Система диффузионного газообмена и способ ее использования

Система диффузионного газообмена и способ ее использования

Реферат

 

Предложены система диффузионного газообмена и способ, заключающийся в использовании мембраны, расположенной между первой и второй газовыми областями. Первая газовая область включает первый механизм для направления первого потока окружающего газа поперек с первой поверхности мембраны и в контакте с ней. Вторая газовая область включает второй механизм для направления второго потока окружающего газа поперек с второй поверхности мембраны и в контакте с ней. Мембрана представляет собой среду диффузионного газообмена с извилистыми проходами, идущими от первой поверхности мембраны к второй. Доля объема пустот составляет по меньшей мере 0,2. Мембрана обладает способностью, по существу, блокировать перенос частиц из первой газовой области во вторую, обеспечивая при этом диффузию газов между первой и второй газовыми областями. Технический результат - интенсивный газообмен за счет диффузии, минимизации энергопотребления, исключения повышения перепада давления и частых замен мембраны. 3 с. и 49 з.п. ф-лы, 14 ил., 6 табл.

Изобретение относится к системе диффузионного газообмена, в которой используется мембрана для осуществления обмена газовыми компонентами посредством процесса диффузии при блокировании, по существу, переноса диффундирующих частиц.

Известны различные вентиляционные системы, применяемые для регулирования содержания углекислого газа и кислорода в закрытом пространстве. Примерами закрытого пространства могут быть автомобиль, дом, высотное здание, внутреннее пространство респиратора, фабрика, чистое производственное помещение или больничная палата. Вентиляционные системы удаляют избыточный углекислый газ из закрытого пространства и пополняют уменьшенное содержание кислорода.

Для выполнения указанной операции в обычных вентиляционных системах применяется фильтрующая среда, предотвращающая попадание в закрытое пространство частиц извне. Воздух обычно проходит по нормали или перпендикулярно через фильтрующую среду, при этом для принудительного течения воздуха используется источник энергии. Если воздух, проникающий в закрытое пространство, не фильтровать, находящиеся в данном пространстве люди могут пострадать от токсических или аллергических реакций на неживые частицы, находящиеся в воздухе, или от вредного воздействия на здоровье человека находящихся в воздухе микроорганизмов. Когда фильтруемый воздух закачивается внутрь закрытого пространства, то во избежание повышения давления внутри него воздух, находящийся в нем, следует удалять через выпускное отверстие.

Обычные вентиляционные системы имеют ряд недостатков.

Первый из них заключается в трудности полного удаления всех частиц из входящего воздуха без использования такого количества фильтрующей среды, которое создает большие перепады давления при прохождении воздуха через фильтрующую среду. Следовательно, обычные фильтрующие системы, как правило, позволяют значительному количеству частиц проходить в закрытое пространство вместе с потоком впускаемого воздуха.

Второй недостаток заключается в том, что впускаемый воздух должен проходить через фильтрующую среду по нормали или перпендикулярно. Когда воздух, в котором находятся частицы, проходит через фильтр подобным образом, поры фильтра заполняются частицами, вызывая перепад давления. В результате возникает необходимость частой замены фильтра для поддержания нормальной скорости потока.

Третий недостаток заключается в необходимости больших энергетических затрат для обычных вентиляционных систем для того, чтобы прокачать впускаемый воздух через фильтрующую среду. Фильтры с незабитыми порами тем не менее обладают значительной силой трения, иначе говоря, они создают барьер для входящего воздуха. В крупных сооружениях энергозатраты могут быть значительными.

Еще одним недостатком обычных вентиляционных систем является необходимость использования вытяжной системы для удаления избыточного воздуха из закрытого пространства. В противном случае было бы затруднительно или даже невозможно осуществлять беспрерывную вентиляцию.

Обычные вентиляционно-фильтрующие системы также невыгодны, поскольку они требуют значительно большего расхода воздуха, чем это необходимо для потребления кислорода. Рассмотрим закрытое пространство, окруженное загрязненным воздухом, где фильтруемый воздух подается под давлением в закрытое пространство для снабжения кислородом людей, в то время как воздух внутренней окружающей среды оттуда удаляется во избежание повышения давления. Углекислый газ выходит из закрытого пространства в окружающую атмосферу в вытяжном воздушном потоке. В обычной практике принято подавать 20 кубических футов в минуту (566 литров в минуту) наружного воздуха на одного человека в здании. В местах с сидячими конторскими служащими СО₂ образуется со скоростью около 0,35 литра в минуту (л/мин) на одного человека. В данных условиях и при устоявшемся режиме наружный воздух с концентрацией СО₂ около 0,03% будет иметь концентрацию СО₂ 0,09% на выходе из здания (0,35 л/мин/566 л/мин)+0,03%= 0,09%). Уровни СО₂ свыше 0,1% могут оказаться некомфортными или вредными для людей. Наружный воздух на уровне моря обычно имеет концентрацию О₂, равную 20,95%. После того как человек потребит приблизительно 0,28 л/мин O₂, воздух с концентрацией О₂ около 20,0% откачивается из закрытого пространства. Это значение откачанного кислорода отражает динамическую комнатную концентрацию кислорода, которая значительно выше, чем необходимо для безопасности людей. Следовательно, уровни СО₂ определяют интенсивность вентиляции с точки зрения удовлетворения психологических потребностей людей, находящихся в закрытом пространстве.

Патент США 3369343 (Робб) раскрывает использование проницаемой непористой перегородки, изготовленной из таких материалов, как кремнийорганический каучук, для обмена СО₂ или О₂ методом просачивания. В соответствии с указанным патентом Робба просачивание сводится к процессу растворения, при котором газы растворяются в пленке, а затем диффундируют через данную пленку в растворенном состоянии. Пленка образует непористый барьер на пути любого твердого тела, жидкости или газа, которые не растворяются химически в кремнийорганическом каучуке. Робб дает описание различных воздухоочистительных систем, основанных на использовании мембран из кремнийорганического каучука.

Советский патент SU 1710951 описывает вентиляционное устройство, в котором в качестве среды газового обмена для вентиляции закрытых сооружений используется ядерная мембрана. Парциальные давления О₂ и СО₂ на противоположных поверхностях ядерной мембраны выступают в качестве движущих сил газового обмена. Кроме того, мембрана используется при блокировании вредных аэрозолей и микрочастиц, содержащихся в наружном воздухе. Ядерные мембраны обычно формируются путем ускорения атомных частиц в полимерной пленке для образования в основном параллельных отверстий в пленке. Отверстия в ядерных мембранах могут забиваться или засоряться частицами, в результате чего снижается эффективность применения мембраны в качестве среды для газового обмена.

Советский патент SU 1119197 описывает респиратор, использующий тонкую, гибкую, пористую и газопроницаемую полимерную мембрану в качестве среды диффузионного газообмена. Мембрана действует подобно ядерному фильтру, изготовленному из полиэтилентерефталатной или поликарбонатной пленки с пористостью около 10% (при более высоких значениях пористости механическая прочность фильтра резко уменьшается). Утверждается, что защиту от аэрозолей любого размера можно получить, применяя пористые полимерные мембраны с размером пор от 3 до 0,03 мкм. Вследствие высокой равноразмерности пор эффективность защиты от аэрозолей, имеющих размеры, равные или более размера пор, обычно равна 100%.

Настоящее изобретение относится к системе диффузионного газообмена, содержащей мембрану, расположенную между первой газовой областью и второй газовой областью. Первая газовая область включает первый механизм, способный направлять первый поток окружающего газа поперек и в контакте с первой поверхностью мембраны. Вторая газовая область включает механизм, способный направлять второй поток окружающего газа поперек и в контакте со второй поверхностью мембраны. Мембрана содержит среду диффузионного газообмена, имеющую множество извилистых проходов, идущих от первой поверхности мембраны ко второй поверхности мембраны. Извилистые проходы определяют максимальный размер пор и объемную долю пустот, равную по меньшей мере 0,2. Мембрана обладает способностью, по существу, блокировать перенос всех частиц размером менее максимального размера пор из первой газовой области во вторую и в то же время обеспечивать диффузию газов между этими областями.

Настоящее изобретение относится также к системе диффузионного газообмена, содержащей мембрану, размещенную между первой и второй газовыми областями, как описано выше, при этом мембрана выполнена с возможностью обеспечения интенсивности газообмена, уменьшенной на величину не более 2% в соответствии с испытанием на определение скорости газообмена после воздействия частиц в соответствии с нижеописанной процедурой. Мембрана, отвечающая требованиям этих испытаний, способна поддерживать высокие скорости газообмена даже в условиях значительной загруженности частицами.

Данное изобретение относится также к способу обеспечения переноса газовых компонентов из первой газовой области во вторую газовую область без значительного переноса частиц с целью блокирования переноса, по существу, всех частиц из первой газовой области во вторую газовую область, одновременно обеспечивая диффузию газов между первой и второй газовыми областями.

Системы диффузионного газообмена и способ по изобретению отличаются от обычных вентиляционных систем тем, что в них используется мембрана, через которую диффундируют газы, и одновременно, по существу, блокируется перенос частиц наряду с направлением потока газа через мембрану скорее поперек нее, а не по нормали. Настоящие система и способ могут блокировать перенос частиц в очень широком диапазоне аэродинамических диаметров, а также особенно удобны для блокирования частиц размером от 0,2 до 0,3 мкм в тех случаях, когда обычные фильтрующие системы являются наиболее легкопроницаемыми. Таким образом, данное изобретение позволяет преодолеть непрактичность использования большого числа фильтров, чтобы гарантировать улавливание всех частиц в целях обеспечения подачи чистого кислорода.

Хотя мембраны способны улавливать частицы подобно фильтру, необходимость в фильтрации для подачи очищенных газов в закрытое пространство отпадает. Кислород может диффундировать через мембрану, поскольку парциальное давление кислорода в наружной области газа выше, чем во внутренней или в закрытой области газа, в котором находятся люди. Аналогичным образом избыточный углекислый газ может удаляться из замкнутой газовой области путем диффузии, поскольку его парциальное давление выше, чем в окружающей области. Никакой значительной фильтрации не производится, поскольку газовые потоки направлены поперек мембраны. В результате этого система и способ по изобретению не связаны со значительным забиванием пор, что обычно имеет место в известных системах. Таким образом, исключаются повышение перепада давления и частые замены мембраны, а интенсивность газообмена может поддерживаться даже после того, как мембрана подверглась значительной загрузке частицами.

Настоящее изобретение направлено также на минимизацию энергопотребления, поскольку не требуется перекачивать газовые потоки через мембрану. Газообмен может осуществляться исключительно за счет диффузии. Мембрана способна обеспечивать, как правило, постоянную интенсивность обмена даже тогда, когда загрузка частицами сопровождается ростом перепада давления на величину 25% или выше на мембране при постоянном расходе.

Кроме того, в данном изобретении не требуется использовать выпускное отверстие или систему для предотвращения роста давления в закрытой области газа. Избыточное количество газов подобно СО₂ могут удаляться из закрытой области путем диффузии через мембрану.

Изобретение позволяет также устранить недостаток, заключающийся в необходимости закачивания извне относительно больших потоков воздуха внутрь закрытого пространства. Углекислый газ и кислород могут соответственно удаляться из закрытой области и подаваться в нее без одновременного переноса воздуха и других газов.

Короче говоря, система диффузионного газообмена является практической альтернативой обычным фильтрационным методам для крупномасштабного удаления СО₂ из закрытых пространств и подачи O₂ в них без внесения в закрытое пространство находящихся в окружающем воздухе загрязнений в виде частиц.

Данное изобретение также предлагает систему воздухоочистки, которая содержит: (a) первый газовый тракт, проходящий от входа к выходу, имеющий подающий участок и отводящий участок и обеспечивающий протекание первого потока газа от входа к выходу; (b) второй газовый тракт, через который может проходить второй поток газа; (c) мембрану, имеющую первую и вторую стороны и расположенную между первым и вторым газовыми трактами, причем мембрана обладает способностью блокировать перенос частиц между первым и вторым газовыми трактами, обеспечивая при этом диффузию газов диффундировать от первого газового потока ко второму, и/или наоборот, и, по существу, отделяя подающий участок первого газового тракта от его отводящего участка, и (d) газонепроницаемую теплообменную зону, позволяющую передавать тепловую энергию от отводящего участка первого газового потока к его подающему участку или наоборот.

Данная система воздухоочистки имеет преимущества, поскольку в дополнение к вышеупомянутым достоинствам она позволяет экономить энергию и обладает преимуществами управления качеством воздуха.

На фиг.1 схематично изображен пример системы диффузионного газообмена по настоящему изобретению.

На фиг. 2а графически изображено забивание частицами системы диффузионного газообмена по настоящему изобретению.

На фиг.2b графически изображен перепад давления на мембране в одном примере осуществления системы диффузионного газообмена.

На фиг. 3 показан схематичный разрез многослойной системы диффузионного газообмена, выполненной в соответствии с данным изобретением.

На фиг. 4 представлен вид сверху наложенных примеров сеток сонаправленного течения или противотечения для использования в системе диффузионного газообмена, выполненной в соответствии с данным изобретением.

На фиг.5 схематично изображена многослойная система диффузионного газообмена с поперечным течением, выполненная в соответствии с данным изобретением.

На фиг. 6 схематично изображен теплообменник типа "воздух-воздух", комбинированный с системой диффузионного газообмена, выполненной в соответствии с данным изобретением.

На фиг.7а представлена изолиния концентрации кислорода на канальных входах с расходом около 2,36 л/мин.

На фиг.7b показан общий объем кислорода (экспериментальный сравнительно с расчетным), передаваемого из кислородного потока в азотный поток при разных расходах.

На фиг.7с показана концентрация кислорода по длине канала на каждой стороне мембраны для ламинарного течения.

На фиг.7d показана концентрация кислорода по длине канала на каждой стороне мембраны для турбулентного течения.

На фиг. 8а схематично изображена индивидуальная система фильтрации частиц, выполненная в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.8b представлен вид спереди индивидуальной системы фильтрации частиц, выполненной в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг.9 показан вид в изометрии испытательной камеры для оценки характеристик системы диффузионного газообмена, выполненной в соответствии с настоящим изобретением.

На фиг. 10а показан вид в изометрии системы диффузионного газообмена, выполненной в соответствии с настоящим изобретением (представленной на фиг. 9).

На фиг.10b показан график уровней СО₂ при разных расходах через систему диффузионного газообмена, представленную на фиг.9.

На фиг. 10с графически показаны разные концентрации СО₂ при постоянных величинах интенсивности работы для двух разных расходов через систему диффузионного газообмена, изображенную на фиг.9.

На фиг. 11 схематично изображена испытательная камера для оценки характеристик диффузионного газообмена мембран.

На фиг.12а графически показана характеристика забивания ускоренными частицами микропористой и ядерной мембран.

На фиг. 12b графически показана характеристика забивания ускоренными частицами микропористой и другой ядерной мембраны.

На фиг.13 графически показаны давления, при которых начинает иметь место проникание частиц для различных микропористых мембран.

На фиг. 14 показан вид в разрезе испытательного устройства для определения проникания частиц при низких давлениях для различных микропористых мембран.

Термины, употребляемые в настоящем документе.

"Поток окружающего газа" - поток, или струя газа, обычно воздуха, который может содержать взвесь жидкостей и/или твердых тел.

"Диффузия" - процесс, при котором дискретное количество жидкостей, газов и/или твердых тел, находящихся в потоке окружающего газа или в неподвижном воздухе, смешиваются в результате хаотичного и случайного движения, вызванного тепловым возбуждением и столкновением и ведущего к непрерывному перемешиванию до однородного состава в объеме. В растворенных веществах дискретные элементы движутся из зоны с более высокой концентрацией в зону с более низкой концентрацией за счет диффузии.

"Диффузия газов" - свободное движение атомов и молекул газов в потоке окружающего газа или неподвижном воздухе, при котором атомы или молекулы распределяются равномерно в пределах закрытого пространства.

"Вдыхаемые газы" - включают кислород, водород, углекислый газ и водяной пар.

"Частицы" - относительно малые и дискретные объекты, твердые, жидкости или их комбинации, которые могут быть взвешены или носимыми в потоке окружающего газа. Частицы могут быть около 1,0 мм или более в диаметре до менее 0,01 мкм в диаметре. Частицы диаметром около 2,0 мкм или более обычно легко удаляются при помощи обычных методов фильтрации. Частицы диаметром приблизительно от 0,1 до 0,5 мкм, например табачный дым, обычно слишком малы, чтобы быть удаленными из воздуха при помощи инерционных механизмов, таких как фильтры прямого воздействия. Однако частицы подобных размеров могут блокироваться мембранами, используемыми в настоящем изобретении. Предлагаемая система диффузионного газообмена блокирует перенос, по существу, всех частиц диаметром около 1,0 мм и менее, предпочтительнее блокирует перенос, по существу, всех частиц и еще более предпочтительно блокирует перенос всех частиц.

"Проницаемость" - состояние или свойство, при котором тип перемещения вещества, например жидкости, газа или твердого тела, представляет собой перемещение через поры или пустоты другого вещества.

"Извилистый проход" - отверстие или канал не строго прямой формы в проницаемой мембране.

"Неподвижный воздух" - воздух с почти нулевыми конвекцией и массовым движением.

С помощью системы диффузионного газообмена, предлагаемой в данном изобретении, достигаются результаты, превосходящие результаты, получаемые при использовании обычных фильтров частиц. Мембрана образует перегородку между первой и второй газовыми областями. Первая и вторая газовые области предпочтительно не имеют значительного газового сообщения между собой, кроме как через мембрану. Каждая из газовых областей включает механизм, способный направлять первый и второй потоки окружающего газа через противоположные поверхности мембраны. "Механизм" может быть прибор, способ или иное средство или их сочетание, заставляющее окружающий газ течь поперек и в контакте с мембраной. Мембрана обеспечивает диффузию газов, содержащихся в потоках окружающего газа между первой и второй газовыми областями, при этом, по существу, блокируя перенос частиц. Данное изобретение особенно подходит для осуществления обмена дыхательных газов между первой и второй газовыми областями. Другие, не дыхательные, газы могут также передаваться для иных полезных целей. Следовательно, вторая газовая область может поддерживаться в состоянии, обеспечивающем жизнедеятельность, или в ином благоприятном состоянии, по существу, свободном от частиц, появляющихся внутри или из первой газовой области.

В одном из примеров осуществления изобретения мембрана укреплена между первой и второй газовыми областями. Укрепленная мембрана, по существу, блокирует перенос частиц, когда в разность давлений на мембране входит давление, превышающее или приблизительно равное давлению разрыва мембраны. Отношение коэффициента диффузии выбранного газа при выбранных температуре и давлении внутри извилистых проходов мембраны к коэффициенту диффузии того же самого газа при тех же температуре и давлении в неподвижном воздухе равно 0,002-0,970.

Первый поток окружающего газа - это предпочтительно первая газовая область, содержащая воздух снаружи закрытого пространства. Второй поток окружающего газа - это предпочтительно вторая газовая область, содержащая воздух внутри закрытого пространства. Закрытым пространством может быть внутреннее пространство чистого производственного помещения, индивидуальный респиратор, кабина автомобиля, салон самолета, дом, высотное здание, фабрика, больничная палата или разнообразие иных сооружений. В другом примере осуществления изобретения система диффузионного газообмена может применяться для улавливания пылинок внутри второй газовой области. В случаях применения, где вторая газовая область представляет собой внутреннее пространство комнаты, кабины, здания или иного сооружения, газообмен в основном происходит через мембрану, в то время как вторичный газообмен может иметь место в иных местах, нежели через мембрану, например, как следствие утечки в районе дверей и окон. Слова "в основном" означают, что в течение длительного периода времени через мембрану осуществляется газообмен значительно большего объема между областями, чем через другие места.

Части первого и второго потоков или струй окружающего газа могут быть направлены перпендикулярно, параллельно или под разными углами друг к другу. В одном из примеров осуществления один или несколько потоков окружающего газа могут быть турбулентными или ламинарными по отношению к среде диффузионного газообмена.

В настоящем изобретении, как и у обычных вентиляционных систем, уровни СО₂ имеют тенденцию к влиянию на расход воздуха. Для системы диффузионного газообмена, предложенной в изобретении, расход может быть определен путем деления производимого внутри количества СО₂ на изменение в концентрации СО₂ через систему газообмена. Например, если человек в положении сидя производит 0,35 л/мин СО₂, а изменение в концентрации СО₂ во внутреннем циркуляционном контуре (второй поток окружающего газа) системы газообмена составляет 0,05%, расход воздуха в данном циркуляционном контуре составит 0,35, деленные на 0,0005, т. е. 700 л/мин.

На фиг.1 представлено схематичное изображение системы диффузионного газообмена 20, в которой поток окружающего газа из первой газовой области 22, проходящий через первую камеру 28, вступает в контакт с первой поверхностью 23 мембраны 24. Поток окружающего газа из второй газовой области 26, проходящий через вторую камеру 30, вступает в контакт со второй поверхностью 25 мембраны 24. В примере осуществления изобретения, изображенном на фиг.1, первая газовая область 22 представляет из себя воздух вне закрытого пространства, а вторая газовая область 26 представляет из себя воздух в закрытом пространстве. Уплотнение 27 предусмотрено для ограничения утечки газа между областями 22, 26 на краях мембраны 24. Отверстия 29a-d для замеров давления расположены в различных местах камер 28, 30, например у входов и выходов 42, 44, 46, 48. Первая и вторая газовые области 22, 26 не сообщаются между собой, кроме как через мембрану 24. В случаях применения, где вторая газовая область 26 представляет собой крупное сооружение, например высотное здание, первая и вторая газовые области 22, 26 не обязательно могут быть разделены между собой лишь мембраной, поскольку существуют утечки или временные отверстия между двумя газовыми областями.

Вследствие процессов жизнедеятельности внутри второй газовой области 26 поток окружающего газа во второй камере 30 имеет повышенные уровни СО₂ и пониженные уровни О₂ относительно потока окружающего газа в первой камере 28. Более высокое парциальное давление кислорода в первой камере 28 вынуждает O₂ течь через мембрану 24 и во вторую камеру 30. Одновременно, более высокое парциальное давление углекислого газа во второй камере 30 вынуждает СО₂ течь через мембрану 24 в первую камеру 28.

Мембрана 24 может иметь размеры, обеспечивающие достаточный диффузионный обмен О₂ и СО₂ для поддержания здоровой окружающей среды внутри второй газовой области 26, одновременно не позволяя частицам проходить через мембрану 24. Диффузия кислорода и углекислого газа через мембрану 24 контролируется различными факторами, например градиентом концентрации через мембрану 24 (пропорциональным величинам дифференциального парциального давления О₂ и СО₂), диффузионной прозрачностью мембраны, геометрией каналов течения на каждой поверхности мембраны 24 в системе 20, доступной площадью диффузионной поверхности мембраны 24, расходом в каналах течения и другими факторами. Любые уровни потребления кислорода или производства углекислого газа во второй газовой области 26 вызывает соответствующий переход выбранного газа через мембрану 24.

На фиг. 2а и 2b графически показаны теоретическое забивание частицами и разность давлений соответственно через мембрану 24 вдоль направления потока, проходящего через мембрану диффузионного газообмена (МДГО) при использовании системы диффузионного газообмена такой, как изображена на фиг.1. Кривая 40 соответствует статическому давлению воздуха в первой камере 28. Поток окружающего газа поступает в первую камеру 28 из первой области 22 через впускное отверстие 42, показанное левой вертикальной осью. Статическое давление в первой камере 28 падает, когда поток окружающего газа проходит через первую камеру 28 к выпускному отверстию 44, обозначенному правой вертикальной осью. В примере осуществления, представленном на фиг.1, поток окружающего газа проходит через вторую камеру 30 в обратном направлении. Как следствие, давление на мембране будет самым высоким у входа 48, что фиксируется пересечением правой вертикальной оси и кривой 46 на графике давления, показанном на фиг.2b. В некоторой точке у середины системы 20 диффузионного газообмена разность давлений через мембрану 24 равен приблизительно нулю на пересечении кривых 40, 46. Направления потоков окружающего газа через систему 20 могут быть скорее параллельными или смещенными под некоторым углом друг к другу, а не противоположными, хотя противоток обычно приводит к наибольшей интенсивности массообмена системы. Увеличение падения давления на мембране 24 также может вызвать обусловленный давлением поток, дополняющий или уменьшающий диффузионный поток газов.

Забивание частицами мембраны 24 обусловлено, в основном, разностями давлений между противоположными поверхностями мембраны 24. Как показано на фиг. 2а, кривая 50 соответствует забиванию частицами первой поверхности 23 мембраны 24. Поскольку наибольшая разность давлений наблюдается на мембране 24 у входа 42, обозначенном левой вертикальной осью, наибольшее забивание частицами присутствует здесь. Оно значительно снижается ближе к центру системы 20 диффузионного газообмена, где разность давлений приближается к нулю на мембране 24, хотя забивание частицами может быть больше нуля из-за беспорядочного движения газа и соответствующего броуновского движения частиц. Соответственно, забивание частицами на второй поверхности 25 мембраны 24 будет максимальной у входа 48. Если предположить, что объем потока окружающего газа на второй поверхности 25 обычно содержит меньше частиц, общий уровень забивания частицами, представленный в кривой 52, ниже. Как было установлено в случае с первой камерой 28, забивание частицами значительно снижается при снижении разности давлений на мембране 24.

На фиг.3 схематически представлена многослойная система 60 диффузионного газообмена, предназначенная для максимизации площади поверхности диффузионных мембран 61 между потоком 62 загрязненного окружающего газа и потоком 64 менее загрязненного окружающего газа. Как видно в зоне R, концентрация кислорода, углекислого газа, водяных паров и других газов и паров, диффундирующих через мембрану 61, меняется в ходе активной диффузии. Например, при ламинарном потоке и предположении, что концентрация выбранного или заданного газа выше в потоке 62 загрязненного окружающего газа, концентрация С_х заданного газа в потоке 62 загрязненного окружающего газа у осевой линии D₁ обычно выше, чем концентрация заданного газа С_у вследствие диффузии через мембрану 61. В то время как заданный газ продолжает диффундировать через мембрану 61, концентрация кислорода С₁ на противоположной поверхности мембраны будет выше, чем концентрация С₂. По истечении некоторого периода времени концентрация С_х будет продолжать уменьшаться, а концентрация С₂ будет продолжать увеличиваться, в то время как потоки 62, 64 окружающего газа будут продолжать протекать.

В условиях ламинарного потока самая высокая скорость потока окружающего газа обычно наблюдается вдоль осевых линий D₁, D₂ струй 62, 64 потоков окружающего газа. Данная скорость стремится к снижению ближе к мембране 61. Концептуально, диффузия через мембрану 61 ограничивается тремя препятствиями: первый граничный слой между С_х и С_у, мембрана 61 и второй граничный слой между С₁ и С₂. Препятствие в виде граничного слоя обычно уменьшается в случае турбулентного потока окружающего газа.

На фиг. 4 представлено схематическое изображение сетчатого слоя 80 для использования в слоистой системе диффузионного газообмена. Сетчатый слой 80 имеет ряд перегородок 82 для направления потока окружающего газа вдоль дискретных траекторий 84 и 86 потоков. Кроме того, перегородки 82 служат как проставки между чередующимися слоями мембран. Система диффузионного газообмена может быть составлена из чередующихся сетчатого слоя 80 и листов мембраны (не показаны). Чередующиеся сетчатые слои 80 могут быть провернуты на 180^o по отношению друг к другу, с тем чтобы перегородки 82' вдоль конечных участков 87, 88 образовывали конфигурацию с поперечным потоком. Отделяемые участки 81 удерживают перегородки и другие элементы пространственно разнесенными при сборке и удаляются после того, как мембранный пакет собран. В случае противотока зоны 83 и 83b действуют как входы, а зоны 85а и 85b как выходы. Для сонаправленного потока зоны 83а и 85b действуют как входы, а 83b и 85а как выходы.

На фиг.5 схематично представлена многослойная система диффузионного газообмена 90. Ряд мембран 99 образуют пространственно разнесенную конфигурацию при помощи ряда перегородок 97. Чередующиеся слои потока 92 загрязненного окружающего газа проходят через каналы 94 перпендикулярно потоку 98 менее загрязненного окружающего газа в каналах 96.

На фиг.6 представлено схематичное изображение системы диффузионного газообмена 200 в сочетании с теплообменником типа "воздух-воздух" 202. Поток холодного окружающего газа из первой газовой области 204 поступает в систему через впускное отверстие 206 и выходит из системы через отверстие 208. Газ проходит по первому газовому тракту 213 на подающем участке 211 под воздействием соответствующего приводного устройства, например вентилятора, насоса, компрессора, сильфона и т.п. Поток окружающего газа, поступающий во впускное отверстие 206, подводится к первой поверхности мембраны 212 диффузионного газообмена в граничной области диффузионного газообмена на участке 210с. Мембрана в значительной мере отделяет то, что относится к подводящему участку 211 первого газового тракта 213, от его отводящего участка 215. Вторая или более теплая газовая струя 217 из второй газовой области 216 контактирует с противоположной поверхностью мембраны 212 для осуществления диффузионного обмена между первым газовым трактом 213 и вторым газовым трактом 217 на участке 210с. Через среду 212 также происходит теплообмен, так что более прохладный газовый поток 213 подогревается на участке 210с. Первый газовый поток в тракте 213, имеющий в данный момент пониженное содержание кислорода и более теплый на участке 210с, продолжает поступать вдоль отводящего участка 215 газового тракта 213 на позицию 210b, где он вступает в теплообмен с более холодным потоком окружающего газа из подводящего участка 211 в месте 210а, таким образом подогревая входящий газ.

Диффузия ламинарной/турбулентной массы Работа устройства диффузионного газообмена зависит от предварительного выбора между ламинарным и турбулентным режимами течения. В каналах прямоточной конфигурации ламинарный поток имеет место при числе Рейнольдса менее приблизительно 2300. Турбулентный поток имеет тенденцию к возникновению при значении выше приблизительно 2300. Число Рейнольдса определяется как отношение инерционных сил к вязкостным, то есть Re = DV/,, где - плотность текучей среды, D - эквивалентный диаметр канала, V - скорость потока и - вязкость текучей среды.

Для газа, протекающего по каналу, граничный слой определяется частью движущегося газа, на который влияет присутствие твердой границы, например пористой мембраны. Для данной мембраны толщина граничного слоя определяет количество газа, перепускаемого от одной поверхности мембраны к другой. Более толстые граничные ламинарные слои способствуют переносу меньшего количества газа через мембрану по сравнению с более тонкими турбулентными граничными слоями (вязкими подслоями), которые находятся ближе и присоединены к диффузионной мембране. В то же время, расходы ламинарных потоков дают более высокие концентрационные профили по длине канала из-за более длительного времени нахождения в них текучей среды.

Для данной конфигурации канала существует оптимальное сочетание расхода, тракта, ширины и длины канала и зазора канала, при которых массообмен от входа к выходу достигает максимальной величины, имея в виду, что большие перепады давления при очень высоких расходах могут иметь отрицательный эффект из-за возможной деформации мембраны и стоимости энергии, предназначенной для вентилятора.

В целях анализа воздействия ламинарного или турбулентного потока на массообмен, был осуществлен ряд экспериментов для установления связи между массообменом и режимом потока в условиях параллельного потока.

Диффузионные испытания в условиях ламинарного/турбулентного потока Устройство для проведения экспериментов, входящих в программу данного испытания, состояло из двух одинарных горизонтальных каналов для обеспечения течения, разделенных между собой мембраной (материал, используемый в примере 5, приведенном ниже). Каждый имел следующие размеры: толщина 1/8 дюйма (3,175 мм), ширина 0,3125 дюйма (7,9375 мм) и длина 4 дюйма (10,16 см). Устройство воспроизводило конфигурацию потока, приведенную на фиг.1, за исключением того, что входы и выходы его были ориентированы под углом 90^o по отношению к оси тракта, а течение было скорее сонаправленным, а не противоточным.

В тракте потока в первой камере 28 находился сверхчистый азот (0% кислорода), а в нижнем потоке второй камеры 30 проходил предварительно профильтрованный лабораторн