СПОСОБ ИНЕРТИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ И/ИЛИ ТУШЕНИЯ ПОЖАРА И СИСТЕМА ИНЕРТИРОВАНИЯ ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ УКАЗАННОГО СПОСОБА
METHOD OF INERTING FOR PREVENTING AND/OR EXTINGUISHING FIRE AND INERTING SYSTEM TO IMPLEMENT SAID METHOD

Настоящее изобретение относится к способу инертирования в соответствии с преамбулой п. 1 формулы изобретения.
Соответственно, изобретение, в частности, относится к способу инертирования для предотвращения и/или тушения пожара, согласно которому в атмосфере замкнутого помещения устанавливают и поддерживают предварительно заданное содержание кислорода, уменьшенное по сравнению с обычным атмосферным воздухом. С этой целью обеспечивают исходную газовую смесь, содержащую кислород, азот и другие возможные компоненты, при этом в системе разделения газов по меньшей мере часть кислорода отделяют от этой исходной газовой смеси с обеспечением на выходе из системы разделения газов обогащенной азотом газовой смеси, при этом указанную азотсодержащую газовую смесь подают в атмосферу замкнутого помещения.
Изобретение также относится к системе инертирования для установления и/или поддержания предварительно заданного содержания кислорода, уменьшенного по сравнению с обычной окружающей средой, в атмосфере замкнутого помещения, при этом система инертирования содержит систему разделения газов, в которой отделяют по меньшей мере часть кислорода, содержащегося в исходной газовой смеси азот/кислород, с обеспечением на выходе из системы разделения газов обогащенной азотом газовой смеси, при этом система инертирования содержит систему подачи для подачи азотсодержащей газовой смеси в замкнутое помещение.
В частности, система инертирования вышеописанного типа представляет собой систему для снижения угрозы возникновения пожаров и их тушения в защищенном помещении в условиях мониторинга, при этом в защищенном помещении непрерывно обеспечивают инертную среду с целью предотвращения или управления пожаром. Механизм действия такой системы инертирования основан на знании того факта, что угрозе возникновения пожара в замкнутых помещениях, как правило, можно противодействовать путем непрерывного снижения концентрации кислорода в соответствующей зоне до величины, равной, например, приблизительно 12-15% по объему. Большинство легковоспламеняющихся материалов не могут гореть при такой концентрации кислорода. В частности, основной областью применения предложенной системы являются участки, связанные с применением информационных технологий, отделения с электрической коммутационной или распределительной аппаратурой, замкнутые производственные объекты, а также места хранения ценных материалов.
Возникающий превентивный или противопожарный эффект согласно указанному способу инертирования основан на принципе замещения кислорода. Как известно, обычный атмосферный воздух состоит из примерно 21% по объему кислорода, примерно 78% по объему азота и примерно 1% по объему других газов. Для обеспечения эффективного снижения угрозы пожара, вспыхивающего в защищенном помещении, концентрацию кислорода в соответствующем помещении уменьшают путем введения инертного газа, такого как, например, азот. Как известно, для большинства твердых веществ противопожарный эффект возникает при уменьшении процентного содержания кислорода ниже 15% по объему. В зависимости от вида легковоспламеняющихся материалов, содержащихся в соответствующем защищенном помещении, может быть необходимо дополнительное понижение процентного содержания кислорода, например, до 12% по объему. Таким образом, непрерывное инертирование защищенного помещения также будет эффективно минимизировать угрозу пожара, вспыхивающего в указанном защищенном помещении.
Соответственно, настоящее изобретение направлено на решение задачи дальнейшего развития системы инертирования вышеупомянутого типа, с помощью которой можно установить и поддерживать с наименьшими затратами заранее заданный уровень инертирования в замкнутом помещении. В частности, решение этой задачи заключается в том, чтобы установить, какие эксплуатационные расходы, связанные с инертированием замкнутого помещения, могут быть снижены. Кроме того, следует определить соответствующий способ инертирования, который позволил бы осуществлять экономичное и, в частности, непрерывное инертирование замкнутого помещения.
Что касается способа, в настоящем изобретении эта задача решена путем обеспечения способа инертирования вышеупомянутого типа, согласно которому осуществляют управление системой разделения газов таким образом, чтобы установить остаточное содержание кислорода в азотсодержащей газовой смеси равным значению, выбранному как функция содержания кислорода, преобладающего в данный момент в атмосфере замкнутого помещения.
Что касается механизма, на котором основано изобретение, в настоящем изобретении эта задача решена с помощью системы инертирования вышеупомянутого типа, обеспечивающей управляющее устройство, выполненное с возможностью управления системой разделения газов таким образом, чтобы установить остаточное содержание кислорода в азотсодержащей газовой смеси равным значению, выбранному как функция содержания кислорода, преобладающего в данный момент в атмосфере замкнутого помещения.
Таким образом, настоящее изобретение основано на знании того факта, что чистота азота в азотсодержащей газовой смеси, получаемой на выходе из системы разделения газов, и, соответственно, остаточное содержание кислорода в азотсодержащей газовой смеси, получаемой на выходе из системы разделения газов, оказывает влияние на так называемое "время падения." Термин "время падения" относится к промежутку времени, необходимому для установления в атмосфере замкнутого помещения заранее заданного уровня инертирования.
В частности, таким образом, очевидно, что при увеличении чистоты азота коэффициент воздуха для системы разделения газов возрастает по экспоненте.
Термин "коэффициент воздуха" относится к отношению объема исходной газовой смеси, поступающей в систему разделения газов в единицу времени, к объему азотсодержащего газа, получаемого на выходе из системы разделения газов в единицу времени. Генераторы азота обычно предоставляют произвольный выбор чистоты азота на выходе из системы разделения газов, при этом такую же чистоту можно задать на самом генераторе азота. В общем случае, справедливым является тот факт, что чем ниже установлена чистота азота, тем меньше эксплуатационные расходы для генератора азота. Это обеспечивает возможность работы компрессора в течение сравнительно более короткого периода времени при обеспечении азотсодержащей газовой смеси с заданной чистотой азота на выходе из системы разделения газов. Однако, что касается эксплуатационных расходов для системы инертирования при инертировании помещения, необходимо принимать во внимание другие дополнительные факторы. Такие факторы, в частности, включают коэффициенты продувки, которые обеспечивают вытеснение кислорода в атмосфере замкнутого помещения азотсодержащей газовой смесью, получаемой на выходе из системы разделения газов, до достижения и, соответственно, поддержания, заранее установленного уровня инертирования. Указанные коэффициенты продувки, в частности, включают объем азотсодержащего газа, обеспечиваемого системой разделения газов в единицу времени, пространственный объем замкнутого помещения и разницу между содержанием кислорода, преобладающего в данный момент в атмосфере замкнутого помещения, и содержанием кислорода, которое соответствует заранее заданному уровню инертирования. Тем самым учитывается тот факт, что, в терминах времени падения, решающую роль также играет чистота азота в газовой смеси, получаемой на выходе из системы разделения газов, и, соответственно, остаточное содержание кислорода в азотсодержащей газовой смеси, поскольку процесс продувки идет тем быстрее, чем ниже остаточное содержание кислорода в азотсодержащей газовой смеси.
Термин "система разделения газов", применяемый в настоящей заявке, следует понимать как систему, которая может осуществить разделение исходной газовой смеси, содержащей по меньшей мере компоненты "кислород" и "азот", на газ, обогащенный кислородом, а также газ, обогащенный азотом. Как правило, функционирование такой системы разделения газов основано на действии газоразделительных мембран. В настоящем изобретении применяемая система разделения газов в основном предназначена для отделения кислорода от исходной газовой смеси. Такой тип системы разделения газов также часто называют "генератором азота".
В описанном типе системы разделения газов используют, например, мембранный блок или нечто подобное, в котором различные компоненты, содержащиеся в исходной газовой смеси (например, кислород, азот, инертные газы и т.д.) диффундируют через мембрану с различными скоростями, зависящими от их молекулярной структуры. В качестве мембраны можно применять мембрану из полых волокон. Кислород, диоксид углерода и водород обладают высокой скоростью диффузии и благодаря этому при прохождении через мембранный блок покидают исходную газовую смесь сравнительно быстро. Азот с низкой скоростью диффузии проникает через мембрану из полых волокон мембранного блока очень медленно и, тем самым, при прохождении через указанный мембранный блок из полых волокон концентрируется в нем. Чистоту азота или, соответственно, остаточное содержание кислорода в газовой смеси, выходящей из системы разделения газов, определяют по скорости проходящего потока. Варьирование давления и скорости потока позволяет регулировать в системе разделения газов требуемую чистоту азота и необходимое количество азота. В частности, чистоту азота регулируют по скорости, с которой газ проходит через мембрану (время задержки).
Разделенную кислородсодержащую газовую смесь обычно концентрируют и сбрасывают в окружающую среду при атмосферном давлении. Сжатую азотсодержащую газовую смесь получают на выходе из системы разделения газов. Анализ состава полученного газа проводят путем измерения остаточного содержания кислорода в объемных процентах. Содержание азота рассчитывают путем вычитания измеренного остаточного содержания кислорода из 100%. При этом следует учитывать, что хотя эту величину обозначают как содержание азота или чистоту азота, в действительности она представляет собой содержание инертных компонентов, поскольку этот компонентный поток не состоит исключительно из азота, но также и из других компонентов газа, таких как, например, благородные газы.
В систему разделения газов, являющуюся, соответственно, генератором азота, обычно подают сжатый воздух, очищенный с помощью установленных выше по потоку узлов фильтрования. В принципе, имеется возможность использовать процесс при переменном давлении (технология PSA), применяя два слоя молекулярных сит для получения азотсодержащего газа, при этом два сита попеременно переключают из режима фильтрования в режим регенерации с получением, таким образом, потока азотсодержащего газа.
Например, при применении в генераторе азота мембранной технологии используют общеизвестный факт, что различные газы диффундируют через материалы с различными скоростями. В случае технологии, применяемой в генераторе азота, различные скорости диффузии основных компонентов воздуха, т.е. азота, кислорода и водяного пара, используют для создания потока азота, и, соответственно, азотсодержащего воздуха. Более подробно, чтобы технически реализовать генератор азота, основанный на мембранной технологии, на внешние поверхности мембран из полых волокон наносят разделяющий материал, который проявляет отличную диффузию в отношении водяного пара и кислорода, однако низкую скорость диффузии в случае азота. При прохождении воздуха через внутреннюю часть такого обработанного полого волокна, водяной пар и кислород быстро диффундируют наружу через стенку полого волокна, тогда как азот в значительной степени удерживается внутри волокна, поэтому во время прохождения воздуха через полое волокно образуется высокая концентрация азота. Эффективность этого способа разделения по большому счету зависит от скорости потока в волокне и разности давлений в зависимости от расстояния относительно стенки полых волокон. При уменьшении скорости потока и/или более высокой разности давлений между внутренней частью и наружной поверхностью мембраны из полых волокон чистота получаемого потока азота растет. Вообще говоря, таким образом, с помощью генератора азота на основе мембранной технологии можно регулировать степень азотизации азотсодержащего воздуха, получаемого с помощью генератора азота, как функцию времени задержки сжатого воздуха, обеспечиваемого источником сжатого воздуха в системе разделения воздуха в генераторе азота.
С другой стороны, если в генераторе азота применяют технологию PSA, то используют, например, специально обработанный активированный древесный уголь с различными коэффициентами связывания атмосферного кислорода и атмосферного азота. При этом структура применяемого активированного древесного угля изменена таким образом, чтобы создать чрезвычайно большую площадь поверхности с большим количеством микропор и субмикропор (d<1 нм). При таком размере пор молекулы кислорода воздуха диффундируют в поры по существу быстрее, чем молекулы азота, поэтому воздух вблизи активированного древесного угля обогащается азотом. Таким образом, в случае генератора азота на основе технологи PSA степень азотизации в азотсодержащем воздухе, получаемом с помощью генератора азота, можно регулировать - также как в случае генератора на основе мембранной технологии - как функцию времени задержки сжатого воздуха, обеспечиваемого источником сжатого воздуха в генераторе азота.
Как указано выше, решение задачи инертирования согласно изобретению основано на знании того факта, что, с одной стороны, коэффициент воздуха в системе разделения газов экспоненциально возрастает с увеличением чистоты азота и, с другой стороны, что для установления заранее заданного уровня инертирования компрессор в системе инертирования должен функционировать в течение более длительного периода времени, чтобы уменьшить разницу между содержанием кислорода, преобладающим в данный момент в атмосфере замкнутого помещения, и остаточным содержанием кислорода в азотсодержащей газовой смеси. Таким образом, следует принимать во внимание, что потребляемая системой инертирования мощность фактически прямо пропорциональна отрезку времени, который занимает процесс падения (давления) для создания в помещении инертной среды, как в случае установления в помещении фиксированного остаточного содержания кислорода, так и при понижении до нового уровня падения, поскольку компрессор, расположенный перед системой разделения газов, приводят с помощью цифрового управления в его рабочий режим при оптимальной эффективности.
Соответственно, остается отметить, что - когда выбрана более низкая величина чистоты азота, например, только 90% по объему - для установления заданного уровня инертирования система разделения инертных газов должна работать в течение сравнительно длительного периода времени. Если величина чистоты азота должна быть повышена, например, до 95% по объему, разница между содержанием кислорода при заданном уровне инертирования и остаточным содержанием кислорода в газовой смеси, получаемой на выходе из системы разделения газов, также увеличивается, при этом необходимое время работы компрессора сокращается и, таким образом, уменьшается мощность, потребляемая системой инертирования, участвующей в установлении уровня инертирования. Однако обстоятельства увеличения чистоты азота на выходе из системы разделения газов, также неизбежно увеличивающие коэффициент воздуха, тоже оказывают здесь влияние. Что касается времени работы компрессора, или потребляемой мощности системы инертирования, необходимой для установления уровня инертирования, это обстоятельство оказывает негативное воздействие. Этот негативный эффект доминирует, если увеличение коэффициента воздуха вследствие увеличения чистоты азота становится ощутимым.
В отличие от традиционных систем, известных из уровня техники, в которых выбрана фиксированная величина чистоты азота, при решении задачи инертирования согласно настоящему изобретению учитывается тот факт, что при создании в замкнутом помещении инертной среды следует, предпочтительно или избирательно, автоматически регулировать остаточное содержание кислорода, получаемое на выходе из системы разделения газов и в азотсодержащей газовой смеси, до величины, равной содержанию кислорода, преобладающему в данный момент в атмосфере замкнутого помещения, чтобы таким образом установить чистоту азота на выходе из системы разделения газов равной величине, которая оптимизирована в терминах требуемого времени.
Термин "оптимизированная по времени величина чистоты азота", применяемый в настоящей заявке, следует понимать как чистоту азота на выходе из системы разделения газов или остаточное содержание кислорода, получаемое на выходе из системы разделения газов и в азотсодержащей газовой смеси, при которой описанная система инертирования, благодаря которой объем азотсодержащей газовой смеси, доступный в единицу времени, является постоянным, обеспечивает минимальный период времени, необходимый для понижения содержания кислорода от текущего уровня до заранее заданного значения, соответствующего данному уровню инертирования.
Предпочтительный вариант реализации решения задачи инертирования согласно изобретению изложен в зависимых пунктах формулы изобретения.
Предпочтительное осуществление способа инертирования согласно изобретению обеспечивает автоматическую установку остаточного содержания кислорода в азотсодержащей газовой смеси и, соответственно, чистоты азота из системы разделения газов, в соответствии с предварительно определенной характеристической кривой. Эта характеристическая кривая показывает оптимизированный по времени характер изменения остаточного содержания кислорода в азотсодержащей газовой смеси в зависимости от содержания кислорода в атмосфере замкнутого помещения. Фраза "оптимизированный по времени характер изменения остаточного содержания кислорода" относится к оптимизированной по времени величине остаточного содержания кислорода, зависящей от содержания кислорода в атмосфере замкнутого помещения. Как указано выше, оптимизированная по времени величина остаточного содержания кислорода соответствует величине остаточного содержания кислорода, которая выбрана для обеспечения разделения газов таким образом, что с помощью предлагаемого способа инертирования в кратчайший период времени можно установить заранее определенное содержание кислорода, уменьшенное по сравнению с обычным атмосферным воздухом, в атмосфере замкнутого помещения.
Характеристическую кривую для установления разделения газов/системы инертирования, в соответствии с которой устанавливают остаточное содержание кислорода как показатель содержания кислорода, преобладающего в данный момент в атмосфере замкнутого помещения, согласно предпочтительному варианту осуществления способа инертирования согласно изобретению, определяют заранее (путем измерения или расчета).
Поскольку решение задачи инертирования согласно изобретению относится к предпочтительно автоматическому регулированию чистоты азота из системы разделения газов и, соответственно, остаточного содержания кислорода в азотсодержащей газовой смеси как функции содержания кислорода, преобладающего в данный момент в атмосфере замкнутого помещения, с целью создания в помещении инертной среды при минимально возможных эксплуатационных расходах, предпочтительно прямо или косвенно измерять текущее содержание кислорода в атмосфере замкнутого помещения, непрерывно или через заранее заданные отрезки времени и/или после предварительно определенных событий. Также предпочтительно установить остаточное содержание кислорода в азотсодержащей газовой смеси равным заранее заданной оптимизированной по времени величине, непрерывно или через заранее заданные отрезки времени и/или после наступления заранее заданных событий. Указанная предварительно определенная оптимизированная по времени величина должна соответствовать остаточному содержанию кислорода, при котором способ инертирования позволяет в кратчайшие возможные сроки понизить содержание кислорода в атмосфере замкнутого помещения до заранее заданного пониженного уровня, в зависимости от соответствующего текущего содержания кислорода.
Дальнейшее предпочтительное усовершенствование решения задачи инертирования согласно изобретению обеспечивает не только чистоту азота из системы разделения газов, изменяемую как функция содержания кислорода, преобладающего в данный момент в атмосфере замкнутого помещения, но также содержание кислорода в исходной газовой смеси, изменяемое как функция содержания кислорода, преобладающего в данный момент в атмосфере замкнутого помещения. Настоящее изобретение основано на том факте, что коэффициент воздуха системы разделения газов можно уменьшить, если исходная газовая смесь, подаваемая в систему разделения газов, имеет пониженное содержание кислорода.
Таким образом, что касается обеспечения исходной газовой смеси, предпочтительный вариант осуществления решения задачи инертирования согласно изобретению предполагает регулируемое удаление части атмосферного воздуха из замкнутого помещения и регулируемую подачу свежего воздуха в удаленную из помещения часть воздуха. Для того чтобы предотвратить изменение давления внутри замкнутого помещения при подаче азотсодержащего газа или удалении из помещения части атмосферного воздуха, количество свежего воздуха, смешанного с атмосферным воздухом, удаленным из помещения, выбирают таким образом, что количество атмосферного воздуха, удаляемого из помещения в единицу времени, идентично объему азотсодержащей газовой смеси, получаемой на выходе из системы разделения газов и направляемой по трубопроводам в атмосферу замкнутого помещения в единицу времени.
При описании предпочтительного варианта осуществления системы инертирования согласно настоящему изобретению будут сделаны ссылки на следующие чертежи.
Представлены:
Фиг.1 - схематическое изображение системы инертирования согласно первому варианту реализации настоящего изобретения;
Фиг.2 - схематическое изображение системы инертирования согласно второму варианту реализации настоящего изобретения;
Фиг.3 - схематическое изображение системы инертирования согласно третьему варианту реализации настоящего изобретения;
Фиг.4 - график зависимости коэффициента воздуха относительно чистоты азота для системы инертирования, соответствующей фиг.1, 2 или 3, а также график зависимости времени падения относительно чистоты азота, в частности, понижение содержания кислорода от его первоначального значения 17,4% по объему до 17,0% по объему, а также понижение содержания кислорода от его первоначального значения 13,4% по объему до 13,0% по объему;
Фиг.5 - график зависимости оптимизированной по времени чистоты азота относительно текущего содержания кислорода в атмосфере замкнутого помещения для системы инертирования, соответствующей фиг.1, 2 или 3;
Фиг.6 - график зависимости коэффициента воздуха системы разделения газов для системы инертирования, соответствующей фиг.1, 2 или 3, относительно содержания кислорода в исходной газовой смеси, подаваемой в систему разделения газов для отделения по меньшей мере части кислорода от исходной газовой смеси и, тем самым, обеспечения азотсодержащей газовой смеси на выходе из системы разделения газов; и
Фиг.7 - график энергосбережения, которое можно достичь путем понижения содержания кислорода в атмосфере замкнутого помещения с помощью решения задачи инертирования согласно изобретению.
На фиг.1 показан пример первого варианта реализации системы инертирования 1 согласно настоящему изобретению в схематическом виде. Изображенная система инертирования 1 служит для установления и поддержания заранее заданного уровня инертирования в атмосфере замкнутого помещения 2. Замкнутое помещение 2 может представлять собой, например, складское помещение, в котором содержание кислорода в атмосферном воздухе понижено и поддерживается на определенном уровне инертирования, например, 12% или 13% по объему кислорода, в качестве предупредительной защитной меры против пожара.
В замкнутом помещении 2 при помощи управляющего устройства 5 выборочно автоматически создают инертную среду. С этой целью система инертирования 1 согласно данному варианту реализации, отображенному на фиг. 1, содержит систему разделения газов, состоящую из компрессора 3, а также генератора азота 4. Компрессор 3 служит для подачи в генератор азота 4 сжатой исходной газовой смеси, которая содержит по меньшей мере компоненты «кислород» и «азот». С этой целью выходное отверстие компрессора 3 соединено с входным отверстием генератора азота 4 посредством системы трубопроводов 17 для подвода к генератору азота 4 сжатой исходной газовой смеси. В принципе, исходную газовую смесь на выходе из компрессора 3 можно подвергнуть сжатию до давления, например, 7.5 - 9.5 бар и, предпочтительно, 8.8 бар.
Генератор азота 4 содержит по меньшей мере один мембранный блок 19, например, мембранный блок из полых волокон, с помощью которого исходная газовая смесь, подаваемая компрессором 3, после прохождения через подходящий фильтр 18 подвергается сжатию. В мембранном блоке 19 различные компоненты, содержащиеся в исходной газовой смеси (в частности, кислород и азот), диффундируют через мембрану из полых волокон мембранного блока 19 с различными скоростями в соответствии с их молекулярной структурой. Таким образом, разделение газов основано на принципе действия, известном как таковой, согласно которому азот очень медленно проникает в мембрану из полых волокон при низкой скорости диффузии и, тем самым, обогащает мембрану из полых волокон мембранного блока 19 при прохождении через нее. Таким образом, на выходе 4а из генератора азота 4 получают азотсодержащую газовую смесь. Эта азотсодержащая газовая смесь - так же, как и исходная газовая смесь, подаваемая на входе в генератор азота 4 - находится в сжатой форме, однако прохождение по меньшей мере через один мембранный блок 19 генератора азота 4 действительно ведет к падению давления, например, от 1.5 до 2.5 бар.
Хотя это подробно не изображено на фиг.1, кислородсодержащую газовую смесь, отделенную в генераторе азота 4, концентрируют и сбрасывают в окружающую среду при атмосферном давлении.
Азотсодержащую газовую смесь, получаемую на выходе 4а из генератора азота 4, подают в замкнутое помещение 2 через подводящий трубопровод 7 для понижения содержания кислорода в атмосфере замкнутого помещения 2 и, соответственно, для поддержания предварительно заданного уровня падения в помещении 2, путем регулирования подачи азотсодержащего газа.
Чтобы давление внутри замкнутого помещения 2 не изменилось при подаче азотсодержащей газовой смеси, следует обеспечить подходящий сброс давления. Такой сброс можно осуществить, например, путем автономного открывания и/или закрывания клапанов для сброса давления (не показано на фиг.1). С другой стороны, также возможно, чтобы с целью сброса давления при создании в помещении 2 инертной среды сбрасываемый объем атмосферного воздуха можно было подать в смесительную камеру 6 через систему обратных трубопроводов 9.
Атмосферный воздух, сбрасываемый из замкнутого помещения 2, подают в смесительную камеру 6 через первое входное отверстие 9а обратного трубопровода 9. Смесительная камера 6 дополнительно имеет второе входное отверстие 8а, которое сообщается с системой подводящих трубопроводов 8 для подачи свежего воздуха в смесительную камеру 6. Исходную газовую смесь, сжатую компрессором 3, из которой отделяют по меньшей мере часть кислорода в системе разделения газов (генераторе азота 4), получают в смесительной камере 6. Поэтому выходное отверстие смесительной камеры 6 соединено с входным отверстием компрессора 3 посредством подходящей системы трубопроводов 15.
В частности, первый клапан 11, управляемый с помощью управляющего устройства 5, установлен в системе обратных трубопроводов 9 и выполнен, в частности, в виде запорного клапана, и второй клапан 10, также управляемый с помощью управляющего устройства 5, установлен в системе трубопроводов для подачи свежего воздуха 8, в частности, в виде запорного клапана. Таким образом, такая конструкция гарантирует, что при надлежащем срабатывании соответствующих клапанов 10, 11 количество свежего воздуха, смешанного с атмосферным воздухом, удаляемым из помещения 2, будет выбрано таким образом, чтобы объем воздуха, удаляемого из помещения 2 в единицу времени, был идентичен объему азотсодержащей газовой смеси, полученной на выходе 4а из генератора азота 4 и направляемой по трубопроводам в атмосферу замкнутого помещения 2 в единицу времени.
Система инертирования 1 согласно варианту реализации настоящего изобретения, изображенная схематически на фиг.1, характеризуется тем, что содержит вышеупомянутое управляющее устройство 5, связанное с соответствующим образом управляемыми компонентами системы инертирования 1 и сконструированное таким образом, чтобы автоматически регулировать генератор азота 4 и, соответственно, систему разделения газов 3, 4 таким образом, чтобы азотсодержащая газовая смесь, получаемая на выходе 4а из системы разделения газов 3, 4, имела остаточное содержание кислорода в зависимости от содержания кислорода, преобладающего в данный момент в атмосфере замкнутого помещения 2. В частности, в отображенном предпочтительном варианте реализации системы инертирования 1 согласно изобретению генератор азота 4 регулируют с помощью управляющего устройства 5 таким образом, что в зависимости от содержания кислорода в атмосфере замкнутого помещения 2, измеренного с помощью системы измерения содержания кислорода 16, азотсодержащая газовая смесь будет иметь остаточное содержание кислорода в диапазоне от 10,00% до 0,01% по объему, при этом остаточное содержание кислорода в азотсодержащей газовой смеси уменьшается с уменьшением содержания кислорода в атмосфере замкнутого помещения.
С этой целью система инертирования 1 согласно изобретению, помимо вышеупомянутой системы измерения содержания кислорода 16 для измерения или обнаружения текущего содержания кислорода в атмосфере замкнутого помещения 2, дополнительно содержит систему измерения остаточного содержания кислорода 21 для измерения остаточного содержания кислорода в азотсодержащей газовой смеси, получаемой на выходе 4а из генератора азота 4 и, соответственно, для определения чистоты азота в газовой смеси, получаемой на выходе 4а из генератора азота 4. Обе системы измерения 16, 21 соответствующим образом связаны с управляющим устройством 5.
На фиг.2 показано схематическое изображение системы инертирования 1 согласно второму варианту реализации настоящего изобретения. Система инертирования 1 согласно второму варианту реализации подходит, в частности, для установления и поддержания с наименьшими затратами заранее заданного уровня инертирования в помещении с кондиционированным воздухом, таком как, например, холодильная камера или склад-холодильник. Структура и функционирование системы инертирования 1 согласно варианту реализации, отображенному на фиг.2, по существу соответствует структуре и функционированию системы инертирования, описанной выше со ссылкой на фиг.1, поэтому, чтобы избежать повторения, следующее описание будет касаться только различий.
Как показано на фиг.2, для наиболее экономичного инертирования помещения 2 с кондиционированным воздухом предпочтительно обеспечить теплообменную систему 13 в системе обратных трубопроводов 9 между помещением 2 и смесительной камерой 6. Также выгодно - как предложено на фиг.2 - чтобы система обратных трубопроводов 9 была по меньшей мере частично снабжена подходящей теплоизоляцией 20 для предотвращения ее замерзания при подаче охлажденного атмосферного воздуха, удаляемого из замкнутого помещения 2, в теплообменную систему 13 через систему обратных трубопроводов 9 перед транспортировкой атмосферного воздуха по трубопроводам в смесительную камеру 6. При необходимости, теплообменная система 13 может включать дополнительный вентилятор 14, так что атмосферный воздух можно удалить из атмосферы замкнутого помещения 2 без падения давления.
Таким образом, теплообменная система 13 служит для использования по меньшей мере части отработанного тепла, выделяющегося при работе компрессора 3, для нагрева удаляемого из помещения и охлажденного атмосферного воздуха. В качестве теплообменной системы 13 применяют различные устройства, такие как, например, змеевиковый теплообменник из ребристых труб, который передает по меньшей мере часть тепловой энергии отработанного воздуха из компрессора 3 воздуху, удаляемому из помещения, с помощью теплообменной среды, такой как, например вода, с целью повышения температуры удаляемого атмосферного воздуха до средней температуры, равной, например 20°С, которая является предпочтительной с точки зрения функционирования и эффективности генератора азота 4.
После фильтрования атмосферного воздуха, удаляемого из замкнутого помещения 2, через теплообменную систему 13, он поступает в смесительную камеру 6 через первое входное отверстие 9а системы обратных трубопроводов 9. Смесительная камера 6 также имеет второе входное отверстие 8а, через которое система подводящих трубопроводов 8 подает свежий воздух в смесительную камеру 6. Исходную газовую смесь, подвергаемую сжатию с помощью компрессора 3, из которой удаляют по меньшей мере часть кислорода в системе разделения газов (генераторе азота 4), получают в смесительной камере 6. По этой причине выходное отверстие смесительной камеры 6 соединено с входным отверстием компрессора 3 с помощью подходящей системы трубопроводов 15.
На фиг.3 показано схематическое изображение системы инертирования 1 согласно третьему варианту реализации настоящего изобретения. Структура и функционирование системы инертирования 1 согласно варианту реализации, изображенному на фиг.3, по существу соответствует структуре и функционированию системы инертирования, описанной выше со ссылкой на фиг.1, поэтому, чтобы избежать повторения, следующее описание будет касаться только различий.
Как изображено на фиг.3, в этом варианте реализации два клапана 10, 11, которые, в частности, согласно варианту реализации, представленному на фиг.1, имеют конфигурацию запорных клапанов и расположены в системе трубопроводов для подачи свежего воздуха 8 и системе обратных трубопроводов 9, соответственно, были объединены в один 3-позиционный клапан 10' для упрощения структуры системы инертирования 1. 3-хпозиционным клапаном 10' можно управлять с помощью управляющего устройства 5.
Кроме того, смесительная камера в третьем варианте реализации, изображенном на фиг.3, выполнена в виде фильтра 6'. Таким образом, смесительная камера, выполненная в виде фильтра 6', выполняет две функции: сначала она служит для обеспечения исходной газовой смеси путем смешивания свежего воздуха, подаваемого через систему трубопроводов для подачи свежего воздуха, с атмосферным воздухом, удаляемым из помещения 2 через систему обратных трубопроводов 9. Во-вторых, смесительная камера, выполненная в виде фильтра 6', служит для фильтрования полученной исходной газовой смеси перед ее сжатием в компрессоре 3. Таким образом, отпадает необходимость в дополнительном фильтре на входе в компрессор 3.
Как подробно изложено ниже со ссылкой на графики, представленные на фиг.4-6, подходящее регулирование чистоты азота в генераторе азота 4 и, соответственно, подходящее регулирование остаточного содержания кислорода в азотсодержащей газовой смеси, получаемой на выходе 4а из системы разделения газов 4, позволяет установить заранее заданный уровень падения в атмосфере замкнутого помещения способом, оптимизированным с точки зрения необходимого времени. Соответственно, таким образом, решение задачи инертирования согласно изобретению обеспечивает чистоту азота в генераторе азота 4, которую устанавливают и регулируют как функцию содержания кислорода, преобладающего в данный момент в атмосфере замкнутого помещения, при создании в указанном замкнутом помещении 2 инертной среды.
Чистоту азота можно изменять, варьируя время задержки исходной газовой смеси по меньшей мере в одном мембранном блоке 19 генератора азота 4. Тем самым, возможно, например, регулировать поток и обратное давление через мембранный блок 19 с помощью подходящего контрольного клапана 24 на выходе из мембранного блока 19. Высокое давление на мембрану и длительное время задержки (низкий расход) позволяют обеспечить высокую чистоту азота на выходе 4а из генератора азота.
Предпочтительно выбирать оптимизированную по времени величину соответствующей чистоты азота, что позволяет системе инертирования в кратчайший период времени установить и поддержать заранее заданный уровень инертирования в замкнутом помещении 2. Путем применения подходящих оптимизированных по времени величин чистоты азота при установлении и поддержании заранее заданного уровня инертирования в атмосфере замкнутого помещения можно сократить время, необходимое для процесса падения (или для регулирования постоянного фиксированного остаточного содержания кислорода или при понижении до нового уровня падения) и, таким образом, также уменьшить энергию, необходимую системе инертирования, поскольку компрессор 3 приводят с помощью цифрового управления (ввод/вывод) в его рабочий режим при оптимальной эффективности.
Система инертирования 1 согласно варианту реализации, изображенному на фиг.1 или 2, также характеризуется тем, что содержит смесительную камеру 6, обеспечивающую систему разделения газов, состоящую из компрессора 3 и генератора азота 4, исходной газовой смесью, которая может иметь более низкое содержание кислорода, чем содержание кислорода в обычном атмосферном воздухе (т.е. приблизительно 21% по объему). А именно, для этой цели предложена вышеупомянутая система обратных трубопроводов 9, с помощью которой по меньшей мере часть атмосферного воздуха из замкнутого помещения 2 можно подать в смесительную камеру 6 через клапан 11 регулируемым образом с помощью управляющего устройства 5. Таким образом, при уже пониженном содержании кислорода в замкнутом помещении 2 система обратных трубопроводов 9 будет подавать в смесительную камеру 6 газовую смесь, обогащенную азотом по сравнению с обычным атмосферным воздухом. Эту часть воздуха из помещения смешивают с подаваемым воздухом в смесительной камере 6, чтобы обеспечить компрессор 3 и, соответственно, генератор азота 4, требуемым объемом исходной газовой смеси. Поскольку содержание кислорода в исходной газовой смеси оказывает влияние на коэффициент воздуха системы разделения газов и, соответственно, генератора азота 4, и, таким образом, также влияет на оптимизированную по времени величину чистоты азота в генераторе азота 4, вариант реализации системы инертирования 1 согласно изобретению, изображенный на фиг.1, снабжен системой измерения содержания кислорода 22 в системе трубопроводов 15 между выходным отверстием смесительной камеры 6 и входным отверстием компрессора 3 для измерения содержания кислорода в выходящей газовой смеси. Более того, в указанном варианте реализации можно обеспечить соответствующие системы 23, 24 измерения содержания кислорода в системе обратных трубопроводов 9 и, соответственно, трубопроводе 8 для подачи свежего воздуха, для измерения содержания кислорода в подаваемом воздухе и в азотсодержащем воздухе помещения, непрерывно или через заранее заданные отрезки времени и/или после наступления заранее заданных событий. На основании измеренных данных состав исходной газовой смеси (в частности, в терминах содержания кислорода) можно контролировать подходящим образом путем соответствующего срабатывания клапанов 10 и/или 11.
3
3
Принцип работы предложенного решения задачи инертирования согласно изобретению с применением системы инертирования 1, изображенной схематически на фиг.1 или 2, будет описан ниже со ссылкой на графики, представленные на фиг.4-6. Для настоящего описания системы инертирования 1, изображенной схематически на фиг.1 или 2, следует сделать предположение, что замкнутое помещение 2 имеет объем 1000 м. Далее, также предполагается, что система инертирования 1 сконструирована таким образом, чтобы обеспечить максимальный суммарный объем 48 м азотсодержащего газа в час на выходе 4а из генератора азота 4.
3
3
На фиг.4 изображен график коэффициента воздуха для генератора азота 4, применяемого в системе инертирования 1, изображенной схематически на фиг.1 или фиг.2, при различных значениях чистоты азота. В связи с этим следует отметить, что коэффициент воздуха увеличивается экспоненциально при уменьшении остаточного содержания кислорода в азотсодержащей газовой смеси, получаемой на выходе 4а из генератора азота 4. А именно, коэффициент воздуха при остаточном содержании кислорода, равном 10% по объему (чистота азота: 90%), составляет приблизительно 1.5, что означает, что на выходе 4а из генератора азота 4 можно обеспечить объем 0.67 м азотсодержащей газовой смеси на мисходной газовой смеси. Это соотношение уменьшается с увеличением чистоты азота, как можно видеть из графика на фиг.4.
Кроме того, на фиг.4 отображено изменение коэффициента воздуха, а именно, каким образом регулирующее время падения реагирует на увеличение чистоты азота при различной чистоте азота. А именно, во-первых, показано, как долго компрессор 3 должен работать, чтобы уменьшить содержание кислорода в атмосфере замкнутого помещения 2 от его первоначального значения 17.4% по объему до 17.0% по объему. Во-вторых, показано, как долго компрессор 3 должен работать, чтобы понизить содержание кислорода в атмосфере замкнутого помещения 2 от его первоначального значения 13.4% по объему до 13.0% по объему при применении системы инертирования 1 согласно фиг.1 или 2.
Сравнение двух значений времени падения (регулирование времени падения 17.4%->17.0% по объему и регулирование времени падения 13.4%->13.0% по объему) показывает, что для установления и поддержания уровня инертирования 17,0% по объему время работы компрессора 3 можно минимизировать, если в генераторе азота 4 установлена чистота азота приблизительно 93.3% по объему. Однако для установления и поддержания уровня инертирования, равного 13% по объему содержанию кислорода, оптимизированная по времени чистота азота составляет примерно 94.1% по объему. Поэтому время падения и, соответственно, время работы компрессора 3, необходимое для установления заранее заданного уровня инертирования атмосферы замкнутого помещения 2, зависит от чистоты азота, установленной генератором азота 4 и, соответственно, от остаточного содержания кислорода, установленного генератором азота 4 для азотсодержащей газовой смеси, получаемой на выходе 4а из генератора азота 4.
Соответствующие минимумы времени падения относительно чистоты азота называют в настоящем описании "оптимизированной по времени чистотой азота". На графике на фиг.5 отображена оптимизированная по времени чистота азота для системы инертирования 1 согласно фиг.1 или 2. А именно, оптимизированная по времени чистота, которая относится к системе разделения газов 3, 4 системы инертирования 1, изображенной на фиг.1 или 2, показана для различных концентраций кислорода в атмосфере замкнутого помещения 2.
Из характеристической кривой, изображенной на фиг.5, можно непосредственно сделать вывод о том, что генератор азота 4 должен быть отрегулирован таким образом, чтобы при уменьшении содержания кислорода в атмосфере замкнутого помещения 2 остаточное содержание кислорода в газовой смеси, получаемое на выходе 4а из системы разделения газов 3, 4, уменьшалось. Таким образом, при работе генератора азота в соответствии с характеристической кривой чистоты азота, изображенной на фиг.5, для создания в замкнутом помещении 2 инертной среды можно установить и поддерживать заранее заданный уровень инертирования в атмосфере замкнутого помещения 2 при максимально коротком времени работы компрессора 3 и, таким образом, при самом низком потреблении энергии.
Фиг.6 представляет собой графическое изображение влияния содержания кислорода в исходной газовой смеси на коэффициент воздуха системы разделения газов 3, 4. Согласно этому графику, при фиксированной чистоте азота в системе разделения газов 3, 4 коэффициент воздуха падает, когда содержание кислорода в исходной газовой смеси уменьшается. Как указано выше, для системы инертирования 1 предусмотрен обратный подводящий трубопровод 9 согласно схеме на фиг.1, посредством которого часть атмосферного воздуха из помещения (уже содержащего азот, в зависимости от конкретных обстоятельств) подается в смесительную камеру 6 регулируемым образом с целью снижения, таким образом, содержания кислорода в исходной газовой смеси от его первоначального значения, равного 21% по объему (содержание кислорода в обычном атмосферном воздухе). Соответственно, такая рециркуляция уже содержащего азот воздуха помещения может дополнительно понизить коэффициент воздуха системы разделения газов 3, 4, так что эффективность системы разделения газов 3, 4 будет уменьшаться, а энергия, необходимая для установления и поддержания заранее заданного уровня инертирования, может даже дополнительно понизиться.
Характеристическую кривую, изображенную на фиг.6, предпочтительно комбинировать со способом, который графически изображен на фиг.4 и 5, таким образом, чтобы оптимизированная подача азота была возможна при каждой концентрации кислорода в исходной газовой смеси и в помещении 2.
На фиг.7 отображено - для расчетного применения - энергосбережение, достигаемое (в %) при содержании кислорода, установленном в атмосфере замкнутого помещения, когда концентрация кислорода в атмосфере замкнутого помещения понижена с помощью предложенного в изобретении решения. Случай, рассматриваемый в настоящей заявке, является примером, в котором, с одной стороны, в ходе инертирования помещения для чистоты азота в генераторе азота была выбрана оптимизированная по времени чистота азота и, с другой стороны, воздух помещения, уже содержащий азот, подвергался рециркуляции с целью дополнительного снижения коэффициента воздуха генератора азота и повышения его эффективности.
Изобретение не ограничено вариантами реализации, проиллюстрированными с помощью прилагаемых графических изображений.