КОНЦЕНТРАТОР КИСЛОРОДА

Предлагаемая полезная модель относится к области разделения газов методом короткоцикловой безнагревной адсорбции (КБА), в частности к области получения из воздуха кислорода для медицинских нужд.
В настоящее время для обеспечения кислородом нуждающихся в нем пациентов в случае отсутствия баллонного кислорода и системы его подачи (например, в домашних и выездных условиях, в недостаточно оборудованных медицинских учреждениях) применяют концентраторы кислорода, позволяющие получить кислород достаточно высокой концентрации (более 90%) непосредственно на месте из атмосферного воздуха.
Известен концентратор кислорода [1], содержащий соединенные трубопроводами воздушный компрессор и блок очистки, воздушный ресивер и адсорбционный блок, выполненный из двух заполненных сорбентом адсорберов, патрубки входа и выхода которых соединены между собой двумя парами параллельных трубопроводов с установленными на них управляемыми клапанами, связанными с блоком управления, согласно полезной модели, блок очистки соединен с ресивером дополнительным трубопроводом, а трубопроводы выхода блока очистки снабжены регулируемыми клапанами, связанными с блоком управления. Блок управления осуществляет переключение клапанов в определенной последовательности с целью реализации в адсорберах цикла адсорбция-регенерация и с целью регулирования уровня концентрации кислорода в воздухе на выходе.
Недостаток данного концентратора кислорода - повышенный удельный расход энергии на единицу производимого кислорода. Причина в том, что в цеолите под давлением адсорбируется как азот, так и кислород, а при снятии давления десорбируется в первую очередь именно кислород. В результате в начале стадии регенерации из адсорбера выходит газ, обогащенный не азотом, а кислородом. Этот обогащенный кислородом газ в данном концентраторе кислорода безвозвратно теряется.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является концентратор кислорода [2], в котором потерь обогащенного кислородом газа не происходит.
Концентратор кислорода [2] включает в себя компрессор, к выходу которого присоединен воздушный ресивер и управляемые клапаны, подключенные к заполненным цеолитом адсорберам, соединенным через управляемый клапан, к выходам адсорберов подключены дроссели и кислородный ресивер.
Процесс утилизации обогащенного кислородом газа предполагает подачу его из адсорбера, в котором закончилась стадия продуцирования кислорода, в соседний адсорбер, в котором стадия продуцирования кислорода только начинается. Этот процесс называют эквализацией, потому что он сопровождается выравниванием давлений в обоих адсорберах через полностью открытый управляемый клапан, соединяющий адсорберы. Применение схем с выравниванием давлений позволяет значительно сократить энергозатраты [3]. Процесс КБ А с выравниванием давлений между адсорберами реализован в концентратор кислорода [2].
Поскольку в ходе эквализации кислород потребителю не поступает, то концентратор кислорода [2] нуждается не только в воздушном, но и в кислородном ресивере, сглаживающем прерывания потока кислорода. Поэтому концентратор кислорода [2] характеризуется повышенными затратами материала на изготовление ресиверов.
Задачей полезной модели является сокращение массы кислородного и воздушного ресиверов концентратора кислорода.
Поставленная задача решается тем, что в известном концентраторе кислорода, включающем в себя компрессор, к выходу которого присоединен воздушный ресивер и управляемые клапаны, подключенные к заполненным цеолитом адсорберам, соединенным через управляемый клапан, к выходам адсорберов подключены дроссели и кислородный ресивер, воздушный и кислородный ресиверы выполнены в виде емкости, разделенной стенкой, общей для обоих ресиверов.
На чертеже представлена схема предлагаемой полезной модели.
Предлагаемая полезная модель концентратора кислорода включает компрессор 1, к выходу которого присоединен воздушный ресивер 2 и управляемые клапаны 3, 4, 5, 6, подключенные к заполненным цеолитом адсорберам 7 и 8, соединенными через управляемый клапан 9. К выходам адсорберов подключены дроссели 10, 11 и кислородный ресивер 12, причем воздушный ресивер 2 и кислородный ресивер 12 выполнены в виде емкости, разделенной стенкой 13, общей для обоих ресиверов.
Концентратор кислорода работает следующим образом: компрессор 1 нагнетает сжатый воздух в выходной тракт и в воздушный ресивер 2. При открытом управляемом клапане 3 сжатый воздух поступает в адсорбер 7, давление в котором поддерживается благодаря сопротивлению дросселя 10. Под давлением в адсорбере 7 сорбируется преимущественно азот, а оставшийся кислород с концентрацией более 90% накапливается в кислородном ресивере 12 и поступает к потребителю совместно с кислородом, выходящим через дроссель 10.
В это же время из адсорбера 8 десорбируется ранее сорбированный на цеолите азот и через открытый управляемый клапан 6 выбрасывается в атмосферу. Одновременно из кислородного ресивера 12 в адсорбер 8 поступает поток кислорода, ограниченный дросселем 11, промывка цеолита кислородом способствует его более полной регенерации.
Затем наступает стадия эквализации, управляемые клапаны 3,4,5,6 закрываются (компрессор 1 при этом не выключается и нагнетаемый им сжатый воздух накапливается в воздушном ресивере 2), открывается управляемый клапан 9, выравнивается давление в адсорбере 7 (до того находившемся при повышенном давлении) и в адсорбере 8 (до того находившемся практически при атмосферном давлении). При сбросе давления в адсорбере 7 в нем начинается процесс десорбции, но в первую очередь десорбируется хуже сорбируемый газ, т.е. не азот, а кислород. Обогащенный кислородом газ поступает в адсорбер 8.
На стадии эквализации кислород поступает потребителю только из кислородного ресивера 12.
Далее стадия эквализации заканчивается и адсорберы меняются функциями: в адсорбере 7 начинается стадия регенерации цеолита, а в адсорбере 8 - стадия продуцирования.
Открывается управляемый клапан 5 и из адсорбера 7 в атмосферу сбрасывается ранее сорбированный на цеолите азот, одновременно цеолит в адсорбере 7 промывается потоком кислорода, поступающим из кислородного ресивера 12 и ограниченного дросселем 10.
Открывается управляемый клапан 4 и компрессор 1 нагнетает сжатый воздух одновременно в воздушный ресивер 2 и адсорбер 8, давление в котором поддерживается благодаря сопротивлению дросселя 11. Под давлением в адсорбере 8 сорбируется преимущественно азот, а оставшийся кислород с концентрацией более 90% накапливается в кислородном ресивере 12 и поступает к потребителю совместно с кислородом, выходящим через дроссель 11.
Работу предлагаемой полезной модели поясняют следующие примеры.
Пример 1. Концентратор кислорода согласно [1] с компрессором мощностью 1,1 кВт и двумя адсорберами объемом по 3,6 л каждый, заполненными цеолитом 13ХНР, фракция - шарик диаметром 0,4…0,8 мм, оснащенный воздушным ресивером из стали Х18Н10Т объемом 10 л и массой 4,2 кг. При концентрации кислорода на выходе 93% об. концентратор имеет производительность 11 л/мин при н.у., т.е. удельные затраты энергии составляют 0,1 кВт/(л/мин).
Пример 2. Концентратор кислорода согласно [2], с компрессором, адсорберами и воздушным ресивером согласно примеру 1, оснащенный кислородным ресивером из стали Х18Н10Т объемом 10 л и массой 4,2 кг, т.о. суммарная масса обоих ресиверов составляет 8,4 кг. При концентрации кислорода на выходе 93% об. концентратор имеет производительность 16 л/мин при н.у., т.е. удельные затраты энергии составляют 0,069 кВт/(л/мин).
Пример 3. Концентратор кислорода, выполненный согласно предлагаемой полезной модели (см. чертеж), с компрессором и адсорберами согласно примеру 1, оснащенный совмещенными ресиверами (воздушным и кислородным) объемом по 10 л каждый, выполненными из стали Х18Н10Т и разделенными перегородкой. Суммарная масса ресиверов составляет 7,2 кг. При концентрации кислорода на выходе 93% об. концентратор имеет производительность 16 л/мин при н.у., т.е. удельные затраты энергии составляют 0,069 кВт/(л/мин).
С помощью предлагаемой полезной модели удается достичь поставленной задачи - сократить затраты металла на изготовление ресиверов по сравнению с концентратором кислорода согласно [2] с 8,4 до 7,2 кг, что позволяет снизить себестоимость концентратора кислорода и сократить трудоемкость его изготовления, поскольку вместо двух сварных швов, прикрепляющих стенки ресиверов к их обечайкам, выполняется один.
Данный вывод подтверждается результатами изготовления и испытаний опытного образца концентратора кислорода.
Источники информации
1. Попов Е.В., Вершинин Μ.Α., Леонов А.В. Установка для получения кислорода из атмосферного воздуха. RU 82576 U1. Заявка: 2008132774/22, 07.08.2008.
2. Шарипов Χ.Α., Костаков С.В., Шацких П.А. Концентратор кислорода. RU 149979 U1. Заявка: 2014125089/05, 19. 06.2014 г. - прототип.
3. Ермаков, А.А. Технологии короткоцикловой адсорбции получения кислорода из воздуха / А.А. Ермаков, Е.И. Акулинин // Труды ТГТУ: сб. статей. - Тамбов, 2006. - Вып. 19. - С. 53-57.