СОДЕРЖАНИЕМ КИСЛОРОДА

Область техники. Изобретение относится к области разделения га- зов, а более конкретно - к технологии получения гипоксических газовых смесей (т.е. с пониженным содержанием кислорода и повышенной концен- трацией азота) для их последующей подачи в замкнутые помещения и ем- кости. Гипоксические газовые смеси находят применение в самых разно- образных сферах деятельности человека, в том числе: для снижения пожа- ро- и взрывоопасности различных объектов (при снижении концентрации кислорода в воздухе до 15-12% вероятность воспламенения горючих ве- ществ снижается в 5-10 раз, что эффективно решает задачу обеспечения пожаро- и взрывобезопасности, например, при хранении нефтепродуктов в емкостях); для решения задачи повышения сохранности различных объек- тов при их хранении за счет снижения скорости окисления материалов (например, при хранении фонда книжных изданий, представляющих исто- рическую ценность, произведений живописи, различных устройств, мате- риал которых склонен к коррозии и т.п.); в лечебных и спортивных целях (например, путем гипоксической терапии при лечении целого ряда заболе- ваний людей и животных или путем тренировок спортсменов или спортив- ных животных в гипоксической среде, что существенно повышает физиче- ские возможности организма и обеспечивает получение высоких спортив- ных результатов). Кроме того, гипоксические смеси с высоким содержани- ем азота при концентрации кислорода менее 2% могут эффективно приме- няться для тушения уже возникшего пожара путем их быстрого вброса в очаг пожара. Такие смеси могут быть заранее накоплены в специальном ресивере.

ЗАМЕНЯЮ ИЙ ЛИСТ ПРАВИЛО 26 Предшествующий уровень техники. Известен технический комплекс для создания и поддержания в замкнутых помещениях атмосферы с пони- женным содержанием кислорода, предназначенный для подачи гипоксиче- ской смеси во внутренний объем помещения с целью предотвращения и тушения пожара внутри него, представленный в патентах США 5799652 от 30.03.1999, jN 5924419 от 20.07.1999 и Из 5887439 от 01.09.1999.

Указанный комплекс включает в себя источник азота - азотный гене- ратор, подающий азот в помещения, оснащенные кондиционером, шлюзо- выми дверями, устройствами для поддержания определенной влажности и температуры, а также фиксированной концентрации кислорода в воздухе помещения. Все параметры контролирует, регулирует и поддерживает со- ответствующая система управления. Для выброса гипоксической смеси в наружную атмосферу в помещении предусмотрен выхлопной трубопровод. Известный генератор азота работает по принципу коротко-цикловой ад- сорбции, основанной на разной сорбционной активности сорбента по от- ношению к кислороду и азоту. Через определенные короткие промежутки времени в двух адсорберах, попеременно работающих, происходит повы- шение, а затем понижение давления воздуха, за счет чего осуществляется его разделение на азот и кислород. Кислородный поток сбрасывается в ат- мосферу, а азотный поступает в помещение. Разделение газов происходит в одном цикле быстро переключающимися клапанами в течение 40-90 се- кунд. Циклы последовательно повторяются. Недостатками этого изобрете- ния являются:

- невысокий срок службы клапанов из-за частого их переключения; - необходимость периодической регенерации сорбента;

- высокие требования к герметичности помещений.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Наиболее сложно решить техническую задачу по третьему из пере- численных недостатков - обеспечить необходимую герметичность поме- щения.

Наружное атмосферное давление не может оставаться неизменным и меняется, как правило, в интервале 780-730 мм рт. ст. При понижении ат- мосферного давления часть азотной смеси из помещения просачивается через поры, микрощели помещения и выходит наружу. Состав газовой смеси в помещении при этом не изменяется, но расход азота растет. В слу- чае же, когда давление атмосферы превышает давление гипоксической смеси в помещении, атмосферный воздух проникает в это помещение че- рез неплотности конструкции и ее материалов и повышает в гипоксиче- ской среде концентрацию кислорода, что является недопустимым. Реше- ние технической задачи по устранению этой проблемы представляется достаточно сложной. Невозможно обеспечить абсолютную герметизацию помещения, к тому же и достижение высокого уровня герметизации явля- ется трудоемким и дорогостоящим процессом.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения (прототи- пом) является технический комплекс для создания и поддержания в замк- нутых помещениях атмосферы с пониженным содержанием кислорода по патенту США N° 6314754 от 13.11.2001. В данном техническом решении для формирования гипоксической смеси применяется азотный генератор, основанный на использовании селективной проницаемости компонентов воздуха - кислорода и азота - через стенки полых полимерных волокон. Указанный комплекс включает в себя азотный генератор с входным трубо- проводом, расположенный вне помещения, трубопровод подачи гипокси- ческой смеси во внутренний объем помещения, устройство кондициониро- вания газовой смеси в помещении с контролем температуры и состава по компонентам, шлюзовые комнаты с герметичными дверями и систему управления.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Для осуществления процесса газоразделения компрессор осуществ- ляет сжатие наружного атмосферного воздуха и подает его внутрь полых волокон азотного генератора. Кислород, просачиваясь через стенки воло- кон в межволоконное пространство, выходит в наружную атмосферу, а внутри волокон концентрируется азот, который из волокон поступает во внутренний объем предусмотренного для создания и поддержания гипок- сической атмосферы помещения. С противоположной стены помещения происходит сброс воздуха из внутреннего объема через сбросной трубо- провод, оснащенный водяным затвором. Помещение оборудовано кон- трольно-измерительными приборами и устройствами для поддержания в помещении определенного влажностного, температурного режима и за- данной концентрации кислорода. Регулирование и поддержание заданных параметров внутренней атмосферы помещения осуществляет соответст- вующая система управления.

Недостатками прототипа являются:

- длительный период времени для создания в помещении газовой смеси с определенной величиной концентрации кислорода;

- большая трудоемкость и, соответственно, капитальные затраты на герметизацию помещения;

- частые включения азотного генератора для обеспечения необходи- мой концентрации кислорода из-за недостаточной герметизации помеще- ния, что приводит к увеличению энергозатрат и снижению ресурса.

Раскрытие изобретения. Предлагаемое изобретение полностью ре- шает технические задачи по устранению перечисленных выше недостатков прототипа. Одной из главных технических задач является исключение проникновения атмосферного воздуха в помещение при колебании значе- ния атмосферного давления даже при недостаточной герметичности по- мещения.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) Решение данной задачи достигается тем, что в стене помещения, противоположной стене, за пределами которой расположен генератор азо- та, вмонтирован отрезок трубы, соединяющий внутренний объем помеще- ния с наружной атмосферой и снабженный собранным в пакет набором плоских полых мембранных ячеек с дистанцирующими полыми проклад- ками между ними, селективных к кислороду, соединенных в свою очередь по внутренней полости набора с вакуум-насосом, а по межячеечной полос- ти - с помещением. При этом оптимальная величина зазоров между пло- скими ячейками составляет от 1 до 3 мм, а площади общего свободного проходного сечения отрезка трубы - не менее 300 см.

Благодаря наличию отрезка трубы с набором плоских полых мем- бранных ячеек, соединенных с вакуум-насосом, при повышении атмосфер- ного давления наружный атмосферный воздух самопроизвольно будет проникать в помещение через зазоры мембранных ячеек и автоматически обогащаться азотом, а кислород будет откачивается через набор мембран- ных ячеек вакуум-насосом. Поэтому наружный атмосферный воздух по- пасть в помещение через набор мембранных ячеек не может. Кроме того, поскольку воздух движется по линии наименьшего сопротивления, он пройдет, прежде всего, через широкую трубу, а не через мелкие щели в стенах. Для обеспечения указанного эффекта общее сечение отрезка трубы должно быть не менее 300 см .

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет сни- зить капитальные затраты, связанные с дорогостоящей герметизацией по- мещения, а также снизить энергозатраты и продлить срок службы генера- тора азота за счет работы последнего более короткое время. Следователь- но, сокращаются как капитальные, так и энергетические затраты.

Вторая техническая задача заключается в уменьшении времени соз- дания гипоксической смеси в помещении. Она решается путем обеспече-

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) ния циркуляции гипоксической смеси в процессе ее создания в помеще- нии. Для этого в стену помещения, противоположную стене, за пределами которой расположен генератор азота, встроен трубопровод, соединяющий внутренний объем помещения с входным трубопроводом генератора азота.

Таким образом, на вход компрессора начинает поступать смесь с концентрацией азота большей, чем в воздухе, что и ускоряет процесс соз- дания гипоксической смеси в помещении в 1,5 - 2 раза.

Третья техническая задача заключается в удалении вредных приме- сей (сернистый ангидрид - S0 ₂ , сероводород - H ₂ S , аммиак - NH ₃ ) из воздуха помещения. Это особенно важно при хранении картин и фонда древних книг. Вредные примеси, накапливаясь в гипоксической смеси, мо- гут вступить во взаимодействие с компонентами краски и бумаги, что мо- жет стать причиной потемнения картин или разрушения бумаги. Для ре- шения этой задачи азотный генератор снабжен дополнительной мембран- ной секцией, селективной к вредным примесям, расположенной между входом генератора азота и выходом трубопровода, соединяющего внут- ренний объем помещения и входной трубопровод генератора азота. В про- цессе циркуляции газовой смеси происходит удаление и сброс вредных веществ в наружную атмосферу. Вместо дополнительной мембранной сек- ции непосредственно в генераторе азота может быть размещены плоские ячейки на основе плоской газопроницаемой мембраны, селективной к ки- слороду, к сернистому ангидриду, сероводороду, аммиаку.

Краткое описание чертежа. На фиг. 1 изображена принципиальная схема комплекса для создания и поддержания гипоксической атмосферы в замкнутых помещениях.

Лучший вариант осуществления изобретения. На фиг. 1 изображена принципиальная схема комплекса, предназначенного для создания и под- держания гипоксической атмосферы в помещении 1 , который включает ге- нератор азота 2 на основе полых газоразделительных волокон или плоской

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) асимметричной мембраны и ресивер 3, предназначенный для формирова- ния запаса высококонцентрированного азота, необходимого для тушения пожара при возгорании объектов, хранящихся в помещении. Помещение оборудовано кондиционером 4, поддерживающим определенную темпера- туру, системой измерения всех параметров газовой среды и температуры 5 и шлюзовыми дверями 6, исключающими поступление атмосферного воз- духа в помещение. Тем самым исключается изменение заданных парамет- ров по составу газовой смеси и температуры.

Для удаления вредных примесей (сернистый ангидрид - S0 ₂ , серо- водород - H ₂ S, аммиак - NH ₃ ) применена дополнительная мембранная сек- ция 7 на базе газоразделительных мембран, высокоселективных к выше- у помянутым примесям.

Для создания перепада давления на мембранах азотного генератора 2 и дополнительной мембранной секции 7 на входе дополнительной мем- бранной секции установлен компрессор 8 винтового типа.

Вне помещения расположен собранный в пакет набор 9, включаю- щий плоские полые мембранные ячейки 10, находящиеся в отрезке трубы 1 1. Между мембранными ячейками находятся полые дистанцирующие прокладки 12, за счет чего весь объем набора ячеек 9 разделяется на полос- ти атмосферного давления и вакуума. Для создания вакуума во внутренней полости мембранных ячеек предусмотрен вакуум-насос 13. Трубопроводы снабжены регулирующими вентилями 14, 15, 16, 17 , 18, 19.

Вакуумная полость набора мембранных ячеек 9 соединена трубопро- водом 20 с вакуум-насосом 13. Межячеечная полость (полость атмосфер- ного давления) соединена с одной стороны через вентиль 14 с внутренним объемом помещения, а другой - с атмосферой.

С помощью трубопровода 21 внутренний объем помещений сообща- ется с всасывающим патрубком компрессора 8, причем вывод воздуха из

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) помещения (через вентиль 15) расположен противоположно вводу азота из азотного генератора 2 (через вентиль 15).

В комплекс входит система 22 измерения и управления параметрами создания, и поддержания в помещении определенных значений газового состава, температуры и влажности.

Комплекс функционирует следующим образом. При включенной системе управления 22 по ее команде происходит частичное открытие вен- тилей 19, 18, 15 и полное открытие вентиля 14. Затем начинает работу компрессор 8. Под действием перепада давлений, создаваемого компрес- сором 8 в азотном генераторе 2 и в мембранной секции 7, за счет селектив- ной проницаемости мембраны азотного генератора кислород, который преимущественно проникает через мембрану, выходит на сброс в наруж- ную атмосферу, а над мембраной образуется газовая смесь, обогащенная азотом. Азот через вентиль 18 поступает в помещение 1 , перемешивается с воздухом и выходит через вентиль 15 в трубопровод 21 и поступает на вса- сывающий патрубок компрессора 8.

Одновременно с выбросом кислорода из азотного генератора 2 и до- полнительной мембранной секции 7 через открытый трубопровод в атмо- сферу через вентиль 19 в компрессор поступает новая порция воздуха.

Таким образом, происходит циркуляция воздуха, обогащенного азо- том из помещения на очередную стадию газоразделения. За счет этого концентрация азота в газовой смеси в помещении начинает быстро нарас- тать. Это происходит потому, что каждый раз в мембранную секцию 7 и в генератор азота 2 поступает воздух, ранее уже обогащенный азотом, по- этому время создания азотной среды в помещении сокращается в 1 ,5 -2 раза.

Одновременно через мембрану мембранной секции 7 за счет ее се- лективной проницаемости в атмосферу сбрасываются вредные вещества

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) (сернистый ангидрид - S0 ₂ , сероводород - H ₂ S, аммиак - NH ₃ ). При дос- тижении в газовой среде помещения заданной концентрации азота система управления 22 отключает компрессор 8 и закрывает вентили 19, 18 и 15.

После создания газовой среды система управления 22 открывает вен- тиль 16 и включает вакуум-насос 13. За счет создания перепада давления над мембранами ячеек 10 в наборе мембранных ячеек 9 воздух, поступаю- щий в него, обогащается азотом, а воздух, обогащенный кислородом, вы- ходит через вакуум-насос 13 в атмосферу.

Если атмосферное давление ниже, чем в помещении 1 , то газовая среда выходит в атмосферу через набор мембранных ячеек 9. Если атмо- сферное давление выше давления в помещении 1 , то атмосферный воздух, проходя через набор мембранных ячеек 9, обогащается азотом и поступает в помещение 1. Таким образом, набор мембранных ячеек 9 выполняет функцию азотного затвора, предотвращая попадание атмосферного возду- ха в помещение 1.

Учитывая, что зазоры между мембранными ячейками 10 составляют от 1 до 3 мм, а площадь общего свободного проходного сечения отрезка трубы 1 1 , в котором расположен набор мембранных ячеек 9 составляет не менее 300 см , можно гарантировать, что атмосферный воздух будет попа- дать большей частью не через узкие щели и зазоры в конструктивных эле- ментах помещения 1 , а через набор мембранных ячеек 9, обладающий бо- лее низким гидравлическим сопротивлением. При этом, воздух, попадая в набор мембранных ячеек 9 и двигаясь между мембранными ячейками 10 за счет перепада давления на мембранах, создаваемого вакуум-насосом 13, автоматически будет обогащаться азотом.

Предлагаемым изобретением в комплексе для создания и поддержа- ния гипоксической атмосферы в замкнутых помещениях дополнительно предусмотрен ресивер 3, предназначенный для заполнения его азотом с

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26) концентрацией 97-99% с помощью генератора азота 2. Объем его зависит от объема помещения. Ресивер 3 предназначен для тушения пожара в слу- чае резкой (внезапной, аварийной) разгерметизации помещения и возник- новения возгорания. В этом случае ресивер 3 быстро выбрасывает азот в зону пламени и гасит пожар.

Промышленная применимость. Предлагаемое изобретение может быть реализовано на основе известных технических средств, конструкци- онных материалов, контрольно-измерительной аппаратуры, программного обеспечения и не требует детальной проработки отдельных узлов и дета- лей, которая может быть сделана при проектировании конкретных объек- тов стандартными методами.

При наличии набора плоских полых мембранных ячеек, выполнен- ных, например, из поливинилтриметилсилана, и дополнительный ресивер, нет необходимости применять высокопроизводительные дорогостоящие азотные генераторы. Чтобы создать в помещении необходимую газовую среду и заполнить ресивер, время достижения заданных параметров особо- го значения не имеет, поэтому может быть применен генератор малой про- изводительности.

Что же касается поддержания состава гипоксической смеси в поме- щении, удаления вредных примесей и заполнения ресивера азотом, то это решается малыми капитальными и энергетическими затратами благодаря реализации отличительных признаков предлагаемого изобретения.

ЗАМЕНЯЮЩИЙ ЛИСТ (ПРАВИЛО 26)