Регенеративный патрон 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 регенеративным патронам 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 загрязняющих воздух примесей. 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.
Известен регенеративный патрон изолирующего дыхательного аппарата (патент РФ №133742, 27.10.2013 г.), включающий цилиндрический корпус, торцы которого перекрыты крышкой и днищем, патрубки вдоха-выдоха и дыхательного мешка, перфорированную обечайку, установленную в корпусе с кольцевым зазором относительно боковой стенки корпуса и выполненную с крышкой, которая перекрывает один торец обечайки, и с перфорированным каналом, который выполнен вдоль продольной оси обечайки и перекрыт со стороны днища корпуса, регенеративный продукт, засыпанный в полость перфорированной обечайки, теплогазораспределитель, размещенный в объеме регенеративного продукта и выполненный в виде пластин, радиально установленных между перфорированной обечайкой и перфорированным каналом, пружину сжатия регенеративного продукта, причем пружина сжатия регенеративного продукта расположена между крышкой корпуса и крышкой перфорированной обечайки, а перфорированный канал перекрыт тампоном, который выполнен из газопроницаемого материала, сминаемого под действием механических усилий, и установлен с возможностью упора в днище корпуса. Пластины теплогазораспределителя выполнены перфорированными, одна из боковых сторон каждой пластины теплогазораспределителя выполнена с продольным П-образным в поперечном сечении загибом, стенки П-образных загибов соседних перфорированных пластин последовательно соединены между собой с образованием перфорированного канала, ограниченного полками П-образных загибов.
Указанный регенеративный патрон конструктивно выполнен так, что имеет в направлении движения газовоздушной смеси большую площадь поперечного сечения и малую толщину слоя регенеративного продукта. При использовании такого регенеративного патрона обеспечиваются низкие сопротивление дыханию и температура вдыхаемой газовой смеси, однако при этом происходит нарушение тепловлажностных условий в начальный период работы регенеративного продукта из-за увеличения времени активизации химических реакций. Из-за малой толщины слоя регенеративного продукта и большой площади поперечного сечения поток газовоздушной смеси в процессе работы неравномерно распределяется по объему регенеративного продукта. В процессе регенерации газо-воздушной смеси в регенеративном продукте протекают экзотермические реакции с выделением значительного количества тепла, однако, из-за малой толщины слоя регенеративного продукта, этого тепла недостаточно для быстрого разогрева и активизации регенеративного продукта в начальный период работы. Кроме того, в процессе дальнейшей работы регенеративный продукт не разогревается до температуры спекания и в тех частях объема продукта, где продукт отрабатывает быстрее из-за неравномерности потока газо-воздушной смеси, регенерация газовоздушной смеси снижается и при этом часть диоксида углерода остается не поглощенной. Это приводит к тому, что в момент, когда объемная доля диоксида углерода превысит установленный предел, часть регенеративного продукта останется не полностью отработавшей. Особенно явно данный факт наблюдается при работе в условиях низкой температуры окружающей среды (согласно требованиям ГОСТ Р 12.4.220, самоспасатель должен быть работоспособным при температуре окружающей среды от -20°C до +40°C). Ввиду вышесказанного, для нормализации тепло-влажностных условий в начальный период работы регенеративного патрона возникает необходимость использования дополнительного пускового устройства, что усложняет конструкцию, увеличивает размеры и вес самоспасателя.
Известен регенеративный патрон, входящий в состав шахтного изолирующего дыхательного аппарата ШСС-1М (http://qidro.tech-qroup.pro/shahtnye_samospasateli_respirator,), содержащий фильтр и регенеративный продукт, с автоматически действующим пусковым устройством. При этом конструкция дыхательного аппарата ШСС-1М представляет собой изолирующий дыхательный аппарат разового применения с химически связанным кислородом и маятниковой схемой дыхания, при которой газо-воздушная смесь проходит при вдохе/выдохе через регенеративный патрон туда и обратно по одному пути. При его использовании выдыхаемый воздух попадает в патрон, проходит через фильтр и регенеративный продукт, который поглощает выделенные человеком углекислый газ и пары воды и выделяет кислород. Затем обогащенная кислородом дыхательная смесь попадает в дыхательный мешок аппарата ШСС-1М. При вдохе дыхательная смесь из мешка снова проходит через регенеративный продукт в патроне, где дополнительно очищается и поступает через фильтр, который задерживает пылевидные частицы регенеративного продукта, в гофрированную трубку с загубником для дыхания.
Известна конструкция регенеративного патрона, принятого за наиболее близкий аналог (патент РФ №2283672, 20.09.2006 г.), содержащего корпус, в котором установлены опорная и поджимная сетки, крышка, сплошная воздуховодная трубка, проходящая через опорную и поджимную сетки. Между опорной и поджимной сетками размещен зерненный регенеративный продукт, внутри воздуховодной трубки размещен фильтр, а в слое регенеративного продукта установлен пусковой брикет. Дополнительно патрон содержит вторую воздуховодную трубку с размещенным внутри нее фильтром, проходящую через опорную и поджимную сетки и расположенную на расстоянии от первой воздуховодной трубки, составляющем 0,5-0,7 от размера большой оси поперечного сечения патрона. Обе трубки установлены симметрично относительно малой оси сечения патрона, а площадь сечения каждой воздуховодной трубки составляет 0,03-0,05 от площади поперечного сечения патрона.
Недостатками конструкции самоспасателя ШСС-1М и конструкции по патенту РФ №2283672 является недостаточная площадь поперечного сечения и большая толщина слоя регенеративного продукта, что приводит к неполной отработке регенеративного продукта. Объясняется это тем, что в процессе регенерации газовоздушной смеси в регенеративном продукте протекают экзотермические реакции с выделением значительного количества тепла. Причем при выдохе движущаяся газовоздушная смесь переносит это тепло от начальных слоев продукта к последующим, где реакции протекают интенсивнее в присутствии перенесенного тепла. Основная часть выделенных человеком углекислого газа и паров воды поглощается регенеративным продуктом при выдохе и замещается выделившимся в результате реакций кислородом. После чего горячая обогащенная кислородом и осушенная газо-воздушная смесь попадает в мешок, где охлаждается в результате интенсивного отвода тепла через стенки мешка. При вдохе из мешка в регенеративный продукт попадает охлажденная газо-воздушная смесь с низким содержанием углекислого газа, который поглощается в нагретых слоях продукта. В результате чего в объеме регенеративного продукта возникают локальные зоны с высокой температурой, в которых возможно спекание и плавление компонентов регенеративного продукта. Возникновение таких зон ухудшает газодинамику прохождения газов через объем регенеративного продукта, увеличивает сопротивление прохождению газов через объем регенеративного продукта и температуру вдыхаемой газовой смеси, что в итоге приводит к уменьшению полноты отработки регенеративного продукта. Также дополнительно следует отметить, что повышение температуры газовоздушной смеси свыше 55°C вносит дополнительную стрессовую нагрузку на пользователя, находящегося в аварийной ситуации, и может привести к отключению пользователя из дыхательного аппарата.
Согласно ГОСТ Р 12.4.220-2001 время защитного действия самоспасателя определяется при испытаниях на установке «Искусственные легкие» при легочной вентиляции 35 л/мин. При этом сопротивление вдоху/выдоху не должно превышать 980 Па (а по требованиям EN 13794 не более 750 Па), температура вдыхаемой газовоздушной смеси не должна превышать 55°C, в условиях отрицательных температур в первые 6 минут работы допускается повышение объемной доли диоксида углерода во вдыхаемой газовоздушной смеси до 5% и уменьшение объемной доли кислорода до 19%. В процессе испытаний контролируются следующие параметры: объемная доля диоксида углерода и объемная доля кислорода во вдыхаемой газовой смеси, температура вдыхаемой газовой смеси, сопротивление дыханию. Испытания прекращаются, когда хотя бы один из указанных параметров превысит установленные стандартом значения. Следует отметить, что при полной отработке регенеративного продукта происходит резкое повышение объемной доли диоксида углерода. Соответственно, можно считать, что самоспасатель полностью исчерпал заложенный в нем ресурс, когда объемная доля диоксида углерода превысит установленный предел. Если же температура вдыхаемой газовой смеси или сопротивление дыханию превысят допустимые значения раньше, чем объемная доля диоксида углерода превысит установленный предел (3% по ГОСТ Р 12.4.220), то это означает неполную отработку регенеративного продукта и, соответственно, лишний вес и размеры самоспасателя, что нарушает жесткие требования по массе самоспасателя, предъявляемые стандартом.
В итоге, известные решения имеют низкую эффективность при их эксплуатации, связанную с низкой полнотой отработки регенеративного продукта, что обусловлено габаритами элементов патрона и его конструктивным выполнением.
Задачей полезной модели является создание регенеративного патрона, входящего в состав изолирующего дыхательного аппарата с маятниковой схемой дыхания и обеспечивающего эффективный режим работы без использования дополнительного оборудования.
Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности регенеративного патрона при его эксплуатации в составе изолирующего дыхательного аппарата, заключающееся в одновременном снижении сопротивления дыханию и температуры вдыхаемой смеси, а также повышении времени защитного действия регенеративного патрона за счет оптимальных соотношений основных размеров патрона.
Технический результат достигается за счет использования регенеративного патрона изолирующего дыхательного аппарата, содержащего полый открытый корпус, на торцах которого установлены крышка с патрубком вдоха-выдоха и днище с патрубком дыхательного мешка, с торцевых сторон корпуса закреплены газопроницаемые перегородки, полость между которыми заполнена регенеративным продуктом, в слое которого установлен теплогазораспределитель с закрытыми вертикальными каналами с перфорированными стенками для отвода горячей газовоздушной смеси, при этом отношение площади поперечного сечения корпуса регенеративного патрона, выраженной в квадратных сантиметрах, к высоте слоя регенеративного продукта, выраженной в сантиметрах, выполнено равным 9-12.
Выполнение теплогазораспределителя с перфорированными стенками обеспечивает предотвращение попадания гранул регенеративного продукта (диоксида калия) внутрь каналов.
Каналы выполнены вертикальными, т.к. именно в вертикальном направлении происходит движение газовоздушной смеси при эксплуатации регенеративного патрона изолирующего дыхательного аппарата, что обеспечивает отвод излишнего тепла из мест образования локальных зон с повышенной температурой и, соответственно, обеспечивает повышение эффективности регенеративного патрона.
Отношение площади поперечного сечения корпуса регенеративного патрона, выраженной в квадратных сантиметрах, к высоте слоя регенеративного продукта, выраженной в сантиметрах, равное 9-12, представляет собой оптимальное соотношение, при котором будет наблюдаться достаточная скорость активизации химических реакций в продукте и образование разогретых зон в нем с постепенным ростом температуры и сопротивления дыханию, которые не превышают допустимые пределы. Уменьшение площади поперечного сечения при большей высоте слоя продукта (желая обеспечить сокращение времени активизации хим. реакций) приводит к быстрому и чрезмерному по температуре разогреву регенеративного продукта и повышению температуры и сопротивления дыханию. Увеличение площади поперечного сечения при тонком слое приводит к низкой скорости активизации химических реакций, неравномерному распределению потока газовой смеси по поперечному сечению, раннему превышению объемной доли диоксида углерода во вдыхаемой газовой смеси.
То есть за пределами указанного диапазона значений происходит неполная отработка регенеративного продукта. Выбранное оптимальное соотношение позволяет обеспечить повышение эффективности регенеративного патрона в процессе эксплуатации.
Кроме того, указанные выше положительные эффекты позволяют разработчикам уменьшить количество регенеративного продукта и тем самым уменьшить массу регенеративного патрона, что также является преимуществом решения.
В частном случае реализации полезной модели длина вертикальных каналов теплогазораспределителя может составлять 0,6-0,7 от высоты регенеративного продукта. Суммарная площадь поперечного сечения всех каналов может составлять 0,05-0,06 от площади поперечного сечения патрона.
Каналы теплогазораспределителя могут быть расположены равномерно по площади поперечного сечения регенеративного патрона.
По меньшей мере одна газопроницаемая перегородка выполнена поджимной для снижения образования пыли из-за взаимного трения зерен регенеративного продукта в результате механических воздействий на патрон.
Между газопроницаемой перегородкой и патрубком вдоха-выдоха дополнительно закреплен фильтр, предотвращающий попадание пыли регенеративного продукта в дыхательные пути пользователя. Газопроницаемые перегородки могут быть выполнены из сеток или из листового металла с перфорированными отверстиями.
Теплогазораспределитель может содержать восемь закрытых вертикальных каналов, выполненных с длиной, равной 70% от толщины слоя.
Корпус может быть выполнен цилиндрическим.
Форма поперечного сечения патрона может быть любой: круглой, овальной, прямоугольной со скругленными углами, чечевичной.
Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 - конструкция изолирующего дыхательного аппарата с регенеративным патроном;
На фиг. 2а - чертеж регенеративного патрона в разрезе (вид сбоку), на фиг. 2б - чертеж регенеративного патрона в разрезе (вид сверху).
Изолирующий дыхательный аппарат, содержащий лицевую часть 1, соединенную с тепловлагообменником 2, и гофрированную трубку 3, одним концом соединенную с тепловлагообменником 2, а другим - с регенеративный патроном 4, в слое регенеративного продукта которого расположен теплогазораспределитель 5 с вертикальными закрытыми каналами, расположенными равномерно по слою продукта, для эффективного отвода горячей газовоздушной смеси, проходящей через локальные зоны с высокой температурой, также дыхательный аппарат содержит дыхательный мешок 6. Теплогазораспределитель 5 изготовлен из перфорированной металлической полосы (фиг. 1).
Регенеративный патрон 4 содержит патрубок 7 вдоха-выдоха и патрубок 11 дыхательного мешка 6, газопроницаемые перегородки 8 и 10, объем (слой) 9 регенеративного продукта, теплогазораспределитель 5 с каналами с перфорированными стенками (фиг. 2).
При применении дыхательного аппарата по назначению регенеративный патрон 4 работает следующим образом.
При выдохе газовоздушная смесь, имеющая относительную влажность до 100% и температуру 37°C, из лицевой части 1 (фиг. 1) органов дыхания проходит через тепловлагообменник 2, далее через гофрированную трубку 3 поступает в регенеративный патрон 4. В регенеративном патроне (фиг. 2) газовоздушная смесь проходит через патрубок 7 вдоха-выдоха, проходит через газопроницаемую перегородку 8 с фильтром (не показан), далее проходит через слой регенеративного продукта 9 и, частично, через перфорированные стенки каналов теплогазораспределителя 5, после чего проходит через газопроницаемую перегородку 10 и поступает в патрубок 11 дыхательного мешка 6 (фиг. 1). При этом слой регенеративного продукта 9 (фиг. 2) поглощает диоксид углерода и влагу из выдыхаемой газовоздушной смеси и выделяет кислород, а часть газовоздушной смеси, проходящая через каналы, отводит излишек тепла из зоны с повышенной температурой. Обогащенная кислородом и нагретая газовоздушная смесь поступает в дыхательный мешок 6 (фиг. 1), где излишнее тепло отводится через стенки дыхательного мешка в окружающую среду.
При вдохе газо-воздушная смесь из дыхательного мешка 6 движется в обратном направлении, проходит через регенеративный продукт 5, где дополнительно происходит поглощение диоксида углерода, выходит из регенеративного патрона 4 и, по гофрированной трубке 3, поступает в тепловлагообменник 2, охлаждается и поступает к лицевой части 1 органов дыхания. Описанный процесс тепловлагообмена и регенерации газовоздушной смеси постоянно повторяется при пользовании дыхательным аппаратом.
Пример 1.
2
Испытания заявленного регенеративного патрона в составе изолирующего дыхательного аппарата проведены на установке «Искусственные легкие» (ГОСТ Р 12.4.220-2001). По результатам испытаний установлено, что регенеративный патрон без пускового устройства, содержащий 320 г регенеративного продукта, и имеющий размеры слоя регенеративного продукта S=71 см и Н=5,5 см, имеет следующие характеристики:
3
3
сопротивление дыханию на вдохе/выдохе при легочной вентиляции 35 дм/мин составляет 40/50 мм вод.ст (400/500 Па). Температура вдыхаемой газовой смеси составляет 48°C. Время защитного действия при легочной вентиляции 35 дм/мин составляет 21-22 минуты.
3
3
сопротивление дыханию на вдохе/выдохе при легочной вентиляции 70 дм/мин составляет 120/130 мм вод.ст (1200/1300 Па). Температура вдыхаемой газовой смеси составляет 45°C. Время защитного действия при легочной вентиляции 70 дм/мин составляет 9-10 минут.
Приведенные данные свидетельствуют о том, что заявляемый регенеративный патрон обеспечивает полноту отработки продукта, при этом в конце работы патрона параметры дыхания с запасом не превышаю требований ГОСТа. В конце ВЗД, т.е. на 21-22 минуте, сопротивление дыханию и температура вдыхаемой газовоздушной смеси имеют запас относительно предельных значений по ГОСТу.
Пример 2.
Проводились испытания заявленного регенеративного патрона 1 с массой продукта 480 г и регенеративного патрона 2 с массой продукта 1100 г в сравнении с аналогом-патроном шахтного самоспасателя ШСС-1М с массой продукта 900 г. (таблица 1)
Как видно из представленных примеров, регенеративный патрон шахтного самоспасателя ШСС не позволяет обеспечить необходимые показатели при эксплуатации: температура вдыхаемой смеси превышает 55°, сопротивление дыханию в конце ВЗД превышает 980 Па. В то же время параметры образцов регенеративного патрона 1 и 2 остаются в норме: температура вдыхаемой смеси не превышает 55°, сопротивление дыханию в конце ВЗД составляет 750 Па.
Заявленный регенеративный патрон имеет большее, чем у патрона шахтного самоспасателя ШСС-1М, значение отношения площади поперечного сечения корпуса регенеративного патрона к высоте слоя регенеративного продукта, что приводит к повышению его эффективности - одновременном снижении сопротивления дыханию и температуры выдыхаемой смеси, а также повышении времени защитного действия регенеративного патрона.
Конструктивное выполнение заявленного регенеративного патрона позволяет снизить время активизации химических реакций в начальный период работы, обеспечить равномерное распределение газовоздушного потока по сечению слоя регенеративного продукта, достичь оптимальных условий распределения тепла и влаги в процессе работы регенеративного продукта, обеспечить оптимальное сопротивление на вдохе и выдохе и эффективный отвод горячей газо-воздушной смеси, проходящей через локальные зоны с высокой температурой.
Таким образом, заявленный регенеративный патрон обладает высокой технологичностью, высокими эксплуатационными характеристиками, а также обеспечивает сокращение времени активизации химических реакций в регенеративном продукте, снижение температуры в локальных зонах.