СПОСОБ ТЕРМОМАГНИТНОЙ СЕПАРАЦИИ ВОЗДУХА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК B01D53/00 

Предлагаемое изобретение относится к области экологической и пожарной безопасности при сжигании углеводородных (газа, мазута, бензина и т.д.) и иных видов топлив с помощью различных установок (двигателей внутреннего сгорания, котельных, тепловых электростанций и централей и т.д.), использующих для этого атмосферный воздух, 80% которого (азот с остальными газами, за исключением кислорода) является «балластом», мешающим полному сгоранию топлив и создающим наиболее токсичные выбросы (окислы азота, окись углерода и др.).

Как известно [Политехнический словарь /под. ред. акад. Артоболевского И.И./, М., «Сов. энциклопедия», 1976, с.85], атмосферный воздух, используемый транспортом, котельными, тепловыми электростанциями и централями, для сжигания углеводородных топлив, имеет следующий объемно-массовый состав: азот (N₂) - 78,08% (28,01 а.е.); кислород (O₂) - 20,95% (31,99 а.е.); аргон (Ar) - 0,93% (39,94 а.е.); оксиды углерода (СО, СO₂) - 0,03% (28-44 а.е.); водород и гелий (H₂, He) - 0,01% (2-4 а.е.); остальные компоненты (NH₃, Н₂О) - 0,01% (17-18 а.е.).

Таким образом, в реакции сгорания топливно-воздушных смесей около 80% воздуха является «балластом», повышающим вред окружающей среде в результате физико-химических процессов с ним (появление в отработанных газах СО, NO_x, C_nH_m).

Известны способы обогащения кислородом и воздуха [Воронин Г. И., Чижиков Ю.В. Способ обогащения воздуха кислородом, Патент РФ 255298, 20.02.2006, F25J 3/04], и другой газовой смеси [Прасад Р., Дрневич Р.Ф., Фэй X. Способ обогащения кислородом входного газа, Патент РФ98110635, 27.02.2000, С21В 5/00], в т.ч. для двигателей [Панфиленко А.И. Способ дополнительного регулируемого обогащения кислородом атмосферной воздухокислородной среды, всасываемой смесительной системой двигателя, работающего на определенном энергоносителе. Патент РФ 93057132/06, 10.02.1997, F021M 23/00] и транспортных средств [Кутьев А.А. Способ обогащения воздуха кислородом в кузове транспортного средства и установка для его осуществления. Патент РФ97102345, 20.01.1998 В60H 3/00], которые построены на разных принципах (ректификации, с помощью вихря, мембран и т.д.), а также устройства, реализующие такое обогащение [например, Майер Э.Ф., Попов И.П., Попов Д.П. Устройство для обогащения топливовоздушной смеси кислородом, Патент РФ 93019845/06, 27.11.1995, F02B 51/00].

Известны также аналоги, использующие парамагнитные свойства кислорода и центробежную силу [Лялякин С.В. Способ обогащения кислородом воздуха и устройство для его осуществления, Патент РФ 2079233, 20.09.1996, F25J 3/00, B01D 53/00] для его отделения с помощью вращающихся плоскостей с магнитными зазорами [Лялякин С. В. Способ обогащения кислородом воздуха и устройство для его осуществления, Патент РФ 2079233, 05.10.1997, F25D 3/00, B01D 53/00].

Аналогами устройств, выделяющих азот из воздуха, в т.ч. для целей пожаротушения, но реализующих мембранный принцип, могут служить установки ЗАО «ГРАСИС» [Гулянский М.А., Крашенинников Е.Г., Крюков A.M., Мальцев Г.И. Генератор азота для создания инертной технологической газовой среды, Патент РФ 2002121803, 27.03.2004, B01D 53/22, B01J 7/00].

Известен способ магнитоэлектрической сепарации воздуха (МЭСВ) и магнитоэлектрический сепаратор кислорода (МЭСК), базирующиеся на уравнениях относительного движения и законах ударного сжатия, в частности теореме Цемплена и адиабате Гюгоньо [Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, М., Наука, 1966, с 145], которые, в совокупности с центрифугированием и магнитной обработкой, должны разделять неоднородную смесь, которую представляет воздух. При этом свойство О₂, как парамагнетика, а N₂ и остальных газов, как диамагнетиков, использовано для получения ламинарного потока в сечении канала сепаратора, «закрученного» в конусную спираль Архимеда с внешним соленоидом, реализующим неоднородное магнитное поле вдоль оси спирали, а разделение выходного потока на «кислородный» и «азотный» реализовано электромеханическим способом с использованием эффекта поляризации молекул [Модель оценки и утилизации «дорожно-транспортного вреда и система реализации ее в автомобиле /Научно-технический отчет по Межотраслевой программе сотрудничества Минобразования РФ и АО «АВТОБАЗ», рег. №02.06.004, шифр «БАКСАН»/, Ростов н/Д, РГУ. 2002, с.78-86].

Однако моделирование оценки влияния центробежных, электрических и магнитных сил, действующих на молекулы воздуха, текущего по каналу, изогнутому в спираль с соленоидом, показали, что эффект сепарации, основанный на изменении поперечного распределения объемных концентраций азота и кислорода в этой схеме составляет доли процента [Белозеров В.В., Новакович А.А., Топольский Н.Г. Модель кислородно-азотного сепаратора. - Сб. мат-лов Всерос. науч.-практ. конф. «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» /ISBN 5-89071-036-2/, Ростов н/Д, РГСУ (ЮРО РААСН), 2003, с.352-362.].

Общим недостатком указанных аналогов является то, что они могут разделить и сконцентрировать (обогатить) за «один проход» не более 50% прокачиваемого воздуха.

Мембранное разделение на компоненты газовых смесей или их обогащение одним из компонентов происходит вследствие так называемой кнудсеновской диффузии, для осуществления которой необходимо, чтобы длина свободного пробега молекул была больше диаметра пор мембраны, т.е. частота столкновений молекул газа со стенками пор превышала частоту взаимных столкновений молекул, что возможно при использовании пористых перегородок с размером пор (5-30)·10^-3 мкм. При этом, поскольку средние скорости молекул в соответствии с кинетической теорией газов обратно пропорциональны квадратному корню их масс, компоненты разделяемой смеси проникают через поры мембраны с различными скоростями. В результате фильтрат (пермеат) обогащается компонентом с меньшей молекулярной массой, а концентрат (ретентат) - с большей, с коэффициентом разделения смеси:

где n₁ и n₂ - числа молей компонентов соответственно с молекулярными массами М₁ и М₂.

В реальных условиях весьма трудно с помощью пористых мембран обеспечить чисто кнудсеновский механизм разделения компонентов. Это объясняется адсорбцией или конденсацией их на стенках пор перегородки и возникновением дополнительного конденсационного либо поверхностного газового потока, наличие которого приводит к снижению К_р.

Существенным недостатком при реализации мембранных технологий является то, что, несмотря на создание в СССР в 1986 году межотраслевого научно-технического комплекса "Мембраны", отечественная промышленность их не выпускает.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению - прототипом - является способ и сепаратор, основанные на механизме сепарации и кислорода, и азота (с остальными газами) с помощью «поперечного» магнитного поля, действующего на молекулы азота и кислорода, протекающие в канале сепаратора, которое приводит к установлению пространственного распределения объемных плотностей азотной и кислородной компоненты в зависимости от величин объемной магнитной силы [Белозеров В.В, Лерер A.M., Новакович А.А., Босый С.И., Мотин В.Н. Электромагнитная сепарация кислорода. - Сб. докл. VII Межд. симпозиума «Порядок, беспорядок и свойства оксидов» /ОDPO-2004, Сочи, 13-16 сентября 2004 г., ISBN 5-8480-0450-1/, Ростов н/Д, РГПУ, 2004, с.30-33]. Устройство, реализующее указанный способ, представляет собой сепаратор, выполненный в виде трубы прямоугольного сечения с размерами 2×10 см, на внешней широкой стороне которого помещены магниты с чередованием расположения магнитных полюсов, что обеспечивает экспоненциальное уменьшение величины напряженности магнитного поля по направлению к противоположной стороне, а на противоположной - модули охлаждения.

Тогда, в предположении, что газ состоит из молекул только одного сорта, магнитная восприимчивость не зависит от величины напряженности магнитного поля, равенства нулю магнитного момента единицы объема газа в отсутствие внешнего магнитного поля и изотермического течения газа, объемная магнитная сила, действующая на газ, имеет вид:

где µ - магнитная проницаемость газа,

n - число молекул в единице объема (здесь и далее использована система единиц Гаусса),

определяется уравнением состояния газа.

Выражая магнитную проницаемость газа через магнитную восприимчивость x

с учетом χ=nα, где α - магнитная поляризуемость одной молекулы газа, имеем

Вводя массу молекулы газа m и выражая объемную силу через плотность газа ρ=n·m, получим

В пренебрежении диссипации энергии в газовом потоке, вызванной силами вязкого трения , запишем уравнение движения газа (уравнение Эйлера)

где - поле вектора скоростей газа,

р - давление газа.

Считая движение стационарным и безвихревым (потенциальным), т.е. при условии в силу известного векторного соотношения

имеем

Используя уравнение состояния идеального газа pV=NkT, выразим плотность газа через его давление

,

откуда следует

или в эквивалентном виде

Считая скорость движения газа в канале сепаратора постоянной величиной

запишем выражение для плотности молекул газа в виде распределения Больцмана

где - потенциальная энергия отдельной молекулы газа, обладающего пара- или диамагнитными свойствами, находящегося во внешнем неоднородном магнитном поле.

В силу принципа детального равновесия данное рассмотрение справедливо и для смеси газов с различными магнитными свойствами в отношении каждой отдельной компоненты смеси, с той лишь разницей, что распределению плотности каждой отдельной компоненты в смеси газов ρ_i соответствует свое собственное распределение Больцмана (ф-ла 11), в которое входит магнитная поляризуемость отдельной молекулы определенной компоненты смеси газов:

Так, для молекул газа, обладающего парамагнитными свойствами, например кислорода (O₂), средняя магнитная поляризуемость отдельной молекулы α - положительна, а для азота (N₂), обладающего диамагнитными свойствами, магнитная поляризуемость отдельной молекулы α - отрицательна. Плотность кислородной компоненты смеси азота и кислорода увеличивается в области сильного магнитного поля (в соответствии с ф-лой 12), а плотность азотной компоненты уменьшается.

Таким образом, потенциальная энергия отдельной молекулы зависит от квадрата напряженности магнитного поля внутри канала сепаратора и оставалось найти такую конфигурацию расположения магнитов в цепочке, чтобы обеспечить максимально возможную степень независимости квадрата напряженности магнитного поля от х-координаты, изменяющейся вдоль канала сепаратора.

Как показали результаты численного моделирования, при увеличении ширины граней магнитов с одновременным уменьшением величин зазоров между ними, при условии сохранения длины периодичности чередования магнитных полюсов в цепочке магнитов, увеличивается квадрат напряженности магнитного поля в области зазора между магнитами. Подбором ширины граней отдельного магнита и зазора между гранями и магнитами между собой было получено одинаковое значение в центре грани магнита и в точке, расположенной на поверхности канала сепаратора между соседними магнитными полюсами.

Моделирование длины трубы кислородного сепаратора, достаточной для разделения кислородной и азотной компонент воздушной смеси (таб.1), с учетом диффузионной модели установления термодинамического равновесия, при скорости потока 1 м/с, составило 7 м, что позволило сконструировать компактное устройство, «закрутив канал в спираль», для оптимизации геометрических размеров.

Таблица 1 Концентрация О₂ и N₂ в воздушном потоке канала (при Н=3,0 Тл, Т=0°С) Толщина слоя(см) Концентрация O₂ (%) Концентрация N₂ (%) 0.1 43.0 57.0 0.2 38.9 61.1 0.3 35.7 64.3 0.4 33.2 66.8 0.5 31.2 68.8 0.6 29.6 70.4 0.7 28.2 71.8 0.8 27.1 72.9 0.9 26.1 73.9 1.0 25.3 74.7 1.1 24.6 75.4 1.2 24.0 76.0 1.3 23.4 76.6 1.4 23.0 77.0 1.5 22.5 77.5 1.6 22.2 77.8 1.7 21.8 78.2 1.8 21.5 78.5 1.9 21.3 78.7 2.0 21.0 79.0

При этом для охлаждения канала использованы термоэлементы Пельтье, которые расположены на противоположной магнитам внешней стороне сепаратора.

Недостатками способа-прототипа и реализующего его устройства, существенно влияющих на разделение указанных компонент, являются:

- невысокая производительность (скорость потока воздуха в канале 1-2 м/с),

- недостаточная длина спирального канала, что не позволяет достичь полного отделения кислорода,

- невозможность дальнейшего понижения температуры канала из-за образования «снеговой фазы» (внутри сепаратора - при кристаллизации паров воды в протекающем воздухе; снаружи - из-за конденсации влаги и ее замерзании на охлажденном алюминиевом корпусе),

- большая энергоемкость (питание электромагнитов и термоэлементов Пельтье),

- значительный вес для мобильного применения (более 100 кг).

Целью и задачей настоящего изобретения является разработка способа и устройства, позволяющих достичь максимально возможного разделения кислорода и азота (с остальными газами), содержащихся в атмосферном воздухе, с производительностью мобильного сепаратора, обеспечивающей любые двигатели внутреннего сгорания (автомобильные, локомотивные, судовые), и стационарного, обеспечивающего тепловые установки (паровые и водогрейные котлы котельных, тепловых электростанций и централей).

Поставленная цель достигается в предлагаемом способе термомагнитной сепарации воздуха (ТМСВ) на кислород и азот с остальными атмосферными газами, заключающемся в том, что перпендикулярно потоку воздуха, протекающему по немагнитному каналу (например, прямоугольной трубе), создаются градиенты полей (магнитного, температурного, гравитационного), под воздействием которых молекулы кислорода, являющиеся парамагнетиками, втягиваются в область сильного магнитного поля («кислородная зона»), которая образуется у стороны с магнитами, а молекулы азота и остальные газы, являющиеся диамагнетиками, выталкиваются к противоположной стороне («азотная зона»), на которой установлены модули охлаждения, что позволяет разделить атмосферный воздух на указанные компоненты перегородкой на выходе канала, устанавливаемой на определенном расстоянии, в соответствии с возникающими их объемными концентрациями, отличающемся тем, что указанная перегородка устанавливается вдоль всего канала и является наноперегородкой, которая задерживает процесс диффузии, восстанавливающей концентрации парамагнетиков и диамагнетиков по разным сторонам от нее, но «не мешает втягиванию» молекул кислорода к стороне с магнитами, т.к. указанная наноперегородка изготавливается из пористого материала [например, пористого алюминия: Азаров А.Д., Айдаркин Е.К., Бадалян Л.Х., Баранов П.П., Белозеров В.В., Доля В.К., Лыженков В.Н., Мотин В.Н., Новакович А.А. «БАКСАН»: автомобиль-подавитель дорожно-транспортного вреда. - Сб. мат. пленар. засед. Межд. конф. "Наука и будущее: идеи, которые изменят мир" /15-19 мая 2005 г., Москва, ГГМим. В.И.Вернадского РАН/, М., Фонд "Наука и будущее", 2005, с.1-8.], размеры пор которого со стороны «азотной зоны» достигают 1 мм в диаметре, уменьшаясь до диаметра молекул углекислого газа к стороне «кислородной зоны» [например, методом плазменного напыления для пористого алюминия: Мухортое В.М., Головко Ю.И., Толмачев Г.Н., Мащенко А.И. Механизм высокочастного распыления сложных оксидов // ЖТФ, 1998, т.68, №9. - С.33-35], что придает ей свойства мембраны.

Поставленная задача решается с помощью устройства, осуществляющего сепарацию воздуха, состоящего из немагнитного прямоугольного канала с внутренней наноперегородкой, установленной на расстоянии 21% от широкой стороны и вдоль нее, образуя «кислородную зону», вдоль которой с внешней стороны установлены магниты, а с противоположной - «азотной зоны» - с внешней стороны установлены охлаждающие модули, подключаемые к соответствующим источникам и управляемые контроллером, создающие соответствующие градиенты полей (магнитного, температурного, гравитационного), отличающегося тем, что, для компактности, полного разделения указанных компонент и получения необходимой производительности сепаратора, которые зависят от скорости протекания воздуха по каналу, а следовательно, от его длины, прямоугольный канал закручивается в окружность с определенным шагом, являющуюся единичным витком, сопряжением выхода которого на вход другого витка и т.д. соответствующими сборочными элементами сепаратор формируется в «трубу», «тор», «спираль», «тор с шагом», закручивающийся в «трубу» необходимого диаметра, и т.д.

Повышение эффективности сепарации воздуха в предлагаемом устройстве - в единичном витке сепаратора - заключается также в установке магнитов с внешней стороны витка, что, во-первых, при повышении скорости воздушного потока увеличивает втягивание и удержание молекул кислорода в ней за счет постоянства гравитационных (в данном случае центробежных) сил, зависящих от радиуса витка, во-вторых, унифицирует конструкцию и улучшает технологичность изготовления и сборки сепаратора требуемой конфигурации (труба, тор, спираль), и, в-третьих, повышает надежность при эксплуатации.

Применение метода термомагнитной сепарации воздуха (ТМСВ) и устройства-сепаратора, его реализующего, позволяет принципиально по-новому подойти к решению проблемы экологической безопасности транспортно-энергетических средств [Белозеров В.В., Босый С.И., Гарин В.М, Громова Л.М., Лерер A.M., Мотин В.Н., Новакович А.А., Шевчук П.С. Магнитоэлектрическая сепарация воздуха - энергосбережение в транспортных инфраструктурах и подавление токсичных выбросов. - Сб. мат-лов Всерос. науч.-практ. конф. «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» /ISBN 5-89071-036-2/, Ростов н/Д, РГСУ (ЮРО РААСН), 2004, с.418-424], а также к пожарной безопасности техносферы [Белозеров В.В., Новакович А.А., Топольский Н.Г. Модель сепаратора воздуха для систем безопасности. - Сб. мат.12-й Междунар. конф. "Системы безопасности - СБ 2003" Междунар. Форума информатизации (ISBN 5-9229-0013-7), М.: АГПС МЧС РФ, 2003. С.198-199].

Заявителю и авторам неизвестны способы и устройства, в которых бы атмосферный воздух разделялся на кислород и азот (с остальными газами) под воздействием градиентов полей (магнитного, температурного, гравитационного) и наноперегородки.

На основании вышеизложенного считаем, что предлагаемое изобретение обладает существенными отличиями от прототипа.

Заявляемое изобретение соответствует условию патентоспособности - "мировая новизна", так как из уровня техники не выявлены технические решения того же назначения с заявляемой совокупностью существенных признаков независимых пунктов формулы изобретения.

Заявляемое изобретение соответствуют условию патентоспособности "изобретательский уровень", так как из уровня техники не выявлены технические решения с признаками, совпадающими с признаками независимых пунктов формулы изобретения.

На фиг.1, фиг.2, фиг.3 и фиг.4 показаны виды, проекции и сечения единичного витка, сопряжением выхода которого с входом аналогичного и т.д. собирается изделие (например, сепаратор в виде «трубы»), реализующее заявляемый способ: фиг.5 - изометрический вид; фиг.6 - вид спереди.

Единичный виток 1 (фиг.1) содержит прямоугольный канал 2 (фиг.2), изготовленный из немагнитного материала (например, нитридной керамики, армированной закладными деталями из алюминиевого сплава), закрученный в виток окружности с шагом 3 (фиг.1), равным ширине канала 2 (фиг.2), на внешней широкой стороне которого расположены магниты 4 (фиг.3, например, электромагниты, подключаемые к источнику постоянного тока и напряжения - не показан), а на внутренней - модули охлаждения 5 (фиг.1, например, модули Пельтье, подключаемые к источнику постоянного тока и напряжения через управляющий контроллер, не показан).

Наноперегородка 6 (фиг.1), изготовленная из немагнитного теплопроводящего материала (например, из пористого алюминия), устанавливается вдоль канала на расстоянии 21% от широкой стороны и вдоль нее, отделяя в канале «кислородную зону» - 7 (фиг.2) и «азотную зону» - 8 (фиг.2).

Заявляемые способ и устройство осуществляются и работают в соответствии с формулами 1-12 следующим образом.

Атмосферный воздух 9 (фиг.5) компрессором (на схеме не показан) нагнетается в канал и под воздействием перпендикулярного потоку убывающего магнитного поля (фиг.7) молекулы кислорода из охлаждаемого «азотной зоны» - 8 (фиг.2) втягиваются через наноперегородку в область сильного магнитного поля - в «кислородную зону» - 7 (фиг.2), т.к. являются парамагнетиками и имеют положительную магнитную восприимчивость (χ=16,7·10^-6), а молекулы азота и других газов - диамагнетиков, имеющих отрицательную магнитную восприимчивость (χ_азота=-13,0·10^-6), выталкиваются в область слабого магнитного поля - в «азотную зону» - 8 (фиг.2), в т.ч. с помощью кнудсеновской диффузии.

Эффективность получаемой сепарации повышается за счет градиента температуры, возникающего между разделяемыми газами по обе стороны наноперегородки - 6 (фиг.1), т.е. понижения температуры «азотной зоны» - 8 (фиг.2) канала и наноперегородки (через алюминиевые закладные) модулями охлаждения - 5 (фиг.1), что уменьшает скорость и кинетическую энергию молекул азота и остальных диамагнетиков, тем самым снижая вероятность их проникновения в «кислородную зону» - 7 (фиг.2).

При повышении скорости воздушного потока (давления на входе сепаратора) эффективность сепарации парамагнетиков и диамагнетиков нарастает также за счет градиентов гравитационных (центробежных) сил, возникающих из-за разностей их молекулярных масс, а также радиусов «кислородной зоны» - 10 (фиг.4) и «азотной зоны» - 11 (фиг.4).

На фиг.6 показан макет сепаратора в форме «трубы» с числом витков, равным 10, что при его длине 78 см обеспечило 3-метровый путь молекул кислорода в «кислородной зоне» с их средней концентрацией «на выходе» 70%, и 2-метровый путь молекул азота в «азотной зоне» с их средней концентрацией «на выходе» 80% (таб.2).

Для получения 100% отделения кислорода от остальных атмосферных газов и компактности устройства, изменяя шаг витка и «межвитковые» сборочные элементы (не показаны), можно собрать сепаратор в форме «спирали» (фиг.8), в форме «тора с шагом» (фиг.9) и т.д.

Предлагаемые способ и мобильный сепаратор с компрессором на приводе от двигателя внутреннего сгорания могут найти применение в автомобилях «скорой пожарной помощи» в качестве «бесконечного источника огнетушащего состава» (БИОТС), используя сепарированный азот для тушения пожаров вместо воды, что позволяет установить его на небольших и маневренных автомобилях (например, УАЗах или ГАЗелях) и обеспечить прибытие к месту пожара в 1,5-2 раза быстрее многотонных пожарных автоцистерн, чем сократить социально-экономические потери от пожаров [Белозеров В.В., Видецких Ю.А., Викулин В.В., Гаврилей В.М., Мешалкин Е.А., Назаров В.П., Новакович А.А., Прус Ю.В. «БАКСАН-ПА»: автомобиль скорой пожарной помощи. - Жур. «Современные наукоемкие технологии», №4, 2006, М., «АКАДЕМИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ», с.87-89.].

Предлагаемые способ и мобильный сепаратор с компрессором на приводе от двигателя внутреннего сгорания, выполненный в виде прицепа, могут быть использованы в качестве «бесконечного источника огнетушащего состава» (БИОТС), используя сепарированный азот для тушения пожаров вместо воды в сельских населенных пунктах и при лесных пожарах, где отсутствуют водоисточники [Белозеров В.В., Нехорошев О.П. О применении сепараторов воздуха для противопожарной защиты села. - Сб. мат-лов Всерос. науч.-практ. конф. «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» /Шепси, 6-9 сентября 2006 г. JSBN 5-89071-036-2/, Ростов н/Д, РГСУ (ЮРО РААСН), 2006, с.420-425].

Таблица 2 Концентрация О₂ и N₂ в канале (при V_{воздуха}=0,1 м/с, Н=3,0 Тл, Т=-20°С) Толщина слоя (см) Концентрация О₂ (%) Концентрация N₂ (%) 0.1 78,20 21,70 0.2 70,00 29,90 0.3 64,70 35,20 0.4 перегородка перегородка 0.5 19,90 78,10 0.6 19,50 79,70 0.7 19,27 79,73 0.8 19,23 79,77 0.9 19,17 79,83 1.0 19,08 79,92 1.1 18,94 80,06 1.2 18,74 80,26 1.3 18,40 80,50 1.4 17,97 81,03 1.5 17,28 81,72 1.6 16,24 82,76 1.7 14,68 84,32 1.8 12,35 86,65 1.9 8,85 90,15 2.0 3,50 95,40 Примечание: жирным шрифтом выделены значения, измеренные хроматографом, остальные - вычислены.

Предлагаемые способ и мобильный сепаратор могут найти применение на транспортных средствах, использующих двигатели внутреннего сгорания (автомобили, локомотивы, суда), ликвидируя полностью наиболее токсичные выбросы (окислы азота и окись углерода), из-за перехода с топливно-воздушного на топливно-кислородный впрыск, что снижает практически вдвое потребление топлива при сохранении мощности на валу, т.к. поднимает температуру и давление в цилиндрах, требуя применения более тугоплавких сплавов. При этом сепарированный азот может накапливаться и использоваться для обеспечения их пожарной безопасности, в т.ч. для тушения пожара [Азаров А.Д., Айдаркин Е.К., Бадалян Л.Х., Баранов П.П., Белозеров В.В., Доля В.К., Лыженков В.Н., Мотин В.Н., Новакович А.А. «БАКСАН»: автомобиль-подавитель дорожно-транспортного вреда. - Сб. мат. пленар. засед. Межд. конф. "Наука и будущее: идеи, которые изменят мир" /15-19 мая 2005 г., Москва, ГГМ им. В.И.Вернадского РАН/, М., Фонд "Наука и будущее", 2005, с.1-8.].

Предлагаемые способ и стационарный сепаратор могут найти применение в котельных и ТЭЦ, использующих паровые и водогрейные котлы (на газе, мазуте и угле), ликвидируя полностью наиболее токсичные выбросы (окислы азота и окись углерода), из-за перехода с воздушного наддува на кислородный, что снижает практически вдвое потребление углеводородного топлива при сохранении мощности котлов. При этом сепарированный азот может накапливаться и использоваться для обеспечения их пожарной безопасности, в т.ч. для предотвращения пожара и его тушения [Белозеров В.В., Мотин В.Н., Новакович А.А., Топольский Н.Г. Сепарация воздуха. - Сб. мат. Межд. конф. "Наука и будущее: идеи, которые изменят мир" /14-16.04.2004, Москва/, М., ГГМ им. В.И.Вернадского РАН (Фонд «Наука и будущее»), 2004. С.33-35].

Предлагаемые способ и мобильный сепаратор с приводом от электродвигателя могут найти применение в автономных установках пожаротушения сепарированным азотом вместо воды на любых объектах, включая жилые дома [Белозеров В.В., Титов О.А., Томнов Ю.С, Топольский Н.Г. «СКОРАЯ ПОЖАРНАЯ ПОМОЩЬ» в городах Ростовской области. - Сб. мат-лов Всерос. науч.-практ. конф. «Техносферная безопасность, надежность, качество, энергосбережение» /Шепси, 6-9 сентября 2006 г., ISBN 5-89071-036-2/, Ростов н/Д, РГСУ (ЮРО РААСН), 2006, с.432-439.].

Изобретение относится к области экологической и пожарной безопасности и касается способа термомагнитной сепарации воздуха и устройства для его осуществления. Способ и устройство построены на применении нанотехнологий и соответствующих градиентов полей, реализуемых в канале с протекающим воздухом, для разделения его на кислород и азот с остальными газами. Способ использует свойство кислорода втягиваться в область сильного магнитного поля и свойства азота с остальными газами - диамагнетиков - выталкиваться из области сильного магнитного поля. Для сохранения возникающей разности их концентраций в устройстве, помимо магнитов и модулей охлаждения, вдоль всего канала, на расстоянии 21% от высоты канала со стороны с магнитами, устанавливается наноперегородка из пористого немагнитного материала, диаметры пор которого со стороны «азотной зоны» достигают 1 мм в диаметре, уменьшаясь до диаметра молекул углекислого газа к стороне «кислородной зоны». Магниты устанавливаются снаружи на внешней стороне, а модули охлаждения на внутренней стороне винтовой окружности - единичного витка сепаратора, в который закручен прямоугольный канал, сопряжением выхода которого на вход следующего витка соответствующими сборочными элементами формируется сепаратор в виде «трубы», которая может быть закручена в спираль, тор, тор с шагом и т.д. Изобретение обеспечивает повышение эффективности сепарации воздуха. 2 н.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ термомагнитной сепарации воздуха (ТМСВ) на кислород и азот с остальными атмосферными газами, заключающийся в том, что перпендикулярно потоку воздуха, протекающему по немагнитному каналу (например, прямоугольной трубе), создаются градиенты полей (магнитного, температурного, гравитационного), под воздействием которых молекулы кислорода, являющиеся парамагнетиками, втягиваются в область сильного магнитного поля («кислородная зона»), которая образуется у стороны с магнитами, а молекулы азота и остальные газы, являющиеся диамагнетиками, выталкиваются к противоположной стороне («азотная зона»), на которой установлены модули охлаждения, что позволяет разделить атмосферный воздух на указанные компоненты перегородкой на выходе канала, устанавливаемой на определенном расстоянии, в соответствии с возникающими их объемными концентрациями, отличающийся тем, что для повышения эффекта сепарации указанная перегородка устанавливается вдоль всего канала и является наноперегородкой, которая задерживает процесс диффузии, восстанавливающей концентрации парамагнетиков и диамагнетиков по разным сторонам от нее, но «не мешает втягиванию» молекул кислорода к стороне с магнитами, т.к. указанная наноперегородка изготавливается из пористого материала, размеры пор которого со стороны «азотной зоны» достигают 1 мм в диаметре, уменьшаясь до диаметра молекул углекислого газа к стороне «кислородной зоны».

2. Устройство, осуществляющее сепарацию воздуха, состоящее из немагнитного прямоугольного канала с внутренней наноперегородкой, установленной на расстоянии 21% от широкой стороны и вдоль нее, образуя «кислородную зону», вдоль которой с внешней стороны установлены магниты, а с противоположной - «азотной зоны» - с внешней стороны установлены охлаждающие модули, подключаемые к соответствующим источникам и управляемые контроллером, создающие соответствующие градиенты полей (магнитного, температурного, гравитационного), отличающееся тем, что для компактности, полного разделения указанных компонент и получения необходимой производительности сепаратора, которые зависят от скорости протекания воздуха по каналу, а, следовательно, от его длины, прямоугольный канал закручивается в окружность с определенным шагом, являющуюся единичным витком, сопряжением выхода которого на вход другого витка и т.д. соответствующими сборочными элементами сепаратор формируется в «трубу», «тор», «спираль», «тор с шагом», закручивающийся в «трубу» необходимого диаметра и т.д.