DE60308058T2

DE60308058T2 - Sauerstoffversorgungsanlage

Info

Publication number: DE60308058T2
Application number: DE60308058T
Authority: DE
Inventors: Richard James Yeovil AXE; Richard Grant Yeovil Hunt
Original assignee: Honeywell Normalair Garrett Holdings Ltd
Current assignee: Honeywell UK Ltd; Honeywell Aerospace BV
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2023-12-05
Also published as: US20060144233A1; AU2003290231A1; EP1567413B1; WO2004050479A1; EP1567413A1; ES2270140T3; GB0228253D0; US7485172B2; DE60308058D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Liefern von Gas an ein System, das Produktgas von einer Gaszufuhr abtrennt.
Es sind Systeme zur Abtrennung von Produktgas, wie zum Beispiel mit Sauerstoff angereichertem Gas zum Atmen, von einer Zufuhr von mit Druck beaufschlagtem Gas, wie zum Beispiel Druckluft, bekannt. In einer beispielhaften Anordnung ist die Druckgaszufuhr heiße mit Druck beaufschlagte Luft, die aus einem Gasturbinenmotor abgezapft ist, und enthält das Abtrennsystem mindestens ein, gewöhnlich eine Vielzahl von, Molekularsiebbetten, die Molekularsiebbettmaterial enthalten, das in einem ersten Betriebsmodus Nichtproduktgas aus der Druckluftzufuhr adsorbiert und wird in einem zweiten Betriebsmodus das adsorbierte Nichtproduktgas, wenn das Siebbett zu Umgebungsdrücken offen ist, aus dem Molekularsiebbettmaterial abgelassen. Auf diese Weise wird mit Sauerstoff angereichertes Produktgas von der Versorgungsluft abgetrennt. Ein derartiges System ist als ein OBOG (On-Board Oxygen Generating)-System bekannt.
OBOGs werden in Flugzeugen zur Erzeugung von mit Sauerstoff angereichertem Gas für Atemzwecke verwendet.
Für ein Flugzeug stellt das Gewicht einen kritischen Faktor für jedes installierte System dar. Die Bereitstellung von einem derartigen System, das ein Atemgas bereitstellen kann, vermeidet die Notwenigkeit, große Volumen von mit Druck beaufschlagtem Atemgas in schweren Behältern zu transportieren. Die Effizienz von OBOG hängt jedoch von vielen Faktoren ab, von denen einer Temperatur der zugeführten Luftzufuhr ist und ein weiterer davon die Feuchtigkeitsmenge in der Luftzufuhr ist. Ein OBOG adsorbiert am effizientesten Nichtproduktgas, wenn die zugeführte Luft innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs liegt, und da Feuchtigkeit in der Luftzufuhr dazu neigt, vom Molekularsiebbettmaterial adsorbiert zu werden, beeinträchtigt übermäßig nasse Versorgungsluft auch die Arbeitseffizienz des OBOG.
Es ist bekannt, in einem Flugzeug die heiße Druckluftzufuhr in einem relativ geringen Ausmaß vor Zufuhr der Luftzufuhr zum Abtrennsystem unter Verwendung von Umgebungsluft zu kühlen, die als ein Kühlmittel in einem Wärmetauscher verwendet wird, wobei die Umgebungsluft typischerweise sogenannte Stauluft ist, die durch den Wärmetauscher aufgrund der Bewegung des Flugzeugs durch die Luft strömt, obwohl auf dem Boden genannte kühlende Umgebungsluft durch einen Lüfter eingeleitet werden kann.
Ein weiterer Gesichtspunkt für ein Flugzeug, insbesondere ein Militärflugzeug, stellt die Temperatur von abgelassenem Nichtproduktgas dar, aber sogar für ein Zivilflugzeug stellt das Ablassen von heißem Nichtproduktgas eine Energieverschwendung dar.
Die US-A-4378920 lehrt die Aufteilung der Luftzufuhr in Systemluft und Versorgungsluft, Kühlen der Systemluft durch Expandieren über einer Turbine und danach Verwendung der gekühlten Systemluft in einem Wärmetauscher zum Kühlen der Versorgungsluft vor Ablassen der Systemluft über Bord.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung stellen wir ein System zum Liefern von Gas an ein System gemäß Anspruch 1 bereit.
Somit werden durch Verwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung Probleme bei bestehenden Systemen, insbesondere Systemen vom OBOG-Typ, zumindest verringert, indem die Temperatur des Versorgungsgases, das dem bzw. den OBOG(s) zugeführt wird, so gesteuert werden kann, daß sie innerhalb eines Temperaturbereiches liegt, in dem das bzw. die OBOG(s) am effizientesten arbeitet/arbeiten, und wird das nasse Versorgungsgas getrocknet. Obwohl Konditionierung des Versorgungsgases mit der Bereitstellung einer Konditioniervorrichtung verbunden sein wird, die zum Gewicht beiträgt, wird dies ausgeglichen, da ein kleineres, leichteres Gasabtrennsystem, als andernfalls erforderlich wäre, bereitgestellt werden kann.
Aufgrund der Erfindung ergibt sich außerdem eine minimale Energievergeudung bei der Gaszufuhr und muß die Temperatur der abgelassenen Luft nicht erheblich über der Umgebungstemperatur sein.
Die Kühleinrichtung ist zweckmäßigerweise eine Turbine, über der das Systemgas expandiert wird. Wenn die Gaszufuhr heißes stark mit Druck beaufschlagtes Gas, wie zum Beispiel Luft, die aus einem Gasturbinenmotor abgezapft ist, ist, kann aus dem heißen mit Druck beaufschlagten Gas durch die Turbine wiedergewonnene Energie von der Konditioniervorrichtung verwendet werden, um zum Beispiel einen Kompressor zum Komprimieren und Erwärmen des Systemgases zur Verwendung in dem Wärmetauscher anzutreiben, nachdem das Systemgas als ein Kühlmittel in dem Kondensator verwendet worden ist.
Das Verfahren kann Messen der Temperatur des Versorgungsgases stromabwärts vom Wärmetauscher enthalten, um eine Eingabe an eine Steuerung zu liefern, die ein Ventil als Antwort öffnet und schließt, und die Strömung des komprimierten Systemgases zum Wärmetauscher zu steuern, so daß die Temperatur des an das Abtrennsystem gelieferten Versorgungsgases gesteuert werden kann.
Das Verfahren gemäß der Erfindung kann die Verwendung von Umgebungsluft als ein Kühlmittel in einem Vorkühler-Wärmetauscher zum Kühlen der Gaszufuhr vor Konditionieren des Versorgungsgases enthalten.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung stellen wir eine Kombination von einem System, das Produktgas von Versorgungsgas abtrennt, und einer Konditioniervorrichtung gemäß Anspruch 7 bereit.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung stellen wir ein Flugzeug gemäß Anspruch 8 bereit.
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, die ein beispielhaftes erläuterndes Diagramm einer Kombination eines Systems, das Produktgas von Versorgungsgas abtrennt, und einer Konditioniervorrichtung zum Kühlen des Versorgungsgases zur Verwendung in dem Abtrennsystem zeigt, die durch das Verfahren gemäß der Erfindung betreibbar ist.
In der Zeichnung ist eine Kombination von einem System 10 zur Abtrennung von Produktgas von einem Versorgungsgas und einer Konditioniervorrichtung 12 zur Verwendung in einem Flugzeug gezeigt.
Es ist eine Druckgaszufuhr 14 vorgesehen, die in diesem Beispiel heiße mit Druck beaufschlagte Luft ist, die aus einem Gasturbinenmotor des Flugzeugs abgezapft ist. Diese wird in einem Vorkühler-Wärmetauscher 15 durch ein Kühlmittel vorgekühlt, das Stauluft 16 ist, die durch den Vorkühler-Wärmetauscher 15 aufgrund der Bewegung des Flugzeugs durch die Luft und/oder durch den Betrieb eines Lüfters geht. Die heiße Druckluftzufuhr 14 wird somit in einem gewissem Grad gekühlt, aber im allgemeinem für eine optimale Verwendung in dem Gasabtrennsystem 10 stromabwärts nicht ausreichend.
Somit wird die vorgekühlte, aber unverändert heiße und mit Druck beaufschlagte Luft danach aufgeteilt, um Versorgungsluft entlang einer Versorgungsleitung 17, wobei die Versorgungsluft der Konditioniervorrichtung 12 zugeführt wird, und Systemluft bereitzustellen, die entlang einer Systemluftleitung 18 geleitet wird.
Die Systemluft in Leitung 18 wird einer Turbine 20 zugeführt, über der die Systemluft zum Kühlen der Systemluft wesentlich expandiert wird. Die gekühlte Systemluft wird danach über eine Leitung 21 einem Kondensator 22 zugeführt, wo die gekühlte Systemluft als ein Kühlmittel zum Kühlen der Versorgungsluft aus der Leitung 17 und somit zum Kondensierenlassen von in der Versorgungsluft vorhandenem Wasser aus der Versorgungsluft verwendet wird, so daß die Versorgungsluft sowohl getrocknet als auch gekühlt wird.
Obwohl dies nicht gezeigt ist, kann ein stromabwärtiger Wasserabscheider zusätzlich vorgesehen sein, um zu ermöglichen, daß kondensiertes Wasser aus der Versorgungsluft entfernt wird. Die gekühlte Versorgungsluft wird danach über einen optionalen weiteren Wärmetauscher 24 dem Produktgasabtrennsystem 10 zugeführt, das in diesem Beispiel eine Vielzahl von OBOGs 25, 26 (von denen nur zwei zu Darstellungszwecken gezeigt sind) enthält, die im Gebrauch mit Sauerstoff angereichertes Produktgas von der Versorgungsluft zur Verwendung in einem stromabwärtigen Atemsystem durch die Flugzeugbesatzung/Passagiere des Flugzeugs trennen.
Die Systemluft, die als ein Kühlmittel in dem Kondensator 22 verwendet wird, wird nachfolgend einem Kompressor 28 zugeführt, der für maximale Effizienz in diesem Beispiel auf einer gemeinsamen Achse 29 mit der Turbine 20 getragen wird, so daß aus der heißen mit Druck beaufschlagten Versorgungsluft wiedergewonnene Energie zum Antreiben des Kompressors 28 verwendet wird. Somit wird die Systemluft durch Komprimieren vor Einleiten in eine Leitung 30 erwärmt.
Wenn die Temperatur der Luft nach Trocknen der Versorgungsluft in dem Kondensator 22 unterhalb des Temperaturbereiches liegt, in dem die OBOGs optimal arbeiten, kann die Temperatur der Versorgungsluft in einem optionalen weiteren Wärmetauscher 24 durch Verwendung der komprimierten und somit erwärmten Systemluft aus der Leitung 30 zum Erwärmen der Versorgungsluft angehoben werden. Um sicherzustellen, daß die Temperatur der Versorgungsluft in dem Wärmetauscher 24 nicht übermäßig angehoben wird, und so angehoben wird, daß die Temperatur der Versorgungsluft in den optimalen Temperaturbereich für die OBOGs gebracht wird, kann eine Bypass-Leitung 32 für die erwärmte komprimierte Systemluft vorgesehen sein, so daß die Systemluft oder zumindest ein Teil davon an die Umgebung bei 35 abgelassen werden kann, ohne daß sie durch den optionalen weiteren Wärmetauscher 24 geht.
Die Strömung von Systemluft entlang der Bypass-Leitung 32 wird von einem Ventil 34 gesteuert, das ein elektrisch angetriebenes Ventil ist, das von einer Steuerung 38 als Antwort auf eine Eingabe von einem Temperatursensor 39 betrieben wird, der angeordnet ist, um die Temperatur der konditionierten Versorgungsluft genau vor Einleiten der Versorgungsluft in das Abtrennsystem 10 zu messen. Somit kann das Ventil 34 von der Steuerung, und nach Bedarf verhältnismäßig, geöffnet und geschlossen werden, um sicherzustellen, daß die Versorgungsluft nur auf eine gewünschte Temperatur in dem optionalen weiteren Wärmetauscher 24 erwärmt wird.
Es können zahlreiche Modifikationen vorgenommen werden, ohne aus dem Schutzbereich der Erfindung zu gelangen. Obwohl die Erfindung insbesondere für die Verwendung mit einem Sauerstoffkonzentrationssystem 10 für ein Flugzeug beschrieben worden ist, kann zum Beispiel die Erfindung für andere Gassysteme und in anderen Umgebungen als einem Flugzeug verwendet werden. Somit muß die Gasversorgung 14 keine heiße und mit Druck beaufschlagte Luft sein, sondern kann eine Umgebungsluftzufuhr sein, obwohl in diesem Fall Energie zum Antreiben der Turbine 20 und des Kompressors 28, falls vorgesehen, erforderlich sein kann.

Claims

Verfahren zum Liefern von Gas an ein System (10), das Produktgas von einem mit Druck beaufschlagten Versorgungsgas (17) abtrennt, wobei das Verfahren Konditionieren des Versorgungsgases (17) durch Aufteilen der Gaszufuhr (14) in Systemgas (18) und Versorgungsgas (17), Zuführen des Versorgungsgases (17) zu einem Kondensator (22), wo das Versorgungsgas (17) durch ein Kühlmittel gekühlt und Feuchtigkeit aus dem Versorgungsgas (17) zum Trocknen des Versorgungsgases (17) entfernt wird, Leiten des Systemgases (18) zu einer Kühleinrichtung (20), wo das Systemgas (18) gekühlt wird, und Verwenden des gekühlten Systemgases (18) als das Kühlmittel in dem Kondensator (22) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das gekühlte Systemgas (18) nach Verwendung des gekühlten Systemgases als ein Kühlmittel in dem Kondensator (22) komprimiert wird und in einem Wärmetauscher (24) verwendet wird, um das Versorgungsgas (17) nach der Trocknung zu erwärmen und das Versorgungsgas (17) ferner zu konditionieren, um die Temperatur des Versorgungsgases (17) in einen optimalen Arbeitsbereich für das stromabwärtige Abtrennsystem (10) zu bringen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinrichtung (20) eine Turbine ist, über der das Systemgas (18) expandiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszufuhr (14) heißes stark mit Druck beaufschlagtes Gas ist und Energie aus dem heißen mit Druck beaufschlagten Gas (14) wiedergewonnen wird, indem die Turbine (20) von der Konditioniervorrichtung zum Antreiben eines Kompressors (28) zum Komprimieren und Erwärmen des Systemgases (18) zur Verwendung in dem Wärmetauscher (24) benutzt wird, nachdem das Systemgas (18) als ein Kühlmittel in dem Kondensator (22) verwendet worden ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es Messen der Temperatur des Versorgungsgases (18) stromabwärts (39) vom Wärmetauscher (24) enthält, um eine Eingabe an eine Steuerung (28) zu liefern, die ein Ventil (34) als Antwort öffnet und schließt, und die Strömung des komprimierten Systemgases (17) zum Wärmetauscher (24) zu steuern.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Nachgang zur Verwendung des komprimierten Systemgases zum Erwärmen des Versorgungsgases (18) in dem Wärmetauscher (24) das Systemgas (17) abgelassen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Verwendung von Umgebungsluft (16) als ein Kühlmittel in einem Vorkühler-Wärmetauscher (15) zum Kühlen der Gaszufuhr (14) vor Konditionieren des Versorgungsgases (17) enthält.
Kombination von einem System (10), das Produktgas von Versorgungsgas (17) abtrennt, und einer Konditioniervorrichtung zum Kühlen des Versorgungsgases (17) zur Verwendung in dem Abtrennsystem (10), wobei die Konditioniervorrichtung ein Mittel zum Aufteilen einer Gaszufuhr (14) in Systemgas (18) und Versorgungsgas (17) und zum Zuführen des Versorgungsgases (17) zu einem Kondensator (22) enthält, wo das Versorgungsgas (17) durch ein Kühlmittel gekühlt und Feuchtigkeit aus dem Versorgungsgas zum Trocknen des Versorgungsgases (17) entfernt wird, eine Kühleinrichtung (20), ein Mittel zum Leiten des Systemgases (18) zur Kühleinrichtung (20), wo das Systemgas (18) gekühlt wird, und ein Mittel zum Zuführen des gekühlten Systemgases (18) zum Kondensator (22) zur Verwendung als das Kühlmittel in dem Kondensator (22) enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kompressor (28) zum Komprimieren des gekühlten Systemgases (18) nach Verwendung des Systemgases (18) als ein Kühlmittel in dem Kondensator (22), einen Wärmetauscher (24) und ein Mittel zum Zuführen des komprimierten Systemgases (18) und des gekühlten und getrockneten Versorgungsgases (17) zum Wärmetauscher (24) enthält, wodurch das Versorgungsgas (17) aufgewärmt wird, um die Temperatur des Versorgungsgases (17) in einen optimalen Arbeitsbereich für das stromabwärtige Abtrennsystem (17) zu bringen.
Flugzeug mit einer Kombination von einem System (10), das Produktgas von Versorgungsgas (14) abtrennt, und einer Konditioniervorrichtung zum Kühlen des Versorgungsgases (17) zur Verwendung in dem Abtrennsystem (10) nach Anspruch 7.