СПОСОБ ОБОГАЩЕНИЯ ВОЗДУХА КИСЛОРОДОМ Советский патент 1929 года по МПК C01B13/02 

Предлагаемый способ обогащения воздуха кислородом основан на свойстве жидкости поглощать газы при увеличенном давлении и выделять их, когда давление понижается. С целью создания разности давлении применяется прибор, который состоит из помещенных один в другом сосудов и в котором циркулирует жидкость, обладающая способностью поглощать кислород в большей степени, чем азот воздуха. Закрытый внешний сосуд наполнен почти до верху жидкостью, находящейся под значительным давлением воздуха, нагнетаемого снизу легкими струйками для большего поглощения жидкостью кислорода. Внутренний сосуд, насаженный на вращающийся полый вал, проходящий через внешний сосуд, отчасти заполнен той же жидкостью, находящейся под значительно меньшим давлением, чем во внешнем сосуде. При вращении внутреннего сосуда жидкость под действием центробежных сил распределяется в нем по дну и стенкам, а поверхность ее становится параболической, благодаря этому, давление жидкости на стенки сосуда будет неодинаково в различных частях сосуда - увеличиваясь в нижних частях - и будет, таким образом, являться функцией объема жидкости, приводимой во вращение. Если в нижней части внутреннего сосуда сделать отверстия, то при соответственном подборе объема жидкости и скорости вращения сосуда можно достичь такого давления ее на стенки, что она будет находиться в равновесии с жидкостью внешнего сосуда, несмотря на значительную разницу к давлениях заключенных в сосудах газов. Точно так же можно достичь равновесия жидкостей, если отверстия поместить в верхней части внутреннего сосуда, которому можно придать форму опрокинутого усеченного конуса. Если же, кроме верхних отверстий, в нижней части внутреннего сосуда также сделаны отверстия, то давление жидкости внутри сосуда в нижней части может оказаться меньше, чем снаружи, и жидкость внешнего сосуда будет поступать через них во внутренний. Вследствие этого давление во внутреннем сосуде повысится и жидкость начнет вытекать из сосуда через верхнее отверстие. Таким путем возможно установить циркуляцию жидкости, при чем во внутреннем сосуде, где жидкость находится под меньшим давлением, будет происходить выделение газов, поглощенных под большим давлением во внешнем сосуде. В виду различия в коэффициентах растворимости кислорода и азота, во внутреннем сосуде будет выделяться газ, состав которого будет отличен от воздуха большим содержанием кислорода. Так как при вращении внутреннего сосуда жидкость внешнего сосуда также будет приходить во вращение, вследствие чего циркуляция может нарушаться, то для предупреждения этого во внешнем сосуде устраиваются радиальные перегородки, препятствующие вращательному движению жидкости, нагревание же последней, происходящее, вследствие движения жидкости от одной до другой перегородки и понижающее растворимость воздуха в ней, устраняется путем охлаждения внешнего сосуда.

Для осуществления предлагаемого способа обогащения воздуха кислородом предлагается прибор, изображенный на чертеже в продольном вертикальном разрезе и имеющий следующее устройство.

На полый горизонтальный вал А с подшипниками, опирающимися на станину М прибора, насаживается муфта В с приливами на концах, скрепляемая помощью болтов с днищами С′ цилиндра. В результате получается вращающийся сосуд С прибора, где и будет происходить выделение из жидкости растворенного воздуха. Между днищами С′ и приливами муфты В помещается набивка, препятствующая протеканию жидкости у вала прибора и болтов. Головки болтов, скрепляющих днища сосуда С с муфтою, скрыты в теле днищ, во избежание излишних возмущений жидкости, окружающей сосуд, при вращении последнего.

Жидкость, находящаяся во вращающемся сосуде, испытывает в каждой точке то давление, которое соответствует высоте уровня, проходящего через рассматриваемую точку. Давление это непрерывно растет по мере удаления поверхности уровня от оси вращения сосуда, которому можно придать какую угодно форму: технически, однако, выгодно придать ему форму тела вращения: например, форму шара, конуса, эллипсоида вращения, параболоида вращения, двуполостного гиперболоида, линейчатого гиперболоида и пр., чтобы сосуд испытывал возможно меньшее трение при своем вращении в жидкости неподвижного внешнего сосуда. Такому требованию больше всего удовлетворяет эллипсоид вращения, у которого осью вращения служит малая ось эллипса. (Для простоты вычерчивания сосуду С придана форма цилиндра, закрытого двумя усеченными конусами).

Жидкость вращающегося сосуда сообщается с окружающей его жидкостью, находящеюся в неподвижном сосуде L, входными и выходными отверстиями. Первые из них расположены ближе к валу А прибора, вторые - дальше, в целях получения определенной разности центробежных сил, и могут быть в силу закона Паскаля направлены как угодно. Входные отверстия или сопла Е устроены в днищах сосуда С, и при достаточно высоком расположении сопел брызги жидкости могут только случайно попадать в отверстия i вала А, через которые должен выходить выделившийся из жидкости обогащенный кислородом воздух.

Так как скорость вращения сосуда С есть переменная величина, то, установив определенное давление, можно заставить жидкость, заключенную в соплах, двинуться в виде струй в сторону полости вращающегося сосуда. Параллельное направление сопел Е удобно в том отношении, что при этом можно будет расположить сопла в обоих днищах друг против друга и, следовательно, уничтожить удар жидкой струи в днище сосуда.

Жидкость, поступившая в полость сосуда С в виде тонкой струи, легко выделит из себя часть растворенного воздуха, который создаст в сосуде определенное давление, и, следовательно, давление жидкости на периферию сосуда С, где расположены выходные отверстия е, возрастет. Диаметр сосуда С можно подобрать так, что через отверстие е жидкость начнет выбрасываться в неподвижный сосуд L, не увеличивая в нем заметным образом давления. Затопление полости сосуда С может произойти лишь при резком уменьшении скорости вращения вала прибора или остановке мотора, или при внезапном повышении давления сжатого воздуха, находящегося в верхней части неподвижного сосуда L, в предупреждение чего прибор имеет предохранительный клапан, выпускающий избыток накачиваемого воздуха.

Внешний неподвижный сосуд L устроен следующим образом: к станине М прибора привинчен толстостенный цилиндр F, отверстия которого закрыты днищами L′, свинчиваемыми с цилиндром F помощью болтов. Днища L′, опираясь на выступы цилиндра F, прижимают своими краями набивку K, которая препятствует протеканию жидкости через шов. В сосуд L наливается жидкость, обладающая большей растворимостью кислорода по сравнению с азотом.

Выброшенная из выходных отверстий е жидкость, обладая большой кинетической энергией, будет стремиться привести в круговое движение жидкость в неподвижном сосуде в направлении вращения вала. Подвижной сосуд С, вращаясь в этой жидкости с большой скоростью, усилит такое движение, вследствие чего появится центробежная сила, приложенная к частицам жидкости в неподвижном сосуде, создающая угрозу затопления полости вращающегося сосуда, так как увеличит разность давлений в соплах Е и уменьшит ее в выходных отверстиях е. Во избежание чего в сосуде L устанавливается пара горизонтальных перегородок, разделяющих его на две равные части: верхнюю и нижнюю, и сообщающихся между собой через просвет между краями перегородок и цилиндрической поверхностью внутреннего сосуда. Круговое движение жидкости во внешнем сосуде будет прекращено для большей массы жидкости, но движение от перегородки к перегородке, т.-е. на протяжении дуги в 180° останется, хотя и будет замедлено. Чтобы это протяжение уменьшить и еще более замедлить движение жидкости, вблизи горизонтальных перегородок устанавливаются две пары радиальных перегородок, составляющих с горизонтом угол около 30°. Таким образом, в части неподвижного сосуда жидкость будет находиться в покое, в остальных - жидкость будет передвигаться в направлении вала прибора и обратно.

Применение перегородок может создать, в свою очередь, нежелательное явление - обеднение жидкости воздухом между перегородками. Чтобы избежать этого, в перегородках просверлены в шахматном порядке отверстия, через которые будет происходить обмен жидкости между перегородками.

При остановке или замедлении движения жидкости температура жидкости повышается и падает способность жидкости к растворению газов.

Для устранения вытекания жидкости, находящейся под давлением, через зазор, который образуется при проходе вала А прибора через центральные отверстия в днищах L′, в центральной части последних сделаны круглые, с плавным профилем, впадины, достаточно глубокие, чтобы там можно было поместить два маховичка , насаженных на вал и отстоящих от дна впадин на расстоянии, более возможного горизонтального перемещения вала по своей оси. Вращаясь вместе с валом с большой скоростью, маховички будут увлекать за собой прилегающий к их сторонам, обращенным ко дну впадин, тонкий слой жидкости, который образует жидкое подвижное кольцо; последнее отойдет от вала к периферии впадин. В результате близ вала образуется свободная поверхность жидкости, напоминающая воронку, широкая часть которой сядет на поверхность маховичков , а узкая - упрется в дно впадин.

Между валом и воронками жидких колец образуется свободное пространство, в которое начнет выделяться растворенный в жидкости воздух, давление его будет расти и, во всяком случае, сделается более атмосферного. Таким образом, в просвет между валом и отверстиями днищ L′ будет выходить уже не жидкость, а сжатый воздух, обогащенный кислородом.

Для устранения утечки на наружной стороне днищ L′ имеются приливы c с внутренней нарезкой. В приливы ввинчиваются тарелки I₁, с которыми свинчиваются другие тарелки I₂ с более широкими отверстиями в центре. Тарелки образуют узкое дискообразное пространство, в котором вращаются насаженные на вал маховички h и в которые наливается немного жидкости или той же, какая употребляется в приборе, или более вязкой. Маховички h разместят жидкость по всей периферии, таким образом, получится подвижное кольцо жидкости, скорость вращения которого будет отставать от скорости вращения маховичков h. Чтобы устранить до некоторой степени этот недостаток, в маховичках h сделан глубокий продольный вырез по всему ободу маховичков h. Захваченная в этот вырез жидкость будет обладать скоростью почти равной средней скорости периферических частей маховичков. Жидкость центробежной силой будет выбрасываться из щели и, таким образом, будет передавать свою скорость частицам жидкого кольца, обладающим замедленной скоростью. Воздух, проникая в щели между тарелками I₁ и маховичками h будет давить на кольцо, находящееся в этой щели, и стремиться раздвинуть его, отдаляя от вала. Давление воздуха на кольца вызовет реакцию со стороны последних, и воздух окажется запертым в этой щели.

Если, помимо воздуха, в щель будет проникать жидкость, то в полость запоров необходимо будет ввести в периферической части по одной трубочке, с автоматическими клапанами, открывающимися наружу всякий раз, когда давление колец па периферическую часть запоров достигнет известной величины. Таким образом, получается замедленный и упорядоченный выход жидкости из неподвижного сосуда прибора. Следовательно, в сосуд придется время от времени подливать новые порции жидкости, что необходимо и помимо того, так как во вращающемся сосуде прибора при выделении воздуха из жидкости будет происходить также и испарение ее. Скрытая теплота испарения жидкости будет мешать быстрому повышению температуры.

На правом конце вала, после подшипника, помещен шкив, а конец полого вала заперт пробкой R. На левом конце вала A, после подшипника, следует приемник, в который поступает обогащенный кислородом воздух. В приемнике, опирающемся на станину прибора, крышка Р, ввинченная в стакан Т, имеет в центре коническое отверстие, запираемое клапаном Н. Головка последнего служит его направляющей и движется в стакане N, привинченном болтами m к крышке Р. На головку клапана нажимает пружина (на чертеже не показана), которая другим концом упирается в дно стакана, имеющее отверстие в центральной части, с диаметром, не меньшим диаметра полости вала. Чтобы воздух свободно проходил головку клапана, в последней сделан по ее образующим ряд каналов, таким образом, очертание головки клапана напоминает собой очертание зубчатого колеса, с прямыми зубцами.

В приборе будет происходить весьма быстро циркуляция жидкости из неподвижного сосуда во внутренний, вращающийся и обратно, и связанный с нею процесс выделения воздуха из жидкости. Таким образом, в неподвижном сосуде степень насыщения жидкости воздухом будет падать, вследствие чего необходимо подводить в него новые порции воздуха. Насыщение жидкости воздухом можно производить или вне прибора, или непосредственно в неподвижном сосуде прибора, подавая воздух в нижнюю часть и разбивая его на мелкие струи, пронизывающие всю толщу жидкости. Последний способ имеет недостаток: мелкие струйки воздуха, подымаясь со дна сосуда в верхнюю часть, пройдут через сопла E вращающегося сосуда. Таким образом, в полость вращающегося сосуда будет поступать не только жидкость, но и захваченный ею воздух. Этот недостаток можно устранить, подавая воздух так, чтобы он проходил, лишь цилиндрическую часть сосуда.

Указанные соображения приводят к заключению о необходимости производить насыщение жидкости где-нибудь вне прибора, для чего на станину M ставится цилиндр сзади аппарата. Ось его лежит в вертикальной плоскости симметрии прибора, перпендикулярной оси вала. Закрытый цилиндр располагается несколько выше прибора, насыщение жидкости в нем воздухом производится указанным выше способом; нижняя часть его сообщается с нижней частью неподвижного сосуда двумя широкими горизонтальными трубами. Трубы своими отверстиями выходят в ту часть неподвижного сосуда, где не имеется перегородок, такими же трубами соединяются верхние части прибора и насытителя. Внутренний сосуд прибора, вращаясь, стремится привести жидкость в неподвижном сосуде в движение в направлении вращения вала и будет вытягивать жидкость из нижних отверстий труб и вгонять ее в верхние отверстия, таким образом, получится циркуляция жидкости из насытителя в неподвижный сосуд и обратно. Если вместо одного насытителя поставить два, расположив их симметрично относительно прибора спереди и сзади, то циркуляция будет происходить весьма правильно.

Накачиваемый в насытитель сжатый воздух не весь перейдет в раствор: часть его поднимется в верхнюю часть насытителя. Эта часть будет состоять из некоторого объема воздуха нормального состава и некоторого объема воздуха с повышенным содержанием азота, и следовательно, весь объем окажется более богатым азотом, чем атмосферный воздух.

Если прибор будет выделять из жидкости столько обогащенного кислородом воздуха, сколько насос подавать в насытитель атмосферного воздуха, то находящийся в верхней части насытителя воздух будет иметь постоянное давление и объем, но процентное содержание азота в нем будет повышаться. Удаление этого газа из насытителя можно производить через простой кран, который ставится для того в верхней части насытителя, но можно поставить на насытитель предохранительный клапан и воспользоваться работой нагнетательного насоса.

Выше было указано, что температура жидкости в приборе будет повышаться, а благодаря циркуляции жидкости, повышаться будет и температура жидкости в насытителе. Для охлаждения насытитель помещается в цилиндр, в котором циркулирует холодная вода и от которого отходят две пары труб, охватывающие подводящие и отводящие трубы насытителя и немного не доходящие до прибора. Трубы соединены между собой, вблизи прибора, двумя парами труб, идущими снизу вверх, и, таким образом, циркуляция холодной воды будет происходить и около подводящих и отводящих труб, что вполне достаточно, чтобы температура жидкости прибора и насытителя не поднималась выше известного предела.

1. Способ обогащения воздуха кислородом, характеризующийся тем, что жидкость, обладающая способностью поглощать кислород преимущественно перед азотом и заключенная в присутствии воздуха в неподвижном наружном перегороженном сосуде и охлаждаемая, приводится в циркуляционное движение разностью давлений, создаваемою различием центробежных сил в различных частях вращающегося внутреннего сосуда, внутри которого происходит выделение из жидкости поглощенных газов под влиянием уменьшенного давления.

2. Прибор для осуществления описанного в п. 1 способа, характеризующийся применением наружного неподвижного сосуда L и вращающегося на полой оси А внутреннего сосуда С с двумя группами отверстий: входными Е ближайшими к оси А, и выходными е более удаленными от той же оси, а также - с отверстиями i в полой оси для отведения из прибора обогащенного кислородом воздуха.