Лабораторный испытательный термический стенд

Полезная модель относится к устройствам для создания заданных концентраций паров токсичных химических веществ (ТХВ) в широком диапазоне температур. Полезная модель может быть использована для проверки работоспособности технических средств химической разведки и химического контроля (ТС ХР и К) и оценки соответствия основных показателей назначения данных технических средств заданным требованиям.
В настоящее время в интересах выполнения возросших требований к тактико-техническим характеристикам перспективных образцов ТС ХР и К разрабатывается ряд приборов, основанных на высокоскоростных, чувствительных и высокоинформативных методах анализа. Важнейшим аспектом выполнения опытно-конструкторских работ является качественное аппаратурное и методическое обеспечение приемочных испытаний опытных образцов ТС ХР и К. В процессе испытаний опытного образца при оценке его работоспособности в различных температурных условиях используется метод моделирования распространения ТХВ в приземном слое атмосферы в условиях, сопутствующих всевозможным вариациям рабочих температур окружающей среды [ГОСТ РВ 20.39.304-98].
Принцип моделирования заключается в создании реальных температурных режимов эксплуатации ТС ХР и К и управляемом (контролируемом) появлении в воздушном тракте воздухозаборного устройства опытного образца заданных концентраций ТХВ [ГОСТ РВ 20.57.306-98].
Известны серийно выпускаемые промышленностью климатические камеры тепла/холода, обеспечивающие создание и поддержание в замкнутом объеме заданной температуры, с диапазоном воспроизводимых температур соответствующим рабочим температурам ТС ХР и К [Камера климатическая ТХ-500 // Руководство по эксплуатации и паспорт 2.068.000 РЭ, НПФ «Термокон», г. Санкт-Петербург, 2013 г.]. Основными элементами подобных климатических камер являются рабочее отделение, в которой создается и поддерживается заданная температура, и машинное отделение с холодильным и нагревательным оборудованием, позволяющее проводить охлаждение и нагрев испытуемого технического средства до заданных температур эксплуатации с целью проверки их работоспособности [патент DE №102007002415, патенты RU №2007699, №2201013, №2394219 и №2400723]. Рабочее отделение оборудовано технологическими отверстиями, позволяющими вносить навески ТХВ или проводить напуск и отдув ТХВ во внутреннем замкнутом объеме климатической камеры с целью создания заданных концентраций объектов индикации.
При этом применение известных статических и динамических способов создания проверочных концентраций ТХВ [патенты RU №2194567, №2219516, №92535 и №126468] для проверки работоспособности ТС ХР и К и оценке показателей назначения технических средств в широком диапазоне температур имеет ряд существенных недостатков:
неудовлетворительная точность воспроизведения концентрационных и температурных параметров воздействующих ТХВ из-за разности температур паровоздушных смесей (ПВС) ТХВ и газовых магистралей в рабочем отделении камеры и вне климатической камеры;
повышенная опасность выполняемых работ из-за размещения дозаторов с ТХВ и газовых магистралей для создания ΠВС вне климатической камеры;
использование камерного способа моделирования проверочных концентраций ТХВ с учетом относительно больших объемов рабочего отделения и степени токсичности объекта индикации существенно повышает опасность данного вида испытаний для обслуживающего персонала и обуславливает необходимость использования средств индивидуальной защиты;
повышенный расход ТХВ и трудоемкость дегазации внутреннего объема рабочего отделения климатической камеры и поверхности испытуемого ТС ХР и К вследствие конденсации ТХВ при отрицательном градиенте температур в рабочем отделении камеры и вне климатической камеры.
Основной технической задачей, на решение которой направлен заявляемый лабораторный испытательный термический стенд, является повышение точности воспроизведения концентрационных и температурных параметров, снижение расхода токсичных химических веществ и повышение безопасности работающего персонала.
Указанный технический результат достигается тем, что лабораторный испытательный термический стенд содержит климатическую камеру тепла/холода, газодинамическую установку с побудителем и регулятором расхода воздуха, фильтр-поглотитель, рабочую трубу и измеритель массового расхода воздуха, пробоотборный узел, при этом дозатор объекта индикации и теплообменные трубки находятся во внутреннем (рабочем) объеме климатической камеры, пробоотборный узел теплоизолирован от окружающей среды.
Сущность полезной модели заключается в том, что проверка работоспособности и оценка показателей назначения ТС ХР и К проводится при стабильных температурных показателях во внутреннем объеме термического стенда с замкнутой системой генерации проверочных концентраций ТХВ. При этом обеспечивается соответствие температур испытуемого технического средства и объекта индикации (ТХВ) с температурой окружающего воздуха во внутреннем объеме термического стенда, исключаются потери вещества из-за его сорбции на элементах установки и испытуемых ТС ХР и К и обеспечивается выполнение требований техники безопасности при работе с ТХВ.
Полезная модель поясняется фигурой №1, на которой представлена структурная схема лабораторного испытательного термического стенда.
В состав лабораторного испытательного термического стенда входят: климатическая камера тепла/холода ТХ-500 - 1; фильтр-поглотитель ФП-100/50 - 2; регулятор расхода воздуха - 3; измеритель массового расхода воздуха - 4; теплообменные трубки - 5, 6; дозатор - 7; испытуемое техническое средство - 8; штуцер для отбора проб - 9; побудитель расхода воздуха ФВА-50/25 - 10; рабочая труба с патрубками - 11; пробоотборное устройство - 12.
Стенд расположен в отдельном боксе, оборудованном вытяжной вентиляцией. Основными элементами стенда являются климатическая камера тепла/холода ТХ-500 1 и газодинамическая установка. Газодинамическая установка состоит из побудителя расхода воздуха ФВА-50/25 10 с фильтром-поглотителем ФП-100/50 2, рабочей трубы 11, дозатора 7, системы создания и регулирования массового расхода воздуха 3, 4 и теплообменных трубок 5, 6.
Климатическая камера тепла/холода ТХ-500 1 предназначена для создания, регулировки и поддержания заданного диапазона температур.
Газодинамическая установка предназначена для создания паровоздушной смеси токсичных химических веществ (ТХВ) требуемой концентрации путем нормированного смешения потока воздуха, обогащенного парами ТХВ из дозатора, с потоком незараженного воздуха с параметрами, соответствующими установленным условиям. Скорость потока разбавляющего воздуха устанавливается в зависимости от требуемого коэффициента разбавления концентрации паров ТХВ.
3
Побудитель расхода воздуха 10 предназначен для создания циркуляционного потока воздуха в ГДУ, внешнем контуре рабочей трубы и фильтре-поглотителе. Побудитель расхода воздуха состоит из элементов фильтровентиляционного агрегата ФВА-50/25: вентилятор ВАП-1 с электрическим приводом и фильтр-поглотитель ФП-100/50 2. Производительность вентилятора - 100 м/ч. Фильтр-поглотитель предназначен для очистки от паров ТХ воздуха выбрасываемого из рабочей трубы внутреннего контура.
Рабочая труба 11 предназначена для формирования потока ПВС с требуемой концентрацией паров ТХВ и для обеспечения требований безопасности. Рабочая труба 11 состоит из двух контуров:
труба внутреннего контура предназначена для создания паровоздушной смеси ТХВ требуемой концентрации путем нормированного смешения потока воздуха, обогащенного парами ТХВ из дозатора, с потоком незараженного воздуха с параметрами, соответствующими установленным условиям. Труба изготовлена из нержавеющей стали с гладкой поверхностью. Внутренний диаметр трубы составляет 14 мм. Гладкая поверхность трубы обеспечивает малую сорбцию паров низколетучих веществ. Для контроля концентраций паров ТХВ в установке предусмотрен пробоотборный узел 9, находящийся с наружной части рабочей трубы. Внешняя часть пробоотборной магистрали теплоизолирована от окружающей среды. Отбор проб для последующего количественного анализа осуществляется портативным пробоотборным устройством 12 из внутреннего объема рабочей трубы;
труба внешнего контура предназначена для обеспечения воздушной «рубашки безопасности» и поддержания требуемой температуры вокруг трубы внутреннего контура. Труба внешнего контура имеет диаметр 50 мм и изготовлена из поливинилхлорида. Выбор этого материала обусловлен тем, что трубопроводы из поливинилхлорида обладают термостойкостью, химической стойкостью, низкой шероховатостью поверхности, отсутствием условий для конденсации влаги, незначительным линейным тепловым расширением и простотой монтажа.
Дозатор 7 предназначен для создания паровоздушной смеси ТХВ путем нормированного смешения потока воздуха и паров ТХВ. Дозаторами паров ТХВ могут служить стандартные устройства капиллярного или диффузионного типов по ОСТ В 6-20-2442-80 и ОСТ В 6-20-2443-80 или дозаторы другого типа.
Система создания и регулирования массового расхода воздуха предназначена для разбавления паров ТХВ путем подачи в дозатор и рабочую трубу внутреннего контура воздушного потока с установленным расходом. Состоит из регулятора расхода воздуха 3 и измерителя массового расхода воздуха 4. Регулятор расхода воздуха представляет собой доработанный четырехканальный аспиратор модели ОП-442ТЦ и создает расход разбавляющего воздуха в пределах от 1 до 20 л/мин. Измеритель массового расхода воздуха предназначен для контроля и точной установки расхода воздуха, подаваемого в дозатор и позволяет измерять расход воздуха в диапазоне от 10 до 200 мл/мин.
Теплообменные трубки 5, 6 предназначены для поддержания температуры воздушно потока подаваемого в дозатор и во внутренний контур рабочей трубы в соответствии с температурой окружающей среды испытуемого технического средства.
Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом. Для проверки работоспособности и оценки показателей назначения включенное испытуемое техническое средство 8 и дозатор с ТХВ 7 размещаются в камере тепла/холода ТХ-500 1 и через патрубки подсоединяются к внутреннему контуру рабочей трубы 11.
Далее с помощью панели управления камерой тепла/холода ТХ-500 задаются климатические параметры, при которых будет осуществляться проверка технического средства. После выхода камеры на рабочий режим и выдержки в заданной температуре (в течение установленного времени) испытуемого технического средства и дозатора с ТХВ включается газодинамическая установка.
Сначала создается воздушный поток во внешнем контуре рабочей трубы 11. Для этого включается побудитель расхода воздуха 10. Создаваемый им воздушный поток, движется по замкнутому циклу: побудитель расхода воздуха - внешней контур рабочей трубы 11 - фильтр-поглотитель 2. Этот же поток подается на входной штуцер регулятора расхода воздуха 3.
Создание воздушного потока во внутреннем контуре рабочей трубы 11 обеспечивается системой создания и регулирования массового расхода воздуха и происходит в два этапа. На первом этапе включается регулятор расхода воздуха 3. От него через теплообменную трубку 6 во внутренний контур рабочей трубы 11 подается чистый воздух для разбавления ПВС. Расход воздуха через теплообменную трубку 6 устанавливается в соответствии с необходимым коэффициентом разбавления ПВС.
На втором этапе, на измерителе массового расхода воздуха 4 устанавливается расход воздуха, который будет подаваться в дозатор с ТХВ 7 через теплообменную трубку 5. Расход воздуха задается в соответствии с требуемой концентраций ТХВ в ПВС для проверки работоспособности испытуемого технического средства.
После выполнения всех операций перечисленных выше на измерителе массового расхода воздуха 4 включается подача воздуха в дозатор 7. Поток воздуха поступает через теплообменную трубку 5 в дозатор с ТХВ 7, смешивается с парами ТХВ и подается во входной патрубок внутреннего контура рабочей трубы 11, где смешивается с потоком чистого воздуха поступающего по теплообменной трубке 6. Образовавшаяся ПВС движется по внутреннему контуру рабочей трубы в направлении фильтра-поглотителя 2 и поступает во внешний контур рабочей трубы 11, где проходит ее очистка от паров ТХВ. После очистки поток воздуха продолжает двигаться по замкнутому циклу внешнего контура рабочей трубы.
По ходу движения по внутреннему контуру рабочей трубы поток ПВС поступает через патрубок в воздухозаборное устройство (ВЗУ) испытуемого технического средства 8 и пробоотборный узел 9. Через ВЗУ паровоздушная смесь поступает в детектор испытуемого технического средства. Если аналитические характеристики технического средства соответствуют требованиям назначения, то прибор выдает сигнал «ОПАСНО».
Для проведения количественного анализа созданной ПВС осуществляется отбор проб из внутреннего контура рабочей трубы через пробоотборный узел 9 на трубку с сорбентом с помощью портативного пробоотборного устройства (побудителя расхода воздуха) 12.
Технический результат использования полезной модели подтвержден результатами проведенных испытаний ТС ХР и К по оценке работоспособности данных технических средств в их температурном диапазоне функционирования. Экспериментальным путем установлено, что проведение работ по оценке работоспособности ТС ХР и К с применением лабораторного испытательного термического стенда позволяет создавать максимально возможные концентрации паров ТХ в установленной температуре окружающего воздуха и избежать потерь вещества из-за его сорбции на элементах установки за счет разности температур. Применение предлагаемого лабораторного испытательного термического стенда позволяет на 80% снизить расход токсичных химических веществ, повысить точность воспроизведения концентрации на 50%, температуры объекта индикации на 90% и обеспечить выполнение требований безопасности при работе с ТХВ.
Литература
1. ГОСТ РВ 20.39.304-98. Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Требования стойкости к внешним воздействующим факторам [Текст]. - Введ. 1998-09-07. - М.: Госстандарт России, 1996. - 42 с.
2. ГОСТ РВ 20.57.306-98. Комплексная система общих технических требований. Аппаратура, приборы, устройства и оборудование военного назначения. Методы испытаний на воздействие климатических факторов [Текст]. - Введ. 1999-01-01. - М.: Госстандарт России, 1999. - 30 с.
3. Камера климатическая ТХ-500 // Руководство по эксплуатации и паспорт 2.068.000 РЭ, НПФ «Термокон», г. Санкт-Петербург, 2013 г.
4. Патент DE №102007002415.
5. Патент RU №2007699.
6. Патент RU №2201013.
7. Патент RU №2394219.
8. Патент RU №2400723.
9. Патент RU №2194567.
10. Патент RU№2219516.
11. Патент RU №92535.
12. Патент RU №126468.