ГАЗООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО ДИФФУЗИОННОГО РЕСПИРАТОРА

Полезная модель относится к средствам индивидуальной защиты органов дыхания человека от радиоактивных аэрозолей, аэрозолей биологического происхождения, различной пыли, микроэлементов, а также различных ядовитых газов.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) данной полезной модели является газо-обменное устройство респиратора, описанное в патенте Р.Ф. №2168338, содержащее каналы и клапаны вдоха и выдоха, дыхательный мешок, газо-обменный модуль из трековых мембран, образующих чередующиеся между собой проточные каналы одинаковой высоты и ширины для атмосферного и внутреннего воздуха с одинаковым перепадом давления по длине, а также устройства создания избыточного давления в каналах атмосферного и внутреннего воздуха, при этом размеры пор трековых мембран меньше опасных пылинок и микроорганизмов.
Существенными признаками совпадающими с предлагаемым техническим решением являются те, что газо-обменное устройство содержит каналы и клапаны вдоха и выдоха, дыхательный мешок, газо-обменный модуль из трековых мембран, образующих чередующиеся между собой проточные каналы атмосферного и внутреннего воздуха одинаковой ширины с одинаковым перепадом давления по длине, а также устройство создания избыточного давления в канале атмосферного воздуха, при этом размеры пор трековых мембран меньше опасных пылинок и микроорганизмов.
Диффузионному газо-обменному устройству - прототипу свойственна относительно малая производительность, так как газообмен происходит в области с малой разностью концентраций регенерируемого воздуха во
внутреннем и внешнем контуре газо-обменного устройства, одинаковая геометрия каналов внешнего и внутреннего контуров приводит к быстрому выравниванию концентраций вдоль каналов и возникает необходимость многократной циркуляции воздушных потоков во внешнем и внутреннем контурах и, как следствие, необходимость установки в каждом из них отдельной газодувки.
Предлагаемой полезной моделью решается техническая задача регенерации выдыхаемого воздуха за один его проход через газо-обменный модуль, а также упрощение конструкции газо-обменного устройства и уменьшения его габаритов и веса.
2
1
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
e1
e1
1
1
1
е1
Для решения данной технической задачи в газо-обменном устройстве, содержащем каналы и клапаны вдоха и выдоха, дыхательный мешок, газо-обменный модуль из трековых мембран, образующих чередующиеся между собой проточные каналы атмосферного и внутреннего воздуха одинаковой ширины с одинаковым перепадом давления по длине, а также устройство создания избыточного давления в канале атмосферного воздуха, при этом размеры пор трековых мембран меньше опасных пылинок и микроорганизмов, высота каналов атмосферного воздуха превышает высоту каналов внутреннего воздуха, при этом высоты каналов внутреннего и атмосферного воздуха и мощность устройства для создания избыточного давления выбраны исходя из условий, что соотношение объемных расходов каналов атмосферного воздуха и каналов внутреннего воздуха - W/Wболее 10, где W=Vh, где V - скорость воздуха в канале атмосферного воздуха, h - высота канала атмосферного воздуха, W=Vh, где V -скорость воздуха в канале внутреннего воздуха, h - высота канала внутреннего воздуха, сохранения ламинарного режима потока в канале внутреннего воздуха - число Рейнольдса Re=Vd/ν менее 2000, где d=4F/Пе- эквивалентный диаметр канала внутреннего воздуха, где F -площадь сечения канала, П - периметр сечения канала внутреннего воздуха, a ν - кинематическая вязкость воздуха, а также сохранения турбулентного
2
e2
e2
2
е2
2
е2
режима потока в канале атмосферного воздуха - число Рейнольдса Re=Vd/ν более 2000, где d=4F/П - эквивалентный диаметр канала атмосферного воздуха, где F - площадь сечения канала, П - периметр сечения канала.
2
1
2
2
2
2
2
1
1
1
1
1
1
e1
e1
1
e1
1
е1
2
e2
e2
2
е2
2
2
Отличительными признаками предлагаемого газообменного устройства от указанного выше известного являются следующие - высота каналов атмосферного воздуха превышает высоту каналов внутреннего воздуха, при этом высоты каналов внутреннего и атмосферного воздуха и мощность устройства для создания избыточного давления выбраны исходя из условий, что соотношение объемных расходов каналов атмосферного воздуха и каналов внутреннего воздуха - W/W более 10, где W=Vh, где V - скорость воздуха в канале атмосферного воздуха, h - высота канала атмосферного воздуха, W=Vh, где V - скорость воздуха в канале внутреннего воздуха, h - высота канала внутреннего воздуха, сохранения ламинарного режима потока в канале внутреннего воздуха - число Рейнольдса Re=Vd/ν менее 2000, где d=4F/П - эквивалентный диаметр канала внутреннего воздуха, где F - площадь сечения канала, П -периметр сечения канала внутреннего воздуха, a ν - кинематическая вязкость воздуха, а также сохранения турбулентного режима потока в канале атмосферного воздуха - число Рейнольдса Re=Vd/ν более 2000, где d=4F/П - эквивалентный диаметр канала атмосферного воздуха, где F - площадь сечения канала, Пе - периметр сечения канала.
Благодаря наличию указанных отличительных признаков предлагаемого технического решения в совокупности с известными достигается следующий технический результат: значительно повышается абсолютная величина разности концентраций диоксида углерода и кислорода между потоками регенерируемого и внешнего воздуха и повышается выброс диоксида углерода в атмосферу. Вполне достаточным оказывается всего один проход выдыхаемого воздуха сквозь каналы газо-обменного аппарата, чтобы регенерировать его до степени пригодной для дыхания при работе различной
1
2
тяжести в зависимости от отношения объемных расходов во внешнем W и внутреннем контурах W. Это обстоятельство позволяет использовать только одну газодувку во внешнем контуре.
В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемое газо-обменное устройство, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности "новое".
Предложенное изобретение может найти применение в любой области, где требуется защита органов дыхания человека от различных аэрозолей, пыли и ядовитых газов, например горнорудная и добывающая промышленность, атомная индустрия, различные техногенные катастрофы и природные катаклизмы, могут служить средствами индивидуальной защиты практически по всем направлениям применения и т.д., а, следовательно, данное решение соответствует критерию «промышленно применимо».
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами фиг.1-3.
На фиг.1 представлена схема предлагаемого газо-обменного аппарата для респиратора с одной газодувкой на стадии выдоха.
На фиг.2 представлена схема предлагаемого газо-обменного аппарата для респиратора с одной газодувкой на стадии вдоха.
На фиг.3 представлена схема расположения каналов газо-обменного устройства.
2
Представленный на фиг.1-3 газо-обменный аппарат содержит газодувку 1, внешний контур прокачиваемого атмосферного воздуха 2, высотою h, газо-обменное устройство 3, клапан выдоха 4, 5 - область регенерации выдыхаемого воздуха, клапан вдоха 6, дыхательный мешок 7.
Конструктивно система состоит из двух контуров: внешнего 2 и внутреннего 5, разделенных трековыми мембранами толщиной 10-20 мкм с цилиндрическими порами диаметром ~0,20 мкм и пористостью 10-10%.
Внешний контур 2 включает в себя воздуходувку 1 и часть газо-обменного устройства 3, связан с внешнем пространством с помощью воздуходувки 1 и выходного сечения контура.
2
1
Внутренний контур состоит из клапанов вдоха 4 и выдоха 6, части газо-обменного устройства 5, ограниченной стенкой и трековой мембраной 3, дыхательного мешка 7. На фиг.1, 2 набор трековых мембран газо-обменного устройства представлен только одной трековой мембраной. В реальной конструкции необходимая для жизнеобеспечения площадь мембран S представляет собой набор чередующихся каналов h, соединенных распределителем воздуха газодувкой 1 и каналов h, питающихся выдыхаемым воздухом пользователя респиратора.(См. фиг.3)
Устройство работает следующим образом.
Первая стадия-выдох. (См. фиг.-1). Клапан 4 открывается, выдыхаемый воздух проходит внутренний контур, попадая в газообменное устройство 5, при выходе из него обогащенный кислородом и освобожденный от диоксида углерода в необходимой степени для жизнеобеспечения воздух попадает в дыхательный мешок 7.
Вторая стадия вдох. Закрывается клапан выдоха 4 (См. фиг.-2) открывается клапан вдоха 6 и воздух из дыхательного мешка 7 поступает в дыхательные органы человека.
Одновременно с этим непрерывно работает газодувка 1 и во внешнем контуре 2 циркулирует воздух, поступающий из атмосферы.
Обеспечение нормальных условий жизнедеятельности человека происходит за счет разности концентраций диоксида углерода по разные стороны мембран газо-обменного устройства. Скорость массопереноса через участок трековой мембраны кислорода и диоксида углерода пропорциональна разности концентраций этих компонент воздуха на данном участке, проводимости воздушных при стеночных слоев мембраны, зависящих от аэродинамических характеристик тангенциальных потоков вдоль мембраны, и собственно диффузионной проводимости самой
мембраны. Полные вынос углекислого газа через атмосферный контур и обогащение кислородом выдыхаемого воздуха пропорционально произведению площади трековых мембран S всех щелевых каналов на среднюю разность концентраций по длине каналов.
выд
вд
вд
Если принять концентрацию диоксида углерода в выдыхаемом воздухе С=5%, то на выходе внутренних каналов в дыхательный мешок она должна лежать в интервале 0,5%-0,1%. При концентрации вдыхаемого воздуха С=0,5% человек находится в комфортных условиях в спокойном состоянии. При концентрации диоксида углерода С=1% человек в комфортных условиях может выполнять работу любой тяжести.
2
1
2
1
2
1
1
2
выд
2
1
вд
2
1
вд
В выдыхаемом в дыхательный мешок воздухе после прохождения внутренних каналов, когда отношение объемного расхода воздуха во внешнем канале W к объемному расходу во внутреннем канале W, -W/W≫1, а именно это условие соблюдается в интервале 0,5%-0,1%, концентрация диоксида углерода на выходе из внутреннего контура в дыхательный мешок в хорошем приближении уменьшается в W/W раз. При одинаковой ширине каналов, что всегда имеет место в газообменных устройствах,. Здесь v и v скорости воздушных потоков во внутренних и внешних каналах. Если С=5% и W/W=10, то С=0,5%. Если W/W=50, то С=0,1%
Следовательно локализация выдыхаемого воздуха в области регенерации 4 и использование системы чередующихся разновысоких каналов позволяют создать малогабаритный газообменный аппарат на трековых мембранах для применения в диффузионных респираторах, защищающих от аэрозолей, включая частицы наноразмеров. Мощность затрачиваемая на прокачку в атмосферном контуре порядка нескольких десятых Вт.
Приведем пример практического подбора параметров, например, скорости воздуха в канале атмосферного воздуха.
1
2
1
Зададим ряд параметров каналов: ширина b=1 см, длина L=30 см, высота h=0,15 см и h=0,6 см (как показали эксперименты высота канала атмосферного воздуха должна быть в 3-4 раза больше высоты канала внутреннего воздуха, дальнейшее увеличение h технически нецелесообразно из-за существенного увеличения габаритов газообменного устройства).
1
e1
e1
1
1
2
1
e1
Зададим vскорость потока в канале 1 равной 1,2 м/с. Эквивалентный диаметр канала 1, d=4F/II=0,26 см. Здесь F - площадь сечения канала перпендикулярного направлению потока hb, а Пе - периметр этого сечения равный 2(h+b). Если принять кинематическую вязкость воздуха при нормальных условиях v=0,15 см/с, то в этом случае число Рейнольдса Re=vd/ν=208. Столь малое число Рейнольдса означает, что в канале 1 протекает ламинарный поток и перепад давления на его длине L можно вычислять по формуле:
3
где ξ=64/Re - коэффициент учитывающий характер потока (в данном случае ламинарный), ρ - плотность воздуха при нормальных условиях равная 1,2 кг/м.
1
В результате Δp=28,6 Па.
1
2
Чтобы исключить прямую фильтрацию на трековых мембранах, перепад давления на мембране каналов должен быть равен нулю, т.е. Δp-Δp=0 или
1
2
Δр=Δp=Δр
2
0,25
e2
2
2
Для выполнения данного условия определим скорость v, при которой, в канале 2 перепад равен Δр. Значение d=0,75 см указывает на большое число Рейнольдса в этом канале, соответствующее турбулентному протеканию в нем воздушного потока. В случае турбулентного потока коэффициент ξ определяют по формуле ξ=0,316/Re. В результате для высокого канала h,
1
2
2
Полученное ранее для канала h значения перепада Δр=Δр=28,6 Па подставим в (2) и найдем v=5,36 м/с.
2
2
2
e2
1
2
2
Проверим характер протекания воздуха в канале h. С этой целью вычислим число Рейнольдса Re=vd/∨=2680. Здесь ∨ - кинематическая вязкость воздуха при нормальных условиях. Таким образом подтверждается сделанное выше предположение о турбулентном течении воздуха во втором канале. Следовательно при скорости потока 1,2 м/с в первом канале h=l,5 мм и скорости V=5,36 м/с во втором канале h=6 мм перепад давления на самой мембране равен нулю.