艦船儀表空氣就地供給系統及方法
2023-04-24 13:31:46
專利名稱：艦船儀表空氣就地供給系統及方法
技術領域：
本發明涉及艦船儀表空氣就地供給系統及方法，更具體的，涉及儀表空氣存儲緩衝罐或特種氣瓶內裝填吸附劑給艦艇氣動裝置等儀表就地供給空氣的系統和方法。
背景技術：
當前，艦艇上眾多的控制、儀表以及氣動裝置等都大量的採用儀表空氣，一般的， 大都採用壓縮機將空氣壓縮後經除塵、除油、除水後增壓到高壓氣瓶備用，或以管路直接輸送到用氣點，或在用氣點附近直接設置恰當容積與儲存壓力的氣瓶進行供氣保障；也有經過中低壓壓縮機過濾、冷凍乾燥或吸附乾燥等除油除水後直接向儀表空氣用氣點進行供氣保障的方法；眾所周知，艦艇因受制於狹小的空間，無論是壓縮後儲存備用的儲存氣瓶組或者直接在用氣點就地設置的儲存氣瓶抑或是採用壓縮、處理直至直接緩衝供氣的方法，都牽涉到龐大的儲存容積與重量的問題，尤其隨著水面艦艇氣體應用技術水平的提升，儀表空氣的消耗量越來越大，儀表空氣保障系統的設計資源需求(安裝空間體積要求、重量)、系統安全性等都面臨新的挑戰；而且，受制於艦艇狹小的安裝空間，為避免複雜的管路系統，採用直接在現場就地設置恰當容積與儲存壓力的氣瓶進行供氣保障方法越來越多，其保障的時長與就地設置的氣瓶容積、壓力，也即其可以滿足工作壓力條件下的實際可用氣體儲存量息息相關，如何採用更小容積的氣瓶提高氣體儲存能力，建立一種有效的流體供給體系，直至降低氣瓶壓力需求，提高操作使用的安全性，是急需解決的問題。一般的，壓縮氣體具備的有效能量的大小可由以下公式表示，E = mRT(Ln(P/ Po))，其中E為壓縮氣體所具有的有效能量(單位J)m為氣體質量(單位mol)P為氣體壓力(單位Pa，絕壓)Po為環境壓力(單位Pa，絕壓)R為氣體常數(單位J/(mol · K))T為環境溫度(單位K)從上述公式可知，通過增加氣體壓力，或者是提高氣體儲存質量均可以提高壓縮氣體的有效能量，以滿足氣動裝置的驅動需求，常規最簡單的方法大都採用提高壓縮氣體壓力的方法來提高氣體的能量，但這種方法提高了儲氣罐材料的要求，儲存壓力越高，儲氣罐壁厚就應越厚或者要採用許用壓力更高的材質方能滿足儲氣罐的安全儲存壓力，而顯然，隨著儲氣罐壓力的增大，壁厚厚度的增加將顯著提高儲氣罐的自重，同時，也帶來高壓下儲氣罐的安全性尤其是儲存的氣體為有毒氣體時的安全性問題愈加突出，也因此，簡單通過提高壓力來增加氣體的有效儲存的方法受到很大限制。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對艦艇現有儀表空氣保障模式的缺陷，提供一種艦船儀表空氣就地供給系統及方法，可避免複雜的管路系統、並克服氣瓶容積和壓力限制， 節約整體資源，顯著提高系統的緩衝、儲存能力，同時提高操作使用安全性。為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是艦船儀表空氣就地供給系統，主要包括順次連接的壓縮機、過濾器、乾燥系統、以及用於存儲空氣的緩衝罐或高壓氣瓶，緩衝罐或高壓氣瓶通過截止閥和調壓閥直接與終端用氣點相連通；所述的乾燥系統為採用冷凍乾燥處理裝置或者吸附式乾燥裝置的中低壓儀表空氣系統，或者為採用吸附式乾燥系統的經單級或多級增壓的高壓儀表空氣系統，或者為採用預先增壓處理儲存裝置的儀表空氣系統；所述的冷凍乾燥處理裝置為冷凍乾燥機； 所述的吸附式乾燥裝置為並聯的具有雙吸附塔的具有充填吸附劑的吸附乾燥機；所述的預先增壓處理儲存裝置為另一組高壓氣瓶；其特徵在於在不提高存儲壓力的前提下所述的高壓氣瓶或緩衝罐內裝填能夠增加儲氣罐內氣體質量的吸附劑。所述的吸附劑是碳吸附材料或沸石分子篩。所述的碳吸附材料為聚丙烯腈的熱解產物、酚醛樹脂的熱解產物、椰子殼的熱解產物、橄欖石的熱解產物中的一種。所述的碳吸附材料按重量百分比成分為無定形碳80%、粘結劑15%、功能離子5%。所述的沸石分子篩孔徑為3 10A，按重量百分比成分為矽鋁酸鹽85%、粘結劑 10%、功能離子5%。所述的吸附劑是孔徑為5A的PH-5型沸石分子篩。吸附乾燥機的吸附塔中的充填吸附劑為矽膠、氧化鋁、或者13X分子篩中的一種或者多種的混合物。採用上述系統的艦船儀表空氣就地供給方法，空氣經壓縮機壓縮，再經過濾器除掉顆粒類的雜質、液態水後進入乾燥系統進一步除掉含有的氣態水；然後通過儀表空氣儲存環節的高壓氣瓶或緩衝罐對經壓縮和過濾乾燥處理的壓縮空氣進行存儲，所述的高壓氣瓶或緩衝罐通過控制閥與各用氣點連接進行直接供氣；其特徵在於在不提高儲存壓力的前提下，在所述的高壓氣瓶或緩衝罐中裝填能夠增加儲氣罐內氣體質量的吸附劑；當採用冷凍乾燥機作為乾燥系統去除氣態水時，在冷凍乾燥機中，壓縮空氣中含有的水蒸氣因冷凍乾燥機中冷媒換熱冷凝後排除出系統，進一步再依次經過二次過濾器進入緩衝罐，再經截止閥、調壓閥向用氣點直接供氣；當採用吸附乾燥機作為乾燥系統去除氣態水時，吸附乾燥機的吸附塔中裝填有矽膠、氧化鋁、或者13X分子篩中的一種或者多種的混合物為充填吸附劑，壓縮空氣中含有的水蒸氣因被吸附劑吸附而留存在系統並排除出系統，未被吸附的空氣組分達到水含量要求經粉塵過濾器後進入緩衝罐，再經截止閥、調壓閥向用氣點直接供氣。所述的壓縮空氣經壓縮機後的空氣壓力為0. 5MPa 40MPa。所述供給空氣的常壓露點為-60°C -20°C。高壓氣瓶或緩衝罐的空氣儲存量為未裝填吸附劑時罐內滿載空氣儲存量的2 5倍。
針對就地直接向儀表空氣用氣點供氣的系統來說，因為在儲氣罐中加入了可提高儲存容積的吸附劑，可降低增壓壓力的需求，進一步節省運行能耗，比如，用氣點壓力要求0. 5MPa,消耗氣量10L/hr，設置了一個存儲容積為100L的氣瓶，儲存壓力3. OMPa,理論上，該氣瓶可應用於保障0. 5ΜΙ^使用壓力的氣體儲存量約為100(L)*(3. 0-0. 5)*10 = 2500 (L)，可保障約2500 (L)/10 (L/hr) = 250小時，但如果將氣瓶中加入了一種可在3. OMPa 下提高3倍儲存量的吸附劑，同樣設置了一個存儲容積為100L的氣瓶，儲存壓力3. OMPaJS 論上，該氣瓶可應用於保障0. 5MPa使用壓力的氣體儲存量約為100 (L)* (3. 0-0. 5)*10*3 =7500 (L)，可保障約7500 (L)/10 (L/hr) = 750小時，顯然，根據以上分析，因加入了吸附劑的緩衝罐因可以儲存更多的氣體，在同樣滿足用氣點壓力的條件下通過採用一種吸附劑以提高氣體的儲存能力，即通過在原有艦船儀表空氣供給系統中的緩衝罐、氣瓶中加入一種吸附劑，可有效的提高艦船儀表空氣的儲存量，相應的，提高了系統的緩衝、儲存能力。採用同等的儲存容積的氣瓶在同等的氣瓶儲存壓力下可以獲得更長的保障時長， 這一特性可以靈活應用於提高氣瓶儲存壓能力，提高保障時間；採用同等的儲存容積的氣瓶在更小的氣瓶儲存壓力下可以與常規沒有加入吸附劑的儲存氣瓶可以獲得相同的保障能力，這一特性可以靈活應用於減少氣瓶儲存壓力，提高安全性，也因為儲存壓力的降低，間接的降低了壓縮機壓力的選型要求，或者節省了壓縮能耗；採用更小的儲存容積的氣瓶在同等的儲存壓力下可以與常規沒有加入吸附劑的儲存氣瓶可以獲得相同的保障能力，這一特性可以靈活應用於減少氣瓶儲存容積，減少佔地，節約安裝空間；因此，針對一個現場就地供給的壓縮空氣保障系統來說，通過本發明，因為加入吸附劑後的儲存氣體的能力的增強，可靈活的在延長保障時間、節省氣體的壓縮能、減少氣瓶儲存的壓力、提高安全性、減少氣瓶的儲存容積和尺寸等各方面進行調整，從而降低艦船儀表空氣系統的資源需求取得額外的效益。
以下結合附
圖1-4和各實施例對本發明作進一步說明。附圖1本發明第一個實施例中採用冷凍乾燥處理機的中低壓儀表空氣系統就地直接供氣的系統原理圖附圖2本發明第二個實施例中採用吸附式乾燥系統的中低壓儀表空氣系統就地直接供氣的系統原理圖附圖3本發明第三個實施例中採用吸附式乾燥系統的多級增壓高壓儀表空氣系統就地直接供氣的系統原理圖附圖4本發明第四個實施例中採用預先增壓處理儲存的儀表空氣系統就地直接供氣的系統原理圖。
具體實施例方式實施例1
如附圖1，是本發明一種採用冷凍乾燥處理方法的中低壓(典型的，如0.5 2. OMPa)儀表空氣系統就地直接供氣的系統原理圖，可以滿足常壓露點不超過-20°C的一般用途儀表壓縮空氣的需求。空氣經壓縮機ABOl壓縮，典型的，如從大氣壓壓縮到0. 7MPa,再經過濾器AFOl除掉顆粒類的雜質、液態水後進入冷凍乾燥機TCOl進一步除掉其含有的氣態水，在冷凍乾燥機TCOl中，壓縮空氣中含有的水蒸氣因冷凍乾燥機中冷媒換熱冷凝後排除出系統，進一步再依次經過二次過濾器AF02、AF03、AF04進入緩衝罐PV01，再經截止閥JV101、調壓閥 WTVlOl向用氣點直接供氣，可獲得常壓露點約_20°C的一般用途儀表空氣。與現有技術相比，本實施例的區別在於通過在緩衝罐PVOl中裝填吸附劑，典型的，如加入一種由上海偎達弗材料科技有限公司生產的孔徑為的3A的PH-5型沸石分子篩 (按重量百分比成分為矽鋁酸鹽85%、粘結劑10%、功能離子5%。)，加入量佔該緩衝罐 PVOl水容積的80%的體積，可將氣體緩衝罐PVOl的儲存能力提高至原儲存能力的2倍，因為儲存能力的提高，在同等條件下減少了用氣點的壓力波動，提高了儀表空氣用氣的質量， 還因儲存能力的增強，減少了緩衝罐儲存的壓差，間接的減少了壓縮能的資源需求，當然， 也可在滿足用氣條件下減少緩衝罐的體積，降低艦船儀表空氣系統的資源需求。實施例2:如附圖2，是一種採用吸附乾燥處理方法的中低壓儀表空氣系統就地直接供氣的系統原理圖，可以滿足常壓露點-40°C甚至達到-60°C以上的儀表壓縮空氣的需求。空氣經壓縮機ABOl壓縮，典型的，如壓縮到0. 7MPa,再依次經過濾器AFOl和AF02 除掉顆粒類的雜質、液態水後進入吸附乾燥機進一步除掉其含有的氣態水；吸附乾燥機中包含兩個並聯的裝填了吸附劑的吸附塔AOl和B01，壓縮空氣中含有的水蒸氣因吸附乾燥機中裝填的吸附劑而除去，典型的吸附劑為矽膠、氧化鋁、或者13X分子篩的一種或者以上多種的混合物，按公知技術確定吸附劑乾燥機中所需的水吸附劑裝填量，水蒸氣因被吸附劑吸附而留存在系統並在一定時間內排除出系統，未被吸附的空氣組分達到水含量要求經粉塵過濾器AFOl後進入緩衝罐PV02，再經截止閥JV101、調壓閥WTVlOl向用氣點就地直接供氣，可獲得常壓露點_40°C甚至達到_60°C以上的儀表空氣。其特徵在於，本實施例通過在緩衝罐PV02中裝填以吸附劑，典型的，如加入一種由上海偎達弗材料科技有限公司生產的孔徑為的5A的PH-5型沸石分子篩(按重量百分比成分為矽鋁酸鹽85%、粘結劑10%、功能離子5%。)，加入量佔該緩衝罐PVOl水容積的 100%的體積，可將氣體緩衝罐PV02的儲存能力提高至原儲存能力的2倍，因為儲存能力的提高，在同等條件下減少了用氣點的壓力波動，提高了儀表空氣用氣的質量，還因儲存能力的增強，減少了緩衝罐儲存的壓差，間接的減少了壓縮能的資源需求，當然，也可在滿足用氣條件下減少緩衝罐的體積，降低艦船儀表空氣系統的資源需求。實施例3 如附圖3，是一種採用吸附乾燥處理方法的高壓(典型的，如10 40MPa)儀表空氣系統就地直接供氣的系統原理圖，可以滿足常壓露點-40°C甚至達到-60°C以上的儀表壓縮空氣的需求。空氣經多級壓縮機增壓壓縮，典型的，每級均設有換熱器、排水器，將壓縮後的氣體冷卻並將冷凝水排除出系統，如最終壓力增壓到40MPa，再經高壓吸附乾燥機進一步除掉其含有的氣態水，在吸附乾燥機中，如公知技術，壓縮空氣中含有的水蒸氣因吸附乾燥機中裝填的吸附劑而除去，典型的吸附劑如矽膠、氧化鋁、13X分子篩的一種或者多種的混合物， 水蒸氣因被吸附劑吸附而留存在系統並在一定時間內排除出系統，未被吸附的空氣組分達到水含量要求經粉塵過濾器AFOl後進入高壓氣瓶PV01，再經截止閥JV101、調壓閥WTVlOl 向用氣點直接供氣或減壓供氣，可獲得常壓露點-40°C甚至達到-60°C以上的儀表空氣。其特徵在於，本實施例通過在高壓氣瓶PVOl中裝填以吸附劑，典型的，如加入一種由上海偎達弗材料科技有限公司生產的以酚醛樹脂熱解製備的吸附材料(按重量百分比為無定形碳80%、粘結劑15%、功能離子5% )，該吸附材料的BET表面積達4000m2/g，堆密度約0. lkg/L，加入量佔該緩衝罐PVOl水容積的50%的體積，可將高壓氣瓶PVOl的儲存能力提高至原儲存能力的3. 5倍，因為儲存能力的提高，在同等條件下減少了用氣點的壓力波動，提高了儀表空氣用氣的質量，還因儲存能力的增強，減少了氣瓶儲存的壓差，間接的減少了壓縮能的資源需求，當然，也可在滿足用氣條件下減少氣瓶的儲存容積，降低艦船儀表空氣系統的資源需求。實施例4 如附圖4所示，一種典型的以氣瓶通過用氣點給氣動裝置就地供氣保障的系統原理圖，顯然，在高壓氣瓶PVOl中裝填以吸附劑，典型的，如加入一種由上海偎達弗材料科技有限公司生產的以酚醛樹脂熱解製備的吸附材料(按重量百分比為無定形碳80%、粘結劑15%、功能離子5% )，其BET表面積達4000m2/g，堆密度約0. lkg/L，加入量佔該緩衝罐 PVOl水容積的50%的體積，可將高壓氣瓶PVOl的儲存能力提高至原滿載儲存能力的3. 5 倍，因為儲存能力的提高，在同等條件下減少了用氣點的壓力波動，提高了儀表空氣用氣的質量，還因儲存能力的增強，延長了就地設置的氣瓶的供給保障時間，同樣的，也能減少了氣瓶儲存的壓差，間接的減少了壓縮能的資源需求，當然，也可在滿足用氣條件下減少氣瓶的儲存容積，降低艦船儀表空氣系統的資源需求；實施例5:本實施例中，在各種儀表空氣儲存環節的緩衝罐和高壓氣瓶中裝填了適當的吸附劑材料，典型的，如加入一種由上海偎達弗材料科技有限公司生產的孔徑為5A的PH-5型沸石分子篩(按重量百分比成分為矽鋁酸鹽85%、粘結劑10%、功能離子5%。)，加入量佔該緩衝罐水容積的100%的體積，由於儲存環節的緩衝罐和/或高壓氣瓶的儲存能力提高，可以提升整個系統的儀表空氣的儲存能力至2 4倍，延長保障時間，減少儲存設備的體積， 減少氣體壓縮能。實施例6 實施例中，在各種儀表空氣儲存環節的緩衝罐和高壓氣瓶中裝填的吸附劑為由上海偎達弗材料科技有限公司生產的孔徑為IOA的PH-5型沸石分子篩(按重量百分比成分為矽鋁酸鹽85%、粘結劑10%、功能離子5%。)，加入量佔該緩衝罐水容積的100%的體積， 由於儲存環節的緩衝罐和/或高壓氣瓶的儲存能力提高，可以提升整個系統的儀表空氣的儲存能力至2 4倍，延長保障時間，減少儲存設備的體積，減少氣體壓縮能。以上所揭露的僅為本發明的較佳實施例而已，當然不能以此來限定本發明之權利範圍，因此依本發明申請專利範圍所作的等效變化，如對工藝參數或裝置做出的變動和改良仍屬本發明的保護範圍。
權利要求
1.艦船儀表空氣就地供給系統，主要包括順次連接的壓縮機、過濾器、乾燥系統、以及用於存儲空氣的緩衝罐或高壓氣瓶，緩衝罐或高壓氣瓶通過截止閥和調壓閥直接與終端用氣點相連通；所述的乾燥系統為採用冷凍乾燥處理裝置或者吸附式乾燥裝置的中低壓儀表空氣系統，或者為採用吸附式乾燥系統的經單級或多級增壓的高壓儀表空氣系統，或者為採用預先增壓處理儲存裝置的儀表空氣系統；所述的冷凍乾燥處理裝置為冷凍乾燥機；所述的吸附式乾燥裝置為並聯的具有雙吸附塔的具有充填吸附劑的吸附乾燥機；所述的預先增壓處理儲存裝置為另一組高壓氣瓶；其特徵在於在不提高儲存壓力的前提下所述的高壓氣瓶或緩衝罐內裝填能夠增加儲氣罐內氣體質量的吸附劑。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於所述的吸附劑是碳吸附材料或沸石分子篩。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於所述的碳吸附材料為聚丙烯腈的熱解產物、酚醛樹脂的熱解產物、椰子殼的熱解產物、橄欖石的熱解產物中的一種。
4.根據權利要求2或3所述的系統，其特徵在於所述的碳吸附材料按重量百分比成分為無定形碳80%、粘結劑15%、功能離子5%。
5.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於所述的沸石分子篩孔徑為3 10A，按重量百分比成分為矽鋁酸鹽85 %、粘結劑10 %、功能離子5 %。
6.根據權利要求5所述的系統，其特徵在於所述的吸附劑是孔徑為5A的PH-5型沸石分子篩。
7.根據權利要求1-3之一或5或6所述的系統，其特徵在於吸附乾燥機的吸附塔中的充填吸附劑為矽膠、氧化鋁、或者13X分子篩中的一種或者多種的混合物。
8.採用上述權利要求之一所述系統的艦船儀表空氣就地供給方法，空氣經壓縮機壓縮，再經過濾器除掉顆粒類的雜質、液態水後進入乾燥系統進一步除掉含有的氣態水；然後通過儀表空氣儲存環節的高壓氣瓶或緩衝罐對經壓縮和過濾乾燥處理的壓縮空氣進行存儲，所述的高壓氣瓶或緩衝罐通過控制閥與各用氣點連接進行直接供氣；其特徵在於在不提高儲存壓力的前提下，在所述的高壓氣瓶或緩衝罐中裝填能夠增加儲氣罐內氣體質量的吸附劑；當採用冷凍乾燥機作為乾燥系統去除氣態水時，在冷凍乾燥機中，壓縮空氣中含有的水蒸氣因冷凍乾燥機中冷媒換熱冷凝後排除出系統，進一步再依次經過二次過濾器進入緩衝罐，再經截止閥、調壓閥向用氣點直接供氣；當採用吸附乾燥機作為乾燥系統去除氣態水時，吸附乾燥機的吸附塔中裝填有矽膠、氧化鋁、或者13X分子篩中的一種或者多種的混合物為充填吸附劑，壓縮空氣中含有的水蒸氣因被吸附劑吸附而留存在系統並排除出系統，未被吸附的空氣組分達到水含量要求經粉塵過濾器後進入緩衝罐，再經截止閥、調壓閥向用氣點直接供氣。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵在於所述的壓縮空氣經壓縮機後的空氣壓力為 0. 5MPa 40MPa。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其特徵在於所述供給空氣的常壓露點為-60°C -20"C。
全文摘要
本發明涉及艦船儀表空氣就地供給系統及方法，主要包括順次連接的壓縮機、過濾器、乾燥系統、緩衝罐或高壓氣瓶，緩衝罐或高壓氣瓶通過截止閥和調壓閥直接與終端用氣點相連通；其特徵在於在所述的高壓氣瓶或緩衝罐在不提高儲存壓力的前提下裝填能夠增加儲氣罐內氣體質量的吸附劑。在同等條件下減少了用氣點的壓力波動，提高了儀表空氣用氣的質量，延長了就地設置的氣瓶的供給保障時間，能減少氣瓶儲存的壓差，間接的減少了壓縮能的資源需求，在滿足用氣條件下減少氣瓶的儲存容積。
文檔編號B01D53/26GK102489127SQ20111038012
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月25日 優先權日2011年11月25日
發明者丁豔賓, 何海林, 吳國凡, 張軒, 朱娜, 李小軍, 趙宏煒, 陳宗蓬 申請人:上海穗杉實業有限公司, 中國艦船研究設計中心