgemisches ist dabei um so geringer, je niedriger die Reaktionstempe ratur liegt. Im Bereich der im hier beschriebenen Ausführungsbeispiel gewählten Reaktionstemperatur, d. h. bei etwa 550 Grad Celsius, ist der Partialdruck nahezu unabhängig vom Zersetzungsgrad.

Das Verhältnis der Einwaage der Füllung 13, im vor liegenden Fall des Kalziumkarbonats, zum zur Verfügung stehenden Gasraumvolumen hat keinen Einfluß auf den sich einstellenden Gleichgewichtsdampfdruck des Kohlen dioxids und damit auf die sich einstellende Kohlen dioxidkonzentration. Es bestimmt lediglich die Zeit, die bis zum Erreichen der angestrebten Konzentration im Gasgemisch benötigt wird. Um darüber hinaus den Anlauf vorgang zu beschleunigen, ist es vorteilhaft, das in die Reaktionskammer 5 eingebrachte Kalziumkarbonat mit Keimen der neu zu bildenden Phase, in diesem Fall dem Kalziumoxid, zu infizieren.

Bezugszeichenliste:

1 Raum
2 Rohrleitung
3, 4 Ventil
5 Reaktionskammer
6 Pumpe
7 Filter
8,9 Bereiche
10 Heizwicklung
11 Temperaturfühler
12 Regeleinheit
13 Füllung

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Kohlendioxidkonzentra tion in der Gasatmosphäre eines gasdicht abge schlossenen Raumes, insbesondere einer Orbital station, dadurch gekennzeichnet, daß in das Innere einer mit dem Raum (1) verbundenen Reaktionskammer (5) ein Karbonat eines Alkalimetalls, Erdalkali metalls oder Metalls eingebracht wird, daß die Reaktionskammer (5) auf eine Temperatur gebracht wird, bei der der Gleichgewichtsdruck des aufgrund der Dissoziation des Karbonats in das Oxid des gleichen Elementes und in gasförmiges Kohlendioxid entstehenden Kohlendioxids dem der vorgegebenen Kohlendioxidkonzentration entsprechenden Partial druck des Kohlendioxids entspricht und daß diese Temperatur in etwa konstant gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Karbonat Kalziumkarbonat (CaCO₃) gewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem eine Kohlen dioxidkonzentration von 0,1%, entsprechend einem Partialdruck des Kohlendioxids von 0,76 Torr vorgegeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in der Reaktionskammer auf etwa 543 Grad Celsius konstant gehalten wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 gekennzeichnet durch eine mit dem Raum (1) gasdicht verbundene Reak tionskammer (5), in deren Innerem eine Füllung (13) aus einem Karbonat eines Alkalimetalls, Erdalkali metalls oder Metalls angeordnet ist und die mit einer regelbaren Aufheizeinrichtung (10, 11, 12) versehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die Füllung (13) aus Kalziumkarbonat besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Füllung (13) aus Partikeln besteht, deren Durchmesser kleiner als 50 Mikro meter ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (5) über eine Ringleitung (2) mit dem Raum (1) ver bunden ist, in der weiterhin eine Pumpe (6) sowie wenigstens ein Absperrventil (2, 3) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (5) durch einen Filter (7) in zwei Bereiche (8, 9) unterteilt ist.