FR2701547A1 - Air regeneration device in a closed enclosure. - Google Patents
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Abstract
Un dispositif de régénération de l'air dans une enceinte fermée disposant d'une énergie de fonctionnement autonome, comprenant un réservoir (12) de matériau cryogénique utilisé pour la production de ladite énergie, comprend un échangeur thermique principal (10) fonctionnant à la pression atmosphérique pour échanger de la chaleur entre l'air à régénérer (14) et le matériau cryogénique, le réchauffement du matériau cryogénique jusqu'à sa température de fonctionnement dans la production d'énergie permettant le refroidissement du dioxyde de carbone contenu dans l'air à régénérer de façon à le faire passer de l'état gazeux à l'état solide. Ce dispositif peut être utilisé pour la régénération de l'air dans un sous-marin, en se servant du réchauffement de l'oxygène liquide en vue de son utilisation comme comburant dans les moteurs du sous-marin.A device for regenerating air in a closed chamber having autonomous operating energy, comprising a reservoir (12) of cryogenic material used for the production of said energy, comprising a main heat exchanger (10) operating at pressure atmospheric to exchange heat between the air to be regenerated (14) and the cryogenic material, the heating of the cryogenic material to its operating temperature in the production of energy allowing the cooling of the carbon dioxide contained in the air to be regenerated so as to change it from the gaseous state to the solid state. This device can be used for the regeneration of air in a submarine, making use of the heating of liquid oxygen for use as an oxidizer in the engines of the submarine.
Description
i La présente invention concerne un dispositif dei The present invention relates to a device for
régénération de l'air dans une enceinte fermée ou quasi- air regeneration in a closed or near enclosure
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 closed with autonomous operating energy, the production of which requires the use of a material stored in cryogenic form. Maintaining the air quality in a closed enclosure such as the cabin of a submarine is a complex operation since it requires producing the oxygen necessary for the breathing of the crew members, reducing the amount of carbon dioxide in the air which tends to increase significantly due to human respiration and to remove pollutants
organiques de l'air produits par l'activité humaine. air organic matter produced by human activity.
Jusqu'à maintenant, la régénération de l'air dans l'habitacle des sousmarins 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 électrolyse 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 Until now, the air regeneration in the submarine cabin is carried out by chemical or electrochemical processes ensuring the functions of oxygen production and elimination of carbon dioxide and pollutants Oxygen is also generated, either by electrolysis of water, or from liquid oxygen, or by chemical reaction using an alkali metal chlorate or an alkali metal superoxide The elimination of carbon dioxide takes place generally done using molecular sieves or by absorption, for example with amines Finally, the removal of pollutants is carried out using active carbon absorbers or catalytic beds. However, air regeneration facilities are often bulky, complex equipment, consuming a large amount of energy. Furthermore, electrochemical oxygen generators also produce, following electrolysis reactions, large
quantités d'hydrogène qu'il faut ensuite traiter. quantities of hydrogen which must then be treated.
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 Finally, it should be noted that the elimination of certain organic pollutants by active carbon, although very effective, poses some problems linked to the fact that the lightest pollutants are desorbed by the heaviest pollutants This property makes it extremely difficult to determine a precise "matter" balance of the atmospheric system, especially since decomposition or synthesis reactions are always possible between
les divers polluants.various pollutants.
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 grand consommateurs d'énergie par rapport à la quantité For the air treatment installations in service, we have been able to come to terms with these various drawbacks. However, most of the systems currently developed cannot be used for submarines using an anaerobic source of energy of chemical origin. : these systems are generally too large consumers of energy compared to the quantity
d'énergie embarquée.onboard energy.
Le but de l'invention est donc de réaliser un dispositif de régénération de l'air présentant une consommation d'énergie très réduite, donc particulièrement adapté pour un système anaérobie tel qu'un sous-marin ne The object of the invention is therefore to produce an air regeneration device having a very reduced energy consumption, therefore particularly suitable for an anaerobic system such as a submarine.
disposant que d'une réserve d'énergie limitée. with only a limited energy reserve.
L'objet de l'invention est par conséquent un dispositif de régénération de l'air dans une enceinte fermée ou quasi-fermée disposant d'une énergie de fonctionnement autonome utilisant un matériau stocké sous forme cryogénique, comprenant un échangeur thermique fonctionnant à la pression atmosphérique pour échanger de la chaleur entre l'air à régénérer d'une part et le matériau cryogénique d'autre part, le réchauffement du matériau cryogénique jusqu'à sa température de fonctionnement permettant le refroidissement du dioxyde de carbone contenu dans l'air à régénérer de façon à faire passer le dioxyde de carbone de l'état gazeux à l'état The object of the invention is therefore an air regeneration device in a closed or almost-closed enclosure having an autonomous operating energy using a material stored in cryogenic form, comprising a heat exchanger operating at pressure. atmospheric to exchange heat between the air to be regenerated on the one hand and the cryogenic material on the other hand, the heating of the cryogenic material to its operating temperature allowing the cooling of the carbon dioxide contained in the air to regenerate to get carbon dioxide from the gaseous state to the state
solide.solid.
Le dispositif selon l'invention tel que défini ci- The device according to the invention as defined above
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 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 refrigerating capacity largely sufficient to cool the air to
régénérer et condenser le dioxyde de carbone. regenerate and condense carbon dioxide.
Les buts, objets et caractéristiques de l'invention The aims, objects and characteristics of the invention
apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit will appear better on reading the description which follows
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 made with reference to the drawings in which FIG. 1 schematically represents the principle used in the device according to the invention, and FIG. 2 represents a block diagram of a
mode de réalisation de l'invention. embodiment of the 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 In a submarine using an anaerobic chemical source of energy, the oxidant used for combustion is oxygen stored in cryogenic form in a tank, intended for use in fuel cells, internal combustion heat engines such as than diesel engines, thermal internal combustion engines such as Stirling engines or other systems implementing oxidation reactions of a fuel This oxygen which is at a temperature of approximately
-1700 C, doit donc être réchauffé pour pouvoir être utilisé. -1700 C, must therefore be reheated to be used.
On élève ainsi la température de l'oxygène gazeux jusqu'à The temperature of the gaseous oxygen is thus raised to
-20 C à l'entrée du moteur du sous-marin. -20 C at the entry of the submarine engine.
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 With reference to FIG. 1, the principle of the invention consists in using a heat exchanger 10 which receives cryogenic oxygen from the storage tank 12 on the one hand, and the air to be regenerated by the other on the other hand air inlet 14 at pressure
atmosphérique.atmospheric.
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 à 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 In the exchanger 10, the liquid oxygen loses its frigories (or acquires calories) and therefore heats up to reach a temperature of around -20 C at the oxygen outlet 16 During the same time, the air to be regenerated cools in the exchanger 10 to a temperature of approximately -135 * C and is evacuated by the regenerated air outlet 18 The temperature reached by the air being lower than the solidification temperature (-78.5 C ) carbon dioxide gas at atmospheric pressure, the carbon dioxide solidifies with the passage of air in the exchanger and can therefore be easily recovered at the outlet of the latter The air at the outlet 18 is therefore rid of the dioxide excess carbon mainly due to the
respiration humaine dans l'enceinte fermée. human respiration in the closed enclosure.
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 -1350 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 C 02 dans l'air traité telle que la concentration en C 02 devienne inférieure à la concentration maximale admissible pour la durée Although carbon dioxide solidifies (at atmospheric pressure) at a temperature of -78.5-C, it is necessary to lower the air temperature to a value well below -78.5 ° C, for example at -1350 ° C. As we have just seen This lower temperature is indeed necessary, at atmospheric pressure, to obtain a vapor pressure of C 02 in the treated air such that the concentration of C 02 becomes lower than the maximum permissible concentration for the duration
d'exposition retenue.selected exhibition.
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 pénêtre 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 FIG. 2 schematically represents the preferred embodiment of the invention The air to be regenerated powered by a fan 20 is first sent to an annex heat exchanger or cold recuperator 22 before reaching the heat exchanger 10 L ′ air which enters the latter via the inlet 14 is therefore pre-cooled air On the other hand the cooled air at the outlet 18 of the exchanger 10 is therefore heated in contact with the air at
température ambiante dans le récupérateur de froid 22. room temperature in the cold recuperator 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 As before, the solid carbon dioxide is recovered at the outlet of the heat exchanger 10 On the other hand, the air propelled by the fan 20 in the cold recuperator 22 cools sufficiently so that the excess water vapor contained in the air to be regenerated is liquefied The liquid water is recovered at the outlet 24 of the recuperator 22 and part of this water is then recycled into the humidifier 26 to restore the humidity of the regenerated air at the outlet, during than
l'eau en excès est récupérée à la sortie 30. excess water is collected at outlet 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 In addition to carbon dioxide, the air to be regenerated contains various pollutants which are either dissolved in the recovered water or condensed at the same time as carbon dioxide at low temperature. These pollutants are pentane, hydrocarbons of molecular weight higher, benzene and benzene derivatives, carbon tetrachloride, certain nitrogen oxides, certain
"Fréons ' '."Freons".
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 The air regenerated at outlet 28 may still be too cold to be sent into the passenger compartment. One solution is to heat it with a hot source such as
l'eau de mer.Seawater.
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 Although not shown in FIGS. 1 and 2, the heat transfer in the exchanger 10 can be carried out, for safety reasons, by means of an intermediate heat-transfer fluid so as to avoid doing
véhiculer l'oxygène liquide à proximité des circuits d'air. convey liquid oxygen near the air circuits.
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 C 02 et de polluants Diverses solutions existent qui sont liées à la forme du diagramme d'équilibre des phases de C 02 et la In the heat exchanger 10, the mass of carbon dioxide and of various pollutants gradually increases. In the long run, this mass can become troublesome. This is why it is useful to provide for the elimination of this mass of C 02 and of pollutants Various solutions exist which are linked to the shape of the phase balance diagram of C 02 and the
présence d'un point triple.presence of a triple point.
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 A first solution consists in evacuating the carbon dioxide outside: the heat exchanger is isolated and the oxygen supply is stopped. The temperature increases and the pressure rises until reaching a pressure sufficient to eject the dioxide. carbon to
l'extérieur ou le stocker sous une forme comprimée. outside or store it in a compressed form.
Une deuxième solution consiste à réchauffer l'échangeur isolé jusqu'à liquéfaction du C 02, par exemple à 5 bars et -52 C Le C 02 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 C 02 est gazeux à une pression comprise entre 0,1 et 1 bar Il peut alors être comprimé vers l'extérieur A second solution consists in reheating the isolated exchanger until the C 02 liquefies, for example at 5 bars and -52 C. The liquid C 02 can be pumped out. In a third solution, the exchanger is heated to a temperature between -105 C and -75 C. At this time the C 02 is gaseous at a pressure between 0.1 and 1 bar It can then be compressed towards the outside
au moyen d'un compresseur.by means of a compressor.
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 C 02 est de l'ordre de 0,01 bar Le C 02 peut donc être comprimé jusqu'à la pression atmosphérique puis rejeté à l'extérieur par un compresseur Cette solution est utilisée Finally, the fourth solution consists in heating the exchanger to a temperature such that the vapor pressure is sufficient to supply a primary vacuum pump. For example at -120 C, the vapor pressure of C 02 is of the order of 0 , 01 bar The C 02 can therefore be compressed to atmospheric pressure and then discharged outside by a compressor. This solution is used
de préférence.preferably.
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: 100 kg/heure température de 02 à l'entrée du moteur: -20 'C nombre de personnes: 30 consommation humaine de 02: 25 1/homme/ heure production humaine de C 02: 20 1/homme/heure teneur en C 02 dans l'habitacle: < 0,7 % température moyenne: 200 C En régime permanent, les débits à respecter sont donc les suivants: débit de C 02 à éliminer: 600 1/heure soit 1178 g/h débit de 02 au moteur: 100 kg/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 The implementation of the invention in a submarine powered by a Bertin Mesma type chemical engine is based on the following values: consumption 02 of the engine: 100 kg / hour temperature of 02 at the engine inlet: - 20 'C number of people: 30 human consumption of 02: 25 1 / man / hour human production of C 02: 20 1 / man / hour C 02 content in the passenger compartment: <0.7% average temperature: 200 C In steady state, the flow rates to be observed are therefore as follows: C 02 flow rate to be eliminated: 600 1 / hour, i.e. 1178 g / h 02 flow rate to the engine: 100 kg / hour air flow rate to be treated: 600 / 0.007 10 / 9 (safety coefficient), ie 114 Kg / h water flow to be eliminated: 1809 g / h Taking into account the specific heats of the different products involved in regeneration, the quantities of heat involved are as follows: 1) cooling air to be regenerated
température de + 20 C à une température de O OC. temperature of + 20 C at a temperature of O OC.
air: 570 kcal/h eau: 36 kcal/h C 02: négligeable Total -m 600 kcal/h 2) condensation de H 20 et élimination à O 'C eau: 1128 kcal/h 3) refroidissement de l'air de O OC à -135 'C air: 3848 kcal/h 4) congélation du C 02 C 02: 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) air: 570 kcal / h water: 36 kcal / h C 02: negligible Total -m 600 kcal / h 2) condensation of H 20 and elimination at O 'C water: 1128 kcal / h 3) cooling of the air of O OC at -135 'C air: 3848 kcal / h 4) freezing of C 02 C 02: 160.5 kcal / h This corresponds to a total of 5743 kcal / h This value is much lower than the quantity of frigories available for pass cryogenic oxygen (-70 C)
à la température de 20 C, soit vaporisation= 5000 kcal/h. at a temperature of 20 C, or vaporization = 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 reheating to -20 'C = 3821 kcal / h therefore a total of 8281 kcal / h Although the device of the invention has been described in connection with a submarine, it can obviously be used for any system comprising a closed enclosure or almost closed and having an autonomous energy source using a material stored at very low temperature, the energy source being used for propulsion or for something else For example, it is possible to use the device of the invention in an airplane for which it is sought to reduce as much as possible the renewal of the cabin air for reasons of fuel economy In this case the source of cold which constitutes the atmosphere (at approximately -50 ° C.) may be
suffisante pour les polluants et la vapeur d'eau. sufficient for pollutants and water vapor.
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 Another application of the device of the invention is its use in an aircraft or a space shuttle. In this type of machine, it is planned to carry a large quantity (several tens of tonnes) of liquid hydrogen and sometimes oxygen. liquid Consequently, it is easy to use the device of the invention to obtain a regeneration of the atmosphere of the closed cabin, thanks to the frigories recovered by
réchauffement des matériaux cryogéniques. warming of cryogenic materials.
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Effective date: 20121031 |