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Die
Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zum Entfernen schädlicher
Verunreinigungen aus der Luft und deren Konditionierung in relativ
hermetischen Bereichen, hauptsächlich
in Passagierabteilen von Transportmitteln. Sie kann jedoch auch
in anderen relativ hermetischen Bereichen angewendet werden.
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Eine
Vorrichtung und ein Verfahren zum Entfernen schädlicher Verunreinigungen aus
der Luft, die dem Passagierabteil eines Fahrzeugs zugeführt wird,
sind bekannt. Diese Vorrichtung weist einen speziellen Filter auf,
der allergene und karzinogene Partikel zurückhält ("Za rulyom", Nr. 112, 1999, S. 52).
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Die
Vorrichtung hat den Nachteil, daß sie nur große Partikel
aus der Luft entfernt, wohingegen eine Anzahl von schädlichen
Verunreinigungen, insbesondere Kohlenoxid, Stickoxide und Kohlenwasserstoffe,
nicht entfernt werden.
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Dieser
Erfindung sind die Vorrichtung und das Verfahren zum Entfernen schädlicher
Verunreinigungen aus der Luft in relativ hermetischen Bereichen,
hauptsächlich
in Passagierabteilen von Transportmitteln, am ähnlichsten, die darin bestehen,
daß aus
der Luft, die von einem Ventilator aus einem relativ hermetischen
Bereich (dem Passagierabteil eines Transportmittels) zugeführt wird,
Feuchtigkeit und schädliche
organische Verunreinigungen mit Hilfe von Adsorptionsfiltern und
Kohlenoxid mit Hilfe eines katalytischen Tieftemperaturfilters entfernt
werden, wobei dies vom Gehalt der schädlichen Verunreinigungen abhängt. Die
Vorrichtung umfaßt
eine Gasleitung, einen Ventilator, zwei in Reihe betriebene Adsorptions filter,
einen katalytischen Tieftemperaturfilter und eine Ventilkammer.
In dieser Vorrichtung werden zwei Adsorptionsfilter in Reihe betrieben,
die schädliche
organische Verunreinigungen entfernen, wohingegen ein katalytischer
Tieftemperaturfilter Kohlenoxid entfernt (L.S. Bobe, Yu. E. Sinyak,
A.A. Berlin, V.A. Soloukhin. Ecological and technical systems. M.:
MAI-Veröffentlichung;
1992, S. 38).
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Ein
Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß sie Stickoxide, Schwefeloxide,
Ammoniak und eine Anzahl anderer Verbindungen nicht entfernen kann,
die sich schlecht auf Aktivkohle sorbieren lassen. In diesem Fall
besteht die große
Möglichkeit, daß schädliche Verunreinigungen
mit den Eigenschaften eines Katalysatorgiftes in den katalytischen Tieftemperaturfilter
gelangen. Diese sind z.B. Schwefeloxide, Schwefelwasserstoff. Außerdem erfolgt
das An- und Abschalten der Vorrichtung manuell, da es keine Betriebsdaten über das
Ausmaß der
Verschmutzung der Atmosphäre
mit schädlichen
Verunreinigungen gibt. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens und
dieser Vorrichtung ist das Nachfüllen
der während
der Regenerierung abgegebenen Luft unter Verwendung von Gaszylindern.
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US 5 938 523 zeigt ein regeneratives
Adsorptionsfiltersystem ohne einen Katalysatorfilter.
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Offenbarung
der Erfindung
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Das
technische Ergebnis dieser Erfindung besteht darin, das Gleichgewicht
zwischen den Gasströmen
einer Plenumventilation und dem Strom der während der Regenerierung abgegebenen
Luft aufrechtzuerhalten, wodurch es möglich wird, den regenerierten
Adsorptionsfilter schnell zu kühlen
und die Vorrichtung in Zusammenhang mit der Menge und Natur der
schädlichen
Verunreinigungen im Inneren des relativ hermetischen Bereichs schnell
an- und abzuschalten.
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Dieses
technische Ergebnis wird aufgrund der Tatsache erreicht, daß bei dem
Verfahren zum Entfernen von schädlichen
Verunreinigungen aus der Luft in relativ hermetischen Bereichen,
hauptsächlich in
Passagierabteilen eines Transportmittels, das darin besteht, daß aus der
Luft, die von Ventilatoren aus einem relativ hermetischen Bereich
(aus dem Passagierabteil eines Transportmittels) zugeführt wird,
im Wechsel in zwei Strömen
Feuchtigkeit und schädliche
organische Verunreinigungen mit Hilfe von Adsorptionsfiltern, chemisch
adsorbierte Verbindungen mit Hilfe eines chemischen Adsorptionsmittels,
Kohlenoxid mit Hilfe eines katalytischen Tieftemperaturfilters und
katalytische Gase mit Hilfe der Adsorptionsfilter und des chemischen
Adsorptionsmittels entfernt werden, wobei dies von der Menge und
der Natur der schädlichen
Verunreinigungen abhängt,
eine abwechselnde Regenerierung der Aktivkohle eines sich im Moment
nicht in Betrieb befindlichen Adsorptionsfilters in einem der Luftströme mit Hilfe
der auf dem Kieselgel adsorbierten Feuchtigkeit durchgeführt wird,
indem dieser Adsorptionsfilter auf 160°C erwärmt und mit dem Ventilator
gekühlt
wird, womit ein Gleichgewicht zwischen dem Luftvolumen, das aus der
Atmosphäre
in das relativ hermetische Abteil eingeleitet wird, und dem Luftvolumen
aufrechterhalten wird, das beim Regenerierungsverfahren in die Atmosphäre abgegeben
wird. Jeder Adsorptionsfilter umfaßt eine Doppelschicht aus Kieselgel-Aktivkohle-Sorptionsmittel.
Zur Regenerierung befindet sich das Kieselgel stromaufwärts der
Aktivkohle.
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Die
Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens in relativ hermetischen Bereichen, die eine Ansaugöffnung und
eine Auslaßöffnung für die Luft aufweist,
umfaßt
zwei Ventilatoren, die jeweils über einen
Adsorptionsfilter und eine Ventilkammer mit einem Einlaß des katalytischen
Tieftemperaturfilter verbunden sind, eine Heizeinrichtung, eine
gesteuerte Luftklappe am Einlaß der
Ansaugöffnung,
um entsprechend der während
der Regenerierung abgegebenen Luft für in dieses Abteil aus der
Atmosphäre angesaugte Luft
zu sorgen, eine Einheit zum Analysieren der Luftqualität in der
Atmosphäre,
die im Falle einer deutlichen Zunahme der Konzentration der schädlichen
Verunreinigungen in der angesaugten Luft für das Schließen der
Luftklappe sorgt, und eine Einheit zum Analysieren der Luftqualität in dem
Bereich, die für
das abwechselnde An- und Abschalten der Ventile in der Ventilkammer
und das darauf folgende An- und Abschalten der Heizeinrichtung zum Erwärmen des
Adsorptionsfilters, der regeneriert werden soll, und des mit diesem
Filter verbundenen Ventilators sorgt, wobei die Ventilkammer, so
ausgeführt
ist, daß jeder
der Adsorptionsfilter im Wechsel während der Luftreinigung mit
dem katalytischen Tieftemperaturfilter oder während der Regenerierung mit
der Öffnung
für die
Abgabe der Luft in die Atmosphäre
verbunden werden kann, wobei sich für die Regenerierung zwei Schichten
Sorptionsmittel in der folgenden Reihenfolge in den Adsorptionsfiltern
und dem katalytischen Tieftemperaturfilter befinden: Kieselgel stromaufwärts der
Aktivkohle in den Adsorptionsfiltern und chemisches Adsorptionsmittel
stromaufwärts
des Katalysators im katalytischen Tieftemperaturfilter.
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Ferner
ist die Ventilkammer in Form von zwei "Zweiwege"-Ventilen ("or" valve)
ausgebildet ist, wobei deren Einlässe entsprechend mit den Auslässen der
Adsorptionsfilter verbunden sind, wobei die ersten Auslässe mit
dem katalytischen Tieftemperaturfilter und die zweiten Auslässe mit
den Öffnungen
für die
Abgabe der Luft in die Atmosphäre
verbunden sind. Außerdem
umfaßt
die Einheit zum Analysieren der Luftqualität in dem Abteil Gassensoren
für schädliche Verunreinigungen.
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Ferner
ist die Heizeinrichtung so gestaltet, daß die Adsorptionsfilter im
Wechsel auf bis zu 160°C
erwärmt
werden können.
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Zudem
weist einer der Ventilatoren einen Luftstrom auf, der gleich dem
Luftvolumen der Plenumventilation ist, wobei dies von der Position
der Luftklappe abhängt.
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Durch
die Verwendung von zwei Ventilatoren wird es möglich, das Kühlen eines
regenerierten Adsorptionsfilters bei gleichzeitigem Betrieb des
anderen Adsorptionsfilters bei der Luftreinigung durchzuführen. In
diesem Fall wird die Kühlzeit
aufgrund der zwangsweisen Wärmeableitung
beträchtlich
kürzer, was
zu kleineren Abmessungen des Filters und einem geringeren Sorptionsmittelvolumen
führt.
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Die
Verwendung einer Doppelschicht des Sorptionsmittels, d.h. Kieselgel-Aktivkohle,
ermöglicht
es, daß der
Regenerierungsprozeß der
Aktivkohle mit Hilfe von auf dem Kieselgel adsorbierter Feuchtigkeit
durchgeführt
werden kann, was zu einer beträchtlichen
Verringerung der Regenerierungstemperatur (von 220 bis 250°C auf 160°C) führt. Das stromaufwärts des
Katalysators angeordnete chemische Adsorptionsmittel sorgt für das Entfernen
der chemisch adsorbierten Verbindungen sowie auch von Katalysatorgiften
aus der Luft, z.B. Schwefelverbindungen. Da die Luft nacheinander
durch verschiedene Schichten von Sorptionsmittel geht, wird es folglich
möglich,
ein hohes Ausmaß der
Luftreinigung zu erreichen und die Vergiftung des Tieftemperaturkatalysators
zu vermeiden.
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Damit
das Gleichgewicht zwischen den Gasströmen erhalten bleibt, ist die
Vorrichtung mit einer geregelten Luftklappe ausgestattet, die durch
ein Programm mit dem Luftstrom durch die Adsorptionspatrone verbunden
ist, die regeneriert wird. Dadurch wird ein Gleichgewicht zwischen
den Strömen
der Plenumventilation, die durch die Position der Luftklappe bestimmt
wird, und einem Luftstrom durch den Filter erreicht, der regeneriert
wird. In diesem Fall erfolgt das Nachfüllen der während der Regenerierung abgegebenen
Luft zu Lasten der na türlichen Luftaufnahme
von außen,
was keine zusätzlichen Gaszylinder
wie beim Prototyp erfordert.
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Ein
wesentlicher Vorteil dieser Vorrichtung ist die Verwendung von Gassensoren,
die ein schnelles automatisches An- und Abschalten der Vorrichtung ermöglichen,
wobei dies von der Menge und Natur der schädlichen Verunreinigungen in
der Atmosphäre abhängt. Das
verringert wiederum den Energieverbrauch der Vorrichtung und verlängert die
Betriebszeit ihrer einzelnen Komponenten.
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Diese
Merkmale sind wesentlich und stehen in einem Zusammenhang von Ursache
und Wirkung mit der Schaffung einer Kombination von wesentlichen
Merkmalen, die ausreichen, um dieses technische Ergebnis zu erzielen.
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Das
Verfahren zum Entfernen von schädlichen
Verunreinigungen aus der Luft in relativ hermetischen Bereichen,
hauptsächlich
im Abteil eines Transportmittels, besteht darin, daß die von
den Ventilatoren aus einem relativ hermetischen Bereich zugeführte Luft
im Wechsel in zwei Strömen
gereinigt wird, um Feuchtigkeit und schädlich organische Verunreinigungen
mit Hilfe von Adsorptionsfiltern, chemisch adsorbierte Verbindungen
mit Hilfe des chemischen Adsorptionsmittels, Kohlenoxid mit Hilfe
des katalytischen Tieftemperaturfilters und katalytische Gase mit
Hilfe der Adsorptionsfilter und des chemischen Adsorptionsmittels
zu entfernen, wobei dies von der Menge und Natur der schädlichen
Verunreinigungen abhängt.
Danach wird eine abwechselnde Regenerierung eines Adsorptionsfilters,
der sich zu diesem Zeitpunkt nicht in Betrieb befindet, in einem der
Luftströme
mit Hilfe von auf dem Kieselgel des Filters adsorbierter Feuchtigkeit
durchgeführt,
indem er auf 160°C
erwärmt
und vom Ventilator gekühlt wird.
Dadurch wird das Gleichgewicht zwischen dem Luftvolumen, das aus
der Atmosphäre
in den relativ hermetischen Bereich gelangt, und dem Luftvolumen aufrechterhalten,
das beim Regenerierungsverfahren in die Atmosphäre abgegeben wird. Jeder Adsorptionsfilter
umfaßt
eine Doppelschicht der Sorptionsmittel: Kieselgel-Aktivkohle.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Zeichnung zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Luftreinigung.
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Beste Ausführungsform
der Erfindung
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Diese
bestimmte Ausführungsform
ist ein Beispiel dieser Erfindung, sie ist jedoch nicht die einzig
mögliche,
sondern zeigt explizit die Möglichkeit, dieses
bestimmte technische Ergebnis unter Anwendung einer Kombination
von wesentlichen Merkmalen zu erreichen.
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Die
Vorrichtung arbeitet wie folgt. Die Luft aus der äußeren Atmosphäre 1 gelangt
mit dem Luftstrom Q in den relativ hermetischen Bereich 2,
z.B. das Passagierabteil eines Transportmittels. Eine Steuereinheit 3 für die Luftqualität führt eine
ständige Kontrolle
der Luftqualität
in diesem Bereich durch. Im Falle einer sauberen Atmosphäre wird
die Reinigungsvorrichtung nicht angeschaltet, und die Luft wird
durch Austrittsräume
des Bereichs 4 abgegeben, wobei die angesaugte Luft 1 natürlich gleich
der abgegebenen 4 ist.
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Wenn
die Luft im Bereich 2 verschmutzt ist, schaltet die Steuereinheit 3 für die Luftqualität den Ventilator 5 an.
Die Luft strömt
nacheinander durch den Filter 6 mit der Doppelschicht aus
Kieselgel-Aktivkohle, in der Feuchtigkeit (auf dem Kieselgel) und schädliche organische
Verunreinigungen (auf der Aktivkohle) entfernt werden, worauf die
Luft durch die Ventilkammer 7 mit dem "Zweiwege"-Ventil 10 zum Filter einer
Schicht aus chemischem Adsorptionsmittel-Katalysator 9 strömt, wo Stickoxide,
Schwefeloxide, Ammoniak und andere chemisch adsorbierte Verbindungen
und Kohlenoxid entfernt werden. Die gereinigte Luft wird in dem
Bereich 2 abgegeben.
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Nachdem
der Filter 6 einige Stunden gearbeitet hat, wird der Ventilator 5 abgeschaltet
und die "Zweiwege"-Ventile in der Ventilkammer 7 werden geschaltet.
Das "Zweiwege"-Ventil 10 ist
geschlossen und mit der Öffnung 11 zur
Atmosphäre
verbunden, und das "Zweiwege"-Ventil 12 ist geöffnet und mit
dem Raum Abteils verbunden. Nun wird der zweite Ventilator 13 angeschaltet,
und die Luft strömt durch
den zweiten Filter 14 mit Kieselgel und Aktivkohle und
weiter durch die Ventilkammer 7 und das "Zweiwege"-Ventil 12 zum
Filter 9, worauf sie dem Bereich zugeführt wird. Gleichzeitig wird
der Filter 6 auf 160°C
erwärmt,
danach wird die Heizeinrichtung abgeschaltet, und der Ventilator 5 wird
mit einem Luftstrom, der gleich dem Luftstrom der Plenumventilation 1 ist,
angeschaltet, die von der Position der Klappe 15 programmabhängig ist.
Vom Kieselgel desorbierter Wasserdampf drückt die adsorbierten schädlichen
Verunreinigungen aus der Aktivkohle, und ein Dampf-Gas-Gemisch mit
Wärme wird
durch die Öffnung 11 in
die äußere Atmosphäre abgegeben.
Nach Abschluß des
Regenerierungsverfahrens und der Verringerung der Konzentration
im Filter 14 findet ein Umschalten der "Zweiwege"-Ventile statt, und es wird die Regenerierung
des Filters 14 vorgenommen, wobei die Regenerierungsprodukte
und Wärme
durch die Öffnung 16 in
die Atmosphäre
abgegeben werden. In diesem Fall reinigt der Filter 6 die
Luft in diesem Bereich. Die Vorrichtung weist auch eine Einheit 17 zum
Analysieren der Luftqualität in
der Atmosphäre
auf, die für
das Schalten der Luftklappe 15 sorgt, falls die Konzentration
der schädlichen
Verunreinigungen in der angesaugten Luft 1 deutlich zunimmt.
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Die
Anwendung der Erfindung wurde mit Hilfe dieser bestimmten Ausführungsform
bestätigt.
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Die
Außenluft,
die schädliche
Verunreinigungen enthält,
wird durch die Klappe mit einem Luftstrom von 6 m3/h
in das mit drei Passagieren besetzte Passagierabteil geleitet. Die
Vorrichtung ist mit Metalloxid-Feststoffsensoren für CO, Stickoxide
und Kohlenwasserstoffe ausgestattet. Wenn die Konzentration irgendeiner
Verbindung den MAK-Wert erreicht, wird einer der Ventilatoren der
Reinigungsvorrichtung durch einen Befehl der das Gas prüfenden Sensoren
mit einem Luftstrom von 15 m3/h angeschaltet.
Die Luft strömt
nacheinander durch die Patrone mit der Doppelschicht aus den Sorptionsmitteln Kieselgel
mit KCM-Qualität – Aktivkohle
mit FAS-Qualität
und außerdem
durch die Patrone mit einer Doppelschicht aus chemischen Adsorptionsmittel mit
HPSB-Qualität – Katalysator
AK-62. Der Wirkungsgrad für
das Entfernen schädlicher
Verunreinigungen beträgt
98% für
NO2, 96% für CO und 95% für CnHm.
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Wenn
die Konzentration der schädlichen Verunreinigungen
in der angesaugten Luft für
CO gleich 15 mg/m3, wobei die Stoffwechselrate
der CO-Emission gleich 4,7 mg/h ist, für Stickoxide 7 mg/m3 und für
Kohlenwasserstoffe 8 mg/m3 beträgt, wird
als Ergebnis der Reinigung die Konzentration dieser Verbindungen
im Passagierabteil eines Transportmittels auf 5,1 mg/m3 für CO, auf
2,0 mg/m3 für Stickoxide und auf 2,4 mg/m3 für
Kohlenwasserstoffe verringert.
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Nach
einem vierstündigen
Filterbetrieb findet ein Umschalten der Ventile statt, was zum Anschalten
des zweiten Sorptionsfilters mit dem zweiten Ventilator führt, der
ab diesem Zeitpunkt die Luft im Passagierabteil reinigt. In diesem
Zeitraum wird der erste Sorptionsfilter auf 160°C erwärmt. Wenn diese Temperatur
erreicht ist, wird die Heizeinrichtung abgeschaltet, und der erste
Ventilator wird mit einem Luftstrom von 6 m3/h
angeschaltet, was gleich dem Luftstrom der Plenumventilation ist,
der durch die Position der Klappe programmgesteuert ist. Der Wasserdampf
drückt
die adsorbierten Hexanmoleküle
aus der Aktivkohle, und das Dampf-Gas-Gemisch wird in die Atmosphäre abgegeben.
Die erzwungene Wärmeableitung
kühlt des
Sorptionsfilter auf eine normale Temperatur herunter, danach ist
er verwendungsbereit.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Diese
Erfindung erfüllt
die Bedingung der Patentierbarkeit in bezug auf die "industrielle Anwendbarkeit", da vorhandene Produktionsanlagen
unter Anwendung bekannter Arbeitsvorgänge damit ergänzt werden
können.