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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anreicherung und/oder Trennung von Sauerstoff aus Luft. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Anreicherung und/oder Trennung von Sauerstoff aus Luft.
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Als Luft bezeichnet man im Allgemeinen das Gasgemisch der Erdatmosphäre. Luft besteht hauptsächlich aus den zwei Gasen Stickstoff (78%) und Sauerstoff (21%). Insbesondere in der Verbrennungstechnik ist oftmals ein erhöhter Anteil an Sauerstoff in der zugeführten Verbrennungsluft wünschenswert. Zahlreiche Verbrennungsprozesse könnten mit erhöhter Sauerstoffzufuhr erheblich optimiert werden. Neben der Wirtschaftlichkeit und der Optimierung dieser Prozesse steht auch eine Reduktion des Schadstoffausstoßes im Blickpunkt des Interesses. Da Sauerstoff in den meisten Verbrennungsvorgängen zu meist unerwünschten Reaktionen mit Stickstoff neigt, welche zur Bildung sogenannter Stickoxide führen, könnten diese durch eine Erhöhung der Sauerstoffkonzentration deutlich reduziert bzw. vermieden werden. Neben dem Vorteil der so verbesserten Schadstoffbilanz sind ein verbesserter Wirkungsgrad und eine höhere Leistungsausbeute insbesondere bei Verbrennungsmotoren oder stationären Heizanlagen von großem Interesse.
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Auch im medizinischen Bereich ist die Anreicherung der Atemluft mit Sauerstoff ein wichtiger Bestandteil der Patientenversorgung.
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Im Stand der Technik sind zahlreiche Technologien zur Sauerstoffanreicherung bekannt, wobei die fraktionierte Destillation aus Luft (Linde-Verfahren), aber auch die elektrolytische Spaltung von Wasser im Vordergrund stehen. Die bekannten Verfahren basieren in der Regel auf komplexen Systemen, welche mit hohem Energieaufwand betrieben werden und üblicherweise nicht mobil sind.
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Gleichzeitig ist seit langem bekannt, dass Sauerstoff paramagnetisch ist, während die meisten übrigen Gase diamagnetisch sind. Die Magnetisierbarkeit von Sauerstoff ist dabei etwa hundertmal stärker als die der übrigen Gase, insbesondere Stickstoff. Wird Luft einem Magnetfeld ausgesetzt, wird sich im homogenen Teil des Magnetfeldes der Sauerstoff ansammeln, während der Stickstoff verdrängt wird. Im Stand der Technik wird dieses Phänomen zur Sauerstoffgehaltbestimmung mittels eines paramagnetischen Sauerstoffanalysators genutzt. Häufig eingesetzte Messverfahren sind dabei die magnetomechanische Drehwaage und das magnetopneumatische Druckdifferenzverfahren. Darüber hinaus ist wird beispielsweise in der
DE 10 2006 037 805 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum An- bzw. Abreichern von Sauerstoff beschrieben, bei dem unter Magnetfeldeinwirkung Sauerstoff und Stickstoff über ein Kanalsystem voneinander getrennt werden. In dieser Vorrichtung wird jedoch ein sogenanntes ”einseitiges inhomogenes Magnetfeld” verwendet. Das heißt, dass das Magnetfeld nur von einer Seite wirkt, und beispielsweise ein Magnet nur an einer Kanalwand angeordnet ist.
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US 3 177 633 A zeigt eine Sauerstoffanreicherungseinrichtung für Verbrennungsmotoren.
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DE 1 910 574 A zeigt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Anreicherung oder Trennung eines Gasgemisches.
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JP 2004-049998 A offenbart eine magnetische Vorrichtung zur Anreicherung von Sauerstoff aus Luft, wobei ein rechteckiger, äußerer Container innerhalb eines von außen angelegten Magnetfeldes gelegen ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Anreicherung und/oder Trennung von Sauerstoff aus Luft, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
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Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt darin, dass eine ein Magnetfeld erzeugende Einrichtung derart ausgebildet ist, dass die inhomogenen Anteile des Magnetfeldes im Wandungsbereich eines ersten rohrartigen Hohlkörpers konzentriert sind und die homogenen Anteile des Magnetfeldes im zentralen Bereich des ersten rohrartigen Hohlkörpers mit in einem zweiten rohrartigen Hohlkörper konzentriert sind, wobei der erste rohrartige Hohlkörper zumindest teilweise um den zweiten rohrartigen Hohlkörper und zumindest teilweise im Magnetfeld der ein Magnetfeld erzeugenden Einrichtung angeordnet ist oder dem Magnetfeld der ein Magnetfeld erzeugenden Einrichtung in Richtung der durchströmenden Luft unmittelbar nachgelagert angeordnet ist und die den zweiten rohrartigen Hohlkörper durchströmende Luft einen höheren Sauerstoffanteil als die den ersten rohrartigen Hohlkörper durchströmende Luft aufweist.
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Dabei ist ein Abschnitt des zweiten rohrartigen Hohlkörpers, welcher zumindest teilweise im homogenen Anteil des magnetischen Feldes liegt oder zu diesem in Richtung der durchströmenden Luft unmittelbar nachgelagert angeordnet ist, durch eine trichterförmige Einlassform und/oder eine spaltförmige, schräg angesetzte Blende derart ausgebildet, dass der Sauerstoffanteil der den zweiten rohrartigen Hohlkörper durchströmenden Luft einen größtmöglichen Wert aufweist. Der zweite rohrartige Hohlkörper weist eine rechteckige Form und der erste rohrartige Hohlkörper die Form eines runden Rohres auf.
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In einer Ausführungsform enthält die das Magnetfeld erzeugende Einrichtung ein ausreichend langes magnetisches Element, so dass eine hinreichende Verweildauer der Luft im Bereich dieses magnetischen Elementes es ermöglicht, eine Sauerstoffkonzentration von mindestens technischer Qualität im zentralen Bereich des zweiten rohrartigen Hohlkörpers zu erzielen.
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Die das Magnetfeld erzeugende Einrichtung enthält bevorzugt ein magnetisches Element mit einer ausreichenden Feldstärke, um eine Sauerstoffkonzentration von mindestens technischer Qualität im zentralen Bereich des zweiten rohrartigen Hohlkörpers zu erzielen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die das Magnetfeld erzeugende Einrichtung an ihren jeweiligen Enden spitz zulaufende magnetische Elemente, welche so einen großen Bereich inhomogener Anteile des magnetischen Feldes aufweisen. Auch können zwei oder mehr jeweils ein Magnetfeld erzeugende Einrichtungen parallel angeordnet sein.
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Bevorzugt sind die von der ein Magnetfeld erzeugenden Einrichtung bzw. von den parallel angeordneten ein Magnetfeld erzeugenden Einrichtungen umfassten magnetischen Elemente bogenförmig ausgebildet. Somit kann die Vorrichtung platzsparend eingerichtet werden. Dabei ist jedoch zu beachten, dass die kurvenförmige Ausbildung nicht derart stark ausgebildet ist, dass die entstehenden Fliehkräfte die magnetischen Kräfte übersteigen. Durch eine Kombination von Parallelschaltung und Kurvenführung können vorteilhaft hohe Gasdurchsätze mit hohem Trennungsgrad auf kleinem Bauraum verwirklicht werden.
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Vorzugsweise handelt es sich bei der ein Magnetfeld erzeugenden Einrichtung um einen Permanentmagneten.
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Ein weiterer wesentlicher Punkt der Erfindung liegt in der Bereitstellung eines Verfahrens, umfassend die folgenden Schritte:
- – Zuleiten eines Luftstroms in die ein Magnetfeld erzeugende Einrichtung, welche derart ausgebildet ist, dass die inhomogenen Anteile des Magnetfeldes im Wandungsbereich des ersten rohrartigen Hohlkörpers konzentriert sind und die homogenen Anteile des Magnetfeldes im zentralen Bereich des ersten rohrartigen Hohlkörpers konzentriert sind, und
- – Anreicherung von Sauerstoff in dem zweiten rohrartigen Hohlkörper, welcher eine rechteckige Form aufweist und welcher in Richtung der durchströmenden Luft zumindest teilweise im homogenen Teil des Magnetfelds der ein Magnetfeld erzeugenden Einrichtung angeordnet ist, oder dem homogenen Teil des Magnetfelds der ein Magnetfeld erzeugenden Einrichtung in Richtung der durchströmenden Luft unmittelbar nachgelagert angeordnet ist und welcher einen Einlassbereich aufweist, der trichterförmig oder mit einer schräg zur Richtung des Luftstroms stehenden Blende ausgebildet ist, um ein Anstauen von Gas zu vermeiden, wobei der Einlassbereich eine als rechteckiger Spalt ausgebildete Einlassöffnung entsprechend der Form der Magnetfeldlinien im zentralen homogenen Teil des Magnetfeldes aufweist, wodurch die den zweiten rohrartigen Hohlkörper durchströmende Luft einen höheren Sauerstoffanteil als die den ersten rohrartigen Hohlkörper durchströmende Luft aufweist, und
- – Ableiten der mit Sauerstoff angereicherten Luft aus dem zweiten rohrartigen Hohlkörper zu einem Verbrennungsmotor, einer Hausheizung, einer Verbrennungsvorrichtung oder dergleichen zur Aufnahme und Verwertung der mit Sauerstoff angereicherten Luft.
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Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen zu entnehmen. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Seitenansicht;
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2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der 1;
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3a einen Schnitt entlang der Linie III-III der 3b;
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3b eine Ansicht des trichterförmigen Einlasselementes zum zweiten rohrartigen Hohlkörper in Richtung des Luftstromes;
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4a einen Schnitt entlang der Linie IV-IV der 4b;
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4b eine Ansicht des Einlasselementes mit Blende zum zweiten rohrartigen Hohlkörper in Richtung des Luftstromes;
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5 eine Ausführungsform der magnetischen Elemente in der Draufsicht sowie eine schematische Darstellung der Magnetfeldlinien;
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6 eine parallele Anordnung mehrerer magnetischer Elemente in der Draufsicht;
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7 eine bogenförmige Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Draufsicht;
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8 eine Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor.
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In 1 ist die Vorrichtung zur paramagnetischen Sauerstoffanreicherung und das Aufspalten der paramagnetischen (Sauerstoff) und diamagnetischen (Stickstoff) Gasbestandteile der Luft in Seitenansicht dargestellt. Über einen Ventilator 2 angesaugte Umgebungsluft wird über ein erstes Rohr 7 in Richtung von beidseitig angebrachten Magneten 3 gebracht, wobei sich die Sauerstoffmoleküle in den homogenen Teil 6 (2) des Magnetfeldes 5 bewegen. Gleichzeitig wird der diamagnetische Stickstoff aus dem Magnetfeld 5 in dessen inhomogene Bereiche 4 (2), die vorzugsweise mit dem Wandungsbereich 9 des ersten Rohres 7 zusammenfallen, gedrängt. Je nach Strömungsgeschwindigkeit der eintretenden Luft 13 bzw. Länge der magnetischen Elemente 3 findet hier die Separation beider Gase statt. Zur nun erfolgenden Trennung der beiden Gasbestandteile ist die Anordnung und Ausbildung des zweiten, innen liegenden Rohres 11 von entscheidender Bedeutung. Bevorzugt befindet sich der Einlass des zweiten Rohres 11 in jenem Bereich innerhalb des ersten Rohres, welcher die höchste Sauerstoffkonzentration des Luftstromes aufweist. Dieser Bereich befindet sich naturgemäß im hinteren Bereich des homogenen Anteils 6 des Magnetfeldes, wo der paramagnetische Trenneffekt in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit der Luft und der Länge des magnetischen Elementes 3 am höchsten ist. Dieser Bereich hoher Sauerstoffkonzentration wird sich als schmaler Streifen ausbilden. Daher ist es besonders vorteilhaft, neben der optimalen Position des zweiten Rohres 11 innerhalb der Vorrichtung 1 dessen Einlassform trichterförmig 19 oder spaltförmig 21 auszubilden. Infolge der paramagnetischen Trennung von Sauerstoff und Stickstoff wird sich der Stickstoffanteil im inhomogenen Anteil 4 des Magnetfeldes 5 im Wandungsbereich 9 des ersten Rohres 7 konzentrieren. Somit lässt sich je nach Ausbildung des ersten Rohres 7 auch Stickstoff in angereicherter Form gewinnen.
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2 zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung entlang der Linie II-II der 1. Das erste Rohr 7 ist ein rundes Rohr und das zweite Rohr 11 ist in einer rechteckigen Form ausgebildet. Da der Wandungsbereich 9 im Inneren des ersten Rohres 7 dem inhomogenen Teil 4 des Magnetfeldes 5 besonders stark ausgesetzt ist, ist das zweite Rohr 11 entsprechend der Form der Magnetfeldlinien rechteckig ausgebildet.
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Der Einlassbereich des zweiten Rohres ist entweder trichterförmig 19 oder mit einer spaltförmigen Blende 21 versehen ausgebildet. 3a zeigt die trichterförmige Ausgestaltung 19 des Einlasses des zweiten Rohres im Schnitt, 3b in der Frontalansicht, wobei die Trichteröffnung 19 als rechteckiger Spalt, entsprechend der Form der Magnetfeldlinien im zentralen homogenen Teil 6 des Feldes, ausgebildet ist. Alternativ kann gemäß 4a und 4b der Einlass des zweiten Rohres 11 auch derart gestaltet sein, dass diesem eine Blende 21 vorgelagert ist, die eine rechteckige Spaltöffnung aufweist. Die Blende 21 ist schräg zur Richtung des Luftstroms 13 angeordnet, so dass der abzutrennende Stickstoff schnell abgeleitet wird und ein Anstauen von Gas vermieden wird.
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Auch die Form des Magneten lässt sich je nach erwünschter Gastrennung variabel gestalten. Zur Erzeugung eines vergleichsweise großen inhomogenen Teils 4 des Magnetfeldes 5 empfiehlt es sich, die einander gegenüberliegenden magnetischen Elemente 23 spitz aufeinander zulaufen zu lassen. Entsprechend den Magnetfeldlinien in 5 ist das Magnetfeld nur im Zentrum zwischen den beiden Magnetspitzen homogen, so dass sich je nach Verweilzeit bzw. Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Magnetfeld 5 nur dort Sauerstoff ansammeln wird. Angesichts des fast vierfachen Gewichtsanteils von Stickstoff gegenüber Sauerstoff in der Luft, kann dieser durch eine derartige Anordnung besser verdrängt werden, wodurch auch eine bessere Auftrennung von Sauerstoff und Stickstoff erzielt wird. Bei sehr langen Verweilzeiten kann sich darüber hinaus ein partieller Sauerstoffüberdruck im Zentrum des homogenen Teils eines solchen Magnetfeldes ausbilden.
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Beispielsweise werden im magnetomechanischen Drehwaageverfahren, welches in der Gasanalytik zur Sauerstoffbestimmung verwendet wird, bei sehr geringen Durchflussgeschwindigkeiten von ungefähr 0,015 m/s über eine Strecke von ungefähr 10 cm im Zentrum des homogenen Magnetfeldes Sauerstoffkonzentrationen von über 80% erzielt. Der Gasdurchsatz üblicher magnetomechanischer Drehwaagen liegt allerdings bei lediglich ungefähr 60 l pro Stunde.
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Zur Erhöhung des Luftdurchsatzes in erfindungsgemäßen Vorrichtungen kann zum einen die Magnetfeldstärke erhöht werden, wodurch die Sauerstoffmoleküle schneller in den homogenen Teil des Magnetfeldes strömen würden. Zusätzlich erweist es sich als vorteilhaft, mehrere Magnete parallel zu schalten. Eine beispielhafte Anordnung ist in 6 dargestellt.
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Darüber hinaus kann die Verweildauer des Gases im Magnetfeld durch eine größere Länge des magnetischen Elementes erhöht werden, um so einen verbesserten Trenneffekt zu erzielen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die magnetischen Elemente bogenförmig ausgebildet sein, wie es in 7 schematisch dargestellt ist. Dabei ist zu beachten, dass die Krümmung nicht derart stark ausgebildet ist, dass die Fliehkräfte des Gases die magnetischen Kräfte übersteigen. Mit Vorteil können durch die bogenförmige Anordnung des magnetischen Elementes, insbesondere in Kombination mit der Parallelschaltung mehrerer Elemente, hohe Gasdurchsätze bei hohem Trennungsgrad auf kleinem Bauraum verwirklicht werden.
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Als Anwendungsbeispiel zeigt 8 eine erfindungsgemäße Vorrichtung, welche mit dem zweiten Rohr 11 mit einem Verbrennungsmotor 25 zur Aufnahme und Verwertung der mit Sauerstoff angereicherten Luft verbunden ist.
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Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erfindungsgemäße Vorrichtung
- 2
- Ventilator
- 3
- Magnetfeld erzeugende Einrichtung
- 4
- Inhomogene Anteile des Magnetfeldes
- 5
- Magnetfeld
- 6
- Homogene Anteile des Magnetfeldes
- 7
- erster rohrartiger Hohlkörper
- 9
- Wandungsbereich des ersten rohrartigen Hohlkörpers
- 11
- zweiter rohrartiger Hohlkörper
- 13
- Luftstrom
- 15
- Luftstrom durch 7
- 17
- Luftstrom durch 11
- 19
- trichterförmiger Einlassbereich
- 21
- spaltförmige Blende
- 23
- spitz zulaufende magnetische Elemente
- 25
- Verbrennungsmotor
