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Verfahren und Vorrichtung zur Veränderung der Sauerstoff-
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und Stickstoffanteile des Luftgemisches in einem geschlossenen Raum
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Veränderung
der Sauerstoff- und Stickstoffanteile des Luftgemisches in einem geschlossenen Raum
zwecks Erzeugung eines gewünschten Verhältnisses der Gasanteile durch Trennung des
Luftgemisches in eine mit Sauerstoff angereicherte und eine mit Stickstoff angereicherte
Gasfraktion mittels Adsorption und Desorption unter Aenderung des Gasdruckes in
einem einen Adsorbenten enthaltenden Adsorberraum.
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Die Erfindung betrifft in erster Linie die künstliche Absenkung des
Luftsauerstoffgehaltes in gasdicht verschlossenen Lagerräumen, Silos, Containern,
Laderäumen von Schiffen und anderen Lagerbehältern, die zur Lagerung und zum Transport
von Früchten, Gemüsen, Getreide, Samen, Nüssen, Pflanzenteilen, Blumen, Fleisch,
Fetten und Eiern in kontrollierter Atmosphäre dienen. Es handelt sich hierbei um
die Erzeugung einer künstlichen Atmosphäre, "kontrollierte Atmosphäre" genannt,
die von der normalen Luftzusammensetzung wesentlich abweicht und zur Frischhaltung
und Lagerdauerverlängerung
von Früchten, Gemüsen, Getreide, Samen,
Müssen, Blumen, Fetten, Eiern, Fleisch und Pflanzenteilen dient.
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Wie allgemein bekannt, halten Früchte, Gemüse, Getreide und Pflanzenteile
auch nach der Ernte ihre Lebensfunktionen aufrecht, indem sie Sauerstoff verbrauchen
und Kohlendioxyd, Aethylen, Wasser, Aromastoffe und andere flüchtige Stoffe abgeben.
Bei der Atmung des Lagergutes wird der Sauerstoffgehalt der Lageratmosphäre mehr
und mehr verbraucht. Der Sauerstoffverbrauch hängt sehr stark vom Lagergut ab und
kann zwischen 0,1 und 2,0 9 Volumen pro 24 Stunden betragen.
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Beispielsweise verbrauchen Aepfel pro Tag ca. 0,8 bis 1,0 Volumenprozente
an Sauerstoff und geben dabei ca. 0,8 bis 1,0 Volumenprozente Kohlendioxyd ab. Die
notwendige Zeit für die Sauerstoffabsenkung von 20,9 auf 3 t würde somit 18 bis
22,5 Tage betragen. Diese Zeitberechnung stimmt aber nur theoretisch bei 100-prozentig
gasdichten Lagerräumen und Lagerbehältern, eine Bedingung, die in der Praxis nur
selten realisiert werden kann, daher beträgt die natürliche Sauerstoffabsenkung
meistens 24 bis 30 Tage anstatt 18 bis 22 Tage.
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Da die Atmung des Lagergutes jedoch umso intensiver verläuft, je höher
der Sauerstoffgehalt der Lageratmosphäre ist, bewirkt jeder Tag, der bis zum Erreichen
des Optimalwertes verstreicht,
bis zu einer Woche an Lagerdauerverkürzung.
Tiefer Sauerstoffgehalt (z.B. 3 - 0,4 %) und erhöhter CO2-Gehalt (z.B. 1 - 10 t)
im richtigen Konzentrationsverhältnis bewirken zusammen mit der Kältebehandlung
eine starke Abbremsung der Abbau-, Alterungs-und Krankheitserscheinungen des Lagergutes
im Lagerraum, Silo, Container und anderen Lagerbehältern mit "kontrollierter Atmosphäre".
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Heute wird in den K.A.-Lagern, die zur Lagerung von Früchten und Gemüse
dienen, der Sauerstoffgehalt in den meisten Fällen künstlich, und zwar von Sauerstoffkonvertern
oder Inertgasgeneratoren abgesenkt, die durch Verbrennen von Gas, katalytisch oder
mit Flamme, den Sauerstoffgehalt der Lagerraumatmosphäre in kürzester Zeit reduzieren.
Bei diesen Apparaten besteht jedoch die Gefahr, dass Kohlenmonoxyd, Stickstoffoxyde
und andere unverbrannte giftige Stoffe in den Lagerraum gelangen, wodurch die Lageratmosphäre
und das Lagergut verseucht werden können.
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Die Erfindung hat sich daher ein Verfahren und eine Anlage zum Ziele
gesetzt, die auf wirtschaftliche Weise durch Fraktionieren des Stickstoff-Sauerstoff-Gemisches
den Sauerstoffgehalt der Lageratmosphäre von gasdicht verschlossenen Lagerräumen,
Silos, Containern und anderen Lagerbehältern, die zur Lagerung und zum Transport
in "kontrollierter Atmosphäre" von Früchten, Gemüse, Getreide, Samen, Nüssen, Pflanzenteilen,
Blumen,
Fleisch, Fetten und Eiern dienen - ohne dabei Brenngas oder
Brennstoff in direkter Form zu verwenden, wie bei den allgemein bekannten Verfahren
- in kürzester Zeit, beispielsweise innerhalb von einigen Stunden bis Tagen, auf
den optimalen, niedrigen Lagergutwert absenken, um dadurch die Lagerfähigkeit des
Lagergutes wesentlich zu verlängern und auch um bei vielen Lagergütern einen längeren
See-, Schienen- und Autotransport überhaupt zu ermöglichen.
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Das erfindungsgemässe Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe besteht
darin, dass aus den gasdicht verschlossenen Lagerräumen, Silos, Containern oder
anderen Lagerbehältern eine Sauerstoff-Stickstoff-Gemischmenge entnommen wird, von
der man den Sauerstoff durch Gasfraktion abtrennt und dann wieder zurückführt.
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Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis der Sauerstoffgehalt
von normal 20,0 % auf den gewünschten Lagerungswert von i.B. 3 % Vol. abgesenkt
ist. Je nach Sauerstoffdurchlässigkeit der Lagerräume, Silos, Container oder anderen
Lagerbehälter kann es im Laufe der Lagerperiode auch notwendig werden, den angestiegenen
Sauerstoffgehalt wieder abzusenken.
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Eine erfindungsgemäss ausgeführte Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, dass als Sauerstoffreduktionseinrichtung ein Adsorptionsapparat
eingesetzt wird, der das Stickstoff-Sauerstoff-Gemisch der Lageratmosphäre in eine
sauerstoffreiche und eine stickstoffreiche Gasfraktion durch
Adsorption
des Stickstoffes an Molekularsieben oder durch Adsorption des Sauerstoffes an Kohlen,
Aktivkohlen oder anderen .festen Stoffen fraktioniert, und dass dieser Adsorptionsapparat
über ein Rohrleitungssystem, das mit entsprechenden Ventilen an einem oder mehreren
Lagerräumen, Silos, Containern oder anderen Lagerbehältern angeschlossen ist, über
das die Lagerraumatmosphäre mit einer Pumpe angesaugt und wieder zurückgeführt wird.
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In zweiter Linie betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Anlage
zur künstlichen Anreicherung des Sauerstoffgehaltes in gasdicht verschlossenen Reiferäumen
oder Reifebehältern, die zur künstlichen Vor- oder Nachreifung von Früchten und
Gemüsen dienen.
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Die biologischen Umwandlungen, die während der Reifung der Früchte
vor sich gehen, sind allgemein bekannt. Die pektischen und stärkehaltigen Stoffe
hydrolisieren sich, wobei zuckerhaltige Zusammensetzungen entstehen. Bei normalen
Bedingungen wickeln sich diese Umwandlungen nach einem bestimmten Rhythmus ab. Bei
erhöhter Temperatur jedoch steigert sich die Ablaufgeschwindigkeit der biochemischen
Reaktionen, was zu einer Reifebeschleunigung führt. Durch den heutigen Stand der
Technik auf dem Gebiet der Vor- und Nachreifung von Früchten und Gemüse wird die
Reifung mit einer künstlichen Atmosphäre wesentlich unterstützt und beschleunigt,
wobei unter Beachtung des Wärmefaktors
ein hoher Sauerstoffgehalt
(z.B. 40.50t) mit einem Zusatz von z.B. 1 - 2 0/ovo Aethylen auf Kosten des Stickstoffanteils
künstlich eingestellt wird. Bei diesem Verfahren haben wir es nicht nur mit einer
Beschleunigung in der Färbung, sondern auch mit einer ausgesprochenen stimulierenden
und beschleunigenden Wirkung auf sämtliche biochemischen Vorgänge zu tun, die zur
inneren und äusseren Reife auch in bezug auf Geschmack und sonstige Gütemerkmale
beitragen. Die mittels dieser Methode gereiften Früchte, wie Zitrusfrüchte, Bananen,
Kernobst, Melonen, Tomaten usw. sind durch ihr gutes Aussehen, Aroma und Geschmack
nicht von den natürlich gereiften zu unterscheiden. Je nach Frucht oder Gemüseart
kann durch künstliches Vorreifen ein Vorsprung bis zu 30 Tagen auf die normale Pflückreifezeit
erzielt werden.
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Die Anreicherung des Sauerstoffgehaltes des Reiferaumes auf z.B. 40
- 50 Volumenprozent erfolgt heute anhand von Sauerstoffdruckflaschen, deren Inhalt
in den Reiferaum geblasen wird. Dieses System hat jedoch den Nachteil, dass eine
sehr grosse Anzahl von Sauerstoffdruckflaschen benötigt wird, was natürlich Transportspesen
und Zeitverluste mit sich bringt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung, in der die Erfindung anhand von Zeichnungen und bevorzugten Ausführungsbeispielen
näher erläutert wird.
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Gemäss der DT-PS 15 19 968 ist es bekannt geworden, Gasgemische, wie
Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft, in eine stickstoffreiche und in eine sauerstoffreiche
Gasfraktion durch Adsorption an kohlenstoffhaltigen Adsorbenten und fraktionierte
Desorption unter Aenderung des Druckes und/oder der Temperatur zu trennen. Es wird
dabei eine vollständige Zerlegung des Gasgemisches in seine Bestandteile angestrebt.
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Es ist demnach bekannt, Gase und Dämpfe durch Adsorption an Stoffen
mit grosser innerer Oberfläche und anschliessende Desorption zu fraktionieren. Hierbei
macht man sich die Eigenschaft dieser Stoffe zunutze, einzelne Gasbestandteile selektiv
zu adsorbieren. Es zeigt sich jedoch, dass bei einem solchen Verfahren die Ausbeute
an reinen Gasen unwirtschaftlich ist, so dass die Zerlegung der Luft eher nach der
fraktionierten Kondensation und Destillation durchgeführt wird, was aber Kompressoren,
Druckbehälter und Kältemaschinen erfordert.
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Für die Abtrennung von Sauerstoff aus der Luft wurde in der FR-PS
1 223 261 vorgeschlagen, den Stickstoff aus der Luft an Zeolith 5A zu adsorbieren
und den verdrängten Sauerstoff aufzufangen. Zu diesem Zweck eignet sich dieses Verfahren
nicht, weil bei der Adsorption nur etwa 4/5 der Luft aufgenommen wird, wodurch bei
der Desorption durch Evakuieren viel Stickstoff entfernt werden muss, was einen
erheblichen Energieaufwand bedeutet, um ein Gas zu entfernen, das nicht gebraucht
wird.
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Die Erfindung bezweckt nun, die Atmosphäre in Lager-, Transporträumenund/oderReiferäumen
zu verändern, um entweder einen niedrigen Sauerstoffgehalt bei der Lagerung oder
einen hohen Sauerstoffgehalt bei der Reifung zu haben, wobei von den bekannten Verfahren
zur Adsorption und Desorption ausgegangen werden soll und die "Abfallstoffe" bei
diesen Verfahren zu verwenden sind.
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Erfindungsgemäss wird dies mit einem Verfahren und Vorrichtungen gemäss
den Definitionen in den Patentansprüchen erreicht.
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Zur Erläuterung der Erfindung werden Ausführungsbeispiele anhand der
Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische
Darstellung einer Anlage zur Veränderung der Verhältnisse der Gasanteile in einem
Behälter unter Verwendung einer Saug-Druckpumpe, Fig. 2 eine schematische Darstellung
wie in Fig. 1, jedoch mit einer Vakuumpumpe und einem Kompressor, Fig. 3 eine schematische
Darstellung wie Fig. 1, jedoch mit einer Anordnung zur Luftumwälzung im Lagerraum
und zum Spülen der Adsorberräume mit Lagerraum-Luft, Fig. 4 bis Fig. 6 funktionelle
Darstellungen der Ventil- und Pumpensteuerung bei Sauerstoffgehaltabsenkung in den
entsprechenden Anordnungen gemäss Fig. 1 - 3, Fig. 7 eine funktionelle Darstellung
der Ventil- und Pumpensteuerung bei Sauerstoffgehaltanreicherung in der Anordnung
gemäss Fig. 1.
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Die Anordnung gemäss Fig. 1 weist einen geschlossenen Raum 14 auf,
der einen Lagerraum, ein Silo oder einen Kontainer darstellt. Dieser Raum ist mit
einer Luftzuleitung 13 und einer Luftableitung 16 versehen. Eine Ansaugleitung ist
über ein Ansaugventil 1 auf eine Pumpe 2 geführt. An dieselbe Pumpenseite sind noch
ein erstes Auslassventil 5 und ein zweites
Auslassventil 10 geführt,
die ihrerseits mit einer ersten Adsorptionskammer 4 bzw. mit einer zweiten Adsorptionskammer
8 verbunden sind.
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Die Druckseite der Pumpe 2 ist mit einem Auspuff-Ventil 6 zu einer
Auspuffleitung und zu einem parallel zum Auspuff-Ventil 6 liegenden Zuführventil
11 geleitet. An die gemeinsame Leitung dieser beiden Ventile 6 und 11 und der Pumpe
2 sind noch ein erstes Einlassventil 3 als Zuführung zur ersten Adsorptionskammer
4 und ein zweites Einlassventil 7 als Zuführung zur zweiten Adsorptionskammer 8
vorhanden, wobei zwischen dem zweiten Einlassventil 7 und dem Eingang der zweiten
Adsorptionskammer 8 noch ein Rückschlagventil 9 mit einem Ueberbrückungsventil 9a
vorhanden sind. Von diesem Eingang der zweiten Adsorptionskammer 8 ist über ein
Ableitventil 15 eine Verbindungsleitung zur Ableitung 16 des geschlossenen Raumes
14 geschaffen. Anderseits ist das Zuführventil 11 über einen Druckausgleicher 12
mit der Zuleitung zum geschlossenen Raum 14 verbunden.
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Die Funktionsweise dieser ersten sführungsform wird unter Zuhilfenahme
von Fig. 4 für die Absenkung des Sauerstoffgehaltes im geschlossenen Raum erläutert.
Dabei ist vorgesehen, dass die erste Adsorptionskammer 4 Molekularsiebe mit Porengrössen
von über 200 pm und die zweite Adsorptionskammer 8 Kohle oder Aktivkohle enthält.
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Durch die Pumpe 2 wird über das geöffnete Ansaugventil 1 Frischluft
aus der Umgebung über das ebenfalls geöffnete erste Einlassventil 3 in die erste
Adsorptionskammer 4 gepumpt.
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Wenn damit in dieser ersten Adsorptionskammer 4 ein gewünschter Adsorptionsdruck
in der Grössenordnung von 1,5 - 4 bar erreicht ist, werden das Ansaugventil 1 und
das erste Einlassventil 3 geschlossen. Gemäss Fig. 4 ist damit zur Zeit tl der Druck
in der ersten Adsorptionskammer 4 auf einen oberen Wert gestiegen, wenn die Pumpe
2 stillgesetzt und die Ventile 1 und 3 geschlossen sind.
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In der nächsten Phase, zwischen den Zeiten tl und t2, werden das erste
Auslassventil 5 und das Auspuff-Ventil 6 geöffnet.
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Der Ueberdruck von mit Sauerstoff angereichertem Gasgemisch wird bei
stillstehender Pumpe 2 in die Umwelt abgelassen, bis sich in der Adsorptionskammer
4 ein wenigstens angenähert auf Umgebungsdruck liegender Innendruck eingestellt
hat. Zur Zeit t2 wird das Auspuffventil 6 geschlossen, das zweite Einlassventil
7 geöffnet und gleichzeitig die Pumpe 2 eingeschaltet Damit wird das in der Adsorptionskammer
4 verbliebene sauerstoffarme Gasgemisch, nämlich vor allem der desorbierte Stickstoff,
über das erste Auslassventil 5 abgesaugt und über das zweite Einlassventil 7 und
das Rückschlagventil 9 in die zweite
Adsorptionskammer 8 eingeleitet.
Es ist aber zu beachten, dass die zweite Adsorptionskammer 8 zu diesem Zeitpunkt
t2 evakuiert ist.
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Sobald die erste Adsorptionskammer 4 zum Zeitpunkt t3 evakuiert ist,
werden das erste Auslassventil 5 und das zweite Einlassventil 7 geschlossen. In
der zweiten Adsorptionskammer 4 herrscht nun ein Unterdruck von 60 - 100 mbar, der
sich bei gleichzeitigem Oeffnen des Ansaugventils 1 und des ersten Einlassventils
3 auf den Luftdruck der Umwelt ausgleichen kann.
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Nach diesem Druckausgleich werden die beiden Zeitabschnitte t0 - tl
und tl - t2 wiederholt, das heisst, es wird zuerst mit Frischluft in der ersten
Adsorptionskammer 4 ein Ueberdruck erzeugt und das damit erhaltene sauerstoffreiche
Gas bis zum Druckausgleich in die Umgebung abgeblasen. Damit ist der Zeitpunkt t6
erreicht.
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Zum Zeitpunkt t6 ist das erste Auslassventil 5 offen, das Auspuff-Ventil
6 geschlossen, das zweite Einlassventil 7 und das Rückschlagventil 9 geöffnet, somit
kann mittels der Pumpe 2 in der ersten Adsorptionskammer 4 ein Unterdruck und mit
dem dort abgesaugten sauerstoffarmen Gasgemisch in der zweiten Adsorptionskammer
8 ein Ueberdruck von ebenfalls 1,5 - 4 bar erzeugt werden. Mit diesem Adsorptionsdruck
wird nochmals Sauerstoff freigesetzt, d.h. der Stickstoff wird gebunden. Zur
Zeit
t8 bei geschlossenen Ventilen 5, 7 und 9 und bei offenem zweitem Auslassventil 10
und offenem Auspuff-Ventil 6 wird das sauerstoffreiche Gasgemisch wieder in die
Umgebung abgeblasen.
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Zum Zeitpunkt t8 ist in der zweiten Adsorptionskammer 8 der Druckausgleich
hergestellt. Durch Schliessen des Auspuff-Ventils 6 und Oeffnen des Zuführventils
11 wird die zweite Adsorptionskammer 8 über die Pumpe 2, einen Druckausgleichbehälter
12 und die Zuleitung 13 mit dem geschlossenen Raum 14 verbunden, so dass das durch
Evakuieren freisetzbare sauerstoffarme bzw. stickstoffreiche Gasgemisch in den Raum
14 gepumpt wird, wo sich damit ein Ueberdruck einstellt.
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Wenn nun die Ventile 10 und 11 im Zeitpunkt t9 geschlossen werden
und das Ableitventil 15 geöffnet wird, strömt das stickstoffreiche Gas aus dem Raum
14 in die zweite Adsorptionskammer 8 ein. Gleichzeitig werden aber auch die Ventile
1 und 3 geöffnet, so dass auch Frischluft in die erste Adsorptionskammer 4 einströmen
kann.
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Von nun an kann der Vorgang zwischen den Zeitpunkten t3 und t10 so
lange wiederholt werden, bis sich im geschlossenen Raum die Sauerstoffverminderung
von anfänglich 21 % auf den gewünschten tiefen Wert von etwa 3 % eingestellt hat.
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Gleichzeitig mit der Absenkung des Sauerstoffgehaltes wird auch Kohlendioxid,
das durch die eingelagerten frischen Nahrungsmittel unter Sauerstoffverbrauch und
gleichzeitigem Altern erzeugt wird, abgesaugt, weil das Kohlendioxid von den Molekularsieben
der zweiten Adsorptionskammer 8 nicht adsorbiert wird und damit während der Druckausgleichsphase
von t7 bis t8 in die Umgebung abgeführt wird.
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In der beschriebenen Fig. 1 ist parallel zum Rückschlagventil 9 ein
Ueberbrückungsventil 9a in der Zuführleitung zur zweiten Adsorptionskammer 8 vorhanden.
Mit diesem Ueberbrückungsventil 9a kann dieselbe Anordnung auch zur Anreicherung
von Sauerstoff für die Reifung von beispielsweise Bananen oder anderen exotischen
Früchten bzw. Nahrungsmitteln verwendet werden. Damit ist auch dargestellt, dass
beispielsweise bei Lagerung in Containern nach deren Beladen eine Anordnung mit
dem Rückschlagventil 9 und vor deren Entladen eine Anordnung mit einer direkten
Verbindung anstelle des Rückschlagventils verwendet werden kann.
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Für die Beschreibung der Wirkungsweise der Anordnung zur Anreicherung
von Sauerstoff im Raum 14 wird nachfolgend anhand der Fig. 1 und 7 erläutert, wobei
angenommen wird, das Ueberbrückungsventil 9a sei dauernd offen gehalten.
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Mit der Pumpe 2 wird über das geöffnete Ansaugventil 1 in der Phase
t0 bis tl Frischluft angesaugt und über das ebenfalls offene erste Einlassventil
3 in die erste Adsorptionskammer 4 hineingepumpt, bis der erforderliche Adsorptionsdruck
von etwa 4 bar erreicht ist. Danach werden die beiden Ventile 1 und 3 geschlossen
und das erste Auslassventil 5 und das zweite Einlassventil 7 geöffnet. Wenn in der
Zwischenzeit die zweite Adsorptionskammer 8 über das zweite Auslassventil 10, die
Pumpe 2 und das Auspuffventil 6 evakuiert wurde, kann das mit Sauerstoff angereicherte
Gas von der ersten Adsorptionskammer 4 in die zweite Adsorptionskammer 8 strömen,
bis der Druckausgleich hergestellt ist. Danach wird das zweite Einlassventil 7 geschlossen
und das Auspuff-Ventil 6 geöffnet. Das sauerstoffarme Gasgemisch aus der ersten
Adsorptionskammer 4 wird mittels der Pumpe 2 in die Umgebung gepumpt.
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Nachdem zur Zeit t3 ein Unterdruck zwischen 60 und 100 mbar erhalten
wurde, werden die genannten Ventile 6 und 7 geschlossen und das Ableitventil 15,
das zweite Einlassventil 40 und das erste Einlassventil 3 geöffnet, so dass über
die Ableitung 16, das Ableitventil 15, das zweite Einlassventil 7 und das erste
Einlassventil 3 ein Druckausgleich zur ersten Adsorptionskammer 4 erfolgt. Bei nahezu
gleichem Druck in der Adsorptionskammer 4 und im Raum 14 wird das Ableitventil 15
geschlossen und das Ansaugventil 1 geöffnet, womit Frischluft mittels
der
Pumpe 2 in den ersten Adsorptionsraum 4 gepresst werden kann. Wenn der nötige Druck
von 4 bar erreicht ist, werden das Ansaugventil 1 und das erste Einlassventil 3
geschlossen und das erste Auslassventil 5 und das zweite Einlassventil 7 geöffnet,
so dass die Pumpe 2 das aus der ersten Adsorptionskammer 4 anfallende sauerstoffreiche
Gasgemisch bis zu einem Druck von 4 bar in die zweite Adsorptionskammer 8 pressen
kann.
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Werden nun zur Zeit t6 die beiden Ventile 5 und 7 geschlossen und
das zweite Ausgangsventil 10 und das Zuführventil 11 geöffnet, kann das unter Druck
stehende sauerstoffreiche Gasgemisch aus der Adsorptionskammer 8 in den Raum 14
gelangen.
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Bei einem restlichen Ueberdruck von etwa 1 bar wird das Zuführventil
11 geschlossen und das erste Auslassventil 5 und das Auspuffventil 6 geöffnet, so
dass jeglicher Ueberdruck in den beiden Adsorptionskammern 4 und 8 in die Umgebung
entweichen kann. Das verbleibende, nun sauerstoffarme Gasgemisch wird dann noch
mit der Pumpe 2 evakuiert.
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Ueber die im Zeitabschnitt t8 bis t9 geöffneten Ventile 15, 7 und
3 kann nun wieder Gas aus der Kammer 14 in die erste Adsorptionskammer 4 entweichen
und derselbe Zyklus von der Zeit t4 an kann wiederholt werden, bis im geschlossenen
Raum 14 die erwünschte Sauerstoffkonzentration, die etwa bei 40 bis 50 Volumenprozenten
liegen kann, erreicht ist.
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Ein zweites Ausführungsbeispiel ist in Fig. 2 und die zugehörigen
Ventilschaltzeiten sind in Fig. 5 dargestellt. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel
sind hier ein Kompressor 18 und eine Vakuumpumpe 22 vorhanden. Zudem befindet sich
zwischen der Ableitung 32 und der Zuleitung 31 ein Ausgleichsventil 34.
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Weiter ist im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 das zweite
Einlassventil 28 hinter dem Rückschlagventil 27 und zwischen der Frischluftzufuhr
und der Ableitung 32 einerseits und dem Auspuff und der Zuleitung 31 anderseits
bestehen noch Querleitungen.
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Diese Anordnung bringt den Vorteil, dass die Leistung bezüglich Reduktion
des Sauerstoffgehaltes im geschlossenen Raum 4 durch bessere Zeitausnützung vergrössert
wird. Die Arbeitsweise im einzelnen gesehen verläuft wie folgt: Mit dem Kompressor
18 wird über das geöffnete Ansaugventil 17 Frischluft angesaugt und über das erste
Einlassventil 19 in die erste Adsorptionskammer 20, die vorzugsweise mit Molekularsieben
mit einer Porengrösse von wenigstens 200 pm gefüllt ist, bis zum Erreichen eines
Adsorptionsdruckes von etwa 1,5 - 4 bar gepumpt. Gleichzeitig sind noch das Zuführventil
24 und das zweite Auslassventil 29 geöffnet, und mit der Vakuumpumpe 22
wird
die zweite Adsorptionskammer 30 evakuiert und das Gasgemisch wird über den Druckausgleichsbehälter
25 und die Zuleitung 31 in den Lagerraum 33 gepumpt.
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Nach der Evakuation der zweiten Adsorptionskammer 30 und nach dem
Erreichen des Adsorptionsdruckes in der ersten Adsorptionskammer 20 werden zur Zeit
tl die Ventile 17, 19, 24 und 29 geschlossen und das erste Auslassventil 21, das
Auspuff-Ventil 23 bzw. das Ableitventil 26 und das zweite Einlassventil 28 geöffnet.
Das nun über das Auslassventil 21, die Vakuumpumpe 22 und das Auspuff-Ventil 23
ausströmende sauerstoffreiche Gasgemisch aus der ersten Adsorptionskammer 20 lässt
den Adsorptionsdruck auf den Umweltdruck absinken.
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Ebenfalls in der Phase tl bis t2 strömt Luft aus dem Raum 33 infolge
des herrschenden Ueberdrucks über die Ableitung 32, das Ableitventil 26, durch den
Kompressor 18, das Rückschlagventil 27 und das zweite Einlassventil in die zweite
Adsorptionskammer 30, bis der Druck sich wenigstens angenähert ausgeglichen hat.
Sobald nun zur Zeifi t2 überall angenähert derselbe Druck herrscht, werden die Ventile
23 und 26 geschlossen und das Ausgleichsventil 34 geöffnet.
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Durch die Vakuumpumpe 22 wird das in der ersten Adsorptionskammer
20 verbliebene sauerstoffarme Gasgemisch abgesaugt und
über das
Ausgleichsventil 34 mittels des Kompressors 18 angesaugt und über das Rückschlagventil
27 und das zweite Einlassventil 28 in die zweite Adsorptionskammer 30 überführt
und dort komprimiert. Wenn auch die erste Adsorptionskammer 20 zur Zeit t3 evakuiert
ist, werden die Ventile 21, 28 und 34 geschlossen und das Ansaugventil 17, das erste
Einlassventil 19, das Auspuffventil 23 und das zweite Auslassventil 29 geöffnet,
so dass aus der zweiten Adsorptionskammer 30 der Druck durch Abblasen von sauerstoffreichem
Gasgemisch entweichen kann und anderseits das Vakuum in der ersten Adsorptionskammer
20 aufgefüllt wird. Nun wird das Auspuffventil 23 geschlossen und das Zuführventil
24 geöffnet und Vakuumpumpe 22 und Kompressor 18 eingeschaltet. Damit wird in der
ersten Adsorptionskammer 20 ein Ueberdruck, in der zweiten Adsorptionskammer 30
ein Unterdruck durch Absaugen des sauerstoffarmen Gasgemisches und im geschlossenen
Raum 33 durch Einpressen des sauerstoffarmen Gasgemisches ein Ueberdruck erzeugt.
Der Zustand aller Ventile und die Druckverhältnisse in den Kammern und dem Raum
sind zur Zeit t5 genau gleich wie zur Zeit tl und der weitere Ablauf ist die Wiederholung
des beschriebenen Ablaufs in dieser Zeitspanne tl bis t5.
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Bei einer dritten Ausführungsform gemäss Fig. 3 ist vorgesehen, dass
eine Adsorptionskammer evakuiert und gleichzeitig die andere Adsorptionskammer mit
dem Gasgemisch aus dem geschlossenen Raum gespült wird.
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Die beiden Adsorptionskammern 53 und 54 sind wieder mit Molemin#estens
kularsieben mit Porengrössen von pm gefüllt. Von einem geschlossenen Lagerraum 64
führt eine Leitung über einen Filter 63 ein Gebläse auf eine Gabelung, die zu drei
Ventilen, einem Ausgleichsventil 60, einem ersten Einlassventil 52 zur ersten Adsorptionskammer
53 und einem zweiten Ausgleichsventil 57 zur zweiten Adsorptionskammer 54 führt.
Mit einer zweiten Leitung zum Lagerraum 64 sind die beiden Eingangsleitungen der
Adsorptionskammern 53, 54 über ein Dreiwegventil 51 mit drei Stellungen, nämlich
die eine Seite mit einem Ausgang, die andere Seite mit demselben Ausgang oder gesperrt,
verbunden, und auch das Ausgleichsventil 60 ist noch auf diese Leitung geführt.
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In der erstgenannten Leitung ist ein Gebläse 62 und in der zweiten
Leitung eine Vakuumpumpe 50 vorhanden.
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An dieselben Anschlüsse der Adsorptionskammern 53, 54 wird aus einer
Frischluftzufuhr über einen weiteren Filter 61, ein erstes Zufuhrventil 58 und ein
zweites Zufuhrventil 59 Frischluft zu den Adsorptionskammern geleitet.
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Die beiden gegenüberliegenden Anschlüsse der beiden Adsorptionskammern
53, 54 sind über ein erstes bzw. ein zweites Ablassventil 55 bzw. 56 mit einem Auspuff
verbunden.
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Die Funktionsweise dieser Ausführungsform wird nun anhand der Fig.
6 erläutert und zwar wird angenommen, die Anordnung sei im eingeschwungenen Zustand:
in der ersten Adsorptionskammer 53 herrsche Unterdruck, in der zweiten Adsorptionskammer
54 und im Lagerraum sei der Druck ausgeglichen. Im Zeitpunkt tO sei das Dreiwegventil
51 gerade in die gesperrte Stellung geschaltet und die Vakuumpumpe 50 abgestellt
worden. Das zweite Ablassventil 56 ist noch offen und dazu werden das erste Zu£uhrventil
58 und das Ausgleichsventil 60 geöffnet und das Gebläse 62 angeschaltet. Somit wird
das Vakuum in der ersten Adsorptionskammer 53 über das Filter 61 und das erste Zufuhrventil
58 mit Frischluft aufgefüllt und die Luft im Lagerraum wird durch das Gebläse 62
und das Ausgleichsventil 60 umgewälzt. Zur Zeit tl sei nun das Vakuum in der ersten
Adsorptionskammer 53 aufgefüllt. Jetzt werden die Ventile 58 und 60 geschlossen
und das erste Einlassventil 52 wird geöffnet Durch das Gebläse 62 wird Luft aus
dem Lagerraum abgesaugt und über das Einlassventil 52 in die erste Adsorptionskammer
53 gepumpt. Damit wird der Druck im Lagerraum gesenkt und in der ersten Adsorptionskammer
53 wird ein Adsorptionsdruck erzeugt.
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Sobald der Endzustand dieser Phase erreicht ist, werden die Ventile
52 und 56 geschlossen und das Dreiwegventil 51 mit der zweiten Adsorptionskammer
54 verbunden und das erste Ablassventil 55 geöffnet. Durch die Vakuumpumpe 50 wird
nun sauerstoffarmes
Gasgemisch aus der zweiten Adsorptionskammer
54 in den Lagerraum gepumpt, wodurch in dieser Adsorptionskammer 54 ein Vakuum und
im Lagerraum ein ausgeglichener Druck erzeugt wird. Durch das offene Ablassventil
55 gelangt das sauerstoffreiche Gasgemisch aus der ersten Adsorptionskammer 53 ins
Freie. Nach dem Evakuierungsvorgang wird die Vakuumpumpe 50 stillgelegt und das
Dreiwegventil 51 auf die gesperrte Stellung gebracht, sowie das Ausgleichsventil
60 und das zweite Zufuhrventil 59 geöffnet. Mit dem Gebläse 62 wird wieder die Luft
im Lagerraum über das Ausgleichsventil 60 umgewälzt und die zweite Adsorptionskammer
54 füllt sich bis zum Druckausgleich mit Frischluft.
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Die nächste Phase beginnt zur Zeit t4. Die Ventile 59 und 60 werden
geschlossen und das zweite Einlassventil 57 wird geöffnet. Somit drückt das Gebläse
62 Luft aus dem Lagerraum 64 in die zweite Adsorptionskammer 54, so dass schliesslich
im Lagerraum ein Unterdruck und in der zweiten Adsorptionskammer 54 ein Ueberdruck
herrscht.
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Durch Schliessen der Ventile 55 und 57 und Oeffnen des zweiten Auslassventils
56, sowie Umstellen des Dreiwegventils 51 auf die erste Adsorptionskammer 53, gleicht
sich der Ueberdruck in der zweiten Adsorptionskammer 54 durch Abblasen von sauerstoffreichem
Gasgemisch aus und im Lagerraum wird der
normale Druck hergestellt,
während in der ersten Adsorptionskammer 53 ein Unterdruck entsteht.
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Mit dieser Phase zwischen den Zeiten t5 und t6 ist wieder derselbe
Zustand hergestellt wie bei der Zeit t0.
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Für den Betrieb aller drei Ausführungsbeispiele gemäss Fig. 1 bis
3 sind lediglich die Ventilstellungen und der damit erzielte Effekt angegeben. Es
dürfte selbstverständlich sein, dass die in den Fig. 4 bis 7 eingezeichneten Phasen
je nach Bedarf länger und/oder kürzer sein können. Es wird auch vorausgesetzt, dass
die Elemente zur Betätigung der Ventile und die Anordnungen zur Steuerung mit Druckmessern,
Zeitgebern und dgl. jedem Fachmann für Steuerungen bekannt sind, so dass hier auf
eine weitschweifige Ausführung verzichtet werden kann, umsomehr, da diese Steuerung
für die Erfindung nur ein Mittel zur Automatisierung darstellt. Die Erfindung könnte
aber auch durch Handeinstellung der Ventile betrieben werden.
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In der vorstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen wurde angegeben,
dass die Adsorptionskammern mit Molekularmindestens sieben von 200 pm Porengrösse
gefüllt seien. Selbstverständlich können auch andere Adsorbenten für Stickstoff
verwendet werden, wie Kohle oder Aktivkohle. Auch kann bei den beiden
Ausführungsbeispielen
gemäss Fig. 1 und 2 die eine Adsorptionskammer Kohle oder Aktivkohle und die andere
Adsorptionskammer Molekularsiebe enthalten. Zu diesem Zweck geeignete Molekularsiebe
sind beispielsweise die Zeolithen.
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Somit konnte gezeigt werden, dass durch das einfachste und bisher
als das technisch ungünstigste bekannte Verfahren auf einfache und wirkungsvolle
Weise die Gaszusammensetzung in geschlossenen Räumen verändert und in diesem Zustand
gehalten werden kann, wobei die benötigte Energie für den Betrieb der Pumpen und
Gebläse niedrig gehalten werden kann, was vordem anscheinend bisher nicht erkannt
wurde, möglicherweise weil immer nach Mitteln zur herstellung von reinem Sauerstoff
bzw.
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Stickstoff gesucht wurde, aber dabei ausser Acht gelassen wurde, dass
das erwünschte Ziel ebenfalls durch eine Kontinuität im Betrieb erreicht werden
kann.
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Bei den beschriebenen Beispielen wurden Adsorbenten für Stickstoff
bzw. für Sauerstoff vorgesehen, dabei wurde vorausgesetzt, dass alle übrigen Gasanteile
wenigstens teilweise mit dem abgeblasenden, nicht adsorbierten Gas entfernt werden,
beispielsweise das CO2-Gas zusammen mit dem Sauerstoff bei Sauerstoffreduktion.
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Es könnten aber auch ein Adsorbent für CO2 oder andere Gase vorgesehen
werden und entsprechend Sauerstoff und/oder Stickstoff mit dem Abblasen entfernt
werden.