ПАТРОН ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА Российский патент 2007 года по МПК A62B19/02 A62B7/08 

Изобретение относится к устройствам для регенерации воздуха, содержащим регенеративный продукт на основе надпероксидов щелочных и/или щелочно-земельных металлов.

Известен патрон для регенерации воздуха, содержащий корпус с входным и выходным отверстиями для регенерируемого воздуха, регенеративный продукт на основе надпероксида калия, размещенный в корпусе между перфорированными перегородками.

При этом продукт разделен горизонтальными перфорированными перегородками на разновысокие слои с образованием между ними зазора (Ав. Св. СССР №1106518, МПК А 62 В 19/02, 1984 г.).

Распределение воздуха по нескольким слоям регенеративного продукта позволяет увеличить срок защитного действия регенеративного патрона и несколько снизить его сопротивление в начальный период работы. Однако по мере отработки верхних слоев продукта и роста их сопротивления основная нагрузка по парам воды и диоксиду углерода перемещается на замыкающие слои, что ведет к быстрому росту сопротивления этих слоев и росту сопротивления всего патрона. Одновременно на выходе из патрона растет проскоковая концентрация диоксида углерода, что сокращает время защитного действия патрона.

Известен патрон для регенерации воздуха (патент США №4019509, НКИ 128/147, 26.04.77 г.), содержащий корпус, в котором расположены между перфорированными стенками слои кислородсодержащего вещества. При этом полости между слоями кислородсодержащего вещества последовательно соединены каналами.

В этом изобретении решается задача повышения срока защитного действия аппарата путем извлечения максимального количества кислорода из кислородсодержащего вещества.

Действительно, благодаря такому решению можно достичь повышения срока защитного действия аппарата, так как по сравнению с патроном по ав. св. СССР №1106518 распределение воздуха идет по всем слоям регенеративного продукта. Однако создание нескольких слоев в регенеративном патроне приводит к тому, что насыпная плотность продукта в каждом из слоев имеет разную величину, причем сложно контролируемую. Процесс регенерации в каждом из слоев протекает отлично друг от друга, причем в слоях с малой плотностью быстрее появляется проскоковая концентрация диоксида углерода, что приводит к неэффективному использованию регенеративного продукта в этих слоях, а в слоях с большей плотностью быстро растет аэродинамическое сопротивление, что также сказывается на эффективности использования регенеративного продукта. С другой стороны, послойное снаряжение патрона технологически сложно и имеет высокую трудоемкость, а при необходимости использования больших количеств регенеративного продукта в регенеративном патроне применение таких технических решений приводит к увеличению массогабаритных характеристик, к увеличению металлоемкости регенеративных патронов. При постоянном механическом воздействии на патрон, что имеет место при эксплуатации патронов в угольных шахтах, расположение регенеративного продукта слоями может привести к проседанию продукта, и тогда возможен проскок воздуха в патроне помимо слоев продукта. В патронах с большой массой регенеративного продукта разделяющие перегородки подвержены давлению со стороны продукта и в процессе транспортных нагрузок они могут прогибаться, нарушая первоначальное расположение продукта в слое, что вызывает изменение аэродинамики потока газовоздушной среды в патроне и проскоку этого потока помимо слоя. В конечном счете все это отражается на снижении защитной мощности регенеративных патронов вплоть до их функционального отказа.

Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик патрона для регенерации воздуха.

Техническим результатом изобретения является увеличение степени использования регенеративного продукта в широком диапазоне температуры и содержания диоксида углерода и паров воды поступающего на регенерацию воздуха за счет создания оптимальных условий процесса регенерации воздуха в патроне для регенерации воздуха.

Технический результат достигается изобретением, согласно которому патрон для регенерации воздуха, включающий корпус и регенеративный продукт, дополнительно содержит установленные в продукте воздуховоды, разделенные на участки, попеременно перпендикулярные боковой поверхности корпуса патрона и параллельные боковой поверхности патрона, воздуховоды выполнены в виде параллельных перфорированных полуцилиндров, размещенных на определенном расстоянии друг от друга и закрепленных на плоском перфорированном основании, при этом полуцилиндры воздуховодов, перпендикулярных боковой поверхности корпуса, обращены к выходу по ходу газового потока, полуцилиндры воздуховодов, параллельных боковой поверхности патрона, обращены к боковой поверхности корпуса.

Такое конструктивное выполнение патрона позволяет создать оптимальные условия для протекания хемосорбционных, диффузионных, тепловых и аэродинамических процессов, поскольку воздуховоды обеспечивают развертывание поверхности регенеративного продукта по ходу движения регенерируемого воздуха в патроне во внешнедиффузионной и диффузионной областях и оптимизирует распределение потока в этих областях. При этом снижается нагрузка по парам воды на лобовые участки регенеративного продукта и обеспечивается эффективный теплосъем из зоны патрона с наибольшей температурой. Тем самым регенеративный продукт максимально отрабатывает за время защитного действия патрона.

Для сохранения стабильности работы регенеративного продукта в патроне целесообразно выполнить воздуховоды с определенными геометрическими характеристиками, а именно:

- отношение расстояния между геометрическими центрами полуцилиндров к их радиусу составляет от 2,4 до 4,5;

- отношение площади поперечного сечения полуцилиндров к расстоянию между двумя последовательно расположенными основаниями воздуховодов, перпендикулярных боковой поверхности корпуса патрона, составляет от 7,0 до 1,5;

- отношение расстояния от оси верхнего полуцилиндра до поверхности, ограниченной регенеративным продуктом, к расстоянию между двумя последовательно расположенными основаниями воздуховодов, перпендикулярных боковой поверхности корпуса, составляет от 0,3 до 1,6;

- отношение расстояния от оси нижнего полуцилиндра до днища патрона к расстоянию между двумя последовательно расположенными основаниями воздуховодов, перпендикулярных боковой поверхности корпуса, составляет от 0,1 до 0,8;

- отношение расстояния от основания воздуховодов, параллельных боковой поверхности корпуса, до боковой поверхности корпуса к расстоянию между двумя последовательно расположенными основаниями воздуховодов, перпендикулярных боковой поверхности корпуса, составляет от 0,25 до 1,0;

Изобретение поясняется чертежами, на которых:

фиг.1 - общий вид патрона;

фиг.2 - продольный разрез патрона;

фиг.3 - горизонтальный разрез патрона;

фиг.4 - участок воздуховодов, перпендикулярных боковой поверхности корпуса;

фиг.5 - участок воздуховодов, параллельных боковой поверхности корпуса;

фиг.6 - внешнедиффузионная и диффузионная области в регенеративном патроне.

Патрон содержит корпус 1, в котором размещен регенеративный продукт 2, входной 3 и выходной 4 штуцеры, днище 5, крышку 6, уплотнительный мат 7, воздуховоды 8, распределительные полости 9, 10 на входе и выходе из патрона.

Воздуховоды 8 содержат участки 11, перпендикулярные боковой поверхности 20 патрона и участки 12, параллельные боковой поверхности 20 патрона.

Участки воздуховода 11 содержат секцию параллельных перфорированных полуцилиндров 13, размещенных на определенном расстоянии друг от друга и закрепленных на перфорированном основании 14. Для сборки воздуховодов 8 на участках воздуховода 11 установлены присоединительные уголки 15. Участки воздуховода 12 содержат секцию параллельных перфорированных полуцилиндров 16, размещенных на определенном расстоянии друг от друга и закрепленных на перфорированном основании 17. Торцевые поверхности участков воздуховода 12 закрыты уголками 18.

Распределительные полости 9, 10 на входе и выходе из патрона могут быть выполнены любым известным способом. В предлагаемом изобретении они содержат участки воздуховода 11 и присоединительные элементы 19, при этом участки воздуховода 11 полуцилиндрами направлены к торцевым поверхностям 21 корпуса 1 патрона.

Сборка патрона осуществляется следующим образом. Из перфорированного листа с помощью штампа штампуют секции полуцилиндров 13 и 16 в соответствии с заданными размерами. Полученные секции полуцилиндров точечной сваркой приваривают к плоскому перфорированному основанию соответственно 14 и 17. Торцевые поверхности участков воздуховода 12, параллельных боковой поверхности 20 патрона, закрывают уголками 18. Полученные таким образом участки воздуховода 11 и 12 соединяют между собой под прямым углом с помощью присоединительных уголков 15 так, чтобы оси полуцилиндров участков воздуховода 11, перпендикулярных боковой поверхности 20, и оси полуцилиндров участков воздуховода 12, параллельных этой поверхности, лежали в одной плоскости. Полученные таким образом воздуховоды 8 подсоединяют к распределительным полостям 9 и 10 на торцевых поверхностях 21 патрона. Регенеративный продукт 2 засыпают сверху до уровня в соответствии с установленным соотношением. На регенеративный продукт 2 укладывают уплотнительный мат 7, затем крышку 6, которую приваривают к корпусу 1 патрона. Входной 3 и выходной 4 штуцеры закрывают заглушками. Регенеративный патрон готов к применению.

При включении патрона в работу газовоздушная смесь поступает через входной 3 штуцер в распределительную полость 9, далее часть газовоздушной смеси проходит через регенеративный продукт 2, находящийся в так называемой внешнедиффузионной области 22, другая часть омывает продукт 2, находящийся в диффузионной области 23, (фиг.6) и далее газовоздушная смесь выходит из патрона через выходной штуцер 4. Для снижения нагрузки по парам воды лобовая поверхность продукта 2 во внешнедиффузионной области 22 развернута за счет расположения участков воздуховода 11 полуцилиндрами по ходу потока воздуха. Поверхность продукта 2 в диффузионной области 23, примыкающей к боковым поверхностям 20 регенеративного патрона, развернута за счет расположения участков воздуховода 12 полуцилиндрами к боковым поверхностям 20 патрона, что приводит к более эффективному использованию продукта в этой области. Продукт 2, расположенный над воздуховодами 8 и под воздуховодами 8, также находится в диффузионной области 23. Его оптимальная отработка достигается за счет соответствующих соотношений, полученных опытным путем.

По мере отработки регенеративного продукта 2 в лобовой части патрона по ходу движения потока эти части переходят в режим работы диффузионной области, в то время как в замыкающей части патрона процесс осуществляется как во внешнедиффузионной, так и диффузионной областях. Разные скорости поглощения паров воды и диоксида углерода во внешнедиффузионной 22 и диффузионной 23 областях позволяют в совокупности получать более сбалансированное поглощение диоксида углерода и выделение кислорода и, к моменту завершения работы патрона, степень использования продукта 2 составляет до 90% от его стехиометрической емкости по кислороду и диоксиду углерода. Снижение температуры во внешнедиффузионной области 22 происходит за счет рассеивания тепла воздушным потоком от центра к боковым поверхностям 20 корпуса 1 патрона и за счет теплопередачи через воздуховоды 8 от наиболее нагруженных участков, находящихся в центре, к боковым поверхностям 20 корпуса 1 патрона, днищу 5 и крышке 6, что также способствует более сбалансированному выделению кислорода и поглощению диоксида углерода.

В таблице представлены результаты испытаний регенеративного патрона с массой продукта 20 кг в различных температурно-влажностных, концентрационных условиях.

ТаблицаОбъемный расход газовоздушной смеси через патрон, м³/часКонцентрация СО₂ в газовоздушной смеси, %Относительная влажность газовоздушной смеси, %Температура газовоздушной смеси, °ССтепень отработки продукта по СО₂, %Степень отработки продукта по О₂,%250,560208690250,7560209092251,060209596251,560209394251,085208389251,085308091301,060209497401,060208795

Помимо увеличения степени использования регенеративного продукта изобретение решает вопросы технологичности как процесса изготовления воздуховодов, так и снаряжения патрона регенеративным продуктом. При изготовлении воздуховодов используются широко распространенные операции штамповки и сварки, количество операций минимальное, а при снаряжении патрона регенеративный продукт из бункера засыпается в патрон либо по весу, либо до установленного уровня, и таким образом процесс снаряжения включает одну операцию. Кроме того, конструкция воздуховодов в виде полуцилиндров, закрепленных на плоском основании, является жесткой и устойчивой, что исключает возможность проседания продукта при транспортных и механических нагрузках и способствует закреплению продукта в патроне с сохранением его первоначального состояния, что исключает возможность проскока воздуха помимо продукта, и аэродинамические процессы в патроне осуществляются в заданном режиме.

Изобретение относится к устройствам для регенерации воздуха, содержащим регенеративный продукт на основе надпероксидов щелочных и/или щелочно-земельных металлов. Патрон для регенерации воздуха содержит корпус и размещенный в нем регенеративный продукт. В продукте установлены воздуховоды, разделенные на участки, попеременно перпендикулярные боковой поверхности корпуса патрона и параллельные боковой поверхности корпуса патрона. Воздуховоды выполнены в виде параллельных перфорированных полуцилиндров, размещенных на определенном расстоянии друг от друга и закрепленных на плоском перфорированном основании. Полуцилиндры воздуховодов, перпендикулярных боковой поверхности корпуса патрона, обращены в выходу по ходу газового потока. Полуцилиндры воздуховодов, параллельных боковой поверхности корпуса патрона, обращены к боковой поверхности корпуса. Конструктивное выполнение патрона обеспечивает максимальную отработку регенеративного продукта за время защитного действия патрона при сохранении стабильности его работы. 5 з.п. ф-лы, 6 ил., 1 табл.

1. Патрон для регенерации воздуха, включающий корпус и регенеративный продукт, отличающийся тем, что дополнительно содержит установленные в продукте воздуховоды, разделенные на участки, попеременно перпендикулярные боковой поверхности корпуса патрона и параллельные боковой поверхности корпуса патрона, и выполненные в виде параллельных перфорированных полуцилиндров, размещенных на определенном расстоянии друг от друга и закрепленных на плоском перфорированном основании, при этом полуцилиндры воздуховодов, перпендикулярных боковой поверхности корпуса патрона, обращены к выходу по ходу газового потока, а полуцилиндры воздуховодов, параллельных боковой поверхности корпуса патрона, обращены к боковой поверхности.2. Патрон для регенерации воздуха по п.1, отличающийся тем, что отношение расстояния между геометрическими центрами полуцилиндров к их радиусу составляет от 2,4 до 4,5.3. Патрон для регенерации воздуха по п.1, отличающийся тем, что отношение площади поперечного сечения полуцилиндров к расстоянию между двумя последовательно расположенными основаниями воздуховодов, перпендикулярных боковой поверхности корпуса патрона, составляет от 7,0 до 1,5.4. Патрон для регенерации воздуха по п.1, отличающийся тем, что отношение расстояния от оси верхнего полуцилиндра до поверхности, ограниченной регенеративным продуктом, к расстоянию между двумя последовательно расположенными основаниями воздуховодов, перпендикулярных боковой поверхности корпуса, составляет от 0,3 до 1,6.5. Патрон для регенерации воздуха по п.1, отличающийся тем, что отношение расстояния от оси нижнего полуцилиндра до днища патрона к расстоянию между двумя последовательно расположенными основаниями воздуховодов, перпендикулярных боковой поверхности корпуса, составляет от 0,1 до 0,8.6. Патрон для регенерации воздуха по п.1, отличающийся тем, что отношение расстояния от основания воздуховодов, параллельных боковой поверхности корпуса, до боковой поверхности корпуса к расстоянию между двумя последовательно расположенными основаниями воздуховодов, перпендикулярных боковой поверхности корпуса, составляет от 0,25 до 1,0.