ТЕПЛОВЛАГООБМЕННОЕ УСТРОЙСТВО ИЗОЛИРУЮЩЕГО ДЫХАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к устройствам защиты органов дыхания, в частности к составным частям изолирующих самоспасателей с химически связанным кислородом, которые применяются в горнодобывающей, химической и других отраслях промышленности для экстренной кратковременной защиты органов дыхания в аварийных ситуациях, связанных с образованием непригодной для дыхания окружающей среды.
В процессе регенерации газо-воздушной смеси в регенеративном патроне изолирующего дыхательного аппарата протекают экзотермические реакции с выделением значительного количества тепла. В результате газо-воздушная смесь, поступающая из регенеративного патрона к органам дыхания человека имеет повышенную температуру и обезвожена. Горячая, обезвоженная газо-воздушная смесь вносит дополнительную стрессовую нагрузку на пользователя, находящегося в аварийной ситуации, и может привести к отключению пользователя из аппарата.
Для снижения температуры газо-воздушной смеси, поступающей к органам дыхания, используют тепловлагообменные устройства, которые устанавливают в линии подачи газо-воздушной смеси от регенеративного патрона к органам дыхания человека. Как правило, такие устройства выполнены в виде полого корпуса с патрубками, в котором размещен тепловлагообменный пакет. К патрубкам подключаются лицевая часть органов дыхания и регенеративный патрон дыхательного аппарата. Во время дыхания в тепловлагообменном пакете происходит охлаждение и увлажнение вдыхаемой газо-воздушной смеси.
Примером (аналогом) таких устройств является тепловлагообменное устройство дыхательного аппарата с химически связанным кислородом, известное по авторскому свидетельству СССР № 1342514, МПК А62В 9/00, А62В 7/08, дата подачи заявки 26.11.1984.
Тепловлагообменное устройство дыхательного аппарата на химически связанном кислороде включает цилиндрический корпус, патрубок для подачи влажного выдыхаемого воздуха, патрубок для подачи сухого нагретого регенерированного воздуха и тепловлагообменный пакет, состоящий из гидрофильных и гидрофобных шайб и установленный в корпусе между воздухораспределительными решетками, которые поджимают указанные шайбы.
Гидрофильные шайбы выполнены в виде плетеных сеток из волокнистого материала, импрегнированного гигроскопическим веществом (осушителем), в качестве которого могут быть использованные 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.
Работа тепловлагообменного устройства заключается в следующем.
Выдыхаемая газо-воздушная смесь, проходя при выдохе через пакет, подсушивается за счет сорбции влаги гигроскопическим веществом шайб.
В регенеративном патроне проходят экзотермические реакции. Из патрона в тепловлагообменное устройство воздух поступает сухим и нагретым 70-90°С.
Проходя через пакет в обратном направлении, вдыхаемая газо-воздушная смесь увлажняется и охлаждается за счет расхода части тепла на испарение влаги из шайб. Часть тепла тратится на нагревание пакета и корпуса, который излучает тепло в окружающее пространство.
Общими признаками аналога и заявляемого решения являются: тепловлагообменное устройство изолирующего дыхательного аппарата, включающее полый корпус с патрубками присоединения лицевой части органов дыхания и регенеративного патрона дыхательного аппарата, тепловлагообменный пакет из газопроницаемого материала, размещенный в полости корпуса между указанными патрубками.
Использование в пакете множества шайб, которые изготовлены в виде плетеных сеток из волокнистого материала и из объемного нетканого полотна повышает сопротивления дыханию, что объясняется характеристиками воздухопроницаемости указанных материалов. Кроме того, низкая теплоемкость и теплопроводность шайб пакета снижает эффективность теплообменного процесса в пакете.
Указанных недостатков лишены тепловлагообменные устройства дыхательных аппаратов, в которых тепловлагообменные пакеты выполнены на основе металлических сеток, для которых характерны высокие показатели теплоемкости, теплопроводности и воздухопроницаемости.
В качестве прототипа выбрано тепловлагообменное устройство дыхательного аппарата с химически связанным кислородом, известное по патенту Украины на полезную модель № 16554, МПК А62В 9/00 А62В 7/08, дата подачи заявки 16.02.2006.
Тепловлагообменное устройство включает полый цилиндрический корпус с патрубком для присоединения к регенеративному патрону и патрубком для присоединения к лицевой части органов дыхания (например, загубнику), перегородки, отделяющие указанные патрубки от полости корпуса, а также тампон (пакет), размещенный в корпусе между указанными перегородками. Перегородки выполнены в виде неплоских элементов из проволочных тканых сеток. Тампон может быть выполнен из объемной плетеной проволочной сетки. Тампон, установленный в корпусе, за счет своей упругости плотно прилегает к внутренней поверхности корпуса и к указанным перегородкам.
Тепловлагообменное устройство работает следующим образом.
При выдохе выдыхаемая газо-воздушная смесь проходит через тампон, охлаждая и увлажняя его.
При вдохе нагретая и обезвоженная в регенеративном патроне газо-воздушная смесь проходит через тампон в обратном направлении. При этом газо-воздушная смесь охлаждается и увлажняется, расходуя тепло на нагрев тампона и на испарение влаги.
Общими признаками прототипа и заявляемого решения являются: тепловлагообменное устройство изолирующего дыхательного аппарата, включающее полый корпус с патрубками присоединения лицевой части органов дыхания и регенеративного патрона дыхательного аппарата, пакет из газопроницаемого теплоемкого материала, размещенный в полости корпуса между указанными патрубками.
Выполнение пакета в виде объемной плетеной проволочной сетки, заполняющей всю полость корпуса, и отделенной от патрубков перегородками из металлической сетки имеет следующие недостатки. Газо-воздушная смесь при таком выполнении проходит от одного патрубка к другому в основном через центральную зону объемной плетеной сетки. Следствием такой газодинамики в корпусе является то, что периферийные участки объемной плетеной сетки практически не задействованы в процессе тепловлагообмена (“мертвые” зоны), что снижает эффективность тепловлагообмена. А это, в свою очередь, вызывает необходимость увеличения объема плетеной сетки для обеспечения эксплуатационных характеристик устройства, что увеличивает сопротивление дыханию, ухудшает массогабаритные показатели устройства.
В основу полезной модели поставлена задача улучшения эксплуатационных характеристик тепловлагообменного устройства изолирующего дыхательного аппарата за счет повышения эффективности тепловлагообмена и снижения сопротивления дыханию.
Поставленная задача решается тем, что в тепловлагообменном устройстве изолирующего дыхательного аппарата, включающем полый корпус с патрубками присоединения лицевой части органов дыхания и регенеративного патрона дыхательного аппарата, пакет из газопроницаемого теплоемкого материала, размещенный в полости корпуса между указанными патрубками, в соответствии с полезной моделью, пакет из газопроницаемого теплоемкого материала выполнен из множества металлических сеток, установленных вдоль продольной оси корпуса с возможностью разделения полости корпуса на две камеры, одна из которых соединена с патрубком лицевой части органов дыхания, а другая - с патрубком регенеративного патрона дыхательного аппарата.
Указанные признаки являются существенными признаками полезной модели.
Целесообразно, но не обязательно:
- корпус выполнить в виде цилиндрического стакана, стенки которого выполнить с местными утолщениями в виде двух противоположных сегментов, на которых выполнить продольные относительно оси стакана противоположные пазы, а металлические сетки установить в указанных пазах;
- местные утолщения стенки стакана в виде противоположных сегментов выполнить так, чтобы ось симметрии противоположных сегментов являлась биссектрисой угла между центральными осями патрубков;
- крайние металлические сетки целесообразно выгнуть в сторону соответствующих камер полости корпуса, а средние металлические сетки выполнить плоскими;
- металлические сетки изготовить из меди или сплавов меди с высокой теплопроводностью и теплоемкостью;
- патрубки расположить под углом 115-125° между их центральными осями и выполнить овальными в поперечном пересечении с ориентацией больших осей овалов параллельно продольной оси корпуса.
Существенные признаки полезной модели находятся в причинно-следственной связи с достигаемым результатом.
Так, отличительные признаки полезной модели (пакет из газопроницаемого теплоемкого материала выполнен из множества металлических сеток, установленных 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) в совокупности с существенными признаками, общими с прототипом, обеспечивают повышение эффективности тепловлагообмена и снижение сопротивления дыханию.
Объясняется это следующим.
При выполнении пакета из множества металлических сеток, установленных вдоль продольной оси корпуса с возможностью разделения полости корпуса на две камеры, одна из которых соединена с патрубком лицевой части органов дыхания, а другая - с патрубком регенеративного патрона дыхательного аппарата, газодинамика в корпусе имеет следующие особенности.
Газо-воздушная смесь через один из патрубков поступает в одну из камер корпуса, заполняет камеру, равномерно распределенным потоком проходит через всю поверхность металлических сеток, равномерно поступает во вторую камеру, заполняет ее, и дальше, поступает ко второму патрубку. Наличие в корпусе двух камер, разделенных металлическими сетками и соединенных с соответствующими патрубками, исключает возможность образования “мертвых” зон, не задействованных в процессе тепловлагообмена. Газо-воздушная смесь проходит по всему сечению металлических сеток. Вся поверхность металлических сеток находится в активной зоне, что повышает эффективность тепловлагообмена.
Повышение эффективности тепловлагообмена позволяет обеспечить эксплуатационные характеристики устройства при уменьшенном объеме активной зоны, в которой размещены металлические сетки, и уменьшить количество металлических сеток, что в свою очередь, уменьшает сопротивление дыханию. Кроме того, предлагаемое расположение множества металлических сеток в корпусе характеризуется повышенной газопроницаемостью по сравнению с объемной плетеной сеткой, которая заполняет полость корпуса, что также уменьшает сопротивление дыханию.
Выполнение стенок корпуса с местными утолщениями в виде двух противоположных сегментов с продольными противоположными пазами, в которых установлены металлические сетки, обеспечивает надежную фиксацию металлических сеток в корпусе и повышает технологичность изделия, так как наличие утолщений в виде двух противоположных сегментов позволяет использовать однотипные металлические сетки (с одинаковыми геометрическими размерами).
Расположение противоположных сегментов так, что ось симметрии противоположных сегментов является биссектрисою угла между центральными осями патрубков, обеспечивает образование в полости корпуса двух симметричных камер, соединенных с соответствующими патрубками, что улучшает газодинамику в корпусе и снижает сопротивление дыханию.
Изгиб крайних металлических сеток в сторону соответствующих камер полости корпуса повышает эффективность тепловлагообмена;
Изготовление металлических сеток из меди или сплавов меди с высокой теплопроводностью и теплоемкостью повышает эффективность охлаждения газо-воздушной смеси;
Расположение патрубков под углом 115-125° между их центральными осями и выполнение их овальными в поперечном сечении с ориентацией больших осей овалов параллельно продольной оси корпуса обеспечивает равномерное распределение потоков газо-воздушной смеси при вдохе или выдохе по всему проходному сечению пакета, уменьшение сопротивления дыханию, а также эргономичность устройства в составе дыхательного аппарата.
Ниже приводится подробное описание заявляемой полезной модели со ссылками на чертежи, на которых показано:
Фиг.1 - Тепловлагообменное устройство изолирующего дыхательного аппарата, общий вид.
Фиг.2 - Тепловлагообменное устройство изолирующего дыхательного аппарата, разрез А-А на фиг.1.
Фиг.3 - Тепловлагообменное устройство изолирующего дыхательного аппарата, вид Б на фиг.1, без крышки, без металлических сеток.
Фиг.4 - Тепловлагообменное устройство изолирующего дыхательного аппарата, выносной элемент В на фиг.3, поперечный разрез.
Фиг.5 - Тепловлагообменное устройство изолирующего дыхательного аппарата, вид Б на фиг.1, без крышки, с установленными металлическими сетками.
Фиг.6 - Тепловлагообменное устройство изолирующего дыхательного аппарата, разрез Г-Г на фиг.5.
Тепловлагообменное устройство изолирующего дыхательного аппарата включает полый корпус 1 с крышкой 2, патрубком 3 присоединения лицевой части органов дыхания (не показана), патрубком 4 присоединения регенеративного патрона (не показан) и тепловлагообменный пакет 5 из газопроницаемого теплоемкого материала, размещенный в полости корпуса 1 между указанными патрубками 3, 4.
Тепловлагообменный пакет 5 выполнен из множества металлических сеток 6, которые установлены вдоль продольной оси корпуса 1 с возможностью разделения полости корпуса 1 на две камеры 7, 8. Камера 7 соединена с патрубком 3 присоединения лицевой части органов дыхания, а камера 8 - с патрубком 4 присоединения регенеративного патрона дыхательного аппарата.
Корпус 1 выполнен в виде цилиндрического стакана, стенки которого выполнены с местными утолщениями в виде двух противоположных сегментов 9, 10, в которых выполнены продольные относительно оси стакана противоположные пазы 11, а металлические сетки 6 установлены в указанных пазах 11. Патрубки 3, 4 расположены под углом α=115-125° между их центральными осями и выполнены овальными в поперечном сечении с ориентацией больших осей овалов параллельно продольной оси корпуса 1. Ось симметрии 12 противоположных сегментов 10, 11 является биссектрисой угла α между центральными осями патрубков 3, 4.
Крайние металлические сетки 6 выгнуты в сторону соответствующих камер 7, 8 полости корпуса 1 за счет их распора при установке в обечайку 1. Средние металлические сетки 6 плоские. Металлические сетки 6 выполнены из меди или сплавов меди.
При применении дыхательного аппарата по назначению тепловлагообменное устройство работает следующим образом.
При выдохе газо-воздушная смесь, имеющая относительную влажность до 100% и температуру 37°С, из лицевой части органов дыхания (не показана) через патрубок 3 поступает в камеру 7, далее равномерно распределенным потоком проходит через тепловлагообменный пакет 5, поступает в камеру 8, и дальше через патрубок 4 поступает к регенеративному патрону (не показан). При этом металлические сетки 6 тепловлагообменного пакета 5 охлаждаются и задерживают часть влаги выдыхаемой газо-воздушной смеси.
При вдохе нагретая до 70-90°С и обезвоженная в регенеративном патроне газо-воздушная смесь через патрубок 4 поступает в камеру 8, далее равномерно распределенным потоком проходит через тепловлагообменный пакет 5, поступает в камеру 7, и дальше через патрубок 3 поступает к лицевой части органов дыхания (например, к загубнику). В тепловлагообменном пакете 5 происходит охлаждение и увлажнение вдыхаемой газо-воздушной смеси. При этом металлические сетки 6 нагреваются, отбирая тепло от газо-воздушной смеси, и отдают влагу, которая была ими задержана при выдохе.
Описанный процесс тепловлагообмена постоянно повторяется при пользовании дыхательным аппаратом.