АДСОРБЦИОННЫЙ ГЕНЕРАТОР КИСЛОРОДА

Полезная модель относится к устройствам для обогащения газов адсорбцией, в частности, к генераторам кислорода для обогащения атмосферного воздуха кислородом в результате осуществления циклического адсорбционно-десорбционного процесса.
Известен медицинский адсорбционный генератор кислорода, содержащий два адсорбера, заполненные гранулированным цеолитовым адсорбентом, в которых параллельно осуществляются процессы адсорбции и десорбции. В один из адсорберов подается на обогащение атмосферный воздух, сжатый поршневым компрессором до повышенного давления, предварительно очищенный от механических примесей. За счет избирательности адсорбции, часть азота, содержащегося в атмосферном воздухе, переходит в цеолитовый адсорбент, в результате на выходе из адсорбера получается поток продукционного газа, обогащенного кислородом. Часть указанного потока дросселируется до атмосферного давления и направляется противотоком в параллельно работающий адсорбер для регенерации в нем адсорбента. В результате на выходе из генератора обеспечивается непрерывный поток обогащенного кислородом продукционного газа. Генератор может работать как от стандартной электросети переменного тока, так и от аккумуляторных батарей.
Однако, такая конструкция генератора не обеспечивает мобильности пациенту, из-за большого веса, габаритов, а также высокого энергопотребления и уровня шума, обусловленных конструктивными признаками известного технического решения (см. например, Пат. 4826510 США, В01D 053/04. 1989 г.).
Известен адсорбционный медицинский генератор кислорода, в котором энергозатраты снижены за счет введения стадии выравнивания давлений между адсорберами. При этом выравнивание давлений осуществляют путем сообщения полостей адсорберов со стороны выхода продукционного газа, что позволяет использовать остаточное давление после стадии адсорбции и снижает энергозатраты установки до 20% за счет применения компрессора с пониженной мощностью.
Недостатком такого генератора является отсутствие отбора продукционного газа во время стадии выравнивания давлений, что снижает его производительность. Кроме того, наличие дополнительной стадии выравнивания давлений приводит к необходимости установки дополнительной пневматической арматуры и более сложного управляющего устройства, что снижает надежность работы генератора (Пат. 6949133 США, B01D., 2005 г.).
Известен также адсорбционный генератор кислорода, в котором энергозатраты снижены за счет введения двух стадий выравнивания давлений между адсорберами, что позволяет добиться снижения суммарных энергозатрат генератора на 25%. Предложена замена системы клапанов на распределительную головку, аналогичную той, что устанавливается в барабанные вакуум-фильтры. При этом распределительная головка вращается с постоянной угловой скоростью, в то время как адсорберы остаются неподвижны. Поскольку скорость вращения распределительной головки составляет 100 оборотов (и соответственно циклов адсорбции-десорбции) в минуту, размеры генератора и вес снижены по сравнению с традиционными конструктивными решениями.
Основным недостатком данной установки является чрезвычайно высокая конструктивная сложность, связанная, с необходимостью распределения и управления потоками с помощью распределительной головки. Это обуславливает ее высокую стоимость и низкую надежность, что не позволяет использовать ее в мобильном варианте исполнения (Пат. 6691702 США, B01D, 2004 г.).
Известен также генератор кислорода, в котором вращаются адсорберы, а распределительная головка неподвижна. Особенностью данной конструкции является то, что адсорберы вращаются с постоянной частотой и приводятся во вращение ротором, расположенным в нижней части генератора.
Данная конструкция так же обладает высокой конструктивной сложностью из-за наличия движущихся частей, кроме того, число адсорберов в ней равно шести. (Пат. 5827358 США, B01D 53/047, 1996 г.).
ад
дес
Известен также мобильный адсорбционный медицинский генератор кислорода, содержащий два адсорбера, заполненные гранулированным цеолитовым адсорбентом, в котором попеременно осуществляются процессы адсорбции и десорбции, в которые подается на обогащение атмосферный воздух, сжатый роторно-лопастным компрессором до давления адсорбции Р=2 атм, при этом десорбция осуществляется при атмосферном давлении Р=1 атм. Автономная работа генератора обеспечивается работой литийметаллофосфатного аккумулятора. В результате на выходе из генератора обеспечивается непрерывный поток обогащенного кислородом продукционного газа в количестве до 1 л/мин в течение до 3 часов. Данная конструкция генератора характеризуется пониженным весом и габаритами, а также обладает более высокой надежностью и низким уровнем шума.
ад
дес
Однако, использование в данном генераторе напорного компрессора приводит к недостаточной эффективности работы генератора, поскольку обеспечивается коэффициент давления К=Р/Р=2, соответственно снижается производительность генератора по продукционному газу. Кроме того, в процессе эксплуатации происходит изменение сопротивления потоку из-за повышенного механического износа гранулированного адсорбента из-за того, что процесс короткоцикловой адсорбции протекает с циклическим изменением направления газового потока. (Пат. 7402193 США, В01D 53/053 2008 г.).
Задачей изобретения является повышение эффективности функционирования генератора кислорода.
Решение технической задачи достигается за счет использования вакуум-напорного компрессора, позволяющего достигнуть того, что стадия адсорбции реализуется при давлении несколько выше атмосферного, а стадия десорбции - при давлении несколько ниже атмосферного, в результате чего обеспечивается высокий коэффициент давления.
Между отличительными признаками и достигаемым техническим результатом существует следующая причинно-следственная связь.
Технический результат достигается тем, что в адсорбционном генераторе кислорода, содержащим корпус, в котором установлена фильтрующая система и трехходовые электромагнитные клапаны, управляемые электронным реле времени, с адсорберами, соединенными, со стороны выхода продукционного газа через обратные клапаны, газовый ресивер, вентиль с возможностью регулировки с потребителем, а с другой стороны соединенные через трехходовые электромагнитные клапаны и пневмоглушители с атмосферой, установлен роторно-лопастной вакуум-напорный компрессор, обеспечивающий на стадии адсорбции давление несколько выше атмосферного, а на стадии десорбции давление несколько ниже атмосферного, в результате чего обеспечивается высокий коэффициент давления.
Корпус генератора выполнен из многослойного стекловолокна, скрепленного высокоадгезионным двухкомпонентным клеем на основе эпоксидных смол.
В корпусе генератора кислорода установлены четыре литий-полимерных аккумулятора.
В адсорберах генератора кислорода в качестве адсорбента использованы цеолитные блоки.
Цеолитные блоки выполнены с эквивалентным диаметром транспортных пор 0,6 мм.
Использование роторно-лопастного вакуум-напорного компрессора, напорная часть которого обеспечивает на стадии адсорбции давление несколько выше атмосферного (1,5 атм.), а вакуумная часть которого обеспечивает на стадии десорбции давление несколько ниже атмосферного (0,5 атм.), позволяет обеспечить высокий коэффициент давления К=3, и, соответственно, высокую эффективность работы генератора кислорода, что позволяет достигнуть увеличенной производительности генератора по продукционному газу - до 3 л/мин и снижение энергозатрат по сравнению с напорной схемой до 20%. Кроме того, использование вакуум-напорного компрессора роторно-лопастного типа позволяет обеспечить низкий уровень шума работы генератора кислорода.
Выполнение корпуса генератора из многослойного стекловолокна, скрепленного высокоадгезионным двухкомпонентным клеем на основе эпоксидных смол позволяет обеспечить его минимальную толщину и вес.
Установка в корпусе генераторе кислорода четырех литий-полимерных аккумуляторов позволяет обеспечить длительность непрерывной автономной работы генератора кислорода до 4-х часов.
Использование цеолитных блоков в адсорберах генератора кислорода позволяет обеспечить отсутствие механического истирания в циклических процессах адсорбции-десорбции.
Выполнение цеолитных блоков с эквивалентным диаметром транспортных пор 0,6 мм обеспечивает низкое аэродинамическое сопротивление газовоздушному потоку.
По имеющимся у заявителя сведениям, совокупность существенных признаков заявляемой полезной модели не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "новизна".
Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность полезной модели, может быть многократно использована в производстве различных модификаций адсорбционных генераторов кислорода с получением технического результата, заключающегося в повышении эффективности работы генератора и снижении энергозатрат, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого объекта критерию "промышленная применимость".
Сущность заявляемой полезной модели поясняется примером конкретного выполнения, где:
На фиг.1 показан общий вид генератора кислорода (сечение по А-А).
на фиг.2 показан общий вид генератора кислорода (сечение по Б-Б).
на фиг.3 показан общий вид адсорбера в разрезе.
На представленных чертежах изображены:
1 - днище корпуса;
2 - винт крепления компрессора;
3 - вакуум - напорный компрессор;
4 - батарея аккумуляторов;
5 - материал звукоизоляционный;
6 - хомут крепления;
7 - шланг полиуретановый;
8 - фильтр воздушный;
9 - клапан электромагнитный трехходовой;
10 - крышка корпуса;
11 - электронное реле времени;
12 - адсорбер;
13 - клапан обратный;
14 - газовый ресивер;
15 - вентиль с возможностью регулировки;
16 - канюля носовая;
17 - пневмоглушитель;
18 - дроссель;
19 - порт для подключения зарядного устройства к батарее аккумуляторов;
20 - вентилятор охлаждения;
21 - винт крепления;
22 - кнопка включения;
23 - корпус адсорбера;
24 - крышка адсорбера;
25 - штуцер;
26 - антифрикционная втулка;
27 - коническая вставка;
28 - уплотнение конической вставки;
29 - уплотнительная прокладка;
30 - цеолитный блок.
Адсорбционный генератор кислорода содержит днище корпуса 1, к которому при помощи винтов крепления компрессора 2 примыкает вакуум-напорный компрессор 3, питание которого осуществляется от батареи аккумуляторов 4 через материал звукоизоляционный 5 примыкающих к днищу корпуса 1 посредством хомутов крепления 6, и состоящий из двух параллельно работающих частей, одна из которых - напорная часть соединена с одной стороны с атмосферой, а с другой стороны соединена шлангом полиуретановым 7 через фильтр воздушный 8, клапаны электромагнитные трехходовые 9, примыкающие через материал звукоизоляционный 5 к крышке корпуса 10, управляемые электронным реле времени 11, через звукоизоляционный материал 5 примыкающего к днищу корпуса 1, питание которого осуществляется от батареи аккумуляторов 4, адсорберы 12, через звукоизоляционный материал 5 примыкающие к головкам вакуум-напорного компрессора 3, клапаны обратные 13, газовый ресивер 14, примыкающий к крышке корпуса 10, вентиль с возможностью регулировки 15, канюли носовые 16 с потребителем продукционного газа. Другая, вакуумная часть вакуум-напорного компрессора 3 соединена с одной стороны - с атмосферой через пневмоглушитель 17, а с другой стороны шлангом полиуретановым 7 через клапаны электромагнитные трехходовые 9, адсорбер 12, в котором осуществляется процесс десорбции, дроссель 18 с выходом адсорбера 12, где осуществляется обогащение воздуха кислородом. Зарядка батареи аккумуляторов 4 осуществляется внешним зарядным устройством (на рисунке не показано) через порт для подключения зарядного устройства к батарее аккумуляторов 19. Для охлаждения внутрикорпусного пространства в корпусе генератора установлен вентилятор охлаждения 20, который питается от батареи аккумуляторов 4 и примыкает к днищу корпуса 1 посредством винтов крепления 21. Начало работы генератора кислорода осуществляется кнопкой включения 22 (условно не показана), расположенной на крышке корпуса 10.
Адсорберы 12 содержат корпус адсорбера 23, в верхней и нижней части которого в резьбовых гнездах установлены крышки адсорбера 24 с резьбовыми отверстиями по центру, в которых установлены штуцеры 25. Штуцеры 25 своими торцами примыкают к антифрикционным втулкам 26, установленным в конических вставках 27, которые примыкают к корпусу адсорбера 23 через уплотнение конической вставки 28. На торцах конических вставок 27 установлены уплотнительные прокладки 29, через которые к корпусу примыкает цеолитный блок 30.
Сборка устройства осуществляется в горизонтальном положении следующим образом.
Вначале осуществляется сборка адсорберов. При снятой крышке адсорбера 24 с одной стороны, на установленную с другой стороны крышку адсорбера 24 устанавливается уплотнительная прокладка 29, на которую устанавливается цеолитный блок 30, на верхнюю поверхность которого устанавливается еще одна уплотнительная прокладка 29. На эту прокладку устанавливается коническая вставка 27 с антифрикционной втулкой 26 и в корпус адсорбера 23 устанавливается крышка адсорбера 24. Герметизация адсорбера достигается вворачиванием штуцера 25 до упора в антифрикционную втулку 26.
Далее при снятой крышке корпуса 10, с портом для подключения зарядного устройства к батарее аккумуляторов 19, на днище корпуса 1 устанавливается вакуум-напорный компрессор 3, который жестко соединяется с днищем корпуса 1 посредством винтов крепления компрессора 2. Далее устанавливаются электронные реле времени 11, которое жестко соединяется с днищем корпуса 1 посредством винтов крепления 21, после чего на звукоизоляционный материал 5, скрепленный с днищем корпуса при помощи клея, устанавливается батарея аккумуляторов 4, крепление которой к корпусу осуществляется посредством хомутов крепления 6. Также к днищу корпуса осуществляется крепление вентилятора охлаждения 20 посредством винтов крепления 21. Далее на вакуум-напорный компрессор 3 через звукоизоляционный материал 5 устанавливаются адсорберы 12, которые присоединяются винтами крепления 21 к головкам компрессора 3. Далее осуществляется соединение адсорберов 12 с одной стороны посредством шлангов полеуретановых 7 через клапаны электромагнитные трехходовые 9, прикрепленные к крышке корпуса 10 и фильтр воздушный 8 с головкой вакуум-напорного компрессора с атмосферой. После этого, осуществляется соединение адсорберов 12 с другой стороны с дросселем 18, далее - с клапанами обратными 13, с газовым ресивером 14, закрепленным на крышке корпуса с помощью хомутов крепления 6, вентилем с возможностью регулировки 15, вынесенным за пределы корпуса генератора и канюлями носовыми 16 с потребителем. После окончания сборки устанавливается крышка корпуса 10, в которую монтируется кнопка включения 22.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
ад
дес
Атмосферный воздух, сжатый до давления адсорбции Р напорной частью вакуум-напорного компрессора 3, проходит очистку от частиц пыли, взвешенных в воздухе с помощью фильтра воздушного 8, после чего, с помощью клапана электромагнитного трехходового 9 поток сжатого воздуха направляется в один из адсорберов 12, заполненный цеолитным блоком 30. Проходя через цеолитный блок 30, воздух за счет избирательности поглощения освобождается от азота, и газовый поток с избыточным содержанием кислорода через клапан обратный 13, поступает в газовый ресивер 14, откуда осуществляется отбор продукционного газа потребителю с помощью вентиля с возможностью регулировки 15. Часть продукционного газа, выходящего из адсорбера 12, в котором осуществляется избирательное поглощение азота и обогащение газового потока кислородом, дросселируется с помощью дросселя 18 до давления десорбции Р, создаваемого вакуумной частью ваккум-напорного компрессора 3, и направляется противотоком в другой адсорбер 12, где осуществляется десорбция азота и регенерация блочного адсорбента, после чего газовый поток с избытком азота, с помощью клапана электромагнитного трехходового 9 проходит через пневмоглушитель 17 и сбрасывается в атмосферу.
При этом количество воздуха, проходящего адсорбент в обоих направлениях примерно равно. Этого количества продукционного газа достаточно, чтобы осуществить промывку адсорбента, после чего адсорбент вновь готов к адсорбции азота.
Устройство позволяет повысить эффективность функционирования адсорбционного генератора кислорода и снизить суммарные энергозатраты за счет использования вакуум-напорного компрессора при реализации циклического адсорбционно-десорбционного процесса обогащения атмосферного воздуха кислородом.