一种利用液氧冷量冻结清除二氧化碳气体的方法
专利汇可以提供一种利用液氧冷量冻结清除二氧化碳气体的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种利用液 氧 冷量来冻结 净化 密闭空间 的空气中二氧化 碳 气体的方法，首次提出利用液氧冷量通过低温分离法冻结清除人体呼吸代谢产生的二氧化碳气体的方案，将液氧冷量 回收利用 方法和低温冷冻分离二氧化碳方法结合，以液氧作为冷源，充分利用液氧冷量回收产生的 能量 ，借助二氧化碳 相变 （ 凝华 ） 临界点 与其它气体组分相异的物质特性，在常压下将空气中二氧化碳冻结（凝华）分离出来，实现密闭空间二氧化碳清除的新技术途径。，下面是一种利用液氧冷量冻结清除二氧化碳气体的方法专利的具体信息内容。
1.一种利用液氧冷量冻结清除空气中二氧化碳气体的方法，其特征在于由除水环节、回冷环节、冻结环节组成，各环节分别通过除水装置、回冷装置、冻结装置实现，主要有三个步骤：
步骤一：空气在除水装置对来流空气进行除水处理，进入除水装置的来流空气的循环风量F根据密闭空间内人员的数量以及二氧化碳的人体可接受浓度与目标浓度的差值来控制：
步骤二：空气从除水装置出来后进入回冷装置进行深冷降温，在回冷装置中经过两路冷源被降温到空气所含二氧化碳浓度对应的饱和温度附近；回冷装置包含气冷腔和液冷腔，气冷腔的冷源来自冻结装置出来的回冷空气，液冷腔的冷源来自液氧；
空气在回冷装置中降温至冻结装置入口温度需要的冷量R2根据除水装置的来流空气的循环风量和空气在回冷装置中的进出口温差来确定；通过回冷空气获得的冷量为R4，通过液氧获得的冷量则为R2-R4；
步骤三：经过回冷装置深度降温的空气进入冻结装置，在冻结装置中将其含有的二氧化碳冻结成干冰，从而除去空气中二氧化碳气体；其中，在冻结装置中将其含有的二氧化碳冻结成干冰所需的冷量R3根据除水装置的来流空气的循环风量以及冻结装置出入口处二氧化碳浓度差来确定。
2.根据权利要求1所述的一种利用液氧冷量冻结清除空气中二氧化碳气体的方法，其特征在于进入除水装置的来流空气的循环风量F按下述公式计算：
F＝K1×A×N/(Cin-Cout)
其中：F为除水装置的来流空气的循环风量，单位m3/h；计算风量裕度系数取K1；设密闭空间人员数量为N；密闭空间内二氧化碳控制百分比浓度Cin，即密闭空间内人体可接受二氧化碳体积浓度；二氧化碳的净化目标浓度Cout；一个标准人因生理代谢呼出二氧化碳量A，单位m3/h。
3.根据权利要求1所述的一种利用液氧冷量冻结清除空气中二氧化碳气体的方法，其特征在于空气在回冷装置中降温至冻结装置入口温度需要的冷量R2计算方法如下：
R2＝K2×F×ρ×Δt×C÷3600
Δt＝t1－t2
其中，K2为回冷装置液冷腔的设计裕度系数；F为空气循环风量，即除水装置的来流空气的循环风量，单位m3/h；ρ为平均温度下的空气密度，单位kg/m3；C为空气的比热容，单位KJ/(Kg·K)；Δt为空气在回冷装置中的进出口温差，单位℃；t1为回冷装置进口温度，t2为回冷装置出口温度。
4.根据权利要求3所述的一种利用液氧冷量冻结清除空气中二氧化碳气体的方法，其特征在于通过回冷空气获得的冷量为R4，通过液氧获得的冷量则为R2-R4，R4计算方法如下：
R4＝K4×F×ρ×(0-t3)×C÷3600
其中，K4为为回冷装置气冷腔的设计裕度系数；F为空气循环风量，即除水装置的来流空气的循环风量，单位m3/h；ρ为平均温度下的空气密度，单位kg/m3；t3为冻结装置出来的空气温度，单位℃：C为空气的比热容，单位KJ/(Kg·K)。
5.根据权利要求1所述的一种利用液氧冷量冻结清除空气中二氧化碳气体的方法，其特征在于在冻结装置中将其含有的二氧化碳冻结成干冰所需的冷量R3计算方法如下：
R3＝K3×F×(Cin-Cout)×ρ×H÷3600
其中，K2为冻结装置设计裕度系数；F为空气循环风量，即除水装置的来流空气的循环风量，单位m3/h；Cin为冻结装置入口处二氧化碳浓度，Cout为冻结装置出口二氧化碳处浓度；ρ为平均温度下的二氧化碳密度，单位kg/m3；H为平均温度下二氧化碳的冻结潜热，单位kJ/kg。
6.根据权利要求1所述的一种利用液氧冷量冻结清除空气中二氧化碳气体的方法，其特征在于冻结二氧化碳需要的液氧供氧量Q根据冷量平衡式：R2+R3-R4≤213*Q+0.909*183*Q计算。
一种利用液氧冷量冻结清除二氧化碳气体的方法
技术领域
背景技术
存在这样或那样的问题和不足。以乙醇胺吸收装置为代表的一类装置存在着占用体积大、
重量大、功耗高、噪声高、结构复杂、维修性差等问题，以氢氧化锂吸收剂为代表的一类消耗
品方法存在着携带量大、消耗量大、使用不便、严重挤占有限空间等问题。对于诸如潜器、潜
艇或深海空间站等水下密闭空间迄今还没有一种环保节能、相对理想、用户体验优越的二
氧化碳净化处理方式。
原动机工作原理各有不同，包括FC/AIP(燃料电池AIP)、SE/AIP(热气机AIP)、MESMA/AIP(闭
式循环汽轮机AIP)等等，但是它们都有一个共同的技术特征就是均携带有大量液氧作为原
动机水下工作时的氧化剂，同时这些液氧也用来较好地解决了密闭空间人员呼吸氧的供给
问题。但是，对于密闭空间人体呼吸代谢产生的二氧化碳清除问题，仍然一直没有较好的处
理方法。
如何解决人员呼吸代谢产生的二氧化碳清除问题成为需要解决的突出和现实问题。
究，舰船科学技术，第36卷第6期，2014年6月，etc)。国外有文献(《从化学燃料的AIP回路中
排除二氧化碳的方法》(杨学宁译自А.Л.Гснкин.В.Н.Мошков,В.Н.Тсмнов.
В.В.ДыбокСпособы.УдаленияДиоксидаУглеродаизконтураАНЭУнаХимическомТоплнве.Судостроение,2002(6):28-30.))探讨利用液氧清除热气机燃烧废气的，但是文献给出的结论是液氧能量不足以支撑废气液化处理。
发明内容
方法，将液氧冷量回收利用方法和低温冷冻分离二氧化碳方法结合，以潜器、潜艇或深海空
间站的AIP动力系统携带的巨量液氧作为冷源，利用空气中各组分相变点温度不同特性，在
常压下将空气中的二氧化碳冻结(凝华)分离出来，实现密闭空间二氧化碳的清除。
作流程见图1，主要有三个步骤：
表面，影响热交换和二氧化碳冻结，空气中的水蒸气需要提前清除。
二氧化碳体积浓度)，二氧化碳的净化目标浓度Cout；一个标准人因生理代谢呼出二氧化碳
量A，单位m3/h(一般取值0.022m3/h)。
温度±1％附近。回冷装置包含气冷腔和液冷腔，气冷腔的冷源来自冻结装置出来的极低温
度空气(即回冷空气)，液冷腔的冷源来自液氧。由于从冻结装置出来的空气温度相当低，因
此将极低温度冷空气再引回回冷环节作为冷源在回冷装置冷却来流空气，这是回冷装置名
称的来由。
位KJ/(Kg·K)；Δt为空气在回冷装置中的进出口温差，单位℃；t1为回冷装置进口温度(即
除水装置出口温度)，t2为回冷装置出口温度(即冻结装置进口温度)。t1主要是根据除水装
置冷却情况确定(如果借助外界空调冷媒水进行预冷，一般冷媒水通常低至5℃，由此可直
接假设预冷后的空气温度为10℃)；确定t2主要依据是二氧化碳气-固相平衡时的饱和温
度。在一个大气压下，二氧化碳饱和温度与饱和浓度有一定的对应关系，可在二氧化碳物性
参数中查得。要想将空气中的二氧化碳降低至某一浓度，只要将空气温度降低至对应的饱
和温度，根据二氧化碳的控制浓度或目标浓度就可获得对应的温度，这是冷冻法清除二氧
化碳的理论基础。
冷量仍可回收利用。通过回冷(冻结装置出来的极低温度空气)获得的冷量为R4，通过液氧
获得的冷量为R2-R4，R4计算方法如下：
单位KJ/(Kg·K)。
三相点温度-56.6℃、压力0.52MPa。在空气压力低于三相点压力时二氧化碳气体无法凝结
成液体，只能从气态冻结成固态。在冻结装置中，利用液氧蒸发的冷量将常压空气降温到三
相点以下致使空气中二氧化碳气体凝华为固体分离出来。二氧化碳气体冻结是一个动态变
化过程。当二氧化碳开始冻结后，随着冻结过程中的进行，附着在换热器表面的二氧化碳固
体会越积越多，过多的二氧化碳固体会增加传热热阻，从而影响二氧化碳的继续冻结。本技
术方案考虑到这个实际工程因素，当冻结速率降低到一定程度需要让冻结装置再生。冻结
装置由两个模块并联组成，当一个模块需要再生时，可以切换到另一模块。
浓度；ρ为平均温度下(冻结装置出来的空气温度t3，也就是回热温度t3，即冻结装置至回冷
装置的空气温度，其预设值可在一定范围之内选择，但是必须低于二氧化碳控制浓度对应
的饱和温度t2)的二氧化碳密度，单位kg/m3；H为平均温度下二氧化碳的冻结潜热，该值可查
NIST标准数据库获得，单位kJ/kg。
小于或等于液氧能提供的冷量。设定液氧供氧量Q(Kg/h)，其从液氧储存温度-183℃汽化并
温升到0℃，吸收的潜热和显热分别为：213*Q(KJ/h)、0.909*183*Q，其中液氧汽化潜热按
213kJ/Kg，氧气比热容取0.909KJ/(Kg·K)。根据冷量平衡式：R2+R3-R4≤213*Q+0.909*183*
Q，由此可计算出冻结二氧化碳需要的液氧供氧量Q。由此控制策略是：以舱室二氧化碳控制
浓度对应的饱和温度t2和空气循环风量F两项作为达标性指标，基于两个可变参数t3和Q，通
过调节液氧供氧量Q(Kg/h)和回热温度t3(℃)，实现二氧化碳的持续有效清除。
热器，从液氧罐出来的液氧分两路在回冷装置和冻结装置中汽化吸热，将从液氧罐输出的
液氧加热汽化成常温气态氧，输出到箱装体供热气机燃烧用或供人员呼吸用；来流空气经
除水、回冷、冻结环节后，再次从回冷装置排出。
作为冷源，充分利用液氧冷量回收产生的能量，借助二氧化碳相变(凝华)临界点与其它气
体组分相异的物质特性，在常压下将空气中二氧化碳冻结(凝华)分离出来，实现密闭空间
二氧化碳清除的新技术途径。
流程：一是从液氧罐出来液氧按照先到冻结装置再到回冷装置最后到除水装置的流程顺序
进行汽化吸热从液态转变为气态；二是回冷装置的冷源来自两路(液氧和冻结装置出来的
极低温度空气)。通过流程优化设计，确保了液氧冷量供给与呼吸代谢二氧化碳清除的耗能
之间取得平衡，这是本技术方案中技术问题的重点。
氧化碳清除传统方式带来的消耗品多、占用体积大、重量大、功耗高、噪声高、结构复杂、维
修性差等问题。
附图说明
具体实施方式
度设定冻结装置进口二氧化碳浓度，冻结装置出口二氧化碳含量取0.1％计。如果AIP潜艇
人体可接受二氧化碳浓度(即二氧化碳控制浓度)取值0.7％，相当于净化效率85.7％。进而
根据公式F＝K1×A×N/(Cin-Cout)可以确定循环风量。假定人员编制N＝27，裕度系数取K1＝
1.5，循环风量算得为F＝150m3/h作为设计条件。
庞大和复杂。本技术方案不配置空压机，选择在常压下对二氧化碳进行冷冻分离。
出口浓度。饱和体积浓度0.1％(饱和蒸汽分压0.1％的浓度)，对应的饱和温度为-136.67
℃。因此回热温度先预设为-136.67℃，如果后面液氧冷量符合条件要求，则将-136.67℃明
确为最终回热温度。由此可将二氧化碳冻结温度在-121.66℃至-136.67℃之间，取平均温
度-130℃为二氧化碳的冻结温度进行相关计算。
＝0.3kW
处浓度，取0.1％。ρ为二氧化碳密度，标准状况下取值1.977kg/m。H为对应温度下二氧化碳
的冻结潜热。按NIST标准数据库，二氧化碳在平均冻结温度-130℃下的冻结潜热为602kJ/
kg。
度。
微量有害气体也能同时冻结出来，处理后的空气是安全且能重复使用的。
冷，预冷效果将更好)，在回冷装置中被降低至-130℃。F为空气循环风量。ρ为空气密度，标
准状况下取值1.2kg/m3。C为空气的比热容，取定压比热容Cp＝1.003KJ/(Kg·K)。
回到回冷装置中可以减少或抵消回冷装置对冷量的一部分需求，这也是我们把第二部降温
装置称之为回冷装置的原因。-130℃空气经过回冷装置，温度回到常温，假如回热效率
70％，回冷装置可以减少对冷量的需求约4.56kW。
(Kg·K)。考虑液氧汽化潜热和从-183℃上升至供氧温度0℃时显热，可计算出产生2.76KW
的冷量需要的液氧质量速率为0.0083kg/s(29.8kg/h)。
调范围从数十瓩到上百瓩，因此实际使用中，从功率分配中拿出对应的29.8kg/h耗氧即可
实现目标任务。
h)，可以提供2.76KW冷量。流量150m /h的含二氧化碳0.7％的空气，经过预冷、回冷和冻结
三个环节可以实现空气中二氧化碳气体的有效控制和清除，其中应将冻结装置出来至回冷
装置的空气温度(回冷温度)控制在-136.67℃左右。由此，通过来流空气风量150m3/h的持
续循环，可以将密闭空间二氧化碳浓度控制在预期目标0.7％以内。
保护范围。
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