ОЗОНОВЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 2024 года по МПК B01D53/66 B01D53/86 B01J21/00 B01J23/34 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системам подготовки воздуха на борту летательного аппарата (ЛА), входит в состав комплексной системы кондиционирования воздуха (КСКВ) и предназначено для снижения концентрации озона в воздухе до необходимого уровня.

Уровень техники

Озон обладает высокой окисляющей способностью и при многих реакциях выделяет свободные радикалы кислорода, это позволяет обогащенному озоном воздуху обладать обеззараживающими свойствами.

Однако озон является токсичным веществом. Наиболее опасное воздействие озон оказывает на органы дыхания и глаза прямым раздражением и повреждением тканей. Поэтому в системах подготовки воздуха ЛА применяют озоновые фильтры для снижения концентрации озона до необходимого уровня. Современные самолеты летают на высотах порядка 12000 м, где содержание озона в воздухе составляет 1,5-2 мг/кг. В то же время предельно допустимое содержание озона в воздухе пассажирских салонов, согласно Авиационным правилам АП-25, не должно превышать 0,25 частей на 1000000 частей воздуха в кабине (по объему), приведенных к условиям, температура 25°С и давление 760 мм рт.ст., в любое время полета на высоте свыше уровня 9750 м, а также 0,10 частей на 1000000 частей воздуха в кабине (по объему), приведенных к условиям, при температуре 25°С и давление 760 мм рт.ст., в средневзвешенной концентрации за любые 3 ч полета на высоте свыше уровня 8250 м.

Известны различные способы устранения загрязнения окружающей среды озоном путем разложения озона на кислород каталитическими веществами, включая металлические и неметаллические катализаторы. Каталитические системы представляют наиболее эффективный способ удаления озона из отбираемого воздуха или пневматических воздуховодов системы подачи воздуха в самолет. Каталитические вещества, в т.ч. в виде гранул или частиц необходимо перевозить в корпусе большой массы, что создает проблемы с весом. В качестве катализаторов могут использоваться неметаллические катализаторы, такие как оксид алюминия, оксид циркония, муллит, титанат алюминия, карбид кремния, оксид марганец. И металлические катализаторы содержащие платину (Pt), палладий (Pd), марганец (Mg), родий (Rh), серебро (Ag), а также их комбинацию. Преимуществом катализаторов на металлических носителях по сравнению с неметаллическими является: термостабильность и выдерживание перегревов до 800-1050°С, долговечность, обеспечение глубокого разложения озона во всем диапазоне рабочих температур.

Известно изобретение «Systems for removing ozone» (патент US №3269801 (A), МПК B01D 53/86, опубл. 2008-12-09), в котором описана система удаления озона из воздуха, использующая гранулы или частицы неметаллических катализаторов, таких как диоксид марганца, помещенные в корпус большой массы. Известно изобретение «Procédé et appareil pour éliminer l'ozone de l'air chargé en ozone» (патент FR №1436673, МПК B01D 53/04, B01D 53/66, опубл. 1966-04-29), которое раскрывает, что озон можно удалить из воздуха, пропуская воздух через слой активного гранулированного вещества, такого как MnO₂. Недостатком аналогов является увеличение веса летательного аппарата, а также они создают значительное сопротивление потоку воздуха проходящего через них.

Известен способ очистки газовых выбросов и устройство для его осуществления, (патент RU №2286201, МПК F24F 3/16, D01D 53/86, опубл. 27.10.2006 Бюл. №30), в котором осадительные электроды с каталитическим покрытием выполнены с возможностью прямого пропускания электрического тока или с вмонтированными в них теплогенерирующими элементами для нагрева каталитического покрытия до температуры, необходимой для каталитической обработки газового потока. Кроме того, известен электростатический фильтр, включающий в себя корпус, содержащий входное окно, выходное окно, фильтр и вентилятор, в корпусе образована камера облучения, имеющая блок электростатической зарядки, блок осаждения заряженных частиц (патент RU №201277, МПК В03С 3/12, опубл. 07.12.2020 Бюл. №34). Недостатком аналогов является слишком усложненная конструкция фильтров, включающая в себя энергозатратные составляющие и нежелательно увеличивающие вес летательного аппарата.

Известна полезная модель «Средство для удаления озона из системы кондиционирования воздуха самолета» (патент CN 204447752 (U), B01D 53/66, B01D 53/86, опубл. 08.07.2015), предназначенная для удаления озона методом каталитической реакции контактного типа с озоном. Устройство для удаления озона в основном состоит из входного патрубка, сотового корпуса, внешнего цилиндра и выходного патрубка. В целях повышения санитарного комфорта в самолете в системе прокачки воздуха кондиционирования воздуха дополнительно устраивают озоноотделитель; воздух, содержащий вредный озон, сначала проходит через структуру сотового сердечника, полностью контактирует и реагирует с катализатором на сотовой поверхности, затем быстро превращается в безвредный кислород, который подается в кабину, так что воздух качество салона самолета может быть значительно улучшено, в дальнейшем может быть обеспечено физическое и психологическое здоровье пассажиров в самолете, а безопасность и комфорт самолета значительно улучшены. Недостатком данной полезной модели является неразборный цилиндрический корпус, при котором отсутствует возможность ремонта фильтра, при повышении температуры меняется химическая реакция деозонатора, а также снижается скорость проходящего воздуха за счет сопротивления плотной структуры используемого сотового заполнителя.

Известен катализатор разложения озона и способ его приготовления (патент RU 2537300 С1, МПК B01J 23/16, B01J 23/40, B01J 23/44, B01J 23/46, B01J 23/48, B01J 37/34, B01J 37/02, B01D 53/66, опубл. 27.12.2014), изготовленный из гофрированной алюминиевой фольги с алюмосиликатным покрытием, которое импрегнировано оксидами переходных металлов с добавками благородных металлов или их оксидов, при этом указанное алюмосиликатное покрытие формируется путем микроплазменной обработки подложки, изготовленной из вентильного металла. Технический результат заключается в достижении высоких степеней разложения озона при пониженных температурах и уменьшении загрузки благородного металла. Недостаток данного изобретения состоит в нанесение алюмосиликатного покрытия, путем микроплазменной обработки подложки, при сварки которой необходимо использования водяного охлаждения плазмотронов и более сложное оборудование для изготовления каталитического модуля.

В качестве прототипа выбрано изобретение «Air filter», (патент GB №2532066 (А), МПК B01D 46/02, B01D 39/14, опубл. 11.05.2016, статус: действует), имеющий противоположные входные и выходные поверхности, определяющие направление воздушного потока между входными и выходными поверхностями, фильтрующий материал с открытыми ячейками, предусмотренный между входными и выходными поверхностями, при этом фильтрующий материал сжимается в направлении, ортогональном направлению воздушного потока к выходной поверхности, так что пористость фильтрующего материала изменяется от более высокой пористости вдоль входной поверхности до более низкой пористости вдоль выходной поверхности. Пластины фильтра помешены в алюминиевую муфту и спаиваются в форме с одиночным основанием с высокой удельной площадью поверхности. Матрицы, составляющие фильтр, покрыты грунтовкой электрохимическим способом. Затем применяется материал, дополнительно покрытый грунтовкой. Усиленные, покрытые грунтовкой матрицы катализируются по соответствующей формуле и собираются в корпус.

К недостаткам прототипа можно отнести повышенное сопротивление фильтрующего материала (входная и выходная поверхности воздушного фильтра могут образовывать криволинейную секцию, внутри которой находится фильтрующий материал с открытыми порами), усложненная схема изготовления - двойное грунтование фильтрующей поверхности, ортогональное направление воздушного потока к выходной поверхности, при выходе из строя - полная замена неразборной конструкции фильтра.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом изобретения является высокая эффективность очистки при простоте и надежности конструкции, максимальная эффективность преобразования озона в кислород.

Поставленная задача достигается тем, что озоновый фильтр, содержащий корпус с входом и выходом для газа, включающий входной и выходной коллектор, входной и выходной фланцы, каталитический модуль с нанесенным каталитическим покрытием, отличающийся тем, что каталитический модуль цельнопаяный и состоит из алюминиевой гофрированной пластины и проставочного листа с применением плакированного материала, выровненных по направлению воздушного потока.

Каталитический модуль размещают в корпусе, имеющего сборно-сварную конструкцию, при сборке которой к корпусу привариваются коллектор выхода и фланец выхода, к входному фланцу приваривается входной коллектор, который затем с помощью гаек и болтов через прокладку крепится к корпусу. Преобразование О₃ в О₂+О не требует участия каталитической поверхности, и, таким образом, покрытие может работать в течение более длительного времени без износа или необходимости пополнения, поскольку в этом процессе не происходит истощения/расхода химического соединения.

Предложенный каталитический модуль позволяет получать большую рабочую поверхность катализатора и создать режим быстрого разложения озона. Это существенно повышает скорость разложения озона, сохраняя большой ресурс работы каталитического модуля.

Данное изобретение является усовершенствованным эффективным устройством или озоновым фильтром для удаления озона из воздуха на каталитическом модуле, изготовленном из стандартных алюминиевых гофрированных пластин. Такие фильтры для удаления озона, например, намного легче по весу, чем угольный фильтр или фильтр с гранулированным катализатором, и очень эффективны при температурах приточного воздуха, которые существуют в системе отвода воздуха низкой ступени самолета, в присутствии озона на больших высотах. Озоновый фильтр, изготовленный в соответствии с изобретением, можно использовать в условиях высокой температуры, он прочен и эффективен в течение продолжительных периодов эксплуатации.

К преимуществам изобретения по сравнению с аналогами, можно отнести высокую эффективность очистки при простоте и надежности конструкции, максимальную эффективность преобразования озона в кислород, с целью обеспечения допустимой концентрации озона в салоне ЛА, минимальные гидравлические потери. КСКВ на ЛА является вспомогательной системой, поэтому, чем меньше энергии она заберет на свою работу от двигателя, тем более экономичным будет ЛА в целом. Высокая компактность, т.е. достаточность площади поверхности каталитического модуля для выполнения заданных требований на выходе их фильтра. Чем меньше масса вспомогательных систем, тем больше полезная нагрузка ЛА и более рационален расход топлива. Высокая надежность и простота в эксплуатации в течении длительного срока работы. Устройство не содержит элементов автоматики. Рекомендуется только периодический осмотр. Озоновый фильтр не содержит потребителей тепловой, электрической или других видов энергии. Устройство долговечно ввиду отсутствия движущихся частей и наличия металлического корпуса. Устройство собрано из невоспламеняющихся деталей. Сохраняет работоспособность при значительных динамических нагрузках и вибрациях.

В каталитическом модуле плотное прилегание гофрированной пластины к проставочному листу с применением плакированного материала обеспечивается строгими допусками на размер высоты гофры, лежащими в пределах от 20 до 30 мкм, Соединение проставочного листа с гофрированной пластиной, выровненных по направлению воздушного потока, в единый каталитический модуль осуществляется бесфлюсовой пайкой модуля в вакуумных печах, что требует тщательной подготовки паяных поверхностей под пайку путем очистки поверхности от масляных и жировых отложений, от окисной пленки; отработки режимов пайки, обеспечивающих плавный и равномерный прогрев собранного модуля, осуществляемый в вакууме только за счет теплопроводности, и обеспечивающих практически одновременное расплавление припоя по всей протяженности паяных швов. Наибольшую активность в разложении озона показало каталитическое покрытие в котором используется катализатор D42 с платиной (Pt), а в качестве активных элементов марганец (Mn) 10% и драгоценные металлы 3%. Конструкция каталитического модуля выполнена разборной. К корпусу привариваются коллекторы и фланцы аргоно-дуговой сваркой.

Работа озонового фильтра заключается в следующем: рабочий воздух от маршевой силовой установки (МСУ) поступает в каталитический модуль, в котором происходит каталитическое разложение озона на кислород, и затем насыщенный кислородом воздух выходит через фланец и коллектор выхода, поступая в систему кондиционирования воздуха ЛА.

Краткое описание чертежей

Преимущества и особенности изобретения поясняются конкретными примерами его выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, где на фиг. 1 общий вид фильтра, который представляет собой сборно-сварную конструкцию, состоящую из цельнопаяного каталитического модуля с каталитическим покрытием помещенного в корпус, при сборке которой к корпусу привариваются аргоно-дуговой сваркой коллектор выхода (7) и фланец выхода (8), к входному фланцу (1) приваривается входной коллектор (2), который затем с помощью гаек (3) и болтов (4) через прокладку из фторопласта (5) крепится к корпусу. Конструкция озонового фильтра выполнена разборной для возможности замены одного фильтра каталитического модуля (6) на другой.

На фиг 2. показан внешний вид озонового фильтра, где стрелками обозначены вход и выход воздуха. Рабочий воздух от МСУ поступает в фильтр. В каталитическом модуле фильтра, содержащем алюминиевые пластины сепарирования, выровненные по направлению воздушного потока, происходит разложение озона на кислород. На выходе насыщенный кислородом воздух поступает в систему распределения.

Основные элементы каталитического модуля озонового фильтра представлены на фиг. 3, где он состоит из гофрированной пластины (9) и проставочного листа - плакированный материал толщиной 0,08 мм (10), выровненные по направлению воздушного потока.

На графике (фиг. 4) представлена реакция Декана, стандартного побочного продукта при сжигании топлива, на поверхности катализатора в конце эксплуатации (90 ppm). Озоновый фильтр сконструирован из невоспламеняющихся материалов. Следовательно, риск воспламенения паров топлива/гидравлики/масла на поверхности каталитического озонового фильтра, мал. В эксплуатационном диапазоне озонового фильтра от 250 до 400°F, катализатор озонового фильтра не вступает в реакцию с большим числом углеводородов. В эксплуатационной зоне катализатор не влияет на активацию энергии и, следовательно, не снижает температуру парообразования.

Осуществление изобретения

В соответствии с настоящим изобретением был изготовлен опытный образец озонового фильтра. Опытный образец озонового фильтра прошел испытания на прочность и герметичность посредством гидроиспытаний. Результат испытаний и исследований положительны: швы плотные без пор, раковин и непропаев.

Основными элементами каталитического модуля озонового фильтра являются проставочный лист типа 4343/3003/4343-Н16 - плакированный материал толщиной 0,08 мм и гофрированная пластина из фольги типа ДПРХМ 0,15 НД АМц с покрытием грунтовкой электрохимическим способом, в химический состав которого входит катализатор - D42 с платиной (Pt), имеющий наиболее высокую степень адгезии на металлическом носителе, а в качестве активных элементов марганец 10% (Mn) и драгоценные металлы 3%.

Озоновый фильтр конструктивно не разрушается и соответствует требованиям по эксплуатации после воздействия установленных испытаний на случайные вибрации. Результаты анализа показывают, что минимальный запас прочности составляет 2.6, в то время как для аналогов это значение было 2.4. Из выводов испытания наибольшую активность в разложении озона показало каталитическое покрытие Д42/Pt:Mn. Озоновый фильтр расположен в ЛА под центропланом (под обтекателем крыло-фюзеляж (негермозона)), врезан в трубопровод, закрепленный к несущей конструкции фюзеляжа. Замена одного озонового фильтра на другой не сопровождается какими-либо регулировочными и подгоночными работами. Установка озонового фильтра осуществляется при помощи стандартного инструмента. При разработке озонового фильтра максимально использованы стандартные, унифицированные и ранее разработанные детали и узлы. Масса озонового фильтра не более 5,00 кг (по результатам изготовления опытного образца). Фильтр предназначен для снижения концентрации озона в воздухе, отбираемом от МСУ, путем каталитического разложения озона (О₃) на кислород (О₂) и далее поступающем в систему кондиционирования ЛА.

Озоновый фильтр входит в состав комплексной системы кондиционирования воздуха самолета и предназначен для снижения концентрации озона в воздухе, отбираемом от маршевой силовой установки, обеспечивая надежность и безопасность полетов в различных условиях. Получено конкурентоспособное отечественное изделие, не уступающее по своим характеристикам зарубежным, в процессе производства которого использовано типовое, стандартное промышленное оборудование, инструменты, материалы и комплектующие изделия.

Изобретение относится к системам подготовки воздуха на борту летательного аппарата (ЛА), входит в состав комплексной системы кондиционирования воздуха (КСКВ) и предназначено для снижения концентрации озона в воздухе до необходимого уровня. Озоновый фильтр содержит корпус с входом и выходом для газа. Также включает входной и выходной коллектор, входной и выходной фланцы и каталитический модуль с нанесенным каталитическим покрытием. Причем каталитический модуль цельнопаяный и состоит из алюминиевой гофрированной пластины и проставочного листа с применением плакированного материала, выровненных по направлению воздушного потока. Изобретение обеспечивает высокую эффективность очистки при простоте и надежности конструкции, максимальную эффективность преобразования озона в кислород. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Озоновый фильтр, содержащий корпус с входом и выходом для газа, включающий входной и выходной коллектор, входной и выходной фланцы, и каталитический модуль с нанесенным каталитическим покрытием, отличающийся тем, что каталитический модуль цельнопаяный и состоит из алюминиевой гофрированной пластины и проставочного листа с применением плакированного материала, выровненных по направлению воздушного потока.

2. Озоновый фильтр по п. 1, отличающийся тем, что корпус фильтра выполнен разборным.

3. Озоновый фильтр по п. 1, отличающийся тем, что каталитический модуль используется с каталитическим покрытием на основе драгоценных металлов.

4. Озоновый фильтр по п. 3, отличающийся тем, что в каталитическом покрытии используют катализатор D42 с платиной (Pt), а в качестве активных элементов марганец (Mn)10% и драгоценные металлы 3%.

5. Озоновый фильтр по п. 1, отличающийся тем, что он сконструирован из невоспламеняющихся материалов.

6. Озоновый фильтр по п. 1, отличающийся тем, что он используется для удаления озона из воздуха с минимальными гидравлическими потерями.