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安全可靠的供氧系统医用空气 |
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关于医用气体，医院通常都会遇到的一个问题是，如何解决医用气体中的水分。简单来说，气体中含有水可是一件麻烦事，它可以损坏呼吸机或空气--氧气混合器，造成经济损失，更可怕的是医用空气中的水分对病人来说是一个致命的威胁。
一条精心设计、保养得当、洁净并且无污染的医用空气中心供气系统将为医院工作人员减少很多麻烦。许多医疗机构拥有医用空气中心供气系统却从不使用它，正是因为水分的问题。工作人员要么改用氧气，要么多花钱去购买便携式医用空气配呼吸机。这些方法虽然确实避免了水分造成的危害，但却要多花很多不该花的钱。 许多人并不理解的是，医用空气中的水分问题其实是整个医用供气系统的设计所造成的，事实上很容易避免这个问题。设计师必须应该理解系统中各个部件之间的相互关系，并选择那种可以使水分消失在压缩机环节的部件，从而使之不可能出现在管道中。当然，这对设计师的要求会比较高，他们不仅要理解单个的组成部件，还需要熟知各部件的相互关系。 虽然在本文中我们不可能全面探讨消除水分的所有相关细节，但我们可以试着了解其中最重要的部分。首先，让我们对一些重要概念加以定义。 l 医用空气中的水分只有当它是液体时才有危害，气态的水并无多大影响。事实上，太干燥的空气并不适合病人吸入，需要加湿才能让病人顺畅呼吸。 l 露点是指一定量的空气中含多少水气。如果空气冷却到露点以下，就会形成液态水。对医用空气的露点进行持续监控如今是全世界大部分医用气体标准里共同要求的。 l 湿度是指空气中所含水分的多少，与露点相关。 l 空气中气态水的含量与空气的湿度有直接关系。温热的空气中气态水的含量总比冷空气要多。这个关系是确切且可以预测的。 任何的医用空气压缩机组的组成部件都是标准化的。图示1中可以看到普通的医用空气压缩机组的组成部件。 这些组成部件与减少(或不能减少)空气中的含水量密切相关。虽然很多人都以为空气干燥塔是唯一可以去除水分的部件，事实上后冷机与储气罐也同样可以去除水分，甚至更为重要。图示2显示的是医用空气的四个形成阶段，以及在空气进入干燥塔之前，系统是如何工作以去除大部分水分的。 图示2中同样标明了系统所处的环境。天气又湿又热，温度达到30℃，湿度达到90%，这或许是比较典型的中国沿海城市夏天的天气情况。 压缩机组的表压提高至724 kPa，这意味着空气中的水分也被压缩了。这个例子中相关的露点达到80℃，意味着空气中含有大量的水气。由于压缩会产生热能，空气的温度也会上升至125℃。这就是为什么水分一般不会在压缩机组环节中凝结。 压缩机房现在室温为41℃。后冷机可以给空气降温至高出室温的7℃之内。(这被称为后冷机的接近温度)。因此空气离开后冷机时是49℃，水分也凝结了。现在可以看到有大量的水分被去除了。事实上，在这些条件下，后冷机可以去除64%的水分。这个比例随着条件变化而变化，不过除了在非常寒冷的情况下，后冷机总是能去除绝大部分的水。如果你的空气系统中没有后冷机，或者后冷机的设计非常差，水分就会大量存在于系统中。 后冷机还可以去除空气压缩时产生的大量热能。如果不去除热能，空气在干燥时就会发生问题，下面我们来讨论。 空气由后冷机传递到储气罐，在储气罐中，除非空气流通太快，否则还能消耗一部分热能，使罐中空气达到室温。在这个例子中，空气中的温度会从49℃降至41℃，还有12%的水分会通过储气罐的排水去除掉。 很明显，以上这两个环节总共去除了76%的水。一个设计良好的系统必须致力于确保后冷机与排水的正常工作。 如果这两个环节不能正常工作，或它们根本不存在，又会如何呢?(由于许多医院的工作人员没有意识到它们的重要性，或许根本没有安装它们。) 排水系统是最大的问题，由于空气在通过管道时水分会凝结，如果不能使水分离开系统，它就会在储气罐中堆积。长时间如此的话，储气罐中的水就会溢出来并进入管道，这也是可能危害病人的一个方面。为了防止这一情况的发生，储气罐必须配备一块可视玻璃，以供维修人员检查水位有无上升。不过这也很容易被假象所蒙蔽，因为当水满的时候从可视玻璃外看进去就和空的一样。只有在水位于可视玻璃一半的时候才能有效分辨。除了配备人工排水装置，自动排水装置也是不可或缺、并需要经常检测的。 没有后冷机的话，系统只能完全依靠储气罐和管道来散热。如果系统很少被使用，或许这还是可行的。如果系统负荷很大，热能就会传递到干燥塔，造成不可想象的后果。并且不论如何，水分都会在系统各部分随意凝结，包括在干燥塔进口处。这便意味着干燥塔里进水了。 以上所述的医用空气系统前半部分是确保水分排除的关键，但后半部分也不能被忽视。图示3中显示了系统的后半部分组件。我们仍然沿用图示2的例子。 这里我们看到了两种不同的干燥技术。当然还有更多的干燥技术，但都不常用于医用空气系统。 冷冻式干燥塔的工作原理是使空气冷却，促使水分凝结。最冷可以达到1.7℃，再冷的话水就要结冰，堵塞干燥塔了。如果干燥塔工作正常，产生的空气露点会达到1.7℃，这就意味着又有22%的水气被排除了。 冷冻式干燥塔并不是最适合医用空气的干燥塔，因为它有自己的变化曲线，医院对此颇为头痛。 低流速的时候，通常是在干燥塔正常流速的20%的情况下，许多冷冻式干燥塔没有办法保持原来的露点。这便会造成水在变热后重新回到空气中。 不同型号的冷冻式干燥塔或多或少都具有这个问题。因此，专家们并不推荐在医用空气系统中使用冷冻式干燥塔。 图示4中可以看到冷冻式干燥塔的变化曲线与另一种医用空气系统里常用的吸附式干燥塔的变化曲线之比较。 吸附式干燥塔是利用物理原理，即使干燥微粒与水分子发生化学吸引的一种方法。由于干燥微粒与水分子的吸引力并不强，因此过程是可逆的，干燥微粒也可以重新再生。一个干燥塔中有两个小塔，一个用于干燥空气，另一个用于重新产生干燥微粒。隔一段时间后互换。 在这个例子中，吸附式干燥塔可以去除99.8%的水气，露点降至-40℃。医用空气专用的吸附式干燥塔可以去除96.8%的水气，露点降至-12℃。 这两种不同类型的吸附式干燥塔其实反映了医用空气与工业用空气的不同。医用空气应用中，病人不能吸入太过干燥的空气，而必须重新加湿后才能使用，所以不需要太低的露点，何况制造很干燥的空气本来就要消耗更多的能量。 医用空气应用中，最重要的问题不是要达到多少露点，而是确保终端中不可能出现液态水。如果系统是按以上要求设计的，就根本不可能有液态水的出现，这就够了。意识到这个基本要点是降低医用空气系统运营成本的秘诀。 医用吸附式干燥塔的一个特别之处在于它可以控制再生空气。再生空气是指再生干燥微粒的那部分空气，约占整个干燥塔额定流量的15%。再生空气必须是经过压缩的，有足够的能量在机组中运转，并需要保养。如果没有再生空气控制，当医院没有病人使用医用空气的时候，压缩机仍将运转以制造再生空气，这样就造成了浪费。 举例来说，一个有1000 lpm流量的系统需要使用150 lpm的再生空气。在一年里以医用空气平均使用情况来看，这样一个系统可以为病人输送175*106升空气，消耗78*106升再生空气。 有了再生控制，当医院不需要使用医用空气时，再生空气也被关闭。当医院只需要一点点医用空气，系统就制造一点点再生空气。简单来说，再生空气与医院的实际用气量成正比。 当空气进气口处的水分较少时，再生控制也减少了再生空气的使用。因为干燥塔只需要去除很少的水分，再生空气的量也自然相应减少。这种情况通常发生在比较干燥的地区，或是沿海城市的冬天，相对湿度比较低的地方。 在本例中，一个1000 lpm的机器一年可以产出175*106升医用空气，如果有再生控制，再生的空气仅仅只有26*106升，这是非常显著的减少。系统到底能减少多少再生空气，这取决于医用空气的使用量和进气口的湿度。不过所有的系统在使用了再生控制后都能明显降低成本。 吸附式干燥塔也有两个局限。如果干燥微粒触碰了液态水，就可能会对系统造成损坏(与其他部件不同，吸附式干燥塔中的微粒只能接触气态水)，还有就是在超过49℃的情况下，吸附式干燥塔可能无法正常工作。 图示1中显示的医用空气系统部件的设计是使干燥塔正常工作的关键。后冷机必须将干燥塔进气口处温度降至49℃以下，排水系统必须正常工作以保证干燥塔中没有液态水。这样这些组件如何协同工作的流程就很清楚了。 过滤器和空气净化器没有具体细节。这些部件也是必需的，但是究竟使用何种型号以及需要多少还要看你选择怎样的空气压缩机。ISO 7396和HTM 2022标准都允许使用油润式压缩机，这种容易造成空气油污染的压缩机必须配备油分离器、过滤器、催化剂以及其他可以洁净空气的器具，使之适用于医疗用途。 如果你使用油润式压缩机并使用被严重污染的空气作气源，就必须配备过滤器与空气净化器以去除污染。这些设备的购买成本都比较高，并需要持续的保养。它们必须被安装在指定的地方，以便定期检查空气的纯净度。 在此以外还有一个方法，就是遵循NFPA 99标准的规定，使用无油或少油的压缩机，这便不会污染空气。这种系统必须使用最干净的空气资源，并能在整个过程中保持干净。该类型的压缩机组相对比较贵，但由于它们不需要配备过滤装置，长远来看在运营和保养方面还是更为经济省钱的。在使用该类型机组时，很重要的一点是必须使用最干净的空气资源，不要有污染(此污染泛指例如汽车尾气、真空吸引装置或实验室排污、臭味等)。 结论：对医院来说，医用空气中心供气系统的成本应该只占整个医院建造及运营成本的很小一部分。如果系统不能正常工作或设备有所损坏，就很可能造成成本超支。医用空气及其系统的修复成本超支完全是可以避免的。智慧的设计师和医院管理着都应本着运营成本最小化的理念，关注医用空气系统的设计。一条精心设计的中心供气系统是最有效的控制成本的方法。 |
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