для чего нужен кислородный барьер в сшитом полиэтилене

для чего нужен кислородный барьер в сшитом полиэтилене Кислород

Диффузия кислорода в полимерных трубах | тенденции рынка труб

.

Создание производства полимерных труб требует не только анализа сбытовых тенденций развития рынка, но и тенденций технологического развития самих труб. Без учета этих тенденций любой проект может столкнуться с риском потери конкурентоспособности  

Инвестиционные аналитики оценивая ту или иную трубопроводную систему чаще всего обращают внимание на цены, рабочую температуру, максимальное давление, долговечность, температурное расширение, и совсем не обращают внимание на такой важный параметр как кислородопроницаемость (диффузия кислорода).

А между тем, по своей значимости кислородопроницаемость полимерных труб показатель, пожалуй, не менее важный чем рабочие температура и давление или температурная стабильность, а в однослойных трубах ставит под сомнение срок службы труб.

Влияние температурного расширения, в конце концов, можно уменьшить с помощью компенсаторов (это правда приводит к удорожанию трубопроводной системы), но устранить диффузию кислорода кроме как изменением конструкции самой трубы невозможно.

Инвестиционным аналитикам не просто получить данные о кислородопроницаемости труб того или иного проекта. Кроме производителей абсолютно кислородонепроницаемых металлопластиковых (металлополимерных) труб мало кто представляет данных о диффузии кислорода.

Мы восполним этот пробел (Табл.1, Рис.1, 2,3), и покажем негативные последствия кислородопроницаемости для трубопроводных систем.

Диффузия кислорода в полимерных трубах. Кислородопроницаемость однослойных и многослойных пластиковых (полипропиленовых, металлопластиковых, полиэтиленовых) труб: MLS Composite (PE-RT/ALap), PERT_Al-PERT, PEX-Al-PEX, PPR/AL, PP-R/FG, PEX/EVOH, PE-RT/EVOH, PP-R, PE-X, HDPE. Инвестиционный проект производства пластиковых труб. Штоллер консалтинг. Москва – Леирия. www.teo.ru

.

ДИФФУЗИЯ КИСЛОРОДА, ТЕМПЕРАТУРНОЕ РАСШИРЕНИЕ, СРОК СЛУЖБЫ И ЦЕНА ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ

Сравнительные показатели температурного удлинения и кислородопроницаемости полимерных труб. Диффузия кислорода в однослойных и многослойных полипропиленовых, металлопластиковых, полиэтиленовых труб: MLS Composite (MLSC, PE-RT/ALap), PERT_Al-PERT, PEX-Al-PEX, PPR/AL, PP-R/FG, PEX/EVOH, PE-RT/EVOH, PP-R, PE-X, HDPE. Инвестиционный проект производства пластиковых труб. Штоллер консалтинг. Москва – Лиссабон. www.teo.ru

Рис.1. Сравнительные показатели температурного удлинения и кислородопроницаемости полимерных труб

Из Таб.1 и Рис.1,2,3 видно, самой высокой кислородопроницаемостью обладают все однослойные трубы (PP-R, HDPE, PE-X) и полипропиленовые трубы армированные стекловолокном (PPR-FG).

Абсолютной не проницаемы для кислорода трубы металлополимерной конструкции MLS Composite (PE-RT/Al/PE-RT) и PPR-Al-PPR. Но полипропиленовые трубы с алюминиевым слоем уступают MLS Composite в долговечности, гибкости и цене.

Сравнительные показатели долговечности и кислородопроницаемости пластиковых труб. Диффузия кислорода в однослойных и многослойных полипропиленовых, металлопластиковых, полиэтиленовых труб: MLS Composite (MLSC, PE-RT/ALap), PERT_Al-PERT, PEX-Al-PEX, PPR/AL, PP-R/FG, PEX/EVOH, PE-RT/EVOH, PP-R, PE-X, HDPE. Инвестиционный проект производства пластиковых труб. Технологические риски создания производства полимерных труб. Штоллер консалтинг. Москва – Лиссабон. www.teo.ru

Рис.2. Сравнительные показатели долговечности и кислородопроницаемости пластиковых труб

В многослойных трубах с барьерным слоем из этилен-винилового спирта PEX/EVOH диффузии кислорода снижена до допустимых ГОСТ Р 53603-2009 значений, но температурное расширения  также велико, как у однослойных труб, что увеличивает стоимость трубопроводной системы в целом, из-за необходимости устанавливать температурные компенсаторы, а замуровывать в бетон их можно только в защитных гофрированных кожухах (за исключением теплых полов).

Сравнительные показатели цены и кислородопроницаемости полимерных труб. Диффузия кислорода в однослойных и многослойных полипропиленовых, металлопластиковых, полиэтиленовых труб: MLS Composite (MLSC, PE-RT/ALap), PERT_Al-PERT, PEX-Al-PEX, PPR/AL, PP-R/FG, PEX/EVOH, PE-RT/EVOH, PP-R, PE-X, HDPE. Инвестиционный проект производства пластиковых труб. Технологическая конкурентоспособность  производства полимерных труб. Штоллер консалтинг. Москва – Лиссабон. www.teo.ru

Рис.3. Сравнительные показатели цены и кислородопроницаемости полимерных труб

В модных  полипропиленовых трубах армированные стекловолокном PP-R/FG (PPR-FG-PPR) температурное расширение снижено до 0,63 х 10-4 /C, но все равно более чем в два раза выше чем у композитных металлопластиковых труб (PE-RT/ALap, PE-X/AL). При этом  они имеют высокую кислородопроницаемость, что по сути, делает их непригодными для систем отопления. Впрочем, это не мешает монтажникам укладывать  их в системы отопления, уповая на компенсаторы.

Кроме того, они уступают в цене и долговечности трубам композитным металлопластиковым трубам MLS Composite (PERT-ALAP-PERT) и многослойным PEX/EVOH.

Теперь разобравшись с диффузией кислорода наиболее популярных полимерных трубопроводов систем отопления и водоснабжения обратимся к негативным последствиям для замкнутых систем отопления, которые порождает высокая диффузия кислорода.

Для высокотемпературных и низкотемпературных систем отопления последствия кислородопроницаемости различные.

.

ДИФФУЗИЯ КИСЛОРОДА В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СИСТЕМАХ РАДИАТОРНОГО ОТОПЛЕНИЯ

Влияние диффузии кислорода в полимерных трубах в не замкнутых высокотемпературных системах (радиаторного отопление) хорошо известно.

Проникающий через стенки трубы кислород насыщает разогретый до высокой температуры теплоноситель пузырьками кислорода, порождая кавитационные процессы в насосах (Рис.4), вентилях (Рис.5), во всех других металлических элементах трубопроводной системы:

Разрушение водяного насоса в результате насыщения теплоносителя кислородом. Диффузия кислорода в однослойных и многослойных полипропиленовых, металлопластиковых, полиэтиленовых труб: MLS Composite (MLSC, PE-RT/ALap), PERT_Al-PERT, PEX-Al-PEX, PPR/AL, PP-R/FG, PEX/EVOH, PE-RT/EVOH, PP-R, PE-X, HDPE. Инвестиционный проект производства пластиковых труб. Технологическая конкурентоспособность и рискоустойчивость  производства полимерных труб. Штоллер консалтинг. Москва – Лиссабон. www.teo.ru

Рис.4. Разрушение водяного насоса, и скан поверхности ротора насоса (Сканирующий мультимикроском СММ-2000) в результате насыщения теплоносителя кислородом.

Разрушение вентиля в результате насыщения теплоносителя кислородом. Диффузия кислорода в однослойных и многослойных полипропиленовых, металлопластиковых, полиэтиленовых труб: MLS Composite (MLSC, PE-RT/ALap), PERT_Al-PERT, PEX-Al-PEX, PPR/AL, PP-R/FG, PEX/EVOH, PE-RT/EVOH, PP-R, PE-X, HDPE. Инвестиционный проект производства пластиковых труб. Технологическая конкурентоспособность и рискоустойчивость  производства полимерных труб. Штоллер консалтинг. Москва – Лиссабон. www.teo.ru

Рис.5. Разрушение вентиля в результате насыщения теплоносителя кислородом.

.

Процессы кавитации несколько усиливается образованием слабых кислот в теплоносителе в результате повышения концентрации того же кислорода.

Высокая кислородопроницаемость полимерных труб может привести к разрушению металлических узлов в довольно короткие сроки: 3-5 лет.

Благодаря достижениям производителей полимеров, современные полимерные трубы обрели высокую долговечность (50-100 лет), но применение полимерных труб с высокой диффузией кислорода в высокотемпературных системах отопления сокращает срок службы трубопроводной системы в целом в несколько раз, обесценивая долговечность самих полимеров.

Трубы с высокой диффузией кислорода, применение которых недопустимо в высокотемпературных системах отопления

  • PE-X (Однослойные трубы из сшитого полиэтилена)
  • PP-R (Однослойные трубы из полипропилена)
  • PPR-FG (Полипропиленовые трубы армированные стекловолокном)

.

ДИФФУЗИЯ КИСЛОРОДА В ЗАМКНУТЫХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СИСТЕМАХ ОТОПЛЕНИЯ (ТЕПЛЫЕ ПОЛЫ, ПОВЕРХНОСТНОЕ ОТОПЛЕНИЕ И ОХЛАЖДЕНИЕ)

До недавнего времени считалось, что диффузия кислорода создает проблемы только в высокотемпературных системах, но одна из самых авторитетных лабораторий EXOVA (прежнее название Bodycote Polymer, Швеция) провела 12-ти летние испытания полимерных труб в замкнутых низкотемпературных системах отопления (теплых полах, панельном и поверхностном отоплении и кондиционировании).

Результаты оказались несколько неожиданными, Рис. 6.

Заиливание стенок однослойной трубы в низкотемпературной системе отопления (Exova, Швеция). Диффузия кислорода в однослойных и многослойных полипропиленовых, металлопластиковых, полиэтиленовых труб: MLS Composite (MLSC, PE-RT/ALap), PERT_Al-PERT, PEX-Al-PEX, PPR/AL, PP-R/FG, PEX/EVOH, PE-RT/EVOH, PP-R, PE-X, HDPE.

Рис.6. Заиливание стенок однослойной трубы в низкотемпературной системе отопления (Exova, Швеция)

В низкотемпературных замкнутых системах отопления в кислородопроницаемых трубах (PE-X, PP-R, PPR-FG, HDPE) проникающий через стенки трубы в теплоноситель кислород провоцирует развитие аэробных микроорганизмов. В результате внутренние стенки труб заиливаются продуктами жизнедеятельности аэробных бактерий, и трубопроводная системав течении 6-12 лет выходит их строя, теряя свою пропускную способность.

Диффузия кислорода в полимерных трубах. Механизм образование отложений на стенках кислородопроницаемых труб продуктами жизнедеятельности аэробных бактерий. Диффузия водорода в пластиковых трубах. The mechanism of siltation of the walls of oxygen-permeable pipes by the waste products of aerobic bacteria. Штоллер консалтинг

Механизм заиливания стенок кислородопроницаемых труб продуктами жизнедеятельности аэробных бактерий

.

.

ОБЛАСТИ ПРИМЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ С УЧЕТОМ ИХ КИСЛОРОДОПРОНИЦАЕМОСТИ

Термостойкость современных трубных полимеров уже давно достигла необходимого для систем отопления и горячего водоснабжения уровня 90…95ОС. При этом долговечность большинства современных полимерных труб перешагнула 50 летный уровень, а у труб из полиэтилена PE-RT тип II и 100 летний.

Благодаря композитным конструкциям с армированием алюминием или стекловолокном удалось достичь высокой термической стабильности труб,  отпала необходимость установки температурных компенсаторов в системах отопления и горячего водоснабжения, что в свою очередь снизило затраты на прокладку трубопроводов.

Таким образом, важным критерием выбора типа полимерных труб для систем отопления и водоснабжения становится их кислородопроницаемости, Рис.7.

Области применения полимерных труб с учетом диффузии кислорода и термической стабильности. Кислородопроницаемость однослойных и многослойных полипропиленовых, металлопластиковых, полиэтиленовых труб: MLS Composite (MLSC, PE-RT/ALap), PERT_Al-PERT, PEX-Al-PEX, PPR/AL, PP-R/FG, PEX/EVOH, PE-RT/EVOH, PP-R, PE-X, HDPE. Инвестиционный проект производства пластиковых труб. Технологическая конкурентоспособность и рискоустойчивость  производства пластиковых труб. Штоллер консалтинг. Москва – Лиссабон. www.teo.ru

Рис.7. Области применения полимерных труб с учетом диффузии кислорода и термической стабильности

Безусловно, проблемы диффузии кислорода характерны для систем отопления. В системах водоснабжения требования к трубопроводам ниже.

Холодное водоснабжение: Применяются все известные типы однослойных и многослойных труб в том числе ПНД трубы.

Горячее водоснабжение: В Российской практике применяют самые разнообразные трубы, но с учетом требований к термической стабильности, предпочтительны многослойные трубопроводы: металлополимерные (металлопластиковые) на основе полиэтилена и полипропилена (PERT-Al-PERT, PEX-Al-PEX, PPR-Al-PPR), или полипропиленовые трубы армированные стекловолокном (PPR-FG-PPR, PP-R/FG).

Высокотемпературные системы отопления: К сожалению, в нашей стране умудряются использовать самые различные трубопроводы. Однако, надежность системы могут обеспечить только термически стабильные кислородонепроницаемые трубы: металлополимерные (металлопластиковые) MLS Composite,  PERT-AL-PERT, PEX-Al-PEX и полипропиленовые трубы армированные алюминием PPR-Al-PPR.

Применение полипропиленовых труб армированных перфорированной алюминиевой фольгой (PPR-Staby) недопустимо. Алюминиевая фольга в этих трубах не имеет прочного клеевого соединения со слоями полипропилена, что не обеспечивает термическую стабильность, приводит к быстрому расслоению и вздутию трубы. Дырчатая перфорация фольги труб является источником диффузии кислорода.

Низкотемпературные замкнутые системы отопления: Низкотемпературные системы наиболее развивающийся и самый перспективный сегмент потребления полимерных труб. Именно в виде низкотемпературных систем реализуются современные энергоэффективные системы отопления: это теплые полы, системы поверхностного отопления и охлаждения, панельное отопление и кондиционирования, системы использования геотермального тепла, теплообменники тепловых насосов.

Долговечность низкотемпературных систем могут обеспечить только трубы с низкой диффузией кислорода: MLS Composite, PERT-Al-PERT, PEX-Al-PEX, PEX/EVOH, PE-RT/EVOH.

В настоящее время металлополимерные трубы в этой области наиболее предпочтительны — кроме 100% кислородо-не-проницаемости, алюминиевый слой дает им дополнительное преимущество — они обладаю «памятью» формы, т.е. не разгибаются после изгиба. Однослойные трубы и трубы с полимерным барьерным слоем форму не держат, и это создает определенные трудности при монтаже.

Газораспределительные сети

В системах газоснабжения вопрос газовой проницаемости стенок полимерных труб стоит особенно остро. Если проникновение кислорода в теплоноситель через стенки полимерных труб приводит в долгосрочной перспективе к негативным последствиям, то проникновение природного газа через стенки полимерной трубы в наружную среду может привести катастрофическим последствиям? Отравление живущих в доме людей, к взрыву накопившегося в помещении газа то случайной искры.

Поэтому в газовых системах разрешены только гибкие трубы с абсолютной газонепроницаемостью с алюминиевым барьерным слоем (металлопластиковые трубы).

В 2022 году вступил в силу ГОСТ  регламентирующий применение металлопластиковых труб в газовых сетях.

ГОСТ Р 58095.3-2022 Системы газораспределительные. Требования к сетям газопотребления. Часть 3. Металлополимерные газопроводы. Gas distribution systems. Requirements for gas consumption networks. Part 3. Metal-polymeric gas pipelines

Вступление в силу этого ГОСТА повышает инвестиционную привлекательность инвестиционных проектов по организации производства композитных металлопластиковых труб и фитингов

Рейтинг полимерных труб

Рейтинг полимерных труб 2020.  MLS Composite (MLSC, PE-RT/ALap), PERT_Al-PERT, PEX-Al-PEX, PPR/AL, PP-R/FG, PEX/EVOH, PE-RT/EVOH, PP-R, PE-X, HDPE. Инвестиционный проект производства пластиковых труб. Штоллер консалтинг. Москва – Лиссабон. www.teo.ru

Стоит обратить внимание, что в низкотемпературных системах используются только гибкие трубы. В ближайшие годы габкость и кислородо-не-проницаемость труб станут главными критериями выбора трубопроводных систем.

.

Гибкие технические решения для производства пластиковых и композитных труб для строительной и нефтегазовой отраслей. Новые технологии, инжиниринг. Поставка заводов под-ключ. Fartrouven R&D

.

ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ МЕНЯЕТ РАСКЛАД НА РЫНКЕ ТРУБ ОТОПЛЕНИЯ

Среди некоторых инвестиционных менеджеров бытует мнение, что двигателем развития полимерных труб является многоэтажное строительство, однако это не совсем верно.

По данным Росстата 43% всего нового жилищного строительства РФ составляет малоэтажное строительство, в южных регионах превышает 70%. По прогнозам к 30-ым годам нашего столетия  доля малоэтажного строительства достигнет 70-80% в общем объеме жилищного строительства.

Важность малоэтажного строительства состоит в том, что оно  переносит проблему энергосбережения из государственной в личную. Поэтому переход на энергоэффективные системы отопления и кондиционирования мы, потребители, будем осуществлять сами. А необходимость этого вполне понятна. Традиционные системы радиаторного отопления энерго-не-эффективны.

Потребление тепла жилыми зданиями в странах со сравнимыми климатическими условиями. Потребление тепла в жилых зданиях РФ в 2-2,5 раз выше чем в странах со схожем климатом. Во многом это связано с повсеместным применением систем радиаторного отопления со стальными и полипропиленовыми трубами. Штоллер консалтинг. Москва – Лиссабон. www.teo.ru

.Рис.8. Потребление тепла жилыми зданиями в странах со сравнимыми климатическими условиями

Потребление тепла в жилых зданиях РФ в 2-2,5 раз выше чем в странах со схожем климатом. Во многом это связано с повсеместным применением систем радиаторного отопления.

Энергоэффективные системы отопления

Энергоэффективные системы отопления. Энергоэффективность, экономия энергии при применении теплых плов, поверхностного отопления и охлаждения (кондиционирования), тепловых насосов. Расход труб в энергоэффективных системах обеспечивает рост потребления гибких металлопластиковых труб. Инвестиционный проект производства металлопластиковых труб MLSC.  Штоллер консалтинг. Москва – Лиссабон. www.teo.ru

Благодаря ужесточению в Европе законов об энергосбережении энергоэффективные системы отопления практически вытеснили традиционные системы отопления.

В связи с этим кардинально изменились принципиальные требования к трубопроводным системам. В энергоэффективных системах трубы, по сути, перестали быть средством транспортировки теплоносителя, а превратились в системы теплообмена. Соответственно главными требованиями к трубам стали:

  • Гибкость
  • Кислородо-не-проницаемость (газобарьерные свойства)
  • Долговечность

Это привело к тому что жесткие полимерные трубы в настоящий момент практически вытеснены с европейского рынка.

Применение кислородонепроницемых и гибких труб в Европе и России

Использование в Европе и России гибких труб, и трубопроводов без диффузии кислорода. 2022. Системы отопления и водоснабжения. Диффузия кислорода в полимерных трубах. Штоллер консалтинг

Например, распространенные в России полипропиленовые трубы, на европейском рынке занимают всего лишь 1,3%.  Отставание от технологических тенденций систем отопления в России говорит о том, что ЖКХ , по-сути, сидит на пороховой бочке. (Подробнее о  полипропиленовых трубах и ЖКХ…)

.

Зеленый водород (green hydrogen), производимый из возобновляемых источников энергии, ядерного или ископаемого топлива, может помочь в декарбонизации различных секторов экономики. Появятся более жесткие требования к газопроницаемости используемых труб. Кроме уже привычных требований к кислородонепроницаемости добавятся более жесткие требования к диффузии водорода.

ПОЛИТИКА СНИЖЕНИЯ ВЫБРОСОВ СО2– ВОЗМОЖНОСТИ И НОВЫЕ ТРЕБОВАНИЯ

Именно сейчас, в 20-х годах нашего столетия, в мире происходит электрическая водородная революция. Она может привести к смене уклада энергосистем и постепенному формированию нового общего мирового рынка энергетики.

Зеленый водород (green hydrogen), производимый из возобновляемых источников энергии, ядерного или ископаемого топлива, может помочь в декарбонизации различных секторов экономики.

Транспортировка путем смешивания водорода с природным газом сейчас являются ключевым методом транспортировки зеленого водорода.

Зеленый водород можно смешивать в большинстве газовых сетей в количестве 6% по объему. Смешивание зеленого водорода может покрыть расходы на строительство специализированных водородных трубопроводов на ранней стадии развития рынка.

В различных странах допускаются разные доли водорода в природном газе (метане) – от 0,1% (Бельгия, Новая Зеландия, Великобритания и США) до 10% в Германии и 12% в Нидерландах. Верхний предел определяется национальными технологическими стандартами, связанными с безопасностью газопроводов.

По данным МЭА  в европейской газотранспортной системе подмешивание 20% водорода, , снизило бы выбросы СО2 на 60 млн тонн в год (7%).

Смешивание зеленого водорода в трубопроводах природного газа опробуется различными компаниями во всем мире. Например, проект Ameland, Нидерланды, не обнаружил, что смешение водорода до 30% создает какие-либо трудности для бытовых устройств, таких как газовые плиты для приготовления пищи.

Безусловно политика декарбонизации экономики потребует изменение нормативных актов, направленных на обеспечение более высоких уровней смешения водорода и природного газа, которые помогут в использовании природного газа, смешанного с экологически чистым водородом.

Это также потребует определить стратегию замены (адаптации) оборудования в домах, таких как газовые плиты и трубопроводные системы.

А августе 2021 Россия, вслед за ЕС и США приняла Концепцию развития водородной энергетики. Безусловно, перемены в энергетической политике коснуться и жилищно-коммунального хозяйства.

Появятся более жесткие требования к газопроницаемости используемых труб. Кроме уже привычных требований к кислородонепроницаемости добавятся более жесткие требования к диффузии водорода.

В настоящее время абсолютной непроницаемостью для кислорода и водорода обладают только металлополимерные трубы. Применяемые решения на основе EVOH гораздо менее эффективны для водорода. С определенной вероятностью в неметаллических трубопроводах EVOH заменят композитные материалы, например, на основе слоистых силикатов.

(подробнее о водородной энергетике …)

***

Энергосберегающие системы снизят затраты на содержание жилых домов. Требования к надежности и газопроницаемости потребуют от инвесторов подходить к процессу выбора трубопроводной системы для производства более вдумчиво.

При выборе труб инвестиционным менеджерам  будет необходимо учитывать все факторы влияющие на надежность и долговечность системы. Но благодаря тому, что энергосбережение и декарбонизация сужает количество принципиальных требований, выбирать будет проще.

Михаил Попов, Manfred Fartrouven

По материалам НПО ЭМ (Россия), Fartrouven R&D (Португалия)

При цитировании ссылка обязательна

.

| Методы определения диффузии кислорода в полимерных трубах |

.

.

Физиология и патофизиология газообмена

Транспорт О2 из атмосферы до периферических тканей
организма представляет собой многоступенчатый процесс.

После того как воздух попадает в альвеолы легких, следующим этапом
газообмена является диффузия кислорода из альвеол в кровь легочных
капилляров и диффузия СО2 из крови легочных капилляров
в альвеолы. Диффузия представляет собой простое движение молекул через
респираторную мембрану из области более высокого давления в область
более низкого.

Таким образом, парциальное давление О2 (PO2)
является одним из основных факторов, определяющих его транспорт в
организме, причем не только в легких, но и во всем теле вплоть до
периферических тканей.

Помимо градиента давления скорость диффузии определяется 1) растворимостью
газа в жидкости; 2) площадью поверхности, через которую протекает
диффузия; 3) расстоянием, которое газ должен пройти при диффузии;
4) молекулярным весом газа; 5) температурой жидкости. Поскольку в
живом организме температура постоянна, она обычно не учитывается.

Применительно к альвеолокапиллярной мембране скорость диффузии газа
будет зависеть от:

  1. толщины мембраны;
  2. площади поверхности мембраны;
  3. диффузионного коэффициента газа в мембране;
  4. градиента давления газа по обе стороны мембраны.

По мере транспорта О2 от легких к периферическим
тканям его парциальное давление снижается. Если в атмосферном воздухе
при нормальном атмосферном давлении парциальное давление О2
составляет 159 мм рт. ст., то в периферических тканях, в зависимости
от уровня их обмена, — 35–85 мм рт. ст. Венозная кровь, поступающая
в легкие, имеет РО2 около 40 мм рт. ст.

Уже в альвеолярном воздухе содержание О2 и его парциальное
давление отличаются от атмосферного воздуха (13,6 % и 104 мм рт.
ст. соответственно). Это происходит вследствие нескольких причин:

  1. альвеолярный воздух лишь частично замещается атмосферным во время
    каждого вдоха;
  2. О2 постоянно абсорбируется из альвеолярного воздуха;
  3. СО2 постоянно диффундирует из крови легочных капилляров
    в альвеолы;
  4. сухой атмосферный воздух, который поступает в дыхательные пути, увлажняется,
    насыщаясь водными парами, прежде чем достигает альвеол.

В артериальной крови, покидающей легкие, РО2
уменьшается уже до 95 мм рт. ст. вследствие так называемого венозного
примешивания. Дело в том, что определенное количество венозной крови
(1–2 %) не аэрируется в легких, поступая напрямую в артериальное
русло, что и приводит к некоторому снижению РО2.
Увеличение объема шунтированной крови, которое происходит при гипоксии
может приводить к существенному понижению артериального РО2.

Увеличение толщины альвеолокапиллярной мембраны, затрудняющее диффузию
газов, часто является следствием отека — увеличения количества жидкости
в межклеточном пространстве мембраны. Состояние характеризуется как
интерстициальный отек легких. Кроме того, жидкость может накапливаться
и в альвеолах, так что газам приходится проходить не только через
мембрану, но и через жидкость, что характерно уже для альвеолярного
отека легких. В большинстве случаев имеет место сочетание этих состояний
той или иной степени выраженности. Имеет значение и исходное состояние
легких. При ряде заболеваний, может возникнуть фиброз какого либо
участка легких с утолщением альвеолокапиллярной мембраны. Поскольку
скорость диффузии газов через мембрану обратно пропорциональна ее
толщине, любой фактор, увеличивающий ее толщину более чем в два –
три раза, может существенно нарушать нормальный газообмен.

Из капилляров кровеносного русла О2 диффундирует
в периферические ткани, поскольку парциальное давление О2
в капиллярах выше, чем в тканях. РО2 в интерстициальной
жидкости вне капилляров составляет в среднем 40 мм рт. ст., тогда
как в артериальной крови — 95 мм рт. ст. В венозной крови, покидающей
капилляр, РО2 также составляет около 40 мм рт. ст.
Если скорость тканевого кровотока увеличивается, большие количества
О2 доставляются тканям и тканевое РО2
увеличивается. Увеличение тканевого метаболизма приводит к снижению
РО2 как в периферических тканях, так и в венозной
крови.

Поскольку О2 постоянно используется тканями, внутриклеточное
РО2 всегда остается ниже интерстициального. Со снижением
интерстициального РО2 снижается и РО2
внутри клеток, повышение интерстициального РО2 ведет
к повышению внутриклеточного РО2. Важным общим свойством
живых организмов является большой запас функциональной прочности систем
поддержания жизнедеятельности. Такая особенность характерна и для
процессов газообмена. Для полного обеспечения процессов метаболизма
достаточно РО2 1–5 мм рт. ст., в то время как внутриклеточное
РО2 может варьировать от 5 до 60 мм рт. ст. (в зависимости
от протяженности капиллярного русла). Поэтому организм человека и
может функционировать при весьма существенном снижении РО2
в атмосферном воздухе.

В нормальных условиях около 97 % кислорода от легких к тканям переносится
в химически связанном виде гемоглобином. Лишь 3 % составляет О2
растворенный в плазме крови. Следует учитывать, что способность гемоглобина
связывать О2 является ограниченной. Каждый грамм
гемоглобина может максимально связать 1,34 мл О2.
Эта так называемая константа Гюффнера. Соответственно кислородная
емкость крови (т. е. максимальное общее количество кислорода, которое
может быть перенесено кровью) будет находиться в прямой зависимости
от содержания гемоглобина:

Кислородная емкость крови = [ Hb ] x 1, 34 мл O2 / 100 мл крови

У здоровых людей с содержанием гемоглобина 150 г/л кислородная емкость
крови составляет 201 мл О2/л крови. Реально переносимое
количество мл О2 обычно меньше.

Ключевым фактором, характеризующим количество кислорода, связанного
с гемоглобином, является насыщение артериальной крови кислородом (сатурация,
SaO2). Оно выражает отношение между количеством кислорода,
связанного с гемоглобином и кислородной емкостью крови:

SaO2 = ( HbO2 / кислородная емкость крови ) x 100 %

Содержание кислорода в крови (контент, СаО2) — это
сумма связанного с гемоглобином и растворенного в плазме О2:

CaO2 = ( 1, 34 x [ Hb ] x SaO2 ) ( PaO2x 0, 0031 )

Очевидно, что СаО2 зависит главным образом от фракции
О2, связанной с гемоглобином.

Кровь содержит незначительное количество кислорода, не связанного
с гемоглобином, а растворенного в плазме. Согласно закону Генри, количество
растворенного кислорода пропорционально парциальному давлению О2
и коэффициенту его растворимости, а растворимость О2
в крови очень низка: только 0,0031 мл О2 растворяется
в 0,1 л крови при увеличении давления на 1 мм рт. ст. Таким образом,
при РаО2 равным 100 мм рт. ст., в 100 мл артериальной
крови содержится только 0,31 мл растворенного О2.
Со снижением РаО2 количество растворенного в плазме
О2 станет еще меньше.

Содержание О2 в связи с изменениями РаО2
колеблется незначительно до тех пор, пока устойчиво поддерживается
SaO2. Изменения содержания гемоглобина приводят к
более заметным сдвигам СаО2. Нормальное СаО2
равно 198 мл О2/л крови при условии, что PaO2 = 100 мм рт. ст.,
содержание гемоглобина 150 г/л, а SaO2 = 97 %.
Умеренная анемия (например гемоглобин 120 г/л) при поддержании нормального
РаО2 проявляется снижением СаО2
до 160 мл О2/л крови.

Сродство гемоглобина к кислороду возрастает по мере последовательного
связывания молекул О2, что придает кривой диссоциации
оксигемоглобина сигмовидную или S-образную форму. Эта кривая, соотносящая
изменения SaO2 в зависимости от РаО2,
важна для анализа процессов транспорта кислорода к периферическим
тканям:

Верхняя часть кривой (при РаО2 > 60
мм рт. ст.) — относительно плоская. Это приводит к тому, что SaO2,
а следовательно, и СаО2 остаются достаточно постоянными,
несмотря на значительные колебания РаО2. Повышение
СаО2 или транспорта кислорода в этой области кривой
может быть достигнуто только за счет увеличения содержания гемоглобина
(например, при переливании крови) или растворения в плазме крови кислорода
(например при гипербарической оксигенации).

Крутые средняя и нижняя часть кривой иллюстрируют то положение, что,
хотя SaO2 падает (когда РаО2 оказывается
ниже 60 мм рт. ст.), процесс насыщения гемоглобина кислородом продолжается,
поскольку градиент РаО2 между альвеолами и капиллярами
сохраняется. Периферические ткани в этих условиях могут продолжать
извлекать достаточное количество О2, несмотря на
снижение капиллярного РО2.

РаО2, при котором гемоглобин насыщен кислородом на
50 % (при 37 °С и рН 7,4) известно как Р50. Это
общепринятая мера сродства гемоглобина к кислороду. Р50
в крови человека в норме составляет 26,6 мм. рт. ст. Однако оно может
изменяться при различных метаболических и физиологических условиях,
воздействующих на процесс связывания кислорода гемоглобином.

Когда сродство гемоглобина к кислороду падает, О2
с большой легкостью переходит в ткани, и наоборот. Повышение Р50
определяет сдвиг кривой диссоциации оксигемоглобина вправо. Сродство
гемоглобина к кислороду снижается, указывая, что теперь требуется
более высокое РаО2 для поддержания SaO2
на прежнем уровне. Более низкое сродство гемоглобина к кислороду означает
повышенное высвобождение кислорода в тканях, но ухудшение связывания
гемоглобина с О2 в легких.

Сдвиг кривой диссоциации влево и соответствующее снижение Р50
указывает на повышенное сродство гемоглобина к кислороду — улучшение
связывания в легких и ухудшение высвобождения О2
в периферических тканях. На Р50 и положение кривой
диссоциации гемоглобина влияет несколько факторов, в частности, рН
и температура.

Для обеспечения обмена веществ в периферических тканях важное значение
имеет не только общее содержание О2 — ключевой физиологической
переменной является его доставка. Доставка кислорода — это количество
кислорода, транспортируемое к тканям в единицу времени. Чтобы поддержать
аэробный метаболизм и предотвратить накопление лактата, периферические
ткани должны постоянно снабжаться кислородом. Обстоятельства, которые
определяют адекватность кислородного снабжения, разнообразны и включают
состояние покоя, физическую нагрузку, гиперкатаболические состояния
и инфекцию.

Доставка кислорода к периферическим тканям зависит от количества кислорода
в определенном объеме крови и уровня кровотока. Хотя объем кровотока
к отдельным органам различен, в периферических тканях он в целом равен
сердечному выбросу (CB). Системная доставка О2 (DО2)
рассчитывается как DO2 = СВ (л/мин) x CaO2 (мл/л).

Нередко DО2 рассчитывают с учетом площади тела. То
есть на самом деле рассчитывают индекс DО2. Нормальными
величинами индекса DО2 считают 520–720 мл·мин-1·м-2.

Доставка кислорода падает при уменьшении сердечного выброса или снижении
объемного содержания кислорода в артериальной крови. Это характерно
для многих критических и терминальных состояний и чаще всего наблюдается
при выраженных проявлениях сердечной недостаточности, повышении внутрилегочного
шунтирования крови, централизации кровообращения, при различных пороках
сердца, кардиохирургических и других длительных и травматичных вмешательствах.
С практической точки зрения следует иметь в виду, что любое нарушение
кровообращения будет ухудшать доставку О2.

Потребление кислорода является заключительным этапом транспорта кислорода
тканям и представляет собой кислородное обеспечение тканевого метаболизма.
В условиях основного обмена взрослый человек потребляет около 250
мл О2 в 1 мин. Однако скорость утилизации О2
различными тканями значительно отличается.

Потребление кислорода тканями (VO2) — интегральный
показатель, учитывающий как циркуляторный компонент транспорта кислорода
(сердечный выброс), так и его гемический компонент (артериовенозное
различие по кислороду, CaO2 — CvO2).
Его можно определить по формуле: VO2 = СВ x (CaO2 — CvO2) x 10.
Так же как и DО2, VO2 часто выражают
в виде индекса, то есть в перерасчете на площадь тела. Нормальными
величинами индекса потребления кислорода являются 110–160 мл·мин-1·м-2.

В зависимости от состояния организма (покой, нагрузка или заболевание)
меняется фракционное распределение СВ к органам. Более того, и экстракция
кислорода тканями различных органов неодинакова. Например, миокард
получает лишь малую фракцию СВ, но извлекает почти весь доставляемый
кислород.

Нормальный компенсаторный ответ на снижение кровотока проявляется
в виде увеличения поглощения кислорода, достаточного для поддержания
VO2 на нормальном уровне. Падение сердечного выброса
компенсируется увеличением артериовенозного различия по кислороду,
и VO2 остается неизменным. Снижение насыщения венозной
крови кислородом отражает увеличение экстракции кислорода.

Способность компенсировать снижение кровотока повышением поглощения
кислорода является характерной особенностью микроциркуляторного русла
практически всех органов и тканей за исключением сердца и диафрагмы.
В них высокая экстракция кислорода из капиллярного ложа происходит
уже в норме. Поэтому уровень кислорода в тканях сердца и диафрагмы
весьма чувствителен даже к незначительным изменениям кровотока.

Таким образом, основными факторами, определяющими доставку О2,
являются:

  • парциальное давление кислорода в атмосферном воздухе;
  • нормальное состояние альвеолокапиллярной мембраны;
  • эффективность дыхательной системы;
  • достаточное количество гемоглобина крови;
  • эффективность системы кровообращения.
Сергей Науменко,
г. Новосибирск, 2022 г.
Оцените статью
Кислород
Добавить комментарий