ChemNet
 

[На предыдущий раздел]

Некоторые особенности газообмена в диффузионных респираторах

В диффузионном респираторе процесс диффузионного газообмена происходит через мембранные поры в тангенциальных потоках воздуха вдоль поверхностей трековой мембраны, разделяющей атмосферный воздух и воздух дыхания человека.

В результате выдыхаемый воздух обогащается кислородом и из него удаляется диоксид углерода. При этом вдыхаемый воздух полностью изолирован от аэрозолей атмосферного воздуха. Последнее обстоятельство связано с тем, что диаметры пор трековых мембран меньше основной массы аэрозолей. Но и в том случае, когда средний размер пор ТМ одного порядка с характерными размерами аэрозолей, проникновение их через поры практически невозможно ввиду особенностей движения в тангенциальных воздушных потоках частиц, значительно превосходящих размеры молекул газов.

В системе “атмосферный воздух–трековая мембрана–выдыхаемый воздух” скорость газообмена возрастает с ростом скорости тангенциальных потоков атмосферного и выдыхаемого воздуха, обтекающих поверхности мембраны. Мембранные поры не забиваются аэрозолями в тангенциальных потоках и могут служить продолжительное время (т.е. не забиваться).

На поверхности ТМ газообменных респираторов радиоактивные аэрозоли оседают в незначительной степени и слабо связаны с поверхностью ТМ, поэтому они могут быть легко дезактивированы.

Применение диффузионных респираторов прежде всего перспективно в зонах, зараженных радиоактивностью или особо опасными мелкодисперсными загрязнениями.

Сопротивление дыханию газообменных респираторов значительно меньше, чем у респираторов обычного типа с прямой фильтрацией. Поэтому респиратор не вносит дополнительного утомления дыхательной системы человека при работах любой степени тяжести.

Частота дыхания человека 16–18 циклов в минуту. При каждом вдохе в дыхательные пути поступает около 500 мл воздуха при работе средней тяжести. Выдыхаемый воздух содержит от 2,5 до 5,5% диоксида углерода и 15–18% кислорода (в атмосферном воздухе 0,03% СО2 и 21% кислорода).

Диффузионный поток через мембрану Q (см. [6]) определяется формулой (1). Принципиальное отличие газообмена в респираторе и чистой комнате с газообменным диффузионным аппаратом заключается в том, что из чистого помещения во внутренний контур газообменного аппарата воздух поступает с низкой концентрацией диоксида углерода. Эта концентрация незначительно отличается от концентрации атмосферного воздуха. Характерное значение разности концентраций между воздухом внутреннего контура и атмосферы составляет 0,07% (объемных) в газообменном диффузионном аппарате чистой комнаты. Разность же концентраций диоксида углерода между выдыхаемым человеком и атмосферным воздухом составляет от 2,5 до 5,5%, т.е. в 100–200 раз больше. Поддерживать разность концентраций на таком уровне возможно при диффузионном устройстве респиратора, так как источник диоксида углерода локализован, и невозможно в чистых помещениях, где происходит перемешивание в большом объеме. В результате скорость газообмена оказывается достаточно высокой в малогабаритном газообменнике респиратора даже при протекании газа по его контурам в ламинарном режиме. Внутренний контур газообменной системы респиратора должен без разбавления получать выдыхаемый воздух. Предпочтительно встречное движение воздушных потоков вдоль поверхности мембраны, отделяющей поток дыхания от атмосферного воздуха (см. рис. 6). Допустим вариант скрещивающихся потоков. Параллельное движение потоков в контурах газообменного респиратора менее эффективно.

Диффузионные респираторы могут работать также и в ламинарных потоках. В ламинарном режиме обтекания воздухом трековых мембран число Нуссельта Nu = 4(Prr/Prc)0,25. В данном случае Prc и Prr – числа Прандтля у стенки мембраны и в центре потока газа. Числа Прандтля в изотермическом режиме близки к единице, следовательно, Nu ~4. При турбулентном режиме течения и геометрии каналов, характерных для диффузионных газообменных респираторов, число Нуссельта, рассчитанное по обычной формуле (3), будет равно »20. Принимая в формуле (1) значение Q = 4 см3/с и вычисляя площадь мембраны S, обеспечивающую снабжение одного человека воздухом с допустимой в нем концентрацией диоксида углерода и достаточной концентрацией кислорода, получим S = 0,88 м2.

Таким образом, даже при ламинарном потоке воздуха требуется весьма малая площадь мембран, если использовать в процессе газообмена в респираторе большую разность концентраций диоксида углерода в выдыхаемом и атмосферном воздухе. Величина S будет еще меньше, если во внешнем контуре воздух будет протекать в турбулентном режиме (при использовании микрогазодувки), а во внутреннем контуре ламинарный поток обеспечивает дыхательная система человека с незначительной затратой энергии.

Вариант, когда в обоих контурах установлены микрогазодувки, гарантирует свободное дыхание в особо тяжелых условиях работы.

Современные малогабаритные аккумуляторные батареи обеспечивают многосменную работу диффузионных газообменных респираторов с тангенциальными потоками вдоль поверхностей трековых мембран даже в случае турбулентных режимов во всех контурах респиратора.

Газообменные диффузионные респираторы решают проблему создания эффективной индивидуальной защиты органов дыхания, в том числе и при особо тяжелых условиях работы. При этом возможны три основных варианта газообменных устройств диффузионного респиратора:

  • без газодувок, когда потоки, обтекающие мембраны, носят конвекционный (внешний поток) и ламинарный (поток дыхания) характер;
  • с газодувкой в контуре атмосферного воздуха;
  • с газодувкой в обоих контурах.

[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