Дипломная (вкр): Конструкции кислородных концентраторов

Конструкции кислородных концентраторов

Введение

Открытие кислорода Джозефом Пристли 1 августа 1774 года, разложением оксида ртути дало начало развитию новых областей наук.

Как известно - кислород это самый широко распространённый элемент на нашей планете, он составляет примерно 47% от массы земной коры. Морская вода содержит 88% кислорода, а атмосфера 21%. Кислород окружает нас повсюду, и содержится в каждом живом элементе на Земле. Большинство живых существ дышат кислородом из воздуха и являются аэробами.

Кислород в чистом виде применяется во многих областях науки. Медицина, сварка, энергетика, машиностроение и судостроение, резка металла, химическая и радиоэлектронная промышленность.

В промышленных масштабах кислород получают из воздуха, путем криогенного разделения. Однако, последнее время также широкое распространение получили методы мембранного разделения воздуха.

Температуры кипения кислорода и азота входящих в состав воздуха отличаются, поэтому жидкий воздух можно разделять в специальных ректификационных колоннах. Но на этом этапе перед нами встает проблема, а именно - охлаждение воздуха до температуры -196°C.

Для получения температур такого порядка необходимы специальные охладительные машины под названием детандеры. В частности, советский физик П.Л. Капица предложил использовать так называемые турбодетандеры, способные охлаждать воздух при рабочем давлении всего в несколько атмосфер. Далее жидкий воздух закачивают в сосуды Дьюара - баллоны с вакуумированным пространством между стенками.

Жидкий кислород кипит при температуре -183°C, в то время как азот при температуре -196°C. Следовательно когда температура жидкости медленно повышается от -200°C, до -180°C, сначала перегоняют азот, а лишь затем кислород. Многократное повторение данных циклов перегонки может дать отличный результат, который будет отражен в чистоте полученных газов.

Однако использование кислорода такой концентрации в медицине совершено не нужно и во многих случаях даже может навредить больному. В качестве примера можно привести разрушающее действие чистого кислорода на сурфактант лёгких. Поэтому использование воздуха обогащенного кислородом на 80-95% вполне соответствует требованиям предъявляемым современной медициной.

В настоящее время крупные больницы и госпитали используют кислород полученный вне больницы, на оборудовании подобном тому что описано выше. Голубые баллоны с кислородом под высоким давлением (150атм) в больших количествах закупаются больницами и подключаются к кислородным станциям, которые необходимо располагать вне помещений лечебного учреждения. Далее кислород посредством газификаторов переводят из жидкой в газообразную стадию и распределяют по отделениям и палатам посредством сложной системы трубопроводов. Кроме того, данные системы снабжения требуют постоянное квалифицированное обслуживание вне числа медицинского персонала больницы. Отдельная сложность-это период технического обслуживания системы.

Наиболее лучшим выходом из сложившейся ситуации является получение кислорода непосредственно на месте его использования, а именно - применение технологии разделения воздуха на молекулярных ситах в условиях низкого давления. Установки основанные на этой технологии часто называют кислородными генераторами, однако такое название не совсем корректно. Более подходящее название для данных устройств - кислородный концентратор.

Необходимо так же отметить, что общими тенденциями развития воздухоразделительных установок являются: снижение затрат на производство продуктов разделения, энергетических затрат, повышение надёжности установок, увеличение продолжительности рабочих циклов, автоматизация процессов управления воздухоразделительными установками.

Основной целью данной работы является тщательная проработка конструкции кислородных концентраторов использующихся в медицине как для индивидуального использования, так и для комплексного оснащения палат медицинских учреждений высококачественным кислородом с заданными выходными характеристиками газа.

К задачам можно отнести: теоретическую обработку информации на основе имеющихся данных, создание установки для разделения газов и проведение ряда экспериментов с ее использованием, а так же разработка концепта компактного кислородного концентратора для индивидуального использования.

кислородный концентратор газоразделительный медицина

1. Медицинская часть

.1 Дыхание

Дыхание - это совокупность процессов, обеспечивающих потребление организмом кислорода и выведение углекислого газа.

В организме человека запасы кислорода ограничены, поэтому организм нуждается в непрерывном поступлении кислорода из окружающей среды. Так же постоянно и непрерывно из организма должен удаляться углекислый газ, который всегда образуется в процессе обмена веществ.

Дыхание человека включает следующие процессы:

)        вентиляция легких - обмен газов между атмосферным и альвеолярным воздухом;

)        обмен газов в легких (между альвеолярным воздухом и кровью капилляров малого круга кровообращения);

)        транспорт газов кровью - кислорода от легких к тканям; углекислого газа - от клеток к легким;

)        обмен газов в тканях (между кровью капилляров большого круга кровообращения и клетками тканей);

)        биологическое окисление в митохондриях клеток.

Первая и вторая стадии вместе называются легочным, или внешним, дыханием. Четвертая и пятая - тканевым, или внутренним, дыханием.

.2 Газообмен в легких

Непременным условием нормального газообмена является нормальный процесс диффузии кислорода из альвеол в кровь легочных капилляров через альвеолокапиллярные мембраны, а углекислого газа в обратном направлении.

Рисунок 1 - Альвеолярный газообмен

Процесс диффузии кислорода возможен в результате разности Р_О2 в альвеолах и в крови легочных капилляров. В норме Р_О2 в альвеолярном воздухе составляет 100-110 мм рт. ст., а в венозной крови легочных капилляров - 40 мм рт. ст. Диффузионная способность легких в отношении кислорода определяется количеством кислорода, которое переходит за 1 минуту из альвеол в кровь легочных капилляров на каждый мм рт. ст. разности Р_О2 по обе стороны альвеолокапиллярной мембраны. При нормальной диффузионной способности легких из альвеол в кровь могут диффундировать в 1 минуту 6 л кислорода, в то время как необходимое поглощение кислорода в покое составляет около 300 мл/мин.

Диффузионная способность углекислого газа приблизительно в 25 раз больше, чем кислорода, поэтому недостаточности диффузии углекислого газа практически не бывает.

Газообмен, также, зависит не только от абсолютной величины альвеолярной вентиляции, но и от соотношения между вентиляцией и легочным кровотоком (V_A/Q).

У здорового взрослого человека отношение вентиляция/кровоток составляет 4/5, т.к. альвеолярная вентиляция равна приблизительно 4 л/мин, а легочный кровоток - 5 л/мин. Даже у здорового человека при спонтанном дыхании сотни миллионов альвеол, составляющих легкое, вентилируются неравномерно: в любой момент одни группы альвеол и целые участки легкого вентилируются меньше, а другие - больше.

Рисунок 2 - Структура газообмена

Неравномерность распределения относится и к легочному кровотоку. Было установлено, что в любой момент времени кровь поступает только в часть легочных капилляров. У здорового взрослого человека в состоянии покоя объем крови в легких и кровоток распределяются не равномерно, а под действием силы тяжести. Таким образом, в различных положениях тела больший объем кровотока поступает в соответствующие нижележащие участки легких. Однако также распределяется и дыхательный объем, поэтому в состоянии покоя и в положении стоя вентиляция и кровоток соответствуют друг другу в определенных частях легких.

1.3 Циклы дыхания

Вдыхание воздуха осуществляется в результате периодических изменений объема грудной полости. Увеличение объема грудной клетки обеспечивает вдох, уменьшение - выдох. Фазы вдоха и выдоха составляют дыхательный цикл. Во время вдоха атмосферный воздух через воздухоносные пути поступает в легкие, при выдохе часть воздуха покидает их.

Рисунок 3 - Спирограмма дыхания

Вдох и выдох обеспечиваются дыхательными движениями грудной клетки и диафрагмы. Изменение объема грудной клетки происходит благодаря сокращению межреберных мышц, движению ребер и уплощению диафрагмы.

При вдохе легкие пассивно следуют за увеличивающейся в размерах грудной клеткой. Дыхательная поверхность легких увеличивается, давление в них понижается и становится на 0,26 кПа (2 мм рт. ст.) ниже атмосферного. Это способствует поступлению воздуха через воздухоносные пути в легкие.

Выдох осуществляется в результате расслабления наружных межреберных мышц и поднятия купола диафрагмы. При этом грудная клетка возвращается в исходное положение и дыхательная поверхность легких уменьшается. В начале фазы выдоха давление в легких становится на 0,40 - 0,53 кПа (3 - 4 мм рт. ст.) выше атмосферного, что обеспечивает выдох воздуха из них в окружающую среду.

Воздух переходит из внешней среды в альвеолы вследствие разницы давления и всегда перемещается из области с более высоким давлением в область с более низким.

И при спонтанном дыхании, и при искусственном вдохе перемещению наружного воздуха в альвеолы противодействуют эластическое и неэластическое сопротивления, которые определяют в итоге силы (давления), необходимые для введения в альвеолы данного объема газа.

Перемещению газа между атмосферой и альвеолами противодействуют эластическое и неэластическое сопротивления. Чтобы преодолеть эти сопротивления и обеспечить вентиляцию легких, дыхательные мышцы при спонтанном дыхании производят определенную работу (W), равную произведению силы (F), действующей в направлении движения, и пути (L):

 (1)

Силу, необходимую для преодоления суммы сопротивлений дыханию, обычно выражают в единицах давления, а расстояние есть объем вентиляции, поэтому в общем виде:

(2)

Работу обычно выражают в килограммометрах и рассчитывают ее либо на один дыхательный цикл, либо на 1 мин, либо на 1 л вентиляции.

Работу нередко выражают косвенно, как количество кислорода, поглощаемого дыхательными мышцами. У здорового взрослого человека это количество составляет весьма малую долю (3 - 4%) от общего потребления кислорода.

Из множества комбинаций частоты и дыхательного объема организм «выбирает» ту, при которой необходимый объем альвеолярной вентиляции обеспечивает минимальная работа дыхания. Для взрослого человека без патологических изменений растяжимости и аэродинамического сопротивления работа дыхания будет минимальной при дыхательном объеме около 0,5 л и частоте дыхания 14 - 16 мин^-1.

.4 Эластическое сопротивление

Эластичность - это свойство сохранять и восстанавливать исходную форму вопреки деформации, вызываемой воздействием внешней силы. Ткани легких и грудной клетки эластичны, поэтому для растяжения легких и грудной клетки при спонтанном вдохе необходимо приложить мышечную силу. Величина этой силы соответствует давлению, которое необходимо для искусственного вдувания в легкие того же объема газа. Величина этого давления зависит от эластических свойств легкого и грудной клетки, называемых растяжимостью, или податливостью («compliance» английских авторов) системы легкие - грудная клетка. Термин «растяжимость» выражает зависимость между объемом и давлением газа, введенного в альвеолы. Растяжимость определяется как способность к изменению объема на единицу изменения давления:

 (3)

и выражается в литрах на см водяного столба.

Общая растяжимость системы грудная клетка - легкие состоит из двух компонентов - растяжимости грудной клетки и растяжимости легких: 1/общая растяжимость = 1/растяжимость легких + 1 /растяжимость грудной клетки, из чего следует, что у одного и того же человека растяжимость легких или грудной клетки по отдельности выше, чем общая растяжимость. Растяжимость легких можно измерить как в динамических, так и в статических условиях, т.е. когда отсутствует перемещение газа в легких. Употребляя термин «растяжимость» без соответствующей оговорки, имеют в виду величину, измеренную в статических условиях.

Для сравнительной оценки растяжимости легких у людей с различными величинами легочных объемов используют отношение величины растяжимости к величине функциональной остаточной емкости легких. В норме это отношение, называемое удельной растяжимостью, или модулем податливости, составляет 0,05 - 0,07 см вод.ст.^-1 (0,5 - 0,7 кПа^-1).

Основные факторы, определяющие общую растяжимость:

)        эластичность легкого и грудной клетки;

)        объем крови, находящейся в данный момент в сосудах легкого;

)        тонус грудных и брюшных мышц;

)        объем легочной ткани, участвующей в данный момент в дыхании;

)        бронхиальный тонус.

Воздушные пространства альвеол коллабируются при длительном равномерном и неглубоком дыхании, и в таком состоянии податливость легких значительно уменьшается. Это явление объясняется прогрессирующим разрушением поверхностно-активных

.5 Неэластическое сопротивление

Выше была рассмотрена связь давления и объема газа при статических условиях без учета тока газов. При движении смеси газов по дыхательным путям возникает дополнительное сопротивление, называемое обычно неэластическим. Оно зависит главным образом от сопротивления току газов вследствие трения воздушной струи о стенки дыхательных путей - так называемого аэродинамического сопротивления, которое в норме составляет около 80% неэластического сопротивления.

Около 10 - 20% приходится на тканевое (вязкостное, деформационное) сопротивление, связанное с перемещением неэластических тканей легких и грудной клетки при дыхании. Доля этого сопротивления может заметно возрастать при значительном увеличении дыхательного объема. Наконец, незначительную долю составляет инерционное сопротивление, оказываемое массой легочных тканей и газа при возникающих ускорениях и замедлениях скорости дыхания. Пренебрежимо малое в обычных условиях, это сопротивление может стать главным при ИВЛ с высокой частотой дыхательных циклов.

Неэластическое сопротивление, или просто «сопротивление», определяется величиной давления, которое необходимо приложить для проведения по дыхательным путям единицы газового объема в единицу времени. Иначе говоря, сопротивление выражает отношение разности давлений в начале дыхательных путей (например, при вдохе - «во рту») и в их конце (при вдохе - в альвеолах) к объемной скорости, с которой газы протекают по дыхательным путям:

(4)

Обычная единица измерения сопротивления - см.вод.ст./ л/с [(кПа с)/л].

Сопротивление дыхательных путей у здорового человека составляет в среднем 2 см вод.ст./л/с [(0,2 кПа-с)/л.

На величину сопротивления влияют:

а) диаметр и длина бронхов и бронхиол;

б) плотность и вязкость вдыхаемой смеси газов;

в) поверхностное натяжение слипшихся бронхов;

г) скорость и характер тока газов.

1.6 Дыхательные циклы

Частота дыхания (ЧД) это число циклов в минуту из расчетов вдох-выдох-пауза.

Контрольная пауза (КП) (по К.П. Бутейко) - это величина комфортной задержки дыхания после привычного выдоха в спокойном состоянии.

Минутный объем дыхания (МОД) измеряется в литрах в минуту

Доктор Константин Павлович Бутейко разработал таблицу состояния здоровья человека в зависимости от дыхания и его параметров