ИЗОЛИРУЮЩИЙ ДЫХАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ
SELF-CONTAINED BREATHING APPARATUS

Изобретение относится к индивидуальным изолирующим дыхательным аппаратам, обеспечивающим жизнедеятельность человека в атмосфере, непригодной для дыхания. Данный аппарат может применяться горноспасателями для работы в шахтах. Изобретение может быть использовано также и в коллективных средствах защиты.
Каждая аварийная ситуация по-своему индивидуальна, имеет свои особенности, требует своего подхода. В связи с этим требуется некоторое разнообразие средств защиты, позволяющее пользователю иметь определенный выбор применительно к обстановке. Например, часто при непригодной для дыхания атмосфере сохраняется возможность применения электроэнергии как ресурса вместо дорогих и дефицитных расходуемых материалов.
2
2
2
2
Известны изолирующие дыхательные аппараты (респираторы), работающие на химически связанном кислороде (регенеративном продукте). Химическую основу этих продуктов составляют надперекисные соединения щелочных металлов (KO; NaO и LiO). Использование регенеративного продукта, поглощающего углекислый газ и одновременно выделяющего кислород, реализовано во многих устройствах (например, патент РФ 2483767, А62В 19/00, 2006; патент РФ 2461398, A62B 7/08, 2006; патент РФ 2428232, A62B 7/08, 2006; патент РФ 2119366, A62B 7/08, 1997 и др.). Основное достоинство этих аппаратов - компактность, малые массо-габаритные характеристики. К недостаткам относятся прежде всего дороговизна и дефицит регенеративных продуктов. Кроме того, они обладают повышенной пожароопасностью. Как правило, это аппараты разового использования, так как контроль их отработки практически отсутствует.
Известны изолирующие дыхательные аппараты, конструкция которых включает только воздушные баллоны облегченного типа (патент РФ 2307688, A62B 7/02, 2006; патент РФ 2176923, A62B 18/10, 2000; патент РФ 2164162, A62B 7/04, 1999). Основное достоинство этих аппаратов - отсутствие регенеративных продуктов и поглотителей углекислого газа. Однако эти аппараты значительно уступают аппаратам с регенеративными продуктами по массо-габаритным характеристикам, поэтому используются относительно короткое время (не более 1,5 час). Основная сфера их применения - использование пожарными при тушении пожаров.
Известны изолирующие дыхательные аппараты, использующие поглотитель углекислого газа (патент РФ 2137516, А62В 7/08, 1997; патент РФ 2107525, A62D 9/00, 1996). В качестве источника кислорода в таких аппаратах применяются кислородные баллоны.
Известен изолирующий респиратор Р-30 (авт. свид. СССР №171267, МПК A62b 7/00, 1963 г.; авт. свид. СССР №254334, кл. 61а 29/01, МПК A62b 7/00, 1968 г.). Этот аппарат содержит баллон со сжатым до 200 атм кислородом, патрон с химическим поглотителем (ХПИ) диоксида углерода на основе гидроокиси кальция, холодильник с водяным льдом, дыхательный мешок и маску с клапанами вдоха и выдоха.
Достоинством этого аппарата являются допустимые массо-габаритные характеристики для работы при относительно большом времени защитного действия (4-5 час), возможность контроля отработки.
К недостаткам респиратора относятся необходимость использования расходуемых материалов, поглотителя ХПИ и водяного льда для охлаждения дыхательной смеси (при температуре внешней среды выше 26°C). Поглотитель ХПИ является относительно дефицитным продуктом.
К числу других недостатков респиратора относится значительное тепловыделение при поглощении углекислого газа хемосорбентом ХПИ и, несмотря на применение для охлаждения водяного льда, температура дыхательной смеси на вдохе остается достаточно высокой (до 40°C). Последний фактор особенно важен, так как горноспасателям, как правило, приходится работать при повышенных температурах среды (после пожара).
С другой стороны, действие охлаждающего эффекта льда неуправляемо. На практике лед закладывается в аппарат непосредственно перед входом в шахту. Однако перемещение горноспасателя до места спасательных работ с повышенной температурой, как правило, составляет длительное время (более 1 часа) и происходит при относительно низкой температуре (10-15°C). В этом случае наличие льда вызывает чрезмерное охлаждение дыхательной смеси и дополнительный дискомфорт.
Респиратор Р-30 является на сегодня основным аппаратом в горноспасательном деле. Респиратор Р-30 наиболее близок по технической сущности к предлагаемому и потому выбран в качестве прототипа.
Задачей изобретения является создание изолирующего аппарата, исключающего использование расходуемых материалов, кроме кислорода, и обеспечивающего подачу потребителю охлажденной дыхательной смеси.
Задача решается изобретением, согласно которому в изолирующем дыхательном аппарате, содержащем баллон со сжатым кислородом, дыхательный мешок и маску с клапанами вдоха и выдоха, отличающемся тем, что он дополнительно содержит абсорбер, использующий жидкий регенерируемый поглотитель углекислого газа и электрохолодильное устройство, работающее по принципу Пельтье.
Такое конструктивное выполнение аппарата позволяет исключить использование твердого хемосорбента для поглощения углекислого газа и снизить температуру дыхательной смеси на вдохе.
Существенным признаком, отличающим данное изобретение, является введение абсорбера, использующего жидкий регенерируемый поглотитель углекислого газа.
Вторым существенным признаком, отличающим данное изобретение, является введение электрохолодильного устройства, работающего по принципу Пельтье.
Совокупность этих признаков обеспечивает работоспособность изолирующего дыхательного аппарата.
На представленном чертеже показана схема изолирующего дыхательного аппарата. Изолирующий дыхательный аппарат в качестве основных элементов содержит маску 1 с клапанами вдоха и выдоха, дыхательный мешок 2, баллон 3 со сжатым кислородом и абсорбер 4. Маска 1 соединена через клапан вдоха и гофрированную трубку 5 с дыхательным мешком 2 и через клапан выдоха и гофрированную трубку 6 с абсорбером 4. Абсорбер 4 включает абсорбционную часть с насадкой 7 для поглощения углекислого газа, десорбционную часть с выводом углекислого газа 8 во внешнюю среду и насос 9 для циркуляции жидкого абсорбента. В верхней части абсорбер 4 имеет электрохолодильник Пельтье 10, холодная сторона 11 которого вмонтирована в абсорбционную часть абсорбера 4, а горячая сторона 12 электрохолодильника вмонтирована в десорбционную часть абсорбера 4.
Аппарат работает следующим образом. Включение в аппарат и работа аппарата в начальный период ничем не отличатся от работы респиратора Р-30. Перед включением в работу пользователь 1 делает выдох в дыхательный мешок 2 или включением (открытием вентиля) баллона 3 наполняет дыхательный мешок. Одновременно включается в работу насос 9 для циркуляции жидкого поглотителя и электрохолодильник 10. При хранении аппарата весь жидкий поглотитель находится в нижней части абсорбера. Направление движения жидкости на схеме показано стрелками. Пусковой период выхода на рабочий режим для абсорбера составляет примерно 1,5-2 мин. Рабочая температура жидкости в десорбционной части абсорбера 4 составляет 100-110°C. Рабочая температура в сорбционной части аппарата зависит от подаваемой мощности электроэнергии на элемент Пельтье.
Направление движения дыхательной смеси на схеме показано стрелками. При выдохе дыхательная смесь продавливается через насадку 7, омытую поглотителем, с поглощением углекислого газа. Далее дыхательная смесь поступает в дыхательный мешок 2. При вдохе дыхательная смесь насыщается кислородом из баллона 3 и поступает потребителю.
Важно отметить, что работа электрохолодильника 10 хорошо управляема. При низких температурах внешней среды (10-15°C) его работа может быть больше ориентирована на нагрев десорбционной части абсорбера 4, а при высоких температурах внешней среды (более 26°C) его работа больше ориентирована на охлаждение абсорбционной части абсорбера.
Пример 1. Температура внешней среды составляет 27°C. В качестве жидкого поглотителя углекислого газа использован 30%-ный водный раствор моноэтанолэтилендиамина (МЭЭДА). Динамическая емкость МЭЭДА по углекислому газу составляет 30-40 л/кг. Температура регенерации поглотителя 100-105°C. Для циркуляции жидкого поглотителя 90 г/мин требуется насос мощностью не более 2 Вт. Концентрация углекислого газа на вдохе при запуске составляет примерно 2,2%, после выхода на стационарный режим составляет 1,7%. Для экономии тепловой энергии конструкция абсорбера выполнена в форме «труба в трубе».
Температура дыхательной смеси на вдохе составляет 28°C (для сравнения температура дыхательной смеси на вдохе для аппарата Р-30 составляет также 28°C). Энергопотребление электрохолодильника составляет 25 Вт. Пусковой период выхода на рабочий режим для абсорбера составляет 1,7 мин. Рабочая температура жидкости в десорбционной части абсорбера 4 составляет 107-110°C. Рабочая температура в сорбционной части аппарата - 25°C.
Пример 2. Температура внешней среды составляет 35°C. В качестве жидкого поглотителя углекислого газа использован 30%-ный водный раствор моноэтанолэтилендиамина (МЭЭДА). Концентрация углекислого газа на вдохе при запуске составляет примерно 2,2%, после выхода на стационарный режим составляет 1,8%.
Температура дыхательной смеси на вдохе составляет 36°C (для сравнения температура дыхательной смеси на вдохе для аппарата Р-30 составляет 39°С). Энергопотребление электрохолодильника составляет 33 Вт. Пусковой период выхода на рабочий режим для абсорбера составляет 1,5 мин. Рабочая температура жидкости в десорбционной части абсорбера 4 составляет 115-120°C. Рабочая температура в сорбционной части аппарата - 30°C.
Таким образом, при работе аппарата исключается необходимость в запасах льда. Таким образом, решаются все поставленные выше задачи.