RU2033579C1

RU2033579C1 - Diffusion gas exchanger

Info

Publication number: RU2033579C1
Authority: RU
Inventors: Евгений Дмитриевич Воробьев
Original assignee: Евгений Дмитриевич Воробьев
Priority date: 1992-06-02
Filing date: 1992-06-02
Publication date: 1995-04-20

Abstract

FIELD: gas exchange apparatus. SUBSTANCE: diffusion gas exchanger has stack of porous diaphragms with spacer gasket forming two groups of mutually perpendicular straight-way slotted passages with inlet and outlets located on opposite lateral sides of the stack. Spacer gaskets are made in form of rectangular frames of similar height of sides. Geometric parameters of passages satisfy the relationship given in the description. EFFECT: enhanced efficiency. 3 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к вентиляции, в частности к устройствам для очистки и регенерации сред с помощью пористых мембран, получаемых, например, облучением полимерной пленки потоком ускоренных частиц. The invention relates to ventilation, in particular to devices for cleaning and regenerating media using porous membranes obtained, for example, by irradiating a polymer film with a stream of accelerated particles.

Известна система кондиционирования воздуха, которая содержит модуль из ядерных мембран, образующих перекрестно направленные проточные камеры двух направлений, при этом камеры одного направления продуваются наружным воздухом, с камеры другого направления продуваются воздухом рабочего помещения [1]
Данная система не удовлетворяет требованиям потребителя по снижению энергетических затрат на прокачку воздуха, по повышению компактности и снижению стоимости изделия, а также по увеличению срока его работы.Known air conditioning system, which contains a module of nuclear membranes forming cross-directional flow chambers in two directions, while the chambers of one direction are blown with outside air, with the camera of the other direction are blown with air of the working room [1]
This system does not meet the requirements of consumers to reduce energy costs for pumping air, to increase compactness and reduce the cost of the product, as well as to increase its life.

Известно также устройство для вентиляции помещения, выбранное за прототип, содержащее блок обработки воздуха, выполненный в виде многоканального мембранного модуля, имеющего корпус и параллельно расположенные перегородки из полимерного материала с газонепроницаемыми прокладками, образующими между собой чередующиеся каналы вытяжного и наружного воздуха, расположенные в модуле перпендикулярно друг другу, причем по меньшей мере часть прокладок выполнена из полимерных пористых мембран, а в прокладках модуля может быть расположено душирующее устройство [2]
Недостатками данного устройства являются его низкая удельная производительность по газообмену, значительные энергозатраты на прокачку воздуха через его щелевые каналы и неопределенный срок его службы, отсутствие увязки его параметров с конкретными условиями эксплуатации.A device for ventilation of the room is also known, selected as a prototype, comprising an air processing unit made in the form of a multi-channel membrane module having a housing and parallel partitions made of polymer material with gas-tight gaskets forming alternating channels of exhaust and external air located perpendicular to the module each other, at least part of the gaskets made of polymer porous membranes, and souls can be located in the gaskets of the module turning device [2]
The disadvantages of this device are its low specific gas exchange productivity, significant energy consumption for pumping air through its slotted channels and its indefinite service life, the lack of coordination of its parameters with specific operating conditions.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является увеличение удельной производительности диффузионного газообменника, уменьшение его стоимости и снижение энергозатрат на прокачку воздуха в конкретно заданных условиях его эксплуатации (минимальный размер опасных аэрозольных частиц, уровень запыленности воздуха, поступающего в диффузионный газообменник, допустимый минимальный срок его службы и т.д.). The problem to which the invention is directed is to increase the specific productivity of a diffusion gas exchanger, reduce its cost and reduce energy costs for pumping air under specific conditions of its operation (minimum size of hazardous aerosol particles, dustiness of air entering the diffusion gas exchanger, its admissible minimum period services, etc.).

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении изобретения, является увеличение градиента концентраций и градиента температур газовых компонентов при обеспечении достаточно низкого гидравлического сопротивления диффузионного газообменника. The technical result achieved by the invention is to increase the concentration gradient and the temperature gradient of the gas components while providing a sufficiently low hydraulic resistance of the diffusion gas exchanger.

Для достижения цели диффузионный газообменник содержит верхнюю и нижнюю крышки и расположенный между ними пакет пористых мембран с дистанционирующими прокладками, образущими между собой сквозные прямоточные щелевые каналы, направление которых по одну сторону каждой мембраны перпендикулярно направлению таких же каналов по другую сторону этой мембраны, причем дистанционирующие прокладки выполнены в виде прямоугольных рамок, имеющих одинаковую высоту сторон, а геометрические параметры щелевых каналов удовлетворяют соотношению

K·D_г·C

(1) где К постоянный коэффициент, равный 3,2˙10^-11 м³/мг;
a высота щелевого канала, см;
L длина щелевого канала, см;
D_г коэффициент диффузии газовой компоненты в воздухе, см²/с;
С весовая концентрация аэрозолей в более загрязненном воздухе (наружном или внутреннем), мг/м³;
τ- срок службы диффузионного газообменника, с;
d_п диаметр пор мембраны, мкм;
Δ- толщина мембраны, мкм, причем высота щелевого канала равна высоте сторон рамки.To achieve the goal, the diffusion gas exchanger contains the upper and lower covers and a packet of porous membranes located between them with spacer gaskets forming between them straight through slotted channels, the direction of which on one side of each membrane is perpendicular to the direction of the same channels on the other side of this membrane, and the spacer gaskets made in the form of rectangular frames having the same side height, and the geometric parameters of the slotted channels satisfy the ratio

K · D _g · C

(1) where K is a constant coefficient equal to 3.2˙10 ^-11 m ³ / mg;
a height of the slotted channel, cm;
L the length of the slotted channel, cm;
D _g the diffusion coefficient of the gas component in the air, cm ² / s;
C weight concentration of aerosols in more polluted air (external or internal), mg / m ³ ;
τ is the service life of the diffusion gas exchanger, s;
d _{p the} diameter of the pores of the membrane, microns;
Δ is the thickness of the membrane, microns, and the height of the slot channel is equal to the height of the sides of the frame.

Входы и выходы сквозных прямоточных щелевых каналов образованы скосами, расположенными на верхней и нижней плоских частях соседних рамок. При этом меньшие стороны рамок снабжены внутренними скосами со стороны верхней плоской части рамки, направленными к центру рамки, а большие стороны рамки снабжены наружными скосами со стороны нижней плоской части, направленными от центра рамки, причем расстояния от центра рамки до внутренних и соответственно до внешних краев скосов равны между собой. The entrances and exits of through straight-through slotted channels are formed by bevels located on the upper and lower flat parts of adjacent frames. The smaller sides of the frames are provided with inner bevels on the side of the upper flat part of the frame, directed towards the center of the frame, and the larger sides of the frame are equipped with external bevels on the side of the lower flat part, directed from the center of the frame, and the distances from the center of the frame to the inner and, respectively, to the outer edges bevels are equal to each other.

Меньшие стороны рамки соединены рядом перемычек, параллельных между собой и большим сторонам рамки, а соседние рамки расположены так, что их перемычки перпендикулярны друг другу. По углам рамки выполнены выступы, увеличивающие длину меньшей стороны рамки до величины, равной длине большей стороны рамки. Выступы снабжены прорезями с внутренними глухими концами, выполненными в форме полуокружностей, центры которых расположены по вершинам квадрата, а направление прорезей совпадает с направлением диагоналей квадрата. The smaller sides of the frame are connected by a series of jumpers parallel to each other and the larger sides of the frame, and adjacent frames are located so that their jumpers are perpendicular to each other. At the corners of the frame there are protrusions extending the length of the smaller side of the frame to a value equal to the length of the larger side of the frame. The protrusions are provided with slots with inner blind ends made in the form of semicircles, the centers of which are located at the vertices of the square, and the direction of the slots coincides with the direction of the diagonals of the square.

Стоимость диффузионного газообменника определяется в основном количеством ядерной (трековой) мембраны, расходуемой на его изготовление. Следовательно, чтобы уменьшить стоимость диффузионного газообменника надо увеличить его удельную производительность. Этого можно добиться только за счет увеличения градиента концентраций соответствующих газовых компонентов в так называемых пристеночных ламинарных слоях воздуха у поверхности мембраны с обеих ее сторон. Необходимое увеличение градиента концентраций может быть достигнуто в основном за счет уменьшения высоты щелевых воздушных каналов и частично за счет уменьшения их длины. The cost of a diffusion gas exchanger is determined mainly by the amount of nuclear (track) membrane spent on its manufacture. Therefore, in order to reduce the cost of the diffusion gas exchanger, it is necessary to increase its specific productivity. This can only be achieved by increasing the concentration gradient of the corresponding gas components in the so-called near-wall laminar air layers at the membrane surface on both sides of it. The necessary increase in the concentration gradient can be achieved mainly by reducing the height of the slotted air channels and partly by reducing their length.

Увеличение срока службы диффузионного газообменника и снижение энергозатрат на прокачку воздуха через его щелевые каналы могут быть достигнуты только при снижении гидравлического сопротивления этих каналов. Гидравлическое сопротивление щелевых каналов может быть снижено в основном за счет увеличения высоты щелевых каналов и частично за счет уменьшения их длины. В то же время уменьшение длины воздушных каналов неизбежно приводит к существенному увеличению расходуемого количества ядерной (трековой) мембраны на единицу ее рабочей поверхности в диффузионном газообменнике и, значит, увеличивает его стоимость. The increase in the service life of the diffusion gas exchanger and the reduction of energy consumption for pumping air through its slotted channels can be achieved only with a decrease in the hydraulic resistance of these channels. The hydraulic resistance of the slotted channels can be reduced mainly by increasing the height of the slotted channels and partly by reducing their length. At the same time, a decrease in the length of air channels inevitably leads to a substantial increase in the amount of nuclear (track) membrane consumed per unit of its working surface in a diffusion gas exchanger and, therefore, increases its cost.

Чтобы уравновесить противоречивые требования, предъявляемые к геометрическим размерам щелевых каналов диффузионных газообменников, нужна такая оптимизация этих размеров, равно как и параметров ядерной (трековой) мембраны, которая позволяла бы получить максимальный технико-экономический эффект от использования диффузионного газообменника в конкрентно заданных условиях его эксплуатации (минимальный размер опасных аэрозольных частиц, уровень запыленности воздуха, поступающего в диффузионный газообменник, допустимый минимальный срок его службы и др.). In order to balance the conflicting requirements for the geometrical dimensions of the slotted channels of diffusion gas exchangers, we need to optimize these sizes, as well as the parameters of the nuclear (track) membrane, which would allow us to obtain the maximum technical and economic effect of using a diffusion gas exchanger under specific conditions of its operation ( minimum size of hazardous aerosol particles, dust level of air entering the diffusion gas exchanger, permissible minimum life to his service, etc.).

Предлагаемое соотношение позволяет определить для заданных условий эксплуатации диффузионного газообменника геометрические размеры его воздушных каналов, при которых достигается максимальный технико-экономический результат. Входящий в предлагаемое соотношение численный коэффициент практически не может быть вычислен на основании только известных закономерностей диффузионного газообменника и включает в себя в качестве сомножителей коэффициенты, полученные империческим путем на модельных диффузионных газообменниках. The proposed ratio allows you to determine for the given operating conditions of the diffusion gas exchanger the geometric dimensions of its air channels, at which the maximum technical and economic result is achieved. The numerical coefficient included in the proposed ratio can hardly be calculated on the basis of only the known laws of the diffusion gas exchanger and includes, as factors, the coefficients obtained empirically by model diffusion gas exchangers.

Производительность диффузионного газообменника с одинаковыми взаимоперпендикулярными щелевыми каналами внутреннего и внешнего воздуха при одинаковом расходе внутреннего и внешнего воздуха, равном Q, описывается уравнением
q_г

(2) где q_г объемная производительность диффузионного газообменника по данному газовому компоненту, см³/с;
С_о концентрация этого газового компонента в окружающем (внешнем) воздухе (относительная объемная концентрация);
С₁ допустимая концентрация этого газового компонента в воздухе рабочего пространства (относительная объемная концентрация);
S рабочая площадь мембраны диффузионного газообменника, см²;
k безразмерный коэффициент, характеризующий диффузионное сопротивление данного газообменника (зависит от скороти воздуха в щелевом канале, определяется экспериментально);
Q расход внутреннего (внешнего) воздуха через диффузионный газообменник, см³/с.The performance of a diffusion gas exchanger with the same mutually perpendicular slotted channels of internal and external air at the same flow rate of internal and external air equal to Q is described by the equation
q _g

(2) where q _{g is the} volumetric capacity of the diffusion gas exchanger for a given gas component, cm ³ / s;
C _{about the} concentration of this gas component in the surrounding (external) air (relative volume concentration);
C ₁ permissible concentration of this gas component in the air of the working space (relative volume concentration);
S the working area of the membrane of the diffusion gas exchanger, cm ² ;
k dimensionless coefficient characterizing the diffusion resistance of a given gas exchanger (depending on the air velocity in the slotted channel, determined experimentally);
Q consumption of internal (external) air through a diffusion gas exchanger, cm ³ / s.

Это уравнение справедливо и для отдельного щелевого канала диффузионного газообменника, только в этом случае под q_гк подразумевается объемная производительность одного канала, под Q_к расход воздуха через данный щелевой канал, а под S_к рабочая площадь мембраны в одном канале, причем
S_к 2b_к(L 2F), (3) где L 2F рабочая длина щелевого канала, см;
b_к ширина щелевого канала, см;
F длина участка канала, занятого рамками (на каждом конце);
L полная длина щелевого канала.This equation is valid for a single slot channel diffusion gazoobmennika, only in this case, a q _rk meant volumetric throughput of the channel, under the Q _{to the} air flow through the slit channel, and a S _{to the} working area of the membrane in one channel, wherein
S _to 2b _to (L 2F), (3) where L 2F is the working length of the slotted channel, cm;
b _{to the} width of the slotted channel, cm;
F is the length of the channel portion occupied by the frames (at each end);
L The total length of the slotted channel.

Оптимальным режимом работы такого диффузионного газообменника является режим, при котором слагаемые, стоящие в знаменателе, равны между собой, т.е. The optimal mode of operation of such a diffusion gas exchanger is a mode in which the terms in the denominator are equal to each other, i.e.

или Q

(4)
Легко показать, что при заданном значении величины суммы

Q +

производительность газообменника q_г принимает максимальное значение при соблюдении условия (4).

or Q

(4)
It is easy to show that for a given value of the sum

Q +

the performance of the gas exchanger q _g takes its maximum value under the condition (4).

Особенность соотношения геометрических параметров щелевого газового канала состоит в том, что оно позволяет при заданной запыленности С и заданном сроке службы диффузионного газообменника τвыбрать такую высоту a и длину L щелевых каналов, при которых автоматически выполняются и условие (4) и заданные условия газообмена. A feature of the ratio of the geometric parameters of the slotted gas channel is that it allows, for a given dust content C and a given service life of the diffusion gas exchanger τ, to choose a height a and a length L of slotted channels at which both condition (4) and the specified gas exchange conditions are automatically satisfied.

Особенности выполнения конструкции диффузионного газообменника позволяют унифицировать его детали, упростить и повысить качество сборки. Design features of the diffusion gas exchanger allow to unify its parts, simplify and improve the quality of assembly.

На фиг. 1 изображен диффузионный газообменник в сборе; на фиг. 2 изображена разделительная перегородка с мембраной; на фиг. 3 изображен разрез края пакета разделительных перегородок с мембранами. In FIG. 1 shows a diffusion gas exchanger assembly; in FIG. 2 shows a dividing wall with a membrane; in FIG. 3 shows a section of the edge of the package of dividing walls with membranes.

Диффузионный газообменник состоит из прямоугольных дистанционирующих рамок 1 с пористыми, например, трековыми мембранами 2, а также верхней и нижней крышек 3, собранных в пакет с помощью стяжных шпилек 4, причем крышки выполнены квадратными. Перемычки 6 разделительных рамок образуют с мембранами 2 щелевые каналы 5. Высота a щелевого канала равна высоте Н рамки, длина L щелевого канала равна длине L рамки. Щелевые каналы расположены параллельно большей стороне рамки. Перемычки 6 соединяют меньшие, т.е. наиболее удаленные друг от друга, противоположные стороны 7 рамки. Эти стороны снабжены внутренними скосами 8 со стороны верхней плоской части 15 рамки, направленными к центру рамки. Две другие большие стороны 9 рамки снабжены наружными скосами 10 со стороны нижней плоской части 16 рамки, направленными от центра рамки. Такое выполнение скосов разделительных рамок дает возможность сохранить по периметру рамок замкнутую плоскую поверхность 16 для крепления мембраны. Угол наклона входного и выходного участков канала невелик, таким образом, канал остается как бы полностью прямоточным, и его длина L соразмерна с длиной L рамки. Перемычки соседних рамок перпендикулярны друг другу, а скосы соседних рамок образуют наклонные щели 11, являющиеся продолжением каналов 5. Шпильки размещены в отверстиях 12 крышек 3. Отверстия одной из крышек по диаметру больше диаметра шпилек, что позволяет наклонять шпильки в стороны при сборке пакета. По углам рамок выполнены выступы 13, увеличивающие длину меньшей стороны рамки до величины большей стороны рамки. В выступах выполнены полукруглые прорези 14, глухие концы которых выполнены в форме полуокружностей с центрами, расположенными по вершинам квадрата. Направление прорезей совпадает с направлением диагоналей этого квадрата. The diffusion gas exchanger consists of rectangular spacer frames 1 with porous, for example, track membranes 2, as well as upper and lower covers 3, assembled in a bag with tie rods 4, and the covers are made square. The jumpers 6 of the dividing frames form slotted channels with the membranes 2. The height a of the slotted channel is equal to the height H of the frame, the length L of the slotted channel is equal to the length L of the frame. Slotted channels are parallel to the larger side of the frame. Jumpers 6 connect the smaller, i.e. most distant from each other, opposite sides 7 of the frame. These sides are provided with inner bevels 8 on the side of the upper flat part 15 of the frame, directed towards the center of the frame. Two other large sides 9 of the frame are provided with outer bevels 10 from the side of the lower flat part 16 of the frame, directed from the center of the frame. This embodiment of the bevels of the dividing frames makes it possible to maintain a closed flat surface 16 for fastening the membrane along the perimeter of the frames. The angle of inclination of the inlet and outlet portions of the channel is small, so the channel remains completely straight-through, and its length L is commensurate with the length L of the frame. The jumpers of adjacent frames are perpendicular to each other, and the bevels of adjacent frames form inclined slots 11, which are a continuation of channels 5. The studs are placed in the holes 12 of the covers 3. The holes of one of the covers are larger in diameter than the diameter of the studs, which allows the studs to be tilted to the sides when assembling the package. At the corners of the frames, projections 13 are made, increasing the length of the smaller side of the frame to the size of the larger side of the frame. The semicircular slots 14 are made in the protrusions, the blind ends of which are made in the form of semicircles with centers located at the vertices of the square. The direction of the slots coincides with the direction of the diagonals of this square.

Диффузионный газообменник изготовляют следующим образом. Diffusion gas exchanger is made as follows.

Пористую (трековую) мембрану 2 накладывают на рамку 1 со стороны наружных скосов 10 и закрепляют места касания рамки и мембраны. Затем рамки с мембранами собирают в пакет, располагая соседние рамки так, что внутренние скосы 8 одной рамки и наружные скосы 10 другой образуют наклонные щели 11, являющиеся продолжением каналов 5. При сборке соседние рамки поворачивают на 90^о относительно друга друга. Сборку в пакет осуществляют с помощью стяжных шпилек 4, которые размещают в отверстиях 12 нижней кромки 3 под углом к нормали к плоскости крышки в диагональном направлении примерно на 15^о. При этом шпильки 4 играют роль направляющих, по которым диагональными прорезями 14 ориентируют рамки с мембранами. После наложения заданного количества рамок друг на друга на шпильки 4 надевают верхнюю крышку 3 и стягивают пакет гайками.A porous (track) membrane 2 is applied to the frame 1 from the side of the outer bevels 10 and the places of contact of the frame and the membrane are fixed. Then the frames with membranes are assembled in a package, placing adjacent frames so that the inner bevels 8 of one frame and the outer bevels 10 of the other form inclined slots 11, which are a continuation of the channels 5. When assembling, the adjacent frames are rotated 90 ^° relative to each other. Assembly in the package is carried out using the tie rods 4, which are placed in the holes 12 of the lower edge 3 at an angle to the normal to the plane of the lid in a diagonal direction of about 15 ^about . In this case, the studs 4 play the role of guides along which the frames with the membranes are oriented by diagonal slots 14. After applying a given number of frames to each other on the studs 4, put on the top cover 3 and tighten the bag with nuts.

Крышки 3 диффузионного газообменника и стяжные шпильки 4, равно как и диагональные прорези 14 на углах дистанционирующих прокладок, играют существенную роль в процессе сборки пакета мембран диффузионного газообменника. В дальнейшем крышки и шпильки используются для крепления дополнительных металлических крышек или рамок, служащих в свою очередь для крепления фланцев подводящих и отводящих воздуховодов. Что касается диагональных прорезей 14, то в канавки, образуемые этими прорезями после сборки мембран в пакет, в дальнейшем монтируются уголковые детали (не показаны), образующие обрамление торцов диффузионного газообменника и герметично отделяющие зону наружного воздуха от зоны внутреннего воздуха рабочего пространства на входах и выходах диффузионного газообменника. The covers 3 of the diffusion gas exchanger and the tie rods 4, as well as the diagonal slots 14 at the corners of the spacers, play a significant role in the assembly of the membrane package of the diffusion gas exchanger. In the future, covers and studs are used to attach additional metal covers or frames, which, in turn, serve to attach the flanges of the inlet and outlet ducts. As for the diagonal slots 14, then in the grooves formed by these slots after assembling the membranes into a package, corner parts (not shown) are further mounted, forming a frame for the ends of the diffusion gas exchanger and hermetically separating the outside air zone from the inner air zone of the working space at the inputs and outputs diffusion gas exchanger.

Диффузионный газообменник работает следующим образом. Diffusion gas exchanger operates as follows.

Внутренний воздух из рабочего пространства (рабочего объема) с помощью газодувки внутреннего воздуха подводится к одному из торцов диффузионного газообменника, продувается через диффузионный газообменник, выходит с противоположного торца диффузионного газообменника и направляется обратно в рабочее пространство. The internal air from the working space (working volume) is supplied with gas blowing of internal air to one of the ends of the diffusion gas exchanger, blown through the diffusion gas exchanger, leaves the opposite end of the diffusion gas exchanger and is sent back to the working space.

Наружный воздух из окружающей атмосферы с помощью газодувки наружного воздуха подается к торцу диффузионного газообменника, перпендикулярному к входному торцу для внутреннего воздуха (фиг. 1), продувается через диффузионный газообменник в направлении, перпендикулярном к направлению движения внутреннего воздуха, выходит с противоположного торца и сбрасывается обратно в окружающую атмосферу. Outside air from the surrounding atmosphere is supplied by an external air blower to the end of the diffusion gas exchanger perpendicular to the inlet end for internal air (Fig. 1), blown through the diffusion gas exchanger in the direction perpendicular to the direction of movement of the internal air, leaves the opposite end and is dumped back into the surrounding atmosphere.

Внутри диффузионного газообменника как внутренний, так и наружный воздух проходит по своим щелевым каналам 5 в дистанционирующих рамках 1. Каждый щелевой канал по бокам ограничен перемычками 6, а сверху и снизу пористой ядерной мембраной 2. На входе и выходе из каждого щелевого канала имеются наклонные каналы 11, образованные скосами 8 и 10 разделительных рамок, имеющие ту же высоту a, что и центральная часть щелевого канала. Благодаря тому, что угол наклона входного и выходного участков канала, они практически не создают дополнительного местного сопротивления протекающему воздуху, т.е. канал остается как бы полностью прямоточным, а в то же время благодаря этим наклонным обходным участкам каждая разделительная рамка сохраняет по своему периметру замкнутую плоскую поверхность 16, наличие которой существенно упрощает и делает более надежным крепление мембраны на рамке. Причем для большей надежности в крепление мембраны на рамке по участку поверхности 17 (на фиг. 2 заштрихована в клетку) кроме поверхности 16 включается и поверхность наружных скосов 10. Описанная конструкция щелевого канала, более 85% поверхности которого ограничено мембраной, обеспечивает благодаря этому весьма высокую интенсивность диффузионного газообменника. Каждый слой мембраны 2 омывается с одной стороны внутренним воздухом, а с другой внешним, поскольку концентрации газовых компонентов во внутреннем и наружном воздухе различны (во внутреннем воздухе понижена концентрация кислорода, но повышена концентрация углекислого газа, паров воды, возможна повышенная концентрация и других газовых компонентов, выделяющихся в технологическом процессе). Разность концентраций различных газовых компонентов по разные стороны мембраны создает в ламинарных слоях воздуха вблизи поверхности мембраны и в воздухе, заполняющем поры мембраны, диффузионные потоки этих газовых компонентов от мест с большей концентрацией к местам с меньшей концентрацией каждого газового компонента. Поэтому кислород из наружного воздуха диффундирует во внутренний воздух, а углекислый газ и пары воды наоборот из внутреннего воздуха переходят в наружный. Аналогично ведут себя и другие газовые компоненты. В результате этого диффузионного выравнивания концентраций газовых компонентов внутренний воздух регенерирует (восстанавливает) свой газовый состав до концентраций, сколь угодно близких и концентрациям газовых компонентов в наружном воздухе. Inside the diffusion gas exchanger, both internal and external air passes through its slotted channels 5 in the spacing frames 1. Each slotted channel on the sides is bounded by jumpers 6, and a porous nuclear membrane 2. is located at the top and bottom of the slotted channel. At the inlet and outlet of each slotted channel there are inclined channels 11 formed by bevels 8 and 10 of the separation frame having the same height a as the central part of the slotted channel. Due to the fact that the angle of inclination of the inlet and outlet sections of the channel, they practically do not create additional local resistance to flowing air, i.e. the channel, as it were, is completely straight-through, and at the same time, thanks to these inclined bypass sections, each dividing frame maintains a closed flat surface 16 around its perimeter, the presence of which substantially simplifies and makes the membrane mounting on the frame more reliable. Moreover, for greater reliability, the surface of the outer bevels 10 is included in addition to the surface 16 in mounting the membrane on the frame along a portion of the surface 17 (shaded in a cage in Fig. 2). The described design of the slotted channel, more than 85% of the surface of which is limited by the membrane, ensures a very high the intensity of the diffusion gas exchanger. Each layer of membrane 2 is washed on the one hand by internal air, and on the other external, since the concentrations of gas components in the internal and external air are different (the concentration of oxygen in the internal air is low, but the concentration of carbon dioxide, water vapor is increased, and an increased concentration of other gas components is possible distinguished in the technological process). The difference in the concentrations of various gas components on opposite sides of the membrane creates in the laminar layers of air near the surface of the membrane and in the air filling the pores of the membrane, diffusion flows of these gas components from places with a higher concentration to places with a lower concentration of each gas component. Therefore, oxygen from the external air diffuses into the internal air, and carbon dioxide and water vapor, on the contrary, pass from the internal air to the external. Other gas components behave similarly. As a result of this diffusion equalization of the concentrations of gas components, the internal air regenerates (restores) its gas composition to concentrations arbitrarily close to the concentrations of the gas components in the outside air.

Чем меньше высота a щелевого канала, тем больше градиент концентраций газовых компонентов, определяющий скорость их диффузии, причем он имеет максимальную величину на входе в щелевой канал, а далее падает по длине канала за счет уменьшения разности концентраций по длине канала, которое тем больше, чем длиннее канал. В результате высота и длина щелевого канала играют определяющую роль в удельной производительности диффузионного газообменника. При ламинарном режиме течения воздуха по щелевому каналу несколько более слабую, но тоже существенную роль играет скорость движения воздуха по каналу, увеличение которой также ведет к увеличению удельной производительности газообменника. Движение воздуха в канале осуществляется за счет перепада давлений между входом и выходом. По длине канала давление линейно падает от входа к выходу. Поскольку каналы по разные стороны мембраны имеют взаимоперпендикулярное расположение, на мембране только на одной из ее диагоналей имеет место равенство давлений по обе стороны мембраны. По одну сторону от этой диагонали имеет место превышение давления наружного воздуха над внутренним, по другую сторону наоборот превышение давления внутреннего воздуха над наружным. Максимальная разность давлений достигается на двух противоположных углах мембраны и равна перепаду давления на всей длине щелевого канала. Благодаря этому перепаду кроме процесса диффузии имеет место и процесс фильтрации воздуха через мембрану. На половине мембраны идет фильтрация внешнего воздуха во внутренний, на другой половине наоборот внутреннего во внешний. Фильтруемый воздух увлекает за собой содержащиеся в нем аэрозоли с размерами частиц меньше, чем диаметры пор, которые постепенно забивают пору, осаждаясь на ее внутренней поверхности. Именно этим процессом определяется срок службы диффузионного газообменника, и для продления этого срока нужно стремиться уменьшить перепад давления на мембране, т.е. уменьшить гидравлическое сопротивление канала. The smaller the height a of the slotted channel, the greater the concentration gradient of the gas components, which determines the rate of diffusion, and it has a maximum value at the entrance to the slotted channel, and then decreases along the length of the channel due to a decrease in the concentration difference along the length of the channel, which is greater than longer channel. As a result, the height and length of the slotted channel play a decisive role in the specific productivity of the diffusion gas exchanger. In the laminar regime of air flow through the slotted channel, a slightly weaker, but also significant role is played by the air velocity along the channel, an increase of which also leads to an increase in the specific productivity of the gas exchanger. The movement of air in the channel is due to the pressure difference between the inlet and outlet. Along the length of the channel, the pressure decreases linearly from inlet to outlet. Since the channels on opposite sides of the membrane are mutually perpendicular, on the membrane only on one of its diagonals there is an equal pressure on both sides of the membrane. On one side of this diagonal there is an excess of external air pressure over the internal, on the other side, on the other hand, an excess of internal air pressure over the outside. The maximum pressure difference is achieved at two opposite corners of the membrane and is equal to the pressure drop along the entire length of the slotted channel. Due to this difference, in addition to the diffusion process, there is a process of air filtration through the membrane. On half of the membrane, the external air is filtered into the internal, on the other half, on the contrary, the internal into the external. Filtered air carries away the aerosols contained in it with particle sizes smaller than the pore diameters, which gradually clog the pore, deposited on its inner surface. It is by this process that the lifetime of the diffusion gas exchanger is determined, and to extend this period, one must strive to reduce the pressure drop across the membrane, i.e. reduce the hydraulic resistance of the channel.

В качестве примера осуществления изобретения рассмотрим случай использования дифузионного газообменника для воздухообеспечения чистого помещения, в котором работают максимум шесть человек, выполняющих легкую физическую работу, причем заданы следующие условия эксплуатации и другие дополнительные условия: уровень запыленности окружающей атмосферы 0,3 мг/м³, минимальный размер опасных для производственного процесса аэрозолей 0,2 мкм, желательный срок службы газообменника до первой отмывки 2 г, желательно использовать выпускаемую в настоящее время трековую мембрану толщиной Δ= 10 мкм и шириной 300 мм.As an example embodiment of the invention, we consider the case of using a diffusion gas exchanger for air supply to a clean room, in which a maximum of six people work, performing light physical work, and the following operating conditions and other additional conditions are set: dust level of the surrounding atmosphere 0.3 mg / m ³ , minimum the size of aerosols hazardous to the production process is 0.2 microns, the desirable life of the gas exchanger before the first washing is 2 g, it is advisable to use oyaschee time track membrane thickness Δ = 10 microns and a width of 300 mm.

Для определения оптимальных значений размеров щелевых воздушных каналов диффузионного газообменника обратимся к соотношению (1). В нашем случае согласно заданию С 0,3 мг/м³; τ= 2 г, 6,3˙10^-7 с; D_г (для кислорода) 0,2 см²/с; Δ= 10 мкм; К 3,2˙10^-11 м³/мг. Поскольку минимальный размер опасных аэрозолей задан равным 0,2 мкм, целесообразно для 100%-ной защиты от аэрозолей с размером 0,2 мкм выбрать диаметр пор трековой мембраны d_п 0,2 мкм. Наконец, с точки зрения наиболее рационального использования трековой мембраны, снижения ее отходов при изготовлении газообменника, а следовательно, и для снижения его стоимости целесообразно выбрать длину щелевого канала (определяющего размер разделительной пластины) L 28 см, т.е. немного меньше ширины выпускаемой мембраны.To determine the optimal sizes of the slotted air channels of the diffusion gas exchanger, we turn to relation (1). In our case, according to task C 0.3 mg / m ³ ; τ = 2 g, 6.3˙10 ^-7 s; D _g (for oxygen) 0.2 cm ² / s; Δ = 10 μm; To 3.2˙10 ^-11 m ³ / mg. Since the minimum size of hazardous aerosols is set equal to 0.2 μm, it is advisable for 100% protection against aerosols with a size of 0.2 μm to choose the pore diameter of the track membrane d _p 0.2 μm. Finally, from the point of view of the most rational use of the track membrane, reducing its waste in the manufacture of the gas exchanger, and therefore, to reduce its cost, it is advisable to choose the length of the slotted channel (determining the size of the separation plate) L 28 cm, i.e. slightly less than the width of the produced membrane.

Подставив все исходные данные в соот- ношение (1), получают

3,2·10^-11·0,2·0,3·6,3·10

откуда а≈0,21 см.Substituting all the initial data into relation (1), we obtain

3.2 · 10 ^-11 · 0.2 · 0.3 · 6.3 · 10

from where a≈0.21 cm.

Итак, определились два главных размера воздушного щелевого канала: длина L28 см и высота а 0,21 см. Ширина воздушного канала не является определяющей величиной, она зависит от прочности и эластичности мембраны, и опыт показывает, что ее целесообразно выбирать в пределах от 1,2 до 1,8 см, для определенности остановимся на ширине канала b_к 1,5 см.So, two main dimensions of the air gap channel were determined: length L28 cm and height a 0.21 cm. The width of the air channel is not a determining quantity, it depends on the strength and elasticity of the membrane, and experience shows that it is advisable to choose it from 1, 2 to 1.8 cm, for definiteness, let us dwell on the width of the channel b _to 1.5 cm.

Определим теперь необходимую рабочую площадь диффузионного газообменника, а также необходимые расходы воздуха через него. Воспользуемся для этого основным соотношением, справедливым для симметричного газообменника, написанным для кислородного компонента воздуха:
q

=

(5)
Под симметричным диффузионным газообменником понимают такой газообменник, у которого щелевые каналы внутреннего и внешнего воздуха имеют одинаковые геометрические размеры и расходы воздуха через щелевые каналы внешнего и внутреннего воздуха также равны между собой, т.е. Q_внутр Q_внешн Q.We now determine the necessary working area of the diffusion gas exchanger, as well as the necessary air flow through it. To do this, we use the basic relation valid for a symmetric gas exchanger written for the oxygen component of air:
q

=

(5)
A symmetric diffusion gas exchanger is understood to mean a gas exchanger in which the slotted channels of internal and external air have the same geometric dimensions and the air flows through the slotted channels of external and internal air are also equal, i.e. Q _int. Q _ex . Q.

Соотношение (5) справедливо и для отдельного канала диффузионного газообменника. В этом случае оно выглядит так:
q

(6)
L 2F это длина рабочей части трековой мембраны в щелевом канале, причем в нашем случае F 2,2 см, поэтому
S_к 2b_к(L 2F) 2 ˙1,5 ˙(28 2 ˙2,2)70,8 см².Relation (5) is also valid for a separate channel of a diffusion gas exchanger. In this case, it looks like this:
q

(6)
L 2F is the length of the working part of the track membrane in the slotted channel, and in our case F 2.2 cm, therefore
S _to 2b _to (L 2F) 2 ˙ 1.5 ˙ (28 2 ˙ 2.2) 70.8 cm ² .

Так как оптимальный режим работы газообменника достигается при

то Q_к

(7)
Эксперименты показывают, что для симметричного газообменника в оптимальном режиме работы при высоте щелевых каналов в пределах от 0,15 до 0,25 см величина К≈0,7 и поскольку коэффициент диффузии кислорода в воздухе при комнатной температуре и атмосферном давлении D_O2 0,2 см²/с, то из равенства (7) получают
Q_к

96,3 см³/c
Допустимое снижение концентрации кислорода в рабочем помещении по сравнению с его содержанием в окружающей атмосфере по существующим нормам составляет ≈0,2% поэтому С_о С₁ 0,002.Since the optimal operating mode of the gas exchanger is achieved when

then Q _to

(7)
Experiments show that for a symmetric gas exchanger in the optimal mode of operation with a height of slot channels in the range from 0.15 to 0.25 cm, K≈0.7 and since the diffusion coefficient of oxygen in air at room temperature and atmospheric pressure is D _O2 0.2 cm ² / s, then from equality (7) we obtain
Q _to

96.3 cm ³ / s
The permissible decrease in the concentration of oxygen in the working room as compared with its content in the surrounding atmosphere according to existing standards is ≈0.2%; therefore, С _о С ₁ 0.002.

Теперь можно определить производительность отдельного щелевого канала по кислороду, воспользовавшись соотношением (6) с учетом равенства (7):
q

(C_o- C₁)

0,002 9,63·10^-2 см³/с
По справочным данным при легкой физической работе потребление кислорода на одного человека составляет около 750 см³/мин, из этого следует, что секундное потребление кислорода в нашем рабочем помещении при шести работающих человеках, составляет
q

75 см³/с Чтобы обеспечить эту потребность в кислороде, диффузионный газообменник должен иметь соответствующее число щелевых каналов как внутреннего, так и внешнего воздуха. Это число каналов должно быть равно:
N

779 шт.Now, it is possible to determine the performance of a single slotted channel with respect to oxygen, using relation (6) taking into account equality (7):
q

(C _o - C ₁ )

0.002 9.63 · 10 ^-2 cm ³ / s
According to the reference data, for easy physical work, the oxygen consumption per person is about 750 cm ³ / min, it follows that the second oxygen consumption in our working room with six working people is
q

75 cm ³ / s To meet this oxygen demand, the diffusion gas exchanger must have an appropriate number of slotted channels of both internal and external air. This number of channels should be equal to:
N

779 pcs.

Теперь, когда известно необходимое число щелевых каналов, не представляет труда определить общую рабочую поверхность трековой мембраны диффузионного газообменника и расходы внешнего и внутреннего воздуха через этот диффузионный газообменник:
S NS_к 779˙70,8 55153 см²≈5,5 м²; Q NQ_к 779˙96,3 75018 см³/с≈
≈270 м³/ч.Now that the required number of slotted channels is known, it is not difficult to determine the total working surface of the track membrane of the diffusion gas exchanger and the flow rates of external and internal air through this diffusion gas exchanger:
S NS _to 779–70.8 55153 cm ² ≈5.5 m ² ; Q NQ _to 779˙96.3 75018 cm ³ / s≈
≈270 m ³ / h.

Определим теперь сопротивление щелевого канала при определенном расходе воздуха через этот канал. С хорошей степенью точности это сопротивление можно получить из уравнения, справедливого для ламинарного режима течения воздуха:
ΔP_к

Подставляя в него геометрические размеры щелевого канала (в см) и расхода воздуха через канал (в см³/с), получают сопротивление канала (перепад давления на длине щелевого канала), равное 43 Па. Знание этого сопротивления позволяет определить энергозатраты на прокачку внешнего и внутреннего воздуха через диффузионный газообменник, а также интенсивность фильтрации внешнего воздуха через трековую мембрану, которая определяет при заданной запыленности внешнего воздуха срок службы диффузионного газообменника.We now determine the resistance of the slotted channel at a certain air flow through this channel. With a good degree of accuracy, this resistance can be obtained from the equation valid for the laminar regime of air flow:
ΔP _to

Substituting into it the geometrical dimensions of the slotted channel (in cm) and the air flow through the channel (in cm ³ / s), a channel resistance (pressure drop over the length of the slotted channel) of 43 Pa is obtained. Knowing this resistance allows you to determine the energy consumption for pumping external and internal air through a diffusion gas exchanger, as well as the intensity of filtering external air through a track membrane, which determines, for a given dust content of external air, the life of a diffusion gas exchanger.

При взаимоперпендикулярном направлении течения внешнего и внутреннего воздуха вдоль поверхности трековой мембраны распределение перепада давления между внешним и внутренним воздухом на мембране имеет вид трехгранной пирамиды, основанием которой является половина поверхности мембраны, отделенная ее диагональю, а высота вершины, расположенная в удаленном от диагонали углу мембраны, равна перепаду давления на длине щелевого канала ΔР_к, в нашем случае равному 43 Па. Средний перепад давления на мембране равен 1/3 этой величины, т.е. около 15 Па. Для того чтобы определить время, необходимое для забивания пылью всех пор мембраны, для которых перепад давления больше или равен 15 Па, рассчитывают расход воздуха через одиночную пору при перепаде давления, равном 15 Па. Для выбранного размера пор 0,2 мкм при атмосферном давлении течение воздуха в поре носит молекулярно-вязкостный характер и расход воздуха через пору может быть с достаточной точностью рассчитан по уравнению
Q_п ≈ 121·10^-12

где Q_п расход воздуха через пору, м³/с;
l длина поры, мкм;
ΔP перепад давления на поре, Па;
Р атмосферное давление, Па.When the direction of the flow of external and internal air along the surface of the track membrane is mutually perpendicular, the distribution of the pressure drop between the external and internal air on the membrane has the form of a trihedral pyramid, the base of which is half the surface of the membrane separated by its diagonal, and the height of the apex located at a corner of the membrane remote from the diagonal equal to the pressure drop over the length of the slotted channel ΔP _to , in our case, equal to 43 Pa. The average pressure drop across the membrane is 1/3 of this value, i.e. about 15 Pa. In order to determine the time required for dust to clog all pores of the membrane for which the pressure drop is greater than or equal to 15 Pa, the air flow through a single pore is calculated at a pressure drop of 15 Pa. For a selected pore size of 0.2 μm at atmospheric pressure, the air flow in the pore is of molecular viscosity and the air flow through the pore can be calculated with sufficient accuracy by the equation
Q _p ≈ 121 · 10 ^-12

where Q _{p the} air flow through the pore, m ³ / s;
l pore length, microns;
ΔP pore pressure drop, Pa;
P atmospheric pressure, Pa.

В нашем случае Q_п 121˙10^-12 x x

=1,4 ˙10^-17 м³/с.In our case, Q _n 121˙10 ^-12 xx

= 1.4 ˙ 10 ^-17 m ³ / s.

Поры трековых мембран в диффузионном газообменнике могут забиваться только такими аэрозольными частицами, размеры которых меньше диаметра поры. Эти аэрозольные частицы, увлекаемые в пору фильтрующимся воздухом, оседают на поверхности поры и постепенно перекрывают сечение поры. Эксперименты показывают, что суммарный объем пылинок, достаточный для уменьшения расхода воздуха через пору в 10 раз, составляет примерно 3d_п ³, назовем эту величину V_п. В нашем случае
V_п 3 ˙0,2³ 0,024 мкм³.The pores of track membranes in a diffusion gas exchanger can be blocked only by such aerosol particles, the sizes of which are smaller than the pore diameter. These aerosol particles, entrained in the pore by filtered air, settle on the surface of the pore and gradually overlap the cross section of the pore. Experiments show that the total volume of dust particles sufficient to reduce air flow through the pore by 10 times is approximately 3d _p ³ , let's call this value V _p . In our case
V _n ˙0,2 3 ³ 0.024 ³ microns.

При уровне запыленности внешнего воздуха, составляющем 0,3 мг/м³, и при равновесном распределении аэрозолей по размерам аэрозольных частиц суммарный объем пылинок с размерами меньше 0,2 мкм составляет примерно 4,3˙10⁷ мкм²/м³. Объем воздуха с суммарным объемом таких пылинок, равным V_п, составляет величину, равную отношению

= 5,6˙10^-10 м³.With a dust level of external air of 0.3 mg / m ³ , and with an equilibrium distribution of aerosols over the size of aerosol particles, the total volume of dust particles with sizes less than 0.2 μm is about 4.3˙10 ⁷ μm ² / m ³ . The volume of air with a total volume of such dust particles equal to V _p is equal to the ratio

= 5.6˙10 ^-10 m ³ .

При нашем расходе воздуха через пору время, которе требуется для прохождения этого объема, составляет

3,8·10⁷c
Реально по мере забивания поры пылью расход воздуха через нее экспоненциально падает и время забивания заметно возрастает. Даже в предложении линейного падения расхода время забивания удваивается, т.е. составляет 7,6˙10⁷ с, это немного больше, чем заданные предварительным условием 2 г.With our air flow through the time, the time required for the passage of this volume is

3.8 · 10 ⁷ s
Actually, as the pore becomes clogged with dust, the air flow through it exponentially decreases and the clogging time increases noticeably. Even in the proposal for a linear drop in flow rate, the driving time doubles, i.e. is 7.6˙10 ⁷ s, which is slightly larger than the 2 g specified by the precondition.

Проведенный подробный разбор этого примера подтверждает, что соотношение (1) действительно позволяет определить на его основе такие геометрические параметры щелевых воздушных каналов газообменника, которые с небольшим запасом обеспечивают поставленные заказчиком требования и долговечности и одновременно позволяют получить достаточно высокие остальные эксплуатационные характеристики, что в целом определяет его конкурентоспособность по сравнению с традиционными методами вентиляции. A detailed analysis of this example confirms that relation (1) really allows us to determine on its basis such geometric parameters of slotted air channels of the gas exchanger that with a small margin provide the requirements and durability set by the customer and at the same time allow to obtain sufficiently high other operational characteristics, which generally determines its competitiveness compared to traditional ventilation methods.

Действительно, если эту задачу решать методом традиционной вентиляции, то расход воздуха, подаваемый через фильтр тонкой очистки в рабочее помещение, составит примерно 140 м³/ч, но суммарное сопротивление фильтров грубой и тонкой очистки воздуха составит не менее 400 Па, а срок службы фильтров тонкой очистки не превысит 0,5 г. В результате энергозатраты на прокачку воздуха через фильтр по крайней мере в два раза выше, чем на прокачку воздуха через диффузионный газообменник (по обеим контурам), а срок службы диффузионного газообменника до первой промывки по крайней мере в 4 раза больше, чем срок службы фильтра, не говоря о том, что фильтр регенерировать нельзя, а газообменник после промывки может работать второй срок.Indeed, if this problem is solved by traditional ventilation, then the air flow supplied through the fine filter to the working room will be approximately 140 m ³ / h, but the total resistance of the coarse and fine filters will be at least 400 Pa, and the filter service life fine cleaning does not exceed 0.5 g. As a result, the energy consumption for pumping air through the filter is at least two times higher than for pumping air through a diffusion gas exchanger (in both circuits), and the life of the diffusion gas exchanger is up to the first the rinsing time is at least 4 times longer than the filter life, not to mention that the filter cannot be regenerated, and the gas exchanger can run a second time after rinsing.

Claims

1. DIFFUSION GAS EXCHANGER, containing the upper and lower covers and located between them a package of porous membranes with spacer gaskets forming between them direct flow slotted channels, the direction of which on one side of the membrane is perpendicular to the channel direction on the other side of the membrane, characterized in that the spacer gaskets made in the form of rectangular frames having the same height, and the geometric parameters of the direct-flow slotted channels satisfy the ratio

where K is a constant coefficient equal to 3.2 · 10 ^- ¹ ¹ m ³ / mg;
a height of the slotted channel, cm;
L the length of the slotted channel, cm;
D diffusion coefficient of the gas component in air, cm ² / s;
C weight concentration of aerosols in more "polluted" air (external or internal), mg / cm ³ ;
τ guaranteed service life of the diffusion gas exchanger, s;
d _n membrane pore diameter, microns;
D membrane thickness, microns,
the height of the slotted channels is equal to the height of the frame, and the inputs and outputs of the direct-flow slotted channels are formed by bevels located on the upper and lower flat parts of adjacent frames, the smaller sides of the frames are provided with internal bevels from the upper flat part of the frame directed towards the center of the frame, and the larger sides the frames are provided with outer bevels from the side of the lower flat part, directed from the center of the frame, the distances from the center of the frame to the inner and, respectively, to the outer edges of the bevels are equal to each other, Oron frames connected adjacent webs parallel to each other and the framework long sides, and the adjacent frames are positioned so that their webs are perpendicular to one another.

2. The gas exchanger according to claim 1, characterized in that at the corners of each frame there are protrusions with a height equal to the height of the sides of the frame, increasing the length of the smaller side of the frame to a value equal to the length of the larger side of the frame.

3. The gas exchanger according to claims 1 and 2, characterized in that the protrusions are made with slots, the inner blind ends of which are in the form of semicircles with centers located at the vertices of the square, and the direction of the slots coincides with the direction of the diagonals of this square.