Генераторы кислорода

Генераторы кислорода КЦБА — принцип работы

Кислородная станция, собранная с компрессором на общей раме. Адсорберы самого кислородного генератора видны справа от электрического шкафа.

Генератор кислорода, работающий по принципу короткоцикловой безнагревной адсорбции, состоит из пары емкостей-адсорберов, заполненных адсорбентом (синтетическим цеолитом), имеющим свойство разделять сжатый воздух, преференциально задерживая молекулы азота и пропуская молекулы кислорода. Объем подаваемого в единицу времени в адсорбер сжатого воздуха искусственно ограничен установленными в паре редуктором-регулятором давления и ограничителем расхода, а емкость цеолитной засыпки по поглощению молекул азота заранее известна — поэтому, известно и время, за которое цеолит достигнет предельной степени насыщения азотом, и это время заложено в память блока управления генератора. Немного не дожидаясь момента полного насыщения цеолита азотом, система управления, с помощью пневматических клапанов, сначала открывает потоку сжатого воздуха путь на другой, «свежий» адсорбер (благодаря чему выработка азота происходит непрерывно), затем закрывает впускной клапан на (почти) достигшем порога насыщения адсорбере и начинает его регенерацию:

После того, как поток сжатого воздуха переведен на «свежий» адсорбер, система управления открывает сбросной клапан на насыщенном азотом адсорбере. Происходит сначала резкий сброс давления с выходом газа, в том числе и значительной части ранее задержанных цеолитом молекул азота, в атмосферу через фильтр-глушитель. Адсорберы соединены между собой перепускной трубкой с соплом, проходное сечение которого заранее рассчитывается и устанавливается при заводской настройке генератора. Соответственно, после того, как давление в проходящем регенерацию адсорбере сброшено, часть вырабатываемого кислорода начинает переходить через эту трубку с соплом из рабочего в проходящий регенерацию адсорбер; давление регенерации при этом находится на уровне чуть выше атмосферного. Кислород дополнительно «вымывает» из цеолита молекула азота, и получающаяся смесь выходит в атмосферу через фильтр-глушитель. Время, необходимое для регенерации цеолита, также заранее рассчитывается и заклывается в память системы управления при ее заводской настройке. После истечения этого времени, начинается набор давления:

Сбросной клапан на прошедшем регенерационную продувку адсорбере закрывается. При этом, ничто не мешает кислороду переходить из рабочего адсорбера через перепускную трубку с соплом в прошедший регенерацию адсорбер — и давление в последнем плавно растет до уровня рабочего. Время набора давления также заранее известно и заложено в память; после выравнивания давления в прошедшем регенерацию адсорбере, он готов опять начать адсорбцию, и система управления переводит поток сжатого воздуха на него и начинает регенерацию второго адсорбера.

Принцип короткоцикловой адсорбции с регенерацией адсорбента при небольшом избыточном давлении прост, надежен, легко воплощаем конструктивно и проверен десятилетиями серийного производства установок для производства кислорода по всему миру. Генератор кислорода, сам по себе, почти не потребляет мощности — напряжение подается только на электромагнитные клапаны, управляющие подачей и сбросом газа в адсорберы, а также на не более мощные устройства управления и мониторинга: систему управления, датчики и пр. Поэтому, энергетическая эффективность генератора кислорода определяется только объемом сжатого воздуха, требующимся для производства того или иного объема кислорода.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Электрохимический генератор, содержащий батарею топливных элементов, испаритель, риформер, водородный сепаратор с палладиевой мембраной, дожигатель, датчик температуры в дожигателе, дроссель на выходе из дожигателя, отличающийся тем, что в него включены турбоагрегат с турбиной, камера сгорания, теплообменники газовой смеси, газообразного водорода, подогрева воздуха, тепловой аккумулятор, воздушный компрессор, газовый баллон для водорода с заправочным клапаном, емкость с водометаноловой смесью с заправочным клапаном, реле давления; при этом выход емкости с водометаноловой смесью с заправочным клапаном через отсечной клапан и насос высокого давления сообщен с входом испарителя и через обратный клапан подключен к выходу камеры сгорания, причем датчик температуры пускового режима электрически связан с отсечным клапаном и пусковым блоком насоса высокого давления, выход испарителя сообщен с входом риформера, выход которого связан через регулятор давления с турбиной турбоагрегата, выход с которой сообщен с первым входом дожигателя, а второй его вход связан через отсечной клапан с выходом турбоагрегата, сообщенного на входе с атмосферой, а выход из дожигателя через дроссель сообщен с входом теплообменника газовой смеси, выход которого сообщен с атмосферой, одновременно выход турбоагрегата сообщен со входом теплообменника подогрева воздуха, выход которого связан с первым входом батареи топливных элементов, выход водородного сепаратора соединен со входом теплообменника газообразного водорода, выход которого подключен к второму входу батареи топливных элементов и через обратный клапан — к газовому баллону для водорода, водородный сепаратор контактирует через палладиевую мембрану с риформером, который, в свою очередь, контактирует с дожигателем через общую стенку, испаритель, теплообменник газовой смеси, теплообменник газообразного водорода и также теплообменник подогрева воздуха объединены в общий корпус с теплоемким наполнителем, образуя аккумулятор тепла, первый вход камеры сгорания сообщен через отсечной клапан с выходом газового баллона для водорода, а второй ее вход через обратный клапан сообщен с воздушным компрессором, вход которого сообщен с атмосферой, камера сгорания снабжена реле давления, которое электрически связано соответственно с блоком выключения компрессора и отсечным клапаном магистрали газового баллона для водорода — камеры сгорания.

ИЗОБРЕТЕНИЕ Патент Российской Федерации RU2290724

Имя изобретателя: Воронцов Владимир Викторович (RU); Голов Валерий Сергеевич (RU); Никитин Вячеслав Алексеевич (RU); Перфильев Лев Алексеевич (RU); Рытов Александр Викторович (RU); Старостин Александр Николаевич (RU); Худяков Сергей Андреевич (RU); Чернов Сергей Вениаминович  Имя патентообладателя: Открытое акционерное общество «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королева» Адрес для переписки: 141070, Московская обл., г. Королев, ул. Ленина, 4а, ОАО «РКК «Энергия» им. С.П. Королева», отдел интеллектуальной собственности Дата начала действия патента: 2005.03.09 

Ноу-хау разработки, а именно данное изобретение автора относится к области энергетики и может использоваться в стационарных и мобильных энергоустановках, работающих на водородно-кислородных (воздушных) электрохимических генераторах. Техническим результатом изобретения является повышение КПД электрохимического генератора за счет снижения энергозатрат на получение электроэнергии за счет использования тепловой энергии газообразного водорода, поступающей из водородного сепаратора, а также использования на нужды электрохимического генератора потока высокого давления газовой смеси, поступающей из риформера. Снижение энергозатрат достигается в результате того, что на выходе из риформера установлен регулятор давления, позволяющий создавать оптимальное давление в риформере, а поток смеси высокого давления на выходе из регулятора давления используется для работы турбины турбоагрегата, который подает воздух из атмосферы в батарею ТЭ. С выхода турбоагрегата газовый поток подается в дожигатель, а тепловая энергия используется для нагрева газовой смеси в риформере, а также для испарения поступающего в испаритель топлива и подогрева поступающего в батарею ТЭ воздуха.

Серия кислородных генераторов OG

Кислородная установка серии OG

Компания MVS Engineering изготавливает генераторы кислорода, использующие вышеописанный простой и надежный принцип короткоцикловой адсорбции, серии OG (от английского Oxygen Generator, то есть «генератор кислорода»). Кислородные установки OG — это  
— высококачественный синтетический цеолит японского производства
— окрашенные сварные стальные адсорберы из высококачественной стали, с запасом по давлению
— высококачественные клапаны (пневматические и электромагнитные) японского производства
— датчики давления и температуры сжатого воздуха и вырабатываемого кислорода, а также манометры
— стандартно включенный в комплект поставки датчик чистоты вырабатываемого кислорода
— удобный интерфейс системы управления с жидкокристаллическим дисплеем
— низкое потребление сжатого воздуха (=высокий КПД), на уровне передовых европейских систем
— автоматическая продувка в случае падения чистоты кислорода
— переход в режим ожидания при отсутствии «разбора» кислорода и автоматический перезапуск
— быстрый запуск: не более 5 минут от момента включения до начала пр-ва кислорода расчетной чистоты
— температура точки росы кислорода не выше -40°C под давлением
— европейское качество по привлекательной цене

MVS предлагает как отдельные генераторы кислорода серии OG, которые можно использовать с имеющимся у заказчика источником очищенного и осушенного сжатого воздуха, так и готовые системы «под ключ», собранные на общей раме и включающие в себя воздушный компрессор, воздушный ресивер, фильтры и осушитель сжатого воздуха, саму кислородную установку, кислородный ресивер-накопитель и общий электрошкаф с пультом центрального управления. MVS обычно комплектует такие кислородные станции компрессорным оборудованием широко известной высоким качеством своей продукции компании Atlas Copco — однако, при наличии у заказчика других предпочтений по изготовителю компрессорного оборудования, снабжающего генератор OG сжатым воздухом, возможна установка на раму этого оборудования (разумеется, после подбора надлежащих моделей).

Примечания:
при избыточном давлении СжВ на входе 7 бар, давлении O₂ на выходе 4 бара и составе получаемого газа:
— кислорода 93%
— аргона 4,5%
— азота 2,5%

Возможная чистота производимого кислорода: от 93% до 95%.

Максимальное давление производимого кислорода: 4 бар (изб). При необходимости, возможно досжатие кислорода до 200 бар с помощью безмасляного бустерного кислородного компрессора.

Температура точки росы получаемого кислорода: ≤-40°C под давлением.