Підвищення ресурсу дихальних апаратів на хімічно пов'язаному кисні

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Підвищення ресурсу дихальних апаратів на хімічно пов'язаному кисні

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність проблеми. Підземна розробка родовищ корисних копалин здійснюється в умовах підвищеної небезпеки. У аварійній ситуації органи подиху варто захистити від пилу, диму, чадного газу, метану, нестачі кисню, високої температури і т. п.

Для евакуації працюючих і ведення гірничорятувальних робіт використовуються шахтні саморятувальники (що фільтрують і ізолюють) і регенеративні респіратори. Саморятувальники використовуються гірниками, при виході з аварійної дільниці на свіжий струмінь. Саморятувальники, що фільтрують, конструктивно простіші і дешевші, проте вони не забезпечують захист від багатьох шкідливих речовин і марні у випадках низького вмісту кисню в шахтній атмосфері.

У ізолюючих апаратах необхідний для дихання кисень знаходиться в балоні або зв'язаний хімічно. При кімнатній температурі густина хімічно зв'язаного кисню (і потенційний захисний ресурс) у декілька разів більше, чим стиснутого. У апаратах на скрапленому кисні цей показник ще вищий. Проте останні не знайшли широкого застосування у ВГРЧ, тому що не зберігаються в спорядженому стані і не можуть із цієї причини використовуватися оперативно.

Разом із високою густиною резервування кисню важливо забезпечити комфортний мікроклімат у дихальному апараті, що в ідеалі повинний сприяти відводові тепла з організму. І в цьому плані апарати на хімічно зв'язаному кисні також виявляються дуже перспективними. Крім того, вони простіші і легші від балонних, не потребують компресорного господарства, забезпечують ретельно дозоване (у міру потреби) витрачання кисню. Саме з ними, у першу чергу, пов'язане вдосконалювання індивідуальних засобів захисту подиху.

Для цього необхідно підвищити ефективність використання ресурсу респіратора (в існуючих апаратах цей показник знаходиться на рівні 33%). Це дозволить збільшити термін захисної дії, зменшити масу і габарити апарата. Потрібна також надійна індикація захисного ресурсу, що залишився. Без такої інформації гірничорятувальник здійснює передчасний вихід із зони аварії, не виконавши потрібних робіт і не надавши допомоги потерпілим. У противному випадку, переоцінивши можливості дихального апарату, він може загинути сам.

Сучасний дихальний апарат на хімічно зв'язаному кисні - результат синтезу інженерних рішень, знань в галузі фізики, фізичної хімії, фізіології і медицини. Його радикальне вдосконалювання неможливо без комплексного розгляду процесів, що протікають у працюючому апараті. Воно потребує побудови адекватних математичних моделей і масштабних експериментальних досліджень як натурних, так і чисельних. Роль останніх особливо зростає в умовах економічної кризи і пов'язаними з цим труднощами у фінансуванні та матеріально-технічному забезпеченні галузевої і вузівської науки. Принципово також, що чисельні експерименти дозволяють уникнути перекручувань досліджуваних процесів при впровадженні в кисневовмісний продукт усіляких датчиків і зондів для взяття проб регенерованого повітря і виміру температури.

Істотне спрощення згаданих моделей досягається в наближенні постійної температури працюючого прошарку продукту, що містить кисень. Коректність такого підходу є тим більш обґрунтованою, чим вужчий температурний інтервал, у якому зв'язується основна частина СО₂, що виділяється при диханні. Використання такого наближення припускає автономний розгляд робочого і теплового процесів у регенеративному патроні дихального апарата. Перший забезпечує захисну функцію, другий пов'язаний із виділенням і поширенням екзотермічного тепла при поглинанні СО₂ кисневовмісним продуктом.

Одержувані на цьому шляху результати носять універсальний характер і можуть бути використані для розрахунку усіляких фільтрів (зокрема вапняних сорбентів СО₂ у балонних респіраторах), створення систем життєзабезпечення, будівництва очисних споруджень і т. п.

Викладене визначає актуальність і важливість наукової проблеми розробки наукових основ підвищення ресурсу дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні.

Зв'язок теми дисертації з планом роботи університету.

Дисертаційна робота містить результати досліджень, виконаних автором за тематичними планами науково-дослідних робіт ДонНТУ (кафедральна тема Н-24-29) і НДІГС (№ДР 0196U002686, №ДР 0199U002367). У виконанні зазначених тем автор брав участь як керівник і відповідальний виконавець.

Об'єкт дослідження. Локальна регенерація атмосфери в дихальному апараті на хімічно зв'язаному кисні.

Предмет дослідження. Особливості тепломасообміну при фільтрації видихуваного повітря через прошарок кисневовмісного продукту, які призводять до низької ефективності використання ресурсу регенеративного патрона, резерви і шляхи істотного поліпшення цього показника.

Ціль роботи. Розробка наукових основ підвищення ресурсу дихальних апаратів на хімічно пов'язаному кисні. Її реалізація потребує рішення ряду наукових і технічних задач:

1. Побудувати універсальні математичні моделі робочого і теплофізичного процесів у регенеративних патронах шахтних дихальних апаратів.

2. Обґрунтувати експериментальну методику ув'язування запропонованих моделей із процесом регенерації в існуючих дихальних апаратах і визначити числові значення феноменологічних параметрів теорії.

3. Встановити причини неефективного використання захисного ресурсу в наявних дихальних апаратах, визначити резерви і шляхи підвищення цього показника.

4. Виробити практичні рекомендації, спрямовані на вдосконалювання наявних і знову розроблюваних дихальних апаратів.

5. Створити новий наближений метод, нескладний математично, прозорий ідейно і такий, що дозволяє кількісно описати нестаціонарну динаміку сорбції з точністю, достатньої для оптимізації робочого процесу респіратора.

6. Апробувати розроблені наукові основи збільшення терміну захисної дії дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні і перевірити чинність практичних рекомендацій.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої цілі використана методологія, що являє собою синтез теоретичних і експериментальних досліджень, що доцільно чергуються, інженерних рішень, чисельних експериментів і натурних випробувань. Адекватність матмоделей робочого і теплофізичного процесів встановлена в лабораторіях НДІГС на стенді-імітаторі подиху. Відповідно до оригінальної методики визначені числові значення феноменологічних констант теорії, після чого виявлені значні резерви і шляхи вдосконалювання дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні. З метою їхньої реалізації запропонований ряд інженерних рішень, що передбачають зміни в конструкції регенеративного патрона і схемі частини, що проводить повітря. Ефективність запропонованих рішень установлена чисельними експериментами, що зажадало істотного розвитку теорії, у процесі якого були отримані оригінальні (синтетичні) результати (наприклад, метод рішення нестаціонарних задач динаміки сорбції і ентропійні аспекти асимптотики цього явища). Теоретичні дослідження дозволили істотно спростити розрахунки і обійтися без спеціалізованого програмного забезпечення. Всі результати отримані на найпростішій ЕОМ у середовищі пакета MathCAD.

Ідея роботи полягає у спільній оптимізації робочого (що забезпечує поглинання вуглекислого газу і виділення кисню) і теплофізичного (пов'язаного з виділенням і поширенням екзотермічного тепла) процесів у дихальних апаратах на хімічно зв'язаному кисні за критерієм максимального терміну захисної дії методами математичного моделювання і наближеного рішення нестаціонарних і неоднорідних задач динаміки сорбції з урахуванням конструктивних змін регенеративного патрона і повітря провідної частини дихального апарату, що забезпечують вмикання у відведення тепла усієї маси кисневовмісного продукту і збільшення верхньої (теоретичної) межі динамічної сорбційної активності.

Основні наукові положення, що виносяться на захист і їхня новизна.

1. Регенерація повітря в дихальному апараті на хімічно пов'язаному кисні являє собою взаємодію робочого і теплофізичного процесів і у наближенні постійної температури працюючого прошарку сорбенту адекватно описується рівняннями балансу вуглецю, що зв'язується, кінетики сорбції і теплопровідності з безперервно і нестаціонарно розподіленими джерелами екзотермічного тепла, що підтверджено натурними експериментами, виконаними за оригінальною методикою.

2. На відміну від наявних уявлень форма регенеративного патрона безпосередньо не впливає на робочий процес дихального апарата і не може призвести до збільшення динамічної активності кисневовмісного продукту. Якщо опір фільтрації ізотропний, термін захисної дії визначається лише режимом подиху й об'ємом патрона.

3. Початкова еволюція проскакування СО₂ у дихальному апараті без пускового пристрою відповідає лінійній ділянці ізотерми сорбції. Потім, що вперше відстежено експериментально, екзотермічне тепло підвищує активність продукту, що містить кисень, і зміщує кінетику в горизонтальну частину ізотерми. Проте насичення продукту не відбувається через його спікання.

4. Проскакування вуглекислого газу поступово піднімає його концентрацію у видиху, проте стаціонарність граничної умови можна зберегти, якщо час роботи дихального апарата вимірювати кількістю вуглекислого газу, що надійшов на вхід регенеративного патрона. Аналогічно при зміні режиму подиху або у випадку повторного вмикання апарата час його роботи можна вимірювати кількістю зв'язаного вуглецю, що і покладено в основу нового методу рішення нестаціонарних задач динаміки сорбції.

5. Вмикання у відведення тепла усієї маси продукту, що містить кисень, дозволяє запобігти спіканню і наблизити динамічну активність до максимальної теоретично можливої. А уповільнення повітряного потоку в щодо свіжих останніх прошарках продукту збільшує сам максимум. У результаті завдяки концептуальним змінам конструкції, вперше у світовій практиці спрямованим на збільшення динамічної сорбційної активності, сумарний приріст терміну захисної дії дихальних апаратів у залежності від режиму їхньої роботи може досягати 50% і більше.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Наукові положення, висновки і рекомендації, сформульовані в дисертації, обґрунтовані:

- теоретичними побудовами й експериментальними дослідженнями регенерації повітря в дихальних апаратах із хімічно зв'язаним киснем на стенді-імітаторі подиху, що дозволяє максимально наблизити реальні умови експлуатації;

- розробленими математичними моделями робочого і теплофізичного процесів у регенеративному патроні дихального апарата на хімічно зв'язаному кисні, що враховують комплекс явищ сорбційної, хімічної і теплофізичної природи, які відбуваються в працюючому прошарку кисневовмісного продукту.

- чисельними експериментами, що підтверджують ефективність запропонованих змін у конструкції регенеративного патрона і повітротокової частини дихального апарата, які забезпечують більш повне використання захисного ресурсу продукту, що містить кисень.

- випробуваннями дихального апарата нового покоління з оригінальною конструкцією частини, що проводить повітря, і регенеративного патрона.

Наукове значення роботи полягає в розвитку теорії робочого і теплофізичного процесів дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні і створенні наукових основ підвищення захисного ресурсу цих апаратів за рахунок більш ефективного використання продукту, що містить кисень.

Практичне значення роботи полягає в такому:

- розроблена методика ув'язування загальних результатів математичного моделювання з робочим і теплофізичним процесами в конкретних дихальних апаратах при даних режимах їхньої роботи;

- визначені безрозмірні довжини наявних регенеративних патронів усіх форм і розмірів, установлений кількісний зв'язок між реальним часом і безрозмірним, що фігурує в математичній моделі робочого процесу;

- конкретизовані причини неефективного використання захисного ресурсу продукту, що містить кисень, у наявних дихальних апаратах;

- у середовищі пакета MathCAD підготовлено комплект програм для розрахунку приведеної концентрації СО₂ у повітрі, що протікає через патрон, і розподілу зв'язаного вуглецю в товщі продукту, що містить кисень;

- виявлені оптимальні засоби фільтрації повітря через продукт, що містить кисень, які пом'якшують тепловий режим регенеративного патрона й збільшують верхню (теоретичну) межу його терміну захисної дії;

- запропонований ряд принципових змін у конструкції регенеративного патрона і повітряноводневій частині дихального апарата, які мінімум у півтора рази збільшують термін захисної дії апарата;

- ряд теоретичних результатів (наприклад, щодо оптимальних засобів фільтрації) носить універсальний характер і може використовуватися при створенні систем життєзабезпечення, будівництві очисних споруджень і т. п.

- розвинені в роботі методи й отримані з їхньою допомогою висновки знайшли свій відбиток у викладацькій діяльності на кафедрах охорони праці, вищої математики, обчислювальної техніки й інформатики.

Реалізація результатів роботи. Розроблена автором методика експериментальних досліджень дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні застосовується в НДІГС для одержання вихідних параметрів розрахунків респіраторів і саморятувальників. За матеріалами дисертації подані три заявки на винаходи. По двох із них отримані патенти України. Всі вони, а також теоретичні розробки автора прийняті до впровадження в НДІГС при створенні дихальних апаратів нового покоління. В даний час проведені успішні випробування макета дихального апарата з оригінальними конструкціями повітровідної частини і регенеративного патрона, що підтвердили суттєве (у півтора рази і більше) збільшення гарантованого терміну захисної дії апарата без збільшення його маси і габаритів за рахунок більш ефективного використання хімічно зв'язаного кисню.

Результати виконаних автором теоретичних досліджень використані для визначення найбільш доцільного параметра індикації залишкового захисного ресурсу дихального апарата на хімічно зв'язаному кисні і створення індикатора відпрацювання регенеративного патрона, заснованого на інтегруванні тепла, яке виділяється при роботі кисневовмісного продукту, що дозволило гарантований термін захисної дії респіратора РХ4-Е наблизити до фактичного.

Особистий внесок автора. Автором самостійно сформульовані ціль і задачі дослідження, наукові положення, висновки і рекомендації. Йому належить засіб наближеного рішення нестаціонарних задач динаміки сорбції, комплект програм для розрахунку приведеної концентрації СО₂ у повітрі, що протікає через патрон, і розподіли зв'язаного вуглецю в товщі кисневовмісного продукту і виконаний із його допомогою чисельний експеримент, а також метод ув'язування загальних результатів математичного моделювання з робочим і теплофізичним процесами в конкретних дихальних апаратах при даних режимах їхньої роботи і розроблені на його основі експериментальні методики. Автор приймав особисту участь у плануванні, підготовці і проведенні ряду експериментів, а також в опрацюванні й інтерпретації отриманих даних.

Особистий внесок автора у роботах, опублікованих у співавторстві, полягає у розробці математичної моделі теплофізичного процесу в регенеративному патроні респіратора [1], в обґрунтуванні рівняння кінетики сорбції [2-4], обґрунтуванні методики експериментальних досліджень регенерації повітря в існуючих дихальних апаратах [7], плануванні лабораторних експериментів та інтерпретації отриманих у них даних [8,9], виявленні причин неефективного використання хімічно зв'язаного кисню для захисту дихання і запропонуванні шляхів підвищення цього показника [10,12,23,25-28], ініціюванні, підготовці і проведенні порівняльних випробувань нових схем дихальних апаратів [24], вивченні випадків точного вирішення задач динаміки сорбції [12,29].

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на розширених міжкафедральних семінарах ДонНТУ із запрошенням головних спеціалістів ДонВУГІ і НДІГС у 1995 і 1998 рр.; на 3 Міжнародній науково-практичної конференції «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1998 р.), у відділі засобів захисту дихання НДІГС у 1990-1992, 1996-1998 р., на четвертій Міжнародній науково-практичній конференції «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» у рамках третього Петербурзського економічного форуму (1999 р.), на другій Міжнародній науково-технічній конференції «Новые технологии управления движением технических объектов» (Новочеркаськ, 1999 р.), на Міжнародній восьмій Білоруській математичній конференції (Мінськ, 2000 р.), на Міжнародному екологічному конгресі (Санкт-Петербург, 2000 р.), науково-практичній конференції «Донбас-2020: наука і техніка виробництву» (Донецьк, 2002 р.) і т. п.

Публікації. По темі дисертації автором опубліковано 34 наукові роботи, ключові положення подані в 28 роботах, серед яких 25 статей у спеціалізованих наукових виданнях і збірниках (у тому числі 13 самостійних) і 3 патенти України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів і додатків; містить 283 сторінки, у тому числі 250 сторінок машинописного тексту, 60 рисунків, 3 таблиці і список посилань із 171 джерела.

Основний зміст роботи

дихальний апарат захисний

У першому розділі «Стан проблеми, цілі, задачі і методологія досліджень» обґрунтована актуальність проблеми, необхідність рішення ряду задач, адекватність вибраної методології.

Вичерпання вугільних шарів, що розроблюються призводить до подальшого поглиблення виробіток і ускладнення гірничо-геологічних і технічних умов на шахтах галузі. У результаті подовжуються маршрути просування гірничорятувальників до місця аварії, зростає температура повітря. Це не тільки збільшує тривалість і трудомісткість рятувальних робіт, але призводить до перенагрівання організму гірничорятувальника, що негативно позначається на його працездатності і може призвести до теплового удару. Тому при створенні засобів захисту подиху особливе значення набуває створення комфортного мікроклімату в респіраторі, який в ідеалі повинний сприяти відведенню тепла з організму.

Найбільш перспективні в цьому плані респіратори на хімічно зв'язаному кисні. Причина полягає в наступному. Водяні пари, що виділяються при подиху, відіграють роль каталізатора при зв'язуванні вуглекислого газу

КО₂ + 2Н₂О = 4КОН + 3О₂ + 78 кДж, (1)

2КОН + СО₂ = К₂СО₃ + Н₂О + 141 кДж. (2)

Якщо пари води в надлишку, вони досить охоче реагують із КОН. Сухе регенероване повітря, нагріте до 200 - 300⁰ С, інтенсивно розсіює тепло навіть у дуже жарке навколишнє середовище. Значно охолонуте повітря надходить у вологообмінник, де продовжується його різке охолодження за рахунок високої теплоти паротворення і збільшення теплоємності. Описаний механізм дозволяє відводити тепло з організму гірничорятувальника навіть при температурі навколишнього середовища 50⁰ С і вище.

Великий внесок у розробку, створення й удосконалювання засобів захисту подиху на хімічно зв'язаному кисні внесли співробітники Науково дослідного інституту гірничорятувальної справи: Діденко М.В., Інденбаум Т.Е., Шевченко Ю.А., Алєйнікова Г.М., Овчаров В.К., Ільїнський Е.Г., Конопелько Є.І.

Проте стосовно цілого ряду параметрів наявні респіратори і саморятувальники на хімічно зв'язаному кисні все ще далекі від досконалості. У них відсутні вузли, що управляють динамікою сорбції, іншими словами, немає перемінних параметрів для впливу на процес регенерації повітря. Очевидно також, що екстенсивний шлях, пов'язаний із простим нарощуванням маси продукту, що містить кисень, є неможливим. Збільшення ваги і габаритів дихального апарата істотно підвищують витрати праці, особливо в щільних умовах при розробці тонких вугільних шарів. Існуючі респіратори близькі до такої межі, коли додатковий хімічно зв'язаний кисень практично весь витрачається на забезпечення витрат по його перенесенню в складі апарата. Тому зміст запропонованих конструктивних змін повинний полягати в спільній оптимізації робочого і теплофізичного процесів у регенеративному патроні дихального апарата за критерієм максимального терміну захисної дії.

Використана методологія полягала в послідовній мотивації кожного такого етапу проведеного дослідження як природного продовження попереднього за умови, що всі вони найкоротшим шляхом забезпечують досягнення поставленої цілі.

Комплексний підхід до рішення обкресленої наукової проблеми відображає той факт, що сучасний дихальний апарат - результат синтезу інженерних рішень, знань в галузі фізичної хімії, теплофізики, фізіології і медицини. Основні з цих знань потрібно було акумулювати в згаданих математичних моделях регенерації повітря.

При цьому прийшлося рахуватися з тим, що, незважаючи на значні успіхи, досягнуті в дослідженні динамічної сорбційної активності, закінченої теорії цього явища, що кількісно описує регенерацію повітряного потоку прошарком, що поглинає, немає. Причина полягає в різноманітті фізико-хімічних механізмів цього явища. У такій ситуації природно було відмовитися від спроб використання мікротеорії при побудові математичної моделі дихального апарата й обмежитися феноменологією, яка із достатньої для практичних потреб точністю враховує все різноманіття явищ, що забезпечують регенерацію повітряного потоку прошарком кисневовмісного продукту.

Адекватність запропонованих матмоделей робочого і теплофізичного процесів у дихальному апараті за участю автора встановлена експериментально в НДІГС на стенді-імітаторі дихання. Отримані при цьому дані використані для визначення числових значень феноменологічних параметрів розвиненої теорії.

Постановка чисельних експериментів вимагала істотного розвитку теорії, у процесі якого були отримані оригінальні результати (метод наближеного рішення неоднорідної і нестаціонарної задачі динаміки сорбції). Самі по собі чисельні розрахунки неминучі, тому що вже в найпростіших ситуаціях (із лінійною ізотермою сорбції) еволюцію проскакування не вдасться описати в елементарних функціях, що змушує при одержанні числових значень проскакування і «забруднення» удаватися до допомоги ЕОМ.

Другий розділ «Альтернативні моделі робочого процесу шахтного регенеративного дихального апарата» містить три підрозділи і є теоретичною базою подальших досліджень.

Математична модель робочого процесу являє собою систему диференціальних рівнянь у часткових похідних, що описують баланс вуглецю при зв'язуванні СО₂ продуктом, що містить кисень, у процесі фільтрації повітря через регенеративний патрон

(3)

і кінетику сорбції

, (4)

де v - швидкість течії повітря; W - об'ємна концентрація молекул СО₂ у повітрі, що протікає; x - довжина шляху, пройденого повітрям у сорбенті; U - об'ємна концентрація захоплених молекул; t - час; - феноменологічна постійна, що характеризує швидкість сорбції; W_p - рівноважне значення концентрації, по досягненні якого сорбція врівноважується протилежним за своєю спрямованістю процесом десорбції.

Залежність W_p від U визначається природою продукту, що містить кисень, умовами регенерації повітря і називається ізотермою сорбції. Найбільше загальні риси ізотерми можна встановити, не конкретизуючи вид сорбенту. Поблизу нуля, де можна знехтувати нелінійностями, маємо

. (5)

Відповідно до (4), (5) можна грубо трактувати як число порцій повітря, що вміщується в регенеративному патроні між гранулами сорбенту, які цілком регенеруються до настання рівноваги (). Видих триває секунди, а респіратор працює часами, тобто в існуючих апаратах 10^-4.

З іншого боку, будь-який сорбент є активним, якщо концентрація сорбтиву на вході у фільтр W₀ дуже висока. У цьому випадку основна частина сорбції відбувається в умовах, коли (рис. 1), тобто ізотерму можна наблизити сходинкою

, (6)

де - максимальне значення U, що характеризує статичну активність сорбенту, - функція Хевісайда.

Між цими граничними випадками розташовані всі інші ізотерми, а значить і процеси сорбції СО₂. Тобто, достатньо розглянути їх, щоб одержати двосторонню оцінку теоретичної ефективності використання ресурсу хімічно зв'язаного кисню. Почнемо з першого (сорбції в області Генрі).

При постійному W₀ зручно перейти до безрозмірних змінних

, , (7)

, . (8)

Квазістаціонарний розподіл W установлюється після протікання через патрон першої ж порції повітря, після чого перший доданок у правій частині (3) можна опустити. У чистому патроні спад СО₂ при протіканні повітря через патрон пропорційний його утриманню, що призводить до експонентного закону. Прийнявши цей момент за початок відліку часу, доповнимо систему (3), (4) такими початковими умовами

, . (9)

Відповідні рішення мають вигляд

, (10)

. (11)

Практичний інтерес має - частка СО₂, що безперешкодно проходить патрон в даний момент часу. Фізіологія подиху така, що критичною являється умова

, (12)

де - безрозмірна довжина патрона. За його допомогою можна визначити термін захисної дії респіратора _k, після закінчення якого, нормальна життєдіяльність неможлива (рис. 5, крива 1). Теоретичний рівень відпрацювання поглинального ресурсу патрона (рис. 6, крива 1) розрахований за допомогою формули

. (13)

Отримані залежності показують (рис. 2, 4), що СО₂, як і повинно бути, осідає в основному там, де градієнт його концентрації - максимальний. З часом цей процес, у міру відпрацювання продукту, переміщається в напрямку повітряного потоку. Проте, до моменту критичного проскакування СО₂ значна частина ресурсу патрона (мертвий прошарок) залишається невикористаною. Суттєво, що прошарок е - кратного ослаблення концентрації «розпливається» у просторі, а графіки залежності проскакування від часу, побудовані для різних (рис. 3), не сполучаються один з одним при рівнобіжному переносі уздовж осі . Це не дозволяє виділити прошарок сорбенту, що працює в даний момент часу.

Ситуація якісно змінюється у випадку дуже активних сорбентів. Застосуємо введені раніше безрозмірні і приведені величини, однак з відповідними змінами

. . (14)

У результаті за допомогою (3), (4), (6) отримано

, ( < 1), (15)

. (). (16)

Згідно з (15), (16) до насичення лобових прошарків сорбенту працюючий прошарок стоїть на місці, а потім, не змінюючи ширини, зміщається з постійною швидкістю (рис. 7, 8). Те, що прошарок не розпливається, є основною відмінністю даної моделі від розглянутої раніше. З цієї причини проскакування СО₂ виявляється меншим, а термін захисної дії патрона і відсоток використання його ресурсу - вищим (див. рис. 5, 6 криві 2).

Третій розділ «Порівняння з експериментом. Адекватність запропонованих моделей» присвячений ув'язуванню загальних результатів із процесами, що протікають в конкретних регенеративних патронах при даних режимах їхньої роботи. Для цього вирішені дві задачі: як перейти до безрозмірних змінних в патронах різноманітної форми і як визначити числові значення феноменологічних параметрів теорії.

Якщо потік повітря є площинно-паралельним, безрозмірна довжина патрона не залежить від його форми, яка впливає лише на опір фільтрації

, (17)

де L - довжина прошарку, що фільтрує; S - площа поперечного перетину повітряного потоку; Q - витрата повітря; w - його об'єм у середині фільтра.

У випадку радіальної течії вираження для у сферичній або циліндричній системах координат, що враховують симетрію патрона, приймають відповідно вигляд

, , (18)

де r - поточний радіус; r₀ - його значення на вході в продукт; h - висота циліндричного патрона. Якщо r дорівнює зовнішньому радіусу фільтра, у (18) можна виділити w і знову прийти до (17).

Таким чином, зміною форми прошарку, що поглинає, не можна поліпшити робочий процес респіратора. У кращому випадку (якщо всі молекули СО₂ переборюють однаковий опір фільтрації) безрозмірна довжина патрона, а значить і термін його захисної дії, залишиться тим же.

Легше усього знайти , вимірявши проскакування СО₂ на початку сталого режиму (див. формули (10), (15))

. (19)

Значення w з об'ємом патрона пов'язане співвідношенням

, (20)

де =0.6 - щільність упаковування гранул продукту, що містить кисень.

Знаючи і w за формулою (17) можна обчислити . Значення варто знаходити за допомогою стехіометрії, розрахувавши, скільки літрів повітря може в принципі регенерувати продукт даного патрона. Розділивши результат на w, одержимо ^-1 (див. пояснення після формули (5)) і, таким чином, завершимо визначення основних параметрів моделі.

З метою адекватного вибору однієї з альтернативних моделей у НДІГС на стенді - імітаторі дихання був поставлений експеримент. У циліндричний патрон РХС зменшений для взяття проб повітря були впроваджені чотири зонди, що поділяють продукт, який містить кисень, на п'ять рівних по товщині прошарків. Утримання CO₂ у пробах визначалося газовими аналізаторами ГІАМ-5. На загальну картину накладалися коливання, зумовлені чергуванням вдихів і видихів. Після установлення осушувачів, що відіграють також і роль демпфера, коливання зменшилися. Отримані в такий спосіб криві зображені на рис. 9. Очевидно, що без пускового пристрою реакція розпалюється протягом 15 хвилин, після чого процес сорбції входить у штатний режим, і починається монотонний ріст показників. Цю точку доцільно використовувати як початок відліку часу при визначенні безрозмірної довжини патрона.

Отримані дані дозволяють практично однозначно зробити якісний висновок про адекватність моделей сорбції. Вже швидкого погляду на рис. 3 і 9 достатньо, щоб переконатися в якісній відповідності поданих на них картин. При малих криві опуклі, а при великих - увігнуті, тобто не сполучаються один з одним при рівнобіжному переносі уздовж осі часу.

У наступному експерименті використано чотири послідовно сполучених нестандартних патрони об'ємами 0.407, 0.419, 0.471 і 0.678 літра, що містять відповідно 360, 375, 400 і 630 грамів кисневовмісного продукту. На вхід першого патрона по відкритій схемі подавалося 28 літрів повітря в хвилину з 4-х відсотковим вмістом CO₂ при температурі 190 ⁰ С і тиску 741 мм рт. ст. Протягом 3-х годин простежувалась еволюція проскакування CO₂ за кожним із патронів. Для наближення до звичайного теплового режиму патрони усі разом були покладені в металевий ранець респіратора. Результати контролю CO₂ на вході в продукт піддані лінійній регресії, після чого обчислені приведені значення проскакування , що відповідають усім експериментальним точкам (рис. 10).

Щоб усереднено адекватно описати процес регенерації, поклали для першого патрона = 2.4, а

, (21)

якщо реальний час t міряти в секундах.

Безрозмірні довжини патронів з однаковим видом сорбенту пропорційні їхнім об'ємам (масам продукту): , де 360 і 375 - маси продукту першого і другого патронів у грамах, аналогічно , .

Відповідно першій експериментальній точці (рис. 10, крива 2) відповідає безрозмірна координата , другій - . Аналогічно складена таблиця 1.

Таблиця 1. Безрозмірна довжина регенеративних патронів дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні

№ п/п	назва апарата	маса сорбенту г	безрозмірна довжина патрона
			режим 2	режим 5	режим 10
1	РХС	2400	38	15	7.5
2	РХ-4	3700	58	23	13
3	ШСР	2070	32	13	6.5
4	ШСС	915	15	6	3

Очевидно, що побудовані для обчислених теоретичні криві (формула (10)) цілком задовільно лягають на експериментальні точки (рис. 10). Загальну тенденцію трохи порушує 5-а крива. Тут проскакування росте дещо швидше, ніж прогнозує теорія. Причина, очевидно, у надмірному нагріванні і спіканні продукту через внутрішні джерела тепла екзотермічного походження (див. (1), (2)).

Та обставина, що параметри моделі, визначені за допомогою першої експериментальної кривої, підходять для опису еволюції проскакування через інші патрони, підтверджує адекватність моделі в цілому. Для більшої об'єктивності зроблені незалежні оцінки на основі методики (17) - (20), викладеної вище:

л = 0,1628 л; =2.4^.28/(60^.0.1628) = 6.88 с^-1.

Відповідно до рівнянь (1), (2) основної реакції, патрон може поглинути 360^.44/(2^.71) =111.5г вуглекислого газу, що в перерахунку на нормальні умови складає 1420 літрів 4-х процентної суміші. Розділивши результат на w, одержимо, що ^-1=8.72^.103.

Масштаб безрозмірного часу (див. першу формулу (7)) визначається набутком =. Для адекватного опису експериментальних залежностей (див. формулу (21)) потрібне . Іншими словами, у реальному часі події розгортаються в 1.1/0.8 = 1.375 разів швидше, ніж наказує теорія. Виходить, у стільки ж разів швидше наступить критичне проскакування СО₂. Тобто, фактичний термін захисної дії менше теоретичного значення на 37,5% за умови, що ізотерма сорбції лінійна, і ми маємо справу з першою із альтернативних моделей.

У дійсності невикористаний ресурс ще вищий, тому що остання крива рис. 10 явно «обганяє» теоретичну залежність. Проскакування за четвертим патроном довго не з'являється, але, з'явившись - стрімко наростає. Саме так і буває у випадку дуже активних сорбентів. Викладене означає, що в міру розігрівання продукту, робочий процес наближається до описаного в рамках другої моделі. Це визначає більш високий ступінь відпрацювання продукту (рис. 6). Зокрема, для сумарної довжини всіх чотирьох патронів ( = 11.7) за допомогою залежності, поданої на рис. 5 легко одержати = 11.7 для дуже активних сорбентів і = 9.6 для випадку лінійних ізотерм.

Відповідно до раніше викладеного, події розвиваються дещо швидше, ніж наказує теорія. Значить реально критичне проскакування СО₂ наступає при . Тобто, якщо замикаючи прошарки працюють за схемою другої моделі, теоретичний термін захисної дії більший фактичного на .

Гарантований термін захисної дії менше фактичного ще на 20% (7^.0.8= 0.56). Тому, розв'язавши проблему індикації ресурсу, що залишився, і його максимального використання, термін захисної дії респіратора можна підвищити більш ніж удвічі (11,7-5,6) 100/5,6 = 109%. Крім того, цей показник можна ще поліпшити за рахунок мертвого прошарку сорбенту.

Розділ 4 «Причини неефективного використання захисного ресурсу наявних дихальних апаратів і шляхи поліпшення цього показника» містить теорію теплофізичного процесу дихального апарата на хімічно зв'язаному кисні. На рис. 11 приведені експериментальні криві залежності температури продукту, що містить кисень, від часу в різноманітних перетинах циліндричного регенеративного патрона: лобовому, середньому і останньому. Максимуми температури по прошарках практично не відрізняються один від одного, що наводить на думку про спікання продукту після досягнення визначеної температури і припинення з цієї причини екзотермічної реакції. У цьому припущенні побудована модель теплофізичного процесу в регенеративному патроні респіратора.

З урахуванням симетрії патрона температура продукту як функція часу і радіуса може бути описана рівнянням теплопровідності з внутрішніми джерелами тепла

, (22)

де - температура; - температуропровідність; - коефіцієнт температуроутворення продукту.

Продукт, що містить кисень, складається з ізольованих гранул, розділених повітряним прошарком, і тому має дуже низьку теплопровідність. Завдяки малості a при , де - температура спікання продукту, другим членом справа в рівнянні (22) можна зневажити. У результаті одержимо

, (23)

де - температура навколишнього середовища, - приведена температура продукту, а u задається формулою (11).

У заключній стадії внаслідок обумовленого спіканням продукту різкого зменшення поверхні контакту реагентів швидко знижується теплова потужність процесу. Тому першим членом справа в рівнянні (22) можна зневажити. Подальша еволюція процесу зводиться до того, що фронт спікання повільно зміщається до периферії, а у відпрацьованій частині встановлюється квазістаціонарний розподіл температур. Це дозволяє для невеличких проміжків часу () опустити в (22) . У результаті для розподілу температури отримуємо рівняння Лапласа, яке належить доповнити граничними умовами

, . (23)

Після чого рішення задачі приймає вигляд

. (24)

Тут час входить неявно через радіус спікання . Залежність відповідного йому показана на рис. 12, а зв'язок між і встановлюється другою формулою (18).

На рисунку 13 подані залежності приведеної температури від часу для трьох характерних перетинів патрона, причому висхідні гілки цих залежностей побудовані за допомогою (23), (11), а спадні - за допомогою (24) і графіка рис. 12.

Порівняння рис. 13 і 11 показує на гарну якісну відповідність. Таким способом комплексно перевірюється адекватність двох математичних моделей: рівнянь (3) - (5), (7), (8) при умовах (9), що описують явище хемосорбції CO₂ продуктом, що містить кисень, а також рівнянь (22) - (24), що описують теплофізичні процеси в продукті. Комплексна перевірка, як відомо, є більш жорсткою і дає підставу для використання моделей із метою визначення подальших шляхів удосконалювання ізолюючих дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні.

Зокрема, це стосується обґрунтування параметра індикації витрати продукту, що містить кисень, у якості котрого найкраще залучити температуру продукту, а датчик розмістити в його останньому прошарку.

Не менше значення має запобігання спікання продукту, що містить кисень, і збільшення за рахунок цього ефективності використання захисного ресурсу патрона. Для цього можна інтенсифікувати відвід тепла, пронизавши продукт решіткою із високотеплопровідних матеріалів. Проте, насамперед потрібно включити в знімання тепла всю масу самого продукту, що містить кисень. Оскільки тепло виділяється в кожному елементарному акті зв'язування СО₂, потрібно забезпечити більш рівномірний розподіл зв'язаного вуглецю в товщі продукту. У такий спосіб вдасться уникнути перегріву і послідовного спікання передніх, найбільш «навантажених» прошарків.

З цією метою розроблено дихальний апарат, поданий на рис 14. Повітря, що проходить через перший об'єм сорбенту 2 тільки на видиху, потрапляє через клапан видиху 5 у пружну ємність видиху 4. Перепад тиску між нею і пружною ємністю вдиху 6 безупинно фільтрує повітря через другий об'єм сорбенту 3. Останнє забезпечено пружністю обох ємностей дихального мішка. З ємності вдиху 4 через клапан вдиху 8 повітря по шлангу вдиху 7 потрапляє в легені, після чого цикл замикається. Повітря з частини для обличчя 9 по шлангу видиху 1 знову потрапляє в об'єм сорбенту 2 і т.д.

Оскільки вдих і видих приблизно рівні за тривалістю, в об'ємі сорбенту 2 швидкість течії повітря в момент видиху приблизно вдвічі більша швидкості сталої течії повітря в об'ємі сорбенту 3. Це скорочує час контакту реагентів в об'ємі 2, що сприяє більш рівномірному використанню всієї товщі сорбенту, перешкоджає його спіканню, продовжує термін захисної дії апарата і знижує опір подиху.

В основу наступного винаходу (рис. 15) поставлено задачу вдосконалення регенеративного патрона. Видихуване повітря через патрубок 2 і фільтр 4 по каналу видиху потрапляє в робочу камеру 6, де вступає в реакцію з речовиною, що містить кисень.

Поглинання CO₂ і відновлення кисню супроводжується виділенням великої кількості тепла. Для запобігання спікання працюючого прошарку тепло розосереджується розподільником 7 і частково через теплообмінник 8 передається видихуваному повітрю ще до того, як воно потрапляє в камеру 6. Повітря, що нагрівається в теплообміннику і підпирається новими видихуваними порціями повітря, ізобарно розширюється в напрямку течії, збільшуючи швидкість і зменшуючи час протікання через передні прошарки речовини, що містить кисень, які найбільш інтенсивно беруть участь у реакції. Це збільшує проскакування вуглекислого газу в наступні, слабко задіяні і тому більш холодні, прошарки сорбенту. У них повітря ізобарно охолоджується і стискається, збільшуючи тим самим об'ємну концентрацію молекул СО₂, що залишилися. У результаті реакція продовжується з новою силою, що розширює працюючий прошарок і сприяє більш рівномірному розподілу джерел тепла. Регенероване повітря, пройшовши через фільтр 5, покидає корпус 1 по патрубку 3. В основу наступного винаходу (рис. 15) поставлено задачу вдосконалення регенеративного патрона. Видихуване повітря через патрубок 2 і фільтр 4 по каналу видиху потрапляє в робочу камеру 6, де вступає в реакцію з речовиною, що містить кисень. Поглинання CO₂ і відновлення кисню супроводжуються виділенням великої кількості тепла.

Таким чином, запропоновані винаходи пом'якшують тепловий режим патрона і наближають до ідеалу термін захисної дії дихального апарата. Проте, дослідження, виконані на основі моделі робочого процесу, показують (рис. 16), що режим рівномірного зносу сорбенту не є ідеальним для динаміки сорбції. Виграючи у часі контакту з більш чистими прошарками сорбенту, ми втрачаємо в перепаді концентрацій (див. праву частину (4)). Компроміс не забезпечується лінійним профілем швидкості.

Крім того, при цьому залишається невикористаним ресурс мертвого прошарку сорбенту. Ця проблема вирішена в ізолюючому дихальному апараті (рис. 17), що сполучає переваги маятникової (малий обсяг мертвого прошарку) і кругової (великий термін захисної дії і малий шкідливий простір) схем умикання регенеративного патрона у частину апарата, що проводить повітря. У маятниковій частині повітря, що регенерується, здійснює зворотно-поступальне прямування, і шкідливим називається простір, зайнятий повітрям, що повертається на вдих, так і не вступивши в контакт із свіжою частиною продукту, що містить кисень.

Розділ 5 «Чисельний експеримент. Ефективність запропонованих технічних рішень». Вперше у світовій практиці в конструкцію дихальних апаратів внесені зміни, спрямовані на збільшення динамічної активності прошарку, що поглинає. У результаті робочий процес у регенеративному патроні вийшов за рамки розглянутих моделей. Перемінною стала швидкість фільтрації і значення концентрації на вході в другу частину регенеративного патрона. У маятниковій частині сорбція СО₂ здійснюється при наявності початкового забруднення продукту, що містить кисень. Проведення натурних експериментів зв'язане зі значними матеріальними й організаційними труднощами. У зв'язку з чим розвинено метод наближеного рішення неоднорідних і нестаціонарних задач динаміки сорбції, який дозволив обминути проблему перемінних параметрів під час постановки чисельних експериментів.

Суть методу у використанні старих моделей (див. формули (3) - (16)), але з перерахунком часу за кількістю молекул, що прослідували в патрон

, (25)

при стаціонарному розподілі швидкості, або осілих у ньому при зміні режиму фільтрації після досягнення деякого рівня забруднення. Іншими словами, реалізовано принцип пісочного годинника, відповідно до якого час із точки зору патрона завмирає, якщо в нього не надходить вуглекислий газ. Очевидно, що при такому підході проблема перемінних параметрів стає взагалі надуманою. Результати виконаних за допомогою нового методу чисельних експериментів у графічній формі подані на рис. 18 - 21. Очевидно, що додавання проскакування СО₂ до видиху сильніше забруднює патрон і зменшує термін його захисної дії (рис. 18). Після зниження швидкості фільтрації молекули СО₂ гірше проскакують крізь продукт. Тому формується більш крутий квазістаціонарний розподіл концентрації (рис. 19). Причому швидкість його прямування сповільнюється (зменшується відстань між кривими), тому що в одиницю часу на вхід патрона при тому ж відсотковому вмісті СО₂ надходить менше його молекул. Таким чином, засновані на новому методі чисельні експерименти розумно інтерпретуються, що підтверджує достовірність оцінок ефективності нових апаратів.

Ідея реверса (повороту повітряного потоку після вичерпання лобових прошарків продукту) є прозорою в дуже активних сорбентах. У них критичне проскакування СО₂ визначається лише довжиною працюючого прошарку продукту і не залежить від ступеня його виснаження. Тому при наданій довжині працюючого прошарку потрібно по можливості виснажити обидва його краї.

Розділ 6 «Теоретичні узагальнення. Підсумковий експеримент». Звичайно динаміка сорбції теоретично досліджується методами математичної фізики, коли усе зводиться до рішення системи диференціальних рівнянь у приватних похідних, що описують кінетику сорбції і баланс домішки, що поглинається. Тобто, при наявності граничних і початкових умов еволюція концентрації домішки W (x, t) є суворо детермінованою. Водночас цілком очевидно, що елементарний акт сорбції - суттєво випадкова подія, і можливий статистичний підхід до опису динаміки цього явища. У його рамках глибина проникнення домішки в прошарок, що поглинає, є величиною випадковою. Закон її розподілу, що характеризується густиною ймовірності f (x, t), безпосередньо пов'язаний із приведеною концентрацією домішки в товщі сорбенту.

, (26)

де F (x, t) - інтегральна функція розподілу, що визначає можливість молекулі бути поглиненою до точки х. Статистичний зміст дозволяє її одержати із закону зростання ентропії

(27)

минаючи рішення згаданої системи диференціальних рівнянь у часткових похідних.

Вже перше протікання повітря через патрон призводить до встановлення квазистаціонарного розподілу f як функції координати. З урахуванням умови нормування і скінченності математичного очікування екстремальне S забезпечується експоненціальним розподілом (рис. 22, крива 1), який поступово трансформується в нормальний, що припускає просте тлумачення. Віддаляючись у міру відпрацювання продукту від входу в патрон, пік f (x, t) усе менше почуває вплив країв на всю картину сорбції. У пределі нуль на нижній межі в (27) можна замінити мінус нескінченністю і варіаційними методами переконатися, що екстремальним при цьому стає нормальний закон. Останній результат надзвичайно важливий із погляду додатків, тому що дозволяє при великому часі апроксимувати (x, t) різницею 1 - (x, t), де - табульована функція, яка отримується інтегруванням нормального закону по координаті. Природно, що при цьому маточікування і середньоквадратичне відхилення повинні залежати від часу. У такий спосіб багаторазово поліпшується збіжність наявних у (10), (11) рядів, що істотно полегшує постановку чисельних експериментів.

Останні показують помітне збільшення динамічної активності патрона, що в залежності від виду апарата і режиму експлуатації забезпечує 10 - 17% приріст теоретичного терміну захисної дії (рис. 20). Гармонійність гібридної схеми (рис. 17) у тому, що одночасно (за рахунок розрізування патрона) збільшується поверхня теплообміну і пом'якшується температурний режим продукту, що містить кисень, чим запобігається його спікання. У результаті термін захисної дії наближається до ідеалу (причому до нового, збільшеного), отриманого в рамках відповідних матмоделей. Попутно може бути радикально вирішена задача визначення захисного ресурсу, що залишився, і моменту припинення рятувальних робіт із метою своєчасного (без запізнення і перестраховки) виходу гірничорятувальника із зони аварії. Для цього в круговій частині патрона 2 між виходом з неї і сорбентом потрібно встановити датчик вуглекислого газу 4. Його спрацьовування означатиме, що процес регенерації зміщається в маятникову частину патрона 3, тобто апарат починає працювати в режимі саморятувальника, і час виходити на свіжий струмінь.

З урахуванням викладеного, сумарний ефект, що досягається реконструкцією повітровідної частини навіть без урахування теплофізики явища, складає третину теоретичного терміна захисної дії звичайного дихального апарата. Оцінити позитивний ефект гібридної схеми, обумовлений зм'якшенням теплового режиму, дуже важко. Тому були проведені натурні порівняльні випробування. Їхній результат поданий на рис. 23.

У круговій схемі критичне значення досягнуте на 51 хвилині, що на 13 хвилин або на 26% раніше, ніж у кругомаятниковій. Патрону такої маси (900 г.) у 5-му режимі роботи відповідає безрозмірна довжина = 5 (див. таблицю 1). Відповідно до проведених чисельних експериментів (рис. 20), використання кругомаятникової схеми в патронах такої довжини тільки за рахунок збільшення динамічної активності (без урахування теплофізики процесу) призводить до 10% збільшення терміну захисної дії. Значить, 16% приросту обумовлені поліпшенням теплообміну в новому апараті і запобіганням спікання продукту, що містить кисень. Максимальна температура корпуса (160⁰С) була на 50⁰С нижче, ніж у першому досліді.

Відсутність високоточного засобу визначення захисного ресурсу патрона, що залишився, працюючого за круговою схемою, змушує перестраховуватися і зменшувати на 20% гарантований термін захисної дії в порівнянні з фактичним, отриманим у лабораторних умовах. У результаті для кругової схеми одержуємо 51^.0,8 = 41 хв гарантованої захисної дії апарата. У кругомаятниковій схемі розрізування патрона, як уже зазначалося вище, дозволяє радикально вирішити проблему індикації захисного ресурсу. Тому гарантований термін захисної дії дорівнює фактичному (64 хв).

Таким чином, з урахуванням усіх чинників при тій же (і навіть декілька меншій) масі продукту (566+330 < 900) виграш за часом гарантованої захисної дії склав ((64 - 41)/41)^.100% = 56%. Після вікового розвитку дихальних апаратів, коли процес їхнього вдосконалювання вийшов на насичення, такий прогрес (у 1,5 разу і більш) варто розглядати як дуже значний.

...