ENCLOSED SPACE AIR RECYCLING DEVICE

DISPOSITIF DE REGENERATION DE L'AIR DANS UNE ENCEINTE FERMEE

Abrégé français

L'invention concerne un dispositif de régénération de l'air dans une enceinte fermée ou quasi-fermée disposant d'une énergie de fonctionnement autonome, comprenant un réservoir (12) contenant un matériau cryogénique utilisé pour la production de ladite énergie de fonctionnement. Le dispositif comprend un échangeur thermique principal (10) fonctionnant à la pression atmosphérique pour échanger de la chaleur entre l'air à régénérer (14) d'une part et le matériau cryogénique d'autre part, le réchauffement du matériau cryogénique jusqu'à sa température de fonctionnement dans la production d'énergie permettant le refroidissement du dioxyde de carbone contenu dans l'air à régénérer de façon à faire passer le dioxyde de carbone de l'état gazeux à l'état solide. Ce dispositif peut être utilisé avantageusement pour la régénération de l'air dans un sous-marin, en se servant du réchauffement de l'oxygène stocké sous forme liquide en vue de son utilisation comme comburant dans les moteurs du sous-marin.

Abrégé anglais

The invention concerns a device for recycling air in an enclosed or quasi-enclosed space featuring independent operating energy, including a reservoir (12) containing a cryogenic material used for the production of the said operating energy. The device includes a main heat exchanger (10) operating at atmospheric pressure to exchange heat between the air to be regenerated (14) on the one hand and the cryogenic material on the other hand, the cryogenic material heated to its operating temperature in the production of energy allowing the carbon dioxide, contained in the air to be regenerated, to be cooled, so the carbon dioxide passes from its gaseous state to its solid state. This device can be used advantageously for the regeneration of air in a submarine, using the heat of the oxygen stored in its liquid state to be used as a combustible in the submarine's engines.

Revendications

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REVENDICATIONS
1. Application à la régénération d'un air
pollué en air respirable dans une enceinte fermée ou quasi-
fermée, d'un dispositif disposant d'une énergie de
fonctionnement autonome, comprenant un réservoir (12)
contenant un matériel cryogénique utilisé pour la
production de l'énergie de fonctionnement et un échangeur
thermique principal (10) fonctionnant à la pression
atmosphérique pour échanger de la chaleur entre un milieu
gazeux contenant du dioxyde de carbone, d'une part, et le
matériel cryogénique, d'autre part, caractérisée en ce que
le milieu gazeux est constitué par de l'air à régénérer et
en ce que le réchauffement du matériel cryogénique jusqu' à
sa température de fonctionnement dans la production de
l'énergie permet d'abaisser la température de l'air à
régénérer à une valeur inférieure à la température de
solidification du dioxyde de carbone.
2. Application selon la revendication 1,
caractérisée en ce que la température de l'air à régénérer
est abaissée à une température de -135°C.
3. Application selon la revendication 1 ou 2,
caractérisée en ce qu'elle met en oeuvre en outre un
échangeur thermique annexe (22) traversé par l'air à
régénérer, d'une part, et par l'air régénéré, d'autre part,
pour effectuer un échange de chaleur entre l'air à
régénérer et l'air régénéré (18) provenant de l'échangeur
thermique principal (10), de sorte que l'air à régénérer
est pré-refroidi avant d'entrer dans l'échangeur principal

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et l'air régénéré est pré-réchauffé avant d'être libéré
dans l'enceinte.
4. Application selon la revendication 3,
caractérisée en ce que la liquéfaction de la vapeur d'eau
en excès dans l'air à régénérer est effectuée par le
passage de l'air à régénérer dans l'échangeur thermique
annexe (22), et en ce qu'une partie de l'eau récupérée est
envoyée à un humidificateur (26) à la sortie de l'échangeur
annexe de façon à restituer une humidité convenable à l'air
régénéré.
5. Application selon l'une quelconque des
revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle met en
ouvre en outre un moyen d'élimination du dioxyde de carbone
solide récupéré dans l'échangeur thermique principal (10)
composé d'un moyen de réchauffement de l'échangeur en non
fonctionnement, d'une pompe à vide et d'un compresseur, le
réchauffement permettant d'obtenir une pression de vapeur
du dioxyde de carbone suffisante pour alimenter la pompe,
et le compresseur servant à comprimer le dioxyde de carbone
pour le rejeter à l'extérieur.
6. Application selon l'une quelconque des
revendications 1 à 5, caractérisée en ce que l'échangeur
thermique principal (10) sert également à condenser les
polluants contenus dans l'air à régénérer.
7. Application selon l'une quelconque des
revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le matériel
cryogénique est de l'oxygène liquide.

10
8. Application selon l'une quelconque des
revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'enceinte
formée est l'habitacle d'un sous-marin propulsé par une
source d'énergie dont le comburant est de l'oxygène stocké
sous forme cryogénique dans le réservoir (2).
9. Application selon l'une quelconque des
revendications 1 à 8, caractérisée en ce que l'enceinte
fermée est l'habitacle d'un aéronef.

Description

J
1
La prêsente invention concerne un dispositif de
régénération de l'air dans une enceinte fermée ou quasi
fermée disposant d'une énergie de fonctionnement autonome
dont la production nécessite l'utilisation d'un matériau
stocké sous forme cryogënique.
Le maintien de la qualitë de l'air dans une
enceinte fermée telle que 1°habitacle d'un sous--marin est
une opération complexe puisqu'elle exige de produire
l'oxygène nécessaire à la respiration des hommes
d'équipage, de réduire la quantité de dioxyde de carbone
dans l'air qui a tendance à nettement augmenter du fait de
la respiration humaine et d'él.iminer les polluants
organiques de l'air produits par l'activité humaine.
Jusqu'â maintenant, la régénération de l'air dans
l'habitacle des sous-marins s'effectue au moyen de procédés
chimiques ou électrochimiques assurant les fonctions de
production d'oxygène st d'élïmination du dioxyde de carbone
et des polluants. L'oxygène est aussi générë, soit par
ëlectrolyse de l'eau, soit à partir d'oxygène liquide, soit
par réaction chimique à l'aide d'un chlorate de métal
alcalin ou d'un superoxyde de métal alcalin. L'élimination
du dioxyde de carbone se fait généralement à l'aide de
tamis moléculaires ou par absorption, par exemple avec des
amines. Enfin, l'élimination des polluants est effectué â
2S l'aide d'absorbeurs à charbons actifs ou de lits
catalytiques.
Cependawt, les installations de régénération de
l'air restent des matériels souvent encombrants, complexes,
consommant une grande quantitê d'énergie. Par ailleurs les
générateurs d'oxygène électrochimique produisent également,
â la suite des réactions d'électrolyse, de grandes
quantités d'hydrogène qu'il faut ensuite traiter.
Enfin, il faut signaler que l'élimination de
certains polluants organiques par charbons actifs bien que
très efficace, pose quelques problêmes liés au fait que les
polluants les plus légers sont désorbés par les polluants
les plus lourds. Cette propriété fait qu'il est extrêmement

m,
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difficile de dëterminer un bilan "matiëre" précis du
système atmosphérique, d'autant que des réactions de
décomposition ou de synthèse sont toujours possibles entre
les divers polluants.
Pour les installations de traitement de l'air en
service, on a su s'accommoder de ces différents
inconvénients. Cependant, la plupart des systèmes
actuellement développés ne sont pas utilisables pour les
sous-marins utilisant une source anaérobie d'ënergie
d'origine chimique , ces systèmes sont gënëralement de trop
grand consommateurs d'énergie par rapport à la quantité
d'énergie embarquëe.
Le but de l'invention est donc de rëaliser un
dispositif de régénération de l'air présentant une
consommation d'ênergie très rëduite, donc particulièrement
adapté pour un système anaërobie tel qu'un sous-marin ne
disposant que d'une rêserve d'énergie limitée.
L'objet de l'invention est par conséquent une
application à la régênération d'un air pollué en air
respirable dans une enceinte fermée ou quasi-fermée, d'un
dispositif disposant d'une énergie de fonctionnement
autonome, comprenant un réservoir contenant un matériel
cryogéniqùe utilisé pour la production de l'énergie de
fonctionnement et un échangeur thermique principal
fonctionnant à la pression atmosphérique pour échanger de
la chaleur entre un milieu gazeux contenant du dioxyde de
carbone, d'une part, et 1e matériel cryogénique, d'autre
part, caractérisée en ce que 1e milieu gazeux est constitué
par de l'air à régénérer et en ce que le réchauffement du
matériel cryogénique jusqu'à sa température de
fonctionnement dans la production de l'énergie permet
d'abaisser la température de l'air â régénérer à une valeur

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2a
inférieure â la température de solidification du dioxyde de
carbone.
Un autre objet de l'invention est un dispositif
de régénération de l'air dans une enceinte fermée ou quasi-
fermée disposant d'une énergie de fonctionnement autonome
utilisant un matériau stocké sous forme cryogénique,
comprenant un échangeur thermique fonctionnant à la
pression atmosphérique pour échanger de la chaleur entre
l'air à rêgénérer d'une part et le matériau cryogénique
d'autre part, le réchauffement du matériau cryogénique
jusqu'à sa température de fonctionnement permettant le
réfroidissement du dioxyde de carbone contenu dans l'air à
régénérer de façon à faire passer le dioxyde de carbone de
l'état gazeux à l'état solide.
Le dispositif selon l'invention tel que défini ci-
dessus peut ainsi étre utilisé dans un sous-marin, la
source de froid étant constituée par tout ou partie de la
masse d'oxygêne liquide embarquée qui possède une capacité
frigorifique largement suffisante pour refroidir l'air â
régénérer et condenser le dioxyde de carbone.

~11~63~
3
Les buts, objets et caractéristiques de l'invention
apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit
faite en référence aux dessins dans lesquels
la figure 1 représente schématiquement 'le principe
utilisé dans le dispositif selon l'invention, et
la figure 2 représente un schéma synoptique d'un
mode de réalisation de l'invention.
Dans un sous-marin utilisant une source chimique
anaérobie d'énergie, le comburant utilisé pour la
combustion est de l'oxygène stocké sous forme cryogénique
dans un réservoir, destiné à être utilisé dans des piles à
combustibles, des moteurs thermiques à combustion interne
tels que moteurs Diesel, des moteurs thermiques à
combustion externe tels que moteurs Stirling ou d'autres
systèmes mettant en oe~vre des réactions d'oxydation d'un
carburant. Cet oxygène qui est à une température d'environ
-170'C, doit donc être réchauffé pour pouvoir être utilisê.
On élève ainsi la température de l'oxygène gazeux jusqu'à
-20'C à l'entrée du moteur du sous-marin.
En référence à la figura 1, le principe de
l'invention consiste à utiliser un échangeur thermique 1.0
qui reçoit d'une part l'oxygène cryogénique en provenance
du réservoir de stockage 12, et d'autre part l'air à
régénérer par l'entrée d'air 14 à la pression
atmosphérique.
Dans l'échangeur 10, l'oxygène liquide perd ses
frigories.(ou acquiert des calories) et donc se réchauffe
pour atteindre une température d'environ -20'C à la sortie
d'oxygène 16. Pendant le même temps, l'air à régénérer se
refroidit dans l'échangeur 10 jusqu'à une température
d'environ -135'C et est évacué par la sortie d'air régénéré
18. La tempêrature atteinte par l'air étant inférieure à 1a
température de solidification (-78,5'C) du dioxyde de
carbone gazeux à la pression atmosphérique, le dioxyde de
carbone se solidifie au passage de l'air dans l'échangeur
et peut donc être facilement récupéré en sortie de ce
dernier. L'air à la sortie 18 est donc débarrassé du

~~~~~J~
4
dioxyde de carbone en excés dû principalement à la
respiration humaine dans l'enceinte fermée.
Bien que le dioxyde de carbone se solidifie (à la
pression atmosphérique) é une température de -78,5°C, il
est nécessaire d'abaïsser la température de l'air â une
valeur bien inférieure à -78,5°C, par exemple â -135°C
Comme on vient de le voir. Cette 'température inférieure est
en effet nécessaire, â la pression atmosphérique, pour
obtenir une tension de vapeur de C02 dans l'air traité
telle que la concentration en C02 devienne inférieure à la
concentration maximale admissible pour la durée
d'exposition retenue.
La figure 2 représente schématiquement le mode de
réalisatïon préféré de l'invention. L'air à régénérer
propulsé par un ventilateur 20 est d'abord envoyé dans un
êchangeur thermique annexe ou récupérateur de froid 22
avant d°a~tteindre l'échangeur 'thermique 10. L'air qui
penê~tre dans ce dernier par l'entrée 14 est donc un air
pré-refroidi. Par contre 1°air refroidi en sortie 18 de
l'échangeur 10 est donc réchauffé au contact de l'air â
température ambiante dans le récupérateur de froid 22.
Comme précédemment, le dioxyde de carbone solide
est récupéré en sortie de l'êchangeur thermique 10. Par
contre l'air propulsé par le ventilateur 20 dans le
récupérateur de froid 22, se refroidit suffisamment pour
que la vapeur d'eau en excès contenue dans l'air à
régénérer,soit liquéfiée. L'eau liquide est récupérée à la
sortie 24 du récupérateur 22 et une partie de cette eau est
alors recyclée dans l'humidificateur 26 pour rétablir le
degré d'humidité de l'air régénérë à la sortie, pendant que
l'eau en excès est récupérëe é la sortie 30.
En plus du dioxyde de carbone, l'air é régénérer
contient divers polluants qui sont, soit solubilisés dans
l'eau rëcupérée, soit condensés en même temps que le
dioxyde de carbone â basse température. Ces polluants sont
le pentane, les hydrocarbures de poids moléculaire
supérieur, le benzéne et les dérivés benzèniques, le

w 5
tétrachlorure de carbone, certains Oxydes d'azote, c~rtains
(réons. . o
L'air r~gén~~cé à la sortie 29 peut âtre encore trop
froid pour âtre envoyé dans ~.°habitacle. câne solution
consiste ~ le réOhauffer aven une souxoe chaude tello que
l'eau da mer.
Bien que non représenté sur les figures 1 et 2, 1~
transfert thermique dans 1'échangeux i~ peut s'effectuer,
pour des raisons d~ sécurité, au moyen d'un fluid~
intermédiaire calopor~teu.r de façon ~ éviter de faix$
véhiculer l'oxygëne liquida ~ proacim~.~t8 des cixcuits d'air.
tans l'échangeur thermique 10, la masse de dioxyde
de carbon~ et de polluants divers augmente peu é peu. A la
longue, cette mass~ peut devenir génawts. C°est pourquoi. il
est utile de prévoir l'élimination d~ cette masse de Coi et
de polluants. Diverses solutions existent qui sont liées â
la forma du diagramme d ° ëquilibr~ des phases de C02 et la
présence d'un point trip3.e.
Une premiére, solution consiste é évacuer é
i0 1°extérieur la dioxyde de carbone : on isole l'êchangeur
thermique et on stoppa l'arrivée d'oxygéne. La température
. augmente et.J,a pression s'ëlève ~usqu'~ atteindre une
pression suffisante pour éjecter le dioxyd~ de carbone à
3.'extérieur ou le stocker sous une form~ comprimée.
23 Une deuxiéme solution consista à réchauffer
l'éohang~eur isolé jusqu'â liquéfaction du C02, par exempl~
é a bars et -52°C. La Co2 liquide peut âtre pompé vers
l'extérieur.
' Dans une troisième solution, l'échangeur est
~0 r80hauffé é une température compris~ entre -1.05°C et -î5°C.
A ce moment ïe CO2 est gazeux é une pression comprise entre
Oll ot 1 bar. Il pout alor~a étro oomprimé ~roro 1,"oast8riour
au moyen d'un compresseur.
Bn~in, la quatriém~ solution consiste é réchau~f~r
35 l'échangeur d une température tg7.la que la pression da
vapeur soit suffisante pour alimenter une pompe à vide
primaire. Par example é -120°C, la pression da vapeur de

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C02 est de l'ordre de 0,01 bar. Le C02 peut donc être
comprimé jusqu'à la pression atmosphérique puis rejeté à.
l'extérieur par un compresseur. Cette solution est utilisée
de préfërence:
La mise en oeuvre de l'invention dans un sous-marin
à propulsion par un moteur chimique Bertin* type Mesma
s'appuie sur les valeurs suivantes:
consommation 02 du moteur: 100kg/heure
température de 02 à l'entrêe du moteur . -20'C
nombre de personnes: 30
consommation humaine de 02: 25 1/homme/ heure
production humaine de C02: 20 1/homme/heure
teneur en C02 dans l'habitacle: <0,7%
température moyenne: 20'C
En régime permanent, les débits à respecter sont
donc les suivants:
débit de C02 à éliminer: 600 1/heure soit 1178g/h
dêbit de 02 au moteur: 100kg/heure
débit d'air à traiter: 600/0,007.10/9(coefficient
de sécuritë ) soit 114 Kg/h
débit d'eau à éliminer:1809 g/h
Compte tenu des chaleurs spécifiques des différents
produits impliqués dans la régénération, les quantitês de
chaleur mises en jeu sont les suivantes:
1) refroidissement de L'air à régénërer d'une
température de +20'C à une température de 0'C.
air: 570 kcal/h
eau: 36 kcal/h
C02: négligeable
Total ~ 600 kcal/h
2) condensation de H20 et élimination â 0'C
eau: 1128 kcal/h
3) refroidissement de l'air de 0'C à -135'C
air: 3848 kcal/h
4) congélation du C02
C02: 160,5 kcal/h
* (marque de commerce

7
Ce qui correspond â un fatal de 573 kcal/h. Cette
valeur est nettement inférieure à la quantitê de frigories
disponibles pour faire passer l'oxygène cryogénique (-70°C)
à la température de - 20°C, soit vaporisation= 5000 kcal/h.
réchauffage à -20°C= 3821 kcal/h
donc un total de 821 kcal/h
Bien que le dispositif de l'invention ait été
décrit en liaison avec un sous-marin, il peut être
évidemment utilisé pour tout système comportant une
enceinte fermée ou quasi-fermée et disposant d'une source
d'énergie autonome util~aant un matériau stocké à très
basse tempêxature, la source d'énergie ëtant utilisée pour
la propulsion ou pour autre chose. Par exemple, il est
possible d'utiliser le dispositif de l'invention dans un
avion pour lequel on cherche à réduire au maximum le
renouvellement de :1'aïr de 1a cabine pour des raisons
d'économie en carburant. Dans ce cas la source de froid que
constitue l'atmosphére (à environ -~0'C) peut ëtre
suffisante pour les polluants et la vapeur d'eau.
Une autre application du dispositif de l'invention
est son utilisation dans un aéronef ou une navette
spatiale. Dans ce type d'engin, il est prévu d'emporter une
quantité importante (plusieurs dizaines de tonnes)
d'hydrogène liquide et parfois d'oxygène liquide. Par
conséquent, il est aisé d'utiliser le dispositif de
1°invention pour obtenir une régênération de l'atmosphère
de la cabine fermée, grâce aux frigories récupérées par
réchauffement des matériaux cryogéniques.

Dessin représentatif