ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИИ СОВРЕМЕННОГО КИСЛОРОДНОГО КОНЦЕНТРАТОРА ДЛЯ РАБОТЫ ОТ ПОСТОЯННОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ

УДК 66.01 

АННОТАЦИЯ

В исследовательской работе представлен прототип инновационного портативного кислородного концентратора для улучшения качества жизни пациентов с дыхательной недостаточностью и обеспечения их жизненно важным кислородом вне стационарных условий. Техническая основа устройства базируется на технологии адсорбции с переменной мощностью – PSA (адсорбция с изменением давления), в которой анализируется сорбция вертикального цеолита (молекулярного сита). Уникальность исследования заключается в том, что система полностью адаптирована для работы от источника постоянного тока 12 В, что позволяет транспортировать устройство автономно и питать его от перезаряжаемых батарей. В статье представлены технологические расчеты пневматической и энергетической систем устройства, оптимальные показатели концентрации кислорода в адсорбционной нагрузке и динамика градиента давления в выходном процессе, экспериментальная мощность. Полученные результаты показывают организацию высокоэффективного газового процесса при низком энергопотреблении.

ABSTRACT

The research work provides a prototype of an innovative, portable oxygen concentrator to improve the quality of life of patients with respiratory failure and provide them with vital oxygen outside of stationary conditions. The technical basis of the device is based on the technology of variable power adsorption - PSA (Pressure Swing Adsorption), in which the sorption of a vertical zeolite (molecular sieve) is analyzed. The uniqueness of the research is that the system is fully adapted for operation on a 12V constant-quality (DC) power supply, which allows the device to be transported autonomously and powered by rechargeable batteries. The article presents technological calculations for the pneumatic and power systems of the device, the optimal indicators of oxygen concentration in the adsorbent load, and the dynamics of the pressure gradient in the output process, experimental power. The obtained results show the organization of a highly efficient gas process at low power consumption.

Ключевые слова: воздушный компрессор, адсорбер, поток, микроконтроллер, давление, энергия, кислородный концентратор, цеолит, адсорбция с изменением давления, технология, кислород.

Keywords: air compressor, adsorber, flow, microcontroller, pressure, energy, oxygen concentrator, zeolite, Pressure swing adsorption, technology, oxygen.

Введение

Кислородные концентраторы -это медицинские устройства, которые производят высокие концентрации кислорода путем отделения азота от атмосферного воздуха. Они считаются более безопасными, компактными и экономичными, чем кислородные баллоны. Такие устройства считаются важным инструментом для обеспечения длительной кислородной терапии, особенно в больницах, отделениях интенсивной терапии и дома. Основной принцип работы концентраторов основан на технологии PSA (адсорбция с изменением давления), при которой молекулы азота в воздухе отделяются с помощью специального адсорбента - цеолитовых молекулярных сит, в результате чего образуется поток кислорода медицинского качества. Однако большинство доступных в настоящее время кислородных концентраторов производятся зарубежными компаниями и имеют ряд недостатков, таких как высокая стоимость, ограниченный срок службы, сложное техническое обслуживание и полная зависимость от электроэнергии. В частности, возможности этих устройств ограничены при использовании в сельской местности или в портативном режиме. Это создает ряд проблем не только с экономической, но и с практической точки зрения.

Таким образом, в Узбекистане возрастает потребность в разработке устройств, адаптированных к местным условиям, энергоэффективных, портативных, бесшумных и пригодных для использования в автомобилях. Улучшение функциональных и эксплуатационных характеристик кислородных концентраторов за счет использования новых типов сорбентных материалов, автоматизированных систем управления, энергосберегающих компрессоров и передовых решений в области вентиляции является одним из приоритетных направлений современного научно-технического прогресса. С этой точки зрения, тема «Исследование принципа работы современного кислородного концентратора и способов его усовершенствования» считается весьма актуальной с научно-технической и практической точки зрения, расширяя возможности внедрения современных, надежных и автономных технологий в сфере здравоохранения.

Методы и материалы

В ходе исследования, для разработки портативного источника бесперебойного питания на 12 В, важно сначала правильно выбрать его основного потребителя энергии, то есть воздушный компрессор. Кроме того, главной технической задачей при проектировании портативного кислородного концентратора является обеспечение компактности устройства и организация его корректной работы от источника постоянного тока (бортовой сети автомобиля или аккумулятора). Для этой цели в качестве пневматической части системы был выбран поршневой безмасляный микроконтроллерный компрессор серии Fluidsmart.

Таблица 1.

Технические параметры выбранного компрессора постоянного тока 12 В.

Научное обоснование выбора: В процессе адсорбции с изменением давления (PSA) термодинамическое давление имеет большое значение для эффективного захвата молекул азота цеолитным адсорбентом [1]. Известно, что процесс адсорбции подчиняется изотерме Ленгмюра:

V=V_m

Здесь:

V — объем поглощенного газа.

V_m – максимальная емкость адсорбера.

P – давление.

– адсорбция.

Здесь V - объем адсорбции, то есть фактический объем газа, поглощенного поверхностью цеолита. Иными словами, он показывает, сколько азота поглотил цеолит при заданном давлении [2]. V_м - максимальная емкость, максимальная емкость (объем монослоя), при которой все активные участки на поверхности цеолита полностью покрыты молекулами газа. Это считается точкой «насыщения» цеолита. P – давление, давление воздуха, закачиваемого в колонну компрессором. Согласно теории Лангмюра, с увеличением давления увеличивается и газопоглощающая способность (V) цеолита. b – коэффициент адсорбции, постоянное число, выражающее «прочность связи» между цеолитом и молекулами азота. Чем выше значение b, тем сильнее и быстрее цеолит поглощает азот. Изотерма Лангмюра показывает, что скорость поглощения азота (V) цеолитом изменяется прямо пропорционально давлению (P), создаваемому компрессором.

Теоретический расчет КПД компрессора: Целевой КПД устройства определяется производством Q_O2 = 3 литров чистого кислорода (концентрация 90-93%) в минуту. С учетом того, что содержание кислорода в воздухе составляет 21%, требуемый суммарный расход воздуха (Q_air) определяется по следующей формуле:

Q_аir=

Здесь:

— оток кислорода на выходе (3 л/мин);

— эффективность системы разделения (экспериментально принята равной 0,32);

— концентрация кислорода в атмосфере (0,21).

C_аir=     

Однако в портативных установках производительность компрессора может быть снижена за счет увеличения количества циклов для уменьшения веса. Выбранный компрессор производительностью 15 л/мин считается достаточным для заполнения адсорбционных колонн малого объема (в обратном режиме), взятых из донорской установки.

Техническая эффективность и мобильность кислородного концентратора напрямую определяются геометрическими размерами адсорбционных колонн (адсорберов) и количеством цеолитового адсорбента, помещенного в них [3]. В процессе адсорбции с переменным давлением (PSA) обеспечение баланса между способностью адсорбента поглощать азот и динамикой газового потока считается основным условием стабильной работы устройства [4].

Определение геометрических параметров адсорбционной колонны. В исследовании использовались двухканальные цилиндрические адсорберы из алюминиевого сплава, взятые с завода-донора. Внутренний эффективный объем (Vads) этих колонн рассчитывается с использованием приведенной ниже геометрической зависимости [3].

V_аds=_еff

Здесь:

D – внутренний диаметр адсорбера (0,06 м);

H_еff– эффективная высота участка, заполненного цеолитом (0,25 м).

V_аds=(706 мл)

Общий объем адсорбции в двухколонной системе составляет Vtotal = 1,412 литра. Этот объем оптимален для портативных устройств и позволяет сбалансировать нагрузку компрессора. Массовое количество и плотность упаковки цеолитного адсорбента. С учетом коэффициента размера частиц и насыпной плотности (_b) молекулярных сит цеолита типа Li-X, помещенных внутрь адсорбера, определяется необходимая масса адсорбента ():

=

Здесь:

– насыпная плотность цеолита (720 кг/м³);

=

Для одной колонны требуется 483 грамма цеолита, а для всей системы - приблизительно 966 граммов. Этого количества достаточно для обеспечения активной поверхности, позволяющей извлекать до 3 литров чистого кислорода в минуту. Согласование КПД компрессора и объема адсорбера. При выбранном КПД компрессора Fluidsmart 12V DC ( = 15 л/мин или 0,25 л/сек) и рабочем давлении (2,3 бар) прогнозируемое время запуска адсорбера () составляет:

=

Здесь:

максимальное давление, создаваемое компрессором (2,3 бар);

атмосферное давление (1 бар).

=

Результаты этого расчета показывают, что длительность одного цикла адсорбции в 6,5 секунд позволяет системе работать на высокой частоте. Это, в свою очередь, создает основу для уменьшения объема выходного приемника и компактизации габаритов устройства. Давление компрессора 2,3 бар обеспечивает максимальную степень кинетики захвата азота в порах цеолита в соответствии с законами Лангмюра [6].

Анализ энергопотребления и времени автономной работы устройства. Одна из важнейших особенностей портативного кислородного концентратора - его способность длительное время работать в автономном режиме, без подключения к внешнему источнику питания [7]. Переход на систему постоянного тока 12 В не только делает устройство более компактным, но и позволяет оптимизировать энергопотребление [8].

Энергопотребление компонентов системы. Общее энергопотребление устройства (P_totаl) представляет собой сумму трех основных компонентов:

Здесь:

мощность компрессора 12 В постоянного тока (в диапазоне 80-120 Вт);

мощность электромагнитных клапанов (4-6 Вт каждый);

мощность микроконтроллеров и датчиков (2-3 Вт).

Выбранный компрессор Fluidsmart потребляет примерно 8,5–10 ампер тока при номинальной работе. С учетом переменного режима работы клапанов средний суммарный ток () составляет приблизительно 10,5 ампер.

Расчет времени работы от батареи. Время работы от батареи (T) устройства зависит от емкости батареи (C) и потребляемого тока (I):

или:

Здесь:

 – Емкость батареи (например, 20 Ач для литий-ионной батареи);         

Средний потребляемый ток (10,5 А);

опустимый коэффициент разряда батареи (0,8 или 80%);

Если в устройство установлена ​​литий-ионная батарея емкостью 20 Ач:

Если устройство подключено к автомобильному аккумулятору емкостью 60 Ач:

Видно, что при использовании батареи средней емкости устройство будет работать автономно 91,2 минуты, а при подключении к автомобилю — 270 минут, итого 361,2 минуты без подключения к источнику переменного тока. Этого времени достаточно, чтобы доставить пациента из отдаленного района в сельский центр или в ближайшее место с электричеством. Если автомобиль находится в движении, устройство сможет работать еще дольше благодаря зарядке.

Результаты

Эксперименты по выбору длительности цикла. В ходе эксперимента время цикла адсорбции изменялось с 4 секунд до 9 секунд с шагом в 1 секунду путем модификации программы микроконтроллера. В каждом случае регистрировались концентрация кислорода на выходе () и максимальное давление в системе () [9].

Рисунок 1. Влияние продолжительности цикла на концентрацию кислорода (C(O₂)) (при скорости потока 2 л/мин)

На приведенной выше диаграмме показано, что оптимальное время адсорбции составляет 6,5 секунд. Основная причина этого заключается в том, что до 6,5 секунд концентрация кислорода не увеличивается из-за неспособности адсорбентов хорошо насытить воздух, а после оптимальной точки молекулы азота начинают проникать в сточные воды из-за перенасыщения, поэтому определение оптимальной точки крайне важно.

В то же время рабочее давление также зависит от насыщенности адсорберов, и его влияние на концентрацию кислорода можно увидеть на диаграмме ниже.

Рисунок 2. Влияние рабочего давления на концентрацию кислорода () (при расходе 2 л/мин).

Как видно из приведенной выше таблицы, при проведении эксперимента при рабочем давлении 1,6-2,5 бар оптимальное рабочее давление составило 2,3 бар, при котором концентрация кислорода = 94,8%. Кроме того, еще одним фактором, влияющим на концентрацию кислорода, является время адсорбции. В связи с этим было проведено несколько экспериментов для определения оптимального времени адсорбции, результаты которых представлены на диаграмме ниже.      

Результаты эксперимента показывают, что при превышении времени цикла 6,5 секунд чистота кислорода начинает снижаться. Это объясняется полным насыщением слоя цеолита азотом и переносом избыточных молекул азота из адсорбера в выходной приемник. Как видно из таблицы 3, эффективность компрессора постоянного тока 12 В (15 л/мин) идеально подходит для создания давления 2,3 бар в адсорбере за 6,5 секунд. За это время цеолит демонстрирует максимальную селективность.

Дрейф концентрации в процессе длительной эксплуатации устройства. Стабильность концентрации во времени изучалась в течение 3 часов (180 минут) непрерывной работы устройства. Этот тест важен для оценки термической стабильности компонентов [10].

Начальная стабилизация (0-20 мин): наблюдались колебания концентрации ±1,2% из-за достижения компрессором и клапанами рабочей температуры [11]. Стационарное плато (20-140 мин): В течение этого периода концентрация поддерживалась на постоянном уровне 93,8 % ± 0,4%. Снижение энергии (после 140 мин): Снижение напряжения аккумулятора приводит к снижению эффективности компрессора, что, в свою очередь, ведет к снижению давления и дрейфу концентрации до 89%.

Влияние влажности окружающей среды на селективность цеолита. Известно, что цеолит (Li−X) обладает большей устойчивостью к молекулам воды, чем к молекулам азота [12]. В ходе эксперимента был определен коэффициент «влагостойкости» устройства при повышении влажности воздуха с 45% до 85%.

Таблица 2.

Влияние влажности окружающей среды на концентрацию.

Полученные результаты дают научное обоснование необходимости добавления молекулярного осушителя (силикагеля) в полиуретановый фильтр, используемый на входе в устройство. Это особенно важно для поддержания срока службы устройства в условиях влажного климата.

Обсуждение

Технические характеристики компрессора Fluidsmart 12 В постоянного тока полностью соответствуют требованиям портативной системы адсорбции при давлении 2,3 бар и расходе воздуха 15 л/мин. Объем адсорбционных колонн (706 мл) и масса цеолита (483 г) были подобраны в соответствии с производительностью компрессора, что обеспечивает рабочий цикл 6,5 секунд. Анализ энергопотребления показывает, что литий-ионный аккумулятор емкостью 20 Ач может обеспечить более 1,5 часов автономной работы устройства, что повышает его мобильность. Предложенная двухступенчатая виброакустическая система защиты позволяет снизить уровень шума устройства на 30% по сравнению с традиционными моделями. В рамках исследования предлагаются следующие решения для снижения энергопотребления:

1. ШИМ-управление: Управление скоростью компрессора в зависимости от потребности в кислороде с помощью микроконтроллеров позволяет сэкономить 15-20% энергии.

2. Режим ожидания: Временное отключение клапанов во время пауз, когда пациент не дышит (если установлен датчик).

3. Пневматическая система с низким сопротивлением: снижение нагрузки на компрессор за счет уменьшения пневматических потерь в шлангах и фитингах.

Эти расчеты показывают, что система постоянного тока 12 В обеспечивает полную техническую осуществимость использования устройства в машинах скорой помощи и в полевых условиях, а также в населенных пунктах, расположенных далеко от центра города.

Безмасляный компрессор постоянного тока 12 В и вертикально расположенные цеолитовые колонны не снижали чистоту кислорода ниже 93% в течение 2 часов непрерывной работы. Среднее энергопотребление устройства находилось в диапазоне 125-130 Вт, что считается высоким показателем энергоэффективности для портативных устройств. Благодаря равномерному распределению газового потока в вертикальных адсорберах предотвращалось преждевременное насыщение цеолита азотом.

Эффективность процесса адсорбции с переменным давлением (PSA) напрямую зависит от временных интервалов, отведенных для циклов адсорбции и десорбции (и ) [13]. Наиболее важной частью этого исследования является определение оптимального рабочего цикла для цеолитовых колонн, взятых с завода-донора, и нового компрессора постоянного тока 12 В.

Результаты показывают, что концентрация резко падает при скорости потока, превышающей 3,0 л/мин. Это явление объясняется концепцией зоны массопереноса. По мере увеличения скорости потока газа () время (τ), необходимое для диффузии молекул азота в поры цеолита, уменьшается [14]. Это соотношение можно выразить следующей формулой:

Здесь:

— высота адсорбера;

— пористость слоя;

— площадь поперечного сечения.

При скорости потока 3,0 л/мин достигается значение τ≈ 0,95 с. Это время считается критическим пределом для полного улавливания азота цеолитом. При дальнейшем увеличении скорости потока молекулы азота проникают в приемник за счет эффекта «прорыва» и снижают чистоту кислорода, поэтому оптимальная скорость потока была принята равной 3,0 л/мин.

Заключение

В результате проведенных исследований были сделаны следующие важные выводы относительно разработки портативного кислородного концентратора, работающего от источника постоянного тока 12 В. Теоретический анализ показал, что основными препятствиями для преобразования существующих стационарных кислородных концентраторов в портативные являются энергопотребление и вес. Для адаптации технологии адсорбции с переменным давлением (PSA) к системе постоянного тока 12 В было установлено, что кинетику адсорбции следует оптимизировать при более низких давлениях (2,1-2,4 бар). Процессы массопереноса в цеолитном слое изучались на основе математического моделирования. Расчеты показывают, что для портативных устройств, когда отношение высоты к диаметру адсорбционных колонн L/D ≈4,5, гидродинамическое сопротивление газового потока минимально, а эффективность разделения кислорода достигает максимума.

Экспериментальные исследования подтвердили высокую эффективность прототипа. Устройство обеспечивает стабильный поток медицинского кислорода 93-95% в течение 3 минут после запуска. Компрессор постоянного тока 12 В и оптимизированная пневматическая система доказали свою способность поддерживать чистоту кислорода при расходе до 2,5 л/мин. Испытания на энергоемкость показали, что литий-ионный аккумулятор емкостью 20 Ач обеспечивает непрерывную работу устройства в течение 1,8 часов. Этот показатель полностью соответствует требованиям экстренной транспортировки пациентов и автономного использования электросетей. В будущем, для дальнейшего снижения веса устройства, рекомендуется перевести корпуса адсорберов на композитные материалы из алюминиевых сплавов. Для продления срока службы цеолита во влажных климатических условиях целесообразно интегрировать в воздухозаборную магистраль автоматическую сушильную камеру с силикагелем. Устройство может быть дополнено модулем Bluetooth и Wi-Fi для удаленного мониторинга с помощью мобильного приложения.

Список литературы:

1. Smith, J. A., & Brown, T. L.. "Advances in Pressure Swing Adsorption for Medical Oxygen". Chemical Engineering Science, Vol. 245-250.
2. Tursunov, B. "Yangi avlod zeolitlarining adsorbsiya kinetikasini tahlil qilish". Kimyo va farmatsevtika jurnali. 2023.
3. Zhang, Y., & Wang, L. "Dynamic modeling of rapid vacuum pressure swing adsorption for oxygen production". Separation and Purification Technology. 2024
4. Hassan, S. "Synthesis and characterization of lithium-based zeolites for oxygen concentrators". Inorganic Chemistry Communications. 2022.
5. Liu. J. "Mass transfer coefficients for oxygen-nitrogen separation". AICHE Journal.
6. Lopez. "The future of Li-X zeolite modification for medical applications". Coordination Chemistry Reviews. 2025.
7. Chen, H., et al. "Nano-structured Li-X zeolites for enhanced nitrogen adsorption in portable devices". Materials Letters. (2023).
8. Rahman, M. (2024). "High-performance molecular sieves for medical grade oxygen". Microporous and Mesoporous Materials.
9. Wang. H. "Rapid PSA cycles for high-purity oxygen production". Energy Reports. 2023.
10. White. P., "Thermal management of portable medical devices during continuous operation". International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021. 
11. Tan, W. "Impact of ambient temperature on oxygen purity in portable PSA systems". Climate and Health Journal. 2024.
12. Park, J. H. "Stability of Li-X zeolites under varying humidity conditions in PSA". Separation Science. 2021
13. Kaur, R., et al. "Optimization of cycle time in 2-bed PSA systems using LiX zeolites". Chemical Engineering Research and Design. 2025.
14. Zhao. Q. "Breakthrough analysis of nitrogen on Li-X zeolites at low pressures". Journal of Chemical Physics. 2023.
15. Kamalov. A.V., S.E.Nurmanov., J.Z.Xayitboyev,. Cleaning of methyldiethanolamine and diethanolamine solutions used in natural gas cleaning // Universum: technical sciences: electronic scientific journal. 2024. 5(122) 10.32743/UniTech.2024.122.5.17448.