CC BY
57
благоприятная среда жизнедеятельности человека
К вопросу об использовании мембранных технологий для создания дыхательных атмосфер
Е.В. Левин, А.Ю. Окунев
Одними из основных требований Федерального Закона №384-Ф3 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений» [1] является требование обеспечения безопасных для здоровья человека условий проживания и пребывания, а также исключать в процессе эксплуатации нерациональный расход энергетических ресурсов.
Указанное требование в части создания микроклимата и поддержания качества воздуха непосредственно связано с оборудованием зданий и сооружений системой необходимой вентиляции и кондиционирования воздуха. Система вентиляции должна обеспечивать воздухообмен с внешней атмосферой, достаточный для своевременного удаления вредных веществ из воздуха и поддержания химического состава воздуха в пропорциях, благоприятных для жизнедеятельности человека. Системы отопления, вентиляционные системы и системы кондиционирования также должны обеспечивать требуемую температуру воздуха внутри здания, скорость движения и относительную влажность воздуха [2-5].
Первым и самым главным недостатком вентиляции является высокая требуемая кратность воздухообмена, результатом чего является очень большая скрытая энергоемкость, необходимая для поддержания тепловых режимов в помещении (как нагрев поступающего в помещение воздуха в зимнее время, так и охлаждение в летнее). Энергоемкость строительных зданий и сооружений сама по себе по порядку величины сравнима с общим энергопроизводством, особенно на территории РФ, где на выработку тепловой энергии для эксплуатации зданий и сооружений расходуется около 30%-40% всех потребляемых топливно-энергетических ресурсов [6]. Основное энергопотребление зданий идет на нагрев или охлаждение помещений для обеспечения теплового режима, работу электроприборов и установок, обеспечение теплой водой и др. Одновременно существуют энергопотери на унос тепла за счет излучения, теплоотдачу во внешнюю атмосферу и унос тепла через системы вентиляции. По некоторым оценкам [6] среднегодовые потери на подогрев внешнего атмосферного воздуха, поступающего через системы вентиляции, составляют около 50% всего тепла, идущего на отопление зданий. Энергопотери могут быть сокращены за счет снижения и оптимизации воздухообмена в зданиях,
имеющих разветвленную структуру взаимосвязанных помещений. Для повышения энергоэффективности вентиляции в настоящее время уже существуют современные разработки, основанные на локализованном (для отдельных, подвергающихся высокому загрязнению, зон) использовании механической принудительной вентиляции и рекуперации тепла [6], но это не позволяет максимально полно решить проблему, в целом.
Второй недостаток вентиляции состоит в том, что за счет использования больших потоков внешнего атмосферного воздуха в помещения быстро поступают содержащиеся в нем токсичные компоненты. Нормирование содержания вредных компонентов строго регламентируется соответствующими правилами [7]. В городских условиях и в зонах нахождения промышленных предприятий их содержание часто находятся на уровне, и даже превышает предельно допустимые концентрации. При высоких нормативах на кратность воздухообмена, например, при кратности 3-4 час-1 в помещении менее чем за час устанавливается концентрационное равновесие с внешней атмосферой по содержанию вредных газовых и аэрозольных примесей. Снижение кратности воздухообмена могло бы частично решить эту проблему в зонах, где выбросы вредных веществ имеют периодический и не постоянный во времени характер.
Вентиляция сама по себе также не достаточно эффективно решает задачи поддержания требуемой относительной влажности во внутренних помещениях [2,3]. В зимнее время воздухообмен с внешней атмосферой приводит к чрезмерной осушке воздуха в помещении, а в летнее время — к увлажнению. Для нормализации влажности требуются дополнительные энергетические затраты, связанные с энергоемкими фазовыми переходами при испарении и конденсации паров воды.
Таким образом, современные традиционно используемые системы вентилирования и кондиционирование пока являются единственным доступным и широко используемым методом обеспечения микроклимата в помещениях, но оказываются недопустимо энергоемкими и не позволяют самостоятельно решать весь круг поставленных задач. По мнению многих специалистов одним из способов повышения энергетической эффективности венти-
благоприятная среда жизнедеятельности человека
ляции и наиболее полного решения проблем создания микроклимата и поддержания качества воздуха является максимально возможное разделение зон действия естественной и механической принудительной вентиляции. При этом, основной задачей естественной вентиляции может быть обеспечение воздухообмена, необходимого для поддержания благоприятной дыхательной атмосферы в зонах нахождения человека (например, в жилых комнатах квартир). Под благоприятной дыхательной атмосферой здесь и далее подразумевается атмосфера, содержащая медицинские нормы по концентрациям кислорода, углекислого газа и величине относительной влажности. Существующие нормативы определяют величину такого воздухообмена на уровне 30-40 м3/час/чел. [6].
В настоящее время в ряде лечебных и оздоровительных заведений применяют другой альтернативный способ создания микроклимата, основанный на формировании искусственных атмосфер требуемого газового состава. В основу положено использование источников кислорода в виде баллонного газа, источников влажности в виде специальных увлажнителей или осушителей, а задача нормализации состава воздуха по углекислому газу решается с использованием специальных химических поглотителей. При этом вентилирование внешним атмосферным воздухом может быть минимизировано или вообще отсутствовать (например, в герметичных объектах различного специального назначения). Но широкомасштабное использование этих принципов в гражданском строительстве практически невозможно в силу высоких капитальных и эксплуатационных затрат.
Рассмотрим другие технические возможности для формирования искусственных дыхательных атмосфер. В работе [8] ранее были показаны некоторые идеи перспективных направлений использования мембранных газоразделительных методов [9] в строительных технологиях, в частности для обеспечения таких мероприятий, как обогащение воздуха кислородом, удаление углекислого газа, регулировка влажности, создание инертных атмосфер для пожаротушения и др.
Настоящая работа посвящена описанию альтернативной системы создания дыхательных атмосфер, которая по своим техническим характеристикам способна создавать и поддерживать химический состав воздуха и влажностный режим в помещениях зданий и сооружений, предназначенных для длительного пребывания человека. Система может функционировать как самостоятельно (в частично изолированных помещениях), так и на фоне существующих вентиляционных систем (например, со-
вместно с системами естественной вентиляции), сократив величину кратности их воздухообмена с внешней атмосферой.
В основу предлагаемой альтернативной системы поддержания дыхательных атмосфер также положен принцип мембранного разделения атмосферного воздуха.
Мембранные газоразделительные технологии в настоящее время можно рассматривать как один из наиболее экономически обоснованных и технологически надежных методов подготовки различных газовых смесей, в особенности, если в качестве исходного сырья используется атмосферный воздух. Энергозатраты на реализацию мембранных газоразделительных методов связаны в основном только с необходимостью сжатия атмосферного воздуха до давления 5-15 бар. Основное газоразделительное оборудование не содержит движущихся частей и срок его эксплуатации практически неограничен с точностью до соблюдения основных технологических требований (требуется предварительная незначительная осушка и очистка воздуха от механических примесей).
Для простоты рассмотрим помещение, в котором находится один человек. Объем помещения пока не важен. Его величина может понадобиться при рассмотрении переходных во времени процессов. Человек, как биологический объект при дыхании в среднем при вдохе потребляет около 500 литров воздуха в час и выдыхает примерно те же 500 литров. При этом потребление чистого кислорода составляет около 25 нормальных литров в час, а выделение чистой двуокиси углерода составляет около 20 нормальных литров. Кроме того, в выдыхаемом воздухе происходит выделение паров воды в количестве около 24 г/час.
При использовании вентиляции в зависимости от ее интенсивности (О, м3/час) в помещении, по истечению переходных периодов, должно установиться следующее концентрационное равновесие по кислороду, углекислому газу и относительной влажности (см. Рис.1).
В расчетах приведены данные как для «стандартного» атмосферного воздуха (концентрация О2 — 21%, СО2 — 0,03-0,05% и относительная влажность 50-60%), так и для газовых атмосфер другого модифицированного состава.
Существующие требования по содержанию кислород и влажности в комфортной дыхательной атмосфере определяют их значения в интервалах 20-22% и 35-65%, соответственно [2]. Для углекислого газа четко установленного норматива нет. В разных источниках приводятся различные допустимые концентрации. Например, в [6] приведены
благоприятная среда жизнедеятельности человека
а)
б)
Вентиляция, м3/час
X 1- 80 70-
0 3? 60-
50-
н и 0 40-
I X о го
го с; ?0-
СО 10.
в)
60%
50%
40%
30%
20%
Н/= 10
10 20 30 40 50
Вентиляция, м3/час
60 70
а) кислород; б) углекислый газ; в) пары воды
Рисунок 1. Концентрационное равновесие в помещении с одним человеком в зависимости от интенсивности вентиляции и состава воздуха
предельно допустимые объемные концентрации от 0,03 до 0,05% (что практически соответствует содержанию С02 в атмосферном воздухе). В отдельных случаях считается, что концентрация С02 не должна превышать 0,5% [10,11]. Хотя, в середине XX столетия в качестве норматива рассматривалась максимальная цифра в 1,0% [12]. В работе [13] приведены значения концентраций 0,03-0,07% для детских и больничных учреждений и 0,07-0,1% для других помещений с продолжительным пребыванием людей.
0тсутствие четких нормативов на содержание углекислого газа связано с тем, что он играет двойственную роль в обеспечении жизнедеятельности. Пониженное или повышенное содержание углекислоты приводит к нарушению кислотно-щелочного
514 3 2010
равновесия в организме человека. При этом сами биохимические процессы не являются до конца изученными.
Примечательно то, что данные, приведенные на рис.1 (б), показывают что существующая норма вентилирования в жилых помещениях 30-40 м3/час/ чел в точности соответствуют верхней границе по содержанию двуокиси углерода 0,1% при вентилировании помещения атмосферным воздухом со «стандартным» содержанием С02 0,035-0,05%. Из рис.1 следует, что при вентилировании помещения «стандартной» атмосферой для нормализации концентрации кислорода и относительной влажности требуется вентиляция всего около 5 м3/час/чел. Более того, в зимнее время для поддержания влажности в помещении на уровне не ниже 35% поток вентиляции просто не должен превышать эти 5 м3/час/чел. Таким образом, наиболее жесткие условия на величину вентиляции накладывает необходимость поддержания «комфортных» условий по содержанию в помещении концентрации С02.
Приведенные на рис. 1 данные для различных составов вентиляционного воздуха показывают, что с помощью модификации газовой атмосферы, в принципе, можно решить задачу по сокращению кратности воздухообмена. При этом, если придерживаться максимальной величины концентрации С02 в помещении на уровне 0,1%, то за счет снижения его содержания во входном воздушном потоке величина вентиляционного потока может быть уменьшена до 20 м3/час/чел, а при 0,5% — до 3-4 м3/ час/чел. Данные цифры являются предельными величинами и соответствуют нулевой концентрации С02 в вентиляционном потоке.
Рассмотрим теперь возможность технической реализации системы для подготовки искусственных дыхательных атмосфер. Как уже указывалось, в основе системы будет лежать метод мембранного газоразделения атмосферного воздуха.
Прежде чем описывать предлагаемый метод, необходимо привести несколько слов о мембранном газоразделении, что поможет в дальнейшем понимании некоторых технических деталей. Принцип газоразделения на мембранах основан на том эффекте, что ряд полимерных материалов имеет разные величины проницаемости для различных газов. Если использовать газовую смесь, то при определенных условиях по разные стороны мембраны концентрации газовых компонентов будут отличаться одна от другой. Движущей силой процесса массопереноса через мембрану является различие парциальных давлений компонентов смеси по обе стороны мембраны. Сам процесс массопереноса имеет довольно сложный характер и может быть
благоприятная среда жизнедеятельности человека
мембрана
Рисунок 2. Принципиальная схема мембранного модуля
описан несколькими стадиями, включающими растворение газа на поверхности мембраны, диффузию молекул газа и выделение (десорбцию) молекул на другой стороне мембраны [14]. Необходимыми условиями реализации непрерывного процесса газоразделения является создание разности давлений по обе стороны мембраны (обеспечение движущей силы) и создание материальных потоков вдоль поверхности мембраны.
Сама мембрана, как правило, представляет собой композицию из тонкого слоя полимера (доли микрона), нанесенного на пористую подложку. Мембраны бывают плоскими и половолоконными, что определяет конструктивные особенности мембранных аппаратов (модулей).
Мембранный аппарат (Рис.2.) имеет один вход для подачи потока питания Р высокого давления и два выхода. Из области низкого давления отводится проникший через мембрану поток Р, а из области высокого давления отводится непроникший поток R. Области высокого и низкого давления разделены мембраной. Способ установки мембраны определяется ее типом. Например, если мембрана выполнена в виде полого волокна, то пучок из этих волокон помещается в герметичный корпус, а поток питания Р подается либо снаружи, либо внутрь волокон.
Основными характеристиками мембран являются следующие О. — проницаемости для различных газов и а.. = О /О. селективности мембраны по отно-
11 ^ 1 - гн
шению к выбранной паре компонентов. Проницаемости выражаются в величинах газового потока на единицу площади мембраны и единицу величины перепада давления.
Основными рабочими характеристиками мембранного модуля являются у = Р^/Р 1 перепад давлений на мембране (где Рь — абсолютное значение высокого, а Р1 — абсолютное значение низкого давлений в модуле), величина потока питания Р и коэффициент деления потока 0 = Р/Р. Для регулирования величины коэффициента деления потока необходимо изменять соотношение между потоком питания Р и величиной площади мембраны. Для решения широкого круга задач из нескольких мембранных модулей можно строить различные газоразделительные схемы, используя последователь-
ные, параллельные, смешанные и другие комбинации соединения модулей, а также различные варианты рециркуляционных коммутаций входящих и выходящих газовых потоков [9].
Большинство используемых на практике мембран по отношению к интересующим нас компонентам воздуха имеют следующее распределение проницаемостей, расположенное в порядке их убывания: пары воды, двуокись углерода, кислород и азот [8, 14]. Это означает, что если организовать газоразделительную схему из нескольких мембранных модулей, из атмосферного воздуха в принципе можно последовательно получить несколько газовых потоков, обогащенных или обедненных указанными компонентами. Создавая различные комбинации из этих потоков и их величин можно сформировать смесевой поток, который будет соответствовать и даже в некотором смысле превосходить состав дыхательной атмосферы, например, иметь концентрацию кислорода выше, а концентрацию двуокиси углерода ниже, чем в атмосферном воздухе. Используя этот смесевой поток в качестве самостоятельного или в виде добавки к потоку вентиляции, в принципе, возможно сокращение кратности воздухообмена в помещении. Кроме того, могут быть получены искусственные атмосферы в широком диапазоне концентраций газовых компонентов, которые могут быть использованы для решения других задач кроме вентилирования помещений.
В настоящее время принципы мембранного га-зоразделения уже начали находить применение в технологиях кондиционирования воздуха [15]. Кондиционирующее устройство снабжается мембранным газоразделительным блоком, в котором происходит обогащение наружного воздуха кислородом. Обогащенный кислородом поток подается в помещение. Концентрация кислорода в потоке, подаваемом в помещение, может составлять до 30%
об. и более. Поэтому величина воздухообмена, необходимая для восстановления и поддержания в помещении нормальной кислородной атмосферы, может быть значительно сокращена. Из Рис.1 (а) видно, что в этом случае вентиляционный поток может быть снижен до 1 м3/час/чел и ниже. Обогащение кислородом позволяет обеспечить нужные его концентрации в помещениях даже там, где существует дефицит кислорода в окружающей атмосфере (например, в горных районах).
Однако данное техническое решение имеет узкую направленность и в принципе не позволяет сократить кратность воздухообмена в помещении. Дело в том, что при обогащении подаваемого в помещение газового потока кислородом, в силу ранее от-
3 2010 515
благоприятная среда жизнедеятельности человека
меченных селективных свойств мембран, параллельно происходит его обогащение углекислым газом, что еще более затрудняет компенсацию накоплений углекислого газа в рабочих пространствах с помощью вентиляции (см. Рис.1 (б)). Устройство также не способно самостоятельно решить задачу нормализации влажностного режима.
Цель настоящей работы — предложить и проанализировать газоразделительную систему, как альтернативный [15] способ создания дыхательных атмосфер, но свободный от его недостатков. Рассмотрим мембранную газоразделительную систему, приведенную на Рис.3.
Основная идея реализации такой схемы является использование селективных газоразделительных свойств мембран в единой технологической схеме из нескольких газоразделительных модулей. Источником формирования дыхательной атмосферы является поток атмосферного воздуха Р, который подвергается сжатию на компрессоре 1, конденсации паров воды в осушителе 2 и дальнейшему газораз-делению. В качестве базовых элементов для газо-разделения используются два последовательно соединенных мембранных модуля 3 и 4. Первый модуль 3 служит для извлечения из воздуха части двуокиси углерода и удаления его в потоке низкого давления Р1. Второй модуль 4 служит для обогащения воздуха кислородом, который отводится в потоке низкого давления Р2. Поскольку часть двуокиси углерода извлечена на первом модуле 3, то его концентрация в потоке Р2 может иметь значение, меньшее, чем в атмосферном воздухе. Выходящий из второго модуля поток высокого давления R имеет пониженное содержание кислорода и практически не содержит паров воды и двуокиси углерода. Часть воды, образованная в осушителе 2 подвергается испарению в испарителе 5 с формирова-
нием потока пара 6. Таким образом, для формирования дыхательной атмосферы в потоке 7 мы имеем обогащенный кислородом и обедненный двуокисью углерода поток Р2 и поток пара 6. Кроме того, для более тонкого регулирования газового состава в потоке 7 могут быть использованы части потоков Р1 и R, как это показано на Рис.3. Дело в том, что поток Р1, несмотря на то, что обогащен двуокисью углерода, содержит повышенное относительно атмосферного воздуха содержание кислорода, а поток R, хоть и обеднен кислородом, еще в большей степени обеднен двуокисью углерода. Т.е. определенные части всех производимых мембранными модулями газовых потоков в общем случае могут быть использованы в формировании потока дыхательной атмосферы 7. Естественно, в системе обязательно должны быть газовые потоки для сброса (см. Рис.3), иначе производимая дыхательная атмосфера по составу в точности будет соответствовать составу атмосферного воздуха.
Рассмотрим теперь пример, позволяющий оценить эффективность создания дыхательных атмосфер с использованием описанной выше базовой газоразделительной схемы.
Для повышения эффективности газоразделения первый мембранный модуль должен содержать мембрану, имеющую как можно большую селективность для пары газовых компонентов СО2/О2 и как можно меньшую селективность для пары компонентов О2/Ы2. В этом случае в потоке Р1 за счет оптимизации величины коэффициента деления потока 0(=Р1/Р можно достигнуть высокой степени извлечения СО2 и сравнительно малой степени извлечения О2. Другими словами, на второй мембранный модуль 4 (Рис.3) для последующего газо-разделения будет поступать смесь, содержащая СО2 в гораздо меньшей степени относительно О2, чем в
516 3 2010
Рисунок 3.
Принципиальная схема мембранной газоразделительной системы для создания дыхательных атмосфер
благоприятная среда жизнедеятельности человека
исходном атмосферном воздухе. Во втором модуле тип мембраны должен удовлетворять условию как можно меньшей селективности для пары газовых компонентов С02/02 и как можно большей селективности для пары компонентов 02/Ы2. Параметром оптимизации является величина коэффициента деления потока 02=Р2/Р. Следует обратить внимание, что использованный здесь коэффициент деления потока 02 введен для удобства оценки отношения величины потока отбора Р2 к потоку питания, поступающему в многомодульную газоразделительную схему, и не вполне соответствует ранее введенному классическому понятию коэффициента деления потока. В классическом смысле коэффициент деления потока для второго модуля равен отношению отбора Р2 к питанию второго модуля, равному Р (1-0,).
Подобным условиям может удовлетворить следующая пара мембран. Для первого модуля может быть использована мембрана на основе поли-диметилсилоксана (модификация pdms1), а для второго модуля — мембрана на основе полисульфона (модификация hfpsf). Величины селективностей мембран приведены в Табл.1 [16].
Рабочие параметры газоразделительной системы определялись численным решением полной системы уравнений, описывающей многокомпонентный массоперенос в мембранных газоразделительных аппаратах [9]. На Рис.4 и Рис.5 приведены основные результаты расчетов.
Приведенные результаты выполнены в обобщенном виде, независимо от величин потоков и площадей мембран. Единственными конкретными параметрами являются перепад давлений на мембране у = 10, приведенные в Табл.1 величины селективностей а. . и концентрации компонентов в атмосферном воздухе, соответствующем «стандартной» атмосфере. Концентрация С02 принята равной 0,05%.
С ростом коэффициента деления потока 01 степень извлечения С02 в первом мембранном модуле увеличивается. 0дновременно с этим увеличивается и степень извлечения 02, что отрицательно сказывается на возможности его дальнейшего эффективного обогащения во втором модуле. 0дним из благоприятных режимов в первом модуле явля-
№ Г аз і, і+і
рсігші
1 О О 4,9 3,5
2 о2 2,1 7,0
3 М2
0,25
0,23
0,21
0,19
0,17
0,15
0,13
0,11
0,09
0,07
0,05
о.
О О V
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
чо
о4
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
0,
Рисунок 4. Концентрации кислорода и углекислого газа в отборе Р1 первого мембранного модуля, как функции коэффициента деления потока вг
а)
Таблица 1. Параметры мембран для разделения воздуха
0,
Рисунок 5. Концентрации углекислого газа (а) и кислорода (б) в отборе Р2 второго мембранного модуля, как функции коэффициента деления потока в2
ется организация разделительного процесса, при котором выбором соотношения между потоком питания Р и площадью мембраны коэффициент деления потока задается на уровне 01=О,25-О,3. В этом случае степень извлечения С02 достигает величины более 80%, а степень извлечения кислорода в потоке Р1 еще не велика и находится на уровне 40% (подобные расчеты нетрудно выполнить исходя из данных, приведенных на Рис.4).
На Рис.5 приведены данные, показывающие каким образом организация процесса разделения в
3 2010 517
благоприятная среда жизнедеятельности человека
первом модуле (коэффициент деления потока 0() и выбор коэффициента деления потока 02 влияют на состав потока отбора основного продукта Р2 для формирования дыхательной атмосферы.
В качестве рабочей точки для создания дыхательной атмосферы представляет интерес область, соответствующая величине 02, находящейся на уровне 0,5-0,6. В этом случае концентрация углекислого газа может оказаться даже ниже 0,02% (т.е. заметно ниже, чем в атмосферном воздухе), а концентрация кислорода может превысить величину в атмосферном воздухе, чего вполне достаточно для эффективного восстановления дыхательной кислородной атмосферы (Рис.1 (а)).
Как уже указывалось для формирования потока дыхательной смеси используется поток Р2 (или, в общем случае, его часть), а также части потоков Р1 и R (см.Рис.3). Состав потока R таков, что в нем практически отсутствуют пары воды и С02. Содержание кислорода в зависимости от величин коэффициентов 01 и 02 может колебаться в пределах от нескольких процентов до долей процентов. 0став-шуюся часть представляют азот и содержащийся в воздухе аргон, который, будучи инертным газом, в малых концентрациях на уровне процентов практически не влияет на жизнедеятельность человека. Кроме того, для задания влажности дыхательной атмосферы используется поток водяного пара 6 (см. Рис.3), который получается из воды, сконденсированной в процессе осушки разделяемого воздуха. Расчеты показывают, что для температуры наружного атмосферного воздуха от -5 0С и выше этого водяного пара хватит для поддержания относительной влажности в помещении с одним человеком на уровне не ниже 35%.
0,25
^ 0,2
0
<-> 0,15
(К
1 0,1
н
I 0,05
0
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
концентрация 02, %
Рисунок 6. Рабочие диапазоны газоразделительной установки.
1 — использование двухмодульной схемы; 2 — рецикл из первого мембранного модуля; 3 — рецикл из второго мембранного модуля; 4 — использование дополнительного модуля с рециклом.
(а) — область поддержания дыхательной атмосферы. (б) — область гипоксикации. (в) — область оксигенации.
518 3 2010
Использование рассмотренной двухмодульной газоразделительной схемы формирования искусственных атмосфер позволяет обеспечить довольно широкий диапазон значений концентраций кислорода, углекислого газа и относительной влажности. На диаграмме Рис.6 область 1 соответствует рабочему диапазону такой двухмодульной схемы для параметров 01=0,3 и 01=0,6 (см. Рис.4 и Рис.5). Рабочая область определена для различных возможных комбинаций долей потоков Р1, Р2 и R, используемых для формирования потока искусственной атмосферы. Другими словами, для достижения любой комбинации концентраций, входящей в область 1, достаточно только задать соответствующие доли потоков Р1, Р2 и R не вмешиваясь в процесс работы самой газоразделительной установки.
Рабочая область 1 на Рис.6 может быть существенно расширена за счет использования дополнительных возможностей в организации газоразделительного процесса. Вернемся к дальнейшему рассмотрению схемы, приведенной на Рис.3. В рассмотренной ранее базовой двухмодульной газоразделительной схеме могут быть использованы дополнительные рецикловые принципы влияния на эффективность газоразделительного процесса [17]. Часть потока Р1, обогащенного углекислым газом, может быть возвращена в питающий поток Р. На Рис.3 эта часть потока обозначена как Р21. За счет этого в потоке Р1 увеличивается концентрация углекислого газа и к основной рабочей области 1 газоразделительной установки присоединяется область
2 (см. Рис.6) в которой могут быть достигнуты более высокие концентрации С02 и 02.
Часть потока Р2 также может быть возвращена в поток питания Р (поток Р21 на Рис.3). При этом к рабочей области добавляется участок 3, в котором могут быть достигнуты гораздо меньшие концентрации С02 при тех же значениях концентрации 02 (см. Рис.6).
Следующей модификацией газоразделительной схемы является использование дополнительного мембранного модуля 8, установленного на коммуникации высокого давления между основными модулями 3 и 4, как это показано на Рис.3. Весь поток низкого давления этого модуля Рг может быть возвращен в поток питания Р. В этом случае рабочая область газоразделительной установки расширяется в сторону более высоких концентраций 02 и более низких, почти предельных, концентраций С02 (см. участок 4 на Рис.6).
Техническое приложение рассмотренной газоразделительной схемы не обязательно ограничивается поддержанием дыхательных атмосфер для вентилирования помещений с длительным нахождени-
благоприятная среда жизнедеятельности человека
ем людей. Схема и установка на ее основе может быть использована для формирования т.н. локальных специальных дыхательных атмосфер. Например, на Рис.6 условно отмечены три области, две из которых относятся к локальным атмосферам. Область (б) это область дыхательных атмосфер для нормобарической гипоксикации, т.е. область с пониженным содержанием кислорода и с повышенным содержанием углекислого газа. Метод нормобарической гипоксикации (дыхания при атмосферном давлении) широко используется в медицинской практике, при подготовке спортсменов и др. для тренировки и усиления функций организма. При гипокси-кации (при недостатке кислорода) возникает более учащенное дыхание, что приводит к активному выносу из организма углекислоты, восполнить который можно повышением содержания углекислого газа во вдыхаемом воздухе.
Область (в) — это область оксигенации, характеризуемая повышенным содержанием кислорода. Оксигенация также широко используется в медицинской практике.
И, наконец, область (а) — область создания атмосфер, которые могут быть использованы для вентиляции помещений. Область характеризуется пониженным содержанием СО2 и повышенным содержанием О2.
В тех случаях, когда существуют существенные ограничения на величину кратности воздухообмена с атмосферным воздухом (например, в специальных изолированных помещениях) и снижены ограничения на максимальную величину СО2 в воздухе помещения, например, до 0,5%, приведенный выше способ создания дыхательных атмосфер может полностью заменить внешнюю вентиляцию. При этом газовый поток, подаваемый в помещение, может быть сокращен до уровня 5 м3/час/чел. Если ограничения на содержание СО2 существенно более жесткие, то к потоку искусственной дыхательной атмосферы необходимо подмешивать поток внешнего атмосферного воздуха. Это связано с тем, что, как было указано ранее, при поддержании дыхательной атмосферы по содержанию СО2 существуют предельные минимальные значения потоков вентиляции, независимо от содержания СО2 в вентиляционном потоке. Необходимость смешения может быть обусловлена экономическими соображениями (подача внешнего атмосферного воздуха требует меньше энергозатрат, чем работа на его покомпонентное разделение). В любом случае предварительно должна быть решена оптимизационная задача, которая должна учитывать энергетические затраты на поддержание дыхательных атмосфер.
Приведенные на Рис.6 диаграммы соответствуют выбранным ранее для примера параметрам: перепаду давлений у = 10 и селективностям мембран а,,, содержащимся в Табл.1. Эти величины при решении конкретных задач являются дополнительными к степеням деления потоков 01 и 02 параметрами оптимизации.
В заключение отметим еще раз универсальность рассматриваемого способа создания дыхательных атмосфер. Как показано ранее, способ, в принципе, позволяет решать задачи вентиляции помещений, и также задачи создания специальных дыхательных атмосфер в ограниченных помещениях, в дыхательных масках и др. Другим вариантом использования способа может быть создание системы для формирования дыхательных атмосфер в масштабе нескольких помещений (многоквартирного дома). В каждом помещении может находиться система датчиков, которая создает сигнал для подачи в помещение газовой атмосферы требуемого индивидуального состава в зависимости от конкретной обстановки.
В настоящее время по результатам представленных исследований подана заявка на изобретение на способ создания дыхательных атмосфер [18]. В лаборатории №51 НИИСФ РААСН ведутся работы по созданию лабораторной установки для отработки ряда технологических вопросов.
Литература
1. Федеральный закон №384-Ф3 от 30.12.2009 «Технический регламент о безопасности зданий и сооружений»
2. Строительные нормы и правила Российской Федерации, СНиП 41-01-2003 Отопление, вентиляция и кондиционирование, 2004 г.
3. Строительные нормы и правила Российской Федерации, СНиП 23-02-2003 Тепловая защита зданий, 2004 г.
4. ГОСТ 30494-96, Межгосударственный стандарт, 3дания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.
5. Стандарт «АВОК». СТО НП «АВОК» 2.1-2008 3дания жилые и общественные. Нормы воздухообмена.
6. И.Ф. Ливчак, А.Л. Наумов. Вентиляция многоэтажных жилых зданий // М.: АВОК-ПРЕСС, 2005. — 136 с.
7. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы. СанПиН 2.1.6.1032-012.1.6 Атмосферный воздух и воздух закрытых помещений, санитарная охрана воздуха
8. А.Ю. Окунев. Перспективы применения мем-
благоприятная среда жизнедеятельности человека
бранных технологий при эксплуатации зданий. Academia архитектура и строительство, 2QQ9, №S, 47б-479.
9. Hwang S.-T. and Kammermyer K. Membranes in Separations New York: John Wiley & Sons, 197S.
1Q. Hwang S.-T. and Kammermyer K. Membranes in Separations / / New York: John Wiley & Sons, 197S.
11. Кокорин О.Я., Ставицкий Л.И., Кронфельд Я.Г. Кондиционирование воздуха в многоэтажных зданиях. Москва. Стройиздат. 19В1.
11. Егиазаров A.r. Устройства и изготовление вентиляционных систем. Высшая школа. 19В7.
12. Л.К. Хацянов и др. К вопросу о вентиляции жилых зданий. Гигиена и санитария, 1949, №1, с.23-27.
13. r.B. Нимич, B.A. Михайлов, Е.С. Бондарь. Современные системы вентиляции и кондиционирования воздуха / / ИВИК, 2QQ3, б2б с.
14. М. Мулдер. Введение в мембранную технологию // Москва, М^, 1999. - S13 с.
15. Чой Янг Хоон и др. Установка для кондиционирования воздуха, имеющая обогащающее кислородом устройство. Патент PФ №22S9S1S, Заявка №2QQ3129QQ2/Q6 от 29.Q9.2QQ1
16. Тепляков. B.B. Молекулярная и фазовая структура полимеров и их газоразделительные свойства // Диссертация на соискание ученой степени доктора химических наук, 1992.
17. N.I. Laguntsov, E.B. Gruzdev, E.V. Kosykh, V.Y. Kozhevnickov. The use of recycle permeator systems for gas mixture separation // Journ. of Membr. Scie., 1992, vol. б7, №1, pp. 1S-2B.
1В. Окунев A.Ю., Левин E.B., Окунева E.A., Буклина A.B. Способ создания дыхательных атмосфер. Заявка на изобретение №2QQ9146341, дата подачи 1S.12.2QQ9.
К вопросу об использовании мембранных технологий для создания дыхательных атмосфер*
B статье рассматриваются вопросы создания дыхательных атмосфер, в частности, для поддержания качества воздуха в зданиях и сооружениях. B качестве базового метода традиционно используются вентиляция и кондиционирование воздуха, обладающие высокой энергоемкостью и ограниченными возможностями по поддержанию микроклимата. B качестве альтернативного и дополнительного источника вентиляции в статье предлагается мембранное газоразделение атмосферного воздуха. Предложена многоступенчатая мембранная газоразделительная схема, позволя-
*Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ №09-08-13804-офи_ц и государственного контракта №П2121 от 05.12.2009
ющая формировать дыхательные атмосферы для длительного пребывания человека. Анализ схемы показал принципиальную возможность сокращения воздухообмена помещений, а также возможность создания искусственных атмосфер с различным содержанием кислорода, углекислого газа и относительной влажности в широком спектре значений. В качестве применения разработанной схемы рассмотрено вентилирование помещений, использование в качестве источников воздуха с пониженным и повышенным содержанием кислорода и углекислого газа для процедур гипоксикации и оксигенации в медицинских и других учреждениях.
On the use of membrane technology to create respiratory atmospheres
by E.V. Levin, A.Yu. Okunev
This article discusses the problems of respiratory atmospheres creation , in particular, to maintain air quality in buildings. The ventilation and air conditioning are traditionally used as a basic method, though they have high power inputs and limited capacities to maintain microclimate. As an alternative and additional source of ventilation in the article is suggested the membrane separation of atmospheric air. It is proposed a multi-stage scheme for membrane separation of air, which allows to form breath atmosphere for long-term stay of man. Analysis of the scheme shows the principle possibility of reducing of premises air exchange, as well as the possibility of creating an artificial atmosphere with different contents of oxygen, carbon dioxide and relative humidity in a wide range of values. As an application of the developed scheme is considered the ventilation of premises, and its using as a source of air with low and high concentration of oxygen and carbon dioxide for hypoxication and oxygenation procedures at medical and other institutions.
Ключевые слова: качество воздуха, вентиляция, кондиционирование, мембранное газоразделение, мембранный модуль, кислород, двуокись углерода, влажность, гипоксикация, оксигенация.
Key words: air quality, ventilation, air conditioning, membrane gas separation, membrane module, oxygen, carbon dioxide, humidity, hypoxication, oxygenation.
