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 (с_вд) и концентрации СО₂ поступающую в патрон на стадии выдоха (с_вх), необходимо также учесть влияние «вредного пространства», зависимость величины которого от времени t описывается уравнением:

,

где V_pn – 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.