СПОСОБ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА ОТ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА В ПОМЕЩЕНИЯХ, ПРИСПОСАБЛИВАЕМЫХ ДЛЯ ЗАЩИТЫ НАСЕЛЕНИЯ ОТ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2024 года по МПК B01D53/00 A62B11/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области безопасности жизнедеятельности человека, а именно к способу и устройству для очистки воздуха от диоксида углерода для поддержания безопасной и пригодной для дыхания воздушной среды в помещениях, приспосабливаемых для защиты населения от чрезвычайных ситуаций.

Уровень техники

Для защиты населения городов от чрезвычайных ситуаций используются приспосабливаемые помещения подземного пространства, такие как подвалы и полуподвалы, подземные гаражи-стоянки, другие заглубленные объекты. При этом в ходе приспособления проводятся мероприятия по герметизации этих помещений.

При дыхании человек поглощает кислород и выделяет углекислый газ в объеме 30 л/час, что приводит к накоплению избыточных концентраций углекислого газа в помещениях. Избыток углекислого газа из помещений обычно удаляется за счет вентиляции путем удаления воздуха, содержащего избыточные концентрации углекислого газа, и подачи свежего воздуха.

Высокие концентрации углекислого газа оказывают негативное влияние на организм человека. Так при концентрации углекислого газа в воздухе 2,5-5% наблюдается головная боль, раздражение верхних дыхательных путей, при 7% учащается сердцебиение, появляются рвота, головокружение, свыше 8% приводит к отравлению с последующим смертельным исходом в течение 30-60 минут.

Межгосударственным стандартом ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях» установлены классы воздуха в помещениях, параметры которых приведены в таблице.

В условиях воздействия поражающих факторов чрезвычайной ситуации, вентиляция в помещениях, используемых для защиты населения, может быть нарушены или выведена из строя, что приведет к быстрому нарастанию концентрации углекислого газа и снижению качества воздуха.

В закрытых помещениях с людьми, таких как обитаемые подводные аппараты, спасательные камеры, водолазные устройства, другие герметичные объекты с пребыванием людей применяются две химические технологии для очистки воздуха от диоксида углерода: с использованием гидроксида лития и натронной извести.

Так из патента РФ 2444387, опубл. 10.03.2012. известно устройство, которое содержит корпус, имеющий камеру. Очиститель содержит слой поглотителя углекислого газа, расположенный в камере, которая забирает углекислый газ из воздуха, проходящего через слой поглотителя. Устройство содержит нагнетающий элемент, который втягивает воздух в очиститель и вызывает прохождение воздуха через слой поглотителя и который приводится в действие без применения электричества.

В качестве поглотителя используется натронная известь, которая поглощает углекислый газ и выпускает чистый воздух.

Преимуществом устройства является то, что нагнетающий элемент работает за счет сжатого воздуха, а не за счет электричества. При этом для работы устройства необходимо наличие баллонов со сжатым воздухом.

Другая технология для очистки воздуха от диоксида углерода, известная, например, из патента US 7601189, опубл. 13.10.2009, основана на использовании сухих регенерируемых твердых адсорбентов с иммобилизованным амином. Эти адсорбенты состоят из аминов (первичных, вторичных, третичных или их комбинации), нанесенных на пористую основу из порошкообразного материала.

Метод позволяет повысить качество воздуха в помещении либо снизить требуемый уровень вентиляции без снижения качества воздуха в помещении.

Из патента RU 2568568 опубл. 20.11.2015 известен способ очистки газовой среды в герметичном объекте с регенерацией кислорода включает восполнение в герметичном объекте расходуемого на дыхание кислорода, поглощение диоксида углерода из газовой среды поглотителем. Отличие способа заключается в том, что очистку газовой среды производят путем помещения в герметичный объем регенеративного продукта, который заключают в газопроницаемую оболочку, инертную к регенеративному поглотителю, выполненному в виде пластин регенеративного химического продукта на основе надперекиси щелочного металла, выделяющего при реакции взаимодействия с респираторной влагой и диоксидом углерода кислород.

Вышеперечисленные способы и устройства основаны на использовании сухих гранулированных поглотителей. Недостатком этих способов является то, что гранулированный поглотитель обладает высоким аэродинамическим сопротивлением. Для продувки воздуха через поглотитель необходимы мощные вентиляторы (компрессоры), что приводит к высоким энергетическим затратам на работу таких установок.

Из патента RU 102193 опубл. 29.09.2010 известна широко используемая в защитных сооружениях гражданской обороны установка регенерации воздуха, содержащая соединенные воздуховодами регенеративные патроны, снаряженные регенеративным продуктом на основе надперекиси калия и установленные в две колонны, отличающаяся тем, что воздуховоды выполнены из химически и термически стойкого материала и соединены с регенеративными патронами с помощью фланцев, а регенеративный продукт размещен в патроне при помощи коллектора, увеличивающего поверхность контакта, при этом установка дополнительно снабжена установленными на воздуховодах клапанами.

Преимуществом установки является возможность поддержания необходимой концентрации кислорода в герметичных помещениях. Ее недостатками является то, что она требует стационарной установки в помещениях, имеет большие габариты и высокую стоимость. Использование ее в приспосабливаемых помещениях не возможно.

Известны способы поглощения диоксида углерода с использованием жидких поглотителей.

Из патента US 9399192, опубл. 26.07.2016, известен способ высокоэффективного удаления диоксида углерода из выхлопных газов, включающий этап абсорбции диоксида углерода жидким поглотителем диоксида углерода, и этап выделения диоксида углерода путем нагревания поглотителя. В варианте реализации способа поглотитель диоксида углерода содержит аминовое соединение, в частности, диэтаноламин в количестве от 20,0% по массе до 70,0% по массе и воду.

Наиболее близким аналогом, прототипом заявленного изобретения является способ и устройство для очистки воздуха с использованием регенерируемого поглотителя СО2 в воздухе для дыхания в зданиях и помещениях различного типа, транспортных средствах, герметичных обитаемых объектах, ограниченных пространствах разного рода (патент RU 2773150, опубл. 31.05.2022).

Способ очистки включает продув воздуха через регенерируемый поглотитель диоксида углерода. Поглотитель выполнен в виде гранул активированного угля, импрегнированных водным раствором диэтиламина. Воздух дополнительно обеззараживают УФ-излучателем. После поглотителя очищенный воздух обогащают комплексом микроэлементов, входящих в состав морской либо горной соли.

Регенерацию и обеззараживание поглотителя производят его нагревом до температуры не менее 65°С потоком горячего воздуха.

Недостатками в обоих случаях является то, что используются водные растворы аминовых соединений и предусматривается регенерация поглотителя путем нагревания отработавшего раствора. Обоим этим способам свойственно высокое энергопотребление при поглощении диоксида углерода и регенерации раствора поглотителя.

Раскрытие сущности изобретения

Сущность изобретения состоит в поддержании стандартных уровней концентрации диоксида углерода в воздухе помещений, приспосабливаемых для защиты населения за счет его продува через сетчатые смачиваемые элементы по которым самотеком под действием гравитационных сил циркулирует поглотитель диоксида углерода.

Поглотитель диоксида углерода выполнен в виде водного раствора гидроксида щелочного металла.

Использование сетчатых смачиваемых элементов обеспечивает низкое аэродинамическое сопротивление воздушному потоку, при высокой площади контакта очищаемого воздуха с поглотителем диоксида углерода, что позволяет применять вентиляторы малой мощности, обеспечивающие низкое энергопотребление устройства, что крайне важно в помещениях, используемых для защиты населения и подвергшихся воздействию поражающих факторов чрезвычайных ситуаций.

Благодаря циркуляции поглотителя диоксида углерода достигается его максимальная концентрация в зоне контакта с очищаемым воздухом.

Отработавший (насыщенный продуктами химических реакций поглощения углекислого газа) поглотитель диоксида углерода, представляет собой раствор кальцинированной соды или пищевой соды, который может быть использован в качестве моющего или дезинфицирующего средства.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения цикл очистки воздуха от диоксида углерода начинают при достижении верхней допустимой границы концентрации (около 1000 ppm) и прекращают при достижении нижней границы (около 600 ppm).

В вариантах реализации изобретения перед продувом поглотителя диоксида углерода воздух предварительно очищают фильтрами, относящимися к группе механические.

Вышеупомянутые и другие цели, преимущества и особенности настоящего изобретения станут более очевидными из следующего неограничивающего описания вариантов его осуществления, приведенных в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Технической задачей и техническим результатом изобретения является расширение арсенала средств для поддержания безопасной и пригодной для дыхания воздушной среды, позволяющих обеспечить необходимое качество воздуха в помещениях, приспосабливаемых для защиты населения от чрезвычайных ситуаций.

Технический результат достигается за счет того, что продув очищаемого воздуха осуществляется через сетчатые смачиваемые элементы, обеспечивающие низкое аэродинамическое сопротивление и высокую площадь контакта очищаемого воздуха с поглотителем диоксида углерода, в качестве поглотителя диоксида углерода используется водный раствор гидроксида щелочных металлов, отработавший поглотитель диоксида углерода используется как моющее или дезинфицирующее средство.

Особенность изобретения состоит в том, что концентрацию диоксида углерода, в воздухе помещения, приспосабливаемого для защиты населения от чрезвычайных ситуаций, автоматически поддерживают в заданном диапазоне.

Другая особенность изобретения состоит в том, что воздух дополнительно очищают фильтрами, относящимися к группе механические.

Для осуществления заявленного способа предложено устройство, содержащее резервуары для поглотителя диоксида углерода, сетчатые смачиваемые элементы, обеспечивающие низкое аэродинамическое сопротивление и высокую площадь контакта очищаемого воздуха с поглотителем диоксида углерода, насос для циркуляции поглотителя диоксида углерода, обеспечивающий подачу раствора с максимальной концентрацией поглотителя в зону контакта с очищаемым воздухом.

Особенность устройства состоит в том, что смачиваемые элементы могут быть изготовлены в виде жгутов, расположенных в шахматном порядке и свитых из щелочестойких нитей.

Другая особенность устройства состоит в том, что устройство содержит контроллер с функцией поддержания в воздухе приспосабливаемых помещений концентрации диоксида углерода в заданном диапазоне.

Еще одна особенность устройства состоит в том, что устройство дополнительно содержит один или несколько фильтров, относящихся к группе механический.

Еще одна особенность устройства состоит в том, что устройство, дополнительно содержит элементы, обеспечивающие осушение очищенного воздуха.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется чертежами:

Фиг. 1 - схема устройства в разрезе;

Фиг. 2 - схема устройства в поперечном разрезе.

На чертежах совпадающие элементы устройства имеют одинаковые ссылочные номера.

Эти чертежи не охватывают и, кроме того, не ограничивают весь объем вариантов реализации данного технического решения, а представляют собой только иллюстративные материалы частных случаев его реализации.

В варианте реализации настоящего изобретения, схематично представленном в разрезе на фиг. 1, устройство для осуществления заявленного способа содержит: корпус 1 с заливной горловиной 2, входным отверстием 3 и выходным отверстием 4, расположенные в корпусе 1, верхним резервуаром 5, сетчатыми смачиваемыми элементами 6, вентилятором 7, сливной горловиной 8, нижним резервуаром 9, насосом 10, заборным патрубком 11, подающим патрубком 12, выпускным воздуховодом 13.

Варианты осуществления изобретения

Способ осуществляют с помощью устройства, выполненного в соответствии с настоящим изобретением, следующим образом.

Поглотитель диоксида углерода 14 выполнен в виде 10% раствора гидроксида щелочного металла, а именно гидроксида натрия (NaOH, каустическая сода, едкий натр). Выбор данного поглотителя обусловлен тем, что он является продуктом крупнотоннажной химии, широко распространен в торговых сетях, имеет низкую стоимость по сравнению с другими гидроксидами щелочных металлов и соединениями аминов, не требует особых условий хранения. В концентрации 10% и менее раствор гидроксида натрия и продукты его реакции с диоксидом углерода не представляют опасности при кратковременном контакте с кожей человека.

При выполнении устройства в предложенном виде, сетчатые смачиваемые элементы 6 плотно устанавливаются в щелевые прорези, выполненные в дне верхнего резервуара 5, что обеспечивает постепенное стекание поглотителя диоксида углерода 14 под действием гравитационных сил.

Залитый через заливную горловину 2 поглотитель диоксида углерода 14 через щелевые прорези в дне верхнего резервуара 5 равномерно стекает по сетчатым элементам 6 и через сливную горловину 8 попадает в нижний резервуар 9, откуда через заборный патрубок 11 с помощью насоса 10 поступает в подающий патрубок 12 и далее в верхний резервуар 5, чем обеспечивается циркуляция поглотителя диоксида углерода 14.

Одновременно с циркуляцией поглотителя диоксида углерода 14 загрязненный диоксидом углерода воздух с помощью вентилятора 7 забирается из помещения через входное отверстие 3 и продувается через сетчатые элементы 6, смачиваемые поглотителем диоксида углерода 14. В результате контакта загрязненного воздуха с поглотителем диоксида углерода происходит химическая реакция:

2NaOH+CO₂ → Na₂CO₃+H₂O+Q

или

NaOH+CO₂ → Na₂HCO₃+Q

В результате происходит химическое связывание диоксида углерода. Очищенный от диоксида углерода воздух выводится в помещение через выпускной воздуховод 13, а частично прореагировавший поглотитель диоксида углерода попадает в нижний резервуар 9, где смешивается с поглотителем диоксида углерода 14, имеющим более высокую концентрацию.

В предпочтительных вариантах реализации изобретения устройство содержит контроллер или электронную управляющую систему с функцией поддержания в воздухе помещения концентрации диоксида углерода в заданном диапазоне. В этом случае цикл очистки воздуха от диоксида углерода начинают при достижении верхней допустимой границы концентрации (около 1000 ppm) и прекращают при достижении нижней границы (около 600 ppm).

В вариантах реализации изобретения устройство содержит схему, основанную, например, на основе термоэлектрических элементов Пельтье, охлаждающую стенки выпускного воздуховода 13 до температуры ниже точки росы. В результате этого очищенный воздух осушается за счет того, что влага, содержащаяся в очищенном воздухе, конденсируется на поверхности выпускного воздуховода 13 и по наклонной поверхности стекает к сливной горловине 8.

Электропитание устройства осуществляется преимущественно от сети переменного тока 220 В через преобразователь или от автономного источника электроснабжения (аккумулятора или ручного генератора напряжением 12 В) в случае выхода из строя централизованного электроснабжения в результате воздействия поражающих факторов чрезвычайных ситуаций.

Промышленная применимость

Изобретение предназначено для очистки воздуха от диоксида углерода для поддержания безопасной и пригодной для дыхания воздушной среды в помещениях, приспосабливаемых для защиты населения от чрезвычайных ситуаций, других помещениях различного типа с долговременным пребыванием людей.

Изобретение относится к области безопасности жизнедеятельности человека. Устройство и способ очистки воздуха от диоксида углерода в помещениях, приспосабливаемых для защиты населения от чрезвычайных ситуаций, при этом продув очищаемого воздуха осуществляется через сетчатые смачиваемые элементы, обеспечивающие низкое аэродинамическое сопротивление и высокую площадь контакта очищаемого воздуха с поглотителем диоксида углерода. Технический результат - расширение арсенала средств для поддержания безопасной и пригодной для дыхания воздушной среды. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Способ очистки воздуха от диоксида углерода в помещениях, приспосабливаемых для защиты населения от чрезвычайных ситуаций, отличающийся тем, что продув очищаемого воздуха осуществляется через сетчатые смачиваемые элементы, обеспечивающие низкое аэродинамическое сопротивление и высокую площадь контакта очищаемого воздуха с поглотителем диоксида углерода.

2. Устройство для осуществления способа по п. 1, содержащее резервуары для поглотителя диоксида углерода, насос для циркуляции поглотителя диоксида углерода, обеспечивающий подачу раствора с максимальной концентрацией поглотителя в зону контакта с очищаемым воздухом, отличающееся тем, что содержит сетчатые смачиваемые элементы, обеспечивающие низкое аэродинамическое сопротивление и высокую площадь контакта очищаемого воздуха с поглотителем диоксида углерода.

3. Устройство по п. 2, в котором смачиваемые элементы изготовлены в виде жгутов, расположенных в шахматном порядке и свитых из щелочестойких нитей.

4. Устройство по любому из пп. 2, 3, дополнительно содержащее элементы, обеспечивающие осушение очищенного воздуха.