Майстренко
А.В., Ерохин О.И.
Тамбовский
государственный технический университет, Россия
Моделирование процесса регенЕрации воздуха
в дыхательном аппарате
При моделировании работы изолирующего
дыхательного аппарата (ИДА) наиболее значимыми являются следующие параметры
процесса: концентрация диоксида углерода в дыхательном мешке и на вдохе,
концентрация диоксида углерода во вредном объеме, скорость выделения кислорода
в зависимости от характеристик аппарата (конструктивные особенности аппарата,
тип и характеристики продукта), условия эксплуатации и режима работы. При этом целесообразно
рассматривать ИДА как единую систему, подсистемы которой находятся в
иерархической зависимости, а математическую модель строить на основе
предварительного моделирования ее составных частей, связываемых специально введенными
для этого соотношениями или общими переменными.
Процесс хемосорбции газообразного компонента
твердым пористым сорбентом включает в себя внешний массообмен между ядром
потока и поверхностью пористого тела, диффузию в пористом материале, и,
наконец, химическое взаимодействие. Взаимодействие надпероксида калия с
диоксидом углерода в присутствии водяных паров может быть представлено итоговым
уравнением
.
При этом первичным актом в процессе регенерации
является взаимодействие KO2 с водяным паром по
уравнению
.
Затем идет образование карбоната или бикарбоната
калия по уравнениям
;
.
Процесс
массопереноса диоксида углерода в газовоздушной смеси с учетом массоотдачи в
пластины регенеративного продукта описывается дифференциальным уравнением в
частных производных:
.
Будем
рассматривать одномерную диффузию в направлении, перпендикулярном движению
потока газовоздушной смеси. Тогда процесс диффузии с учетом хемосорбции в
пластине сорбента описывается дифференциальным уравнением в частных
производных:
.
Внутридиффузионная
кинетика химических процессов формализуется уравнением типа бимолекулярной
реакции: .
Выражая
уравнение через степень отработки и считая, что коэффициент предельной сорбции a0 не зависит от
времени, получаем: ,
где – коэффициент
массообмена, с–1; , – текущее и предельное значения поглощения
реагента соответственно, м3/м3.
Для нахождения концентрации СО2 во вдыхаемой газовоздушной смеси (свд) и концентрации СО2 поступающую в патрон на
стадии выдоха (свх), необходимо
также учесть влияние «вредного пространства», зависимость величины которого от
времени t описывается уравнением:
,
где Vpn – объем
реактора, занимаемый регенертивным продуктом, L – длина
пластины, H – толщина
пластины.
Приведенные уравнения математического описания
процесса регенерации воздуха необходимо дополнить выражениями для расчета
значений концентраций СО2 в
выдыхаемом воздухе и в потоке, поступающем во «вредное пространство», а также
уравнениями, имитирующими работу «искусственных легких». При этом в режиме работы
дыхательного аппарата с накоплением концентрация диоксида углерода, эта
концентрация будет рассчитываться как сумма концентрации потока CO2, поступившего в дыхательный аппарат на стадии вдоха, и
концентрации CO2 задаваемой установкой «искусственных
легких».
Предложенная математическая модель
использовалась для моделирования процесса регенерации воздуха в изолирующем
дыхательном аппарате. Основным режимом испытаний является номинальный режим,
при котором аппарат фактически имеет среднее время защитного действия в 17.7
мин (при заданном времени защитного действия 15 мин), а концентрация кислорода
на вдохе достигает 90%. На рисунках 1 и 2 приведены сравнения экспериментальных
кривых и расчетных значений концентраций диоксида углерода и кислорода на вдохе.
|
|
Рис.1
– Концентрация диоксида углерода на вдохе; 1 – экспериментальные данные, 2 –
результат моделирования |
Рис.
2 – Концентрация кислорода на вдохе; 1 – экспериментальные данные, 2 – результат
моделирования |
Сравнение экспериментальных кривых и расчетных
значений позволяет сделать вывод об адекватности предложенной математической
модели в различных режимах работы ИДА. Это позволяет проводить дальнейшие
исследования по выявлению зависимости процесса регенерации от температуры, так
как процесс хемосорбции сопровождается обильным выделением тепла, а значительное
увеличение температуры приводит к термическому разложению продукта и
образованию побочных продуктов реакции.