ChemNet
 

[На предыдущий раздел]

Газообменные аппараты со скрещивающимися газовыми потоками

При необходимости использования двух торцов для ввода воздушного потока можно применить газообменный аппарат со скрещивающимися потоками (его элемент представлен на рис. 4). В этом аппарате давление р1 вдоль оси х, по которой идет поток воздуха внешнего пространства с входным давлением р0 и полным перепадом D р (если входные давления и конфигурации каналов идентичны), распределится по закону:

р1(х) = р0D р·х/L ;

распределение же давления по мембране в перпендикулярном направлении при тех же р0 и D р:

р2(y) = р0D р·у/L .

Если р1, р2 – давления в заданной точке мембраны с внешней и внутренней стороны, то перепад D рм(х, у) на мембране, очевидно, равен:

D рм(х, у) = р2(у)р1(х) = D р·(ху)/L .

Эти соотношения сохраняются, если в рабочем объеме будет избыточное давление (по отношению к избыточному пространству) D рр, равное перепаду D рR на сопротивлении R. В области АВС (см. рис. 5) воздух поступает через мембрану в рабочий объем, а в области ACD – во внешнее пространство.

Прямые потоки через мембрану (создаваемые перепадом давлений на мембране) равны по величине, противоположно направлены и не влияют на изменение давления в рабочем объеме. Расход (Q) на каждое направление равен:

где D pср – средний перепад давления на половине мембраны, ограниченной ее диагональю АС, L2 – площадь мембраны, Y – проводимость мембраны (величина потока, исчисленная из формулы Пуазейля), Р1 – сила, приложенная к половинам мембраны – площадям АВС и ACD:

Проводимость Y при заданной пористости П мембраны прямо пропорциональна квадрату среднего диаметра D мембранных пор. Вместе с тем, скорость диффузионного газообмена (при П = const) для трековой мембраны практически не зависит от диаметра пор, когда соблюдается условие l << D. При давлении 0,10 МПа (примерно равному атмосферному при нормальных условиях) длина свободного пробега l = 0,065 мкм. Следовательно, если использовать трековые мембраны с диаметрами пор в диапазоне от 0,15 до 0,30 мкм, прямой поток воздуха через мембрану, возникающий вследствие перепада давлений на ней, будет практически подавлен при сохранении интенсивности только диффузионной составляющей газообмена. При этом мембраны толщиной до 40 мкм вносят лишь малую долю в диффузионное сопротивление массопереносу через систему “первый пристеночный слой–мембрана–второй пристеночный слой”. Как показывают расчеты для реальных газообменников, диффузионное сопротивление пристеночных слоев в несколько раз больше сопротивления мембраны с толщиной менее 40 мкм.

Рассмотрим теперь работу газообменного аппарата со скрещивающимися потоками (площадь мембран в аппарате – S, м2), установленного для жизнеобеспечения рабочего объема чистого помещения. Избыточное давление в рабочем объеме D рр = 10 Па (наличие избыточного давления в рабочем пространстве предусмотрено стандартами). Собственно газообменный аппарат, разработанный нами, представляет собой сборку из 100 квадратных пластин с трековыми мембранами и параллельными сквозными прорезями, которые образуют ряд каналов высотой 2 и шириной 25 мм. В результате через трековые мембраны происходит диффузионный газообмен между атмосферным воздухом, протекающим через нечетные ряды каналов (они находятся на одном из торцов), и воздухом рабочего объема, протекающим через четные ряды на другом торце. Площадь ТМ на одну пластину составляет 300´ 300 мм2. Сечение SК всех каналов, по которым протекает воздух внешнего пространства, равное сечению каналов для внутреннего воздуха газообменного аппарата, составляет 300 см2. Пусть скорость v протекания газа по каналам – 8 м/с (такая скорость существенно уменьшает сопротивление пристеночных слоев), тогда объемный расход воздуха в каждом контуре газообменного аппарата будет Vоб = 0,24 м3/с.

Перепад давления на газообменной части каналов определится формулами:

Мощность, затрачиваемая на прокачку воздуха, составит (с учетом КПД газодувки) около 100 Вт. На дополнительном сопротивлении R расходуется 10 Вт или ~10% мощности. При скорости газового потока »10 м/с газообменный аппарат обеспечивает жизнедеятельность шести человек. Если число работающего персонала в чистом помещении, например, три человека, то скорость потока целесообразно уменьшить. При этом величину сопротивления R увеличивают либо вручную, либо устанавливают систему автоматического регулирования величины R в зависимости от перепада давления между рабочим объемом рр и внешним пространством.

Распределение давления по осям х и у (рис. 5) скрещивающихся потоков определяют зависимости:

Здесь р – давление во внешнем пространстве, р0 = р+D р – входное давление, р+D рр – давление в рабочем объеме, D р – перепад давления на канале газообменной части, L – длина канала газообменного аппарата. В этом случае распределение перепада давления на мембране D рм составит:

При условии D рRD рр = 0 распределение давления на мембране будет таким же, как и без избыточного давления в рабочем объеме. Натекание через газообменный аппарат не повлияет на давление в рабочем объеме, так как потоки через мембраны газообменного аппарата во внешнее пространство и в рабочий объем будут равны и противоположно направлены. В результате полный поток окажется равным нулю.

Комфортные условия для персонала обеспечиваются разделением рабочего объема на две части – помещение персонала и помещение воздухоподготовки, отнесенные на расстояние, позволяющее погасить шумы и вибрации до допустимых норм в помещении персонала, исключить влияние на персонал излучения бактерицидных ламп и вместе с тем сохранить свободный доступ воздуха для поддержания его состава, удовлетворяющего производственным требованиям.

В заключение заметим, что с ростом скорости потока в щелевых каналах газообменного аппарата значительно возрастает удельная производительность последнего из-за увеличения проводимости системы “первый пристеночный слой–трековая мембранавторой пристеночный слой”. Определенную роль здесь играет и сравнительно малое изменение разности концентраций по обе стороны мембраны. Отметим также, что приведенные выше расчетные формулы могут быть использованы только при малых числах Маха (М):, т.е. до скоростей ~100 м/с.

Подведем итоги:

  • в развитом турбулентном потоке, когда Re ~104, сопротивление пристеночных слоев мембраны почти на порядок меньше, чем в ламинарном потоке (для ламинарного течения характерно число Нуссельта ~4, а в развитом турбулентном режиме ~40);
  • прямая фильтрация через ТМ может быть полностью устранена в газообменных аппаратах с параллельными потоками внешнего воздуха и воздуха рабочего объема;
  • в газообменном аппарате со скрещивающимися потоками всегда существует перепад давлений между поверхностями мембран, что неизбежно при разных направлениях течения потоков; в последнем случае перепад давления между поверхностями ТМ может быть существенно подавлен разумным выбором скоростей течения газа, а прямые потоки фильтрации через газообменный аппарат невелики, когда ГДА снаряжены ТМ с диаметрами пор в диапазоне 0,2–0,3 мкм; такие мембраны задерживают практически все бактерии и аэрозоли, сохраняют малое диффузионное сопротивление и высокое сопротивление перепаду давления на мембране при эксплуатации в нормальных условиях;
  • толщина используемых ТМ должна лежать в диапазоне 10–40 мкм (при этом условии она невелика по сравнению с толщиной пристеночных слоев);
  • газообменный аппарат эффективно работает, будучи подключенным к рабочему объему с избыточным давлением в несколько десятков Па, если на выходе его внешнего контура, например, установлено дополнительное аэродинамическое сопротивление.

Таким образом, газообменный диффузионный аппарат – эффективное средство защиты замкнутых объемов от бактерий и аэрозолей, не требующее существенных энергетических затрат. К его мембранам, работающим в тангенциальном потоке воздуха, не применимо понятие грязеемкость: срок их службы практически не ограничен.

[На следующий раздел] [На Содержание]

Copyright ©




Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается  копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору