Способ получения, хранения и расходования газообразного кислорода и кислородный аппарат открытого типа (его варианты)
Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для хранения, газификации и подачи кислорода потребителю в передвижных условиях с возможностью применения в авиации, на флоте, в высотном альпинизме и в медицине. Способ включает газификацию за счет поступления тепла из окружающей атмосферы жидкого кислорода, залитого в теплоизолированный баллон, и хранение в нем газообразного кислорода, который доставляют к реципиенту. Жидкий кислород заливают в баллон. Расходование газообразного кислорода в заданном режиме ведут посредством регулирования интенсивности газификации жидкого кислорода за счет изменения эффективности теплоизоляции посредством вариации ее толщины или площади. Кислородный аппарат открытого типа содержит соединенные между собой баллон высокого давления с запорным устройством, газовый редуктор-регулятор расхода кислорода с манометром, индикатор расхода газообразного и дыхательную кислородную маску с ресивером. Баллон высокого давления, служащий емкостью для жидкого и газообразного кислорода, выполнен с регулируемой теплоизоляцией. Редуктор-регулятор оборудован клапаном сброса в маску избытка газообразного кислорода при превышении допустимого давления в баллоне. Запорное устройство снабжено тепловым мостом, один конец которого направлен внутрь баллона и имеет газоприемник для выхода газообразного кислорода, а другой соединен с редуктором-регулятором. Все элементы кислородного аппарата, работающие при низких температурах, механически устойчивы к их воздействию. В другом варианте устройства использован баллон низкого давления. К его горловине посредством уплотнительной крышки с патрубком присоединен шланг для подачи газообразного кислорода к маске. Нижний конец патрубка, направленный внутрь баллона, снабжен газоприемником. К его верхнему концу присоединен индикатор давления газообразного кислорода, служащий одновременно клапаном сброса избытка газообразного кислорода в маску при превышении допустимого давления в баллоне. Использование изобретения позволит изменять интенсивность процесса газификации, снизить энергоемкость на транспортировку аппарата за счет уменьшения его габаритных и весовых характеристик, аккумулировать значительное количество кислорода, обеспечивающее увеличение длительности работы аппарата. 3 с. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.
Изобретение относится к криогенной технике и может быть использовано для хранения, газификации и подачи кислорода потребителю в передвижных условиях с возможностью применения в авиации, на флоте, в высотном альпинизме и в медицине.
Известен способ газификации (см. патент US N 3197972, НКИ 62-55, 1965), включающий испарение криогенной жидкости путем использования тепла атмосферного воздуха и подогрев образовавшегося при испарении газа, подаваемого потребителю.
Известен способ газификации криогенной жидкости (см. A.с. SU N 1142693, МПК F 17 C 09/02, 28.02.85), включающий ее подогрев атмосферным воздухом с получением продукционного газа и ее предварительный подогрев путем теплообмена с продукционным газом, причем теплообмен между криогенной жидкостью и продукционным газом осуществляется через промежуточный теплоноситель, при этом продукционный газ охлаждают до температуры фазового перехода теплоносителя.
Известный способ, применяемый для газификации криогенной жидкости, требует значительных затрат энергии и сложной системы автоматического регулирования температуры.
Недостатком известного способа является наличие промежуточного теплоносителя, усложняющего теплопередачу от атмосферного воздуха к продукционному газу - газифицированному кислороду.
Известен способ получения, хранения и расходования в заданном режиме газообразного кислорода и устройство для его осуществления (патент США №5561983, НКИ 62/48.1, опубл. 8 октября 1996 г.). Способ включает газификацию залитого в теплоизолированный баллон жидкого кислорода, которая происходит за счет поступления тепла из окружающей атмосферы, и последующую доставку газообразного кислорода к маске реципиента (прототип изобретения "способ"). Известное устройство содержит резервуар (баллон) с теплозащитой для жидкого кислорода со свободным объемом, заполненным газообразным кислородом. Резервуар оборудован клапаном сброса давления, штыковым клапаном с трубопроводом для заправки резервуара жидким кислородом от внешнего источника и коаксиальной трубкой, соединяющей резервуар со змеевиком испарителя, соединенным с кислородной маской реципиента. Внешняя коаксиальная трубка выполнена из нержавеющей стали, внутренняя трубка диаметром 3,2 мм выполнена из тефлона, находящаяся в резервуаре оконечность трубки погружена в жидкий кислород. Выше уплотнителя в наружной трубке имеется небольшое отверстие для подачи газообразного кислорода в кольцевой зазор. При диаметре этого отверстия 0,2 мм через него проходит 0,35-0,62 л/мин газообразного кислорода. Подача кислорода в жидком виде осуществляется по внутренней трубке и газообразного - по кольцевому каналу между трубками. Использование свободного объема в резервуаре позволяет сократить стравливание газообразного кислорода в атмосферу и продлить время подачи кислорода реципиенту.
Недостатком данного технического решения является малая удельная вместимость баллона, связанная с необходимостью заполнения жидким кислородом не более чем на 1/3 объема баллона. Кроме того, в известном устройстве применен громоздкий теплообменник для газификации жидкого кислорода.
Известна установка для хранения и газификации сжиженного газа (см. A.с. SU N 1624235, МПК F 17 C 03/00, 20.06.88), содержащая связанные между собой резервуар для хранения сжиженного газа и испаритель с газопроводом наполнения баллонов и газопроводом подачи потребителю, установка снабжена эжектором и газонакопителем с нагревателем, причем первый вход эжектора подключен к паровой полости резервуара, второй - к газопроводу наполнения балленов, а выход - к газопроводу подачи потребителю, при этом газонакопитель с нагревателем установлены перед первым входом эжектора.
Однако это устройство требует подвода тепла от энергетической установки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является кислородный аппарат открытого типа (см. кислородный аппарат альпиниста "Эверест-92" ("Физиология человека в условиях высокогорья". /Под ред. О.Г. Газенко. - М.: Наука, 1987, с.428-429), содержащий баллон с газообразным кислородом, сжатым до давления 270-290 атм. при температуре +200, запорное устройство, редуктор-регулятор, соединенный шлангом с дыхательной маской с ресивером, причем на кислородном шланге имеется индикатор подачи кислорода (прототип изобретения - "устройство" - варианты).
Недостатками прототипа-устройства являются малая кислородоемкость баллона (270-300 нл/л) и большой вес аппарата, приходящийся на единицу объема (и массы) кислорода.
Технический результат изобретения заключается в возможности изменения интенсивности процесса газификации, в снижении энергоемкости на транспортировку аппарата за счет уменьшения его габаритных и весовых характеристик, в возможности аккумулирования значительных количеств кислорода, обеспечивающих увеличение длительности работы аппарата.
Технический результат достигается тем, что в способе получения, хранения и расходования в заданном режиме газообразного кислорода, включающем газификацию за счет поступления тепла из окружающей атмосферы жидкого кислорода, залитого в теплоизолированный баллон, хранение в нем газообразного кислорода, который доставляют к реципиенту, согласно изобретению жидкий кислород заливают в баллон или низкого, или высокого давления, а расходование газообразного кислорода в заданном режиме ведут посредством регулирования интенсивности газификации жидкого кислорода за счет изменения эффективности теплоизоляции посредством вариации ее толщины, площади; а также тем, что баллон высокого давления заполняют жидким кислородом в количестве, превышающем 1/3 его внутреннего объема, и после освобождения 2/3 его внутреннего объема от жидкого кислорода за счет его использования перекрывают входное отверстие баллона, после чего давление в баллоне возрастает и баллон используют в режиме хранения и расходования газообразного кислорода;
- или тем, что жидкий кислород заливают в баллон высокого давления на 1/3 его внутреннего объема;
а также тем, что соединяют между собой баллон низкого давления и баллон низкого давления и баллон высокого давления, или два баллона низкого давления, в которых одновременно проводят газификацию и хранение кислорода;
а также тем, что после расходования части кислорода в баллоне остаток жидкого кислорода объединяют с жидким кислородом, имеющимся в другом баллоне, методом свободного или сифонного переливания.
Изменение эффективности теплоизоляции выполняется следующими методами:
- удалением с баллона одной, нескольких или всех секций теплоизоляции;
- наложением поверх имеющейся на баллоне теплоизоляции дополнительных слоев гибкого теплоизолирующего материала;
- удалением с баллона посредством отмотки одного, нескольких или всех слоев многослойной теплоизоляции, выполненной из гибкого теплоизолирующего материала;
- смещением теплоизоляции на баллоне в осевом направлении, приводящим к изменению площади поверхности баллона, покрытой теплоизоляцией;
- введением в многослойную теплоизоляцию или удалением из нее одного или нескольких отражающих экранов;
- введением в теплоизоляцию одного или нескольких тепловых мостов, выполненных из материала с высокой теплопроводностью, один конец теплового моста при этом в случае необходимости увеличения теплопритока к баллону приводится в контакт с холодной стенкой баллона, а другой находится в контакте с окружающей атмосферой.
Технический результат достигается также тем, что в кислородном аппарате открытого типа, содержащем соединенные между собой баллон высокого давления с запорным устройством, газовый редуктор-регулятор расхода кислорода с манометром, индикатор расхода газообразного кислорода и по крайней мере одну дыхательную кислородную маску с ресивером, согласно изобретению баллон высокого давления выполнен с регулируемой теплоизоляцией и служит емкостью для жидкого и газообразного кислорода, редуктор-регулятор оборудован клапаном сброса в маску избытка газообразного кислорода при превышении допустимого давления в баллоне, запорное устройство снабжено тепловым мостом, один конец которого направлен внутрь баллона и имеет газоприемник для выхода газообразного кислорода, а другой соединен с редуктором-регулятором, при этом все элементы кислородного аппарата, работающие при низких температурах, механически устойчивы к их воздействию.
Кислородный аппарат может быть дополнительно снабжен по крайней мере одним теплоизолированным баллоном низкого давления, соединенным параллельно с баллоном высокого давления.
Технический результат достигается также тем (вариант), что в кислородном аппарате открытого типа, содержащем соединенные между собой баллон, регулятор расхода газообразного кислорода, индикатор расхода и по крайней мере одну кислородную дыхательную маску с ресивером, согласно изобретению использован баллон низкого давления, являющийся емкостью для жидкого и газообразного кислорода, выполненный с регулируемой теплоизоляцией и горловиной, к которой посредством уплотнительной крышки с патрубком присоединен шланг для подачи газообразного кислорода к маске, при этом нижний конец патрубка, направленный внутрь баллона, снабжен газоприемником для выхода газообразного кислорода, а к его верхнему концу присоединен индикатор давления газообразного кислорода, служащий одновременно клапаном сброса газообразного кислорода при превышении допустимого давления в маску, а все элементы кислородного аппарата, работающие при низких температурах, механически устойчивы к их воздействию. Кислородный аппарат может быть дополнительно снабжен по крайней мере одним теплоизолированным баллоном низкого давления, соединенным параллельно с первым баллоном.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид кислородного аппарата открытого типа, содержащего баллон высокого давления (пункт 6 формулы изобретения);
на фиг.2 представлен общий вид кислородного аппарата открытого типа, содержащего баллон низкого давления (пункт 8 формулы изобретения, вариант);
на фиг.3 представлен общий вид кислородного аппарата с баллоном высокого давления, снабженный дополнительным баллоном низкого давления (пункт 7 формулы изобретения);
на фиг.4 представлен общий вид кислородного аппарата с баллоном низкого давления, снабженный дополнительным баллоном низкого давления.
Кислородный аппарат открытого типа (фиг.1) содержит баллон 1 высокого давления с запорным устройством 2, газовый редуктор-регулятор 3 расхода кислорода с манометром 4, индикатор 5 расхода газообразного кислорода, дыхательную маску 6 с ресивером 7, соединенные между собой гибкой связью 8 (шлангом или трубкой). Баллон 1 высокого давления снабжен регулируемой теплоизоляцией 9, редуктор-регулятор 3 оборудован предохранительным клапаном 10 сброса избытка газообразного кислорода. Запорное устройство 2 снабжено тепловым мостом 11 с газоприемником 12, выполненным на конце теплового моста 11, направленном внутрь баллона 1, а второй конец теплового моста 11 соединен с редуктором-регулятором 3.
В качестве варианта кислородный аппарат открытого типа содержит баллон 13 низкого давления (фиг.2, пункт 8 формулы изобретения) с крышкой 14, в которой укреплен патрубок 15 с газоприемником 16 на его нижнем конце и индикатором 17 давления газообразного кислорода, являющимся одновременно клапаном сброса избытка газообразного кислорода, на верхнем конце. Баллон 13 низкого давления снабжен регулируемой теплоизоляцией 8. К верхнему концу патрубка 15 присоединен шланг 18 с регулятором 19 расхода газообразного кислорода и индикатором 20 расхода газообразного кислорода, поступающего затем в дыхательную маску 6 с ресивером 7.
В соответствии с п.7 формулы изобретения к баллону 1 высокого давления параллельно ему присоединен баллон 13 низкого давления (фиг.3) с общим выходом 21 газообразного кислорода к дыхательной маске 6.
В соответствии с п.9 формулы изобретения к баллону 13 низкого давления (фиг.4) параллельно ему присоединен дополнительный баллон 22 низкого давления с общим выходом 23 газообразного кислорода к дыхательной маске 6. Форма выполнения дополнительного баллона может быть аналогичной форме выполнения баллона 13 или отличной от нее как по типу, так и по размеру, что дополнительно показано в примерах использования изобретения.
Устройство работает следующим образом.
В баллон 1 высокого давления (фиг.1) заливают жидкий кислород 24, который посредством газификации за счет подвода тепла из окружающей атмосферы превращается в газообразный кислород 25. Газообразный кислород 25 через газоприемник 12 теплового моста 11 поступает в редуктор-регулятор 3, снабженный манометром 4, и затем через гибкую связь 8 и индикатор 5 расхода газообразного кислорода поступает в дыхательную маску 6 с ресивером 7. Ресивер служит для накопления в нем кислорода на стадии выдоха. Интенсивность газификации регулируется изменением эффективности теплоизоляции 9.
Устройство с баллоном 13 низкого давления (фиг.3) работает следующим образом. В баллон 13 заливают жидкий кислород 24, который посредством газификации за счет подвода тепла из окружающей атмосферы превращается в газообразный кислород 25. Газообразный кислород 25 через газоприемник 16 патрубка 15 поступает в шланг 18 и далее через регулятор 19 расхода и индикатор 20 расхода в дыхательную маску 6. Интенсивность газификации регулируется изменением эффективности теплоизоляции 8.
В случае, когда баллон 1 высокого давления, заполненный жидким кислородом 24, параллельно соединен с баллоном 13 низкого давления, также заполненным жидким кислородом (фиг.3), образующийся в них вследствие газификации газообразный кислород 25 через редуктор-регулятор 3 расхода баллона 1 и регулятор расхода 19 баллона 13 поступает совместно через общий выход 21 к дыхательной маске 6.
В случае, когда баллон 13 низкого давления, заполненный жидким кислородом 24, параллельно соединен с баллоном 22 низкого давления, также заполненным жидким кислородом 24 (фиг.4), образующийся в них вследствие газификации газообразный кислород 25 через газоприемники 16 в патрубках 15 поступает в шланги 18 и далее через регуляторы 19 расхода и индикаторы 20 расхода в общий выход 23 к дыхательной маске 6.
В таблице представлены сравнительные характеристики количества запасенного кислорода в баллоне дыхательного аппарата при заполнении его жидким кислородом (варианты по изобретению) и газообразным кислородом (по аналогу), соответствующие им удельные вместимости газообразного кислорода и массовые коэффициенты. Массовый коэффициент показывает соотношение между массой тары (пустого баллона) и массой запасенного в нем кислорода.
Примеры использования изобретения
Пример 1. В 3-литровый теплоизолированный баллон высокого давления залили жидкий кислород в количестве 3,42 кг (газовый эквивалент - 2128 нл). После освобождения баллона от 1/3 общей площади теплоизоляции интенсивность газификации жидкого кислорода составляла 3 нл. мин, газообразный кислород поступал в дыхательную маску реципиента. По истечении 7 час 30 мин в баллоне осталось 1,25 кг кислорода (газовый эквивалент 778 нл). После этого регулятор расхода был установлен в положение "0" - режим хранения. Оставшегося запаса кислорода достаточно для дыхания при расходе 4 нл/мин в течение 3 час 15 мин.
Пример 2. В 3-литровый теплоизолированный баллон высокого давления было залито 3,42 кг жидкого кислорода (газовый эквивалент - 2128 нл). После освобождения баллона от 1/4 общей площади теплоизоляции интенсивность газификации жидкого кислорода внутри баллона составляла приблизительно 2 нл/мин, образующийся газообразный кислород поступал в дыхательную маску реципиента. Через 12 часов в баллоне осталось 1,1 кг кислорода (газовый эквивалент - 685 нл).
Пример 3. В 3-литровый теплоизолированный баллон низкого давления залили жидкий кислород в количестве 3,42 кг (газовый эквивалент - 2128 нл). При теплоизоляции, покрывавшей всю поверхность баллона, интенсивность газификации жидкого кислорода внутри баллона составляла 1,5 нл/мин, газообразный кислород подавался в дыхательную маску реципиента. Через 12 часов в баллоне осталось 1,650 кг кислорода (газовый эквивалент - 1027 нл).
Пример 4. 3-литровый теплоизолированный баллон высокого давления и 3-литровый теплоизолированный баллон низкого давления присоединили параллельно к дыхательной маске реципиента. Через 12 часов расходования газифицированного кислорода в условиях, описанных выше в примерах 2 и 3, оставшийся в баллоне низкого давления жидкий кислород в количестве 1,65 кг перелили в баллон высокого давления, добавив его к имевшемуся там жидкому кислороду в количестве 1,1 кг. Общее количество жидкого кислорода в баллоне высокого давления после операции переливания стало 2,5 кг (250 граммов жидкого кислорода испарилось при переливании и последующем наворачивании на горловину баллона запорного устройства с редуктором-регулятором расхода). Баллон высокого давления с 2,5 кг кислорода (газовый эквивалент 1556 нл) позволяет обеспечить дыхание реципиента при установке регулятора расхода на 4 нл/мин в течение 6 час 30 мин, при частично снятой теплоизоляции, обеспечивающей газификацию не менее 4 нл/мин.
Пример 5. 3-литровый баллон низкого давления типа сосуд Дьюара заполнили жидким кислородом в количестве 3,42 кг и присоединили к дыхательной маске параллельно с присоединенным к ней теплоизолированным баллоном высокого давления, содержавшим исходно 3,42 кг жидкого кислорода и отрегулированным на газификацию 2,5 нл/мин. Через 10 часов в баллоне осталось 2,48 кг кислорода, а в баллоне высокого давления - 1,04 кг. Жидкий кислород из баллона низкого давления перелили в теплоизолированный баллон высокого давления. После переливания и наворачивания на горловину баллона запорного устройства с регулятором расхода количество кислорода в баллоне высокого давления составило 3,20 кг (потери на испарение составили 320 граммов). Аккумулированного в теплоизолированном баллоне высокого давления кислорода в количестве 3,2 кг (газовый эквивалент 1990 нл) достаточно для дыхания реципиента в течение 8 час 20 мин при расходе газообразного кислорода 4 нл/мин.
Изобретением достигается технический результат, состоящий в повышении эргономических характеристик дыхательного аппарата и в увеличении длительности непрерывной его работы при уменьшении габаритных и весовых характеристик дыхательного аппарата и при сохранении высокой степени его надежности.
Формула изобретения
1. Способ получения, хранения и расходования в заданном режиме газообразного кислорода, включающий газификацию за счет поступления тепла из окружающей атмосферы жидкого кислорода, залитого в теплоизолированный баллон, хранение в нем газообразного кислорода, который доставляют к реципиенту, отличающийся тем, что жидкий кислород заливают в баллон или низкого, или высокого давления, а расходование газообразного кислорода в заданном режиме ведут посредством регулирования интенсивности газификации жидкого кислорода за счет изменения эффективности теплоизоляции посредством вариации ее толщины, площади.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что баллон высокого давления заполняют жидким кислородом в количестве, превышающем 1/3 его внутреннего объема, и после освобождения не менее 2/3 его внутреннего объема от жидкого кислорода за счет его использования перекрывают входное отверстие баллона, после чего давление в баллоне возрастает и баллон используют в режиме хранения и/или расходования газообразного кислорода.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкий кислород в баллон высокого давления заливают не более чем на 1/3 его внутреннего объема.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что соединяют между собой баллон низкого давления и баллон высокого давления, или два баллона низкого давления, в которых одновременно проводят газификацию, хранение и расходование кислорода.
5. Способ по п.1, отличающийся тем, что после расходования части кислорода в баллоне остаток жидкого кислорода объединяют с жидким кислородом, имеющимся в другом баллоне, методом свободного или сифонного переливания.
6. Кислородный аппарат открытого типа, содержащий соединенные между собой баллон высокого давления с запорным устройством, газовый редуктор-регулятор расхода кислорода с манометром, индикатор расхода газообразного кислорода и, по крайней мере, одну дыхательную маску с ресивером, отличающийся тем, что баллон высокого давления выполнен с регулируемой теплоизоляцией и служит емкостью для жидкого и газообразного кислорода, редуктор-регулятор оборудован клапаном сброса в маску избытка газообразного кислорода при превышении допустимого давления в баллоне, запорное устройство снабжено тепловым мостом, один конец которого направлен внутрь баллона и имеет газоприемник, а другой соединен с редуктором-регулятором, при этом все элементы кислородного аппарата, работающие при низких температурах, механически устойчивы к их воздействию.
7. Кислородный аппарат по п.6, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен по крайней мере одним теплоизолированным баллоном низкого давления, соединенным параллельно с баллоном высокого давления.
8. Кислородный аппарат открытого типа, содержащий соединенные между собой баллон, регулятор расхода газообразного кислорода, индикатор расхода и по крайней мере одну дыхательную маску с ресивером, отличающийся тем, что использован баллон низкого давления, являющийся емкостью для жидкого и газообразного кислорода, выполненный с регулируемой теплоизоляцией и горловиной, к которой посредством уплотнительной крышки с патрубком присоединен шланг для подачи газообразного кислорода к маске, при этом нижний конец патрубка, направленный внутрь баллона, снабжен газоприемником, а к его верхнему концу присоединен индикатор давления газообразного кислорода, служащий одновременно клапаном сброса избытка газообразного кислорода в маску при превышении допустимого давления в баллоне, а все элементы кислородного аппарата, работающие при низких температурах, механически устойчивы к их воздействию.
9. Кислородный аппарат по п.8, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен по крайней мере одним теплоизолированным баллоном низкого давления, соединенным параллельно с первым баллоном.
РИСУНКИ
