Nam Cực có đặc điểm là nhiệt độ cực thấp -88,3 độ , độ cao (4.087 mét tại Mái vòm A), áp suất không khí thấp và nguồn cung cấp năng lượng và vật chất khan hiếm. Những điều kiện này đặt ra những yêu cầu nghiêm ngặt về khả năng chống chịu thời tiết, hiệu quả sử dụng năng lượng, độ ổn định và sự thuận tiện khi bảo trì thiết bị tạo oxy. Công nghệ tạo oxy Hấp phụ xoay chân không (VSA), dựa trên nguyên tắc cốt lõi là "hấp phụ áp suất thấp và giải hấp chân không", chứng tỏ những lợi thế đáng kể trong việc thích ứng với môi trường khắc nghiệt của Nam Cực và đảm bảo nhu cầu oxy của nhân viên nghiên cứu khoa học, khiến nó trở thành giải pháp ưu tiên cho các hệ thống tạo oxy tại các trạm nghiên cứu ở Nam Cực. Ưu điểm cốt lõi của nó có thể được tóm tắt thành năm khía cạnh sau:
1. Mức tiêu thụ năng lượng cực thấp- thích ứng với tình trạng khan hiếm năng lượng ở Nam Cực
Nguồn cung cấp năng lượng của các trạm nghiên cứu ở Nam Cực chủ yếu dựa vào máy phát điện diesel. Tuy nhiên, động cơ diesel cần được vận chuyển bằng đường biển hàng nghìn hải lý và sau đó bằng đường băng tuyết hơn một nghìn km, dẫn đến chi phí mua lại cực kỳ cao. Trong khi đó, độ cao khiến áp suất khí quyển giảm 11,5% cứ mỗi 1.000 mét tăng lên, hiệu suất của máy phát điện diesel giảm 10% tương ứng. Hiệu suất giảm của máy phát điện tại các trạm nội địa ở Nam Cực có thể lên tới 40%, khiến việc bảo tồn năng lượng trở thành yêu cầu cốt lõi đối với thiết bị tạo oxy. Công nghệ tạo oxy VSA rất phù hợp-với nhu cầu này: so với công nghệ tạo oxy Hấp phụ xoay áp suất (PSA) truyền thống đòi hỏi-không khí nạp có áp suất cao 4,5-7 bar, VSA chỉ cần không khí nạp có áp suất-thấp 200-300 mbar. Nó điều khiển luồng không khí đi qua máy thổi thay vì máy nén công suất cao, giúp giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống điện. Dữ liệu thử nghiệm cho thấy mức tiêu thụ năng lượng oxy nguyên chất của quá trình tạo oxy VSA chỉ 0,30-0,33 kWh/Nm³, thấp hơn nhiều so với công nghệ PSA. Ngoài ra, tải thiết bị có thể được điều chỉnh linh hoạt trong khoảng 50% -100%, có thể linh hoạt điều chỉnh lượng oxy sản xuất theo số lượng nhân viên nghiên cứu khoa học, tránh lãng phí năng lượng. Hơn nữa, một số hệ thống VSA có thể đạt được mức bảo toàn năng lượng tự tuần hoàn thông qua tối ưu hóa quy trình, thích ứng hơn nữa với các điều kiện khắc nghiệt về năng lượng khan hiếm ở Nam Cực.
2. Thấp mạnh-Khả năng thích ứng với nhiệt độ vượt qua các giới hạn của môi trường vùng cực
Nhiệt độ trung bình hàng năm ở Nam Cực thấp tới mức -58,4 độ và nhiệt độ cực thấp vào mùa đông có thể lên tới -88,3 độ. Thiết bị tạo oxy thông thường dễ gặp các vấn đề như độ giòn của vật liệu, đóng băng nước và lỗi khởi động. Công nghệ tạo oxy VSA có khả năng thích ứng nhiệt độ-thấp tuyệt vời thông qua thiết kế cấu trúc có mục tiêu: thứ nhất, tháp hấp phụ lõi sử dụng lớp lót bên trong bằng hợp kim niken-, có thể chịu được nhiệt độ dưới -60 độ, tránh hỏng hóc cấu trúc thiết bị trong môi trường{13}}nhiệt độ thấp; thứ hai, hệ thống tích hợp một lớp sấy đặc biệt và quy trình làm khô trước bằng sàng phân tử, có thể thu giữ độ ẩm và carbon dioxide trong không khí một cách hiệu quả trước khi tập trung oxy, ngăn nước đóng băng và chặn đường ống trong quá trình khởi động nguội. Điều này giúp giảm thời gian khởi động thiết bị từ 2 giờ của công nghệ truyền thống xuống dưới 30 phút, đảm bảo đáp ứng nhanh chóng nhu cầu oxy trong môi trường nhiệt độ thấp; thứ ba, hệ thống điều khiển điện đã trải qua quá trình xử lý tăng cường nhiệt độ thấp, có thể hoạt động ổn định ở nhiệt độ cực thấp -50 độ mà không cần thêm cabin cách nhiệt ở nhiệt độ cao, giảm chi phí triển khai thiết bị và chiếm dụng không gian.
3. Thiết kế mô-đun thích ứng với việc vận chuyển và triển khai ở vùng cực
Việc vận chuyển thiết bị cho các trạm nghiên cứu ở Nam Cực đòi hỏi nhiều phương tiện liên kết như tàu, máy bay trực thăng và xe trượt-máy kéo bánh xích. Hơn nữa, khả năng lưu thông của đường băng tuyết còn hạn chế nên yêu cầu cao về khối lượng, trọng lượng và sự thuận tiện khi tháo lắp của thiết bị. Công nghệ tạo oxy VSA áp dụng thiết kế mô-đun và thiết kế gắn trên thanh trượt tích hợp cao. Các thành phần cốt lõi (tháp hấp phụ, máy thổi, máy bơm chân không, hệ thống điều khiển) có thể được tích hợp vào các thiết bị tiêu chuẩn hóa, có kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tháo rời, vận chuyển và lắp ráp nhanh chóng tại chỗ-mà không cần các dự án cơ sở hạ tầng phức tạp. So với thể tích lớn và đường ống phức tạp của thiết bị tạo oxy tách khí đông lạnh truyền thống, diện tích sàn của hệ thống VSA chỉ bằng 1/3 đến 1/2 diện tích đó. Nó có thể được triển khai linh hoạt trong không gian hạn chế của trạm nghiên cứu, đồng thời thích ứng với những rung động nhẹ do dịch chuyển băng gây ra, đảm bảo độ ổn định về cấu trúc của thiết bị.
4. Vận hành và bảo trì hoàn toàn tự động giúp giảm sự phụ thuộc vào nguồn nhân lực vùng cực
Các trạm nghiên cứu ở Nam Cực có số lượng nhân sự hạn chế. Ngoài ra, việc vận hành và bảo trì thủ công trong môi trường khắc nghiệt có-rủi ro cao và chi phí-cao. Mức độ tự động hóa của thiết bị tạo oxy quyết định trực tiếp đến độ tin cậy của việc đảm bảo cung cấp oxy. Hệ thống tạo oxy VSA áp dụng logic điều khiển hoàn toàn tự động, thực hiện quá trình hấp phụ và tái tạo thay thế của nhiều tháp hấp phụ thông qua chuyển mạch van thông minh, có thể hoàn thành việc cung cấp oxy liên tục mà không cần can thiệp thủ công. Hệ thống này được trang bị các thiết bị giám sát-có độ chính xác cao như máy phân tích độ tinh khiết oxy trực tuyến và đồng hồ đo lưu lượng bù-áp suất, có thể-giám sát các thông số chính theo thời gian thực như độ tinh khiết sản xuất oxy (có thể điều chỉnh từ 80% đến 95%) và tốc độ dòng chảy. Khi xảy ra bất thường, thiết bị sẽ tự động kích hoạt cảnh báo âm thanh{12}}hoặc tắt bảo vệ để đảm bảo an toàn cung cấp oxy. Ngoài ra, chất hấp phụ của công nghệ VSA sử dụng một thiết bị nén đặc biệt, có thể tránh được quá trình nghiền thành bột qua rây phân tử do tác động của luồng không khí áp suất cao. Nó có tuổi thọ dài và chu kỳ bảo trì dài, giúp giảm đáng kể áp lực vận hành và bảo trì thiết bị trong môi trường vùng cực và thực hiện hoạt động ổn định không cần giám sát.
5. Độ ổn định cao đảm bảo nhu cầu cung cấp oxy liên tục
Nhu cầu oxy của các trạm nghiên cứu ở Nam Cực bao gồm nhiều tình huống như ký túc xá, căng tin và phòng điều trị, đòi hỏi nguồn cung cấp oxy ổn định và liên tục 24/7. Bất kỳ lỗi thiết bị nào cũng có thể đe dọa tính mạng của nhân viên nghiên cứu khoa học. Công nghệ tạo oxy VSA thực hiện chuyển đổi liền mạch giữa hấp phụ và tái tạo thông qua thiết kế song song-tháp đôi hoặc nhiều{5}}tháp, đảm bảo sản lượng oxy liên tục mà không bị gián đoạn do tái tạo-tháp đơn. Tỷ lệ thu hồi oxy của nó có thể đạt hơn 58%, cao hơn nhiều so với 30% của công nghệ PSA hai lớp hấp phụ truyền thống. Nó có thể tạo ra oxy có độ tinh khiết cao{12}}một cách ổn định (Lớn hơn hoặc bằng 90%) dưới áp suất nạp thấp, đáp ứng yêu cầu sử dụng oxy y tế. Đồng thời, hệ thống VSA có yêu cầu thấp về chất lượng khí nạp. Ngay cả trong môi trường không khí khô và bụi ở Nam Cực, các bộ phận cốt lõi vẫn có thể hoạt động bình thường thông qua thiết bị lọc sơ bộ mà không cần thêm hệ thống xử lý sơ bộ không khí phức tạp, cải thiện hơn nữa độ ổn định và khả năng chống nhiễu khi vận hành thiết bị.
Phần kết luận
Trong môi trường khắc nghiệt ở Nam Cực với nhiệt độ thấp, độ cao, năng lượng khan hiếm và nhân lực hạn chế, công nghệ tạo oxy VSA giải quyết chính xác các vấn đề thích ứng của công nghệ tạo oxy truyền thống với ưu điểm cốt lõi là "tiêu thụ năng lượng thấp, chịu được thời tiết khắc nghiệt, triển khai dễ dàng, tự động hóa hoàn toàn và độ ổn định cao". Nó không chỉ đảm bảo cung cấp oxy an toàn và đáng tin cậy cho nhân viên nghiên cứu khoa học mà còn giúp các trạm nghiên cứu ở Nam Cực đạt được hoạt động xanh và hiệu quả bằng cách giảm mức tiêu thụ năng lượng và chi phí bảo trì, khiến nó trở thành công nghệ tạo oxy được ưa chuộng trong môi trường cực đoan. Với việc liên tục tối ưu hóa công nghệ, triển vọng ứng dụng hệ thống tạo oxy VSA tại các trạm nghiên cứu ở khu vực nội địa sâu hơn của Nam Cực sẽ rộng hơn.