WPŁYW ZANIECZYSZCZEŃ I DODATKÓW GAZOWYCH NA WŁASNOŚCI FIZYCZNE MIESZANIN ODDECHOWYCH

Transkrypt

1 Polish Hyperbaric Research Anna Majchrzycka, Tadeusz Kozak Anna Majchrzycka Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki Katedra Techniki Cieplnej 7-3 Szczecin, Piastów 9 tel.(48) Anna.Majchrzycka@zut.edu.pl Tadeusz Kozak Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny Wydział Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki Katedra Techniki Cieplnej 7-3 Szczecin, Piastów 9 tel.(+48) Tadeusz.Kozak@zut.edu.pl WPŁYW ZANIECZYSZCZEŃ I DODATKÓW GAZOWYCH NA WŁASNOŚCI FIZYCZNE MIESZANIN ODDECHOWYCH W pracy przedstawiono analizę wpływu zawartości zanieczyszczeń (ditlenek węgla, przegrzana para wodna) oraz dodatków gazowych (freon, sześciofluorek siarki) na własności fizyczne mieszanin oddechowych. Słowa kluczowe: własności fizyczne mieszanin oddechowych, EFFFECT OF CONTAMINANTS AND GASEOUS ADDITIVES ON PHYSICAL PROPERTIES OF THE BREATHING MIXTURES Tthe paper reports analysis effect of contaminants (carbon dioxide, superheated water vapour) and gaseous additives (freon, sulphur hexafluoride) on physical properties of the breathing mixtures Keywords: physical properties of the breathing gases. WSTĘP Mieszaniny oddechowe stosowane podczas nurkowania saturowanego składają się z tlenu i gazów obojętnych (np. hel, wodór, azot) oraz zawierają zwykle pewne ilości zanieczyszczeń, mogą również zawierać pewne dodatki gazowe. 3

2 Nr 4 (33) rok Zanieczyszczenia gazowe: ditlenek węgla, przegrzana para wodna, metan, itd. są wynikiem przemian metabolicznych w organizmie. Oprócz tego zanieczyszczeniem mieszanin mogą być gazy (tlenek węgla, węglowodory, czterochlorek węgla i inne), pochodzące z materiałów wyposażeniowych obiektu hiperbarycznego lub gazy, które zanieczyszczają mieszaninę na etapie jej przygotowywania. Zagadnienia te szczegółowo przedstawione są w pracach [3,4]. Ponadto do mieszanin gazowych wprowadzane są dodatki gazowe [] (freony, czterofluorek węgla, sześciofluorek siarki), których zadaniem jest zmniejszenia niekorzystnych zjawisk (zniekształcenie głosu, wzrost zagrożenia pożarowego), występujących w czystych mieszaninach oddechowych, zwłaszcza zawierających hel. Własności fizyczne mieszanin oddechowych zależą od ich jakościowego i ilościowego składu, co powinno być uwzględnione przy obliczaniu własności fizycznych rzeczywistych mieszanin oddechowych. W dostępnej literaturze [,5,6] analizowano to zagadnienia częściowo, wobec czego autorzy podjęli próbę teoretycznego, ilościowego określenia wpływu: ditlenku węgla, przegrzanej pary wodnej, powietrza, freonu-, sześciofluorku siarki na: gęstość, współczynnik rozszerzalności objętościowej, rzeczywiste molowe ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, lepkość i przewodność cieplną mieszanin helowo-tlenowych i wodorowo-tlenowych. Dzięki temu będzie można stwierdzić, które z zanieczyszczeń w sposób istotny wpływają na właściwości mieszaniny oddechowej, a wpływ których można pominąć.. METODA OBLICZEŃ W obliczeniach stosowano metodykę określania własności fizycznych mieszanin oddechowych podaną w pracach [5,6,7].Obliczenia przeprowadzono dla zakresu ciśnienia p =, MPa i temperatury T=48,5 33,5 K przy założeniu następującego zakresu wartości ciśnienia cząstkowego ditlenku węgla i udziałów molowych x i poszczególnych gazów: ditlenek węgla p CO =,5,6 MPa para wodna x pw =,, powietrze x pow =, freon ( R-) x R- =, sześciofluorek siarki x =, SF6 We wszystkich obliczeniach przyjęto, że ciśnienie cząstkowe tlenu, niezależnie od tego czy jest to mieszanina czysta czy zanieczyszczona, wynosi p O =,4 MPa. Jako kryterium oceny wpływu zanieczyszczeń na wielkość fizyczną I (gęstość, współczynnik rozszerzalności objętościowej, rzeczywiste molowe ciepło właściwe przy stałym ciśnieniu, dynamiczny współczynnik lepkości, przewodność cieplna) przyjęto względną zmianę wartości tej wielkości, spowodowaną wprowadzeniem zanieczyszczenia: I I I cz = z % () Icz gdzie: ΔI względna zmiana wartości wielkości I po dodaniu zanieczyszczenia, I cz wartość wielkości I dla mieszaniny dwuskładnikowej (He-O lub H -O ), z - wartość wielkości I dla mieszaniny zanieczyszczonej (wieloskładnikowej). 4

3 Polish Hyperbaric Research 3. WYNIKI OBLICZEŃ Wyniki obliczeń dla mieszaniny helowo-tlenowej przedstawiono na rys. (,, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9), a dla mieszaniny wodorowo-tlenowej na rys Dr,[%] 3 xw=, xw=,5 xw=,5 xw=,75 xw=, Rys. Względna zmiana gęstości mieszaniny He-O z dodatkiem pary wodnej 8 -Dr,[%] 6 pco=,5 pco=,3 4 pco=,45 pco=, Rys. Względna zmiana gęstości mieszaniny He-O z dodatkiem CO 5

4 Nr 4 (33) rok,5 -Dcp,[%],5 pco=,5 pco=,3 pco=,45 pco=,6,5,,4,6,8,,4,6,8 Rys.3 Względna zmiana rzeczywistego molowego ciepła właściwego mieszaniny He-O z dodatkiem pary wodnej. 3,5 -Dcp,[%],5,5 xw=, xw=,5 xw=,5 xw=,75 xw=, Rys.4 Względna zmiana rzeczywistego molowego ciepła właściwego mieszaniny He-O z dodatkiem CO,5 -Dcp,[%],5 x w =,5 T=33,5K T=73,5K T=48,5K, Rys.5 Wpływ temperatury na względna zmianę rzeczywistego molowego ciepła właściwego przy stałym ciśnieniu mieszaniny He-O z dodatkiem pary wodnej. 6

5 Polish Hyperbaric Research,5 -Dbr,[%] xw=, xw=,5 xw=,5 xw=,75,5 xw=, Rys.6 Względna zmiana współczynnika rozszerzalności objętościowej mieszaniny He-O po dodaniu pary wodnej.,8 - η,[%],6,4 pco=,5 pco=,3 pco=,45 pco=,6,,,,3,4,5,6,7,8,9 Rys.7 Względna zmiana dynamicznego współczynnika lepkości mieszaniny He-O z dodatkiem CO.,5 -Dl,[%],5 pco=,5 pco=,3 pco=,45 pco=,6,5,,4,6,8,,4,6,8 Rys. 8 Względna zmiana współczynnika przewodzenia ciepła mieszaniny He-O z dodatkiem CO. 7

6 Nr 4 (33) rok,5 -,[%],5 -,5 - -,5 - -, cp β ρ ρ η λ Rys.9 Względna zmiana własności fizycznych mieszaniny He-O z dodatkiem: pary wodnej ( x pw =,5), ditlenku węgla ( pco =,3 MPa), powietrza ( x,) pow =, freonu R- ( xr =,), sześciofluorku siarki ( xsf,) 6 = 3 -D, [%] λ ρ β ρ cp η Rys. Względna zmiana własności fizycznych mieszaniny H -O z dodatkiem: pary wodnej ( x pw =,5), ditlenku węgla ( pco =,3 MPa), powietrza ( x,) pow =, freonu R- ( xr =,), sześciofluorku siarki ( xsf,) 6 = Wpływ zanieczyszczeń niemetabolicznych (freon -, sześciofluorek siarki, powietrze) na własności fizyczne mieszanin oddechowych jest bardzo mały (ΔI <, %) i nie zależy od ciśnienia i temperatury mieszaniny. Wyjątek stanowi gęstość masowa, której względne zmiany osiągają wartość do Δ ρ=,8 %. Wpływ ditlenku węgla i przegrzanej pary wodnej zależy od ciśnienia i temperatury mieszaniny. Ze wzrostem ciśnienia mieszaniny wpływ ditlenku węgla (przy p CO = const) maleje natomiast wpływ przegrzanej pary wodnej wzrasta. Ze wzrostem temperatury mieszaniny wpływ obu czynników ulega, w większości przypadków, zmniejszeniu ( lub pozostaje stały), a jego zmiany można określić zależnością: T = 33,5 K = AI T= 48,5 K Wartości współczynnika A I, przy zanieczyszczeniu ditlenkiem węgla, wynoszą: () 8

7 Polish Hyperbaric Research A ρm = A ρ =A ßr = A λ, A cp = f (p) =,,4 A η = f (p) =,3,9 Wartości współczynnika A I, przy zanieczyszczeniu parą wodną, wynoszą: A η,85 A ßr,35 A λ = f (p) =,95,3 A ρm = f (p) =,3,5 A ρ = f (p) =,8,95 A cp = f (p) =,4,95 Zmiany własności fizycznych mieszanin oddechowych, spowodowanych obecnością ditlenku węgla (p CO =,6 MPa) przedstawiono w Tabeli. Tabela. Zmiany własności fizycznych mieszanin oddechowych, spowodowanych obecnością ditlenku węgla (p CO =,6 MPa) Zakres ciśnienia Lp. Własność fizyczna p, MPa p >, MPa Gęstość molowa Δρ m <,3 % Δρ m <, % Współczynnik rozszerzalności objętościowej Δß r <,8 % Δß r <,l % 3 Dynamiczny współczynnik lepkości Δη <,4 % Δη <,4 % 4 Rzeczywiste molowe ciepło właściwe przy stałym -Δc p < 5,3 % - Δc p <, % ciśnieniu 5 Przewodność cieplna λ <,% Δλ <,65% 6 Gęstość masowa Δρ < 5,9 % Δρ <,9 % Zmniejszenie zawartości ditlenku węgla powoduje zmniejszenie względnych zmian badanych właściwości zgodnie z przybliżoną zależnością: (p CO = p ) (p CO = p ) p p (3) Zmiany własności fizycznych mieszanin oddechowych, spowodowanych obecnością przegrzanej pary wodnej (x pw =,) przedstawiono w Tabeli. Zmniejszenie zawartości przegrzanej pary powoduje zmniejszenie względnych zmian badanych właściwości zgodnie z przybliżoną zależnością: (x pw = x ) (x pw = x ) x x (4) Łączny wpływ kilku zanieczyszczeń na właściwości fizyczne mieszanin może być obliczany addytywnie. Wyniki obliczeń dla mieszanin helowo-tlenowej oraz wodorowo-tlenowej przedstawiono na Rys.9 i Rys.. Uzyskane wyniki obliczeń dla mieszaniny wodorowo-tlenowej wykazują podobny przebieg zmian własności 9

8 Nr 4 (33) rok fizycznych do wyników otrzymanych dla mieszaniny helowo-tlenowej, z wyjątkiem dynamicznego współczynnika lepkości Tabela. Zmiany własności fizycznych mieszanin oddechowych, spowodowanych obecnością przegrzanej pary wodnej (x pw =,) Lp. Własność fizyczna Zakres ciśnienia p, MPa p, MPa Gęstość molowa Δρ m <,3 % Δρ m <,3 % Współczynnik rozszerzalności objętościowej Δß r <, % Δß r <, % 3 Dynamiczny współczynnik lepkości Δη <,8 % Δη <,8 % 4 Rzeczywiste molowe ciepło właściwe przy stałym -Δc p <, % -Δc p <, % ciśnieniu 5 Przewodność cieplna Δλ <,% Δλ <,% 6 Gęstość masowa Δρ < 3,4 % Δρ < 3,4 % 4. WNIOSKI Na podstawie uzyskanych wyników można sformułować następujące wnioski:. W obliczeniach własności fizycznych mieszanin oddechowych stosowanych podczas nurkowania saturowanego można pominąć wpływ ditlenku węgla, jeżeli są spełnione następujące warunki: - ciśnienie cząstkowe ditlenku węgla wynosi p CO <,5 MPa, - ciśnienie mieszaniny wynosi p>,5 MPa.. Pominięcie wpływu przegrzanej pary wodnej na własności fizyczne możliwe jest przy spełnieniu następujących warunków: - udział molowy pary wodnej x pw <,, - ciśnienie mieszaniny wynosi p < MPa. 3. W obliczeniach można pominąć wpływ: powietrza, freonu- (R-), sześciofluorku siarki, jeżeli ich udziały molowe wynoszą odpowiednio: x pow <,, x R- <,, x SF6 <,. 4. Jeżeli obliczaną wielkością jest wielkość właściwa odniesiona do jednego kilograma mieszaniny, to nie można pominąć wpływu zanieczyszczeń na własności fizyczne mieszaniny nawet wówczas, gdy spełniają one warunki podane w punktach Ograniczenia podane w punktach 3 pozwalają na wykonywanie obliczeń z dokładnością: ±,3 % przy pominięciu jednego zanieczyszczenia (punkt i ) lub jednej grupy zanieczyszczeń (punkt 3), ±, % przy pominięciu wszystkich zanieczyszczeń wymienionych w punktach 3. LITERATURA. Flynn, E.T., Vorosmarti J., Jr, Modell H.I., Temperature requirements for the maintenance of thermal balance in high pressure helium oxygen environments. Research Report -73, 974, Navy Experimental Diving Unit, Washington. 3

9 Polish Hyperbaric Research. Hamilton R.W. Jr., Breathing mixtures, Technical Memorandum CRL-T-75, Ocean Systems and Development Laboratory, Tarrytown, New York, December, Kłos R., Nurkowanie z wykorzystaniem nitroksu, Wyd.KOOPgraf S.C., Poznań, ISBN Kłos R.,Aparaty nurkowe z regeneracją czynnika oddechowego, wyd.koopgraf S.C., Poznań., ISBN Kozak T., Sobański R.: Wpływ ciśnienia i temperatury na lepkość i przewodność cieplną mieszanin oddechowych o różnych składach. Materiały III Konferencji Projektowanie i budowa obiektów oceanotechniki, Szczecin Praca zbiorowa: Zasady wykonywania obliczeń cieplnych elementów systemów do nurkowania saturowanego. Opracowanie Katedry Techniki Cieplnej, red. W. Nowak,, Gdańsk Sobański R.: Termodynamika mieszanin oddechowych i ich własności cieplne. Prace Naukowe Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 98 Autorzy: dr inż. Anna Majchrzycka Adiunkt w Katedrze Techniki Cieplnej na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego (dawna Politechnika Szczecińska), specjalność: technika cieplna, termodynamika, działalność naukowo- badawcza: zagadnienia związane z termodynamiką środowiska hiperbarycznego oraz komfortu cieplnego w obiektach hiperbarycznych. dr inż. Tadeusz Kozak Adiunkt w Katedrze Techniki Cieplnej na Wydziale Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego (dawna Politechnika Szczecińska), specjalność: technika cieplna, termodynamika, działalność naukowo- badawcza: zagadnienia związane z termodynamiką mieszanin oddechowych, gospodarką cieplną. 3

10 Nr 4 (33) rok 3