EP0611584B1 - Dispositif de régénération de l'air dans une enceinte fermée - Google Patents

Dispositif de régénération de l'air dans une enceinte fermée Download PDF

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EP0611584B1
EP0611584B1 EP19940400259 EP94400259A EP0611584B1 EP 0611584 B1 EP0611584 B1 EP 0611584B1 EP 19940400259 EP19940400259 EP 19940400259 EP 94400259 A EP94400259 A EP 94400259A EP 0611584 B1 EP0611584 B1 EP 0611584B1
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EP
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air
regenerated
heat exchanger
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carbon dioxide
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EP19940400259
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Albert James Kussener
Pierre Résidence Le Sintonia Rouzies
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Etat Francais
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Direction General pour lArmement DGA
Etat Francais
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62B—DEVICES, APPARATUS OR METHODS FOR LIFE-SAVING
    • A62B11/00—Devices for reconditioning breathing air in sealed rooms

Definitions

  • the present invention relates to a device for air regeneration in a closed or almost closed enclosure with autonomous operating energy whose production requires the use of a material stored in cryogenic form.
  • air regeneration in the cabin of the submarines is carried out by means of processes chemical or electrochemical performing the functions of oxygen production and carbon dioxide removal and pollutants.
  • Oxygen is also generated, either by electrolysis of water, either from liquid oxygen or by chemical reaction using a metal chlorate alkali or an alkali metal superoxide.
  • Elimination carbon dioxide is usually done using molecular sieves or by absorption, for example with amines.
  • the removal of pollutants is carried out at using activated carbon absorbers or beds catalytic.
  • US Patent 3,775,976 uses for the operation of a motor to combustion a cryogenic source which, by heating, allows the solidification of carbon dioxide from combustion gases.
  • Patent EP 0041702 used for aerobic culture of microorganisms liquid oxygen which, when contacted with carbon dioxide produced during the fermentation of microorganisms, allows the solidification of it.
  • the object of the invention is therefore to apply this principle to regeneration air from a space confined in breathing air, in order to have a reduced energy consumption, especially for an anaerobic system such than a submarine that has limited energy.
  • the object of the invention is therefore the application to the regeneration of air polluted in breathing air in a closed or almost closed enclosure, device with autonomous operating energy, comprising conventionally a tank (12) containing a cryogenic material used for the production of operating energy and an exchanger main thermal (10) operating at atmospheric pressure for exchanging heat between a gaseous medium containing carbon dioxide carbon, on the one hand, and the cryogenic material, on the other hand, characterized in that the gaseous medium consists of air at regenerate and in that the heating of the cryogenic material until its operating temperature in energy production allows lower the temperature of the air to be regenerated to a value below the solidification temperature of carbon dioxide.
  • the device according to the invention as defined above can thus be used in a submarine, the cold source being constituted by all or part of the mass of liquid oxygen on board which has a sufficient cooling capacity to cool the air to regenerate and condense carbon dioxide.
  • the oxidizer used for combustion is oxygen stored in cryogenic form in a tank, intended for use in batteries with fuels, internal combustion engines such as diesel engines, internal combustion engines external combustion such as Stirling engines or others systems implementing oxidation reactions of a fuel.
  • This oxygen which is at a temperature of about -170 ° C, must therefore be reheated before it can be used. The temperature of the gaseous oxygen is thus raised to -20 ° C at the entry of the submarine engine.
  • the principle of the invention consists in using a heat exchanger 10 which receives cryogenic oxygen from of the storage tank 12, and on the other hand the air to regenerate by air inlet 14 at pressure atmospheric.
  • the liquid oxygen loses its frigories (or acquires calories) and therefore heats up to reach a temperature of around -20 ° C at the outlet oxygen 16.
  • the air to be regenerated cools in exchanger 10 to a temperature about -135 ° C and is evacuated by the outlet of regenerated air 18.
  • the temperature reached by the air being lower than the solidification temperature (-78.5 ° C) of the dioxide carbon gas at atmospheric pressure, carbon dioxide carbon solidifies with the passage of air in the exchanger and can therefore be easily retrieved from this latest.
  • the air at outlet 18 is therefore rid of the excess carbon dioxide due mainly to the human respiration in the closed enclosure.
  • FIG. 2 shows schematically the mode of preferred embodiment of the invention.
  • Air to regenerate powered by a fan 20 is first sent to a Annex heat exchanger or cold recuperator 22 before reaching the heat exchanger 10.
  • the air which enter the latter by entrance 14 is therefore an air pre-cooled.
  • the cooled air at outlet 18 of the exchanger 10 is therefore heated in contact with the air at room temperature in the cold recuperator 22.
  • the air to be regenerated contains various pollutants which are either dissolved in the recovered water, either condensed at the same time as the carbon dioxide at low temperature.
  • pollutants are pentane, molecular weight hydrocarbons benzene and benzene derivatives, the carbon tetrachloride, certain nitrogen oxides, certain freons ...
  • a solution consists in reheating it with a hot source such as Seawater.
  • the heat transfer in the exchanger 10 can take place, for safety reasons, by means of a fluid heat transfer intermediate so as to avoid convey liquid oxygen near the air circuits.
  • a first solution consists in evacuating to carbon dioxide outside: we isolate the exchanger thermal and we stop the oxygen supply. Temperature increases and the pressure rises until reaching a sufficient pressure to eject the carbon dioxide at outside or store it in a compressed form.
  • a second solution consists in reheating the isolated exchanger until the CO2 is liquefied, for example at 5 bars and -52 ° C. Liquid CO 2 can be pumped out.
  • the exchanger is heated to a temperature between -105 ° C and -75 ° C. At this time the CO 2 is gaseous at a pressure between 0.1 and 1 bar. It can then be compressed outwards by means of a compressor.
  • the fourth solution consists in heating the exchanger to a temperature such that the vapor pressure is sufficient to supply a primary vacuum pump.
  • the CO 2 vapor pressure is of the order of 0.01 bar. CO 2 can therefore be compressed to atmospheric pressure and then discharged to the outside by a compressor. This solution is preferably used.
  • the device of the invention has been described in conjunction with a submarine it can be obviously used for any system with a closed or almost closed enclosure with a source autonomous energy using a material stored at very low temperature, the energy source being used for propulsion or something else.
  • a source autonomous energy using a material stored at very low temperature the energy source being used for propulsion or something else.
  • the device of the invention it is possible to use the device of the invention in a aircraft for which we are trying to reduce the cabin air renewal for reasons fuel economy.
  • the source of cold that constitutes the atmosphere can be sufficient for pollutants and water vapor.
  • Another application of the device of the invention is its use in an aircraft or shuttle spatial.
  • this type of machine it is planned to take a large quantity (several tens of tonnes) liquid hydrogen and sometimes liquid oxygen. Through Therefore, it is easy to use the the invention to obtain a regeneration of the atmosphere of the closed cabin, thanks to the frigories recovered by warming of cryogenic materials.

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Description

La présente invention concerne un dispositif de régénération de l'air dans une enceinte fermée ou quasi-fermée disposant d'une énergie de fonctionnement autonome dont la production nécessite l'utilisation d'un matériau stocké sous forme cryogénique.
Le maintien de la qualité de l'air dans une enceinte fermée telle que l'habitacle d'un sous-marin est une opération complexe puisqu'elle exige de produire l'oxygène nécessaire à la respiration des hommes d'équipage, de réduire la quantité de dioxyde de carbone dans l'air qui a tendance à nettement augmenter du fait de la respiration humaine et d'éliminer les polluants organiques de l'air produits par l'activité humaine.
Jusqu'à maintenant, la régénération de l'air dans l'habitacle des sous-marins s'effectue au moyen de procédés chimiques ou électrochimiques assurant les fonctions de production d'oxygène et d'élimination du dioxyde de carbone et des polluants. L'oxygène est aussi généré, soit par electrolyse de l'eau, soit à partir d'oxygène liquide, soit par réaction chimique à l'aide d'un chlorate de métal alcalin ou d'un superoxyde de métal alcalin. L'élimination du dioxyde de carbone se fait généralement à l'aide de tamis moléculaires ou par absorption, par exemple avec des amines. Enfin, l'élimination des polluants est effectué à l'aide d'absorbeurs à charbons actifs ou de lits catalytiques.
Cependant, les installations de régénération de l'air restent des matériels souvent encombrants, complexes, consommant une grande quantité d'énergie. Par ailleurs les générateurs d'oxygène électrochimique produisent également, à la suite des réactions d'électrolyse, de grandes quantités d'hydrogène qu'il faut ensuite traiter.
Enfin, il faut signaler que l'élimination de certains polluants organiques par charbons actifs bien que très efficace, pose quelques problèmes liés au fait que les polluants les plus légers sont désorbés par les polluants les plus lourds. Cette propriété fait qu'il est extrêmement
Difficile de déterminer un bilan matière précis du système atmosphérique, d'autant que des réactions de décomposition ou de synthèse sont toujours possibles entre les divers polluants.
Pour les installations de traitement de l'air en service, on a su s'accommoder de ces différents inconvénients.
Cependant, la plupart des systèmes actuellement développés ne sont pas utilisables pour les sous-marins utilisant une source anaérobie d'énergie d'origine chimique ; ces systèmes sont généralement de trop gros consommateurs d'énergie par rapport à la quantité d'énergie embarquée.
Le brevet US 3 775 976 utilise pour le fonctionnement d'un moteur à combustion une source cryogénique qui, en se réchauffant, permet la solidification du dioxyde de carbone issu des gaz de combustion.
Le brevet EP 0041702 utilise pour la culture aérobie de micro-organismes de l'oxygène liquide qui, mis en contact avec le dioxyde de carbone produit au cours de la fermentation des micro-organismes, permet la solidification de celui-ci.
Le but de l'invention est donc d'appliquer ce principe à la régénération de l'air d'un espace confiné en air respirable, afin d'avoir une consommation d'énergie réduite, notamment pour un système anaérobie tel qu'un sous-marin qui dispose d'une énergie limitée.
L'objet de l'invention est donc l'application à la régénération d'un air pollué en air respirable dans une enceinte fermée ou quasi-fermée, d'un dispositif disposant d' une énergie de fonctionnement autonome, comprenant classiquement un réservoir (12) contenant un matériau cryogénique utilisé pour la production de l'énergie de fonctionnement et un échangeur thermique principal (10) fonctionnant à la pression atmosphérique pour échanger de la chaleur entre un milieu gazeux contenant du dioxyde de carbone, d'une part, et le matériau cryogénique, d'autre part, caractérisée en ce que le milieu gazeux est constitué par de l'air à régénérer et en ce que le réchauffement du matériau cryogénique jusqu'a sa température de fonctionnement dans la production de l'énergie permet d'abaisser la température de l'air à régénérer à une valeur inférieure à la température de solidification du dioxyde de carbone.
Le dispositif selon l'invention tel que défini ci-dessus peut ainsi être utilisé dans un sous-marin, la source de froid étant constituée par tout ou partie de la masse d'oxygène liquide embarquée qui possède une capacité frigorifique largement suffisante pour refroidir l'air à régénérer et condenser le dioxyde de carbone.
Les buts, objets et caractéristiques de l'invention apparaítront mieux à la lecture de la description qui suit faite en référence aux dessins dans lesquels
  • la figure 1 représente schématiquement le principe utilisé dans le dispositif selon l'invention, et
  • la figure 2 représente un schéma synoptique d'un mode de réalisation de l'invention.
    • Dans un sous-marin utilisant une source chimique anaérobie d'énergie, le comburant utilisé pour la combustion est de l'oxygène stocké sous forme cryogénique dans un réservoir, destiné à être utilisé dans des piles à combustibles, des moteurs thermiques à combustion interne tels que moteurs Diesel, des moteurs thermiques à combustion externe tels que moteurs Stirling ou d'autres systèmes mettant en oeuvre des réactions d'oxydation d'un carburant. Cet oxygène qui est à une température d'environ -170°C, doit donc être réchauffé pour pouvoir être utilisé. On élève ainsi la température de l'oxygène gazeux jusqu'à -20°C à l'entrée du moteur du sous-marin.
    En référence à la figure 1, le principe de l'invention consiste à utiliser un échangeur thermique 10 qui reçoit d'une part l'oxygène cryogénique en provenance du réservoir de stockage 12, et d'autre part l'air à régénérer par l'entrée d'air 14 à la pression atmosphérique.
    Dans l'échangeur 10, l'oxygène liquide perd ses frigories (ou acquiert des calories) et donc se réchauffe pour atteindre une température d'environ -20°C à la sortie d'oxygène 16. Pendant le même temps, l'air a régénérer se refroidit dans l'échangeur 10 jusqu'à une température d'environ -135°C et est évacué par la sortie d'air régénéré 18. La température atteinte par l'air étant inférieure à la température de solidification (-78,5°C) du dioxyde de carbone gazeux à la pression atmosphérique, le dioxyde de carbone se solidifie au passage de l'air dans l'échangeur et peut donc être facilement récupéré en sortie de ce dernier. L'air à la sortie 18 est donc débarrassé du dioxyde de carbone en excès dû principalement à la respiration humaine dans l'enceinte fermée.
    Bien que le dioxyde de carbone se solidifie (à la pression atmosphérique) à une température de -78,5°C, il est nécessaire d'abaisser la température de l'air à une valeur bien inférieure à -78,5°C, par exemple à -135°C Comme on vient de le voir. Cette température inférieure est en effet nécessaire, à la pression atmosphérique, pour obtenir une tension de vapeur de CO2 dans l'air traité telle que la concentration en CO2 devienne inférieure à la concentration maximale admissible pour la durée d'exposition retenue.
    La figure 2 représente schématiquement le mode de réalisation préféré de l'invention. L'air à régénérer propulsé par un ventilateur 20 est d'abord envoyé dans un échangeur thermique annexe ou récupérateur de froid 22 avant d'atteindre l'échangeur thermique 10. L'air qui penêtre dans ce dernier par l'entrée 14 est donc un air pré-refroidi. Par contre l'air refroidi en sortie 18 de l'échangeur 10 est donc réchauffé au contact de l'air à température ambiante dans le récupérateur de froid 22.
    Comme précédemment, le dioxyde de carbone solide est récupéré en sortie de l'échangeur thermique 10. Par contre l'air propulsé par le ventilateur 20 dans le récupérateur de froid 22, se refroidit suffisamment pour que la vapeur d'eau en excès contenue dans l'air à régénérer soit liquéfiée. L'eau liquide est récupérée à la sortie 24 du récupérateur 22 et une partie de cette eau est alors recyclée dans l'humidificateur 26 pour rétablir le degré d'humidité de l'air régénéré à la sortie, pendant que l'eau en excès est récupérée à la sortie 30.
    En plus du dioxyde de carbone, l'air à régénérer contient divers polluants qui sont, soit solubilisés dans l'eau récupérée, soit condensés en même temps que le dioxyde de carbone à basse température. Ces polluants sont le pentane, les hydrocarbures de poids moléculaire supérieur, le benzène et les dérivés benzèniques, le tétrachlorure de carbone, certains oxydes d'azote, certains fréons...
    L'air régénéré à la sortie 28 peut être encore trop froid pour être envoyé dans l'habitacle. Une solution consiste à le réchauffer avec une source chaude telle que l'eau de mer.
    Bien que non représenté sur les figures 1 et 2, le transfert thermique dans l'échangeur 10 peut s'effectuer, pour des raisons de sécurité, au moyen d'un fluide intermédiaire caloporteur de façon à éviter de faire véhiculer l'oxygène liquide à proximité des circuits d'air.
    Dans l'échangeur thermique 10, la masse de dioxyde de carbone et de polluants divers augmente peu à peu. A la longue, cette masse peut devenir gênante. C'est pourquoi il est utile de prévoir l'élimination de cette masse de CO2 et de polluants. Diverses solutions existent qui sont liées à la forme du diagramme d'équilibre des phases de CO2 et la présence d'un point triple.
    Une première solution consiste à évacuer à l'extérieur le dioxyde de carbone : on isole l'échangeur thermique et on stoppe l'arrivée d'oxygène. La température augmente et la pression s'élève jusqu'à atteindre une pression suffisante pour éjecter le dioxyde de carbone à l'extérieur ou le stocker sous une forme comprimée.
    Une deuxième solution consiste à réchauffer l'échangeur isolé jusqu'à liquéfaction du CO2, par exemple à 5 bars et -52°C. Le CO2 liquide peut être pompé vers l'extérieur.
    Dans une troisième solution, l'échangeur est réchauffé à une température comprise entre -105°C et -75°C. A ce moment le CO2 est gazeux à une pression comprise entre 0,1 et 1 bar. Il peut alors être comprimé vers l'extérieur au moyen d'un compresseur.
    Enfin, la quatrième solution consiste à réchauffer l'échangeur à une température telle que la pression de vapeur soit suffisante pour alimenter une pompe à vide primaire. Par exemple à -120°C, la pression de vapeur de CO2 est de l'ordre de 0,01 bar. Le CO2 peut donc être comprimé jusqu'à la pression atmosphérique puis rejeté à l'extérieur par un compresseur. Cette solution est utilisée de préférence.
    La mise en oeuvre de l'invention dans un sous-marin à propulsion par un moteur chimique Bertin type Mesma s'appuie sur les valeurs suivantes:
  • consommation 02 du moteur: 100kg/heure
  • température de 02 à l'entrée du moteur : -20°C
  • nombre de personnes: 30
  • consommation humaine de O2: 25 l/homme/ heure
  • production humaine de CO2: 20 l/homme/heure
  • teneur en CO2 dans l'habitacle: <0,7%
  • température moyenne: 20°C
    • En régime permanent, les débits à respecter sont donc les suivants:
  • débit de CO2 à éliminer: 600 l/heure soit 1178g/h
  • débit de 02 au moteur: 100kg/heure
  • débit d'air à traiter: 600/0,007.10/9(coefficient de sécurité)soit 114 Kg/h
  • débit d'eau à éliminer:1809 g/h
    • Compte tenu des chaleurs spécifiques des différents produits impliqués dans la régénération, les quantités de chaleur mises en jeu sont les suivantes:
  • 1) refroidissement de l'air à régénérer d'une température de +20°C à une température de 0°C.
  • air: 570 kcal/h
  • eau: 36 kcal/h
  • CO2: négligeable
  • Total → 600 kcal/h
  • 2) condensation de H2O et élimination à 0°C
  • eau: 1128 kcal/h
  • 3) refroidissement de l'air de 0°C à -135°C
  • air: 3848 kcal/h
  • 4) congélation du CO2
  • CO2: 160,5 kcal/h
    • Ce qui correspond à un total de 5743 kcal/h. Cette valeur est nettement inférieure à la quantité de frigories disponibles pour faire passer l'oxygène cryogénique (-70°C) à la température de - 20°C, soit vaporisation= 5000 kcal/h.
  • réchauffage à -20°C= 3821 kcal/h
  • donc un total de 8281 kcal/h
    • Bien que le dispositif de l'invention ait été décrit en liaison avec un sous-marin, il peut être évidemment utilisé pour tout système comportant une enceinte fermée ou quasi-fermée et disposant d'une source d'énergie autonome utilisant un matériau stocké à très basse température, la source d'énergie étant utilisée pour la propulsion ou pour autre chose. Par exemple, il est possible d'utiliser le dispositif de l'invention dans un avion pour lequel on cherche à réduire au maximum le renouvellement de l'air de la cabine pour des raisons d'économie en carburant. Dans ce cas la source de froid que constitue l'atmosphère (à environ -50°C) peut être suffisante pour les polluants et la vapeur d'eau.
    Une autre application du dispositif de l'invention est son utilisation dans un aéronef ou une navette spatiale. Dans ce type d'engin, il est prévu d'emporter une quantité importante (plusieurs dizaines de tonnes) d'hydrogène liquide et parfois d'oxygène liquide. Par conséquent, il est aisé d'utiliser le dispositif de l'invention pour obtenir une régénération de l'atmosphère de la cabine fermée, grâce aux frigories récupérées par réchauffement des matériaux cryogéniques.

    Claims (9)

    1. Application à la régénération d'un air pollué en air respirable dans une enceinte fermée ou quasi-fermée, d'un dispositif disposant d'une énergie de fonctionnement autonome, comprenant classiquement un réservoir (12) contenant un matériau cryogénique utilisé pour la production de l'énergie de fonctionnement et un échangeur thermique principal (10) fonctionnant à la pression atmosphérique pour échanger de la chaleur entre un milieu gazeux contenant du dioxyde de carbone, d'une part, et le matériau cryogénique, d'autre part, caractérisée en ce que le milieu gazeux est constitué par de l'air à régénérer et en ce que le réchauffement du matériau cryogénique jusqu'à sa température de fonctionnement dans la production de l'énergie permet d'abaisser la température de l'air à régénérer à une valeur inférieure à la température de solidification du dioxyde de carbone.
    2. Application selon la revendication 1, caractérisée en ce que la température de l'air à régénérer est abaissée à une température de - 135°C.
    3. Application selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle met en oeuvre en outre un échangeur thermique annexe (22) traversé par l'air à régénérer, d'une part, et par l'air régénéré, d'autre part, pour effectuer un échange de chaleur entre l'air a régénérer et l'air régénéré (18) provenant de l'échangeur thermique principal (10), de sorte que l'air à régénérer est pré- refroidi avant d'entrer dans l'échangeur principal et l'air régénéré est pré-réchauffé avant d'être libéré dans l'enceinte.
    4. Application selon la revendication 3, caractérisée en ce que la liquéfaction de la vapeur d'eau en excès dans l'air à régénérer est effectuée par le passage de l'air à régénérer dans l'échangeur thermique annexe (22), et en ce qu'une partie de l'eau récupérée est envoyée à un humidificateur (26) à la sortie de l'échangeur annexe de façon à restituer une humidité convenable à l'air régénéré.
    5. Application selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle met en oeuvre en outre un moyen d'élimination du dioxyde de carbone solide récupéré dans l'échangeur thermique principal (10) composé d'un moyen de réchauffement de l'échangeur en non fonctionnement, d'une pompe à vide et d'un compresseur, le réchauffement permettant d'obtenir une pression de vapeur du dioxyde de carbone suffisante pour alimenter la pompe, et le compresseur servant à comprimer le dioxyde de carbone pour le rejeter à l'extérieur.
    6. Application selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que l'échangeur thermique principal (10) sert également à condenser les polluants contenus dans l'air régénéré.
    7. Application selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le matériau cryogénique est de l'oxygène liquide.
    8. Application selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'enceinte fermée est l'habitacle d'un sous-marin propulsé par une source d'énergie dont le comburant est de l'oxygène stocké sous forme cryogénique dans le réservoir (2).
    9. Application selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'enceinte fermée est l'habitacle d'un aéronef.
    EP19940400259 1993-02-15 1994-02-08 Dispositif de régénération de l'air dans une enceinte fermée Expired - Lifetime EP0611584B1 (fr)

    Applications Claiming Priority (2)

    Application Number Priority Date Filing Date Title
    FR9301677 1993-02-15
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    Publications (2)

    Publication Number Publication Date
    EP0611584A1 EP0611584A1 (fr) 1994-08-24
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    Application Number Title Priority Date Filing Date
    EP19940400259 Expired - Lifetime EP0611584B1 (fr) 1993-02-15 1994-02-08 Dispositif de régénération de l'air dans une enceinte fermée

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    Country Link
    EP (1) EP0611584B1 (fr)
    CA (1) CA2115632C (fr)
    DE (1) DE69425596T2 (fr)
    ES (1) ES2149848T3 (fr)
    FR (1) FR2701547B1 (fr)
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