для чего нужен кислородный барьер в сшитом полиэтилене

.

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, ТЕМПЕРАТУРНОЕ РАСШИРЕНИЕ, СРОК СЛУЖБЫ И ЦЕНА ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ

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.

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).

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-AL^AP-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:

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

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.

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.

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…95^ОС. 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.

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

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.

.

.

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.

.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

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

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…)

.

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 |

.

.

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.