Теплообменное устройство изолирующего дыхательного аппарата
HEAT EXCHANGER OF SELF-CONTAINED BREATHING APPARATUS

Изобретение относится к устройствам защиты органов дыхания, в частности к составным частям изолирующих самоспасателей с химически связанным кислородом, которые применяются в горнодобывающей, химической и других отраслях промышленности для экстренной кратковременной защиты органов дыхания в аварийных ситуациях, связанных с образованием непригодной для дыхания окружающей среды.
В процессе регенерации газовоздушной смеси (ГВС) в регенеративном патроне изолирующего дыхательного аппарата протекают экзотермические реакции с выделением значительного количества тепла. В результате газовоздушная смесь, поступающая из регенеративного патрона к органам дыхания человека, имеет повышенную температуру и обезвожена. Горячая ГВС вносит дополнительную стрессовую нагрузку на пользователя, находящегося в аварийной ситуации, и может привести к отключению пользователя от аппарата.
Для снижения температуры ГВС, поступающей к органам дыхания, используют теплообменные устройства, которые устанавливают в линии подачи ГВС от регенеративного патрона к органам дыхания человека. Как правило, такие устройства выполнены в виде полого корпуса с патрубками, в котором размещен теплообменный пакет. К патрубкам подключаются лицевая часть органов дыхания и регенеративный патрон дыхательного аппарата. Во время дыхания в теплообменном пакете происходит охлаждение и увлажнение вдыхаемой газовоздушной смеси.
Примером (аналогом) таких устройств является теплообменное устройство дыхательного аппарата с химически связанным кислородом (авт. св. СССР №1342514, МПК А62В 9/00, А62В 7/08, 1984). Теплообменное устройство дыхательного аппарата на химически связанном кислороде включает цилиндрический корпус, патрубок для подачи выдыхаемой ГВС, патрубок для подачи нагретой регенерированной ГВС и теплообменный пакет, состоящий из гидрофильных и гидрофобных шайб и установленный в корпусе между воздухораспределительными решетками, которые поджимают указанные шайбы. Гидрофильные шайбы выполнены в виде плетеных деток из волокнистого материала, импрегнированного гигроскопическим веществом (осушителем), в качестве которого могут быть использованы гигроскопические соли, которые образуют при поглощении водяного пара кристаллогидраты, например хлористый кальций. Гидрофобные шайбы выполнены из объемного нетканого полотна. Воздухораспределительные решетки выполнены перфорированными и закреплены в корпусе на расстоянии одна от другой меньше, чем высота пакета в свободном состоянии.
Работа такого теплообменного устройства заключается в следующем.
Выдыхаемая ГВС, проходя при выдохе через пакет, подсушивается за счет сорбции влаги гигроскопическим веществом шайб. В регенеративном патроне проходят экзотермические реакции. Из патрона в теплообменное устройство ГВС поступает сухим и нагретым до 70-90°С. Проходя через пакет в обратном направлении, вдыхаемая газовоздушная смесь увлажняется и охлаждается за счет расхода части тепла на испарение влаги из шайб. Часть тепла тратится на нагревание пакета и корпуса, который излучает тепло в окружающее пространство.
Общими признаками аналога и заявляемого решения являются: теплообменное устройство изолирующего дыхательного аппарата, включающее корпус с входным и выходным патрубками для присоединения к узлу изоляции органов дыхания и регенеративному патрону дыхательного аппарата, газопроницаемый теплоемкий материал, размещенный в полости корпуса между указанными патрубками
Использование в пакете множества шайб, которые изготовлены в виде плетеных сеток из волокнистого материала и из объемного нетканого полотна, повышает сопротивления дыханию, что объясняется характеристиками воздухопроницаемости указанных материалов. Кроме того, низкая теплоемкость и теплопроводность шайб пакета снижает эффективность теплообменного процесса в пакете.
Указанные недостатки частично устранены в выбранном в качестве прототипа тепловлагообменном устройстве дыхательного аппарата с химически связанным кислородом (патент РФ на полезную модель №135518, МПК А62В 7/08, 2013). В теплообменном устройстве изолирующего дыхательного аппарата, включающем полый корпус с патрубками присоединения лицевой части органов дыхания и регенеративного патрона дыхательного аппарата, пакет из газопроницаемого теплоемкого материала, размещенный в полости корпуса между указанными патрубками, пакет из газопроницаемого теплоемкого материала выполнен из множества металлических сеток, установленных вдоль продольной оси корпуса с возможностью разделения полости корпуса на две камеры, одна из которых соединена с патрубком лицевой части органов дыхания, а другая с патрубком регенеративного патрона дыхательного аппарата.
Теплообменное устройство работает следующим образом. При выдохе выдыхаемая ГВС проходит через тампон, охлаждая и увлажняя его. При вдохе нагретая и обезвоженная в регенеративном патроне газовоздушная смесь проходит через тампон в обратном направлении. При этом ГВС охлаждается и увлажняется, расходуя тепло на нагрев тампона и на испарение влаги.
Общими признаками прототипа и заявляемого решения являются: корпус с входным и выходным патрубками для присоединения к узлу изоляции органов дыхания и регенеративному патрону дыхательного аппарата, газопроницаемый теплоемкий материал, размещенный в полости корпуса между указанными патрубками.
Выполнение газопроницаемого теплоемкого материала в виде пакета из объемной плетеной проволочной сетки, заполняющей всю полость корпуса и отделенной от патрубков перегородками из металлической сетки, имеет следующие недостатки. ГВС при таком выполнении проходит от одного патрубка, что создает мертвые зоны, снижающие эффективность теплообмена. А это, в свою очередь, вызывает необходимость увеличения объема плетеной сетки для обеспечения эксплуатационных характеристик устройства, что увеличивает сопротивление дыханию, ухудшает массогабаритные показатели устройства.
Задачей изобретения является повышение эффективности охлаждения дыхательной газовой смеси.
Техническим результатом изобретения является снижение массогабаритных характеристик и уменьшение сопротивления дыханию.
Технический результат достигается тем, что в теплообменном устройстве изолирующего дыхательного аппарата, включающем корпус с входным и выходным патрубками для присоединения к узлу изоляции органов дыхания и регенеративному патрону дыхательного аппарата, газопроницаемый теплоемкий материал, размещенный в полости корпуса между указанными патрубками, причем газопроницаемый теплоемкий материал выполнен в виде кассеты, содержащей центральную трубку и волокнистую подложку с нанесенным с одной либо с обеих сторон хладагентом, в качестве которого используется смесь твердых высокомолекулярных углеводородов предельного характера, модифицированная наноматериалом.
Подложка может быть намотана на центральную трубку по спирали и между слоями подложки может быть помещена безузловая сетка.
Подложка может быть выполнена в виде гофрированной ленты, у которой гофры расположены параллельно образующей, причем наружные гофры могут быть закреплены на дополнительной обечайке, а внутренние примыкают к центральной трубке.
Центральная трубка может быть снабжена клапаном выдоха.
В качестве наноматериала может использоваться углеродный наноструктурный материал «Таунит», смесь углеродных нанотрубок типа «Таунит» либо «Таунит-М» в количестве от 0,5 до 10 мас. %.
В качестве материала может использоваться нанографит (полиграфен) в количестве от 0,2 до 6 мас. %.
В качестве хладагента может использоваться смесь модифицированных царафинов с различной температурой фазового перехода.
2
В качестве подложки может использоваться нетканый полипропиленовый материал «Спанбонд» плотностью от 17 до 20 г/м.
Существенные признаки изобретения находятся в причинно-следственной связи с достигаемым результатом.
Выполнение газопроницаемого теплоемкого материала в виде кассеты, содержащей центральную трубку и волокнистую подложку с нанесенным с одной либо с обеих сторон хладагентом, в качестве которого используется смесь твердых высокомолекулярных углеводородов предельного характера, модифицированная наноматериалом, обеспечивает снижение массогабаритных характеристик и уменьшение сопротивления дыханию за счет:
- удобства сборки теплообменного устройства;
- достижения постоянства свойств теплообменного устройства - сопротивления дыханию, массы и теплофизических свойств;
- возможности утилизации составных элементов теплообменного устройства;
- повышение надежности за счет подачи части выдыхаемого ГВСа, обладающего 100% влажностью, в регенеративный патрон и исключения в устройстве «мертвых зон».
Намотка подложки на центральную трубку по спирали исключает разрушение подложки, которая не выдерживает малых радиусов изгиба, а помещение между слоями подложки безузловой сетки обеспечивает снижение массогабаритных характеристик и уменьшение сопротивления дыханию. Рекомендуется для устройств с большим временем защитного действия.
Выполнение подложки может быть в виде гофрированной ленты, у которой гофры расположены параллельно образующей, причем наружные гофры закреплены на дополнительной обечайке, а внутренние примыкают к центральной трубке, обеспечивает снижение массогабаритных характеристик и уменьшение сопротивления дыханию за счет исключения безузловой сетки. Рекомендуется для устройств с малым временем защитного действия.
Снабжение центральной трубки клапаном выдоха обеспечивает дополнительное повышение надежности за счет более быстрого включения регенеративного патрона в работу при пониженных температурах.
В качестве наноматериала может использоваться углеродный наноструктурный материал «Таунит», смесь углеродных нанотрубок типа «Таунит» либо «Таунит-М» в количестве от 0,5 до 10 мас. %, что обеспечивает снижение массогабаритных характеристик и уменьшение сопротивления дыханию. Использование в качестве хладагента смеси модифицированных парафинов с различной температурой фазового перехода обеспечивает увеличение электро- и теплопроводности хладагента. При этом материал становится формоустойчивым и не течет при температуре фазового перехода. Экспериментально установлено, что за счет изменения соотношения модифицированных парафинов обеспечивается температурную разность до 40°С.
Использование в качестве наноматериала смеси нанотрубок типа «Таунит» либо «Таунит-М» в количестве от 0,5 до 10 мас. % обеспечивает увеличение теплопроводности парафина с 0,238 Вт/м°С до модификации до 0,37 Вт/м°С после модификации.
Использование в качестве наноматериала нанографита (полиграфена) в количестве от 0,2 до 6 мас. % увеличивает теплопроводность парафина с 0,238 Вт/м°С до 0,52 Вт/м°С.
2
Использование в качестве подложки нетканого полипропиленового материала «Спанбонд». плотностью от 17 до 20 г/м обеспечивает снижение массогабаритных характеристик и уменьшение сопротивления дыханию. При такой плотности достигается снижение массы устройства, подложка обладает минимальным сопротивлением дыханию и в то же время обладает достаточной механической прочностью при наложении (втирании) хладагента. При большей плотности увеличивается масса подложки и снижается ее пористость, а при меньшей невозможно нанесение хладагента из-за разрушения подложки.
Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на чертежи, на которых показано:
Фиг. 1 - изолирующий дыхательный аппарат с теплообменным устройством;
Фиг. 2 - теплообменное устройство изолирующего дыхательного аппарата, общий вид;
Фиг. 3 - теплообменная кассета, вариант «гармошка», вид сверху;
Фиг. 4 - то же, что на фиг. 2, боковой разрез;
Фиг. 5 - схема закрепления теплопоглощающей ленты на обечайке, вид сбоку;
Фиг. 6 - то же, что на фиг. 4, вид сверху;
Фиг. 7 - теплообменная кассета, вариант «рулон», вид сверху;
Фиг. 8 - то же, что на фиг. 6, боковой разрез;
Фиг. 9 - поперечный разрез теплопоглощающей ленты;
Фиг. 10 - устройство безузловой сетки, вид сверху;
Фиг. 11 - то же, что на фиг. 9, поперечное сечение;
Фиг. 12 - конструкция замка обечайки.
Перечень позиций, указанных на чертежах:
1 - регенеративный патрон;
2 - дыхательный мешок;
3 - пусковое устройство;
4 - узел изоляции органов дыхания;
5 - гофрированная трубка;
6 - теплообменное устройство;
7 - корпус;
8 - входной патрубок;
9 - выходной патрубок;
10 - газопроницаемый теплоемкий материал;
11 – кассета;
12 – кассета;
13 - центральная трубка;
14 - клапан выдоха;
15 - подложка;
16 - хладагент;
17 - безузловая сетка;
18 - гофр наружный;
19 - лента (обечайка);
20 - гофр внутренний;
21 - скоба.
Изолирующий аппарат с теплообменным устройством (фиг. 1) содержит регенеративный патрон 1, соединенный с дыхательным мешком 2 и снабженный пусковым устройством 3. Регенеративный патрон 1 соединен с узлом изоляции органов дыхания 4 гофрированной трубкой 5, которая соединена с теплообменным устройством 6. В качестве узла изоляции 4 может служить защитная маска, полумаска или загубник с носовым зажимом. Теплообменное устройство 6 (фиг. 2) включает корпус 7, состоящий из соединенных с помощью известных средств двух одинаковых половин с входным 8 и выходным 9 патрубками для присоединения к узлу изоляции органов дыхания 4 и регенеративному патрону 1 дыхательного аппарата, газопроницаемый теплоемкий материал 10, размещенный в полости корпуса 7 между патрубками 8 и 9.
Газопроницаемый теплоемкий материал 10 может быть выполнен в виде кассеты 11, показанной на фиг. 3 (первый вариант), или кассеты 12, показанной на фиг. 7 (второй вариант), каждая из которых содержит центральную трубку 13, снабженную клапаном выдоха 14. В обоих вариантах используется волокнистая подложка 15 с нанесенным с одной либо с обеих сторон хладагентом 16, в качестве которого используется смесь твердых высокомолекулярных углеводородов предельного характера, модифицированная наноматериалом (фиг. 9). В кассете 12 (фиг. 7 и 8) подложка 15 намотана на центральную трубку 13 по спирали и между слоями подложки 15 помещена безузловая сетка 17.
Подложка 15 в варианте, показанном на фиг 3 и 4, выполнена в виде гофрированной ленты, у которой наружные гофры 18 закреплены на дополнительной ленте 19 с помощью известных устройств, а внутренние гофры 20 после свертывания ленты 19 в обечайку примыкают к центральной трубке 13, как показано на фиг. 3. Лента 19 выполнена с отогнутыми концами, которые соединяются при сборке скобой 21, как показано на фиг. 12.
2
В качестве наноматериала для хладагента 16 используется углеродный наноструктурный материал «Таунит», смесь углеродных нанотрубок типа «Таунит» либо «Таунит-М» в количестве от 0,5 до 10 мас. %, либо нанографит (полиграфен) в количестве от 0,2 до 6 мас. %, а в качестве хладагента используется смесь модифицированных парафинов с различной температурой фазового перехода. В качестве подложки 15 используется нетканый полипропиленовый материал «Спанбонд» плотностью от 17 до 20 г/м.
При применении дыхательного аппарата по назначению теплообменное устройство работает следующим образом.
При возникновении аварийной ситуации изолирующий дыхательный аппарат приводится в рабочее состояние, для чего включается пусковое устройство 3, узел изоляции органов дыхания 4 надевается на голову пользователя. При работе пускового устройства выделяется нагретый кислород, который проходит через регенеративный патрон 1, нагревая регенеративный продукт (не показан) и поступает в дыхательный мешок 2. При вдохе ГВС вновь проходит из дыхательного мешка 2 и регенеративный патрон 1 и через гофрированную трубку 5 поступает в теплообменное устройство 6, где передает тепло хладагенту 16 на подложке 15, образующих газопроницаемый теплоемкий материал 10, и через узел изоляции органов дыхания 4 охлажденная ГВС поступает на вдох пользователя.
При выдохе ГВС, имеющая относительную влажность до 100% и температуру 37°С, из узла изоляции органов дыхания 4 через гофрированную трубку 5 поступает в теплообменное устройство 6, в котором охлаждает хладагент 16 и поступает через регенеративный патрон 1 в дыхательный мешок 2. При прохождении ГВС через регенеративный патрон 1 происходит поглощение диоксида углерода и восполняется концентрация кислорода, поглощенного пользователем. Этот процесс сопровождается выделением тепла. Поэтому при движении ГВС из дыхательного мешка 2 через регенеративный патрон 1 происходит ее разогрев. При движении через теплообменное устройство 6 часть тепла поглощается хладагентом 16 и на вдох поступает ГВС с комфортной для дыхания температурой.
При использовании в теплообменном устройстве 6 кассеты 12, показанной на фиг. 7 и 8, выдыхаемый пользователем ГВС через входной патрубок 8 поступает в полость корпуса 7, из которого часть потока через клапан выдоха 14 и центральную трубку 1 подается через выходной патрубок 9 и гофрированную трубку 5 в регенеративный патрон 1. Большая часть потока ГВС проходит между слоями подложки 15 с нанесенным на ее поверхность хладагентом 16 между продольными нитями безузловой сетки 17. При этом поток ГВС отнимает часть тепла у более нагретого хладагента 16 и также поступает в регенеративный патрон 1, при прохождении ГВС через который происходит поглощение диоксида углерода и восполняется концентрация кислорода, поглощенного пользователем. Эффективность теплообмена увеличивается за счет турбулизации потока на поверхности хладагента 16 при взаимодействия потока с поперечными нитями безузловой сетка 17. При вдохе нагретая до 70-90°С в регенеративном патроне 1 ГВС поступает в теплообменное устройство 6 и отдает часть тепла хладагенту 16 и через гофрированную трубку 5 поступает в узел изоляции органов дыхания 4 на вдох пользователя с комфортной для дыхания температурой.
При использовании в теплообменном устройстве 6 кассеты 11, показанной на фиг. 3 и 4, выдыхаемый пользователем ГВС через входной патрубок 8 поступает в полость корпуса 7, из которого часть потока через клапан выдоха 14 и центральную трубку 1 подается через выходной патрубок 9 и гофрированную трубку 5 в регенеративный патрон 1. Большая часть потока ГВС проходит между гофрами подложки 15 с нанесенным на ее поверхность хладагентом 16 между продольными нитями безузловой сетки. Данный вариант рекомендуется для дыхательных аппаратов с относительно коротким временем защитного действия - от 15 до 30 мин. Для сборки кассеты требуется лента 19, к которой прикрепляются наружные гофры 18. Если для крепления используется нить, то на боковой поверхностях ленты 19 с заданным шагом выполняются боковые вырезы для фиксации нити, как показано на фиг. 5 и 6.
Так как изолирующие дыхательные аппараты могут использоваться в широком диапазоне температур, необходимо было преодолеть опасность отказа регенеративного патрона на морозе, когда вся влага, без наличия которой не может работать регенеративный продукт, будет вымораживаться на теплообменных поверхностях. Применение центральной трубки 13 с клапаном выдоха 14 позволяет обеспечить достаточную влажность ГВС для запуска регенеративного патрона в работу при отрицательных температурах.
Описанный процесс теплообмена постоянно повторяется при пользовании дыхательным аппаратом.
Изобретение обеспечивает повышение эффективности охлаждения дыхательной газовой смеси за счет снижения массогабаритных характеристик и уменьшения сопротивления дыханию.