Размещено на http://www.allbest.ru/

Холодилин Николай Юрьевич

Кинетика и аппаратурно-технологическое оформление процесса регенерации воздуха с использованием регенеративного продукта на матрице

05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Тамбов - 2006

Работа выполнена в ОАО «Корпорация «Росхимзащита» и на кафедре «Технологическое оборудование и прогрессивные технологии» Тамбовского государственного технического университета.

Защита состоится «____» декабря 200_ г. в ___ часов ___ минут на заседании диссертационного совета Д 212.260.02 при Тамбовском государственном техническом университете по адресу: г. Тамбов, ул. Ленинградская, д. 1, ауд. 60.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью просим направлять по адресу: 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, ТГТУ, ученому секретарю.

С диссертацией и авторефератом можно ознакомиться в библиотеке Тамбовского государственного технического университета и на официальном сайте ТГТУ www.tstu.ru.

Автореферат разослан «____» ноября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, доцент В.М. Нечаев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. «Основы государственной политики в области обеспечения химической и биологической безопасности Российской Федерации на период до 2010 года и дальнейшую перспективу» однозначно определили политику и стратегические цели Российской Федерации в области защиты жизни и здоровья человека. Однако реализация отдельных положений этого документа может быть осуществлена только при создании современных аппаратурно-технологических комплексов, направленных на системное обеспечение безопасности государства и человека. Изолирующие средства защиты органов дыхания индивидуального типа (самоспасатели) с химически связанным кислородом предназначены для защиты человека от недостатка кислорода в воздухе, вредных веществ и других загрязнений. Индивидуальные дыхательные аппараты (ИДА) применяются в горнорудной, угольной, химической и других отраслях промышленности, а также для организации и проведения мероприятий гражданской обороны.

регенерация воздух надпероксид калий

Введение. Сформулирована цель работы, обоснована ее актуальность, приведена аннотация основных результатов, показана научная новизна и практическая значимость, даны рекомендации по реализации результатов исследований в промышленности и научно-инженерной практике.

1 Современное состояние в области разработки процессов регенерации воздуха и изолирующих дыхательных аппаратов

Основой регенеративного продукта с химически связанным кислородом является надпероксид калия , который реагирует с водяным паром и углекислым газом с выделением кислорода и поглощением эквивалентного количества . Благодаря этому свойству он применяется для регенерации воздуха в замкнутом цикле. Реакция поглощения углекислого газа и влаги надпероксидом калия и выделения им кислорода протекает неоднозначно и зависит от условий, в которых находится поглотитель: его температуры, соотношения объемов углекислого газа и влаги в регенерируемом воздухе, от скорости воздушного потока и других факторов. Этот процесс описывается следующими основными химическими реакциями:

кДж/моль;

кДж/моль;

В настоящее время надпероксидные регенеративные продукты для ИДА производятся в форме гранул, блоков, таблеток и т.п. и имеют высокую реакционную способность к СО₂ и парам воды выдыхаемого воздуха. Однако их использование для регенерации воздуха в системах жизнеобеспечения связано с решением ряда проблем:

- при реакции с парами воды и СО₂ надпероксиды щелочных металлов имеют тенденцию к образованию расплава на поверхности гранул, что затрудняет диффузию газа к поверхности непрореагировавшего вещества, приводит к снижению эффективности использования регенеративных продуктов и увеличению массогабаритных характеристик ИДА;

- плавление гранул регенеративного продукта способствует спеканию шихты и росту сопротивления дыханию в ИДА;

- в слое гранулированного регенеративного продукта при работе ИДА развивается высокая температура, при которой неметаллические материалы, традиционно применяемые для изготовления деталей и узлов самоспасателей, при контакте с горячим корпусом регенеративного патрона и газовоздушной смесью (ГВС) выделяют вредные для здоровья пользователя вещества, что ухудшает эксплуатационные характеристики ИДА.

В настоящее время разработка новых составов или технологии изготовления регенеративных патронов, обеспечивающих повышение эффективности работы продукта, и конструкций аппаратов в целом, в мире практически не осуществляется, а в большинстве случаев предусматривает использование в нем освоенного промышленностью таблетированного регенеративного продукта на основе надпероксида калия.

Разработка регенеративного продукта на матрице является перспективным направлением в совершенствовании регенеративных продуктов, упрощении технологии их получения и улучшении их сорбционных характеристик. Повышение эффективности работы ИДА может быть достигнуто за счет усовершенствования конструкций тепловлагообменного устройства и регенеративного патрона, путем оснащения регенеративного патрона элементами для извлечения максимального количества кислорода и элементами для герметизации пускового устройства. При этом достигается увеличение времени защитного действия ИДА, уменьшение сопротивление дыханию и габаритных характеристик дыхательных аппаратов.

Определены задачи настоящей работы. Основными из них являются: анализ современного состояния в области разработки перспективных регенеративных продуктов, процессов регенерации воздуха и ИДА; определение конфигурации регенеративного продукта на матрице, обеспечивающей максимальную степень его отработки; экспериментальное исследование кинетики поглощения влажного диоксида углерода в самоспасателе при различных нагрузках с использованием регенеративного продукта на матрице определенной конфигурации; математическое описание процесса регенерации воздуха в самоспасателях с регенеративным продуктом на матрице, осуществляемого на испытательном стенде ИЛ; обоснование выбора полимерных материалов для изготовления традиционно металлических деталей и узлов самоспасателя; разработка новой конструкции самоспасателя с улучшенными по сравнению с серийно выпускаемыми аппаратами эксплуатационными характеристиками; разработка принципов и методики проектирования ИДА с повышенным ресурсом действия; практические рекомендации по совершенствованию самоспасателей с использованием регенеративного продукта на матрице.

2 Кинетика поглощения влажного диоксида углерода регенеративным продуктом на основе надпероксида калия на матрице в условиях проведения исследований на испытательном стенде «Искусственные легкие»

2.1 Техника и методика проведения экспериментов

Динамические испытания изолирующих средств защиты органов дыхания проводились на испытательном стенде, имитирующем выделение человеком углекислого газа и потребление им кислорода «Искусственные легкие».

Схема экспериментального стенда приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема испытательного стенда ИЛ: 1 - имитатор легких человека; 2 - вспомогательный имитатор; 3 - клапан линии выдоха; 4 - клапан линии вдоха; 5 - клапан отсоса CO₂; 6 - обратный клапан; 7 - регулятор подачи диоксида углерода; 8 - увлажнитель дыхательного газа; 9 - охлаждающее устройство; 10 - газоанализатор вдыхаемого газа (СО₂, О₂); 11 - газоанализатор выдыхаемого газа (СО₂); 12 - присоединительный элемент исследуемого аппарата; 13 - термопара

Стенд имитирует выделение потребителем диоксида углерода и потребление им кислорода. Он включает имитатор легких 1 с регулируемой частотой и амплитудой и узел соединения с испытываемым ИДА, размещенный в климатической камере (на рисунке не показана). Потребление кислорода имитируется с помощью вспомогательного имитатора легких 2, регулятора массового потока для диоксида углерода 7 и клапанов 5 и 6. Во время вдоха вспомогательный имитатор 2 отбирает из дыхательного контура объем дыхательной смеси, соответствующий объему потребляемого кислорода через клапан 5. При выдохе поглощенный объем кислорода замещается диоксидом углерода с помощью регулятора массового расхода 7. Перед поступлением в дыхательный аппарат воздух увлажняется в увлажнителе 8 до 95 - 100 %. Отбираемый из дыхательного аппарата воздух перед поступлением в имитатор 1 охлаждается посредством охладителя 9 до температуры 36-37 С. Линии вдоха и выдоха снабжены обратными клапанами 3 и 4 во избежание смешения вдыхаемой и выдыхаемой ГВС. Газоанализаторы 10 и 11 предназначены для замера концентраций диоксида углерода и кислорода в ГВС на входе и выходе из установки «искусственные легкие». К присоединительному элементу 12 экспериментальной установки подключался исследуемый аппарат.

Исследования макетов ИДА (самоспасателей) на установке ИЛ проводили при пяти режимах, соответствующих различным уровням физической нагрузки на пользователя: режим 1 - относительный покой, режимы 2 и 3 - нагрузка средней тяжести, и режимы 4 и 5 - тяжелая нагрузка. Температура в климатической камере в зависимости от режима исследования устанавливалась равной 0С, плюс 23С, плюс 40С и плюс 60С. Показания с газоанализаторов 10, 11 и датчика температуры 13 снимались с интервалом в 1 минуту. Эксперимент продолжался до тех пор, пока любая из контролируемых величин не выходила за рамки допустимых пределов. В процессе исследования контролировались следующие параметры, характеризующие защитные свойства дыхательного аппарата: содержание диоксида углерода во вдыхаемой и выдыхаемой ГВС; концентрация кислорода во вдыхаемой ГВС; сопротивление дыханию; температура вдыхаемой ГВС.

На установке ИЛ исследовались ИДА с различными схемами дыхания: маятниковой и круговой. В аппаратах с круговой схемой дыхания выдыхаемый воздух проходит через слой регенеративного продукта в дыхательный мешок, а на вдохе из дыхательного мешка поступает в маску, снабженную клапанной коробкой. Основным преимуществом таких аппаратов по сравнению с аппаратами с маятниковой схемой является более низкая температура вдыхаемого воздуха и меньшее среднее сопротивление дыханию, что улучшает их эргономические характеристики. В аппаратах с маятниковой схемой движения воздуха, конструктивно более простых, за счет двукратного прохождения воздуха через слой регенеративного вещества за цикл вдоха-выдоха интенсифицируется процесс регенерации. Поэтому маятниковая схема получила большее распространение. Однако это преимущество имеет место только в аппаратах относительно небольшого размера, имеющих время защитного действия до 30 минут.

2.2 Экспериментальные исследования кинетики процесса регенерации воздуха в ИДА с использованием надпероксида калия на матрице

Графически накопление диоксида углерода в регенеративном продукте в течение эксперимента показано на рис. 2. Из рисунка видно, что поглощение диоксида углерода регенеративным продуктом происходит равномерно в течение всего эксперимента.

Рис. 2. Накопление диоксида углерода в регенеративном патроне в течение эксперимента при режиме 3

Рис. 3. Неполностью отработавшая пластина регенеративного продукта

На рис. 3 приведен снимок пластины регенеративного продукта, отработавшей не полный ресурс. Стрелками показано направление вдоха и выдоха. Выделен фронт сорбции. По виду линии раздела отработавшего и не отработавшего продукта, можно сделать предположение, что при маятниковой схеме дыхания отработка продукта по диоксиду углерода идет обрывным фронтом.

Рис. 4. Нарастание вредного объема в процессе работы аппарата при различных нагрузках: 1 - 10 дм³/мин (относительный покой); 2 - 30 дм³/мин (средняя нагрузка); 3 - 35 дм³/мин (средняя нагрузка); 4 - 60 дм³/мин (высокая нагрузка); 4 - 70 дм³/мин (высокая нагрузка)

При выдохе лобовой слой продукта полностью поглощает диоксид углерода и выделяет кислород, а далее увлажненный поток ГВС, не содержащий диоксид углерода, реагирует с последующими слоями регенеративного продукта и насыщается кислородом. Таким образом, после каждого цикла «вдох-выдох» в аппарате увеличивается объем отработавшего продукта, который не участвует в дальнейшем процессе регенерации ГВС. Этот объем принято называть «мертвым» или «вредным». Нами рассчитана зависимость величины вредного объема от времени работы самоспасателя для различных режимов испытаний аппаратов: относительного покоя, среднего и высокого уровня нагрузки. По виду кривых на рис. 4 можно предположить, что существует некоторый «начальный вредный объем», не зависящий от режима проведения испытаний.

Полученное значение «начального вредного объема», равное 0,28±0,04 дм³, соответствует непосредственно измеренному начальному вредному объему аппарата, равному 0,30±0,02 дм³. Соответствие измеренного начального вредного объема и рассчитанного для всех режимов дыхания свидетельствует о справедливости сделанного предположения о послойной отработке регенеративного продукта на матрице и об увеличении концентрации диоксида углерода во вдыхаемой ГВС пропорционально возрастанию вредного объема.

Учитывая принятое допущение об обрывном фронте сорбции в аппарате, из закона Вильсона можно выразить равновесную величину адсорбции , или практическую емкость регенеративного продукта по диоксиду углерода для реальных условий работы в патроне:

, (1)

где , - скорости движения ГВС в аппарате и фронта сорбции по слою регенеративного продукта, м/с, - концентрация диоксида углерода в аппарате, моль/см³.

Рис. 5. Высота отработавшего слоя продукта в аппарате при средней нагрузке

с достаточной степенью точности можно принять за постоянную для каждого режима и определить ее как наклон линейного уравнения зависимости высоты отработавшего слоя продукта от времени (рис. 5).

Равновесная величина адсорбции для среднего уровня нагрузки равна моль/см³. Погрешность рассогласования рассчитанной величины поглощенного продуктом диоксида углерода и экспериментально определенной составляет 4 %. Далее по закону Вильсона рассчитывается скорость движения фронта сорбции аналогично для всех режимов испытаний аппаратов. Рассогласование полученных в результате расчета величин поглощения диоксида углерода регенеративным продуктом и экспериментально определенных составляет не более 10 %, что свидетельствует о правомерности допущений об обрывном фронте сорбции при маятниковой схеме дыхания и о возможности применения данного подхода для исследования кинетики работы регенеративного продукта на матрице при работе в аппарате с маятниковой схемой дыхания.

На рис. 6 приведены зависимости расчетной высоты отработавшего слоя продукта от времени при различных режимах испытаний. По результатам видно, что на установке ИЛ на всех режимах высота отработавшего слоя не выходит за отметку 11 см в течение требуемого времени защитного действия аппарата. Для описания процесса сорбции диоксида углерода в регенеративном патроне аппарата с маятниковой схемой дыхания можно применить уравнение «сжимающейся сферы»:

, (2)

где - степень отработки регенеративного продукта, доли ед., см^-1 - расчетное значение константы скорости реакции поглощения диоксида углерода регенеративным продуктом на матрице при постоянном потоке ГВС, - экспериментально определенный показатель степени

На рис. 7 представлена зависимость степени отработки регенеративного продукта по времени по уравнению для аппарата с круговой схемой дыхания.

Рис. 6. Зависимость расчетной высоты отработавшего слоя продукта от времени при различных режимах испытаний: 1 - легкая нагрузка (10 дм³/мин); 2 - средняя нагрузка (30 дм³/мин); 3 - средняя нагрузка (35 дм³/мин); 4 - тяжелая нагрузка (60 дм³/мин); 5 - тяжелая нагрузка (70 дм³/мин)

Рис. 7. Степень отработки регенеративного продукта в аппарате с круговой схемой дыхания: 1 - расчет; 2 - экспериментальные данные

Как видно из рис. 7, степень отработки регенеративного продукта, рассчитанная по уравнению сжимающейся сферы, достаточно хорошо соотносится с экспериментально определенной.

На рис. 8 приведены зависимости концентраций диоксида углерода на вдохе и выдохе ИДА с маятниковой и круговой схемами дыхания при испытании аппаратов на ИЛ при средней нагрузке. Из рис. 8 видно, что при одинаковой нагрузке при круговой схеме дыхания поглощение диоксида углерода регенеративным продуктом эффективнее, чем при маятниковой.

Рис. 8. Зависимости концентраций диоксида углерода ИДА с различными схемами дыхания при средней нагрузке: 1, 2 - концентрации СО2 на вдохе и выдохе при маятниковой схеме дыхания; 3, 4 - концентрации СО2 на вдохе и выдохе при круговой схеме дыхания

3 Аппаратурно-технологическое оформление процесса регенерации воздуха с использованием регенеративного продукта на матрице

3.1 Разработка конфигурации регенеративного продукта

Первоначально на матрице получали в виде гладких пластин размером 110Ч180 мм и толщиной 3-5 мм. Для исследования кинетики работы нового регенеративного продукта была проведена серия экспериментов с различной конфигурацией пластин: пластины, нарезанные на квадратики размером 5Ч5 мм; гладкие пластины, вырезанные по форме корпуса; гладкие пластины, вырезанные по форме корпуса, проложенные дистанционирующими элементами из этих же пластин.

Во всех экспериментах регенеративным продуктом на матрице исследуемой формы снаряжали корпус серийно выпускаемого изолирующего самоспасателя СПИ-20, а затем испытывали на установке ИЛ. В результате проведенной серии испытаний регенеративного продукта с различной конфигурацией пластин, выявлены следующие отрицательные моменты: неполная отработка продукта; высокое гидравлическое сопротивление слоя продукта; спекание пластин между собой.

Неполная отработка регенеративного продукта является следствием чрезмерно плотного прилегания плоских пластин в пакете друг к другу, и, как следствие этого, затрудненным доступом регенерируемой газовой дыхательной смеси к поверхности регенеративного продукта. Кроме того, малое живое сечение патрона образованное зазорами между плоскими пластинами, дает повышенное гидравлическое сопротивление аппарата. Спекание пластин между собой обусловлено развивающимися в продукте высокими температурами (300-400 С) и недостаточно интенсивным теплообменом между регенеративным продуктом и регенерируемой средой.

Эти недостатки были устранены после изготовления пластин с массой 10-13 г и размерами 110Ч140 мм. Конструкция пластин и схема их расположения в патроне приведены на рис. 9. Последующие испытания показали наиболее полную степень отработки данных регенеративных пластин. Пластины складывались в регенеративный пакет таким образом, чтобы рифли на смежных пластинах имели различную ориентацию. Регенерируемый воздух, проходя между пластинами, турбулизировался в разветвленных каналах, что обеспечивало большую степень отработки регенеративного продукта по сравнению с плоскими пластинами.

Рис. 9. Конфигурация регенеративных пластин и схема их расположения в пакете

В зависимости от плотности упаковки пакета обеспечивалось гидравлическое сопротивление, не превышающее 250 Па вод.ст. при вдохе и 400 Па при выдохе при нагрузке средней тяжести; степень отработки продукта достигала 80-90 %; температура вдыхаемого воздуха не превышала 55 С, а при использовании встроенного холодильного устройства - 48 С. Масса собранного патрона составила менее 500 г.

3.2 Выбор конструкционных материалов для деталей самоспасателя

Синтез надпероксида калия на стекловолокнистой матрице позволил получить регенеративный продукт с высокоразвитой поверхностью. Такой продукт поглощает диоксид углерода не послойно, как гранулированный, а всей поверхностью. Как следствие, регенерация воздуха осуществляется при более низких температурах. Это позволило использовать для изготовления самоспасателя органические полимерные материалы вместо традиционно применяемого металла.

В качестве конструкционных материалов для изготовления самоспасателя использовались: полиимидные, полипропиленовые, полиэтиленовые, фторопластовые пленки (Ф-4 МБ, Ф-4 МБ-ХА); листовые полимерные материалы (АБС-пластик, полипропилен, фторопласт-4); другие органические и неорганические материалы: вспененный полиэтилен, вспененный полипропилен, вспененный никель, стекловолокнистые материалы (стеклобумага БМДф и БМДк, иглопробивная ткань).

Материалы, входящие в состав самоспасателя, не должны выделять в дыхательный объем вредные примеси выше допустимых пределов. Поэтому были проведены эксперименты по оценке выделения материалами органических примесей при нагревании.

Наиболее устойчивыми к нагреванию оказались стекломатериалы (иглопробивная ткань и стеклобумага БМД-Ф), а также материалы из фторопласта (Ф-4МБ и Ф-4МБ-ХА). Наименее устойчивыми из списка исследованных материалов оказались полиимидная пленка и АБС-пластик. Для полиэтилена и полипропилена продуктами термической деструкции являются в основном углеводороды, для которых ПДК во вдыхаемом воздухе гораздо выше полученных величин. То же самое характерно для фторопластов до температуры 200 С.

3.3 Разработка конструкции ИДА с регенеративным продуктом на матрице

Существенным недостатком экспериментальной установки ИЛ, является то, что имитация потребления кислорода человеком организована посредством отбора из дыхательного объема всей дыхательной смеси в объеме, равном объему потребляемого кислорода. То есть фактически имитационная установка «занижает» реальное потребление кислорода, завышая тем самым концентрацию кислорода в дыхательной системе.

Рис. 10. Концентрация кислорода на вдохе в самоспасателе: 1 - на установке, имитирующей дыхание человека; 2 - расчет по формуле (3)

На рис. 10 представлены кривые изменения концентрации кислорода в системе аппарат - ИЛ при эксперименте и полученные в результате пересчета концентрации кислорода по уравнению:

, (3)

где - скорость выделения кислорода в ИДА, м³/ч, - объем системы самоспасатель - органы дыхания человека, м³, потребляется - потребление кислорода организмом человека, м³/ч.

В заштрихованной на рис. 10 области расчетная концентрация кислорода опускается ниже допустимых пределов, представляя собой дефицит кислорода, равный 2,5 дм³. Для его устранения необходимо в начальный период времени обеспечить в системе дополнительно некоторое количество кислорода для дыхания пользователя.

Рис. 11. Конструкция регенеративного патрона: 1 - оболочка из вспененного полипропилена; 2 - угловой сварной швов; 3 - крышка; 4 - патрубок; 5 - опорная решетка; 6 - фильтр-теплообменник; 7 - пластина регенеративного продукта; 8 - рифли; 9 - фильтрующая оболочка; 10 - фиксирующая решетка; 11 - лента

Для решения проблемы дефицита кислорода в начальный период работы аппарата было разработано устройство дополнительной подачи. Оно представляет собой открытую емкость с регенеративным продуктом, установленную под регенеративным патроном. Над регенеративным продуктом расположена эластичная ампула с пусковым раствором. При запуске аппарата пользователь естественным движением расправляет мешок, потянув за ручку, леска разрезает ампулу, раствор из ампулы запускает пусковой брикет, выделяющий начальный кислород.

В настоящей работе была впервые предпринята попытка изготовления корпуса патрона из полимерного материала, конструкция которого представлена на рис. 11. В аппарате использована маятниковая схема дыхания. Заряд продукта в патроне составил 0,27-0,275 кг.

Применение этого патрона в ИДА обеспечило снижение температуры вдыхаемой ГВС с 50 до 40 С и уменьшение гидравлического сопротивления на вдохе и выдохе с 800 до 350 Па. По массогабаритным характеристикам разработанный ИДА сравним с фильтрующими самоспасателями.

4 Практические рекомендации по проектированию ИДА нового поколения

4.1 Методика проектирования ИДА с использованием регенеративного продукта на матрице

Процесс проектирования ИДА осуществляется преимущественно «сверху вниз», то есть имеет нисходящий характер. При этом по мере «проработки» проекта «сверху вниз» увеличиваются подробности описания (детализации) проектируемого ИДА. Цель выполняемых на различных этапах проектирования расчетных и экспериментальных исследований - уточнение параметра и характеристики проектируемого ИДА, принятие наиболее рационального проектно-конструкторского решения. Отсюда следует итерационно-циклический характер процесса проектирования, выражающийся в чередовании процедур синтеза и анализа решений.

Управление разработкой проекта ИДА нового поколения осуществлялось выбором альтернатив, подлежащих проработке, определением «глубины проработки» выбранной альтернативы, структуры и объема проводимых при этом экспертиз, расчетов и экспериментальных исследований.

Структурно-параметрическое описание ИДА включает в себя различные виды конфигурации регенеративного продукта (патрона), характеризуется множеством схем функционирования патрона и режимных переменных, может иметь альтернативные варианты аппаратурного оформления процесса регенерации воздуха (регенеративный патрон, лицевая часть, дыхательный мешок и др.).

Важнейшим показателем эффективности ИДА является время защитного действия . В ходе анализа экспериментальных данных, полученных на испытательной установке ИЛ, была построена матрица коэффициентов причинного влияния технологических параметров на и выявлены наиболее значимые переменные процесса регенерации воздуха в ИДА с использованием регенеративного продукта на матрице: масса регенеративного продукта , г, в патроне; расход ГВС (легочная вентиляция) , дм³/мин; подача диоксида углерода , дм³/мин; отбор ГВС из дыхательного объема , дм³/мин, начальная концентрация диоксида углерода , % масс., в окружающей среде и температура в камере , С.

Для построения регрессионной модели, описывающей зависимость среднего значения времени защитного действия от выходных переменных процесса регенерации воздуха в ИДА, использовался аппарат искусственных нейронных сетей (ИНС). По результатам проверки адекватности ИНС, обученной на опытных данных, погрешность полученных при исследовании процесса регенерации воздуха в ИДА на экспериментальной установке ИЛ, было установлено: в режиме «относительный покой» (10 дм³/мин) относительная погрешность составляет 6 %, в режиме средней нагрузки (35 дм³/мин) - 4 %, в режиме высокой нагрузки(70 дм³/мин) - 8 %. Полученные результаты свидетельствуют о том, что погрешности моделирования процесса регенерации воздуха в ИДА с использованием регенеративного продукта на матрице вполне согласуются с погрешностью измерения опытных данных. В связи с этим построенная регрессионная модель в виде обученной ИНС используется в методике проектирования ИДА с повышенным ресурсом действия.

4.2 Практические рекомендации по совершенствованию ИДА

С использованием разработанной выше методики была спроектирована и изготовлена опытная партия самоспасателей с повышенным ресурсом действия. Проведенные испытания опытной партии по нормам Европейского стандарта EN 13794-2002 подтвердили их преимущество по физиолого-гигиеническим характеристикам по сравнению с серийно выпускаемыми аппаратами того же класса.

В ходе динамических испытаний самоспасателя лучшие результаты были получены с патроном, оболочка которого была изготовлена из вспененного полипропилена.

Дальнейшее совершенствование конструкции ИДА предполагает изготовление корпуса регенеративного патрона в виде гибкого пакета, складывающегося по линиям раздела соединенных между собой камер с регенеративным продуктом. При этом увеличивается продолжительность контакта очищаемого воздуха с поверхностью регенеративного продукта (в среднем в 5-10 раз) и достигается повышение степени отработки регенеративного продукта. За счет увеличения площади открытой поверхности регенеративного продукта обеспечивается более эффективная теплоотдача от регенеративного продукта и достигается большая комфортность дыхания. При этом обеспечивается повышение плотности упаковки ИДА в сложенном состоянии, что обеспечивает удобство его хранения и переноски.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ и результаты РАБОТы

Разработка регенеративного продукта на матрице является принципиально новым направлением в области создания средств защиты органов дыхания с повышенным ресурсом действия.

Разработана конфигурация регенеративного продукта, в виде пластины с рифлями, обеспечивающая степень его отработки ~90-93 %, что на 30 % выше, чем у традиционных регенеративных продуктов.

Определен оптимальный режим функционирования ИДА (температура + 23 С, расход газовоздушной смеси - 35 дм³/мин), при котором достигаются наилучшие физиолого-гигиенические показатели: сопротивление дыханию 350 Па, максимальная температура вдыхаемого из аппарата воздуха- + 45 С, степень отработки регенеративного продукта %, время защитного действия - 17 минут.

Подобрано расчетное уравнение динамики процесса сорбции диоксида углерода в регенеративном патроне ИДА, позволяющее определять степень отработки регенеративного продукта и время защитного действия ИДА в зависимости от нагрузки на аппарат.

Впервые для изготовления традиционно металлических деталей и узлов самоспасателя применены полимерные материалы: полипропилен и фторопласт.

Разработана конструкция патрона самоспасателя, использующего регенеративный продукт на матрице, обеспечивающего снижение температуры вдыхаемой газовоздушной смеси с 50 до 40 С и уменьшение гидравлического сопротивления на вдохе и выдохе с 800 до 350 Па, и удовлетворяющего нормам европейского и российского стандартов. Новизна технических решений подтверждена патентом РФ № 2244577 «Патрон изолирующего дыхательного аппарата», 2005 г.

Разработана новая конструкция ИДА с номинальным временем защитного действия 15 минут, обладающего наилучшими эксплуатационными характеристиками: размеры 115Ч190Ч210 мм, масса 0,9 кг, комфортные условия дыхания в аппарате.

Разработана методика проектирования ИДА с повышенным ресурсом действия.

Даны практические рекомендации по дальнейшему развитию изолирующего дыхательного аппарата, использующего регенеративный продукт на матрице.

По результатам работы выпущена опытная партия самоспасателей КС-15 и проведены ее государственные испытания, которые показали, что разработанный аппарат соответствует по эксплуатационным характеристикам нормам европейского и российского стандартов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Гладышев, Н.Ф. К вопросу о выборе стабилизатора щелочного раствора пероксида водорода / Н.Ф. Гладышев, С.И. Дворецкий, Д.В. Жданов, Н.Ю. Холодилин и др. // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2003. - Т. 9, № 2. - С. 261-265.

2. Гладышев, Н.Ф. Регенеративный продукт на матрице. Влияние профиля продукта на эксплуатационные характеристики изолирующего дыхательного аппарата / Н.Ф. Гладышев, Т.В. Гладышева, Э.И. Симаненков, Н.Ю. Холодилин // Современные проблемы организации пористых структур и адсорбционного разделения веществ : матер. IX Всероссийского симпозиума с участием иностранных ученых. - Москва-Клязьма. - 2004. -С. 105.

3. Гладышев, Н.Ф. Регенеративный продукт на матрице. Оценка влияния фактуры стекловолокнистой матрицы на состав регенеративного продукта / Н.Ф. Гладышев, Э.И. Симаненков, Т.В. Гладышева, Н.Ю. Холодилин // Современные проблемы организации пористых структур и адсорбционного разделения веществ : матер. IX Всероссийского симпозиума с участием иностранных ученых. - Москва-Клязьма. - 2004. -С. 106.

4. Гладышев, Н.Ф. Регенеративный продукт на матрице. Способ получения. Свойства / Н.Ф. Гладышев, Б.В. Путин, Т.В. Гладышева, Э.И. Симаненков, Н.Ю. Холодилин // Современные проблемы организации пористых структур и адсорбционного разделения веществ : матер. IX Всероссийского симпозиума с участием иностранных ученых. - Москва-Клязьма. - 2004. -С. 107.

5. Пат. 2244577, Российская Федерация, МПК⁷ A 62 B 19/02. Регенеративный патрон изолирующего дыхательного аппарата / Путин Б.В., Гладышев Н.Ф., Гладышева Т.В., Симаненков Э.И., Холодилин Н.Ю. ; заявитель и патентообладатель ОАО «Корпорация «Росхимзащита». - № 2004101701/12; заявл. 20.01.2004 ; опубл. 20.01.2005, Бюл. № 2. - 32 с. : ил.

6. Пат. 2259231 Российская Федерация, МПК⁷ B 01 J 20/04. Способ получения регенеративного продукта и поглотителей кислых газов и устройство для его осуществления / Путин Б.В., Гладышев Н.Ф., Гладышева Т.В., Симаненков Э.И., Холодилин Н.Ю. ; заявитель и патентообладатель ОАО «Корпорация «Росхимзащита». - № 2003120415/15 ; заявл. 03.07.2003 ; опубл. 27.08.2005, Бюл. № 24. - 10 с. : ил.

7. Гладышев, Н.Ф. Новый подход к конструированию средств индивидуальной защиты органов дыхания / Н.Ф. Гладышев, Т.В. Гладышева, Р.В. Дорохов, С.Б. Путин, Н.Ю. Холодилин // Новейшие тенденции в области конструирования и применения баллистических материалов и средств защиты : матер. VIII междунар. конф. - Хотьково. - 2005. -С. 86-87.

8. Гладышев, Н.Ф. Совершенствование процессов тепло- и массообмена в дыхательных аппаратах с химически связанным кислородом / С.И. Дворецкий, Н.Ф. Гладышев, Т.В. Гладышева, Н.Ю. Холодилин // Современные энергосберегающие тепловые технологии: труды III Международной научно-практической конференции. - Москва. - 2005. - Т. 2. -С. 253-254.

9. Гладышев, Н.Ф. Конструктивная разработка устройства дополнительной подачи кислорода в самоспасатель / Н.Ф. Гладышев, Т.В. Гладышева, С.И. Дворецкий, Н.Ю. Холодилин // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2006. - Т. 12, № 3а. - С. 727-730.

Размещено на Allbest.ru