-
Hintergrund
-
Luftzirkulationssysteme
in handelsüblichen Flugzeugen
zirkulieren eine Mischung von frischer und umgewälzter Luft zu den Insassen.
Es wird eine bestimmte Menge frischer Luft benötigt, um gesunde Sauerstoff-
und Kohlenstoffdioxidgaskonzentrationen für die Insassen beizubehalten.
Typischerweise kann nicht genügend
frische Luft in ein Flugzeug bei Höhen über 40.000 Fuß eingebracht
werden, da die Luft sehr dünn
ist. Folglich verhindert dies, daß handelsübliche Flugzeuge bei solchen
Höhen fliegen. Das
Fliegen in Höhen über 40.000
Fuß wäre für handelsübliche Flugzeuge
wünschenswert,
da die dünne Luft
bei solchen Höhen
einen niedrigeren Luftwiderstand als bei niedrigeren Höhen entgegenbringt,
und daher es dem Flugzeug ermöglicht,
in einer kraftstoffsparenderen Weise zu fliegen.
-
EP-A-0
579 105 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Entfernen
von Kohlenstoffdioxid, welches in Abgas enthalten ist, wobei eine
Wasserstoffquelle durch einen Elektronenstrahlerzeuger zerfällt, um
atomaren Wasserstoff freizugeben, der mit dem Kohlenstoffdioxid
reagiert.
-
Kurzfassung
-
Die
vorliegende Erfindung stellt ein Gasumwandlungssystem zum Entfernen
von Kohlenstoffdioxid aus einem Gas bereit, das umfaßt: eine
Leitung, durch welche die Gase zirkulieren, wobei die Leitung einen
Anschluß aufweist,
um ein Reaktionsmittel in die Leitung zu den Gasen einzuleiten;
eine Elektronenstrahlquelle, die bezüglich der Leitung angeordnet
ist, um einen Elektronenstrahl in die Leitung zu führen und
Komponenten des Kohlenstoffdioxids und des Reaktionsmittel reagieren
zu lassen, um Kohlenstoffdioxid aus den Gasen zu entfernen und Sauerstoff
freizusetzen, und gekennzeichnet durch eine geschlossene Umgebung,
wobei die Leitung eingerichtet ist, um behandelte Gase mit dem freigesetzten Sauerstoff
innerhalb der geschlossenen Umgebung zu liefern.
-
In
bevorzugten Ausführungsbeispielen
ist das Kohlenstoffdioxid innerhalb der Luft. Ein Luftzirkulator
ist enthalten, um die Luft zu zirkulieren, die innerhalb der geschlossenen
Umgebung zirkuliert werden kann. Ein Abscheider scheidet Feststoffe
aus den Gasen ab, welche durch Reaktion der Komponenten des Kohlenstoffdioxids
und des Reaktionsmittels gebildet werden. In einem Ausführungsbeispiel umfaßt das Reaktionsmittel
Wasser. Die vorliegende Erfindung kann innerhalb, ein Teil von,
oder ein Luftzirkulations- oder Luftumwälzsystem sein.
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zum Entfernen
von Kohlenstoffdioxid aus Gasen, umfassend das Einführen eines
Reaktionsmittels in die Gase und Behandeln des Reaktionsmittels
und der Gase mit einem Elektronenstrahl. Der Elektronenstrahl veranlaßt Komponenten des
Kohlenstoffdioxids und des Reaktionsmittels miteinander zu reagieren,
um das Kohlenstoffdioxid aus den Gasen zu entfernen und Sauerstoff
freizusetzen. Das Kohlenstoffdioxid kann aus der Luft innerhalb
eines Luftzirkulations- oder Luftumwälzsystems entfernt werden und
kann behandeltes Gas mit dem freigesetzten Sauerstoff innerhalb
einer geschlossenen Umgebung liefern.
-
Die
vorliegende Erfindung kann in Luftzirkulations- oder Luftumwälzsystemen
angewendet werden, um Kohlenstoffdioxid zu entfernen und Sauerstoff
freizusetzen, um die Notwendigkeit des Zuführens von frischer Luft zu
umgehen. Als Ergebnis kann die Luft in einer geschlossenen Umgebung
umgewälzt
bzw. zirkuliert werden. Solche Luftzirkulationssysteme in einer
geschlossenen Umgebung können in
einem handelüblichen
Flugzeug installiert werden, um die Fluggäste mit atembarer Luft zu versorgen, die
gesunde Konzentrationen von Kohlenstoffdioxid und Sauerstoff aufweist,
und sie erlauben gleichzeitig dem Flugzeug, in Höhen zu fliegen, die wesentlich über 40.000
Fuß liegen,
bei welchen das Flugzeug kraftstoffsparender ist.
-
Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
-
Die
vorhergehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispielen
der Erfindung, wie sie in den beigefügten Zeichnungen, in denen
sich ähnliche
Bezugszeichen auf dieselben Teile überall in den verschiedenen
Ansichten beziehen, veranschaulicht ist. Die Zeichnungen sind nicht
notwendigerweise maßstabsgetreu,
sondern betonen und veranschaulichen aufgrund ihrer Anordnung die
Grundzüge
der Erfindung.
-
1 ist
eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels des Gasumwandlungssystems
der vorliegenden Erfindung.
-
2 ist
eine schematische Zeichnung eines Luftzirkulationssystems, das das
Gasumwandlungssystem von 1 enthält.
-
3 ist
eine schematische Seitenansicht eines anderen Ausführungsbeispieles
des Gasumwandlungssystems.
-
4 ist
eine schematische Querschnittsansicht des Gasumwandlungssystems,
wie es in 3 dargestellt ist.
-
5 ist
eine perspektivische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles der vorliegenden
Erfindung.
-
6 ist
eine schematische Seitenschnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispieles
der vorliegenden Erfindung.
-
7 ist
eine Vergrößerung des
unteren Bereiches von 6.
-
8 ist
eine schematische Draufsicht der Reaktionskammer von 6.
-
Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
-
Bezugnehmend
auf 1 ist dort ein Gasumwandlungs- oder -behandlungssystem 10 zum Entfernen
von Kohlenstoffdioxid aus Gasen und zum Freilassen von Sauerstoff
angewendet. Oftmals ist das Gasumwandlungssystem 10 innerhalb
eines Luftzirkulationssystems enthalten oder ist ein Teil davon,
um Kohlenstoffdioxid aus der Luft zu entfernen und Sauerstoff frei
zu lassen. Andere gewöhnliche Anwendungen
sind das Entfernen von Kohlenstoffdioxid und das Freilassen von
Sauerstoff in Abgase. Das Umwandlungssystem 10 weist eine
Leitung 12 auf, durch welche Gase in Richtung des Pfeiles
A fließen
oder zirkulieren. Typischerweise enthält das Gas oder die Gase, die
durch Leitung 12 fließen,
einen Anteil von Kohlenstoffdioxidgas. Ein Anschluß 20, der
sich in die Leitung 12 erstreckt, wird verwendet, um ein
Spül- oder
Reaktionsmittel 21 in die Leitung 12 einzuführen, um
es mit den fließenden
Gasen zu mischen. Eine Elektronenstrahlquelle 14 ist an
der Leitung 12 oberhalb einer Öffnung in der Leitung 12 dichtend
angebracht, typischerweise stromabwärts des Anschlusses 20,
um einen Elektronenstrahl 24 in die fließenden Gase
innerhalb der Leitung 12 zu führen. Die Elektronenstrahlquelle 14 hat
ein Ausgangsfenster 14a, durch welches der Elektronenstrahl 24 geführt wird.
Die Elektronenstrahlquelle 14 ist so dimensioniert, daß sie nahezu
den gesamten Querschnitt der Leitung 12 mit Elektronen
e– aus
dem Elektronenstrahl 24 abdeckt. Dies bildet eine Bestrahlungszone 22,
welche die fließenden
Gase und das Reaktionsmittel 21 passieren. Der Elektronenstrahl 24 sorgt
dafür,
daß Kohlenstoffdioxidgas
mit dem Reaktionsmittel 21 reagiert, um Kohlenstoffdioxid
aus den fließenden
Gasen zu entfernen, während gleichzeitig
Sauerstoffgas freigesetzt wird. Oftmals entsteht durch die Reaktion
ein Nebenprodukt, welches ein Feststoff sein kann. Eine Abscheidevorrichtung,
beispielsweise ein Filter 16, ist typischerweise stromabwärts der
Elektronenstrahlquelle 14 und der Bestrahlungszone 22 angeordnet,
um diese Feststoffe aus den vorbeifließenden Gasen herauszufiltern. Zusätzlich kann
der Filter 16 in Verbindung mit einem Sammler 18 zum
Sammeln der Feststoffe eingesetzt werden.
-
Im
Betrieb wird ständig
Reaktionsmittel 21 in die Leitung 12 angebracht,
indem es in einer Form ist, die sich leicht mit den fließenden Gasen
mischt, wie beispielsweise gasförmig
oder dampfförmig,
als Nebel oder feines Pulver. Wenn die Mischung aus Gasen und Reaktionsmittel 21 die
Bestrahlungszone 22 passiert, bricht der Elektronenstrahl 24 Kohlenstoffdioxidgasmoleküle (CO2) in kleinere Komponenten, wie beispielsweise
C, O oder CO, auf. Das Reaktionsmittel 21 kann ebenfalls
aufgebrochen werden, abhängig
von dem speziell angewendeten Reaktionsmittel. Komponenten des Kohlenstoffdioxid, die
das Element Kohlenstoff enthalten, reagieren mit den Komponenten
des Reaktionsmittels 21, wodurch typischerweise ein Feststoff
gebildet wird, und werden dadurch aus dem vorbei fließenden Gas
entfernt. Durch das Entfernen von Kohlenstoff tragenden Komponenten
aus dem fließenden
Gas, wird Kohlenstoffdioxidgas daraus entfernt.
-
In
einem Ausführungsbeispiel
umfaßt
das Reaktionsmittel 21 Wasser (H2O),
welches in die Leitung 12 durch den Anschluß 20 als
Nebel oder Dampf eingeführt
wird. Der Elektronenstrahl 24 bricht die Wassermoleküle (H2O) in kleinere Komponenten, wie beispielsweise
H, OH oder O und Kohlenstoffdioxidmoleküle (CO2),
wie oben erwähnt.
Wenn das Wasser (H2O) und die Kohlenstoffdioxidmoleküle (CO2) in kleinere Komponenten aufgebrochen wurden,
können
diese Komponenten miteinander reagieren. Kohlenstoffdioxidgas (CO2) kann mit Wasser (H2O),
wenn es durch Elektronen e– aus dem Elektronenstrahl 24 bestrahlt
wird, auf folgende Weise reagieren: CO2 + H2O + Elektronenstrahl ⇒ (CH2O)n + O2
-
Die
Nebenprodukte der Reaktion können
ein Feststoff sein, der Kohlenstoffkomponenten in der Form von Zucker
aufweist, und Sauerstoffgas. Der Feststoff, der die Kohlenstoffelemente
aufweist, wird aus den fließenden
Gasen entfernt, während
der freigesetzte Sauerstoff sich mit den Gasen vermischt. Folglich
entfernt dieses Vorgehen die Kohlenstoffdioxidgase aus den vorbeifließenden Gasen
und setzt Sauerstoffgas in die Gase zurück frei. Der freigesetzte Sauerstoff
(O2) wird aus den Sauerstoffkomponenten
gebildet, die nicht in den Feststoff eingebaut werden.
-
Einige
der aufgebrochenen Kohlenstoffdioxidkomponenten könnten keine
Gelegenheit haben, mit den Komponenten des Reaktionsmittels 21 zu
reagieren und könnten
sich zu Kohlenstoffdioxidgasen zurückbilden. In einem Ausführungsbeispiel
kann dies durch Einführen
einer ausreichenden Menge von Reaktionsmittel 21 in die
Leitung 12 und durch ausreichendes Durchmischen darin mit
den Gasen verringert werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel
kann es wünschenswert
sein, eine gewisse Konzentration von Kohlenstoffdioxid nach dem
Passieren der Bestrahlungszone 22 beizubehalten, da zuviel
Sauerstoff ein Feuerrisiko darstellen könnte. In diesem Fall wird nur
eine geringere Menge von Reaktionsmittel gebracht. Wenn die Feststoffe,
die durch die Reaktion des Kohlenstoffdioxids mit dem Reaktionsmittel 21 gebildet
wurden, durch den Filter 16 entfernt wurden, können die
behandelten oder umgewandelten Gase direkt durch die Leitung 12 zu einem
geeigneten Ziel geführt
werden. In einigen Ausführungsbeispielen
werden die behandelten Gase innerhalb einer geschlossenen Umgebung
zirkuliert, wie beispielsweise in Luftzirkulationssystemen, während in
anderen Ausführungsbeispielen
die behandelten Gase direkt in eine außenliegende Umgebung (Atmosphäre) geleitet
werden, wie beispielsweise bei Abgassystemen.
-
Die
Leitung 12 hat herkömmlicherweise
einen rechtwinkligen Querschnitt, allerdings kann sie auch jede
andere Art von geeignetem Querschnitt, wie beispielsweise einen
polygonen, einen kreisförmigen
aufweisen oder eine Kombination von gebogenen und geraden Seiten
haben. Eine Pumpe oder ein Gebläse
kann benutzt werden, um das Reaktionsmittel 21 in die Leitung 12 durch
den Anschluß 20 einzubringen.
Obwohl das Gasumwandlungssystem 10 nur mit einem Anschluß 20 zum
Einführen
eines Reaktionsmittels gezeigt wurde, kann alternativ mehr als ein
Anschluß benutzt
werden. Zusätzlich
können eine
Reihe von Anschlüssen 20 an
der Leitung 12 angeordnet sein, um Reaktionsmittel 21 radial
in die Leitung 12 einzubringen. Die Elektronenstrahlquelle 14 ist
typischerweise ähnlich
der in der US-Patentanmeldung Nr. 09/349,592, eingereicht am 9.
Juli 1999 mit dem Titel "Electron
beam accelerator" offenbarten,
wobei ihr gesamter Inhalt mit einbezogen wird. Alternativ können andere
geeignete Elektronenstrahlquellen benutzt werden. Der Filter 16 weist
typischerweise einen elektrostatischen Abscheider auf, welcher die
Größe der Teilchen
der Feststoffe vergrößert und
weist einen mechanischen Filter stromabwärts von dem Abscheider auf.
Alternativ kann der Filter 16 den elektrostatischen Abscheider
oder den mechanischen Filter aufweisen. Der Sammler 18 ist oftmals
ein Sammelcontainer oder ein Behälter,
um die Feststoffe unter der Leitung 12 zu sammeln. Der Sammler 18 kann
auch eine Leitung oder Rinne aufweisen, um die Feststoffe zu einem
Behälter
zu befördern,
der von der Leitung 12 entfernt angeordnet ist. Das Gasumwandlungssystem 12 ist
oftmals innerhalb oder ein Teil eines Luftzirkulationssystems, worunter
Luftklimaanlagen und Heizsysteme fallen, kann aber auch eine selbständige Einheit
sein, die primär
benutzt wird, um Kohlenstoffdioxid aus der Luft zu entfernen und
Sauerstoff freizusetzen. In so einem Fall wird ein Luftzirkulator,
wie beispielsweise ein Ventilator oder ein Gebläse enthalten sein, um den Luftfluß innerhalb
der Leitung 12 zu gewährleisten.
In Ausführungsbeispielen,
bei denen das Gasumwandlungssystem 10 zur Behandlung von
Abgasen angewendet wird, sind die Gase oftmals das Produkt einer
Verbrennungsreaktion und sind in vielen Fällen in der Lage, durch die
Leitung 12 ohne die Unterstützung einer Luftzirkulation
zu fließen.
-
Ein
Gasumwandlungssystem zum Entfernen von Kohlenstoffdioxid aus und
zum Zuführen
von Sauerstoff zu einer atembaren Luftversorgung, die durch Leitung 12 fließt, kann
innerhalb eines Flugzeuges installiert werden. Dies ermöglicht es
dem Flugzeug, ein geschlossenes Luftzirkulationssystem zu haben
und macht das Einbringen von und das Zirkulieren eines Anteils von
Frischluft überflüssig. Wie oben
ausgeführt
fliegen handelsübliche
Flugzeuge typischerweise nicht höher
als 40.000 Fuß,
da nicht ausreichend Frischluft in das Flugzeug bei solchen Höhen eingebracht
werden kann. Das Gasumwandlungssystem 10 erlaubt einem
Fahrzeug in Höhen
zu fliegen, die weit oberhalb von 40.000 Fuß liegen, da die Frischluft
nicht in das Flugzeug eingebracht werden muß. Das Fliegen in Höhen, die
wesentlich höher als
40.000 Fuß sind,
ist wünschenswert,
da der Kraftstoffverbrauch geringer ist und daher das Flugzeug effizienter
ist. Neben der Entfernung von Kohlenstoffdioxid und dem Hinzufügen von
Sauerstoff zu atembarer Luft, tötet
der Elektronenstrahl 24 des Gasumwandlungssystems 10 Mikroorganismen,
die in der Luft übertragen
werden, ab, wenn sie den Elektronenstrahl 24 passieren.
Dies verringert die Möglichkeit
der Krankheitsverbreitung in dem Flugzeug, da die Luft in der Kabine
umgewälzt
wird. Der Filter 16 kann auch zum Herausfiltern von Ozon
ausgebildet sein, welches durch den Bestrahlungsprozeß erzeugt wird.
Ein solcher Aufbau kann einen reaktiven Filter umfassen, der ein
Pelletbett von kugelförmigem Manganoxid-
oder Platinpellets aufweist.
-
Das
Gasumwandlungssystem kann für
geschlossene Luftzirkulations- oder Umwälzsysteme auch für andere
Anwendungen als im Flugzeug angewendet werden, wie beispielsweise
in Gebäuden, motorisierten
Fahrzeugen, Wasserfahrzeug, Raumschiff, etc. Zusätzlich kann das Gasumwandlungssystem 10 verwendet
werden, um Kohlenstoffdioxidgas aus dem Abgas einer Fabrik und einem
motorisierten Fahrzeug zu entfernen. Darüber hinaus können andere
Reaktionsmittel 21 als Wasser benutzt werden, wie beispielsweise
Calciumoxid. Ebenfalls kann das Gasumwandlungssystem 10 zum
Entfernen von Kohlenstoffdioxidgas aus Umgebungsluft verwendet werden,
wie z.B. in großen
Städten,
um die Luftqualität
zu verbessern. Typischerweise werden mehrere Gasumwandlungssysteme 10 benötigt, um
große
Flußraten
zu bewerkstelligen.
-
2 stellt
ein Ausführungsbeispiel
eines Gasumwandlungssystems 10 als ein Teil eines Luftzirkulationssystems 30 dar.
Ein Luftzirkulator 28, wie beispielsweise ein Ventilator
oder ein Gebläse,
ist stromaufwärts
von Anschluß 20 angeordnet,
um einen Luftfluß innerhalb
der Leitung 20 zu gewährleisten.
Luft wird dem Luftzirkulator 28 durch einen Einlaß 32 bereitgestellt
und fließt
durch einen Filter 26, um Teilchen aus der Luft herauszufiltern.
Die Luft wird durch ein Gasumwandlungssystem 10 auf die Art
und Weise, wie vorher oben beschrieben, behandelt. Es ist offensichtlich,
daß Klima- und/oder Heizkomponenten
auch innerhalb des Luftzirkulationssystems 30 enthalten
sein können.
Das Luftzirkulationssystem 30 kann Luft, die durch das
Gasumwandlungssystem 10 behandelt wurde, direkt aus der
Leitung 12 herausführen.
Optional können
eine Reihe von kleineren Leitungen 13 an die Leitung 12,
an einer Verbindungsstelle 13a angeschlossen werden, welche
die behandelte Luft in verschiedene Zonen oder Bereiche liefern.
Wenn das Luftzirkulationssystem 30 innerhalb einer geschlossenen
Umgebung installiert wird, wie beispielsweise in einer Kabine eines Flugzeuges,
kann Luft, die aus dem Leitungen 13 herausgeführt wurde,
möglicherweise
durch Einlasse 32 zurückgeführt werden,
so daß die
Luft in einer umwälzenden
Art und Weise zirkuliert wird.
-
Bezugnehmend
auf die 3 und 4 kann ein
Gasumwandlungs- oder
-behandlungssystem 25 in Anwendungen benutzt werden, die ähnlich dem
Gasumwandlungssystem 10 sind, sich aber dadurch unterscheiden,
daß das
Gasumwandlungssystem 25 mehrere Elektronenstrahlquellen 14 umfaßt. Die
Elektronenstrahlquellen 14 sind an der Leitung 12 einander
gegenüberliegend
ausgerichtet angebracht, um Elektronenstrahlen 24 in die
Bestrahlungszone 22 von gegenüberliegenden Richtungen zu
führen.
Das ermöglicht
die Höhe
der Leitung 12 größer als
in dem Umwandlungssystem 10 zu machen. Die Elektronenstrahlen 24 haben
eine begrenzte Eindringtiefe in die vorbeifließenden Gase und Reaktionsmittel 21.
Die Intensität
eines Elektronenstrahls 24, der in das Gas geführt wird,
verringert sich sehr schnell auf 0. Daher ermöglicht das Einführen der
Elektronenstrahlen 24 von gegenüberliegenden Richtungen die
Eindringtiefe der gegenüberliegenden
Elektronenstrahl 24 zu kombinieren, um einen Querschnitt
abzudecken, der eine größere Höhe mit einer
größeren Gleichmäßigkeit
aufweist und eine bessere Energieausbeute. Als Ergebnis kann eine
Leitung 12 mit einer relativ großen Höhe benutzt werden, während gleichzeitig
Elektronenstrahlenquellen 14 mit relativ niedriger Leistung
verwendet werden können.
Zum Beispiel können
gegenüberliegende
Elektronenstrahlquellen, die bei ungefähr 125 kV betrieben werden,
zur Bestrahlung einer Leitung 12 mit einer Höhe von ungefähr 5 inch
benutzt werden. Zusätzlich
kann die Breite der Leitung 12 vergrößert werden, indem die Elektronenstrahlenquellen 14 Seite
an Seite angeordnet werden, wie in 4 dargestellt.
Die Elektronenstrahlen der Seite an Seite Elektronenstrahlquellen 14 werden
kombiniert, um eine kontinuierliche Elektronenstrahlabdeckung über die
Breite der Leitung 12 zu ermöglichen. Weiterhin können die
Elektronenstrahlenquellen 14 auf eine Art und Weise angeordnet
werden, bei der einige der Elektronenstrahlquellen 14 an
der Leitung 12 longitudinal entlang der Leitung 12 nacheinander
in der Richtung des Gasflusses angeordnet sind, was zu stromaufwärts und
stromabwärts
Elektronenstrahlquellen 14 führt. Dies erlaubt höhere Luftflußraten anzuwenden,
als mit der einzelnen Elektronenstrahlquelle 14, wie in
Gasumwandlungssystem 10 dargestellt. Obwohl eine schnellere
Flußrate
die Zeit verkürzt,
in der die Gase und das Reaktionsmittel 21 einen Elektronenstrahl 24 einer
gegebenen Elektronenstrahlquelle 14 passieren, verkürzt, stellen
nacheinander angeordnete Elektronenstrahlquellen 14 eine
Bestrahlungszone 22 mit vergrößerter Länge bereit, um sicherzustellen,
daß die
Gase und das Reaktionsmittel 21 für eine ausreichende Zeit bestrahlt werden,
um die gewünschte
Gasumwandlungsreaktion zu erhalten. Zusätzlich zu der Nacheinanderanordnung
der Elektronenstrahlquellen 14, können die Elektronenstrahlquellen 14 auch
an den Seiten der Leitungen 12 angeordnet sein, um eine
vergrößerte Elektronenstrahlabdeckung
zu ermöglichen.
-
Die
Anordnung der gegenüberliegenden Elektronenstrahlquelle 14,
wie für
das Gasumwandlungssystem 25 beschrieben, kann auch für die Entfernung
von Stickstoff und Schwefeloxidgasen (NOx und
SOx) aus Abgas oder Verbrennungsgas angewendet
werden, zum Beispiel von motorisierten Fahrzeugen oder Fabriken.
Obwohl ein Reaktionsmittel 21 nicht verwendet werden muß, ist der
Gebrauch von Ammoniak (NH3) als Reaktionsmittel 21 zum
Mischen mit den Gasen innerhalb der Leitung 12 bei der Bestrahlung
wünschenswert.
Die Elektronenstrahlen 24 brechen die NOx,
SOx und NH3 Moleküle in kleinere
Komponenten auf und veranlassen die Komponenten des NOx,
SOx und NH3 zu reagieren,
was zur Bildung von Ammoniumsulfat und Ammoniumnitrat führt, welches
typischerweise ein Feststoff in der Form von Staub ist. Der Staub
kann aus den fließenden
Gasen durch eine geeignete Filteranordnung 16 abgeschieden
werden, welche einen elektrostatischen Abscheider aufweist, um die
Größe der festen Teilchen
zu vergrößern, bevor
sie durch einen mechanischen Filter gefiltert werden. Alternativ
können der
elektrostatische Abscheider oder der mechanische Filter für sich selbst
benutzt werden. Folglich werden die NOx und
SOx-Gase aus den vorbeifließenden Gasen
durch die vorliegende Erfindung durch die Bildung von Feststoffen
entfernt, die Stickstoff- und Schwefelkomponenten enthalten, und durch
die nachfolgende Entfernung der Feststoffe aus den fließenden Gasen.
In manchen Situationen werden nur zwei gegenüberliegende Elektronenstrahlquellen 14,
die an der Leitung 12 angebracht, benötigt. Zusätzlich werden in anderen Situationen Elektronenstrahlquellen 14 Seite
an Seite und/oder in Reihe entlang der Richtung des Gasflusses angeordnet,
wie in den 3 und 4 dargestellt.
Weiterhin erfordern manche Situationen nur eine einzige Elektronenstrahlquelle 14,
wie beispielsweise in dem Gasumwandlungssystem 10 (1).
-
Die
vorliegende Erfindung kann innerhalb eines Abgassystems eines motorisierten
Fahrzeuges anstelle eines Katalysators installiert werden, um NOx und SOx aus den
Abgasen zu entfernen. Die vorliegende Erfindung kann auch installiert
werden, um NOx und SOx aus
den Schornsteinen von Fabriken zu entfernen. Zusätzlich zur Entfernung von NOx und SOx aus Gasen,
kann die Anordnung der gegenüberliegenden
Elektronenstrahlquelle 14 auch benutzt werden, um flüchtige organische
Komponenten (VOCs) zu zerstören
oder aus fließenden
Gasen zu entfernen. VOCs können
in Gasform, Dampfform oder Nebelform sein, wenn sie durch die Elektronenstrahlquellen 14 bestrahlt
werden. Das Reaktionsmittel 21 kann für eine besondere organische
Komponente gewählt
werden.
-
Bezugnehmend
auf 5 ist das Gasumwandlungs oder -behandlungssystem 40 ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, das benutzt werden kann, um Komponenten
oder Substanzen, wie beispielsweise Gase, die durch eine Zirkulationsleitung
oder Leitung 34 fließen,
zu behandeln. Das System 40 weist einen rechtwinkligen
Leitungsbereich 38 auf, an dem sich gegenüberliegende
Elektronenstrahlquellen 14 angebracht sind. Typischerweise
hat der Leitungsbereich 38 eine niedrigere Höhe als die
Leitung 34, ist aber größer in der
Breite. Das ermöglicht
den Elektronenstrahlquellen 14 zur ausreichenden Behandlung
der Substanzen mit den Elektronenstrahlen 24 verwendet
zu werden, die durch die Leitung 34 fließen, die
unter normalen Umständen
keine ausreichende Leistung hätten,
um tief genug in die in der Leitung 34 vorbeifließenden Substanzen
einzudringen, um eine ausreichende Behandlung zu erhalten. Die Übergangsbereiche 36 verbinden
den Leitungsbereich 38 mit der Leitung 34 an gegenüberliegenden
Seiten des Leitungsbereiches 38. Die Übergangsbereiche 36 weisen
eine Höhe
auf, die sich von der Leitung 34 zu dem Leitungsbereich 38 bewegend
verjüngt
und eine Breite, die sich von der Leitung 34 zu dem Leitungsbereich 38 bewegend
vergrößert. Typischerweise
haben die Übergangsbereiche 36 angewinkelte
Ober-, Unter- und Seitenwände,
allerdings können alternativ
die Wände
auch gebogen sein. Die gegenüberliegenden Elektronenstrahlquellen 14 sind
angrenzend Seite an Seite liegend, um einen kontinuierlichen Elektronenstrahlabdeckungsbereich über die
Breite der Leitungsbereiche 38 bereitzustellen. Eine oder
mehrere zusätzliche
Reihen von Elektronenstrahlquellen 14 können in der Richtung des Flusses
angeordnet sein, um die Bestrahlungszeit, wie gezeigt, auszudehnen. Wenn
die Höhe
des Leitungsbereichs 38 gering genug ist, kann eine einzige
nicht-gegenüberliegende Reihe
von Elektronenstrahlquellen benutzt werden. Obwohl ein Anschluß 28 und
eine Abscheidevorrichtung 16 nicht in 5 dargestellt
sind, ist es offensichtlich, daß solche
Merkmale in dem System 40 enthalten sein können. Das
System 40 kann zur Behandlung derselben Substanzen verwendet
werden, wie die Systeme 10 und 25. Zusätzlich können die angewinkelten Übergangsbereiche 36 verwendet werden,
wenn zwei gegenüberliegende
Elektronenstrahlquellen 14 oder eine einzige Elektronenstrahlquelle 14 benutzt
wird.
-
Bezugnehmend
auf die 6 bis 8, ist das
Gasumwandlungs- oder
-behandlungssystem 50 ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
welches eingerichtet ist, relativ kleine Flußraten von Substanzen, wie
beispielsweise Gasen, zu behandeln. Das System 50 ist klein
oder kompakt und ist geeignet, um in Abgassystemen von motorisierten
Fahrzeugen eingebaut zu werden. System 50 enthält eine
Elektronenstrahlquelle mit kleiner Leistung, die an einer Reaktionskammer 42 angebracht
ist. Die Elektronenstrahlquelle 14 weist ein zylindrisches
Gehäuse 44 auf,
das an einem Ende ein Ausgangsfenster 14a aufweist. Ein
Elektronengenerator 46, der innerhalb des Gehäuses angeordnet
ist, erzeugt Elektronen e–, die durch das Ausgangsfenster 14a,
in einen Elektronenstrahl 24 beschleunigt werden. Das entfernte
Ende des Gehäuses 44 der Elektronenstrahlquelle 14 ist
an der Reaktionskammer 42 derart angebracht, daß das Ausgangsfenster 14a dichtend über der
inneren Höhlung 42a der
Reaktionskammer 42 angeordnet ist, so daß Elektronen e–,
die durch den Elektronengenerator 46 erzeugt werden, durch
das Ausgangsfenster 14a in die Höhlung 42a beschleunigt
werden können.
Die Reaktionskammer 42 hat einen Einlaß 48, durch welche fließende Substanzen
eintreten. Eine Düse 52 (7 und 8)
ist in oder in der Nähe
des Endes des Einlasses 48 angeordnet, um den Jet von Substanzen
in die Höhlung 42a durch
das Ausgangsfenster 14a zu führen, wobei die zentrale Achse
des Jets im wesentlichen senkrecht zu dem Ausgangsfenster 14a und im
wesentlichen axial entlang derselben Richtung wie der Elektronenstrahl 24 ausgerichtet
ist. Die Düse 52 ist
zentral auf der unteren Seite der Höhlung 42a gegenüberliegend
dem Ausgangsfenster 14a angeordnet, um die Substanzen gleichmäßig durch das
Ausgangsfenster 14a zu führen. Die Intensität des Elektronenstrahls 24 vergrößert sich
in den vorbeifließenden
Substanzen von nahe 0 an dem Boden der Höhlung 42a bis zu fast
voller Intensität
nahe des Ausgangsfensters 14a. Folglich liegt in der Bestrahlungszone 22 in
dem Bereich nahe des Ausgangsfensters 14a die höchste Intensität der Elektronen vor.
-
Die
Substanzen werden durch den Elektronenstrahl 24 in der
Bestrahlungszone 22 behandelt, wenn sie zu dem Ausgangsfenster 24a fließen und dann
von dem Ausgangsfenster 14a in eine Reihe von Auslässen 54 wegfließen, die
gleichmäßig in oder
um die Düse
herum 52 angeordnet sind. Dies führt zu einem pilzartigen Fluß der Substanzen.
Die Höhlung 42a bildet
eine rückwärts gerichtete
Flußleitung,
in der der Fluß der
Substanzen umgekehrt ist. Die Substanzen werden sowohl in der Vorwärts- als auch
in der Rückflußrichtung
mit zunehmender und abnehmender Elektronenstrahlbestrahlungsintensität bestrahlt,
was zu einer relativ gleichmäßigen Bestrahlung
führt.
In einem Ausführungsbeispiel
werden vier Auslässe 54 verwendet.
Die Auslässe 54 sind
in kommunizierender Verbindung mit Kammer 56, die mit dem
Auslaß 58 der
Reaktionskammer 42 verbunden ist, durch die die behandelten
Substanzen fließen.
In so einem Ausführungsbeispiel
kann eine Elektronenstrahlquelle 14 ein Ausgangsfenster 14a mit
einem Durchmesser von 2 inch aufweisen und bei ungefähr 60 kV
betrieben werden, wobei die Reaktionskammer eine Höhlung 42a mit
einem Durchmesser von ungefähr
2 inch aufweist und eine Höhe
von ungefähr
2 inch.
-
Wenn
ein Reaktionsmittel 21 verwendet wird, wird das Reaktionsmittel
aus einem Anschluß 20 typischerweise
mit den vorbeifließenden
Substanzen vermischt, bevor es den Einlaß 48 erreicht. Zusätzlich können beliebige
Abscheide- oder Filtervorrichtungen 16 stromabwärts von
dem Auslaß 58 der
Reaktionskammer 42 angeordnet sein. Das System 50 kann
verwendet werden, um dieselben Substanzen zu behandeln, wie bei
den Systemen 10, 25 und 40. Zusätzlich kann
das System 50 verwendet werden, um Substanzen zu sterilisieren.
Einlaß 48,
Düse 52, Höhlung 42a,
Auslässe 54,
Kammer 56 und Auslaß 58,
die beliebige Verbindungen zu dem Einlaß 48 und dem Auslaß 58 aufweisen,
können
als eine durchgehende Leitung betrachtet werden.
-
Indem
die Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf die bevorzugten
Ausführungsbeispiele
derselbigen gezeigt und beschrieben wurde, ist es dem Fachmann offensichtlich,
daß verschiedene Änderungen
in der Form und in den Details vorgenommen werden können, ohne
den Schutzbereich der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche ausgebildet
wird, zu verlassen.
-
Zum
Beispiel werden, obwohl die Gasumwandlungssysteme 10, 25, 40 und 50 geeignet
sind, um Kohlenstoffdioxide, NOx, SOx und VOCs aus Gasen zu entfernen, können alternativ
andere Gase, flüssige
Substanzen oder Komponenten ebenfalls entfernt werden, behandelt
und/oder sterilisiert werden. Besondere Reaktionsmittel können gewählt werden,
um vorliegende Situation zu handhaben. In einigen Fällen kann
es wünschenswert
sein, daß kein Reaktionsmittel
eingeführt
wird. Filter können
entsprechend stromaufwärts
in den Systemen der vorliegenden Erfindung angeordnet sein, um Teilchen auszufiltern.
Die Komponenten, die aus den Gasen oder Substanzen entfernt werden,
sind normalerweise in der Form eines Feststoffes, in manchen Fällen können sie
auch flüssig sein.
Der Filter 16 kann so ausgebildet sein, daß er die
Flüssigkeit
einfängt.
In einigen Fällen
kann die Flüssigkeit
gefangen werden, ohne einen Filter 16 zu benutzen. Die
Leitung kann ebenfalls so ausgestaltet sein, daß sie Feststoffe ohne einen
Filter 16 aufnimmt. Merkmale der Systeme 10, 25, 40 und 50 können ebenso
wie das Luftzirkulationssystem 30 können miteinander kombiniert oder
weggelassen werden. Obwohl Leitungen 12 und 34 als
gerade und horizontal angeordnet gezeigt wurden, können Leitungen 12 und 34 Ecken
oder Biegungen aufweisen oder können
vertikal in einem Winkel orientiert sein, abhängig von der vorliegenden Situation.
Zum Beispiel können
die Leitungen in einer Zickzackanordnung vorliegen, die eine Abschirmung für Röntgenstrahlung
bereitstellt. Zusätzlich
können die
Form und/oder Größe des Querschnitts
der Leitungen 12 und 34 entlang ihrer Länge variieren.