DE69931090T2

DE69931090T2 - Equipment for regulating the ambient air

Info

Publication number: DE69931090T2
Application number: DE69931090T
Authority: DE
Inventors: Edward J. Dorking Bennett
Original assignee: Aircontrol Technologies Ltd
Current assignee: Ametek Airtechnology Group Ltd
Priority date: 1998-02-05
Filing date: 1999-02-04
Publication date: 2006-08-31
Anticipated expiration: 2019-02-05
Also published as: DE69931090D1; ATE325315T1

Description

Diese Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung von Luftumgebungen. Der Erfindung findet insbesondere Anwendung auf Umweltlebens-Erhaltungssysteme für Militärfahrzeuge und für Atombunker.These This invention relates to method and apparatus for monitoring of air environments. The invention finds particular application on environmental life preservation systems for military vehicles and nuclear bunkers.

Militärfahrzeuge müssen wirkungsvoll auf dem Schlachtfeld operieren können, wenn sie von atomaren, biologischen und chemischen (ABC)-Waffen angegriffen oder mit dem Angriff bedroht werden. Um zu gewährleisten, dass die Leistungsfähigkeit der Mannschaft aufrechterhalten wird, wird normalerweise ein gemeinschaftlicher Schutz durch die Schaffung einer sauberen Umgebung in einem abgeschlossenen Raum eines Mannschaftswagens mit gefilterter Luft bereitgestellt. Unter solchen Bedingungen kann die Mannschaft ohne die Behinderung von Schutzhandschuhen und Gasmasken, die die Arbeitswirksamkeit der Mannschaft außerordentlich verringern, weiterarbeiten. Nichtsdestotrotz würden ABC-Anzüge normalerweise die ganze Zeit getragen werden, da es schwierig ist, sie im begrenzten Raum eines Fahrzeugs anzuziehen.Military vehicles have to be able to operate effectively on the battlefield if they are of nuclear, biological and chemical (ABC) weapons attacked or with the Attack are threatened. To ensure that the performance the crew is usually a communal Protection by creating a clean environment in a closed Space of a team car with filtered air provided. Under such conditions, the team can without the obstruction of Protective gloves and gas masks, which enhance the working efficiency of the Greatly reduce crew, continue working. Nonetheless, ABC suits would normally to be worn all the time as it is difficult to get them in the limited To attract space of a vehicle.

Damit das Fahrzeug bewohnbar bleibt und damit die Mannschaft als eine wirksame militärische Einheit operieren kann, ist ein wirksames Kühlsystem erforderlich, um die physiologischen Anforderungen für einen Fahrzeugaufenthalt in einem abgeschlossenen Fahrzeug zu erfüllen, wobei die Mannschaft ABC-Schutzanzüge trägt. Systeme, die einen gemeinschaftlichen ABC-Schutz und das Abkühlen oder Aufwärmen der Umgebung der Mannschaftskabine bereitstellen, werden als "Umweltlebens-Erhaltungssysteme" bezeichnet.In order to the vehicle remains habitable and thus the crew as one effective military unit An efficient cooling system is required to operate physiological requirements for to meet a vehicle stay in a locked vehicle, wherein the crew wears ABC protective suits. systems, the one community ABC protection and cooling or heat up provide for the crew cabin environment are referred to as "environmental life maintenance systems".

Herkömmlich basierten Umweltlebens-Erhaltungssysteme für Militärfahrzeuge auf Aktivkohlefilter, wobei durch Dampfkreis lauf-Kühlung gekühlt wurde. Obwohl Aktivkohlefilter ein hohes Schutzniveau bieten, sind sie nicht regenerierbar und müssen nach einem chemischen Angriff weggeworfen und ausgetauscht werden. Die wirksame Nutzdauer der Filter hängt von der Konzentration und dem Wesen der Bedrohung ab, kann bei einigen ABC-Mitteln aber nur einige wenige Stunden betragen.Conventionally based Environmental Life Conservation Systems for Military vehicles on activated carbon filter, which was cooled by steam cycle-cooling. Although activated carbon filters offer a high level of protection, they are not regenerable and need to thrown away and exchanged in a chemical attack. The effective service life of the filter depends from the concentration and the nature of the threat, can in some ABC funds but only a few hours amount.

Dies schränkt den wirksamen Betrieb eines Fahrzeugs auf einem Schlachtfeld ernsthaft sein, wenn ABC-Waffen gegen sie eingesetzt werden, und erzeugt hohe Betriebskosten auf Grund der Logistikkette, die erforderlich ist, um eine regelmäßige Versorgung mit neuen Filtern im vorderen Bereich des Schlachtfelds bereitzustellen, um die Fahrzeugflotte zu unterstützen, und auch der gleichzeitigen Entfernung und Entsorgung der kontaminierten Filter.This restricts the effective operation of a vehicle on a battlefield seriously be when ABC weapons are used against them and generate high Operating costs due to the logistics chain that is required for a regular supply to provide with new filters in the front of the battlefield, to support the vehicle fleet, and also the simultaneous removal and disposal of the contaminated Filter.

Es wurden neuere Systeme entwickelt, die auf einer regenerierenden Filtration an Stelle der nicht wiederverwendbaren Aktivkohleelemente basieren.It newer systems have been developed that are based on a regenerating Filtration in place of non-reusable activated carbon elements based.

Die Energieanforderungen für Umweltlebens-Erhaltungssysteme waren bei deren Übernahme und Einsatz eine Einschränkung.The Energy requirements for Environmental life management systems were a limitation in their adoption and use.

Es wurden eine Reihe von Vorschlägen unterbreitet, um Systeme bereitzustellen, die von PALL Corporation entwickelte Druckwechsel-Adsorptions- (pressure swing adsorption – PSA) Systeme nutzen.It were a number of proposals submitted to provide systems by PALL Corporation developed pressure swing adsorption (PSA) systems use.

Druckwechsel-Adsorptionssysteme verwenden Filterbetten, die mit einem Adsorptionsmittel-Material gefüllt sind, das Gase unter Druck adsorbiert und Gase desorbiert, sobald der Druck entfernt ist. Das System hat zwei Filterbetten, wobei eines in Betrieb ist und unter Druck mit kontaminierter Luft gespeist wird, von der Gase entfernt werden. Gleichzeitig wird das andere, außer Betrieb befindliche Bett regeneriert und mit von Druck verringerter, gefilterter Luft gespült. Bei Beendigung des Zyklus werden die Rollen der Betten vertauscht, wobei der Vorgang durch einen automatischen Folge-Zeitgeber gesteuert wird, um einen durchgehenden, ununterbrochenen Betrieb bereitzustellen. Es wurden industrielle PSA-Systeme gezeigt, die viele Jahre lang ohne Minderung von Leistungsverhalten oder Luftqualität arbeiten. Es wurden von PALL Corporation entwickelte PSA-Systeme gezeigt, die bei der Entfernung aller bekannten chemischen Mittel wirksam sind. Um die Eignung der PSA-Systeme von PALL Corporation zu demonstrieren, wurde 1988 durch das TNO Prins Maurits Labarotary in den Niederlanden ein sechsmonatiger Test bereitgestellt, wobei eine Druckwechsel-Adsorption sowohl mit simulierten als auch echten Mitteln getestet wurde. Die Einheit wurde durch ein Bedrohungsszenarium herausgefordert, das in Abstimmung mit TNO und dem US Army's Edgewood Research Development and Engineering Centre entwickelt wurde und beinhaltete Nerven-, Blut- und Blasenkampfstoffe sowie eine Kohlenstoff-Aufbrecheinheit. Die Einheit entfernte alle chemischen Kampfstoffe unter die Erfassungsgrenzen der Geräteausrüstung und bestätigte damit endgültig, dass die PSA-Technologie ein variables Konzept für gemeinschaftliche ABC-Schutzsysteme war. Weitere Tests wurden 1991 durch das Battella Memorial Institute auf Veranlassung der US Air Force durchgeführt, wobei ein Druckwechsel-Adsorber im vollen Umfang getestet wurde.Pressure swing adsorption systems use filter beds containing an adsorbent material filled are that adsorb gases under pressure and desorb gases as soon as the pressure is removed. The system has two filter beds, where one in operation and fed under pressure with contaminated air will be removed from the gases. At the same time, the other, except Operating bed regenerated and reduced with pressure, rinsed filtered air. At the end of the cycle, the roles of beds are reversed, the process being controlled by an automatic sequential timer to provide continuous, uninterrupted operation. Industrial PSA systems have been demonstrated for many years work without degradation of performance or air quality. PSA systems developed by PALL Corporation have been demonstrated effective in the removal of all known chemical agents are. To demonstrate the suitability of PALL Corporation's PSA systems, was founded in 1988 by the TNO Prins Maurits Labarotary in the Netherlands provided a six-month test wherein pressure swing adsorption both was tested with simulated as well as genuine means. The unit was challenged by a threat scenario, in vote with TNO and the US Army's Edgewood Research Development and Engineering Center was and included nerve, blood and bladder agents as well a carbon breaker. The unit removed all chemical Warfare agents below the detection limits of the equipment and confirmed with it finally, that PSA technology is a variable concept for collaborative ABC protection systems was. Further tests were made in 1991 by the Battella Memorial Institute Conducted by the US Air Force, using a pressure swing adsorber was tested in full.

Als Folge erschien in der Patent-Literatur eine Reihe von Vorschlägen für Umweltlebens-Erhaltungssysteme, die PSA verwenden.When Consequence, a number of proposals for environmental life use the PSA.

US-A-4 732 579, Veltman et al, erteilt für FMC Corporation, schlägt ein System und ein Verfahren für die Bereitstellung einer durchgehenden Versorgung mit sauberer Luft mit einer gewünschten Temperatur für die Mannschaftsmitglieder eines Kampffahrzeugs vor. Die kontaminierte Luft soll anfänglich durch Energie komprimiert werden, die von den Abgasen der Verbrennungsenergie-Einheit des Fahrzeugs bezogen wird, wobei die anfänglich komprimierte Luft gekühlt wird, um ihre Dichte zu erhöhen und dann ein zweites Mal komprimiert und gekühlt wird, bevor sie durch ein Druckwechsel-Adsorptionsmittelsystem strömt. Luft aus dem PSA-System wird expandiert und in der Temperatur verändert, um dem Personal im Fahrzeug saubere Luft zur Verfügung zu stellen. Die von der Luft während der Expansion freigegebene Energie wird verwendet, um die Luft im zusätzlichen Kompressor zu komprimieren. Das außer Betrieb befindliche PSA-Bett wird vom in Betrieb befindlichen Bett mit sauberer Luft gespült, die durch eine Öffnung expandiert, um ihren Druck zu senken.US-A-4,732,579, Veltman et al, issued to FMC Corporation, proposes a system and method for providing a continuous ver Provide clean air at a desired temperature for the crew members of a combat vehicle. The contaminated air is initially intended to be compressed by energy drawn from the exhaust gases of the vehicle's combustion energy unit, the initially compressed air being cooled to increase its density and then compressed and cooled a second time before passing through Pressure swing adsorbent system flows. Air from the PSA system is expanded and changed in temperature to provide clean air to personnel in the vehicle. The energy released by the air during expansion is used to compress the air in the additional compressor. The out of service PSA bed is flushed with clean air from the bed in service, which expands through an opening to lower its pressure.

US-A-4 769 051, Defranceso, erteilt für United Technologies Corporation, offenbart ein Klimaanlagen-System, das durch die Versorgung mit komprimierter Luft betrieben wird. Die komprimierte Luft strömt zu einer Luftkreislauf-Vorrichtung mit einem Kompressor, einer Turbine und einem Last-Wärmeaustauscher. Luft vom Kompressor wird zur Turbine übertragen, die die Luft expandiert und kühlt, bevor sie in den Last-Wärmeaustauscher geführt wird. Ein PSA-System reinigt die Luft, wenn sie vor der Expansion vom Kompressor zur Turbine strömt. Es wird Spülluft für das PSA-System aus der sauberen Luft gewonnen, die aus dem Last-Wärmeaustauscher austritt, nachdem sie zuerst durch einen regenerierenden Wärmeaustauscher strömt, der der Luft Wärme entzieht, wenn sie vom Kompressor zum PSA-System strömt, bevor sie weiter zur Turbine strömt.US-A-4 769 051, Defranceso, issued for United Technologies Corporation, discloses an air conditioning system, which is operated by the supply of compressed air. The compressed air flows to an air cycle device with a compressor, a turbine and a load heat exchanger. Air from the compressor is transferred to the turbine, which expands the air and cool, before getting into the load heat exchanger guided becomes. A PSA system cleans the air when it's in front of the expansion flows from the compressor to the turbine. It will be scavenging air for the PSA system recovered from the clean air that exits the load heat exchanger, after passing first through a regenerating heat exchanger, the the air heat withdraws when it flows from the compressor to the PSA system before she continues to flow to the turbine.

US-A-5 213 593, White et al, erteilt für PALL Corporation, schlägt ein PSA-System vor, das eine erste und eine zweite Sorbierkammer hat, von denen jede eine erste und eine zweite Öffnung aufweist, die einen Gasströmungspfad zwischen ihnen und einem Sorptionsmittelbett definieren, das im Gasströmungspfad angeordnet ist, und einen Sorptionseinlassbereich in der Nähe der ersten Öffnung hat, wobei eine Heizvorrichtung in der Nähe des Sorptionseinlassbereiches angeordnet ist. Die Heizvorrichtungen werden von einer externen Energiequelle betrieben. Eine Ventilanordnung verbindet einen Einlass, einen Austritt und die ersten Öffnungen der ersten und der zweiten Sorbierkammer und verbindet einen Auslass mit den zweiten Öffnungen der ersten und der zweiten Sorbierkammer. Gas wird durch eine Sorbierkammer zum Auslass geleitet. Gleichzeitig wird ein Teil des Auslass-Gases durch die andere Sorbierkammer zum Aus tritt geleitet. Energie von der externen Energiequelle wird mit der Heizvorrichtung der anderen Sorbierkammer verbunden, um den Sorptionseinlassbereich der anderen Sorbierkammer zu erwärmen, wenn das Auslass-Gas durch den Sorptionseinlassbereich strömt. Die Steuereinrichtung ist angepasst, um die Zyklen zwischen der ersten und der zweiten Sorbierkammer entsprechend einer NEMA-Zykluslänge von weniger als etwa fünf Minuten periodisch zu wiederholen. Ein Sorptionsmittelbett sorbiert wenigstens einen Teil des Schadstoffs vom Gas und wird durch die Adsorptionswärme erwärmt, wobei das andere Sorptionsmittelbett sowohl mittels der durch die Heizvorrichtung gelieferten Energie als auch durch die Adsorptionswärme regeneriert wird.US-A-5 213,593, White et al, issued to PALL Corporation, beats a PSA system that includes a first and a second sorbent chamber Each of which has a first and a second opening, the one Gas flow path between them and define a sorbent bed in the Gas flow path is arranged, and has a sorption inlet area in the vicinity of the first opening, a heater near the sorption inlet area is arranged. The heaters are powered by an external Power source operated. A valve arrangement connects an inlet, an exit and the first openings the first and the second Sorbierkammer and connects an outlet with the second openings the first and the second sorbing chamber. Gas is passed through a sorbent chamber directed to the outlet. At the same time, part of the outlet gas becomes passed through the other sorbent to off. Energy of the external power source is connected to the heater of the other Sorbierkammer connected to the Sorptionseinlassbereich the other To heat sorbier chamber, when the outlet gas flows through the sorption inlet area. The Control device is adapted to the cycles between the first and the second sorbing chamber corresponding to a NEMA cycle length of less than about five Repeat minutes periodically. A sorbent bed sorbed at least part of the pollutant from the gas and is released by the adsorption heated wherein the other sorbent bed both by means of the Heater supplied energy and regenerated by the heat of adsorption becomes.

Die vorliegende Erfindung ergibt sich aus unserer Arbeit bei der Suche, einen wirksameren Nutzen aus der Energie im System zu ziehen und es insbesondere zu ermöglichen, dass ein PSA-System unter dem wirksamsten Betriebsbedingungen arbeitet.The present invention results from our work in the search, to make a more effective use of the energy in the system and in particular, to allow it That a PSA system operates under the most efficient operating conditions.

In einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellen wir ein Verfahren zur Bereitstellung sauberer Luft mit einer gewünschten Temperatur an eine Umgebung bereit, wobei das Verfahren Komprimieren von ankommender Luft, die möglicherweise mit atomaren, biologischen und chemischen Schadstoffen kontaminiert ist; Kühlen der komprimierten Luft in einem ersten Wärmeaustauscher; Komprimieren der gekühlten Luft aus dem ersten Wärmeaustauscher in einem zusätzlichen Kompressor; Kühlen der komprimierten Luft vom zusätzlichen Kompressor in einem zusätzlichen Wärmeaustauscher; Leiten der gekühlten Luft vom zusätzlichen Wärmeaustauscher durch ein regenerierendes Druckwechsel-Adsorptionssystem zur Bereitstellung von sauberer Ausgabeluft, wobei die Schadstoffe davon entfernt sind; Expandieren der gereinigten Luft in einer Turbine, die mit dem zusätzlichen Kompressor verbunden ist, wobei dadurch Energie von der gereinigten Luft zurückgewonnen wird, um den zusätzlichen Kompressor mittels expandierter, gereinigter Luft von der Turbine anzutreiben, um Luft in der Umgebung zu klimatisieren; und Spülen des regenerierenden Druckwechsel-Adsorptionssystems mit Luft umfasst, die aus der expandierten, sauberen Luft gewonnen wird, wobei die Spülluft erwärmt wird, bevor sie zum regenerierenden Druckwechsel-Adsorptionssystem durch Wärmeaustausch mit gereinigter Luft geführt wird, die aus dem regenerierenden Druckwechsel-Adsorptionssystem austritt, wodurch sowohl solche gereinigte Luft vor der Expansion in der Turbine gekühlt als auch die Spülluft zum regenerierenden Druckwechsel-Adsorptionssystem bei der optimalen Temperatur für dessen wirksame Arbeitsweise geführt wird.In a first embodiment In accordance with the present invention, we provide a method of providing clean air with a desired Temperature to an environment ready, the process Compress of incoming air that may be contaminated with atomic, biological and chemical pollutants is; Cool the compressed air in a first heat exchanger; Compress the cooled Air from the first heat exchanger in an additional Compressor; Cool the compressed air from the additional compressor in an additional Heat exchangers; Passing the cooled Air from the additional heat exchanger by a regenerating pressure swing adsorption system for providing clean output air with the pollutants removed; Expanding the purified air in a turbine with the additional Compressor is connected, thereby taking energy from the purified Air recovered is going to be the extra Compressor by means of expanded, purified air from the turbine to power to air in the environment; and rinsing the comprising regenerating pressure swing adsorption system with air, which is obtained from the expanded, clean air, the purge air heated before going to the regenerating pressure swing adsorption system through heat exchange with purified air that is from the regenerating pressure swing adsorption system leaking, causing both such purified air before expansion cooled in the turbine as well as the scavenging air to the regenerating pressure swing adsorption system at the optimal Temperature for its effective way of working becomes.

Druckwechsel-Adsorptionssysteme erfordern, dass die Spülluft vom Druck verringert sein sollte. Wenn, wie in den Systemen der vorliegenden Erfindung, diese Spülluft aus der expandierenden Luft durch die Turbine der Kaltluft-Einheit gewonnen und dann wie oben beschriebenen erwärmt wird, kann Temperaturregelung erreicht werden, ohne dass zusätzliche Energie erforderlich ist.Pressure swing adsorption systems require the purge air to be reduced in pressure. If, as in the systems of the present invention, this purge air from the expanding air can be obtained by the turbine of the cold air unit and then heated as described above, temperature control can be achieved without additional energy is required.

Die erste Stufe der Luftkompression wird passenderweise durch einen radialen Turbokompressor oder einem Kompressor einer anderen geeigneten Art erreicht, der durch ein Getriebe angetrieben wird. Die Kompressoranordnung kann durch eine Kurbelwelle einer Zusatz-Energieeinheit oder durch einen hydraulischen oder elektrischen Hochspannungsmotor angetrieben werden, dessen Energie entweder aus einer Zusatz-Energieeinheit oder aus dem Fahrzeug-Hauptmotor gewonnen wird. Passenderweise wird der Kompressor Luft durch einen Zyklon-Filter ansaugen. Ein solcher Kompressor erzeugt zwangsläufig Abwärme. Wir haben festgestellt, dass diese Abwärme im System wirksam genutzt werden kann, indem sie verwendet wird, um die Spülluft zu erwärmen, so dass eine erhöhte Spülwirksamkeit bereitgestellt wird. Damit wird in der bevorzugtesten Anordnung das Erwärmen der Spülluft in zwei Stufen erreicht. Erstens strömt die Spülluft, die aus der gereinigten, durch die Turbine expandierten Luft gewonnen wird, durch einen Diffusor, der Luft vom im Betrieb befindlichen Filter des Druckwechsel-Adsorptionssystems kühlt, wenn sie durch die Turbine strömt und wird dadurch selbst erwärmt. Zusätzlich wird diese erwärmte Luft mittels der Abwärme der Hauptkompression erwärmt. Die Abwärme kann vom Kompressorantrieb, zum Beispiel in der Form von heißem Öl aus dem Kompressorgetriebe oder Motor-Schmiersystem, hydraulischer Flüssigkeit oder heißer Motorflüssigkeit oder direkt aus der Kompressionswärme gewonnen werden.The first stage of the air compression is suitably by a radial turbocompressor or a compressor of another suitable Achieved type, which is driven by a transmission. The compressor arrangement can by a crankshaft of an additional energy unit or by a hydraulic or electric high-voltage motor are driven, its energy either from an additional energy unit or from the Vehicle main engine is won. Fittingly, the compressor will Aspirate air through a cyclone filter. Such a compressor inevitably generates Waste heat. We have found that this waste heat is used effectively in the system can be used by it to heat the purge air, so that an increased purging efficiency provided. This is in the most preferred arrangement heating the purge air achieved in two stages. First, the purging air that comes out of the purified, through the turbine expanded air is gained through a diffuser, the air from the operating filter of the pressure swing adsorption system cools when she flows through the turbine and is thereby heated itself. In addition will this heated Air by means of waste heat the main compression heats. The waste heat can be from the compressor drive, for example in the form of hot oil from the Compressor gearbox or engine lubrication system, hydraulic fluid or hotter motor fluid or obtained directly from the heat of compression.

Das Druckwechsel-Adsorptionssystem wird vorzugsweise zusätzlich zu seinen Gas-Adsorptionsmittelbetten und stromaufwärts davon Wasserabscheider, um freie Feuchtigkeit in der Luft nach der Kompression in der Luftkreislauf-Vorrichtung zu entfernen, und außerdem einen hochwirksamen Partikelfilter aufweisen, um feine Staubpartikel und biologische Kampfmittel zu entfernen.The Pressure swing adsorption system is preferably in addition to its gas adsorbent beds and upstream of it water separators, free air in the air after compression in the air cycle device to remove, as well as have a highly effective particulate filter to fine dust particles and to remove biological weapons.

Gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsform dieser Erfindung stellen wir eine Vorrichtung für die Bereitstellung sauberer und klimatisierter Luft an eine Umgebung bereit, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Luftkreislauf-Vorrichtung mit einem Kompressor, einer Turbine und einem Last-Wärmeaustauscher, wobei der Kompressor angepasst ist, um komprimierte Luft an die Turbine zu übertragen, und wobei die Turbine angepasst ist, um die Luft zu expandieren und zu kühlen, die aufgenommen wurde, bevor solche Luft zum Last-Wärmeaustauscher übertragen wird; einen Kompressor für die erste Stufe, der mit dem Kompressor der Luftkreislauf-Vorrichtung verbunden ist, um als eine Quelle komprimierter Luft dafür zu dienen, und eine Antriebseinrichtung für den Kompressor für die erste Stufe; ein Druckwechsel-Adsorptionssystem, wobei der Kompressor und die Turbine der Luftkreislauf-Vorrichtung über das Druckwechsel-Adsorptionssystem verbunden sind, um Schadstoffe aus der Luft zu entfernen, wobei dieses System zwei Filterbetten umfasst, die so periodisch wiederholbar sind, dass eines in Betrieb ist und mit kontaminierter Luft gespeist wird, während das andere außer Betrieb ist und mit Spülluft gespült wird, wobei das System periodisch verläuft, um die Rolle der Betten periodisch zu tauschen, und das Druckwechsel-Adsorptionssystem eine Spülleitung aufweist, die mit der Luftkreislauf-Vorrichtung verbunden ist, um Spülluft aus Luft zu gewinnen, die durch die Turbine expandiert ist und durch den Last-Wärmeaustauscher strömt; und einen Wärmeaustauscher, der mit der Spülleitung verbunden ist, um Wärme aus der gereinigten Luft auszutauschen, die aus dem Druckwechsel-Adsorptionssystem austritt, so dass die Spülluft erwärmt wird, bevor solche Luft in das Druckwechsel-Adsorptionssystem eindringt.According to one second alternative embodiment In accordance with this invention, we provide a device for providing cleaner and conditioned air to an environment, the apparatus comprising: an air cycle device with a compressor, a turbine and a load heat exchanger, the compressor is adapted to supply compressed air to the compressor To transfer turbine, and the turbine being adapted to expand the air and to cool, which was recorded before such air transferred to the load heat exchanger becomes; a compressor for the first stage, with the compressor of the air circulation device connected to serve as a source of compressed air for and a drive device for the Compressor for the first stage; a pressure swing adsorption system, wherein the compressor and the turbine of the air cycle device via the pressure swing adsorption system connected to remove pollutants from the air, wherein This system includes two filter beds that are so periodically repeatable are that one is in operation and fed with contaminated air will, while the other except Operation is and with purge air rinsed is, the system runs periodically to the role of the beds periodically and the pressure swing adsorption system has a purge line which is connected to the air circulation device to purge air to gain from air that has expanded through the turbine and through the load heat exchanger flows; and a heat exchanger, the with the flushing line is connected to heat from the purified air to exchange, from the pressure swing adsorption system exits, so that the purge air heated is before such air enters the pressure swing adsorption system.

In einer dritten alternativen Ausführungsform dieser Erfindung stellen wir in einem Verfahren zur Bereitstellung von sauberer Luft mit einer gewünschten Temperatur an eine Umgebung durch die Anwendung eines Druckwechsel-Adsorptionssystems zur Entfernung möglicher atomarer, biologischer und chemischer Schadstoffe aus der Luft das System von der Art bereit, das zwei Filterbetten nutzt, von denen jedes mit einem Sorptionsmittel-Material gefüllt ist, das Gase unter Druck adsorbiert und Gase desorbiert, sobald der Druck entfernt ist, wobei das System so angeordnet ist, das zu einer beliebigen Zeit das eine Filterbett in Betrieb ist und mit möglicher kontaminierter Luft unter Druck gespeist wird, während zur gleichen Zeit das andere Filterbett außer Betrieb ist und regeneriert wird, indem es mit vom Druck verringerter, sauberer Luft gespült wird, wobei die Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung mit einer Luftkreislauf-Vorrichtung verbunden ist, die einen Kompressor und eine Turbine umfasst, die mit dem Kompressor verbunden ist, und angepasst ist, um den Kompressor anzutreiben, wobei der Kompressor angepasst ist, komprimierte Luft von einem Hauptkompressor aufzunehmen und solche Luft nach zusätzlicher Kompression im Kompressor zur Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung zu führen, und wobei die Turbine angepasst ist, um gereinigte Luft von der Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung aufzunehmen und solche Luft zu expandieren und zu kühlen, wobei die so gekühlte Luft zu einem Last-Wärmeaustauscher strömt, wobei die Verbesserung, dass die vom Druck verringerte, saubere Luft zum Spülen der Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung aus expandierter, sauberer Luft an der Auslassseite der Turbine gewonnen wird und erwärmt wird, bevor sie zur Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung strömt, um das außer Betrieb befindlichen Filterbett durch Wärmeaustausch mit im System zirkulierendem Fluid zu spülen, wobei das Fluid durch den Hauptkompressor komprimierte Luft, kühlende Flüssigkeit, die durch Abwärme erwärmt wird, die im Hauptkompressor erzeugt wird, oder kühlende Flüssigkeit umfasst, die durch Abwärme erwärmt wird, die in einer Energieeinheit erzeugt wird, die den Hauptkompressor antreibt, und wahlweise des Weiteren saubere Luft umfasst, die von der Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung zur Turbine strömt.In a third alternative embodiment of this invention, in a method of providing clean air at a desired temperature to an environment by the application of a pressure swing adsorption system for removal of possible atomic, biological and chemical pollutants from the air, we provide the system of the type utilizing two filter beds, each of which is filled with a sorbent material which adsorbs gases under pressure and desorbs gases once the pressure is removed, the system being arranged to operate one filter bed at any one time is fed with possible contaminated air under pressure, while at the same time the other filter bed is out of operation and is regenerated by being flushed with reduced pressure, clean air, wherein the pressure swing adsorption device is connected to an air circulation device having a Compressor and a turbine included sst, which is connected to the compressor, and adapted to drive the compressor, wherein the compressor is adapted to receive compressed air from a main compressor and to guide such air for additional compression in the compressor to the pressure swing adsorption device, and wherein the turbine adapted is to receive purified air from the pressure swing adsorption device and expand and cool such air, the thus cooled air flows to a load heat exchanger, the improvement being that the pressure reduced clean air for purging the pressure swing adsorption device is recovered from expanded, clean air at the outlet side of the turbine and is heated before flowing to the pressure swing adsorption device to heat the out of service filter bed To flush with circulating fluid in the system, wherein the fluid through the main compressor compressed air, cooling liquid, which is heated by waste heat generated in the main compressor, or cooling liquid, which is heated by waste heat generated in a unit of energy which drives the main compressor and optionally further comprises clean air flowing from the pressure swing adsorption device to the turbine.

Die Erfindung wird nachfolgend ausführlicher und nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen zeigen:The Invention will become more detailed below described by way of example only with reference to the accompanying drawings, in which show:

1 eine etwas schematische Schaltungszeichnung für ein erstes System, das entsprechend der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, um saubere und klimatisierte Luft an eine Umgebung bereitzustellen; 1 a somewhat schematic circuit diagram for a first system constructed in accordance with the present invention to provide clean and conditioned air to an environment;

2 eine allgemein schematische Zeichnung des Druckwechsel-Adsorptionssystems des Ausführungsbeispiels von 1; und 2 a general schematic drawing of the pressure swing adsorption of the embodiment of 1 ; and

3a, 3b und 3c drei unterschiedliche Möglichkeiten, die Abwärme in dem System von 1 zu nutzen. 3a . 3b and 3c three different ways of removing waste heat in the system 1 to use.

Mit Bezug zuerst auf 1, die schematisch ein typisches Ausführungsbeispiel unseres Systems für die Verwendung in Umständen veranschaulicht, in denen eine leicht verfügbare Quelle von komprimierter Luft in diesem System nicht ständig vorhanden ist, strömt eingegebene Luft 1 zu einem Hauptkompressor 2 durch einen Zyklon-Filter 3, der grobe Schadstoffe entfernen wird. Der Kompressor 2 ist passenderweise ein radialer Turbokompressor oder ein anderer geeigneter Kompressor, der, wenn nötig, durch ein Getriebe angetrieben wird. Die Kompressoranordnung wird durch eine geeignete Energiequelle (in 1 nicht dargestellt), z. B. eine Kurbelwelle eines Zusatzmotors oder durch einen hydraulischen oder elektrischen Motor in einer Weise angetrieben, die bekannt und für jeden Maschinenbauingenieur verständlich sein wird. Der Kompressor oder ein hydraulischer oder elektrischer Motor können daher durch eine Zusatz-Energieeinheit oder vom Fahrzeug-Hauptmotor angetrieben werden. Die komprimierte Luft vom Hauptkompressor 2 strömt entlang Leitung 4 zu einem Haupt-Wärmeaustauscher 5, der durch Umgebungsluft 6 gekühlt wird, für die eine entsprechende Leitungsführung 7 in einer Weise bereitgestellt ist, die an sich bekannt ist. Gekühlte Luft vom Haupt-Wärmeaustauscher 5 strömt entlang Leitung 8 zum Kompressor 9 einer Luftkreislauf-Vorrichtung 10, die den Kompressor 9, eine mitwirkende Turbine 11 und Last-Wärmeaustauscher 12 umfasst. Eine zusätzliche Kompression wird im Kompressor 9 an der gekühlten, komprimierten Luft durchgeführt, die vom Haupt-Wärmeaustauscher 5 entlang Leitung 8 aufgenommen wird. Nach der zusätzlichen Kompression wird die Luft in einem zusätzlichen Wärmeaustauscher 13 gekühlt, der auch durch Umgebungsluft 6 gekühlt wird, wobei der zusätzliche Wärmeaustauscher 13 mit dem Kompressor 9 durch eine Leitung 14 verbunden ist. Die gekühlte und komprimierte Luft, die aus dem zusätzlichen Wärmeaustauscher 13 austritt, strömt entlang Leitung 15 zu einem regenerierenden Druckwechsel-Adsorptions- (PSA) System 16, wo sie gereinigt wird, bevor sie entlang den Leitungen 17, 18 zur Turbine 11 strömt. Die gereinigte Luft aus dem PSA-System 16 wird in Turbine 11 expandiert, bevor sie entlang Leitung 19 zum Last-Wärmeaustauscher 12 strömt. Die durch die Expansion in Turbine 11 erzeugte Energie treibt den Kompressor 9 an. Infolge der Expansion ist die Luft gekühlt. Durch den Last-Wärmeaustauscher 12 strömende kalte Luft kühlt Luft 20 aus der Raumumgebung der Mannschaftskabine, die durch einen Ventilator 21 wieder zugeführt wird. Luft, die aus dem Last-Wärmeaustauscher 12 austritt, strömt teilweise in den Mannschaftskabinenraum aus, um frische Luft, die man atmen kann, und den notwendigen gemein schaftlichen Schutz bereitzustellen, wobei Fahrzeugüberdruck durch ein Druckentlastungsventil geregelt wird.Referring first to 1 , which schematically illustrates a typical embodiment of our system for use in circumstances where a readily available source of compressed air is not constantly present in this system, enters input air 1 to a main compressor 2 through a cyclone filter 3 that will remove gross pollutants. The compressor 2 Suitably, it is a radial turbo compressor or other suitable compressor that is driven by a transmission if necessary. The compressor assembly is powered by a suitable energy source (in 1 not shown), z. B. a crankshaft of an additional motor or driven by a hydraulic or electric motor in a manner that will be known and understandable for any mechanical engineer. The compressor or a hydraulic or electric motor may therefore be driven by an auxiliary power unit or by the vehicle main engine. The compressed air from the main compressor 2 flows along pipe 4 to a main heat exchanger 5 that by ambient air 6 is cooled, for a corresponding wiring 7 is provided in a manner known per se. Cooled air from the main heat exchanger 5 flows along pipe 8th to the compressor 9 an air circulation device 10 that the compressor 9 , a cooperating turbine 11 and load heat exchanger 12 includes. An additional compression is in the compressor 9 performed on the cooled, compressed air coming from the main heat exchanger 5 along line 8th is recorded. After the additional compression, the air is in an additional heat exchanger 13 cooled, which also by ambient air 6 is cooled, with the additional heat exchanger 13 with the compressor 9 through a pipe 14 connected is. The cooled and compressed air coming from the additional heat exchanger 13 exits, streams along pipe 15 to a regenerating pressure swing adsorption (PSA) system 16 where it is cleaned before going along the lines 17 . 18 to the turbine 11 flows. The purified air from the PSA system 16 will be in turbine 11 expands before going along line 19 to the load heat exchanger 12 flows. The by expansion in turbine 11 generated energy drives the compressor 9 at. As a result of the expansion, the air is cooled. Through the load heat exchanger 12 flowing cold air cools air 20 from the room environment of the crew cabin, by a fan 21 is fed again. Air coming out of the load heat exchanger 12 Partially exits into the crew cabin space to provide fresh air that you can breathe, and the necessary community protection, with vehicle overpressure is controlled by a pressure relief valve.

2 veranschaulicht schematisch das Druckwechsel-Adsorptionssystem 16. Das System umfasst zwei Filterbetten 23 und 24, die identisch sind. Jedes ist mit einem Sorptionsmittel-Material gefüllt, das Gase unter Druck adsorbiert und Gase desorbiert, sobald der Druck entfernt ist. Das System wird durch Eingangsventil 25 und Auslassventil 26 gesteuert, so dass zu jeder Zeit eines der zwei Betten 23, 24 mit Einlassleitung 15 über Wasserabscheider 27 und Partikelfilter 28 und mit Auslassleitung 17 verbunden sein wird, während das andere mit Spülleitung 29 und mit Spülluft-Ausgangsleitung 30 zur Atmosphäre verbunden ist. Wasserabscheider 27 entfernt jegliches Wasser von der gekühlten, komprimierten Luft in Leitung 15, wobei Filter 28 ein hochwirksamer Partikelfilter für die Entfernung von feinen Staubpartikeln und biologischen Stoffen bzw. Kampfstoffen ist. 2 schematically illustrates the pressure swing adsorption system 16 , The system includes two filter beds 23 and 24 that are identical. Each is filled with a sorbent material that adsorbs gases under pressure and desorbs gases as soon as the pressure is removed. The system is by input valve 25 and exhaust valve 26 controlled, so that at any time one of the two beds 23 . 24 with inlet pipe 15 over water separator 27 and particle filters 28 and with outlet pipe 17 will be connected while the other with flushing line 29 and with purge air output line 30 connected to the atmosphere. water 27 removes any water from the cooled, compressed air in line 15 , where filters 28 a highly effective particulate filter for the removal of fine dust particles and biological agents or warfare agents.

Spülluft für Leitung 29 wird aus sauberer Luft gewonnen, die durch Turbine 11 expandiert wurde und durch den Last-Wärmeaustauscher 12 geströmt ist und so leicht erwärmt wurde. Sie wird des Weiteren erstens durch Strömen durch Diffusor 32, der einen indirekten Wärmeaustausch mit sauberer Luft bereitstellt, die aus dem PSA-System 16 entlang Leitung 17 austritt, und zweitens durch Strömen durch Zusatz-Wärmeaustauscher 33 erwärmt. Als ein Ergebnis der Aufnahme des Regenerators 32 und Wärmeaustauschers 33 im System wird die Spülluft erwärmt, bevor sie zum PSA-System 16 strömt, wobei gleichzeitig saubere Luft vom PSA-System vor der Expansion in der Turbine 11 gekühlt wird. Wir haben festgestellt, dass das Erwärmen der Spülluft auf diese Weise die Wirksamkeit des PSA-Systems erhöht, ohne dass eine separate Energiequelle erforderlich ist. Der Diffusor nutzt einfach so wie Wärmeaustauscher 33 im System bereits vorhandene Wärme, wie unten ausführlicher erläutert wird. Infolge dessen ist das in 1 veranschaulichte Grundsystem bereits durchaus energieeffizient.Purge air for pipe 29 is obtained from clean air by turbine 11 was expanded and through the load heat exchanger 12 has flowed and was so easily heated. It is further firstly by flowing through the diffuser 32 which provides indirect heat exchange with clean air coming from the PSA system 16 along line 17 exit, and secondly by flowing through additional heat exchanger 33 heated. As a result of the inclusion of the regenerator 32 and heat exchanger 33 In the system, the purge air is heated before going to the PSA system 16 flows while keeping clean air from the PSA system before expansion in the turbine 11 is cooled. We have It has been found that heating the purge air in this way increases the efficiency of the PSA system without the need for a separate source of energy. The diffuser uses just like heat exchangers 33 Heat already present in the system, as explained in more detail below. As a result, this is in 1 illustrated basic system already quite energy efficient.

Die Bauteile des in 1 veranschaulichten Systems sind alle ohne weiteres verfügbar und/oder können ohne weiteres durch einen technischen Fachmann hergestellt werden. Das Druckwechsel-Adsorptionssystem ist als ein fertiges Produkt von PALL Corporation, East Hills, New York, USA erhältlich.The components of in 1 The illustrated systems are all readily available and / or can be readily manufactured by a person skilled in the art. The pressure swing adsorption system is available as a finished product from PALL Corporation, East Hills, New York, USA.

3a, 3b und 3c zeigen drei unterschiedliche Möglichkeiten, in denen Wärmeaustauscher 33 wirksam verbunden werden kann, um Abwärme zu nutzen, die aus der Hauptkompression entsteht. In der Anordnung von 3a sind Leitungen 34 und 35 zwischen Wärmeaustauscher 33 und dem Antrieb zum Kompressor 2 verbunden, um warmes, hydraulisches Fluid oder Schmieröl vom Kompressorantrieb zum Wärmeaustauscher 33 und zurück zum Kompressorantrieb zu führen. 3a . 3b and 3c show three different ways in which heat exchangers 33 can be effectively connected to use waste heat resulting from the main compression. In the arrangement of 3a are lines 34 and 35 between heat exchangers 33 and the drive to the compressor 2 connected to hot, hydraulic fluid or lubricating oil from the compressor drive to the heat exchanger 33 and back to the compressor drive.

In der alternativen Anordnung von 3b sind Leitungen 36 und 37 mit einer Zusatz-Energieeinheit 38, hier in der Form eines Motors, der den Kompressor 2 antreibt, verbunden. Heißes Kühlwasser vom Motor 38 strömt entlang Leitung 36 zum Wärmeaustauscher 33 und dann zurück zum Motor 38 entlang Leitung 37.In the alternative arrangement of 3b are lines 36 and 37 with an additional energy unit 38 , here in the form of a motor, the compressor 2 drives, connected. Hot cooling water from the engine 38 flows along pipe 36 to the heat exchanger 33 and then back to the engine 38 along line 37 ,

Schließlich wird in der Anordnung von 3c die durch Kompressor 2 erzeugte Kompressionswärme im Wärmeaustauscher 33 wirksam genutzt. An Stelle von Leitung 4, die einfach den Kompressor mit Haupt-Wärmeaustauscher 5 verbindet, um die komprimierte Luft zu kühlen, verbinden Leitungen 4a und 4b Kompressor 2 mit Wärmeaustauscher 5 über Wärmeaustauscher 33.Finally, in the arrangement of 3c the by compressor 2 generated compression heat in the heat exchanger 33 used effectively. In place of lead 4 That simply the compressor with main heat exchanger 5 connects to cool the compressed air, connecting lines 4a and 4b compressor 2 with heat exchanger 5 over heat exchanger 33 ,

Wie man erkennen wird, nutzt in allen drei dieser Anordnungen das System Wärme, die ansonsten lediglich als ungenutzte Energie auftritt. Wir haben festgestellt, dass es für die wirksamste Arbeitsweise des PSA-Filtersystems 16 wichtig ist, dass die Temperatur des außer Betrieb befindlichen Filters auf dem gleichen Niveau aufrechterhalten bleibt, wie die in dem Filter, der sich in Betrieb befindet. Zusätzlich haben wir festgestellt, dass wesentlich höhere Temperaturen der Spülluft erforderlich sind, um vollständige Desorption von beiden PSA-Betten bei Beendigung eines Auftrags zu gewährleisten, während dessen das System in Betrieb war. Beide diese Anforderungen sind mit dem System leicht erreichbar, das eines der drei Varianten von 3a, 3b oder 3c verwendet. Indem man so mit Abwärme verfährt, ist das System sehr energieeffizient.As will be appreciated, in all three of these arrangements, the system uses heat that otherwise occurs only as unused energy. We have found that it is the most effective way of working the PSA filter system 16 it is important that the temperature of the out-of-service filter be maintained at the same level as that in the filter in operation. In addition, we have found that much higher purge air temperatures are required to ensure complete desorption of both PSA beds upon completion of a job during which the system was in operation. Both of these requirements are easily accessible with the system, which is one of the three variants of 3a . 3b or 3c used. By doing so with waste heat, the system is very energy efficient.

In einer nicht veranschaulichten Variante, die für eine Anwendung geeignet ist, in der das Fahrzeug bei kalten Umgebungsbedingungen eingesetzt werden soll, wird ein zusätzlicher Wärmeaustauscher zwischen Turbine 11 und Last-Wärmeaustauscher 12 für die Kabinenluft eingefügt, wobei dieser zusätzliche Wärmeaustauscher verbunden wird, um Abwärme von der Hauptkompression in einer der oben beschriebenen Möglichkeiten zu nutzen, und nicht unbedingt in der gleichen Weise wie für Wärmeaustauscher 33, wobei dadurch der Energie-Nutzeffekt des Systems weiter erhöht wird.In an unillustrated variant, which is suitable for an application in which the vehicle is to be used in cold ambient conditions, an additional heat exchanger between turbine 11 and load heat exchanger 12 for the cabin air, this additional heat exchanger being connected to utilize waste heat from the main compression in one of the ways described above and not necessarily in the same way as for heat exchangers 33 , thereby further increasing the energy efficiency of the system.

Claims

A method of providing clean air at a desired temperature to an environment, the method comprising compressing incoming air ( 1 ) possibly contaminated with atomic, biological and chemical pollutants; Cooling the compressed air in a first heat exchanger ( 5 ), Compressing the cooled air from the first heat exchanger ( 5 ) in an additional compressor ( 9 ), Cooling the compressed air from the additional compressor ( 9 ) in an additional heat exchanger ( 13 ), Passing the cooled air from the additional heat exchanger ( 13 ) by a regenerating pressure swing adsorption system ( 16 ) to provide clean output air with the pollutants removed therefrom; Expanding the cleaned air in a turbine ( 11 ) with the additional compressor ( 9 ), whereby energy is recovered from the purified air to the additional compressor ( 9 ) by means of expanded, purified air from the turbine ( 11 ) to air-condition air in the environment; and purging the regenerating pressure swing adsorption system ( 16 with air, which is obtained from the expanded, clean air, characterized in that the purge air is heated before it to the regenerating pressure swing adsorption system by heat exchange ( 32 ) is conducted with clean air exiting from the regenerating pressure swing adsorption system whereby both such purified air is cooled prior to expansion in the turbine and purge air is fed to the regenerating pressure swing adsorption system at an optimum temperature for its effective operation.

Process according to claim 1, wherein the heated purge air is obtained by heat exchange ( 33 ) is further heated with waste heat, which is obtained from the compression step of the incoming air.

The method of claim 2, wherein the waste heat from oil and / or hydraulic fluid and / or cooling fluid is recovered, the belongs to a compressor, which makes the compression of incoming air; or from lubricating oil and / or Hydraulic fluid and / or cooling fluid is obtained, which belongs to a supply unit for the compressor, the the compression of incoming air makes; or from the heat of compression of the Air is compressed, which is compressed by the compressor, the compressing incoming air.

Apparatus for providing clean and conditioned air to an environment, the apparatus comprising: an air circulation apparatus ( 10 ) with a compressor ( 9 ), a turbine ( 11 ) and a load heat exchanger ( 12 ), where the compressor ( 9 ) is suitable, compressed air to the turbine ( 11 ), and wherein the turbine ( 11 ) is capable of expanding and cooling air that has been taken up before such air is transferred to the load heat exchanger ( 12 ) is transmitted; a compressor for the first stage ( 2 ) connected to the compressor of the air cycle apparatus to serve as a source of compressed air therefor and drive means for the first stage compressor; a pressure swing adsorption system ( 16 ), where the compressor ( 9 ) and the turbine ( 11 ) of the air cycle device via the pressure swing adsorption system ( 16 ) to remove pollutants from the air, this system having two filter beds ( 23 . 24 ), which are periodically repeatable, one is in operation and is fed with contaminated air, while the other is out of operation and is purged with purging air, the system runs periodically to periodically exchange the role of the beds and the Pressure swing adsorption system ( 16 ) a purge line ( 29 ) connected to the air circulation device ( 10 ) in order to extract purging air from air passing through the turbine ( 11 ) and through the load heat exchanger ( 12 ) flows; characterized in that a heat exchanger ( 32 ) with the flushing line ( 29 ) is connected to heat from the purified air ( 17 ) from the pressure swing adsorption system ( 16 ), so that the purge air is heated before such air in the pressure swing adsorption system ( 16 ) penetrates.

Apparatus according to claim 4, wherein the purging air passes through waste heat which to the compressor for the first stage and the drive means is heard, is further heated.

Apparatus according to claim 5, wherein the drive means from an additional energy unit, a main engine of a vehicle, in which the device is installed, a hydraulic motor, by the auxiliary power unit or driven by the main motor is selected and an electric motor, by the additional energy unit or the main motor is driven, wherein the drive means optionally with the compressor for the first step over a transmission can be connected.