Dizer que muita coisa aconteceu no ano desde o início da pandemia de COVID-19 seria um eufemismo para eventos épicos, tantos que é difícil lembrar dos primórdios da comunidade de hackers de hardware que usava EPIs produzidos em massa como reação, ventiladores caseiros e assim por diante. No entanto, também não nos lembramos das inúmeras tentativas de construir concentradores de oxigênio caseiros durante a fase inicial de expansão.
Dada a simplicidade e eficácia do projeto chamado OxiKit, é surpreendente que não tenhamos visto mais dispositivos semelhantes. O OxiKit utiliza zeólita, um mineral poroso que pode ser usado como peneira molecular. As minúsculas esferas são compactadas em um cilindro feito de tubos e conexões de PVC, encontrados em lojas de materiais de construção, e conectadas a um compressor de ar isento de óleo por meio de uma válvula pneumática controlada por diversas válvulas solenoides. Após o resfriamento na serpentina de tubo de cobre, o ar comprimido é forçado a passar por uma coluna de zeólita que retém preferencialmente o nitrogênio, permitindo a passagem do oxigênio. O fluxo de oxigênio é dividido: uma parte entra no tanque de armazenamento e a outra na saída da segunda torre de zeólita, onde o nitrogênio adsorvido à força é liberado. O Arduino controla a válvula para alternar o fluxo de gás, produzindo 15 litros de oxigênio com 96% de pureza por minuto.
O OxiKit não é otimizado como os geradores de oxigênio comerciais, portanto não é particularmente silencioso. Mas é muito mais barato do que uma unidade comercial e, para a maioria dos entusiastas de eletrônica, é fácil de construir. Os projetos do OxiKit são todos de código aberto, mas eles vendem kits de ferramentas e algumas peças e consumíveis difíceis de encontrar, como zeólita. Vamos tentar construir algo parecido porque a tecnologia é muito interessante. Ter uma fonte de oxigênio de alto fluxo também não é uma má ideia.
15 litros por minuto parece muito impressionante. Em termos de escala, é suficiente para sustentar a vida de 7 pessoas em circunstâncias normais (cada pessoa a 2 litros por minuto).
Sempre quis saber como isso funciona. Interessante. Parece quase violar as leis da termodinâmica, mas não é o caso.
Com uma quantidade tão grande de oxigênio produzida, quero saber o que aconteceria se você instalasse essa belezinha em um motor de carro e/ou a ampliasse. Pode ser como nitrito. Isso seria bem seguro, porque você pode configurar o sistema para que o oxigênio "puro" produzido seja consumido imediatamente perto do motor, em vez de ser armazenado em algum lugar. No entanto, preciso ajustar o carro primeiro. Deu errado... "Vai ser ruim."
Acho que isso é bom para soldagem/brasagem/corte de oxigênio/propano, oxigênio/hidrogênio ou oxigênio/acetileno.
Sim, depois de assistir a este vídeo, o YouTube exibiu o vídeo de Dalbor Farny com sugestões sobre o concentrador de O2. O objetivo é fornecer o oxigênio necessário para o maçarico de sopro de vidro. Fabrique seu próprio tubo digital personalizado. Na verdade, seis deles combinados produzem 30 lpm de O2.
Imagino que um motor de 2 litros funcionando a alguns milhares de RPM possa consumir o combustível de um motor de 15 litros em vez de 1 minuto. No entanto, isso poderia aumentar o nível de oxigênio no ar de admissão a um nível suficiente? Realmente não sei.
O nitrito pode fornecer energia porque libera uma molécula de nitrogênio para cada molécula de óxido nitroso decomposta (mantendo seu volume à medida que o oxigênio é consumido), além de aumentar a concentração efetiva de oxigênio (a liberação também gera calor). Bombear oxigênio puro não é tão vantajoso, pois ainda há perda de volume e o risco de incêndio no bloco do motor.
Você precisará aumentar a escala consideravelmente. Um motor de carro de 2 litros a 2500 rpm "aspira" aproximadamente 2,5 metros cúbicos de ar por minuto (21% de O²). Isso é cerca de 600 vezes o volume respiratório de um ser humano em repouso. O volume respiratório consumido por humanos é de cerca de 25% de O², enquanto o volume respiratório consumido por carros é de cerca de 90%...
Além disso, queima pistões muito quentes e fundidos. Ao inclinar a mistura de combustível, é possível obter mais potência de qualquer motor. No entanto, o pistão derreterá devido ao aumento de calor. O baixo teor de oxigênio impede que o metal derreta.
Os motores de carros comuns têm sua capacidade de processamento limitada pelo fluxo de ar e produzem potência máxima quando queimam todo o oxigênio presente no ar. Isso é conseguido enriquecendo ligeiramente a mistura ar-combustível, o que significa que parte da gasolina não é queimada. A menos que a potência máxima seja necessária, os motores de carros geralmente funcionam com uma mistura ligeiramente rica, pois o funcionamento com excesso de combustível resulta em menor economia de combustível e maior emissão de poluentes por hidrocarbonetos.
Se você quiser usar esse recurso para aumentar a potência, precisará de uma maneira de enganar o computador do motor para que ele adicione uma certa porcentagem de combustível ao mesmo tempo.
Se você conseguir manter a relação ar-combustível constante, o efeito é praticamente o mesmo que abrir o acelerador em apenas alguns por cento.
No entanto, se você ultrapassar "alguns por cento" (ambiguidade intencional...), poderá atingir o limite da capacidade da ECU de entender a quantidade de ar que entra, controlar a quantidade de combustível que sai ou definir o ponto de ignição correto, independentemente da velocidade e do fluxo de ar que você estiver usando.
A vazão necessária para manter alguém vivo depende muito da sua condição! 2 l/min é relativamente simples. Muitos pacientes que necessitam de cuidados intensivos requerem 15 l/min.
Tenha cuidado para não ficar sem oxigênio. Altas concentrações de oxigênio podem tornar muitas coisas inflamáveis ​​e promover a combustão espontânea de muitos óleos e lubrificantes. É por isso que usam compressores isentos de óleo.
Isso, e muitos outros métodos de processamento de O2 que “não são imediatamente intuitivos”, podem prejudicá-lo, especialmente sob pressão crescente.
Se você estiver jogando com O2, pode usar o guia Oxygen Hacker's Companion de Vance Harlow (mergulhadores com nitrox podem já ter este guia): http://www.airspeedpress.com/newoxyhacker.html
Não conheço o livro, o importante é o usuário, não o afinador. De qualquer forma, obrigado pela referência, encomendarei um exemplar assim que o formulário entrar em vigor!
Sim, vou mencionar. O modo de falha do ar comprimido em tubos de PVC é a explosão de estilhaços, portanto, observe atentamente essas classificações de pressão — à medida que o diâmetro do tubo aumenta, a classificação de pressão diminui.
No início da década de 1980, eu trabalhava para uma empresa de locação de equipamentos médicos que alugava e fazia manutenção de geradores de oxigênio Devilbiss. Na época, essas unidades tinham apenas o tamanho de um pequeno refrigerador de cerveja. Lembro-me claramente da natureza de "armazenamento de hardware" de sua estrutura interna. Ainda me lembro que o leito filtrante era feito com cano de PVC de 4 polegadas e tampa, então a estrutura descrita neste projeto é consistente com a tecnologia histórica anterior (mas obviamente prática).
O compressor é do tipo pistão/diafragma de dupla oscilação, portanto não há óleo no ar comprimido. A válvula na cabeça do compressor é uma lâmina fina de aço inoxidável.
A separação do fluxo de gás é feita por um temporizador mecânico, sem a necessidade de um Arduino. O temporizador possui um mecanismo de sincronização (motor de engrenagem) que aciona um eixo com várias rodas dentadas. Um microinterruptor acoplado à roda dentada aciona uma válvula solenoide, fazendo com que o gás circule.
O maior inimigo dessas máquinas é a alta umidade. A adsorção de moléculas de água destrói o leito filtrante.
Pouco antes de eu sair da empresa, começamos a adquirir um concentrador de um concorrente da Devilbiss (cujo nome desconheço agora), e a empresa apresentou um grande progresso. Além do novo concentrador, menor e mais silencioso, a empresa também construiu o leito de peneiras usando tubos de alumínio. O tubo é revestido por uma placa com ranhuras usinadas para anéis de vedação. Parece-me que se trata de um suporte totalmente roscado que une os conjuntos. A vantagem desse projeto é que, se necessário, o leito pode ser separado e o material da peneira substituído. Eles também eliminaram os temporizadores mecânicos e os substituíram por dispositivos eletrônicos simples e relés de estado sólido (SSRs) para acionar solenoides.
Eles exigem o uso de tubulação SCH40 (pressão nominal de 260 psi a 3") e estão claramente equipados com uma válvula de segurança de 40 psi e um regulador de 20-30 psi antes da pressurização do PVC, portanto, há uma boa margem de segurança. Não tenho certeza de como será a exposição ao O2. Alterar a intensidade.
A pressão de ruptura do SCH40 é muitas vezes superior à pressão nominal, dependendo do diâmetro. Um tubo de 3 polegadas suporta aproximadamente 850 psi, e um de 6 polegadas, aproximadamente 500 psi. Um tubo de 1/2 polegada suporta cerca de 2000 psi. O dobro disso se aplica ao SCH80. É por isso que lançadores de bolas de tênis de PVC não explodem — são muitos. Aumentar o diâmetro da câmara de combustão para 6 ou 8 polegadas aumenta as chances de explosão. Mas, em geral, a comunidade de entusiastas de engenharia tende a subestimar seriamente a resistência de tubos de PVC. https://www.pvcfittingsonline.com/resource-center/strength-of-pvc-pipe-with-strength-chart/
Eu teria interesse em reduzir a capacidade dos amadores de usar fogos de artifício (e possivelmente a pureza do gás). O mercado de hobby geralmente compra cilindros de oxigênio medicinal usados. Essa foi minha primeira ideia, mas o custo do kit + lista de materiais excedeu em muito o preço de uma unidade médica usada.
Um motor de carro de 2 litros pode consumir 9.000 litros/minuto de oxigênio (em alta velocidade), então 15 litros/minuto de oxigênio equivalem a cerca de 600 vezes menos. Este é um dispositivo interessante. Comprei vários concentradores recondicionados de 5 litros por minuto por US$ 300 cada (o preço parece estar subindo). Ele produz 5 litros/minuto. Consome algumas centenas de watts, então, extrapolando para fins meramente ilustrativos, estima-se que 9.000 litros por minuto (apenas para fins de entretenimento) requerem aproximadamente 360 ​​kW (480 hp).
Porque o algoritmo deles foi escrito pela banda de Berlim. (Faça um cálculo e você ganhará uma estrela dourada.)
Confira o site da empresa… bem, as especificações na loja deles são um pouco vagas, mas eles vendem 5 libras por US$ 75,00. Então, vamos dar uma olhada no GitHub. Não faça isso. Não há lista de materiais lá.
Temos um projeto eletromecânico de código aberto que pode te dizer como construir, em vez de como preencher. Eu chamo isso de um ponto onde faltam informações essenciais. É como se um personagem levantasse as sobrancelhas... é fascinante.
A OxiKit mencionou em um comentário em um de seus vídeos (aquele para o qual eu coloquei o link na matéria, se não me engano) que se trata de zeólita de sódio.
Assim como qualquer outra peneira molecular, você informa ao fabricante para que deseja usá-la, e não para que ela é feita. Isso porque são a mesma coisa, apenas com aberturas diferentes.
Os concentradores de O2 geralmente usam zeólita 13X de 0,4 mm a 0,8 mm ou zeólita JLOX 101, sendo esta última a mais cara. Ao reconstruir o concentrador de O2 que comprei no Craigslist, usei zeólita 13X. A luz verde está sempre acesa, então a pureza do O2 é de pelo menos 94%.

https://catalysts.basf.com/files/literature-library/BASF_13X-Molecular-Sieve_Datasheet_Rev.08-2020.pdf

Peneiras moleculares 5A (5 angstroms) também podem ser usadas. Creio que sejam menos seletivas para nitrogênio, mas ainda assim podem ser utilizadas.
Existe uma boa animação na Wikipédia que pode ajudá-lo a entender intuitivamente o princípio de funcionamento do dispositivo: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/76/Pressure_swing_adsorption_principle.svg I entrada de ar comprimido A adsorção O oxigênio Saída D dessorção E exaustão
Quando uma coluna de zeólita está quase cheia de nitrogênio, todas as válvulas são acionadas para liberar o nitrogênio adsorvido pela coluna.
Muito obrigado pela sua breve explicação. Sempre tive curiosidade em saber se um gerador de nitrogênio poderia ser usado em projetos de soldagem com nitrogênio em casa. Portanto, o resíduo do concentrador de oxigênio é basicamente nitrogênio: perfeito, vou usá-lo na minha estação de solda sem chumbo.
De fato, para amadores, é muito útil poder converter ar em oxigênio quase puro e nitrogênio quase puro. Gostaria de saber se é possível usar nitrogênio "quase puro" como gás de proteção para soldagem.
Para a soldagem TIG (também conhecida como GTAW), como a pluma de plasma é muito sensível, não tenho certeza. O gás argônio é o principal gás utilizado, às vezes com um pouco de hélio para penetrar em materiais como alumínio e titânio. A vazão é de cerca de 6 a 8 l/min, o que pode ser muito grande para um compressor padrão.
Para soldagem, é importante notar que as principais marcas de estações de solda vendem gás de proteção de nitrogênio para produção em conformidade com a RoHS, mas o preço do kit varia entre 1.000 e 2.000 euros. A vazão é de cerca de 1 l/min, o que é muito adequado para peneiras moleculares. Então, vamos reunir alguns componentes e fazer soldagem sem fluxo e sem chumbo em casa!
Os soldadores desejam poder usar nitrogênio puro como gás de proteção. É mais barato que o argônio ou o hélio, que também é mais barato. Infelizmente, ele é suficientemente reativo na temperatura atingida pelo arco e tende a formar nitretos indesejáveis ​​na solda.
É utilizado como gás de proteção para soldagem, mas mesmo uma pequena quantidade pode alterar as características da solda.
Obviamente, é viável utilizá-lo na soldagem a laser, mas mesmo uma fábrica bem equipada pode não possuir essa função.
Portanto, em teoria, pelo menos um PSA pode ser usado para reduzir o nitrogênio e, em seguida, outro PSA (usando outra zeólita) para reduzir o oxigênio, resultando em uma concentração maior de substâncias que não são nem oxigênio nem nitrogênio.
Quando você estiver certo, nesse ponto, sugiro que condense o ar e depois o destile para separar o gás desejado/indesejado.
@Foldi - Um ponto de inflexão em termos de entrada de energia e saída de gás. Concordo plenamente que a eficiência será muito maior em uma escala maior, pois é possível usar a evaporação para o pré-resfriamento.
Mas em uma escala muito pequena, você terá 1 compressor, 4 torres de zeólita e um conjunto de válvulas de pressão eletrônicas, além do custo inicial de um controlador barato (o cérebro), que acredito ser menor.
@irox pode afirmar isso por analogia com certeza, mas ninguém que esteja usando 2 litros de oxigênio vai morrer/piorar rapidamente sem receber oxigênio. Para comparação, nossos pacientes da Unidade de Terapia Intensiva (UTI) que apresentam alto fluxo secundário devido à COVID-19 recebem de 45 a 55 litros quando a FiO2 está entre 60% e 90%. Esses são nossos pacientes "estáveis". Se não houver alto fluxo, eles certamente irão piorar rapidamente, mas não ficarão tão doentes a ponto de precisarem ser intubados. Você verá números semelhantes ou maiores para outros pacientes com SDRA (Síndrome da Angústia Respiratória Aguda) ou na maioria das outras situações que exigem uma cânula nasal maior do que uma cânula nasal convencional.
Para mim, o uso é específico. Este dispositivo consegue manter 2 pacientes com uma pressão de 6 a 8 L, o que representa um fluxo elevado superior ao da cânula nasal convencional ou da VNI (Ventilação Não Invasiva com Pressão Positiva). Acredito que seja muito eficaz para um pequeno hospital com suprimento limitado de oxigênio, podendo fornecer atendimento médico a pacientes com doenças crônicas em situações de emergência de curto prazo.
O paciente consome 6 litros (ou 45-55 litros) de oxigênio por minuto, ou parte dele é perdida, exalada para o ambiente ou de alguma outra forma?
Minha experiência profissional se resume a um sistema limitado de suporte à vida para pessoas saudáveis ​​(com remoção de dióxido de carbono e adição de cerca de 2 litros de dióxido de carbono por pessoa por minuto), então, graças à quantidade de aplicações médicas, isso é uma revelação!
É importante lembrar que eles estão recebendo oxigênio, pois seus pulmões ficam muito contraídos quando isso acontece. Portanto, comparado com as necessidades teóricas do corpo humano, o custo é muito alto, porque, na realidade, pouquíssimas pessoas entram.
Não sei se a pessoa que falou foi quem projetou o sistema, mas isso não corresponde à descrição que ele fez. Peneiras moleculares e zeólitas não retêm N₂, elas retêm O₂. Para capturar N₂, é necessário um absorvedor de nitrogênio, que é algo completamente diferente. A peneira retém o O₂ sob pressão enquanto o nitrogênio continua a passar. Isso deve estar correto, porque quando se libera a pressão e se usa o nitrogênio para despejar o N₂ em outra coluna, não faz sentido tentar remover o N₂ com N₂. Essas são unidades de adsorção por oscilação de pressão (PSA), que funcionam retendo O₂. Pressões mais altas e cilindros maiores podem proporcionar maior eficiência (4 cilindros têm uma eficiência de até 85%). Isso condensa o O₂, mas não funciona como ele diz (ou como o artigo diz).
Você deve fornecer a fonte de informação solicitada, pois é absolutamente possível adsorver N2 em peneiras moleculares de zeólita 13X e 5A. http://www.phys.ufl.edu/REU/2008/reports/magee.pdf
O artigo da Wikipedia sobre adsorção por oscilação de pressão também confirma que a zeólita absorve nitrogênio. https://en.wikipedia.org/wiki/Pressure_swing_adsorption#Process
“No entanto, é muito mais barato do que uma unidade comercial.” Como a lista de materiais ultrapassa US$ 1.000, é difícil para mim corroborar essa afirmação. A lista de materiais para concentradores comerciais domésticos (não portáteis) custa cerca de um terço do preço, é fácil de encontrar e não requer mão de obra. Eu sei que 17 LPM é impressionante, mas ninguém fora do hospital solicitará esse volume de ar. Qualquer pessoa que faça tal solicitação está prestes a receber alta ou ser intubada.
Sim, este é um projeto interessante, mas, de fato, sua relação custo-benefício é negligenciável até certo ponto. Na Austrália, o novo equipamento de 10 l/min custa apenas cerca de 1500 dólares australianos. Considerando que 1000 dólares australianos equivalem a dólares americanos, isso reduz o custo de aquisição do novo equipamento.
Antes da pandemia, comprei um no eBay por cerca de £160, com vazão de 1,5 litros por minuto e 98% de eficiência. E este é muito mais silencioso! Assim, você consegue dormir de verdade.
Dito isso, é um esforço enorme. Coloque-o na sala ao lado do cano comprido para evitar ruídos e riscos de explosão…
Gostaria de saber se é possível utilizá-lo como uma fonte de nitrogênio quase puro, em ambientes de proteção ou mesmo em soldagem?
Que tal pneus cheios de nitrogênio? Considerando o preço cobrado por esse serviço, o nitrogênio deve ser muito caro…
O próximo passo pode ser interessante: obter a saída deste concentrador e separar uma mistura de 95% O₂ + 5% Ar. Isso pode ser feito por separação cinética usando a peneira molecular CMS no sistema PSA. Em seguida, instale uma bomba de 150 bar para encher o cilindro de argônio.
Agora, só precisamos de alguém para executar o processo Linde em casa para termos uma diversão explosiva de verdade.
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