Brevet FR2870840A1 — publié le 20051202

La présente invention concerne un procédé pour exploiter une installation de décomposition de l'air, comportant au moins deux chambres à tamis moléculaire, en vue de la production d'oxygène à bord d'un avion ou autre aéronef, procédé selon lequel un flux massique partiel de l'oxygène obtenu dans la chambre à tamis moléculaire travaillant chaque fois en adsorption, est amené à une chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption, pour son balayage. La présente invention concerne également une installation de décomposition de l'air pour la mise en oeuvre de ce procédé, destinée à la io production d'oxygène à bord d'un avion ou autre aéronef et comportant au moins deux chambres à tamis moléculaire travaillant alternativement en adsorption et en désorption, la chambre à tamis moléculaire travaillant chaque fois en désorption étant balayée avec de l'oxygène issu de la chambre à tamis moléculaire travaillant en adsorption. Pour la production d'oxygène à bord d'avions, on utilise habituellement des installations de décomposition de l'air, qui séparent l'un de l'autre, selon le principe de l'adsorption alternée sous pression, les constituants de l'air que sont l'azote et l'oxygène. On procède alors à la décomposition de l'air en dirigeant de l'air sous pression élevée à travers un tamis moléculaire, moyennant quoi l'azote facilement adsorbable se concentre à la surface d'un tamis moléculaire, pendant que l'oxygène, qui n'est pas adsorbable en raison de sa taille de molécule plus petite, franchit le tamis moléculaire. Le chargement du tamis moléculaire peut s'effectuer jusqu'à ce qu'un état d'équilibre soit atteint. Après cela, sa capacité d'adsorption est épuisée. Pour pouvoir à nouveau mettre en oeuvre le processus de décomposition de l'air, il est nécessaire de procéder à la régénération de l'adsorbant chargé, c'est-à-dire à une désorption de ce dernier, qui s'effectue par un abaissement de la pression et un balayage réalisé ensuite. Pour pouvoir garantir une décomposition de l'air avec production quasi continue d'oxygène, il est nécessaire de disposer d'au moins deux chambres à tamis moléculaire exploitées en parallèle, dont une se trouve chaque fois dans la phase d'adsorption, pendant que l'autre est en même temps régénérée. Pour le balayage de la chambre à tamis moléculaire devant être régénérée, un flux de gaz partiel est habituellement tiré du flux de produit gazeux, c'est-à-dire du gaz issu de la chambre à tamis moléculaire travaillant en adsorption, et est amené à la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption. D'après le document de brevet allemand DE 693 23 481 T2, on connaît un procédé pour générer un produit gazeux, en particulier de l'oxygène, à partir d'un mélange de gaz nourricier, au moyen d'une adsorption alternée sous pression, selon lequel un flux massique partiel du produit io gazeux est amené à la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption en vue de son balayage. La quantité du gaz de balayage amené est alors régulée par le fait que la concentration de produit gazeux dans le gaz de balayage est mesurée après le balayage de la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption, et l'amenée du gaz de balayage est stoppée lorsqu'une concentration déterminée de produit gazeux est atteinte. Sur des installations connues de décomposition de l'air à bord d'avions, le balayage de la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption s'effectue d'une façon selon laquelle une partie du flux de produit gazeux est extraite des chambres à tamis moléculaire travaillant en adsorption, pendant la totalité de leurs cycles d'adsorption, et est amenée, en tant que gaz de balayage, à la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption. Dans ce cas, la limitation de la quantité de gaz de balayage est réalisée par l'intermédiaire d'un dispositif d'étranglement rigide. Cette façon de procéder conduit, par exemple lors de la décomposition de l'air à des altitudes de vol élevées auxquelles les cycles d'adsorption s'allongent en raison de la pression d'air réduite régnant à ces altitudes, à ce que la quantité de gaz de balayage mise à disposition pour le balayage de la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption, est plus grande que ce qui est véritablement nécessaire. Ceci affaiblit le rendement de l'installation de décomposition de l'air et a des conséquences négatives sur sa consommation d'énergie, ses dimensions et son poids. Au vu de ce qui précède, la présente invention s'est fixé pour but de modifier le procédé d'exploitation d'une installation de décomposition de l'air pour la production d'oxygène à bord d'avions ou d'autres aéronefs, dans un sens tel que les inconvénients mentionnés ci-dessus n'apparaissent pas et que la rentabilité du procédé soit améliorée. En outre, la présente invention s'est fixé pour autre but de procurer une installation de décomposition de l'air pour l'exécution de ce procédé. Pour atteindre le premier but mentionné, la présente invention propose, tout d'abord, un procédé pour l'exploitation d'une installation de décomposition de l'air du type spécifié en introduction, qui se caractérise en ce que la quantité de l'oxygène de balayage amené à la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption, est régulée en fonction de la io concentration d'oxygène et du débit massique du produit gazeux généré. Selon le procédé conforme à l'invention pour l'exploitation d'une installation de décomposition de l'air, comportant au moins deux chambres à tamis moléculaire, en vue de la production d'oxygène à bord d'un avion ou autre aéronef, un flux massique partiel de l'oxygène produit dans la chambre à tamis moléculaire travaillant chaque fois en adsorption, est amené à une chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption, en vue de son balayage. La quantité de l'oxygène de balayage amené à la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption, est alors régulée en fonction de la concentration d'oxygène et du débit massique du produit gazeux généré, pour ne prélever ainsi que la quantité d'oxygène qui est nécessaire pour la désorption. Comme cela est usuel dans le cas de l'exploitation d'installations de décomposition de l'air comportant plusieurs, au moins deux, chambres à tamis moléculaire montées en parallèle l'une sur l'autre, une partie du produit gazeux généré par les chambres à tamis moléculaire travaillant en adsorption est prélevée et amenée, en tant que gaz de balayage, à la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption. Pendant l'adsorption d'une chambre à tamis moléculaire, la concentration d'oxygène et le débit massique du produit gazeux obtenu sont mesurés et, lorsque sont atteintes des valeurs minimales admissibles, une commutation de l'adsorption à la désorption est réalisée, ce qui signifie que la chambre à tamis moléculaire auparavant adsorbante est régénérée. A la différence de l'Art Antérieur, on s'abstient dans le cas du procédé conforme à l'invention pour l'exploitation d'une installation de décomposition de l'air, de faire parvenir dans la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption, un flux massique de gaz de balayage toujours identique pendant la totalité de la phase d'adsorption. Au contraire, le flux massique de gaz de balayage amené à la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption, est régulé d'une façon telle, que seule la quantité d'oxygène de balayage ou de gaz de balayage nécessaire pour la régénération du tamis moléculaire est prélevée du flux de produit gazeux généré. De cette manière, le rendement de l'installation de décomposition de l'air, c'est-à-dire le rapport du produit gazeux, qui est amené au dispositif d'alimentation en oxygène de l'avion, au produit gazeux qui est recyclé en tant que gaz de balayage dans l'installation de décomposition de l'air, est nettement amélioré lors de l'application du procédé conforme à l'invention, dans toutes les situations de vol, d'utilisation et de fonctionnement. C'est ainsi qu'il est toujours mis à disposition du dispositif d'alimentation en oxygène de l'avion, par l'installation de décomposition de l'air, la plus grande quantité possible d'oxygène. Ceci a également un effet positif pour la consommation d'énergie de l'installation de décomposition de l'air. Par ailleurs, la taille et le poids des installations de décomposition de l'air peuvent être réduits par rapport à celle et celui des installations connues de décomposition de l'air à bord d'avions. Selon le procédé conforme à l'invention, la régulation de la quantité de l'oxygène de balayage amené à la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption, s'effectue avantageusement par commande de la section transversale d'afflux, par exemple au moyen d'une vanne à action proportionnelle. A cet égard, la section transversale du conduit d'afflux à la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption et, avec elle, le débit massique du gaz de balayage, sont modifiés en conformité avec les conditions de vol et d'exploitation. La taille de la section transversale d'afflux est réglée d'une façon telle, que seule la quantité de gaz de balayage nécessaire pour la régénération de la chambre à tamis moléculaire est amenée à la chambre à tamis moléculaire correspondante. C'est ainsi que, par exemple, à de grandes altitudes de vol, la section transversale d'afflux peut être réduite. Etant donné qu'avec un accroissement de l'altitude de vol les phases d'adsorption s'allongent, la période de temps en laquelle du gaz de balayage est amené à une chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption, s'accroît également. Cette phase de balayage plus longue est compensée par la réduction du débit massique du gaz de balayage résultant de la réduction de la section transversale d'afflux, si bien que seule la quantité de gaz de balayage nécessaire pour le balayage est prélevée du produit gazeux généré. Mais il peut également être judicieux d'effectuer la régulation de la quantité de l'oxygène de balayage, qui est envoyé dans la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption, par une modification du temps d'afflux. Dans ce cas, le débit massique du flux de gaz de balayage dérivé du io flux de produit gazeux en vue du balayage de la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption, est avantageusement déterminé, et le conduit d'afflux à la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption, est fermé lorsqu'est atteinte la quantité de gaz de balayage nécessaire pour la régénération du tamis moléculaire. Pour améliorer le rendement de l'installation de décomposition de l'air, il peut également être avantageux de procéder à la régulation de la quantité de gaz de balayage, décrite plus haut, par une commande combinée de la section transversale du conduit d'afflux et du temps d'afflux. Pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, la présente invention propose, par ailleurs, une installation de décomposition de l'air pour produire de l'oxygène à bord d'un avion ou autre aéronef, du type spécifié en introduction, qui se caractérise en ce qu'il est prévu des moyens pour réguler la quantité d'oxygène de balayage en fonction de la concentration d'oxygène et du débit massique du produit gazeux. Entrent alors de préférence en compte à cette fin, en plus d'un système de capteurs qui détermine la concentration d'oxygène et le débit massique du produit gazeux généré, une unité d'évaluation, qui traite les résultats des mesures du système de capteurs, et une unité de commande reliée à cette unité d'évaluation, laquelle unité de commande excite, sur la base de l'évaluation, un dispositif d'étranglement variable disposé dans l'arrivée de gaz de balayage. Pour l'étranglement variable de l'arrivée de gaz de balayage, les moyens pour réguler la quantité d'oxygène de balayage comprennent, de façon appropriée, au moins une vanne, dont la section transversale de passage peut être ajustée. La vanne, qui peut consister par exemple en une vanne à action proportionnelle ou une vanne numérique, est excitée par l'unité de commande, la section transversale de passage pouvant alors, par des impulsions de commande appropriées, être agrandie ou diminuée dans une mesure correspondant au flux massique de gaz de balayage requis pour la régénération de la chambre à tamis moléculaire travaillant en désorption. Dans un autre mode de réalisation avantageux de l'installation de décomposition de l'air conforme à la présente invention, les moyens pour réguler la quantité d'oxygène de balayage comprennent une commande io temporelle, au moyen de laquelle le temps d'ouverture de la vanne d'arrivée peut être ajusté. La commande temporelle assure une régulation du temps d'ouverture de la vanne disposée dans le conduit d'arrivée, en fonction du débit massique de gaz de balayage se trouvant à disposition, qui est mesuré par le système de capteurs. A l'expiration d'un temps de passage déterminé, la commande temporelle provoque la fermeture du conduit d'arrivée. Un mode de réalisation de la présente invention va maintenant être décrit plus en détail, mais uniquement à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin annexé dont la figure unique montre un schéma fonctionnel par blocs d'une installation de décomposition de l'air conforme à l'invention, permettant de produire de l'oxygène à bord d'un avion. A une installation de décomposition de l'air 2 est amené, par l'intermédiaire d'un conduit d'arrivée 4, de l'air qui est aspiré dans l'environnement de l'avion. L'installation de décomposition de l'air 2 fonctionne selon le principe de l'adsorption alternée sous pression et comprend au moins deux chambres à tamis moléculaire 4 et 6, qui en alternance produisent de l'oxygène à partir de l'air aspiré ou sont régénérées. La chambre à tamis moléculaire 4, qui est représentée, se trouve dans une phase d'adsorption, pendant que la chambre à tamis moléculaire 6 est régénérée. Dans la chambre à tamis moléculaire 4 produisant de l'oxygène, c'est-àdire à action adsorbante, l'air aspiré est comprimé et traverse sous pression un tamis moléculaire. L'azote contenu dans l'air se lie par adsorption à ce tamis moléculaire, pendant que le produit gazeux, consistant ici, pour l'essentiel, en de l'oxygène, passe à travers le tamis moléculaire et, par l'intermédiaire d'un conduit d'alimentation 10, est mis à la disposition d'un dispositif d'alimentation en oxygène, non représenté, de l'avion. Pendant l'extraction d'oxygène, dans la chambre à tamis moléculaire 4 travaillant en adsorption, il se dépose de plus en plus de molécules d'azote sur le tamis moléculaire, de sorte que la capacité d'adsorption de ce dernier se trouve être épuisée au bout d'un certain temps. Pour pouvoir de nouveau décomposer de l'air, il faut que ce tamis moléculaire soit régénéré, c'est-à-dire subisse une désorption. La désorption du tamis moléculaire chargé s'effectue par suite d'une annulation de la pression et d'un balayage, immédiatement consécutif, de la chambre à tamis moléculaire 6 avec du produit gazeux. Le produit gazeux nécessaire pour le balayage est mis à disposition de la chambre à tamis moléculaire 6 travaillant en désorption, par la chambre à tamis moléculaire 4 générant le produit gazeux à cet instant. A cette fin, une partie du flux massique de produit gazeux de la chambre à tamis moléculaire 4 travaillant en adsorption, est dérivée de cette dernière et amenée, au travers d'un conduit d'arrivée 12, à la chambre à tamis moléculaire 6 travaillant en désorption. La concentration d'oxygène et le débit massique du produit gazeux sont décelés, à la sortie de l'installation de décomposition de l'air 2, à l'aide d'un système de capteurs 14. Pour le traitement des valeurs mesurées par le système de capteurs 14, celui-ci est relié à une unité d'évaluation et de commande 16. L'unité d'évaluation et de commande 16 assure, sur la base des valeurs mesurées délivrées par le système de capteurs 14, la régulation du flux de gaz de balayage, qui est amené depuis la chambre à tamis moléculaire 4 travaillant en adsorption, à la chambre à tamis moléculaire 6 travaillant en désorption, au travers du conduit d'arrivée 12. A cette fin, il est disposé dans le conduit d'arrivée 12, une vanne d'étranglement 18 à section de passage variable, qui peut être excitée par l'unité d'évaluation et de commande 16 au travers d'un conducteur de commande 20. La vanne d'étranglement 18 consiste en une vanne à action proportionnelle réglable, étant précisé que l'on peut également employer, en variante, une vanne numérique ou toute autre vanne appropriée. En fonction des valeurs enregistrées par le système de capteurs 14 pour la concentration d'oxygène et le débit massique du produit gazeux, l'unité d'évaluation et de commande 16 provoque, par l'intermédiaire du conducteur de commande 20, au travers de la vanne d'étranglement 18, un agrandissement ou une réduction de la section transversale d'afflux du conduit d'arrivée 12 ou la fermeture de ce conduit d'arrivée 12. La fermeture du conduit d'arrivée 12 peut également s'effectuer sous commande temporelle. En fonction de la section transversale d'étranglement de la vanne d'étranglement 18, l'unité d'évaluation et de commande 16 détermine le temps d'ouverture de la vanne d'étranglement 18 pour que cette vanne d'étranglement 18 se ferme lorsque la quantité de gaz de balayage nécessaire pour la désorption est atteinte. Dans ce cas, en plus de la section io transversale d'étranglement de la vanne d'étranglement 18, sont également pris en considération, dans l'unité d'évaluation et de commande 16, le débit du flux de produit gazeux quittant la chambre à tamis moléculaire 4 travaillant en adsorption, ainsi que des grandeurs de vol, d'utilisation et de fonctionnement, comme par exemple l'altitude de vol lors de la détermination du temps d'ouverture de la vanne. De cette manière, l'unité d'évaluation et de commande 16 peut mettre à disposition une fenêtre temporelle optimale, adaptée aux conditions de fonctionnement, pour l'arrivée de gaz de balayage. Liste des références 2 Installation de décomposition de l'air 4 Chambre à tamis moléculaire 6 Chambre à tamis moléculaire 8 Conduit d'arrivée Conduit d'alimentation 12 Conduit d'arrivée 14 Système de capteurs io 16 Unité d'évaluation et de commande 18 Vanne d'étranglement Conducteur de commande i0 REVENDICATIONS 1. Procédé pour exploiter une installation de décomposition de l'air (2), comportant au moins deux chambres à tamis moléculaire (4, 6), en vue de la production d'oxygène à bord d'un avion ou autre aéronef, procédé selon lequel un flux massique partiel de l'oxygène obtenu dans la chambre à tamis moléculaire (4) travaillant chaque fois en adsorption, est amené à une chambre à tamis moléculaire (6) travaillant en désorption, pour son balayage, caractérisé en ce que la quantité de l'oxygène de balayage amené à la chambre à tamis moléculaire (6) travaillant en désorption, est régulée en fonction de la concentration d'oxygène et du débit massique du produit gazeux généré. 2. Procédé pour exploiter une installation de décomposition de l'air (2) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la régulation de la quantité de l'oxygène de balayage amené à la chambre à tamis moléculaire (6) travaillant en désorption, s'effectue par ajustement de la section transversale d'afflux. 3. Procédé pour exploiter une installation de décomposition de l'air (2) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la régulation de la quantité de l'oxygène de balayage amené à la chambre à tamis moléculaire (6) travaillant en désorption, s'effectue par modification des temps d'afflux. 4. Installation de décomposition de l'air (2) pour la production d'oxygène à bord d'un avion ou autre aéronef, destinée à la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, installation comportant au moins deux chambres à tamis moléculaire (4, 6) travaillant alternativement en adsorption et en désorption, la chambre à tamis moléculaire (6) travaillant chaque fois en désorption étant balayée avec de l'oxygène issu de la chambre à tamis moléculaire (4) travaillant en adsorption, caractérisée en ce qu'il est prévu des moyens (14, 16, 18, 20) pour réguler la quantité d'oxygène de balayage en fonction de la concentration d'oxygène et du débit massique du produit gazeux. Il 5. Installation de décomposition de l'air (2) selon la revendication 4, caractérisée en ce que les moyens (14, 16, 18, 20) pour réguler la quantité d'oxygène de balayage comprennent au moins une vanne (18), dont la section transversale de passage peut être ajustée. 6. Installation de décomposition de l'air (2) selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que les moyens (14, 16, 18, 20) pour réguler la quantité d'oxygène de balayage comprennent une commande temporelle, au moyen de laquelle le temps d'ouverture de la vanne d'arrivée (18) peut être io ajusté.