РЕГЕНЕРАТИВНЫЙ ПАТРОН ИЗОЛИРУЮЩЕГО ДЫХАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
REGENERATIVE CANISTER OF SELF-CONTAINED BREATHING APPARATUS

Изобретение относится к регенеративным патронам изолирующих дыхательных аппаратов на химически связанном кислороде.
Использование изолирующих дыхательных аппаратов (ИДА) основано на выделении кислорода при взаимодействии с водой и диоксидом углерода выдыхаемого человеком воздуха регенеративных продуктов, помещенных в патрон дыхательных аппаратов. При этом возникающие в процессе реакций условия (образование новых химических соединений, частичное плавление исходных компонентов и продуктов реакции вследствие экзотермического характера протекающих процессов и др.) часто способствуют изменению геометрической формы гранул регенеративного продукта. Вследствие этого меняется направление движения потока регенерируемого воздуха, что приводит к неоднородному характеру отработки регенеративных продуктов в различных зонах патрона дыхательного аппарата. Это снижает степень отработки регенеративного продукта в патроне изолирующего дыхательного аппарата до 50-70% и приводит к увеличению гидравлического сопротивления дыханию пользователя.
Перечисленные выше недостатки приводят к неоправданному росту массогабаритных характеристик изделий при постоянстве их защитной мощности и ограничивают круг потенциальных пользователей (данными индивидуальными дыхательными аппаратами не могут пользоваться дети, люди, страдающие заболеваниями дыхательных путей и др.).
Повышение эффективности работы изолирующего дыхательного аппарата и улучшение его эксплуатационных характеристик осуществляется как изменением конструкции патрона изолирующего дыхательного аппарата, так и изменением химического состава регенеративного продукта и его геометрической формы. Часто это выполняют совместно.
Известен регенеративный патрон устройства для регенерации воздуха [патент США № 3443906, НКИ 23-281, 1969 г.], включающий цилиндрический корпус с обечайкой, в которой размещен регенеративный продукт на основе надпероксидов щелочных металлов. Вдоль обечайки установлены распорки, обеспечивающие создание полости вдоль стенки обечайки. Регенеративный продукт сформован в виде блоков, имеющих ребра для образования полостей между ними, составляющими в высоту около 1,5 мм. В центре каждого блока имеется отверстие, образующее общий осевой канал при установке брикета в обечайку регенеративного патрона.
Регенеративный патрон данной конструкции обладает существенным недостатком. Радиальное расположение газораспределительного канала и отвод газовоздушной смеси через полости между блоками приводит к неравномерному протеканию химических процессов по всему объему (прохождение максимального количества регенерируемого воздуха вдоль центрального участка обеспечивает большее выделение кислорода и поглощение диоксида углерода именно этой частью регенеративного продукта по сравнению с периферийными участками), что снижает степень отработки регенеративного продукта.
Известен регенеративный патрон изолирующего дыхательного аппарата, состоящий из металлического корпуса с регенеративным продуктом, причем регенеративный продукт для улучшения эксплуатационных характеристик аппарата разделен с помощью сдвоенных решеток, расположенных горизонтально [патент США № 4019509, МПК А62В 7/08, 1977 г.]. Решетки жестко закреплены в пазах на корпусе патрона и отделены друг от друга расположенными в шахматном порядке выпуклостями, обеспечивающими между ними необходимый зазор. Конструктивное выполнение патрона изолирующего дыхательного аппарата позволяет повысить эффективность работы изделия за счет оптимизации распределения потока регенерируемого воздуха в объеме патрона.
Однако указанная конструкция патрона изолирующего дыхательного аппарата характеризуется сложностью изготовления, а необходимость послойной засыпки регенеративного продукта в патрон после установки в нем следующей пары горизонтальных решеток существенно повышает трудоемкость при сборке изделия. При этом гранулы регенеративного продукта, граничащие со стенками корпуса, практически не участвуют в процессе регенерации, что приводит к снижению степени отработки регенеративного продукта в целом.
Известен регенеративный патрон изолирующего дыхательного аппарата, содержащий металлический корпус с обечайкой, в которой размещены гранулированное кислородосодержащее вещество (надпероксид калия), теплораспределитель, три перегородки и дополнительная перфорированная перегородка, выполненная в виде гофрированного листа, в котором размер полок выступов больше размеров полок впадин [Авт. св. СССР № 1628304, МПК А62В 19/00, 1989 г.]. Перегородки разделяют слой регенеративного продукта на две разновысокие части. В слое регенеративного продукта большей высоты размещен вертикальный теплораспределитель, в слое меньшей высоты - дополнительная перфорированная перегородка.
Данной конструкции регенеративного патрона присущи следующие недостатки.
Во-первых, указанная конструкция патрона не обеспечивает высокой степени отработки регенеративного продукта по причине неравномерной циркуляции воздуха через объем регенеративного продукта, чему в немалой степени способствует присутствие теплораспределителя. Неравномерное движение регенерируемого воздуха через больший слой продукта может привести к плавлению той его части, в которой более интенсивно протекают химические процессы (процесс регенерации воздуха основан на протекании двух экзотермических эффектов - взаимодействие с водяным паром надпероксида калия и поглощение диоксида углерода образующимся в результате первого процесса гидроксидом калия), что в свою очередь ведет к затруднению диффузии водяных паров и диоксида углерода в центральную зону гранулы (это снижает степень отработки регенеративного продукта) и росту сопротивления дыханию пользователя вследствие уменьшения объема транспортных каналов движения газа, всегда имеющего место при изменении агрегатного состояния с твердого на жидкое. Во-вторых, необходимость послойной засыпки регенеративного продукта в патрон после установки в нем четырех перегородок (включая дополнительную перфорированную) существенно повышает трудоемкость при сборке изделия.
Известен также регенеративный патрон изолирующего дыхательного аппарата [патент Украины № 25907, МПК А62В 19/00, 2007 г.], содержащий корпус в виде обечайки с крышкой, снабженной пусковым устройством и патрубками вдоха и выдоха на ней, внутреннюю перфорированную гофрированную обечайку с крышкой, центральную перфорированную трубку, подвижную перегородку и гранулированное кислородсодержащее вещество, в массе которого размещены теплогазораспределители, дно корпуса с пружинами сжатия, которые взаимодействуют с подвижной перегородкой внутренней обечайки. При этом внутренняя обечайка имеет конусообразную перегородку с отбортовкой, снабженную противопылевым фильтром и соединенную с патрубком выдоха и центральной трубкой. Внутренняя обечайка с трубкой выполнены из проволочной плетеной сетки с продольными сварными швами. Теплогазораспределители выполнены в виде дисков с бортами по контуру и в центральном отверстии, которые контактируют с поверхностями сопряженных деталей с возможностью взаимного перемещения. Диск теплораспределителя выполнен с углублением в центре, которое закрыто шайбой из проволочной сетки, жестко прикрепленное по контуру к диску. Коаксиально с центральной трубкой размещена дополнительная многогранная трубка, выполненная из проволочной сетки без объединения концов развертки, которая проходит через центральные отверстия теплогазораспределителей. Внутренняя обечайка выполнена с рядом внутренних гофр, размещенных на уровне бортов теплогазораспределителей, при этом внутренние выступы обечайки корпуса расположены, например, на половине расстояния между теплогазораспределителями. Регенеративный патрон содержит герметичное уплотнение по поверхности разъема внутренней обечайки и конусообразной перегородки, выполненное в виде клеевого слоя, например жидкого натриевого стекла, размещенного в боковом зазоре между внутренней поверхностью обечайки и поверхностью кромки конусообразной перегородки перпендикулярно плоскости их разъема.
Регенеративный патрон предложенной конструкции за счет наличия теплогазораспределителей позволяет обеспечить лучшее распределение выделяющегося тепла и регенерируемого воздуха по слоям регенеративного продукта и отвод избытка тепла на корпус регенеративного патрона (и далее в окружающую среду), вследствие чего снижается вероятность возникновения зон локального перегрева в слое регенеративного продукта, приводящего к его плавлению. Это позволяет несколько повысить степень отработки регенеративного продукта в патроне и понизить гидравлическое сопротивление дыханию пользователя.
Однако конструкция теплогазораспределителей позволяет осуществлять перераспределение газовых потоков, приводящее к увеличению степени отработки регенеративного продукта, только в слоях, примыкающих к центральной трубке. В объеме регенеративного продукта, примыкающем к стенке внутренней обечайки (и составляющем основную часть регенеративного продукта), распределения газовых потоков не происходит, что приводит к неполной отработке слоев регенеративного продукта, расположенных в данных зонах.
Кроме того, при реализации маятниковой схемы движения регенерируемого воздуха в патроне данной конструкции углубления в центре дисков теплогазораспределителей увеличивают объем воздуха, не участвующий в процессе регенерации (так называемый «вредный объем»), что приводит к увеличению содержания диоксида углерода во вдыхаемом пользователем воздухе.
Задачей изобретения является повышение эффективности работы регенеративного патрона.
Технический результат изобретения заключается в оптимизации тепломассопереноса по объему регенеративного продукта.
Технический результат достигается тем, что в регенеративном патроне изолирующего дыхательного аппарата, содержащем корпус, внутреннюю перфорированную обечайку с крышкой, заполненную регенеративным продуктом, центральную перфорированную трубку и установленный в слое регенеративного продукта перфорированный теплогазораспределитель, теплогазораспределитель установлен коаксиально с центральной перфорированной трубкой и выполнен в виде цилиндра из трех коаксиальных перфорированных обечаек, средняя из которых выполнена гофрированной. При этом торцевые части теплогазораспределителя контактируют с крышкой внутренней перфорированной обечайки.
Конструктивное выполнение регенеративного патрона указанным образом позволяет оптимизировать распределение тепловых и газовых потоков по объему регенеративного продукта. На начальном этапе регенерации воздуха, когда основные экзотермические химические процессы протекают в объеме регенеративного продукта, ограниченном центральной трубкой и теплогазораспределителем, избыток тепловой энергии через боковую поверхность теплогазораспределителя отводится в объем продукта, ограниченный теплогазораспределителем и обечайкой, еще не участвующий в процессе регенерации и потому имеющий достаточно низкую температуру. Кроме того, избыток тепловой энергии через торцы теплогазораспределителя отводятся на крышку обечайки, далее на корпус регенеративного патрона и далее рассеивается в окружающуюся среду. По мере эксплуатации регенеративного патрона в составе изолирующего дыхательного аппарата, когда практически заканчиваются химические процессы в объеме регенеративного продукта, ограниченном центральной трубкой и теплогазораспределителем, во взаимодействие с парами воды и диоксидом углерода вступает регенеративный продукт, находящийся в объеме, ограниченном теплогазораспределителем и обечайкой. При этом избыток тепловой энергии протекающих химических реакций также эффективно отводится не только на обечайку, далее на корпус регенеративного патрона и далее рассеивается в окружающую среду, но и через боковую поверхность теплогазораспределителя отводится в объем продукта, ограниченный центральной трубкой и теплогазораспределителем, где химические процессы уже завершились, и по этой причине имеющий более низкую температуру.
При этом теплогазораспределитель обеспечивает такое движение газовых потоков по всему объему регенеративного продукта, что контакт с регенерируемым воздухом имеет практически каждая гранула регенеративного продукта.
В итоге такое перераспределение тепловых и газовых потоков в процессе эксплуатации изолирующего дыхательного аппарата позволяет оптимизировать процессы тепломассообмена во всем объеме регенеративного продукта, что препятствует эвтектическому плавлению гранул регенеративного продукта, ведущего к затруднению диффузии водяных паров и диоксида углерода в центральную зону гранулы вследствие уменьшения объема транспортных каналов движения газа, всегда имеющего место при изменении агрегатного состояния с твердого на жидкое, что снижает степень отработки регенеративного продукта. Оптимизация процессов тепломассообмена за счет предложенной конструкции регенеративного патрона во всем объеме регенеративного продукта приводит к его более полной отработке в процессе эксплуатации, т.е. повышении эффективности работы регенеративного патрона в составе изолирующего дыхательного аппарата.
Кроме того, отсутствие эвтектического плавления гранул регенеративного продукта и соответственно практическая неизменность объема транспортных каналов движения газовых потоков исключают рост гидравлического сопротивления слоя регенеративного продукта, что также способствует более эффективной работе патрона изолирующего дыхательного аппарата.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых:
фиг.1 - вид регенеративного патрона изолирующего дыхательного аппарата, продольный разрез;
фиг.2 - вид регенеративного патрона изолирующего дыхательного аппарата, поперечный разрез (по А-А);
фиг.3 - конструкция теплогазораспределителя (вид Б).
Регенеративный патрон изолирующего дыхательного аппарата (фиг.1 и 2) включает герметичный корпус 1, содержащий внутреннюю перфорированную обечайку 2 с крышкой 3 и центральную перфорированную трубку 4. Во внутренней перфорированной обечайке 2 находится регенеративный продукт 5. В слое регенеративного продукта 5 размещен теплогазораспределитель 6. Теплогазораспределитель 6 выполнен в виде цилиндра из трех коаксиальных перфорированных обечаек 6а, 6б, 6в. Средняя перфорированная обечайка 6в выполнена гофрированной (фиг.3). При этом торцевые части теплогазораспределителя 6 контактируют с крышкой 3 внутренней перфорированной обечайки 2 по поверхностям контакта 7 и 8 (фиг.1).
Регенеративный патрон в составе изолирующего дыхательного аппарата работает следующим образом.
1
2
2
1
2
1
Регенерируемый воздух из органов дыхания пользователя поступает в центральную перфорированную трубку 4, где происходит распределение газового потока по всей его высоте. Далее, через перфорацию центральной трубки 4 он поступает в объем V перфорированной обечайки 2 (фиг.2), где начинается процесс регенерации - поглощение водяного пара и диоксида углерода и выделение кислорода регенеративным продуктом 5. Выделяющаяся в ходе протекания экзотермических процессов (взаимодействие с водяным паром надпероксидов щелочных металлов и поглощение диоксида углерода образующимися в результате первого процесса соответствующими гидроксидами) тепловая энергия идет на нагрев регенерируемого воздуха, который равномерно поступает последовательно через обечайки теплогазораспределителя 6: сначала через внутреннюю 6а, затем через среднюю 6б и после - через наружную 6в в объем V перфорированной обечайки 2. При этом большее количество тепла от регенерируемого воздушного потока вследствие высокой теплопроводности металла передается теплогазораспределителю 6 (далее на крышку 3 обечайки 2 через поверхности контакта 7 и 8 и далее на металлический корпус патрона 1, с которого тепловая энергия рассеивается в окружающую среду), а меньшее количество тепловой энергии аккумулируется регенеративным продуктом объема V. После завершения химических процессов в объеме V регенерация воздуха происходит за счет регенеративного продукта, находящегося в объеме V. При этом избыток тепловой энергии протекающих химических реакций также эффективно отводится не только на обечайку 2, далее на корпус регенеративного патрона 1 и далее рассеивается в окружающуюся среду, но и через боковую поверхность теплогазораспределителя 6 отводится в объем продукта V, ограниченный центральной трубкой и теплогазораспределителем, где химические процессы уже завершились, и по этой причине имеющий более низкую температуру.
Конструктивное выполнение регенеративного патрона за счет практически оптимального тепломассопереноса в процессе регенерации позволит существенно снизить вероятность возникновения в объеме регенеративного продукта локальных зон с высокой температурой, что может вызвать начало эвтектического плавления исходных компонентов регенеративного продукта и веществ, образующихся в процессе эксплуатации регенеративного патрона в составе изолирующего дыхательного аппарата. Перечисленные выше аспекты позволяют повысить степень отработки регенеративного продукта в регенеративном патроне предложенной конструкции, что ведет к повышению защитной мощности изолирующего дыхательного аппарата при неизменности его массогабаритных характеристик и снижению гидравлического сопротивления дыханию пользователя.