Что такое кислородная свеча? Пиротехнический состав для получения кислорода. Рецензия на «Живое Откуда берется кислород в самолете

Кислород на борту летательного аппарата может храниться в газообразном, жидком и криогенном состоянии (§ 10.3), а также может находиться в связанном состоянии в соединении с некоторыми химическими элементами.

Потребность в кислороде на летательном аппарате определяется потреблением кислорода членами экипажа, величиной утечки его в окружающее пространство и необходимостью повторного создания давления в кабине регенерациоиного типа после ее вынужденной или аварийной разгерметизации. Потери кислорода при утечке из кабин космических кораблей обычно незначительны (например, на корабле «Аполлон» ~ 100г/ч).

Наибольшие расходы кислорода могут иметь хместо при повторном создании давления в кабине.

Количество кислорода, потребляемого человеком, зависит от веса человека, его физического состояния, характера и интенсивности деятельности, от соотношения в рационе питания белков, жиров и углеводов и от других факторов. Считается, что среднесуточное потребление кислорода человеком в зависимости от его энергетических затрат может изменяться от 0,6 до 1 кг. При разработке систем обеспечения жизнедеятельности для длительных полетов в качестве средней величины суточного потребления кислорода на 1 человека обычно принимается величина 0,9-1 кг.

Весовые и объемные характеристики данной системы регенерации зависят от времени полета и от характеристик системы хранения необходимых запасов кислорода и поглотителей вредных примесей.

Коэффициент а для системы хранения 02 в жидком состоянии составляет величину порядка 0,52-0,53, в криогенном состоянии - 0,7, а в газообразном состоянии - порядка 0,8.

Однако хранение кислорода в криогенном состоянии выгоднее, так, как в этом случае по сравнению с системой жидкого кислорода требуется более простая аппаратура, поскольку нет необходимости переводить кислород из жидкой в газообразную фазу в условиях невесомости.

Перспективными источниками кислорода являются некоторые химические соединения, содержащие большое количество Ог в связанном виде и легко его отдающие.

Целесообразность использования ряда высокоактивных химических соединений обоснована тем, что наряду с выделением кислорода в результате реакции они поглощают углекислый газ и воду, выделяемые в процессе жизнедеятельности экипажа. Кроме того, эти соединения способны дезодорировать атмосферу кабины, т. е. удалять запахи, токсические вещества и уничтожать бактерии.

Кислород в сочетании с другими элементами существует во многих химических соединениях. Однако лишь некоторые из них можно попользовать для получения О2. При работе на борту летательного аппарата химические соединения должны отвечать специфическим требованиям: 1) быть устойчивыми при хранении, безопасными и надежными в работе; 2) легко высвобождать кислород, причем с минимальным содержанием примесей; 3) количество высвобождаемого кислорода при одновременном поглощении С02 и Н20 должно быть достаточно большим, чтобы свести к минимуму вес системы с запасом веществ.

На космических летательных аппаратах целесообразно применять запасы кислорода в следующих химических соединениях: надперекисях щелочных металлов, перекиси водорода, хлоратах щелочных металлов.

Наиболее отработанным веществом выделения кислорода является надперекись калия.

Патроны с надперекисью пригодны для длительного хранения. Реакцией выделения кислорода из надперекиси калия можно легко управлять. Очень важно, что надперекиси выделяют кислород при поглощении углекислоты и воды. Можно обеспечить такое протекание реакции, при которой отношение объема поглощенной углекислоты к объему выделенного кислорода будет равно дыхательному коэффициенту человека.

Для осуществления реакции газовый поток, подлежащий обогащению кислородом и содержащий углекислый газ и пары

При первой основной реакции 1 кг К02 поглощает 0,127 кг воды и выделяет 236 л газообразного кислорода. При второй основной реакции 1 кг К02 поглощает 175 л углекислого газа и выделяет 236 л газообразного кислорода.

Из-за наличия вторичных реакций отношение объема выделенного в регенераторе кислорода к объему поглощенной углекислоты может изменяться в широких пределах и не соответствовать отношению объема кислорода, потребляемого человеком, к объему выделяемого им углекислого газа.

Протекание реакции того -или иного вида зависит от содержания паров воды и углекислоты газа в газовом потоке. С увеличением содержания паров воды увеличивается количество производимого кислорода. Регулирование производительности кислорода в регенерационном патроне и осуществляют путем изменения содержания паров воды на входе в патрон.

В качестве аварийных средств, предназначенных для быстрого производства кислорода, в случае, например, внезапной: разгерметизации кабины, применяют хлораты щелочных металлов (например, NaC103)t в. виде хлоратных свечей .

Практически возможный выход кислорода в этом случае ~40to/o. Реакция разложения хлоратов идет с поглощением тепла. Тепло, необходимое для протекания реакции, выделяется в результате окисления железного порощка, который добавляется в хлоратные свечи. Зажигание свечей производится фосфорной спичкой или электрозапалом. Хлоратные свечи горят со- скоростью порядка 10 мм/мин.

При использовании систем регенерации газовой среды в» кабине, основанных на запасах газообразного или криогенного- кислорода, требуется производить осушку газовой среды от паров воды, углекислого газа и вредных примесей.

Осушение газовой среды может осуществляться продувкой газа через поглотители воды или через теплообменники, охлаждающие газ ниже точки росы, с последующим отводом сконденсировавшейся влаги.

Кислородная свеча – это устройство которое при помощи химической реакции позволяет получить кислород пригодный для потребления живыми организмами. Разработана технология группой ученых из России и Нидерландов. Широко используется спасательными службами многих стран, также самолетах, космических станциях вроде МКС. Главные достоинства этой разработки это компактность и легкость.

Кислородная свеча в космосе

На борту МКС кислород является очень важным ресурсом. Но что будет если во время аварии или при случайной поломке перестанут работать системы жизнеобеспечения, в том числе система подачи кислорода? Все живые организмы на борту просто не смогут дышать и умрут. Поэтому специально для таких случаев на в космонавтов присутствует довольно внушительный запас химических кислородных генераторов, если говорить проще то это кислородные свечи . Как работает и использование подобного устройства в космосе, в общих чертах показали в фильме “Живое”.

Откуда берется кислород в самолете

В самолетах также используют кислородные генераторы на химической основе. Если борт будет разгерметизирован или случится другая поломка, возле каждого пассажира выпадает кислородная маска. Маска будет вырабатывать кислород в течение 25 минут, после чего химическая реакция остановится.

Как работает?

Кислородная свеча в космосе состоит из перхлората калия или хлората. В самолетах используют в большинстве случаев перекись бария или хлорат натрия. Также присутствует генератор зажигания и фильтр для охлаждения и очистки от других не нужных элементов.

"Использование химического противоречия в инновационном проекте: кислородная свеча"

Волобуев Д.М., Егоянц П.А., Маркосов С.А. ЦИТК «Алгоритм» г.Санкт-Петербург

Аннотация.

В предыдущей работе мы ввели понятие химического противоречия (ХП), решаемого введением или удалением вещества из композиции. В данной работе мы разбираем алгоритм решения ХП на примере выполнения одного из инновационных проектов.

Введение

Химические противоречия довольно часто возникают в ходе выполнения инновационных проектов, однако не формулируются в явном виде, поэтому успешность таких проектов определяется только эрудицией и научной подготовкой изобретательского коллектива. Приведенная в нашей предыдущей работе классификация приемов решения ХП позволяет нам предложить здесь пошаговый алгоритм решения ХП, который призван систематизировать научный поиск и, возможно, облегчить представление результатов работы людям, далеким от такого поиска.

Потребность в решении ХП, как правило, возникает на заключительной (верификационной) стадии инновационного проекта. Возможные направления исследований, область приемлемых решений, и ограничения выявлены на предыдущих стадиях проекта. Предлагаемый алгоритм не претендует на полноту и должен дорабатываться по мере выполнения проектов.

Пошаговый алгоритм решения ХП

1. Сформулировать ХП
2. Выбрать способ решения : (1) Введение дополнительного вещества или (2) сепарации вещества из композиции. Сепарация обычно требует перевода вещества в жидкую или газовую фазу. Если по условиям задачи вещество находится в твердой фазе, выбирается способ (1)
3. Уточнить класс веществ или группу технологий для (1) или (2) соответственно.
4. Использовать функционально-ориентированный поиск (ФОП ) для выявления технологии, максимально близкой к искомой. Главным образом, поиск сфокусирован на научных статьях и патентах с подробным описанием технологий.
5. Использовать перенос свойств (ПС) с найденных объектов на улучшаемый.
6. Выбрать оптимизируемый состав исходя из результатов ФОП и ограничений проекта.
7. Спланировать серию экспериментов и, если требуется, построить лабораторную установку для оптимизации состава
8. Провести эксперименты и изобразить результаты оптимизации на фазовой диаграмме или треугольнике состава
9. Если результат оптимизации неудовлетворителен, вернуться к пункту 3 и модифицировать состав композиции или закончить работу .

Пример 1. Кислородная свеча (Катализатор).

Контекст: Эта проблема возникла в ходе изобретения "бездымной сигареты" - сигарета должна сгорать в герметичном футляре, поставляя курильщику дым только при затяжке.

Ограничения: футляр должен быть маленьким (носимым в кармане) и дешевым.

Нужно отметить, что сигарета в футляре гаснет за единицы секунд из-за выгорания кислорода, поэтому центральной задачей проекта была признана разработка дешевого (одноразового) химического генератора кислорода.

Возможное решение: Кислород поступает при разложении бертолетовой соли. Температура и скорость реакции снижается за счет добавки катализатора (Fe 2 O 3), снижающего порог активации.

Ход решения по шагам:

1. Формулировка ХП: Газообразный кислород должен быть в зоне горения, чтобы поддерживать горение и его не должно быть в зоне горения, чтобы избежать теплового взрыва.
2. Способ решения: Выбираем направление (1) - добавка дополнительного вещества, поскольку, исходя из условий задачи, мы должны запасти окислитель в твердом агрегатном состоянии.
3. Уточнение класса веществ: Вещества, выделяющие или поглощающие значительные количества энергии.
4. Результат ФОП: была найдена существующая на рынке система, выполняющая функцию генерации чистого кислорода - это т.н. кислородная свеча, широко используемая в пассажирских самолетах для аварийной поставки кислорода для дыхания пассажира. Устройство кислородной свечи довольно сложное (см., например, , ), и обычно включает в себя буферную накопительную емкость с системой клапанов, т.к. кислород выделяется быстрее, чем это необходимо потребителю.
5. Перенос свойств: Необходимо перенести свойство генерировать кислород с найденной кислородной свечи на искомую мини-свечу. Использование буферной емкости в нашем устройстве недопустимо, вследствие наложенных ограничений, поэтому дальнейшая работа свелась к оптимизации химического состава свечи.
6. Выбор состава композиции: В качестве базовой была выбрана двойная система горючее-окислитель со смещенным равновесием в сторону окислителя . В качестве доступного окислителя выступала бертолетова соль, в качестве горючего и связующего - крахмал.
7. Планирование экспериментов и лабораторная установка: Необходимо провести серию экспериментов смеси крахмала с бертолетовой солью с различными концентрациями крахмала, измерить время реакции и выход кислорода. С этой целью необходимо разработать и собрать лабораторную установку с возможностью дистанционного электрического поджига, визуального контроля времени реакции и количественной оценки концентрации кислорода. Собранная установка показана на Рис.1.
8. Результаты экспериментов и выводы: Первые эксперименты показали, что в этой двойной системе искомое решение отсутствует - при малых добавках горючего подожженная свеча гаснет в футляре, с увеличением количества горючего сгорание свечи происходит недопустимо быстро - за одну-две секунды вместо искомых единиц минут => Возврат к пункту 3. Шаги последующей повторной итерации обозначены индексом "+".
9. Способ решения+: добавка дополнительного вещества.
10. Уточнение класса веществ+: Катализаторы
11. ФОП и ПС+: Изучение устройства спички позволяет заключить, что катализаторами разложения бертолетовой соли являются MnO 2 и Fe 2 O 3
12. Выбор состава композиции+: к базовой композиции подмешивалось третье вещество – оксид железа (Fe 2 O 3), выступающее одновременно катализатором распада бертолетовой соли, снижающим порог активации реакции и инертным наполнителем, отводящим тепло из зоны реакции.
13. Планирование экспериментов и лабораторная установка+: прежняя (Рис.1). Эффект от добавки катализатора в смесь заранее неочевиден, поэтому подмешивание катализатора начинали с малых величин и с соблюдением техники безопасности.
14. Результаты экспериментов и выводы+: Вследствие двухступенчатого характера реакции распада бертолетовой соли, добавка катализатора заметно снижала температуру и, соответственно, скорость реакции.

Рис. 1. Лабораторная установка для определения параметров горения и концентрации кислорода в составе продуктов горения кислородной свечи.

Добавка катализатора, кроме того, позволила заметно понизить пограничное количество горючего в смеси, при котором еще поддерживается устойчивая реакция. Контрольная добавка в базовую двухкомпонентную систему инертного наполнителя (аэросил SiO 2) не привела к заметным изменениям скорости горения.

Использование: для получения кислорода в системах жизнеобеспечения при аварийных ситуациях. Сущность изобретения: пиротехнический состав включает 87 - 94 мас.% NaClO 3 и 6 - 13 мас.% Cu 2 S. Выход O 2 231 - 274 л/кг, температура в зоне горения 520 - 580 o С. 1 табл.

Изобретение относится к области получения газообразного кислорода из твердых составов, генерирующих кислород за счет самоподдерживающей термокаталитической реакции, протекающей между компонентами состава в узкой области горения. Такие составы называют кислородными свечами. Генерируемый кислород может использоваться в системах жизнеобеспечения, в аварийных ситуациях диспетчерских служб. Известные пиротехнические источники кислорода, так называемые кислородные или хлоратные свечи, содержат три основных компонента: кислородоноситель, горючее и катализатор В хлоpатных свечах кислородоносителем служит хлорат натрия, содержание которого лежит в пределах 80-93% Горючим служит порошок металла железа с углекислотой. Функцию катализатора выполняют оксиды и пероксиды металлов, например МgFeO 4 . Выход кислорода лежит в пределах 200-260 л/кг. Температура в зоне горения хлоратных свечей, содержащих металл в качестве горючего, превышает 800 о С. Наиболее близким к изобретению является состав содержащий в качестве кислородоносителя хлорат натрия 92% горючего сплав магния с кремнием в соотношении 1:1 (3 мас.), а в качестве катализатора смесь оксидов меди и никеля в соотношении 1:4. Выход кислорода с этого состава составляет 265 5 л/кг. Температура в зоне горения 850-900 о С. Недостаток известного состава высокая температура в зоне горения, которая влечет за собой необходимость усложнения конструкции генератора, введения специального теплообменника для охлаждения кислорода, возможность загорания корпуса генератора от попадания на него искр горящих частиц металла, появление избыточного количества жидкой фазы (расплава) вблизи зоны горения, что ведет к деформации блока и увеличению количества пыли. Цель изобретения снижение температуры в зоне гонения состава при сохранении высокого выхода кислорода. Это достигается тем, что состав в качестве кислородоносителя содержит хлорат натрия, а в качестве горючего и катализатора сульфит меди (Cu 2 S). Компоненты состава берут в следующем отношении, мас. хлорат натрия 87-94; сульфид меди 6-13. Возможность использования в качестве горючего и катализатора сульфида меди основана на особом механизме каталитического действия. В ходе реакции обе составные части сульфида меди экзотермически окисляются:

Сu 2 S + 2,5O 2 CuSO 4 + CuO + 202,8 ккал. Эта реакция поставляет энергию для протекания самораспространяющегося процесса. Удельная энтальпия сгорания Сu 2 S (1,27 ккал/г) ненамного отличается от удельной энтальпии сгорания железа (1,76 ккал/г). Большая часть энергии поступает от окисления сульфидной серы до сульфатной и лишь небольшая часть от окисления меди. Сульфид меди более реакционноспособен, чем порошок металла железа и магния, поэтому основная экзотермическая реакция может протекать достаточно быстро при сравнительно низкой температуре 500 о С. Низкую температуру в зоне горения обеспечивает также то, что и сульфид меди, и продукт его окисления оксид меди являются эффективными катализаторами распада хлората натрия. По данным ДТА чистый хлорат натрия при нагревании со скоростью 10 о С/мин распадается на NaCl и O 2 при 480-590 о С, в присутствии 6 мас. Сu 2 S при 260-360 о С, а в присутствии 12 мас. СuO при 390-520 о С. Порошок Сu 2 S отличается более высокой дисперсностью < 0,01 мм и лучшей адгезией к хлорату натрия, по сравнению с металлическим Fe или Мg. Благодаря этому элементарный объем, приходящийся на долю каждой частицы горючего в случае значительно меньше, чем в случае частиц металла, что и обеспечивает меньшие температурные градиенты вблизи зоны горения и равномерность движения фронта горения. Дополнительные преимущества состава высокая равномерность горения и полное отсутствие искр, всегда наблюдаемые при горении составов с порошком металла, в качестве горючего. Выход кислорода в предлагаемом составе в зависимости от содержания Сu 2 S меняется от 230 до 274 л/кг. Температура горения лежит в пределах 520-580 о С, т. е. на 260-300 о С ниже, чем в известных составах. Скорость движения горячей зоны также зависит от содержания Сu 2 S и меняется от 0,23 до 0,5 мм/с при увеличении его от 6 до 13% Генерируемый кислород содержит небольшое количество диоксида серы около 0,2 мг/м 3 , что в 10 раз выше ПДК для медицинского кислорода. Используются технические реактивы без дополнительной очистки, производимые отечественной промышленностью. Для приготовления блоков смесь исходных компонентов перемешивают в шаровой мельнице в течение 30 мин. После этого прессуют блоки в стальной пресс-форме. Испытания прессованных блоков проводят в реакторе, снабженном воспламенительным устройством с электроспиралью. Объем выделившегося кислорода измеряют газосчетчиком ГСБ-400, температуру во фронте горения измеряют термопарой, помещенной в прессованный блок на глубину 5 мм. П р и м е р 1. Прессованный цилиндрический блок диаметром 30 мм и высотой 17,5 мм, содержащий 94 мас. NaClO 3 , 6 мас. сульфида меди, после инициирования спиралью равномерно горит со скоростью 0,23 мм/с с температурой в зоне горения 520 о С. Количество выделившегося кислорода 274 л/кг. В таблице представлены результаты испытаний состава по изобретению. Из них следует, что при уменьшении количества сульфида меди состав не горит. При увеличении количества сульфида меди относительно заявленных границ состав горит с очень высокой скоростью (выше 1 мм/с), с большим количеством пыли (100 мг/л). При такой высокой скорости горения возникает опасность взрыва состава. При занижении или завышении содержания хлората натрия или горючего-катализатора-сульфида меди состав теряет работоспособность. Таким образом, изобретение позволяет получить высокий выход кислорода 231-274 л/кг при сравнительно невысокой температуре в зоне горения 520-580 о С. Полученный кислород не содержит таких вредных примесей, как Сl 2 , углеродные соединения и минимальное количество SO 2 не более 0,55 кг/м 3 .

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ