Сосуд высокого давления кислород

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 4 сентября 2018; проверки требует 1 правка.

2.1. Назначение и требования, предъявляемые к кислородному оборудованию самолетов

С подъемом на высоту уменьшается парциальное давление кислорода, что приводит к кислородному голоданию. Во избежание этого на самолетах устанавливают кислородное оборудование, которое предназначено для увеличения парциального давления кислорода, как за счет повышения концентрации, так и увеличения его абсолютного давления во вдыхаемой смеси.

Кислородное оборудование устанавливается на самолетах с высотой полета более 3 км и применяется как средство подачи дыхательной смеси:

1) для повышения парциального давления кислорода в альвеолярном воздухе;

2) в случае разгерметизации кабины и принудительного покидании самолета экипажем;

3) для обеспечения работоспособности экипажа при появлении в кабине дыма и токсичных газов;

4) для использования кислорода в профилактических целях при появлении утомляемости экипажа в длительных полетах и в терапевтических целях для пассажиров.

Требования, предъявляемые к кислородному оборудованию:

1. Полная автоматизация всех процессов подачи кислорода. Это вызвано тем, что в нормальных условиях кислород является газом без цвета, запаха и вкуса, поэтому без специальных приборов нельзя проконтролировать количество кислорода во вдыхаемом воздухе.

2. В связи с большой окислительной способностью все ответственные детали кислородных приборов, должны изготавливаться из некорродирующих материалов: коррозионно-стойкой стали, латуни, пластмасс и прорезиненной ткани.

3. Кислородная система и ее агрегаты должны быть работоспособны при воздействии вибрации, механических ударов, изменении давления воздуха, температуры, влажности и т.д.

4. Стационарные источники кислорода должны иметь устройства для аварийного сброса кислорода за борт в случае опасного повышения давления в них.

5. Кислородная система и входящие в нее агрегаты должны иметь минимально возможные габаритные размеры и массу.

Кислород при некоторых условиях становится пожаро- и взрывоопасным:

а) различные жиры и масла при соприкосновении со сжатым до давления 0,6 МПа и более кислородом способны самовоспламеняться;

б) горючие газы (водород, метан, ацетилен и др.) образуют с кислородом взрывчатые смеси;

в) клетчатка (вата, пакля, древесные опилки и др.) под действием сжатого или жидкого кислорода взрываются при ударе;

г) пористые горючие вещества (мох, торф, уголь, угольная пыль), пропитанные жидким кислородом, при воспламенении в замкнутом ограниченном пространстве дают взрыв большой разрушительной силы.

Кислородное оборудование должно иметь хороший доступ к агрегатам для осмотра, обслуживания и контроля наличия и правильной подачей кислорода потребителям. Недопустимо размещение кислородных приборов в непосредственной близости от масло- и бензопроводов. Дымозащитное снаряжение членов экипажа должно размещаться в непосредственной близости от их рабочих мест.

В пассажирских салонах контейнеры с кислородными масками должны располагаться в багажных полках над каждым блоком пассажирских кресел (или в спинках впереди стоящих кресел), вблизи рабочих мест бортпроводников, в кухне и туалетах.

Источники кислорода

Тип источника кислорода на борту самолета определяется, в основном, общей массой кислорода, необходимого для обеспечения одного полета с учетом возможной разгерметизации кабины.

В качестве источников кислорода в авиационных системах кислородного питания (СКП) можно выделить следующие: баллоны высокого и низкого давления; газификаторы; химические генераторы и бортовые газоразделительные аппараты.

Баллонные источники

Наиболее распространенным в настоящее время является баллонные источники (предпочтительный ряд объемов баллонов составляет в литрах: 2, 4, 6 и 8).

Основное преимущество баллонной системы состоит в многоразовости использования баллонов и возможности находиться под давлением неограниченно долгое время.

Баллонные системы имеет существенный недостаток – относительно большой массовый коэффициент (масса пустого баллона, приходящаяся на единицу массы помещенного в него кислорода). Для баллонов из легированной стали большой емкости (более 25 л) при запасе прочности, равном 3…4, давлении зарядки 21 МПа массовый коэффициент составляет (2,2…2,5) кг/л. Форма баллонов показана на рис. 2.1.

Цилиндрические баллоны высокого давления обычно изготавливаются из отрезков толстостенных бесшовных труб, концы которых при горячей ковке превращаются в днище и горловину, толщины которых значительно увеличиваются.

Сферические баллоны свариваются из двух штампованных половин.

Для изготовления кислородных баллонов непригоден титан, так как он нестоек к действию кислорода и интенсивно окисляется под высоким давлением. Для облегчения баллонов иногда применяется армирование их внешней поверхности стекловолокном или металлической проволокой.

Жидкостные газификаторы

Кислород в сжиженном состоянии хранится на борту самолетов в специальных теплоизолированных сосудах-газификаторах под небольшим избыточным давлением. Массовый коэффициент (кг/л) газификаторов большой емкости (более 15 кг) составляет 1… 1,5, малой (менее 15 кг) – 1,6…2.

Применение жидкостных газификаторов целесообразно на самолетах с большим количеством экипажа и значительной продолжительностью полета. Однако при хранении кислорода газификатор имеет существенные потери вследствие испарения кислорода и поэтому малопригоден для длительного хранения.

Жидкий кислород имеет удельную массу 1,14 кг/л при температуре минус 182,98°С (точка замерзания составляет -222,6°С). Для превращения 1 кг жидкого кислорода в газообразное состояние с подогревом от -183 до +20°С необходимо подвести 0,4 кДж тепла. Небольшая теплота испарения представляет основную трудность при хранении жидкого кислорода.

Газификатор состоит из сосуда Дьюара, предназначенного для хранения жидкого кислорода, системы газификации жидкого кислорода с автоматическим регулированием давления и системы контроля запаса жидкого кислорода.

Принципиальная схема газификатора показана на рис. 2.2.

Заправка газификатора жидким кислородом осуществляется от транспортного резервуара жидкого кислорода (ТРЖК). Сосуд 1 заправляется жидким кислородом через штуцер с обратным клапаном 6, который под действием избыточного давления жидкого кислорода (до 200 кПа), создаваемого в ТРЖК, открывается и дает доступ жидкому кислороду в сосуд. При заправке СКГ вентиль 8 должен быть открыт (для выхода газа из сосуда). Чтобы жидкий кислород при заправке не поступал в испаритель 3 (это увеличивает время заправки и потери кислорода), электромагнитный клапан 2 должен находиться в закрытом положении. Вентиль 4 – «кислород потребителю» расходной магистрали должен быть закрыт. Во время заправки ограничитель давления 5 и предохранительный клапан 7 не работают.

В первый момент подачи от ТРЖК в СКГ жидкий кислород расходуется на охлаждение заправочной магистрали и сосуда, испаряется и в виде газа выходит за борт через штуцер 8 «кислород в атмосферу при заливке». В испаритель 3 кислород не поступает, так как в нем при заливке устанавливается давление, равное давлению заправки. При полностью заправленном сосуде указатель запаса кислорода показывает 100%, а из штуцера 8 пойдет устойчивая струя жидкого кислорода. После окончания заправки шланг ТРЖК отсоединяется от бортового штуцера «залив кислорода». При этом обратный клапан 6 закрывается и препятствует выбросу жидкого кислорода в атмосферу.

При хранении кислорода в СКГ под давлением электромагнитный клапан 2, вентили 4 и 8 должны быть закрыты. Под действием притока теплоты из окружающей атмосферы кислород в сосуде будет частично испаряться, в связи, с чем давление в сосуде 1 будет повышаться. При повышении давления в сосуде до 1,02 ±0,02 МПа открывается предохранительный клапан 7 и стравливает избыток кислорода в атмосферу.

Для пользования кислородом открывается кран 4 в положение «газификация» и включается электромагнитный клапан – СКГ пускается в работу. Жидкий кислород под действием статического столба жидкости поступает из сосуда 1 в испаритель 3, где преобразуется в газовую фазу. Испаритель на части своей длины имеет двойной канал. По одному из них кислород поступает к потребителю, а по второму – к ограничителю давления 5. Кислород из испарителя 3 через открытый клапан 5 поступает по центральной трубке в газовую полость сосуда. При испарении жидкого кислорода давление во всей системе и сосуде повышается и, как только оно достигнет величины (0,85 ± 0,05) МПа, срабатывает ограничитель давления 5 и закрывает доступ газа в сосуд из испарителя. Рост давления в сосуде прекратится. Жидкий кислород в испарителе 3, испаряясь после закрытия ограничителя давления 5, выдавливает остатки жидкого кислорода в сосуд. Отбор кислорода потребителем через кислородные приборы происходит из испарителя 3 при открытии вентиля 4 – «кислород потребителю».

При расходе кислорода потребителем давление в системе и сосуде начинает падать и при достижении величины ниже (0,85+0,05)МПа открывается ограничитель давления 5. Жидкий кислород из сосуда вновь поступает в испаритель 3, где газифицируется. Давление в системе и в сосуде вновь повышается до (0,85 ± 0,05) МПа. Ограничитель давления 5 закрывает проходное сечение. Таким образом, ограничитель давления 5 прикрывает проходное сечение при возрастании давления в сосуде и испарителе и, наоборот, увеличивает проходное сечение при уменьшении давления в сосуде и испарителе, т.е. обеспечивает регулирование и поддержание рабочего давления в газификаторе при его работе.

Когда газообразный кислород не расходуется, жидкий кислород удерживается в сосуде с помощью гидравлического затвора в сливной трубке, которая выполнена в виде сифона.

Давление в сосуде может расти и выше 0,9 МПа, если испаряемость кислорода превышает его расход потребителем. При избыточном давлении (1,02 ± 0,02) МПа предохранительный клапан 7 приоткрывается и стравливает избыток давления в атмосферу, а при давлении в 1,15 МПа клапан открывается полностью.

В газификаторах испарившийся в испарителе кислород перед подачей его потребителю подогревается в змеевике, смонтированном в кожухе газификатора. Здесь горячий воздух обдувает испаритель, и дополнительный подогрев газообразного кислорода перед кислородными приборами не требуется.

Химические источники

Химические генераторы кислорода представляют собой аппараты, в которых кислород выделяется из химических веществ путем их термического разложения, электролиза или иного вида реакции.

Применяемые на некоторых самолетах химические генераторы кислорода используют реакцию разложения алкалоидов металлов (хлоратов, перхлоратов). При их разложении может выделяться до 40…50% кислорода от общей массы. Необходимость использования устройств для охлаждения выделяемого кислорода и для очистки его от вредных примесей повышает относительную массу аппарата, приближая ее к относительной массе баллонов. Большим преимуществом хлоратных генераторов кислорода является возможность их длительного хранения практически без эксплуатационных затрат. Это особенно важно для запаса кислорода аварийного назначения, который должен находиться в постоянной готовности к работе. Схемы устройства генератора и системы с его использованием даны соответственно на рис. 2.3 и 2.4.

Бортовые разделители кислорода. Другим перспективным направлением развития самолетных источников кислорода следует считать создание бортовых аппаратов для получения кислорода из атмосферного воздуха непосредственно в полете.

Схема одного из возможных вариантов такого аппарата представлена на рис. 2.5. Отделение кислорода в этом аппарате производится при помощи так называемых хелатных соединений. При низкой температуре и высоком давлении эти вещества сорбируют кислород из воздуха, а при последующем нагреве и вакуумировании поглотительного патрона происходит десорбция кислорода. Реализация подобной системы в приемлемом для самолетных условий варианте с учетом лимитов массы, габаритных размеров, а также требований по ресурсам и эксплуатационной технологичности позволит иметь автономный постоянный источник кислорода, не зависящий от продолжительности полета и не требующий заправки на земле.

Особенности эксплуатации кислородного оборудования

Специфической особенностью эксплуатации кислородного оборудования является повышенная опасность возникновения пожара и взрыва в результате взаимодействия материалов с кислородом или с обогащенным кислородом воздухом. Поэтому выбор конструкционных материалов и технических решений при проектировании кислородного оборудования обусловлен выполнением, необходимых требований безопасного применения.

Прежде всего, должно быть исключено применение легко воспламеняемых и интенсивно горящих или образующих взрывчатые смеси веществ.

При эксплуатации кислородного оборудования могут возникать непредвиденные утечки кислорода из системы и повреждения, при которых создается повышенная концентрация кислорода в зонах ограниченного объема: отсеках, контейнерах и т.п. Опасность в этом случае усугубляется тем, что кислород вступает в контакт с материалами, не предназначенными для работы в такой атмосфере.

С учетом этого обстоятельства при компоновке кислородного оборудования на борту самолета необходимо обеспечивать размещение агрегатов и трубопроводов в хорошо вентилируемых местах в максимально возможном удалении от легковоспламеняющихся материалов и от вероятных источников воспламенения (искробразующих электроприборов и т.п.).

Применение надлежащим образом обезжиренных и очищенных трубопроводов из меди, никеля и сплавов на основе меди практически полностью исключает вероятность загорания при контакте с кислородом, находящимся под давлением до 40 МПа и более. Однако, в целях снижения массы и стоимости трубопроводов целесообразно, где возможно, применять трубопроводы из алюминиевых сплавов или нержавеющей стали.