專利名稱：一種氣液分離制氧裝置和采用此裝置的潛航器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種自海水、淡水等富含氣體的液體中以氣液膜分離方法制氧的裝置和采用此裝置的潛航器，屬于氣/液分離技術領域。
背景技術：
目前，水下潛航器傳統(tǒng)的制氧方法主要有如依賴以化學藥劑還原人員呼吸產(chǎn)生的二氧化碳來生成氧氣，燃燒氧燭補充氧氣以及消耗大量電力的水電解制氧來獲得氧氣的方法。常規(guī)潛航器因化學方法產(chǎn)生的氧氣量有限而依賴攜帶的空氣瓶、氧氣瓶、液氧儲存等均無法滿足動力系統(tǒng)推進所需的大量氧化劑，只能在氧化劑消耗殆盡后上浮自水面以·上的空氣中進行補充。另外一種如消耗大量電力進行水電解制氧進行補充氧氣的方法則因發(fā)電所需的氧氣遠大于消耗大量電力進行水電解制取的氧氣，使得其過程無法持續(xù)，也需要上浮補充。此外，即使在攜帶的氧氣消耗后進行上浮自水面以上的空氣中進行補充，也將因水面空氣在受到如核生化污染時染毒而面臨無法獲得可靠的可供人員呼吸的氧氣的情況。以上因素，都直接或間接的導致潛航器因為有限的氧存儲量與現(xiàn)有的制氧方法使得潛航無法持續(xù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題是解決潛航器由于常規(guī)制氧方法無法持續(xù)潛航的技術難題，提供一種氣液分離制氧裝置，可直接自海水中分離其中富含的氧氣；進一步的要解決的技術問題是提供一種包含上述制氧裝置的潛航器，使?jié)摵狡髂軌虺掷m(xù)潛航。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是
一種氣液分離制氧裝置，其特征在于主要包括過濾器、減壓器、氣/液膜分離器、水泵、氣泵、氣體分離裝置、解吸泵；氣/液膜分離器具有一個富氣液體入口、一個貧氣液體出口和一個氣體出口 ；裝置入口經(jīng)過濾器、減壓器后與氣/液膜分離器的富氣液體入口連接；貧氣液體出口端經(jīng)水泵后與貧氣液體輸出端連接；氣體出口經(jīng)氣泵后分為兩支，一個分支連接到一般富氧用氣單元，另一個分支經(jīng)過氣體分離裝置后連接呼吸用氣單元和廢氣端；廢氣端經(jīng)解吸泵后經(jīng)與廢氣出口連接；所述的氣/液膜分離器包含殼體以及位于殼體中的具有氣液分離能力的親氣型膜材料；膜材料位于富氣液體入口的一側為液側，膜材料位于氣體出口的一側為氣側；液側和氣側之間設置貧氣液體出口。按上述技術方案，所述的膜材料為表面積較大的疏水基中空有機纖維膜或板式膜。按上述技術方案，氣體分離裝置為基于變壓吸附法、或變溫吸附法、或膜分離法或其中的兩種或多種相耦合的方法而設計的氣體分離裝置；包含多個不同分離功能的模塊；其中一個模塊為氣體凈化模塊。按上述技術方案，氣體出口經(jīng)氣體分離裝置后連接多個并列的呼吸用氣單元。
按上述技術方案，貧氣液體輸出端與水泵之間設置止回閥；廢氣出口與解吸泵之間設置止回閥；氣泵的一個分支經(jīng)截止閥與一般富氧用氣單元相連，另一分支經(jīng)截止閥與氣體分離裝置相連；所述的一般富氧用氣單元包含燃燒供氧系統(tǒng)。按上述技術方案，所述的氣泵、水泵和解吸泵均為手/電動復合泵。一種采用上述氣液分離制氧裝置的潛航器，廢氣出口和貧氣液體輸出端均為潛航器系統(tǒng)出口 ；裝置入口為潛航器系統(tǒng)入口，水下表層水從裝置入口處進入；當富含氧氣的表層海水經(jīng)富氣液體入口進入膜的水側時，在膜的氣側施加氣泵產(chǎn)生真空，在真空作用下溶解在水中的氣體經(jīng)溶解、滲透繼而從膜的真空氣側擴散出來，然后由氣泵增壓進入一般富氧用氣單元或氣體分離裝置，氣液分離之后的貧氣液體經(jīng)水泵由貧氣液體輸出端排出；經(jīng)氣體分離裝置分離凈化后，一部分氣體輸送到呼吸用氣單元，另一部分廢氣由解吸泵升壓后經(jīng)廢氣出口排出潛航器。按上述技術方案，當氣泵引出的氣體中的氧含量達到或大于大氣中氧含量時，一部分氣體進入一般富氧用氣單元；另一部分經(jīng)過氣體分離裝置中的模塊凈化后進入呼吸用氣單元；而分離凈化過程產(chǎn)生的廢氣由解吸泵升壓后經(jīng)廢氣出口排出潛航器；當氣泵引出的氣體中的氧含量低于大氣中氧含量時，關閉一般富氧用氣單元對應的端口，所有氣體進入氣體分離裝置，經(jīng)過分配，氣體進入不同分離模塊，所產(chǎn)生的氧氣向相應的呼吸用氣單元供氧，而分離凈化過程產(chǎn)生的廢氣由解吸泵升壓后經(jīng)廢氣出口排出潛航器。本發(fā)明的原理如下
眾所周知，溶解在海水中的氧是海洋生命活動不可缺少的物質(zhì)，它的含量在海洋中的分布，主要受化學過程和生物過程的影響，還受物理過程的影響。從20世紀初期建立的適合現(xiàn)場分析的溫克勒方法至今，已取得了關于大洋中氧含量分布的比較完整的資料?；旧?，氧在海水中的溶解度隨溫度的升高而降低，隨海水鹽度的增加而減少，在浮游生物生長繁殖的海域，表層海水的溶解氧含量不但白天和黑夜不同，而且隨季節(jié)而異，加上海流等因素的影響，使溶解氧在海洋中形成了垂直分布和區(qū)域分布。通常，海洋分成3層①表層。風浪的攪拌作用和垂直對流作用，使氧在表層水和大氣之間的分配，較快地趨于平衡。個別海區(qū)在50米深的水層之上，由于生物的光合作用，出現(xiàn)了氧含量的極大值。②中層。表層之下，由于下沉的生物殘骸和有機體在分解過程中消耗了氧，使氧含量急劇降低，通常在700米 1000米深處出現(xiàn)氧含量的極小值(此深度因區(qū)域不同而異)。③深層。在氧含量為極小的水層之下，氧含量隨深度而增加。統(tǒng)觀氧在垂直方向的分布，可見海洋中的氧都來自表層，所以表層水是富氧的。海洋深處的氧，主要靠高緯度下沉的表層水來補充，如果沒有這種表層水的補充，僅靠氧分子從表層向深處擴散，其速度很緩慢，難以滿足有機物分解的需要，勢必造成深層水缺氧甚至于無氧。基于以上分析可知，一定深度、區(qū)域的海水中特別是表層水富含有氧氣，自水中分離氧氣的裝置是一種可持續(xù)的供氧保障模式。本裝置通過采用氣/液分離膜技術來實現(xiàn)，通過采用類似聚丙烯類(PP)親氣型膜分離材料，可直接自海水中分離其中富含的氧氣。這種高分子材料膜，制成中空纖維形式、板式或其它分離膜組件，當海水進入分離面積巨大的膜內(nèi)一側(水側)時，在膜的另一側(氣偵D施加以真空，在真空作用下溶解在水中的氧氣經(jīng)溶解、滲透繼而從膜的另一側(真空側、氣側)擴散出來，從而達到分離海水中氧氣的目的。、
裝置中的手/電動復合泵主要由于進水、排水、抽氣及供氣之用，當供電系統(tǒng)無法正常工作時，各泵改由人工操作。因此，整個供氣裝置不受供電約束，從而實現(xiàn)全時保障供氣。在連接裝置內(nèi)部各單元的管路上根據(jù)需要設置了截止閥或止回閥，防止倒灌和回流。由于氣/液分離膜自容積龐大的海水中尤其是一定 深度的深海下分離水中的氧氣，水面船舶或水下潛航器采用該裝置都可獲得滿足人員呼吸用的無污染氧氣。該技術工藝及操作簡單，制氧系統(tǒng)體積小，制氧成本僅為傳統(tǒng)電解水制氧的1/5。尤其是結合設計以采用手動/電動復合型的動力設備，可以滿足即使在無電力保障條件下的持續(xù)氧氣保障能力(達到理論上無限制的保障能力)。這種從水中獲取氧氣的裝置，即使消耗電力獲得氧氣也較為產(chǎn)生相同氧氣量的電能所需燃燒用的氧氣量小，因此可為需要大量氧化劑的動力推進系統(tǒng)進行全面的供氧保障或輔助供氧保障，以延長潛航推進時間，并可在失去電力的極端條件下以手動設備滿足持續(xù)的氧氣保障而不僅僅依賴于再生藥板，氧燭，從而獲得真正意義上的持續(xù)潛航能力。本發(fā)明的有益效果在于
I、適合自水下取水進行供氧保障，自水中分離氧氣供給船舶或潛航器人員呼吸，使得潛航器無需進行上浮自大氣中補充氧氣，以獲得人員在水下的呼吸用氧的持續(xù)保障能力。2、江河湖泊中的常規(guī)潛航器自水中取得氧氣，供給推進系統(tǒng)用作氧化劑。3、潛航器在水下潛航時因失去電力無法采用水電解制氧而攜帶氧氣不足或攜帶的再生藥板、氧燭不足時提供人員呼吸用氧。4、船舶或潛航器水面航行，在空氣受到如核生化污染而無法自大氣補充可供人員呼吸氣體時提供人員呼吸用氧。


圖I是根據(jù)本發(fā)明實施的氣液分離制氧裝置結構示意圖。附圖I中，各附圖標記對應如下1-過濾器、2-減壓器、3-氣/液膜分離器、4-手/電動復合水泵、5-手/電動復合氣泵，6-氣體分離裝置、7-手/電動復合解吸泵。
具體實施例方式以下結合實施例及附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不限定本發(fā)明。下面結合附圖I對本發(fā)明的上述內(nèi)容作進一步的詳細說明，但不應將此理解為本發(fā)明上述主題范圍僅限于以下的實施例，凡基于本發(fā)明以上的內(nèi)容所實現(xiàn)的技術均屬于本發(fā)明的范圍。如圖I所示，一種適合自水下取氧進行供氧保障的氣液分離制氧裝置，安裝在船舶或潛航器內(nèi)部的。在此裝置中，A為裝置入口，B是貧氣液體出口，C是廢氣出口，D、E、F分別是不同濃度氧氣出口 ；主要包括過濾器1，減壓器2，具有一個入口 AO和兩個出口 Al、A2的氣/液膜分離器3，手/電動復合氣泵5，手/電動復合水泵4，手/電動復合解吸泵7，氣體分離裝置6含多個不同分離功能的模塊。具體說明如下富氣液體由系統(tǒng)入口 AO進入分離系統(tǒng)，經(jīng)過過濾器I除去其中的懸浮顆粒物后經(jīng)減壓器2減壓進入主要由殼體和具有氣液分離能力的膜材料組成的氣/液膜分離器3，用于此處的膜材料可以是表面積較大的疏水基中空有機纖維膜或板式膜。當海水進入分離面積巨大的膜內(nèi)一側(水側)時，在膜的另一側(氣側)施加以手/電動復合氣泵5產(chǎn)生的真空，在真空作用下溶解在水中的氣體經(jīng)溶解、滲透繼而從膜的另一側(真空側、氣側)擴散出來，從滲透氣出口 Al出來，然后由手/電動復合氣泵5增壓進入分離或用氣單元，氣液分離之后的貧氣液體經(jīng)貧氣液體出口 A2出來后，經(jīng)由手/電動復合水泵4系統(tǒng)液體出口 B端排出返回海洋。針對不同的用氣單元，它們對氧氣的純度要求也有所不同，典型的，我們把所有用氧單元分為一般富氧用氣單元和呼吸用氣單元。由于不同海域的海水所溶解各種氣體的量會有一定差別，一些雜質(zhì)氣體對于呼吸用有害，經(jīng)手/電動復合氣泵5引出的氣體組成可能會有所變化并且有時并不適合呼吸用氧。當其中的氧含量達到或大于大氣中氧含量時，一部分氣體可經(jīng)過D出口直接進入一般富氧用氣單元(如燃燒供氧系統(tǒng))；另一部分經(jīng)過氣體分離裝置6中的模塊凈化后由E或F出口進入呼吸用氣單元(如呼吸用氣供氧系統(tǒng))。而凈化模塊分離過程產(chǎn)生的廢氣由手/電動復合解吸泵7升壓后經(jīng)系統(tǒng)出口 C排出。當手/電動復合氣泵5引出的氣體中的氧含量低于大氣中氧含量時，關閉D出口，所有氣體進入氣體分離裝置6。經(jīng)過分配，氣體進入不同分離模塊，所產(chǎn)生的氧氣分別由E和F出口向相應的用氣單元供氧，而分離過程產(chǎn)生的廢氣由手/電動復合解吸泵7升壓后經(jīng)系統(tǒng)出口 C排出潛航器。以上描述的氣體分離裝置6是一套制氧裝置，優(yōu)選的可以是基于常規(guī)的變壓吸附法、變溫吸附法、膜分離法或者其中的幾種相耦合的方法以及其他可以實現(xiàn)制取氧氣的方法而設計的裝置。因此，此氣體分離裝置6可作出各種各樣的變動而不會背離本發(fā)明的范圍。以上實施例中，采用手/電動復合泵，當供電系統(tǒng)無法正常工作時，各泵改由人工操作。因此，整個供氣裝置不受供電約束，從而實現(xiàn)全時保障供氣。本發(fā)明描述的或附圖所示的方法、工藝參數(shù)或裝置系統(tǒng)中，只是為了方便才把本發(fā)明的具體特性示于附圖或解釋于本文中，還可作出各種各樣的變動而不會背離本發(fā)明的范圍；因此，其它的不違背本發(fā)明精神的方法、裝置或結合應用的改良以及可在本發(fā)明的實踐中采用的實施方案也應包括在所附權利要求的范圍之內(nèi)，應按照本發(fā)明的權利要求。
權利要求
1.一種氣液分離制氧裝置，其特征在于主要包括過濾器、減壓器、氣/液膜分離器、水泵、氣泵、氣體分離裝置、解吸泵；氣/液膜分離器具有一個富氣液體入口、一個貧氣液體出口和一個氣體出口 ；裝置入口經(jīng)過濾器、減壓器后與氣/液膜分離器的富氣液體入口連接；貧氣液體出口端經(jīng)水泵后與貧氣液體輸出端連接；氣體出口經(jīng)氣泵后分為兩支，一個分支連接到一般富氧用氣單元，另一個分支經(jīng)過氣體分離裝置后連接呼吸用氣單元和廢氣端；廢氣端經(jīng)解吸泵后經(jīng)與廢氣出口連接；所述的氣/液膜分離器包含殼體以及位于殼體中的具有氣液分離能力的親氣型膜材料；膜材料位于富氣液體入口的一側為液側，膜材料位于氣體出口的一側為氣側；液側和氣側之間設置貧氣液體出口。
2.根據(jù)權利要求I所述的制氧裝置，其特征在于所述的膜材料為表面積較大的疏水基中空有機纖維膜或板式膜。
3.根據(jù)權利要求I或2所述的制氧裝置，其特征在于氣體分離裝置為基于變壓吸附法、或變溫吸附法、或膜分離法或其中的兩種或多種相耦合的方法而設計的氣體分離裝置；包含多個不同分離功能的模塊；其中一個模塊為氣體凈化模塊。
4.根據(jù)權利要求3所述的制氧裝置，其特征在于氣體出口經(jīng)氣體分離裝置后連接多個并列的呼吸用氣單元。
5.根據(jù)權利要求I或2或4所述的制氧裝置，其特征在于貧氣液體輸出端與水泵之間設置止回閥；廢氣出口與解吸泵之間設置止回閥；氣泵的一個分支經(jīng)截止閥與一般富氧用氣單元相連，另一分支經(jīng)截止閥與氣體分離裝置相連；所述的一般富氧用氣單元包含燃燒供氧系統(tǒng)。
6.根據(jù)權利要求5所述的制氧裝置，其特征在于所述的氣泵、水泵和解吸泵均為手/電動復合泵。
7.一種采用上述權利要求之一所述氣液分離制氧裝置的潛航器，廢氣出口和貧氣液體輸出端均為潛航器系統(tǒng)出口 ；裝置入口為潛航器系統(tǒng)入口，水下表層水從裝置入口處進入；當富含氧氣的表層海水經(jīng)富氣液體入口進入膜的水側時，在膜的氣側施加氣泵產(chǎn)生真空，在真空作用下溶解在水中的氣體經(jīng)溶解、滲透繼而從膜的真空氣側擴散出來，然后由氣泵增壓進入一般富氧用氣單元或氣體分離裝置，氣液分離之后的貧氣液體經(jīng)水泵由貧氣液體輸出端排出；經(jīng)氣體分離裝置分離凈化后，一部分氣體輸送到呼吸用氣單元，另一部分廢氣由解吸泵升壓后經(jīng)廢氣出口排出潛航器。
8.根據(jù)權利要求7所述的潛航器，其特征在于當氣泵引出的氣體中的氧含量達到或大于大氣中氧含量時，一部分氣體進入一般富氧用氣單元；另一部分經(jīng)過氣體分離裝置中的模塊凈化后進入呼吸用氣單元；而分離凈化過程產(chǎn)生的廢氣由解吸泵升壓后經(jīng)廢氣出口排出潛航器；當氣泵引出的氣體中的氧含量低于大氣中氧含量時，關閉一般富氧用氣單元對應的端口，所有氣體進入氣體分離裝置，經(jīng)過分配，氣體進入不同分離模塊，所產(chǎn)生的氧氣向相應的呼吸用氣單元供氧，而分離凈化過程產(chǎn)生的廢氣由解吸泵升壓后經(jīng)廢氣出口排出潛航器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氣液分離制氧裝置和采用此裝置的潛航器，可直接自海水中分離其中富含的氧氣。采用真空泵通過具有疏水性質(zhì)的氣液分離膜材料滲透側不斷抽取溶解在流動液體中的氧氣從而制氧。這種裝置可以在失去電力供應時仍能正常供氧，解決船舶或潛器在空氣受到如核生化污染時的供氧問題；使?jié)摵狡髂軌虺掷m(xù)潛航。
文檔編號B63G8/00GK102745650SQ20121023664
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月10日 優(yōu)先權日2012年7月10日
發(fā)明者嚴震海, 劉輝, 杜紅霞, 金正濤, 陳宗篷 申請人:中國艦船研究設計中心