Способ создания дыхательных атмосфер


 


Владельцы патента RU 2431784:

Учреждение Научно-исследовательский институт строительной физики Российской академии архитектуры и строительных наук (НИИСФ РААСН) (RU)
Левин Евгений Владимирович (RU)
Окунев Александр Юрьевич (RU)

Способ предназначен для создания комфортных условий в различных рабочих пространствах. Способ включает формирование внешнего газового потока из наружного атмосферного воздуха, сжатие внешнего газового потока, его покомпонентное разделение в основном мембранном модуле за счет подачи и пропускания вдоль поверхности селективной мембраны в области высокого давления модуля, отвод из области высокого давления модуля и сброс в атмосферу не проникшего через мембрану газового потока, формирование питающего газового потока из газового потока, отводимого из области низкого давления основного мембранного модуля, и его подачу в рабочее пространство, при этом сжатый внешний газовый поток перед подачей в основной мембранный модуль подвергают предварительному покомпонентному разделению на дополнительном мембранном модуле, из области высокого давления которого отводят газовый поток и подают в область высокого давления основного мембранного модуля, сжатый внешний газовый поток перед подачей в дополнительный мембранный модуль подвергают осушке с образованием водяного конденсата, часть из которого испаряют, из области низкого давления дополнительного мембранного модуля отводят газовый поток и делят его на три части. Технический результат - создание дыхательных атмосфер с одновременно регулируемыми концентрациями кислорода, углекислого газа и влажностью. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к способам кондиционирования воздуха, созданию комфортных и специальных дыхательных атмосфер в различных рабочих пространствах, включая жилые, офисные и другие рабочие помещения, транспортные средства, тренажерные помещения, медицинские камеры и дыхательные устройства, больничные палаты и другие локализованные дыхательные зоны, к способам управления работой оборудования в системах вентиляции, управления искусственным микроклиматом и может быть использовано в медицинской, строительной, коммунально-бытовой и других отраслях промышленности, где существует необходимость создания комфортных или специально подготовленных дыхательных атмосфер.

Дыхательные атмосферы, обеспечивающие медицинские нормы и комфортные условия для жизнедеятельности человека в помещениях, всегда должны соответствовать базовым требованиям по содержанию кислорода от 20 до 22 об.%, содержанию углекислого газа на уровне до 0,5 об.%. На практике широко используются дыхательные атмосферы с модифицированным газовым составом. Сюда относятся медицинские палаты, дыхательные и ингаляционные маски для проведения физиопроцедур, профилактики заболеваний и снятия усталости, в которых используются дыхательные атмосферы с повышенным содержанием кислорода, в отдельных случаях до 40%. В лечебных и тренажерных камерах и масках, действующих по принципу гипоксикаторов, создают атмосферу с пониженным содержанием кислорода (до 10%), которая служит для стимуляции и тренировки дыхательной деятельности и других функций организма. При этом имеет место гипервентиляция легких и потери организмом углекислоты, приводящие к нарушению кислотно-щелочного равновесия в организме. Восстановить равновесие можно повышением содержания в дыхательной атмосфере углекислого газа, вплоть до 1 об.%. Повышенное содержание углекислого газа требуется также при лечении гиподинамии и ряда других заболеваний.

Кроме содержания кислорода и углекислого газа важную роль в дыхательных атмосферах имеет влажность, величина которой должна находиться в интервале от 35 до 65% относительных.

Основным способом поддержания дыхательных атмосфер является способ вентилирования с использованием атмосферного воздуха, находящегося вне рабочего пространства (И.Ф.Ливчак, А.Л.Наумов. Вентиляция многоэтажных жилых зданий // М.: АВОК-ПРЕСС, 2005. - 136 с.). Для жилых, офисных и других рабочих пространств (помещений) наиболее часто используется уличный воздух. Данный способ обладает двумя недостатками. Первый недостаток состоит в том, что за счет разности температур между внешним и рабочим пространствами в условиях климатических зон, схожих с территорией РФ, среднегодовые потери на подогрев, увлажнение или осушку внешнего атмосферного воздуха составляют около 50% всего тепла, идущего на отопление помещений. Большая величина энергопотерь в основном определяется необходимостью многократного воздухообмена для восстановления и поддержания дыхательной атмосферы. Нормы на кратность воздухообмена составляют от 0,35 до 5,0 час-1 в зависимости от типа помещения в жилой зоне (И.Ф.Ливчак, А.Л.Наумов. Вентиляция многоэтажных жилых зданий // М.: АВОК-ПРЕСС, 2005, стр.60). Второй недостаток состоит в том, что за счет вентилирования большим потоком внешнего атмосферного воздуха в рабочее пространство поступают токсичные газовые компоненты. В городских условиях и в зонах нахождения промышленных предприятий их содержание часто превышает предельно допустимые концентрации. Кроме того, вентилирование в зимнее время приводит к чрезмерной осушке воздуха, а в летнее время - к увлажнению. Использование указанного способа не позволяет создать в рабочем пространстве специальных модифицированных дыхательных атмосфер, например, с пониженным содержанием кислорода или с повышенным содержанием углекислого газа. Состав атмосферы всегда будет соответствовать составу уличного воздуха.

Перспективными направлениями решения указанных проблем являются новые способы формирования дыхательных атмосфер, основанные на специальных методах подготовки газового состава и влажности воздуха, используемого для вентиляции. При этом может быть снижена кратность воздухообмена и, как следствие, снижены энергопотери и поступления в рабочее пространство внешних газовых токсичных примесей.

Известен способ и конструкция на его основе, в котором атмосферный воздух подвергается предварительной очистке от механических примесей и регулированию влажности. Регулирование влажности производится первоначальной отдачей ее части в фильтрующем элементе и последующему необходимому увлажнению за счет подогрева. Очищенный и увлажнённый до нужной степени атмосферный воздух подается в рабочее пространство (Журнал «Мир климата» №25, июнь 2004 г., с.24-28, статья «Система 2 эксклюзивного климата от DAIKIN»). Данный способ позволяет решить следующие задачи: достижение требуемой влажности, восполнение в рабочем пространстве потерь кислорода и компенсацию избытка углекислого газа, возникающего за счет дыхательной активности людей. Достигаемые концентрации кислорода и углекислого газа всегда оказываются на уровне их концентрации во внешнем атмосферном воздухе. Реализация способа при решении задачи нормализации концентраций кислорода и углекислого газа, по сути, эквивалентна использованию вентиляции с ее недостатком, связанным с требуемой большой кратностью воздухообмена. Единственным достоинством является сравнительно эффективная система регулирования влажности. Способ также не позволяет обеспечить нормативное содержание кислорода в местах, где существует его недостаток в окружающей атмосфере (например, в горных районах). Кроме того, способ не позволяет обеспечить регулирование содержания кислорода и углекислого газа и обеспечить дыхательные атмосферы специального назначения.

Наиболее близким по техническому решению к заявленному способу и взятым за прототип является принцип действия установки для кондиционирования воздуха, которая имеет обогащающее кислородом устройство. В способе производится обогащение кислородом потока внешнего атмосферного воздуха и подача его внутрь рабочего пространства, за счет чего для восстановления и поддержания требуемой концентрации кислорода кратность воздухообмена может быть значительно сокращена. Способ включает формирование внешнего газового потока из наружного атмосферного воздуха, сжатие внешнего газового потока, его покомпонентное разделение в мембранном модуле за счёт подачи и пропускания вдоль поверхности селективной мембраны в области высокого давления мембранного модуля, отвод из области высокого давления мембранного модуля и сброс в атмосферу не проникшего через мембрану и обедненного кислородом потока, формирование питающего газового потока из обогащенного кислородом потока, отводимого из области низкого давления мембранного модуля, и его подачу в рабочее пространство (Патент РФ №2259515, Кл. F24F 3/12).

Способ обладает следующими достоинствами и недостатками.

К достоинству способа относится то, что он позволяет обеспечить поток обогащенного кислородом воздуха в рабочее пространство. Концентрация кислорода в потоке, подаваемом в рабочее пространство, может составлять до 30 об.% и более. Поэтому кратность воздухообмена, необходимая для насыщения воздуха кислородом, может быть значительно сокращена. Способ также позволяет обеспечить нужные концентрации кислорода в рабочем пространстве даже там, где существует дефицит кислорода в окружающей атмосфере.

К недостаткам способа можно отнести следующие:

- при обогащении питающего газового потока кислородом, в силу селективных свойств мембран, параллельно происходит его обогащение углекислым газом, что затрудняет компенсацию накоплений углекислого газа в рабочих пространствах (например, в условиях присутствия людей, которые при дыхании поглощают кислород и выделяют углекислый газ);

- способ не позволяет регулировать влажность в рабочих пространствах. Его использование в зимнее время приведет к осушке воздуха, а в летнее время - к переувлажнению воздуха;

- способ не позволяет создавать дыхательные атмосферы с одновременно регулируемыми концентрациями кислорода, углекислого газа и влажностью.

Задачей изобретения является обеспечение рабочих пространств дыхательными атмосферами различного газового состава.

Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности создания дыхательных атмосфер с одновременно регулируемыми концентрациями кислорода, углекислого газа и влажностью.

Указанные задача и технический результат достигаются тем, что в способе создания дыхательных атмосфер, включающем формирование внешнего газового потока из наружного атмосферного воздуха, сжатие внешнего газового потока, его покомпонентное разделение в основном мембранном модуле за счет подачи и пропускания вдоль поверхности селективной мембраны в области высокого давления модуля, отвод из области высокого давления модуля и сброс в атмосферу не проникшего через мембрану газового потока, формирование питающего газового потока из газового потока, отводимого из области низкого давления основного мембранного модуля, и его подачу в рабочее пространство, при этом новым является то, что сжатый внешний газовый поток перед подачей в основной мембранный модуль подвергают предварительному покомпонентному разделению на дополнительном мембранном модуле, из области высокого давления которого отводят газовый поток и подают в область высокого давления основного мембранного модуля, сжатый внешний газовый поток перед подачей в дополнительный мембранный модуль подвергают осушке с образованием водяного конденсата, часть из которого испаряют, из области низкого давления дополнительного мембранного модуля отводят газовый поток и делят его на три части, а каждый из отводимых из основного мембранного модуля газовых потоков делят на две части, при этом формирование питающего газового потока производят из испаренного водяного конденсата и первых частей газовых потоков, отводимых из области высокого давления основного мембранного модуля и областей низкого давления основного и дополнительного мембранных модулей, все вторые части газовых потоков сбрасывают в атмосферу, а третью часть газового потока, отводимого из области низкого давления дополнительного мембранного модуля, используют для формирования внешнего газового потока из наружного атмосферного воздуха.

Здесь и далее части газовых потоков определяются как либо части потоков, либо отсутствие потока, либо полные потоки, т.е потоки в диапазоне от нулевого значения до их полных значений. При этом сумма всех частей каждого потока, отводимого из мембранных модулей, должна равняться величине этого потока.

Кроме газовых потоков, отводимых из мембранных модулей, в питающий поток добавляется водяной пар. Для этого сжатый внешний газовый поток перед подачей в дополнительный мембранный модуль подвергается осушке с образованием водяного конденсата, часть которого испаряется и используется для формирования питающего потока.

В основу способа положено то, что, в отличие от известного способа, внешний газовый поток подвергается двойному покомпонентному газоразделению на селективных мембранах. Из области низкого давления дополнительного мембранного модуля получают поток, обогащенный углекислым газом, парами воды и кислородом. Причем за счет селективных свойств газораздеяительных мембран углекислый газ имеет преимущественное обогащение перед кислородом. Из области низкого давления основного мембранного модуля получают поток, преимущественно обогащенный кислородом. Из области высокого давления основного мембранного модуля получают поток, обедненный по кислороду и углекислому газу и являющийся практически сухим. Из определенных частей этих трех потоков формируется питающий поток требуемого газового состава и подается в рабочее пространство. Регулирование газового состава может производиться изменением величин частей каждого из потоков. Для задания требуемого уровня влажности производится осушка внешнего газового потока и, в случае необходимости, испарение части образованного водяного конденсата и подачу пара в питающий поток.

Из потока дополнительного мембранного модуля, отводимого из области низкого давления, выделяется определенная часть, которая используется для формирования внешнего газового потока путем его смешения с атмосферным воздухом. При этом происходит изменение состава атмосферного воздуха, что позволяет увеличить степень обогащения кислорода и углекислого газа в мембранных модулях.

Сжатый газовый поток, подаваемый из дополнительного мембранного модуля в основной мембранный модуль, может быть также подвергнут покомпонентному разделению на втором дополнительном мембранном модуле, из области низкого давления которого отводится поток и используется для формирования внешнего газового потока. При этом происходит дополнительное изменение состава внешнего газового потока, за счет чего возможно расширить диапазоны концентраций компонентов в создаваемой дыхательной атмосфере.

На чертеже изображена схема реализации способа создания дыхательных атмосфер.

Способ реализуется следующим образом. Сформированный из наружного атмосферного воздуха внешний газовый поток 1 подвергают сжатию в компрессоре 2 и осушке в осушителе 3 с образованием водяного конденсата. В зависимости от необходимого количества водяного конденсата в качестве осушителя может быть использовано устройство отвода конденсата, работающее либо при комнатной температуре, либо ниже нее.

Сжатый и осушенный газовый поток подвергают предварительному покомпонентному разделению за счет подачи и пропускания вдоль поверхности селективной мембраны 4 в области высокого давления дополнительного мембранного модуля 5, из области высокого давления которого отбирается газовый поток 6 и подается в область высокого давления основного мембранного модуля 7. В качестве селективных мембран в каждом из модулей могут быть использованы полимерные мембраны на основе поливинилтриметилсилана (ПВТМС), полидиметилсилоксана (ПДМС), полиимида, полисульфона и др. Выбор мембран ограничивается только функциями конкретных разделительных мембранных модулей.

Из области высокого давления основного модуля 7 отводится не проникший через мембрану газовый поток 8. Газовый поток 8 делится на две части 9 и 10. Вторая часть потока 10 сбрасывается в атмосферу 11. Из областей низкого давления 12 дополнительного 5 и основного 7 мембранных модулей отводятся газовые потоки 13 и 14 соответственно. Газовый поток 13 из дополнительного мембранного модуля 5 делится на три части - 15, 16 и 17. Вторая из этих частей 16 сбрасывается в атмосферу 11. Газовый поток 14 из основного мембранного модуля 7 делится на две части 18 и 19, вторая из которых 19 также сбрасывается в атмосферу 11.

Первые части газовых потоков, полученные после деления потоков 8, 13 и 14 из мембранных модулей 5 и 7 (газовые потоки 9, 15 и 18), используются для формирования питающего газового потока 20 и для подачи в рабочее пространство 21. В питающий газовый поток 20 также подмешивается поток паров воды 22, полученный в испарителе 23 испарением части водяного конденсата из осушителя 3.

Оставшаяся третья часть 17 потока 13, отводимого из области низкого давления дополнительного мембранного модуля 5, используется для формирования внешнего газового потока 1 путем его смешения с наружным атмосферным воздухом до сжатия компрессором 2.

Таким образом, питающий газовый поток 20, подаваемый в рабочее пространство 21, формируется из трех газовых потоков 9 и 15 и 18, имеющих различный газовый состав, а также из потока паров воды 22.

Параметры дополнительного мембранного модуля 5 (площадь и тип мембраны) выбираются таким образом, что в модуле в области низкого давления 12 углекислый газ имеет преимущественно большее обогащение. В дополнительном мембранном модуле также имеет место обогащение кислорода, но степень обогащения углекислого газа за счет используемых параметров модуля превосходит степень обогащения кислорода. Кроме того, газовый поток 13 из области низкого давления мембранного модуля 5 содержит пары воды, оставшиеся после осуши в осушителе 3. Другие газовые потоки, отводимые из мембранных модулей 5 и 7, паров воды в заметных количествах не содержат. Использование для формирования питающего потока 20 части потока 15 из области низкого давления дополнительного модуля в основном служит для повышения величины концентрации углекислого газа в питающем потоке 20 и в рабочем пространстве 21.

Покомпонентное разделение внешнего газового потока 1 в основном мембранном модуле 7 служит для получения потока 18, преимущественно обогащенного кислородом, и для получения потока 9, в котором практически не содержатся углекислый газ, пары воды и содержится малое количество кислорода. Поток 18 является главным источником кислорода в питающем потоке 20, а поток 9 является главным источником обедненной кислородом и осушенной дыхательной атмосферы в рабочем пространстве 21. Концентрации газовых компонентов в потоках 9 и 18 определяются площадью и типом селективной мембраны 4 в основном и дополнительном мембранных модулях 5 и 7, величиной внешнего потока 1 и его давлением. Например, концентрация кислорода в потоке 18 может достигать 40 об.% и более, а в потоке 9 опускаться до 5 об.% и менее. Поток 18 содержит меньшее количество углекислого газа по сравнению с потоком 15 и может компенсировать его накопление в рабочем пространстве 21 при необходимости повышения там только концентрации кислорода.

Дополнительное повышение концентраций кислорода и углекислого газа в потоках 15 и 18 достигается за счет того, что поток 17, являющийся частью потока 13, отводимого из области низкого давления дополнительного мембранного модуля 5, используется как составная часть при формировании внешнего газового потока 1. При этом во внешнем газовом потоке 1 увеличиваются концентрации кислорода и углекислого газа, что за счет покомпонентного разделения в мембранных модулях 5 и 7 приводит к их росту в потоках 15 и 18. Концентрация углекислого газа увеличивается в большей степени, чем концентрация кислорода. Рост концентраций кислорода и углекислого газа в потоках 15 и 18 компенсируется их снижением в потоке 8, отводимом из области высокого давления основного мембранного модуля 7.

Регулирование концентраций кислорода, углекислого газа и влажности в рабочем пространстве 21 осуществляется заданием величин газовых потоков 15, 18, 9 и величиной потока пара 22. Регулирование может быть выполнено с помощью дросселирования потоков. Может также использоваться дискретный способ регулирования, при котором потоки 15, 18, 9 и 22 временно прекращаются, каждый по своему алгоритму, определяемому автоматической системой управления.

Таким образом, при реализации способа формируется питающий поток 20, который служит для создания и поддержания требуемой дыхательной атмосферы в рабочем пространстве 21. Диапазоны регулируемых концентраций кислорода, углекислого газа и паров воды в питающем потоке 20 являются достаточно широкими, чтобы обеспечить дыхательные атмосферы широкого назначения, от комфортных для жизнедеятельности человека до специальных медицинских или тренировочных с пониженным или повышенным содержанием газовых компонентов. Например, для атмосферного воздуха с количественньм составом: кислород 21% (об.), углекислый газ - 0,05% (об.), относительная влажность - 50%, способ позволяет обеспечивать содержание компонент дыхательной атмосферы в следующих независимых друг от друга диапазонах:

содержание кислорода - от 15 до 26% (об.),

содержание углекислого газа - от 0,01 до 0,15% (об.),

влажность - от 25 до 80% (об.).

Реализация способа позволяет максимально снизить доступ в рабочее пространство непереработанного наружного атмосферного воздуха. Наружный воздух поступает в виде потоков, обогащенных необходимыми газовыми компонентами за счет покомпонентного разделения на мембранных модулях. В рабочее пространство 21 подается специально подготовленный питающий газовый поток 20, а из рабочего пространства для сохранения баланса и в качестве элемента вентилирования отводится поток 24, количественно равный потоку 20. В результате кратность воздухообмена может быть сокращена в несколько раз при нормализации (восстановлении) нарушенной дыхательной атмосферы и ее поддержании на стационарном уровне. Во многих рабочих пространствах, типа помещений в зданиях, всегда существует естественный воздухообмен с внешней атмосферой (окна, двери и др.). В этих случаях реализация способа осуществляется на фоне этого воздухообмена и может значительно снизить требования к величине кратности воздухообмена.

При реализации способа для повышения влажности используется поток водяного пара, который производится из воды, полученной после осушки внешнего газового потока 1. В этом случае источником водяного пара является водяной пар, содержащийся в атмосферном воздухе, и дополнительные источники воды не требуются.

Вариантом реализации способа, позволяющим дополнительно повысить концентрации кислорода и углекислого газа в потоке 15 из области низкого давления дополнительного мембранного модуля 5 и одновременно понизить эти концентрации в потоке 18 из области низкого давления основного мембранного модуля 7, является следующий: сжатый газовый поток 6, подаваемый из дополнительного мембранного модуля 5 в основной мембранный модуль 7, подвергается покомпонентному разделению на втором дополнительном мембранном модуле 25, из области низкого давления которого 12 отводится газовый поток 26 и используется для формирования внешнего газового потока 1 путем смешения с ним до сжатия на компрессоре 2. При этом происходит дополнительное изменение состава внешнего газового потока 1 и потока 27, подаваемого на вход области высокого давления основного мембранного модуля. За счет этого происходят изменения концентраций кислорода и углекислого газа в потоках 15 и 18, формирующих питающий газовый поток 20, и появляется дополнительная возможность расширить диапазоны концентраций компонентов в создаваемой дыхательной атмосфере.

Примеры реализации способа.

Пример 1. Поддержание дыхательной атмосферы в комнате, в которой находится человек.

1. Параметры дыхания человека. Воздухообмен 600 литров в час. Поглощение кислорода - 30 л/час. Выделение углекислого газа - 24 л/час. Выдыхаемое содержание паров воды - 6 об.%.

2. Параметры атмосферного воздуха: кислород - 21 об.%, углекислый газ - 0,03 об.%, влажность - 50 отн.%.

3. Требования к атмосфере в помещении: кислород - 22 об.%, углекислый газ - не более 0,3 об.%, влажность - 50-60 отн.%.

4. Естественная вентиляция с улицей - 6 м/час.

Естественная вентиляция учитывается потому, что даже в закрытых комнатах всегда присутствует естественный воздухообмен за счет неплотностей дверных и оконных проемов.

Для поддержания дыхательной атмосферы сравниваются три способа:

- вентиляция помещения внешним атмосферным воздухом;

- способ, взятый за прототип (патент РФ №2259515, кл. F24F 3/12);

- способ по совокупности признаков п.1 формулы настоящего изобретения.

Вентиляция помещения внешним атмосферным воздухом.

При вентиляции внешним атмосферным воздухом естественным воздухообменом 6 м3/час за счет поглощения кислорода человеком концентрация кислорода установится на уровне 20,4 об.% и не может достигнуть требуемых 22%. Даже в случае увеличения кратности воздухообмена концентрация кислорода не может быть повышена более 21 об.%.

Концентрация углекислого газа за счет его выделения человеком и притока воздуха с пониженным содержанием углекислого газа установится на уровне 0,43 об.%.

Влажность за счет дыхания человека достигнет повышенного уровня. 70,5 отн.%.

Т.е. по всем параметрам естественный воздухообмен 6 м3/час не может восстановить дыхательную атмосферу требуемого состава.

Способ-прототип

Использован мембранный модуль с селективной мембраной на основе ПВТМС площадью 4,5 м. Компрессор обеспечивает внешний газовый поток 4 нм3/час с давлением 6 бар. Селективные свойства мембраны обеспечивают следующий питающий газовый поток из области низкого давления основного мембранного модуля:

величина потока - 1,64 м3/час;

концентрация кислорода - 25,0 об.%;

концентрация углекислого газа - 0,036 об.%;

влажность - 20,0 отн.%.

За счет естественной вентиляции в комнату поступает атмосферный воздух в количестве 6 м3/час и, смешиваясь с питающим потоком, обеспечивает поддержание атмосферы следующего состава:

концентрация кислорода - 22,0 об.%;

концентрация углекислого газа - 0,3 об.%;

влажность - 53,8 отн.%.

Способ по совокупности признаков п.1 формулы настоящего изобретения

Использован основной мембранный модуль 7 (см. чертеж) с селективной мембраной на основе ПВТМС площадью 4,35 м2, перед которым производится предварительное разделение внешнего газового потока на дополнительном мембранном модуле 5 с селективной мембраной на основе ПВТМС площадью 0,15 м. Компрессор обеспечивает внешний газовый поток 4 нм3/час с давлением 6 бар. Суммарная площадь мембраны основного и дополнительного модулей сохранена и равняется 4,5 м.

Из области низкого давления дополнительного мембранного модуля 5 отводится газовый поток 13 величиной 0,132 м3/час, который делится на три потока. Первый поток 15 составляет 75% от потока 13 и используется при формировании питающего газового потока 20. Второй поток 16 составляет 10% от потока 13 и сбрасывается в атмосферу. Третий поток 17 составляет 15% от потока 13 и используется при формировании внешнего потока 1. Из области низкого давления основного мембранного модуля отводится газовый поток 14 величиной 3,156 м3/час, 90% которого в виде потока 18 используется при формировании питающего газового потока 20. Оставшиеся 10% сбрасываются в атмосферу в виде потока 19. Из области высокого давления основного мембранного модуля отводится газовый поток 8 величиной 0,712 м3/час, 5% которого в виде потока 9 используется при формировании питающего газового потока 20. Оставшиеся 95% в виде потока 10 сбрасываются в атмосферу. Сжатый внешний газовый поток 1 перед подачей в дополнительный мембранный модуль 5 подвергают осушке в осушителе холодильного типа 3 при 5°С (поток сконденсированного пара 40 нл/час) с образованием водяного конденсата, часть которого испаряют с образованием 10 нл/час потока водяного пара 22, который также используют при формировании питающего газового потока 20 величиной 2,98 м3/час. со следующими параметрами:

Концентрация кислорода - 24,9 об.%

Концентрация углекислого газа - 0,036 об.%

Влажность - 22,0 отн.%

За счет естественной вентиляции в комнату поступает атмосферный воздух в количестве 6 м3/час и, смешиваясь с питающим потоком, обеспечивает при дыхании одного человека поддержание атмосферы следующего состава:

Концентрация кислорода - 22,0 об.%

Концентрация углекислого газа - 0,3 об.%

Влажность - 55,3 отн.%

Таким образом, использование способа-прототипа и способа по настоящему изобретению позволяет решить поставленную задачу поддержания дыхательной атмосферы в комнате с одним человеком. Настоящее изобретение обладает преимуществом перед прототипом, поскольку при равных условиях (площадь мембраны, величина внешнего газового потока и давление) изобретение позволяет сформировать питающий поток 20 на 80% больший, чем в прототипе. Это позволяет заметно сократить переходные процессы, например, время восстановления атмосферы в комнате после включения установки, реализующей способ.

Если в комнате будут находиться два человека и более, то использование способа-прототипа приведет к тому, что в помещении окажется повышенное содержание углекислого газа (более 0,5% при наличии уже двух человек) и пониженное содержание кислорода. Нормализовать содержание кислорода в 22% можно увеличением внешнего газового потока за счет увеличения мощности компрессора. Использование способа по настоящему изобретению потребует всего-навсего изменения величин потоков 9, 15 и 18.

В рассмотренном примере при сохранении всех рабочих параметров мембранного модуля при использовании способа-прототипа в условиях отсутствия внешней вентиляции (например, при создании специализированных дыхательных атмосфер) предельная концентрация кислорода, которая может быть подана в рабочее пространство в питающем потоке, составляет 25 об.%, концентрация углекислого газа не может превысить 0,037%. Пониженные концентрации кислорода вообще не могут быть реализованы.

При использовании настоящего изобретения в потоке 15 концентрация кислорода составляет величину 42 об.%, в потоке 18 - 25% и в потоке 9 имеет место пониженное содержание кислорода на уровне 2 об.%. Комбинируя величины этих потоков возможно создание искусственных дыхательных атмосфер для медицинских нужд в широком диапазоне концентраций кислорода от 10 до 40%. Получаемая предельная концентрация углекислого газа составляет величину 0,12%, что более чем в три раза превосходит способ-прототип. Диапазон относительной влажности в питающем газовом потоке 20 составляет от 5 до 60%.

Пример 2. Реализация способа с использованием признаков по п.2 формулы изобретения.

Используется атмосферный воздух со стандартными параметрами: кислород - 21 об.%, углекислый газ - 0,03 об.% и влажность - 50 отн.%.

Параметры мембранных модулей соответствуют использованным в Примере 1.

Сжатый газовый поток 6, подаваемый из дополнительного мембранного модуля 5 в основной мембранный модуль 7, подвергается покомпонентному разделению на втором дополнительном мембранном модуле 25, из области низкого давления которого 12 отводится поток 26 и смешивается с внешним газовым потоком 1. Площадь мембраны дополнительного мембранного модуля составляет 0,7 м2. Тип мембраны - ПВТМС.

Получены следующие результаты.

В потоке 15 из дополнительного мембранного модуля 5 имеет место увеличение концентрации кислорода на 5 отн.% и увеличение концентрации углекислого газа на 50 отн.%.

В потоке 18 из основного мембранного модуля 7 имеет место уменьшение концентрации кислорода на 10 отн.% и уменьшение концентрации углекислого газа на 15 отн.%.

В потоке 9 из области высокого давления основного мембранного модуля 7 концентрация кислорода снижается с 2 до 0,6 отн.%.

Использование дополнительного покомпонентного разделения смеси на втором дополнительном модуле 25 и формирование внешнего газового потока 1 с использованием потока 26, отводимого из области низкого давления второго дополнительного модуля, позволяет существенно (до 1,5 раз) расширить диапазон регулирования концентрации углекислого газа в питающем потоке 20.

Приведенные примеры основываются на использовании мембранных модулей с параметрами, оптимизированными для поддержания дыхательной атмосферы в комнате, в которой находится человек. При реализации способа для создания специальных дыхательных атмосфер, например, с существенно пониженным или повышенным содержанием кислорода, а также обогащенных углекислым газом, оптимальные параметры могут отличаться от использованных в приведенных примерах. Но все основные выводы, показывающие преимущества данного способа, остаются в силе.

1. Способ создания дыхательных атмосфер, включающий формирование внешнего газового потока из наружного атмосферного воздуха, сжатие внешнего газового потока, его покомпонентное разделение в основном мембранном модуле за счет подачи и пропускания вдоль поверхности селективной мембраны в области высокого давления модуля, отвод из области высокого давления модуля и сброс в атмосферу не проникшего через мембрану газового потока, формирование питающего газового потока из газового потока, отводимого из области низкого давления основного мембранного модуля, и его подачу в рабочее пространство, отличающийся тем, что сжатый внешний газовый поток перед подачей в основной мембранный модуль подвергают предварительному покомпонентному разделению на дополнительном мембранном модуле, из области высокого давления которого отводят газовый поток и подают в область высокого давления основного мембранного модуля, сжатый внешний газовый поток перед подачей в дополнительный мембранный модуль подвергают осушке с образованием водяного конденсата, часть из которого испаряют, из области низкого давления дополнительного мембранного модуля отводят газовый поток и делят его на три части, а каждый из отводимых из основного мембранного модуля газовых потоков делят на две части, при этом формирование питающего газового потока производят из испаренного водяного конденсата и первых частей газовых потоков, отводимых из области высокого давления основного мембранного модуля и областей низкого давления основного и дополнительного мембранных модулей, все вторые части газовых потоков сбрасывают в атмосферу, а третью часть газового потока, отводимого из области низкого давления дополнительного мембранного модуля, используют для формирования внешнего газового потока из наружного атмосферного воздуха.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сжатый газовый поток, подаваемый из дополнительного мембранного модуля в основной мембранный модуль, подвергают покомпонентному разделению на втором дополнительном мембранном модуле, из области низкого давления которого отводят газовый поток и используют для формирования внешнего газового потока.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области экологии, а именно к осуществлению радонозащитных мероприятий в различных зданиях и сооружениях. .

Изобретение относится к корпусу воздушного фильтра, имеющему, по меньшей мере, одну камеру фильтра для приема, по меньшей мере, одного блока фильтра, отверстие для доступа в боковой стенке корпуса, ведущее к камере фильтра, дверцу для закрывания отверстия для доступа и зажимной механизм для поддержания по меньшей мере, одного блока фильтра упирающимся в первую торцевую стенку упомянутой камеры фильтра.

Изобретение относится к технике кондиционирования, вентиляции и охлаждения воздуха в помещениях жилого и производственного назначения, метрополитене. .

Изобретение относится к области создания управляемых климатических условий около открытых водоемов, преимущественно около фонтанов, для получения биологически активной атмосферы, оказывающей влияние на функционирование организма: на органы дыхания, кровообращения, нервную систему и т.п.

Изобретение относится к технике обработки воздуха в жилых, лечебных, офисных и других обитаемых помещениях, не загазованных вредными примесями, и может быть использовано для обогащения воздуха ионами обоих знаков, снятия электростатических зарядов с различных предметов и одежды людей, очистки воздуха от пыли, бактерий и спор грибков.

Изобретение относится к технике обработки воздуха в жилых, лечебных, офисных и других обитаемых помещениях, не загазованных вредными примесями, и может быть использовано для обогащения воздуха ионами обоих знаков, снятия электростатических зарядов с различных предметов и одежды людей, очистки воздуха от пыли, бактерий и спор грибков.

Изобретение относится к способам очистки воздуха от загрязнений в закрытых помещениях. .

Изобретение относится к технике воздухообработки и может быть использовано в системах вентиляции и кондиционирования. .

Изобретение относится к технике воздухообработки и может быть использовано в системах кондиционирования и водообеспечения. .
Изобретение относится к бумагоподобному композиционному материалу, который может быть использован для изготовления капиллярно-пористых деталей систем косвенно-испарительного охлаждения воздуха.

Изобретение относится к системам воздушного охлаждения помещений в теплое время года, получающих охлажденный воздух от возобновляемого источника холода в виде льда, запасенного за счет холода в холодное время года, и предназначено для поддержания требуемого температурного режима и микроклимата в помещениях промышленных, общественных, жилых и других зданий.

Изобретение относится к оборудованию, предназначенному для испытания различных объектов на воздействие влаги при различных температурах. .

Изобретение относится к энергетике и может использоваться при охлаждении газов и, в частности, для кондиционирования воздуха. .

Изобретение относится к машиностроению, в частности к устройствам систем безопасности
Наверх