Boeing/NASA-Glenn 02

گاز خروجی تا آن لحظه 93% اکسیژن خالص است ، اما زمانی که زیولیت با نیتروژن به طور کامل اشباع شود ،خلوص اکسیژن در تخلیه جریان خروجی به 21% میرسد .

در عمل جریان ورودی میبایست به لایه زیولیت یکسان ولی جدا سوئیچ کند پیش از آنکهعمل اشباع صورت پذیرد .این لایه دوم ،جریان خروجی اشباع شده اکسیژن را تا زمانی که لایه اول بتواند نیتروژن را که در خلاف جهت جریان دارد پاکسازی کند و در مرحله تفکیک هوا دخالت دهد ،تامبن کند .بنا براین ،مرحله تفکیک “دورانی”به صورت رفت و برگشت بین دو لایه در جریان می باشد .شکل شماره 2 ،در این مثال v-22 هم اکسیژن و هم نیتروژن تولید میشوند .نیتروژن برای بی اثرسازی مخزن سوخت واسیژن برای استفاده خدمه پرواز .

تولیداکسیژن با خلوص بالا به  وسیله پروسه PSA شامل استفاده از لایه دوم به همراه کربن به عنوان لایه مواد میباشد زیرا تعداد زیادی از سطوح کربن تمایل به جداسازی آرگون از بخار اکسیژن-آرگون دارند .

همانند عملکرد لایه های زیولیت در جمع آوری نیتروژن ،لایه کربن نیز با آرگون اشباع میشود و عملکرد آن در حالی که لایه اول به خالص سازی آرگون می پردازد سوئیچ میکند پس آرگ.ن زمانی که لایه کربن اشباع شود برای استفاده آماده است .

لایه ها در سیستم PSA نشانگر توری های غربالگری مولکولی هستند که در قیاس با توری های غربال گری (screen) قرار می گیرند و ذرات را بر اساس اندازه های آن ها تفکیک و جمع آوری میکنند .

واحدهای PSA می توانند در چرخه هایی که گاز جذب شده همان محصول مورد نظر است ،مورد استفاده قرار گیرند . در مثال بالا، نیتروژن زمانی جذب خواهد شد که هوا از طریق لایه زیولیت با فشار بالا عبور کند . به هر حال ، هنگامی که فشار در طول بخش خالص سازی چرخه کاهش یابد ،نیتروژن جذب شده میتواند برای کاربردهای خاص جمع آوری و استفاده شود مانند بی اثر سازی مخزن سوخت.در این مثال ،سیستم خروجی اکسیژن –آرگون خارج کننده گاز زاید میباشد.

در برخی کاربردها فراورده های گازی از چرخه پاک سازی و بار گذاری به دست می آیند و میتوانند برای عملکردهای خاص جداسازی مورد استفاده قرار گیرند .مثلا NEA برای بی اثر کردن مخزن سوخت و تامین اکسیژن مورد نیاز خدمه .

فراتر از روش سنتی تامین اکسیژن هواپیما (سیلندر های گاز زخیره شده تحت فشار بالا ،دوار LOX ،و ژنراتورهای اکسیژن جامد)، PSA تنها تکنولوژی است که کاربردها ی گسترده ای در تامین اکسیژن برای خدمه پرواز دارد و تنها منبع اکسیژنی است برای تفکیک هوا (در محل) که به خدمت گرفته میشود .

به تازگی LITTN LIFE SUPPORT ، تامین کننده برتر در سیستمه های  PSA برای تولید اکسیژن و نیتروژن به منظور استفاده در هواپیماهای نظامی شده است . مثال هایی از سیستمهای LITTON در شکل 33 نشان داده شده است .

در پروژه های گذشته IR& D (بوئینگ) به بررسی استفاده از دستگاه کوچک PSA برای حفظ فشارهای اکسیژن در حد نیاز در تانک های ذخیره و در سرویس هواپیمایی تجاری پرداخته است .مرجع 6 .تکنولوژی PSA قابلیت تامین NEA را برای بی اثر سازی مخزن سوخت دارا می باشد .

هواپیمای نظامی C-5 با سیستم های بزرگ ذخیره گاز مایع در بی اثر سازی مخزن سوخت جایگاه بهتری دارد .نسل اول سیستم تولید گاز بی اثر (on-board) OBIGGS که در سیستم های PSA به خدمت گرفته شد در                         v-22(osprey),AH-64و c-17 مورد استفاده قرار گرفت اما با انجام عملکرد های مهم و مشکلات نگهداری آن دست به گریبان بودند .

غشای فیبر لوله ای (hallow):

فیبر های لوله ای توسط پروسه medal “چرخش نا متقارن محلول ” ساخته می شوند .این تکنیک پروسه ای است که به فیبر های لوله ای اجازه می دهد تا در یک پروسه مداوم شکل گیرند،شکل 3.پایداری گازها از طریق غشای پلی متریک بر پایه قابلیت حل پذیری گاز در پلی مر و همچنین سرعت انتشار گاز از طریق غشای پلیمری میباشد که موجب بازده بالا و پایدار ،وزن سبک و ایجاد اطمینان می گردد.مرجع 7.بخش عمده ای از ضخامت دیوار فیبر اسفنجی است مانند موادی که هسته فیبر را می سازند . وظیفه هسته تنها حمایت از لایه بیرونی فیبر است که SHEATH (لایه /قشر) خوانده میشود .لایه سطحی جایی است که تفکیک گاز در آن صورت میگیرد .ضخامت SHEATHتقریبا 2 میکرون است و پوسته بیرونی این لایه میباشد که در Angstrom اندازه گیری شده و عملکرد غشا (membrane) را بیان میکند .

غشا های فیبر لوله ای HFM به تعداد دهها هزار در کنار یکدیگر قرار گرفته اند تا مادیول تفکیک هوا را شکل دهند ASM . در یک تک فیبر ،هوا در یک سر فیبر جریان دارد .همانطور که هوا در طول فیبر به سمت پایین حرکت میکند ،اکسیژن به وسیله دیوارهای پلیمری فیبر جذب میشود . به دلیل فشار جوی متفاوت در طول دیوار فیبری ، اکسیژنی که توسط دیوارهای فیبری جذب شده ،در زمان کم شدن فشار تمایل به جدا شدن دارد .

گازی که از قسمت پایین فیبر لوله ای خارج می شود دارای کاهش ذاتی غلظت اکسیژن است .پایداری گازها در غشای پلی مری به دلیل قابلیت حل پذیری گاز در پلی مر و نیز سرعت انتشار گاز در غشا میباشد ،مرجع 8. زمانی که این دهها هزار فیبر در کنار یکدیگر قرار گرفتند هر کدام جداگانه همانطور که در بالا اشاره شد عمل می کنند و تولید NEA در کل دستگاه صورت میگیرد .

طرح این عملکرد در شکل 6 نشان داده شده است . مزایای تکنولوژی HFM لزوم نداشتن حرکت دادن اجزا ، سبکی وزن ،ارزانی مواد تشکیل دهنده و عدم تاخیر در زمان شروع به کار سیستم می باشد .

در کاربرد هوانوردی ،کارخانه های تولید فیبر Permea, Praxair, Air Liquid هستند . این کارخانه ها دارای سیستم مونتاژ بوده که یا به وسیله تولید کننده فیبر یا سازندگان وسایل و ابزار هوانوردی مانند Valcor یا Litton Life عمل می کنند .

در مقایسه با PSA تکنولوژی HFM برای تهیهNEA از هوا مفید می باشد . وسایل و ابزار ASM به آسانی قابلیت تولید NEA به همراه نیتروژن را از فشار پایین تا بالا تا 90% دارا میباشند .

غلظت گاز اکسیژن هدر رفته تقریبا بین 25 تا 35 درصد است .در حالیکه غلظت این گاز تا 95% می تواند از طریق باز انتشار و گذراندن چندین مرحله با استفاده از ابزار HFM صورت پذیرد ،قبل از اتمام مونتاژ امکان عملی بودن این ادعا بسیار کم است .

برای تقطیرهای صنعتی ،PSA روش ماثر و کم هزینه ای را ارائه می دهد که به تفکیک اکسیژن از هوا می پردازد . مشکل دیگر در استفاده از بخار گاز هدر رفته HFM تاثیر معکوس بر بازده تولید NEA  است که بر اثر افزایش فشار باز گشتی در بخشهای خارجی فیبر های لوله ای ایجاد میشود .

غشای سرامیکی :

غشا های سرامیکی مورد استفاده  در تفکیک اکسیژن از هوا تکنولوژی پیشرفته ای را ارائه میدهند که موجب رقابت بین شرکت های رقیب شده است . این تکنولوژی از خاصیت کاتالیزوری سطوح داخلی استفاده می کند . در این تکنولوژی مواد سرامیکی برای یونیزه شدن مورد استفاده قرار گرفته و سپس اکسیژن از هوا تفکیک میشود ،مرجع 9. به دلیل پروسه یونیزه کردن اکسیژن در دمای سطحی بالا ، گاز تولید شده از سیستم های غشای سرامیکی ، 100% گاز اکسیژن خالص بدون احتمال وجود اجزای شیمیایی یا بیو شیمیایی به دست میدهد .شکل شماره 7  طرح ساده ای از عملکرد این غشا ها را نشان میدهد . دمای غشای سرامیکی در هنگام عملیات تقریبا 700 درجه سانتیگراد است و تفاوت های بالقوه الکتریکی در غشا به صورت volt مطرح میشود .

به تازگی این تکنولوژی به اسامی مختلف نامیده شده است که برخی از آنها علائم تجاری ثبت شده میباشند . شرکت Air Products and Chemicals از ترمینولوژی Solid Electrolyte Oxygen  Seperation (SEOS)  استفاده کرده و این تکنیک را زیر مجموعه ای از تکنولوژی های ITM می داند .Air Liquid نیز تکنولوژی SEOS  را به خدمت گرفته است .Litton Life Support  تکنولوژی خود را COGS  ( سیستم تولید اکسیژن با استفاده از غشای سرامیکی ) نامیده است .

زمانی که دستگاه غشای سرامیکی در عمل ساخته شوند دارای 3 ویژگی میشوند که دو تا از آنها در بین سایر تکنولوژهای تفکیک هوا بی مانند می باشند . اول ، غشاهای سرامیکی است که نیاز به  وجود حرکت در قسمت های مختلف ندارد  و این مزیت برای کاربردهای هوایی بسیار مهم تلقی میشود . دوم ، غشاهای سرامیکی که در برابر آلوده بودن هوا حساسیتی ندارند . باقی تکنولوژیهای تفکیک هوا دارای مشکل حساسیت در برابر آلودگی هوا، رطوبت یا اجزای فرعی هوا می باشند . سوم ، شکست عملکرد غشای سرامیکی از طریق کاهش فشار اکسیژن خروجی آشکار می شود .بازده دستگاه های غشای سرامیکی به وسیله شکل هندسی غشاها ، اجزای سازنده مواد الکترونیک جامد ،شرایط عملکرد و ویژگی های طرح به منظور انتقال گرما و ایجاد جریان هوا تحت تاثیر قرار میگیرد . به تازگی ، دستگاهها به وسیله سیستم های مقاومتی  الکتریکی گرم شده و این امر باعث بروز تاخیر زمانی پیش از کامل شدن مرحله تولید اکسیژن میشود . به هر صورت ، دستگاه ها در آینده احتمالا از تکنیک های گرمایشی قابل کنترل استفاده میکنند مانند مایکروویو های متمرکز ، لیزرها یا آکوستیکس .

هدر رفتن گرما و گازهایی مانند گاز نیتروژن مسئله ای است که بایستی بدان توجه کرد .

سیستم های غشای سرامیکی توان ذخیره سازی ندارند ،مگر اینکه گاز تهیه شده در سیلندرهای ذخیره گاز فشرده قرار گیرند . بخش دوم مانند سایر تکنولوژیها افزودن سرماسازها برای مخازن ذخیره سازی گاز تولید شده در دوارهای مایع است .

تفکیک هوا به شیوه برودتی (Cryogenic):

تفکیک هوا به این شیوه به معنی چرخه ترمودینامیکی سرمایشی و تقطیر است همچنین استفاده از سایر پروسه ها به منظور جداسازی هوا به اجزای تشکیل دهنده وجود دارد . بدین طریق هواپیما به منبع هوای غنی شده اکسیژن یا نیتروژن حال چه به شکل مایع یا گاز مجهز میشود .

در اکثر این کاربردها خواهیم دید که تفاوت دمای جوش اکسیژن و نیتروژن باعث تفکیک هوا میشود .استفاده از پروسه های برودتی در سیستم های هواپیما دارای 3 مزیت است : کم کردن سرعت بالای ماشین توربو مورد استفاده در تکنولوژی  Foil- bearing ، کوچک کردن ستون های تقطیر برای اکسیژن و نیتروژن و بازده بالای دستگاه های بازیافتی حرارتی . در واقع 3 دستگاه وجود دارند که یا کامل شده اند و یا در مرحله کامل شدن قرار دارند .بررسی این سه دستگاه به پیشبرد اهداف تحقیق بسیار کمک خواهد کرد .تمام آنها محصول شرکت Creare هستند و البته برای هر کدام وظایف خاصی تعریف شده است . این سیستم ها دارای سیستم پیشرفته اکسیژن هیبرید می باشند که در کاربردهای پزشکی (AHOS-M)،سیستم مایع سازی اکسیژن و نیتروژن (TALON) برای استفاده در هواپیمای باربری c-17 و سیستم بی اثر سازی مخزن سوخت هواپیما (SAFTI) و سیستم on-board در بی اثر سازی مخازن در هواپیماهای تجاری به کار میروند .

سیستم پرتابل 2-manبه کار گرفته شده برای جداسازی هوا از PSA استفاده کرده و به مایع کردن اکسیژن برای ذخیره در دوارها برای مصرف شیمیایی میپردازد .

پیشرفت این سیستم توسط آزمایشگاه تحقیقات نیروی هوایی عاملی شد که در صنایع هواپیمایی نظامی از خدمات OBOGS به جای LOX استفاده شود . این تغییر تاثیر زیادی بر استفاده بیشتر از مخازن LOX در مصارف پزشکی گذاشت .

حال کار بر روی AHOS-M به طور کامل پایان یافته و در شکل 8 می توانید طرح ساده آن را ملاحظه کنید .

به تازگی سیستم TALONدر c-17 مورد استفاده قرار گرفته است .TALON نه تنها کاستی های تقطیر OBIGGS  PSA محور را حذف میکند بلکه هواپیما را به اکسیژن مورد نیاز برای عملکردهای خاص ،سرویس تخلیه پزشکی و سایر مواردی که در آن هواپیمای نظامی میبایست اکسیژن مورد نیاز خدمه و مسافران بیش از ظرفیت را در ماموریت ها تامین کند ،مجهز میکند .در این صورت TALON از ستون های تقطیر ،دستگاههای بازیافتی حرارتی و ماشین توربو استفاده میکند . این ماشین حرارتی درساختمان معکوس چرخه BRAYTON به تولید LOX و NEA مایع ((LNEA می پردازد .

SAFTI سیستمی برودتی است که توسط Creare پیشنهاد شده است و هدف آن بی اثر سازی مخزن سوخت هواپیماهای تجاری میباشد . ساختمان موقت سیستم SAFTI در شکل 10 و 11 نشان داده شده است . SAFTI از تکنولوژی PSA به منظور حذف H2O , CO2  از کابین هواپیما به عنوان قسمتی از هوای ورودی کمپرس شده و دوباره سرد شده استفاده میکند سپس جریان NEA در ابتدا به وسیله رکوپراتور سرد شده وبعد با تبادل گرما با سیال neon از طریق چرخه معکوس BRAYTON سرد میشود . پس از آن NEA وارد ستون تقطیر شده و محصول LNEA برای ذخیره شدن به دوار برودتی منتقل میشود .

گازهای زاید خارج شده از ستون تقطیر NEA از طریق رکوپراتور ورودی برگردانده شده ودر غربال گری مولکولی مورد استفاده قرار میگیرد .بخار NEA در بالای ستون تقطیر میتواند مستقیما به مخازن سوخت برگشته و عمل بی اثر سازی را انجام دهد . هدف Creare  در طراحی SAFTI بر اساس این حقیقت است که میزان حجم NEA بی اثر مورد نیاز در جت های تجاری کمتر از هواپیما های نظامی و مرحله فرود تاکتیکی آن ها مورد توجه قرار میگیرند . بنابراین ، استفاده از ذخیره کم LNEA باعث میشود تا سیستم SAFTI واحد سرما ساز کوچک(در نتیجه کم وزن با مصرف کم انرژی ) را به خدمت گیرد .