CN100345613C - 利用磁力实现空气中氧气富集的装置及方法 - Google Patents

利用磁力实现空气中氧气富集的装置及方法 Download PDF

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本发明提供了一种利用磁力实现空气中氧气富集的装置及方法，属于制氧技术领域。其装置包括：永久磁体(1，2)、空气源(3)、缓冲器(4)、空气输送管(5)、入口过渡段(6)、出口过渡段(8)、富氧空气输送管(9)、阀门(10，11)、富氮空气输送管(12)以及容器外壳(13)。方法是使空气注入一个具有开放边界，在边界上存在方向指向内部的梯度磁场的磁场空间，在空气从开放边界流出时，利用梯度磁场对氧气分子产生的作用力将空气中的氧气分子束缚在磁场空间内，在磁场空间内形成氧的富集区，把该区域内的气体引出得到富氧空气。优点在于：结构简单，操作方便，造价低廉，能耗低，使用寿命长，适应性广。

Description

利用磁力实现空气中氧气富集的装置及方法
技术领域
本发明属于制氧技术领域，特别是提供了一种利用梯度磁场产生的磁力实现空气中氧气富集的装置及方法。
背景技术
空气中氧气含量为20.9％，凡含氧量高于此值的空气称之为富氧空气。富氧空气可用于医疗，发酵及氧化过程；用于空调卧室与高原地区房间，以改善屋内的空气质量；用于农业可以实现密集型养鱼；用于内燃机，在循环供油量不变的前提下，可促进燃料的充分燃烧，提高能量的转换效率，在过量空气系数不变的前提下，可提高内燃机的做功能力，另外，造成内燃机排气污染的不完全燃烧产物CO的产生量也将大大减少；用于工业锅炉及工业窑炉，可增加炉内整体或局部氧气含量，减少炉内整体过量空气系数，有效降低由于过量空气系数过大时过剩空气带走的热量，降低排烟温度。由于富氧的增加，可以提高着火的条件，燃烧完全，在节煤的同时也保证了环保的效果。实践表明：当锅炉燃烧的富氧气体氧含量达到25％以上时，节能高达20％，锅炉启动升温时间缩短1/2～2/3。由于富氧空气在工业，农业，医疗以及人们日常生活中起着极其重要的作用，所以如何在常温常压下，用一种方便，经济的方法获得富氧空气成为人们关注的问题。
目前，许多国家都在研究这个课题，物理法生产富氧的方法有低温精馏法、吸附法和膜法等。深冷法效率高、设备复杂并且投资大，适用于大型制氧设备；吸附法不能连续地制取富氧空气，不能满足燃烧工作的要求，而且用于吸附的分子筛价格也较昂贵；膜法虽然可以连续供给富氧空气，但因富氧膜成本高，且遇水，遇油容易失效，使用寿命短，使富氧燃烧技术的推广受到限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用磁力实现空气中氧气富集的的装置及方法，在常温常压下实现空气中氧气富集，富氧装置具有结构简单，操作方便，造价低廉，能耗低，使用寿命长，适应性广等特点。
本发明的装置包括：永久磁体1，2、空气源3、缓冲器4、空气输送管5、入口过渡段6、出口过渡段8、富氧空气输送管9、阀门10，11、富氮空气输送管12以及容器外壳13；其中，永久磁体1，2之间的距离为0.1mm～1000mm，永久磁体1，2异极相对形成磁场空间7，并且在磁场空间的边界处存在很高的场强梯度；入口过渡段6的一端连接空气输送管5，另一端与磁场空间入口相连，使空气均匀流入磁场空间7；磁场空间7的出口通过出口过渡段8与富氧空气输送管9相连。富氮空气输送管12与容器14相连；阀门10，11分别安装在富氧空气输送管9和富氮空气输送管12上，通过配合调节这两个阀门，可以控制从富氧空气输送管9以及富氮空气输送管12流出气体的流量和压力。空气经过缓冲器4，然后被送入磁场空间7，当空气进入磁场空间7后，将沿流动方向的两侧从磁场空间7的边界流出，由于在磁场空间7的边界处存在指向磁场空间内部的场强梯度，氧气分子在磁场力的作用下其出流受到束缚，而氮气分子和其它分子可以顺利流出磁场空间7，被束缚在磁场空间内的氧气分子继续沿原来的方向流动，并且在流动的过程中，越来越多的氧分子被束缚在磁场空间内。这样就在磁场空间内部，尤其是在远离空气注入口的地方氧分子得到富集。富氧空气经过出口过渡段8和富氧空气输送管9输送到装置外；富氮空气流入容器14中，并最终会聚在一起，通过富氮空气输送管道12排出装置之外。如果采用多级结构，从装置中引出的富氧空气可以作为下一级装置的入口空气。
本发明所述的永久磁体截面的形状可以是方形、三角形、圆形，梯形或多边形。与此相对应，由其形成的磁场空间的截面形状可以是方形、三角形、圆形、梯形或多边形，只要在磁场空间的四周边界存在梯度磁场(磁场梯度的方向是指向磁场空间内部)即可，因此均处于本发明的范围之内。
本发明所示的氧气富集装置可以为多级结构，前一级的富氧空气出口作为后一级的空气入口，前后级装置具有相同的结构，因此所述装置的串联组合也属本发明范围之内
下面对本发明利用磁力来实现空气中氧气富集的原理及方法进行说明。
空气的主要成分是氧气和氮气，还有少量的二氧化碳，水蒸汽以及其它微量的惰性气体。在这些气体当中，氧气的体积磁化率为+146×10-6(“+”表示该气体为顺磁性气体)，这类气体在梯度磁场受到的磁力的方向与场强梯度方向一致。相反，氮气的体积磁化率为-0.58×10-6，二氧化碳的为-0.84×10-6，水蒸汽的为-0.58×10-6(“-”表示该气体为抗磁性气体)，这类气体在梯度磁场中受到的磁力的方向与场强梯度方向相反。由此可见，不但氧气的体积磁化率比空气中其它气体的体积磁化率大很多，而且其磁性相反。氧气的这一性质使得利用梯度磁场来实现空气中氧气的富集成为可能。
本发明所述的利用磁力实现空气中氧气富集的方法是使空气通过一个边界上存在梯度磁场的空间，利用梯度磁场对氧气分子产生的作用力把流动着的空气中的氧气分子束缚在磁场空间内，在磁场空间内形成氧的富集区，把该区域内的气体引出即可得到富氧空气。当空气从空气入口进入磁场空间后，将从四周开放边界上流出。当空气流出磁场空间时，由于边界处存在方向指向磁场空间内部的场强梯度，氧气分子(顺磁性分子)将受到指向磁场空间内部的磁力，因此其出流受到束缚；而氮气分子与其它气体分子(抗磁性分子)则受到指向磁场空间外部的磁场力，因此可以顺利流出磁场空间。这样就在磁场空间内部氧分子得到富集。
本发明所述的磁场空间由两块永久磁体异极相对形成，在磁场空间的四周边界处形成指向磁场空间内部的场强梯度。两块永久磁体相距的距离范围为0.1mm～1000mm。
本发明是利用梯度磁场的“磁筛”作用把空气中的氧分子束缚在磁场空间内从而实现氧气的富集，它与依靠梯度磁场对氧气产生的吸引力来改变流动空气中氧气的流动方向而实现氧气富集的方法不同，虽然两者都是利用了氧氮气分子在梯度磁场中会受到方向相反磁力作用的原理，但是前者可以有效避免氧气富集过程中，气体湍流，气体分子的布朗运动以及浓度扩散对氧气富集的削弱作用。
本发明具有以下优点：
1.可以在常温常压下进行氧气富集，不需要将空气液化，因而能耗小，成本低；
2.所需磁场由永久磁体产生，不另外消耗能量，同时，永磁材料价格便宜，选择范围比较宽；
3.用于氧气富集的主要部件不存在机械磨损，使用寿命长；
4.可以就地连续直接进行氧气富集，随制随用，不需要高压钢瓶运输与存储，节省费用而且安全。
5.结构简单，制成的装置体积小，重量轻，携带方便。
6.由于利用了梯度磁场的磁筛作用，因此可有效避免气体湍流，分子布朗运动以及浓度扩散对氧气富集的削弱作用，提高了富集效率。
7.应用范围广，从生活炉灶到工业锅炉，汽车的内燃机等均可以应用，提高了燃烧效率，大大节约了能源。
附图说明
图1是本发明实施例之一所采用的永久磁体的形状及其磁极布置形式的三维示意图。
图2是图1所示永久磁体所形成的磁场空间内的磁场分布示意图
图3是图1所示永久磁体装置富集空气中氧气的工作原理示意图。
图4是本发明装置结构的主视图。
图5是本发明图4所示装置从中间水平剖开的俯视图。
具体实施方式
图1～图5为本发明的具体实施方式。
如图1所示，两块矩形永久磁体异极相对，永久磁体之间所形成的缝隙就是所需的磁场空间，也是空气通道。
由图2可知，空气通道内部的磁场在永久磁体宽度方向上呈对称分布，在磁场空间中心及附近区域内，磁场几乎是均匀的，而在磁场空间的边界处附近急剧下降并降为零。因此在磁场空间的边界处附近存在很强的指向磁场空间内部的场强梯度，氧分子在该梯度磁场区域内受到的磁力指向磁场空间内部，而氮气分子与其它气体分子受到的磁力指向磁场空间外，如图3所示。因此氧分子被束缚在磁场空间内，而其它分子则流出磁场空间。梯度磁场的作用类似一个具有选择性的筛子，称之为“磁性分子筛”。沿空气进入磁场空间时的方向，越来越多的氧分子被磁性分子筛束缚在磁场空间内，而氮气分子可以通过该“磁性分子筛”流出磁场空间，在磁场空间内远离空气注入口的边界处氧浓度达到最大。
如图4、图5所示，永久磁体1，2异极相对形成磁场空间7，并且在磁场空间的边界处存在很高的场强梯度；入口过渡段6的一端连接空气输送管5，另一端与磁场空间入口相连，使空气均匀流入磁场空间7；磁场空间7的出口通过出口过渡段8与富氧空气输送管9相连。富氮空气输送管12与容器14相连；阀门10，11分别安装在富氧空气输送管9和富氮空气输送管12上，通过配合调节这两个阀门，可以控制从富氧空气输送管9以及富氮空气输送管12流出气体的流量和压力。空气经缓冲器4送入磁场空间7，当空气进入磁场空间7后，将沿流动方向的两侧从磁场空间7的边界流出，由于在磁场空间7的边界处存在指向磁场空间内部的场强梯度，氧气分子在磁场力的作用下其出流受到束缚，而氮气分子和其它分子可以顺利流出磁场空间7，被束缚在磁场空间内的氧气分子继续沿原来的方向流动，并且在流动的过程中，越来越多的氧分子被束缚在磁场空间内。这样就在磁场空间内部，尤其是在远离空气注入口的地方氧分子得到富集。富氧空气经过出口过渡段8和富氧空气输送管9输送到装置外；富氮空气流入容器14中，并最终会聚在一起，通过富氮空气输送管道12排出装置之外。如果采用多级结构，从装置中引出的富氧空气可以作为下一级装置的入口空气。

Claims (4)

1、一种利用磁力实现空气中氧气富集的装置，其特征在于：该装置包括：永久磁体(1，2)、空气源(3)、缓冲器(4)、空气输送管(5)、入口过渡段(6)、出口过渡段(8)、富氧空气输送管(9)、阀门(10，11)、富氮空气输送管(12)以及容器外壳(13)；永久磁体(1，2)异极相对形成磁场空间(7)，并且在磁场空间的边界处存在很高的场强梯度；入口过渡段(6)的一端连接空气输送管(5)，另一端与磁场空间入口相连，使空气均匀流入磁场空间(7)；磁场空间(7)的出口通过出口过渡段(8)与富氧空气输送管(9)相连；富氮空气输送管(12)与容器(14)相连；阀门(10，11)分别安装在富氧空气输送管(9)和富氮空气输送管(12)上，通过配合调节这两个阀门，控制从富氧空气输送管(9)以及富氮空气输送管(12)流出气体的流量和压力；空气经过缓冲器(4)被送入磁场空间(7)，当空气进入磁场空间(7)后，将沿流动方向的两侧从磁场空间(7)的边界流出，由于在磁场空间(7)的边界处存在指向磁场空间内部的场强梯度，氧气分子在磁场力的作用下其出流受到束缚，而氮气分子和其它分子可以顺利流出磁场空间(7)，被束缚在磁场空间内的氧气分子继续沿原来的方向流动，并且在流动的过程中，越来越多的氧分子被束缚在磁场空间内；在磁场空间内部远离空气注入口的地方氧分子得到富集；富氧空气经过出口过渡段(8)和富氧空气输送管(9)输送到装置外；富氮空气流入容器(14)中，并最终会聚在一起，通过富氮空气输送管道(12)排出装置之外。
2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于：永久磁体(1，2)之间的距离为0.1mm～1000mm；所述的永久磁体为三角形、圆形或多边形；与此相对应，形成的磁场空间的截面形状为三角形、圆形或多边形。
3、按照权利要求1所述的装置，其特征在于：采用多级结构，从该装置中引出的富氧空气作为下一级装置的入口空气。
4、一种利用磁力实现空气中氧气富集的方法，其特征在于：使空气通过一个边界上存在梯度磁场的空间，利用梯度磁场对氧气分子产生的作用力把流动着的空气中的氧气分子束缚在磁场空间内，在磁场空间内形成氧的富集区，把该区域内的气体引出得到富氧空气；当空气从空气入口进入磁场空间后，将从四周开放边界上流出，当空气流出磁场空间时，由于边界处存在方向指向磁场空间内部的场强梯度，顺磁性氧气分子将受到指向磁场空间内部的磁力，使其出流受到束缚；而抗磁性氮气分子或其它气体分子则受到指向磁场空间外部的磁场力，顺利流出磁场空间，这样就在磁场空间内部氧分子得到富集；所述的磁场空间由两块永久磁体异极相对形成，在磁场空间的四周边界处形成指向磁场空间内部的场强梯度，两块永久磁体相距的距离为0.1mm～1000mm。
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