Тепловлагообменное устройство изолирующего дыхательного аппарата

Полезная модель относится к составным устройствам средств индивидуальной защиты органов дыхания, используемых в горнодобывающей, химической и других отраслях промышленности, в частности к тепловлагообменникам изолирующего самоспасателя с химически связанным кислородом.
Изолирующие самоспасатели предназначены для экстренной кратковременной защиты органов дыхания в аварийных ситуациях, связанных с образованием непригодной для дыхания среды (в условиях недостатка кислорода или чрезвычайной загазованности, а также при неизвестном составе примесей, загрязняющих воздух). Как правило, самоспасатель включает в себя лицевую часть (маску или капюшон с полумаской, или загубник), служащую для изоляции органов дыхания человека от окружающей среды и соединенную с тепловлагообменником, а также гофрированную трубку (дыхательный шланг), соединяющую тепловлагообменник лицевой части с регенеративным патроном, заполненным регенеративным продуктом, причем регенеративный патрон соединен с дыхательным мешком.
Из уровня техники известна конструкция тепловлагообменника изолирующего дыхательного аппарата, содержащего цилиндрический корпус с входом и выходом, выполненными в виде труб, и содержащего воздухораспределительные решетки и установленные в корпусе между ними гидрофильные и гидрофобные шайбы, причем решетки поджимают указанные шайбы. Гидрофильные шайбы выполнены в виде плетеных сеток 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 (патент США №4771770, 20.09.1988).
В такой конструкции воздухопроницаемость гидрофобных шайб зависит от плотности нетканого материала, из которого они выполнены. При этом нетканый материал состоит из отдельных волокон, заполняющих некоторый объем («слой ваты»), и, следовательно, чем больше сжат такой материал, тем выше его плотность и сопротивление потоку газовоздушной смеси, проходящей через него.
Таким образом, недостатком такой конструкции тепловлагообменника является то, что он имеет повышенное и нестабильное (особенно при массовом изготовлении) значение сопротивления дыханию.
Кроме того, при импрегнировании гигроскопическим веществом (осушителем) плетеных сеток гидрофильных шайб из волокнистого материала технологически сложно будет обеспечить равномерное распределение гигроскопического вещества.
Волокна объемного нетканого полотна гидрофобных шайб, волокнистый материал плетеных сеток и гигроскопическое вещество осушителя в гидрофильных шайбах такого теплообменника выполнены из неметаллических материалов, что приводит к тому, что теплоемкость и теплопроводность такого теплообменника является существенно более низкой, чем у теплообменников с металлическими деталями. Низкая теплоемкость и теплопроводность шайб пакета снижает эффективность теплообменного процесса в пакете.
Из вышесказанного следует, что такая конструкция тепловлагообменника не обладает высокой эффективностью работы, стабильными значениями воздухопроницаемости и оптимальными значениями сопротивления дыханию при минимальных массогабаритных показателях.
Наиболее близким аналогом к заявленной полезной модели является тепловлагообменное устройство изолирующего дыхательного аппарата, включающее полый корпус с патрубком присоединения лицевой части органов дыхания и патрубком присоединения регенеративного патрона, пакет из газопроницаемого теплоемкого материала, размещенный в полости корпуса между указанными патрубками и выполненный из множества металлических сеток, которые установлены вдоль продольной оси корпуса с возможностью разделения полости корпуса на две камеры, одна из которых соединена с патрубком присоединения лицевой части органов дыхания, а другая - с патрубком присоединения регенеративного патрона дыхательного аппарата (RU 135518, 20.12.2013, фиг. 6).
Такой теплообменник обладает более низким и стабильным значением сопротивления потоку газовоздушной смеси за счет использования в его составе пакета из металлических сеток. Однако недостатками такого тепловлагообменника является то, что металлические сетки в пакете выполнены с прямоугольным сечением, что обеспечивает затрудненное движение газовоздушной смеси в угловых зонах пакета по сравнению с центральной зоной, что снижает эффективность тепловлагообмена в угловых зонах пакета при его использовании. Такое выполнение тепловлагообменника вызывает необходимость увеличения объема (количества) сеток в пакете для обеспечения оптимальных эксплуатационных характеристик устройства, что ухудшает массогабаритные показатели устройства и является неблагоприятным при индивидуальном использовании.
Кроме того, для снижения температуры вдыхаемой пользователем газовоздушной смеси, поступающей к органам дыхания человека, необходимо обеспечить оптимальными одновременно такие параметры дыхания, как сопротивление вдоху/выдоху при сохранении минимальной массы рабочей части самоспасателя, что возможно при оптимальном соотношении размеров и оптимальной эффективности тепловлагообменника.
Таким образом, недостатками известных устройств, в том числе и наиболее близкого аналога, является невозможность обеспечения одновременно высокой эффективности тепловлагообмена при сниженных массогабаритных показателях устройства, что является неблагоприятным при их индивидуальном использовании.
Технической проблемой заявленной полезной модели является создание конструкции тепловлагообменника изолирующего дыхательного аппарата с оптимальными массогабаритными характеристиками, а именно с уменьшенной массой рабочей части, при улучшении его технологичности, что обеспечивает повышение эксплуатационных характеристик тепловлагообменного устройства изолирующего дыхательного аппарата.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение эффективности тепловлагообмена, снижение сопротивления дыханию при одновременном снижении массы устройства.
Технический результат достигается за счет выполнения тепловлагообменного устройства изолирующего дыхательного аппарата, содержащего полый цилиндрический корпус с двумя патрубками, предназначенными для присоединения к лицевой части дыхательного аппарата и для присоединения к регенеративному патрону дыхательного аппарата, пакет из проволочных тканых сеток круглого сечения, закрепленный в полости корпуса между указанными патрубками поперечно продольной оси корпуса, при этом отношение площади живого сечения одной сетки к площади проходного сечения патрубка, предназначенного для присоединения к регенеративному патрону, составляет 3-5.
За счет того, что тепловлагообменное устройство изолирующего дыхательного аппарата, выполненное с полым цилиндрическим корпусом с патрубками для присоединения к лицевой части дыхательного аппарата и к регенеративному патрону, содержит пакет из проволочных тканых сеток круглого сечения, обеспечивается снижение сопротивления потока газовоздушной смеси, повышение равномерности движения газовоздушной смеси во всем пакете, что повышает эффективность тепловлагообмена в пакете при его использовании в составе изолирующего дыхательного аппарата. Такое выполнение тепловлагообменника обеспечивает возможность снижения объема (количества) сеток в пакете для обеспечения оптимальных эксплуатационных характеристик устройства, что снижает массогабаритные показатели устройства при повышении его эффективности.
За счет того, что пакет из металлических сеток круглого сечения тепловлагообменного устройства установлен поперек продольной оси корпуса обеспечивается участие в процессе тепловлагообмена большего количества материала сеток, что приводит к снижению сопротивления потоку газовоздушной смеси. В результате снижается сопротивление дыханию и повышается эффективность тепловлагообмена.
Отношение площади живого сечения одной сетки к площади сечения патрубка, предназначенного для присоединения к регенеративному патрону, равное от 3 до 5, является наиболее оптимальным, поскольку только при таком соотношении обеспечивается снижение сопротивления потоку газовоздушной смеси при минимальных массогабаритных показателях. Также при выполнении теплообменника с отношением площади живого сечения сетки к площади сечения указанного патрубка в диапазоне от 3 до 5, достигается минимальная температура вдыхаемой газовой смеси при минимальном сопротивлении всего устройства потоку воздуха, что повышает эффективность тепловлагообмена.
При одной и той же массе пакета сеток и при значении отношения вышеуказанных площадей, равном менее 3, бесполезно увеличивается сопротивление потоку газовоздушной смеси, а при более 5 бесполезно увеличиваются размеры устройства и даже повышается температура вдыхаемой газовой смеси из-за изменения толщины пакета в активной зоне и ухудшения режима теплообмена сеток в пакете.
Кроме того, при отношении площадей менее 3 сопротивление дыханию является существенно большим, а при отношении более 5 для эффективной работы теплообменника необходимо выполнение сеток в пакете с существенно большим диаметром, что соответственно влияет на увеличение размеров и массы корпуса.
В частном случае реализации полезной модели патрубки могут быть выполнены по торцам корпуса тепловлагообменника.
Патрубки могут быть выполнены разных размеров или одинаковыми по размерам.
В частном случае реализации корпус теплообменника состоит из двух частей, соединенных друг с другом при помощи резьбового соединения.
Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых изображено следующее:
на фиг. 1 - конструкция изолирующего дыхательного аппарата с тепловлагообменным устройством;
на фиг. 2 - конструкция тепловлагообменного устройства.
Изолирующий дыхательный аппарат, содержащий лицевую часть 1 и гофрированную трубку 3, между которыми установлен эффективный тепловлагообменник 2 с низким сопротивлением вдоху/выдоху, регенеративный патрон 4, дыхательный мешок 5. Тепловлагообменник 2 (фиг. 2) содержит цилиндрический корпус 6 с патрубками 7 и 8, в полости которого закреплен пакет 9 из газопроницаемого теплоемкого материала (из множества плоских круглых металлических проволочных тканых сеток).
При применении дыхательного аппарата по назначению тепловлагообменное устройство работает следующим образом.
При выдохе газ-воздушная смесь, имеющая относительную влажность до 100% и температуру 37°C, из лицевой части органов дыхания через патрубок 8 поступает в корпус 6, далее проходит через тепловлагообменный пакет 9 и дальше через патрубок 7 поступает к регенеративному патрону 4. При этом металлические сетки тепловлагообменного пакета 9 охлаждаются и задерживают часть влаги выдыхаемой газовоздушной смеси.
При вдохе нагретая до 70-90°C и обезвоженная в регенеративном патроне газовоздушная смесь через патрубок 7 поступает в корпус 6, далее проходит через тепловлагообменный пакет 9 и дальше через патрубок 8 поступает к лицевой части органов дыхания. В тепловлагообменном пакете 9 происходит охлаждение и увлажнение вдыхаемой газовоздушной смеси. При этом металлические сетки нагреваются, забирая тепло от газовоздушной смеси, и отдают влагу, которая была ими задержана при выдохе. Описанный процесс тепловлагообмена постоянно повторяется при пользовании дыхательным аппаратом.
Пример 1.
2
В частном случае выполнения устройства, корпус тепловлагообменника состоит из двух частей, соединенных друг с другом при помощи резьбового соединения, одна из которых выполнена с резьбовым патрубком большего диаметра, равного 29-30 мм, для соединения с лицевой частью дыхательного аппарата, а другая часть имеет меньший патрубок с внутренним диаметром 19-20 мм для соединения со стандартной гофрированной трубкой, присоединяемой к регенеративному патрону, при этом обе части корпуса удерживают пакет из 12 металлических сеток с диаметром 49-50 мм с размером ячейки 0,4 мм и толщиной проволоки 0,16-0,20 мм (площадь живого сечения одной сетки равна 820-940 мм) при общем весе сеток 20 г.
Пример 2.
На установке «Искусственные легкие» (ГОСТ Р 12.4.220-2001) в составе изолирующего дыхательного аппарата проведены сравнительные испытания тепловлагообменного устройства по заявляемому решению и тепловлагообменного устройства, известного из RU №135518 (дата публ. 20.12.2013). Для сравнительных испытаний в заявленном тепловлагообменнике и тепловлагообменнике из RU 135518 использовались сетки одного и того же типа из одинакового материала (латунь) при одинаковой массе металлических сеток (20 г). Результаты испытаний представлены в таблице 1.
Пример 3.
При разработке заявленного тепловлагообменника испытывались различные варианты отношения живого сечения сеток различного диаметра к площади проходного сечения патрубка. При этом суммарная масса сеток была одной и той же (20 г), а также постоянной была площадь проходного сечения наименьших патрубков (размеры патрубков должны соответствовать размеру стандартной гофротрубки для таких аппаратов, в соответствии с ТРГ-19 по ГОСТ 17263-79).
2
Проходное сечение наименьшего патрубка для соединения с гофротрубкой выполнено с площадью около 314 мм (внутренний диаметр патрубка 19-20 мм, внутренний диаметр большего патрубка равен 29-30 мм).
Было определено, что минимальная температура вдыхаемой газовой смеси (48°C) достигалась при отношении площади живого сечения сетки (ГОСТ 6613-86 «Сетки проволочные тканые с квадратными ячейками (латунные, бронзовые, никелевые)») к площади сечения патрубка устройства в диапазоне от 3 до 5, при этом сопротивление всего устройства потоку воздуха было полностью приемлемым (т.е. как можно меньшим, т.к. от этого зависит общее сопротивление дыханию всего самоспасателя, в котором используется это устройство).
Проводились испытания наиболее близкого аналога. Известного из RU №135518 (см. табл. 2) и испытания заявленного устройства (см. табл. 3).
В таблице 3 представлены результаты исследований заявленного устройства с разными отношениями площади живого сечения одной сетки к площади проходного сечения патрубка, предназначенного для присоединения к регенеративному патрону (от 1 до 7) с целью определения оптимального отношения.
При этом температура вдыхаемой газовоздушной смеси определялась при испытаниях заявленного устройства на установке «Искусственные легкие» (ГОСТ Р 12.4.220-2001) в составе серийно выпускаемого изолирующего дыхательного аппарата - самоспасателя.
Таким образом, из полученных сравнительных данных видно, что при использовании заявленного тепловлагообменника с отношением площади живого сечения одной сетки к площади проходного сечения патрубка, предназначенного для присоединения к регенеративному патрону, от 3 до 5 в составе изолирующего самоспасателя достигается минимальные температура, сопротивление постоянному потоку воздуха, температура вдыхаемой газовой смеси, а при значениях, менее 3 и более 5, сопротивление воздуха является большим, из чего следует, что эффективность заявленного устройства существенно выше при минимальных размерах и массе корпуса устройства.