[На предыдущий раздел]

Газообмен между объемами, разделенными трековой мембраной

Как уже упоминалось, ГДА поддерживает в переделах допустимых норм характеристики газового состава воздуха в рабочих объемах благодаря диффузии компонентов воздуха через пристеночные слои и поры трековой мембраны, отделяющей пространство, напрямую связанное с атмосферой, от замкнутого рабочего объема с персоналом и технологическим оборудованием. В рабочем объеме, как правило, потребляется кислород и выделяется диоксид углерода. Концентрация кислорода в рабочем объеме ниже, а концентрация диоксида углерода выше, чем во внешнем пространстве. Диффузия пропорциональна разности концентраций этих компонентов, и, в результате, в рабочем объеме поддерживаются допустимые концентрации диоксида углерода и кислорода. Удаляются также и другие вредные газы, которые могут возникнуть в технологических процессах. Газовый состав в рабочем объеме ЧП, оборудованного газовым диффузионным аппаратом, поддерживается (с требуемыми характеристиками) массопереносом через трековую мембрану, отделяющую внешнее пространство от замкнутого рабочего объема. Если в рабочем объеме работает персонал или находятся пациенты, то в нем повышается концентрация кислорода. Разность концентраций (парциальных давлений) диоксида углерода в рабочем объеме С₁ и внешнем пространстве С₂ обуславливает его диффузионный поток Q через трековую мембрану:

Q = K_MSП(С₁–С₂),

(1)

где К_М – коэффициент массопереноса диоксида углерода, S – площадь мембраны, П – ее пористость, равная площади отверстий пор, приходящихся на единицу площади мембраны. Причем (С₁–С₂) > 0 и углекислый газ вытекает из рабочего объема. Если C_1к и С_2к – концентрации кислорода в рабочем объеме и внешнем пространстве, то (С_1к–С_2к) < 0; в этом случае диффузионный поток кислорода втекает в рабочий объем. Диффузионный газообмен носит, таким образом, селективный характер – в нем участвуют только газы, генерируемые или поглощаемые в данном рабочем процессе.

Диаметры пор (D) наиболее распространенных лавсановых (полиэтилентерефталатных) трековых мембран лежат в интервале от 0,015 до 12 мкм, а толщина (l) или длина пор ТМ – от 5 до 40 мкм.

Как показали последние исследования, наиболее целесообразно в газообменных аппаратах использовать мембраны с размерами пор от 0,15 до 0,30 мкм. В этом случае, с одной стороны, мембраны задерживают от проникновения в рабочий объем практически все бактерии и основную часть аэрозолей, а с другой – в них сохраняется вязкостный режим течения в нормальных условиях (давление 760 мм рт. ст., Т = 20°С), так как длина свободного пробега (l ) молекул компонент воздуха l <<D и сопротивление мембраны диффузионному потоку сохраняется незначительным. Критерий Нуссельта – главный фактор, определяющий диффузионное сопротивление газовым компонентам пристеночных слоев у поверхностей мембраны массопереносу через ее поры, равен [6]:

Nu = 0,021Re^0,8Pr_r^0,43(Pr_r/Pr_c)^0,25

(2)

при условии Re = vD_e/g > 10⁴, где v – скорость воздуха, g – его кинематическая вязкость, D_e – эффективный размер щелевого канала (или эквивалентный диаметр воздуховода), Pr_r и Pr_c – критерии Прандтля в турбулентном потоке и у стенок соответственно. Для воздуха и двухатомных газов: Pr_r~0,71, (Pr_r/Pr_c) @ 1; и, следовательно, критерий Нуссельта, рассчитанный из формулы (2):

Nu = 0,0180Re^0,8.

(3)

Теперь мы можем рассчитать сопротивление мембраны и пристеночных слоев диффузионному массопереносу. Оно складывается из сопротивлений двух пристеночных слоев и собственно сопротивления мембраны (см. рис. 1). Сопротивление мембраны равно:

l/D₀П,

где D₀ – коэффициент взаимной диффузии данной компоненты воздуха. Сопротивление пристеночного слоя:

D_e/NuD₀.

Тогда коэффициент массопереноса (как величина, обратная суммарному сопротивлению мембраны и пристеночных слоев диффузионному массопереносу) через трековую мембрану:

К_М = D₀(2D_е/Nu + П)^–1.

Рассмотрим частный случай высокопроизводительного газообменного аппарата со щелевыми каналами сечением aґb; если b >> a, a = 5 мм, то D_e = 2а = 1 см. Пристеночные слои снижают свое сопротивление, когда поток газа протекает в развитом турбулентном режиме, т.е. когда Re > 10000. Если v = 20 м/с, то Re = 1,33·10⁴, Nu = 35,9 [7]; коэффициент взаимной диффузии воздух–углекислый газ равен 0,207 см²/с [8, 9]. Тогда К_М = 3,15 см³/см²·с. Если допустимая концентрация СО₂ в рабочем объеме ЧП 0,1%, то разность концентраций в рабочем объеме (С₁) и атмосферы (С₂): С₁ – С₂ = 0,07%. В этом случае поток через мембрану составит 2,2·10^–3 см³/см²·с. Человек при работе средней тяжести выделяет 5 см³/с углекислого газа. Таким образом, для обеспечения одного работающего требуется 2,27·10³ см² мембран. Можно принять, что 1 м² мембраны газообменного аппарата, в котором газ протекает в развитом турбулентном режиме, обеспечивает жизнедеятельность четырех человек.

[На следующий раздел] [На Содержание]