Підвищення ресурсу дихальних апаратів на хімічно пов"язаному кисні - Автореферат

У ізолюючих апаратах необхідний для дихання кисень знаходиться в балоні або звязаний хімічно. Разом із високою густиною резервування кисню важливо забезпечити комфортний мікроклімат у дихальному апараті, що в ідеалі повинний сприяти відводові тепла з організму. Використання такого наближення припускає автономний розгляд робочого і теплового процесів у регенеративному патроні дихального апарата. Викладене визначає актуальність і важливість наукової проблеми розробки наукових основ підвищення ресурсу дихальних апаратів на хімічно звязаному кисні. Ідея роботи полягає у спільній оптимізації робочого (що забезпечує поглинання вуглекислого газу і виділення кисню) і теплофізичного (повязаного з виділенням і поширенням екзотермічного тепла) процесів у дихальних апаратах на хімічно звязаному 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.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. Математична модель робочого процесу являє собою систему диференціальних рівнянь у часткових похідних, що описують баланс вуглецю при звязуванні СО2 продуктом, що містить кисень, у процесі фільтрації повітря через регенеративний патрон , (4) де v - швидкість течії повітря; W - обємна концентрація молекул СО2 у повітрі, що протікає; x - довжина шляху, пройденого повітрям у сорбенті; U - обємна концентрація захоплених молекул; t - час; b - феноменологічна постійна, що характеризує швидкість сорбції; Wp - рівноважне значення концентрації, по досягненні якого сорбція врівноважується протилежним за своєю спрямованістю процесом десорбції. Залежність Wp від U визначається природою продукту, що містить кисень, умовами регенерації повітря і називається ізотермою сорбції. У циліндричний патрон РХС зменшений для взяття проб повітря були впроваджені чотири зонди, що поділяють продукт, який містить кисень, на пять рівних по товщині прошарків.У дисертації вирішена важлива науково-технічна і соціальна проблема збільшення захисного ресурсу ізолюючих дихальних апаратів на хімічно звязаному кисні шляхом їхньої корінної зміни на основі математичного моделювання, чисельних і натурних експериментів у малодослідженій області нестаціонарної динаміки екзотермічної хемосорбції, запобігання передчасного спікання продукту, що містить кисень, за рахунок спрямування надлишків тепла, що виділяється, на формування оптимального протікання повітря через регенеративний патрон для наближення його динамічної активності до гранично можливого - статичної, що забезпечує підвищення ресурсу більш ніж у 1,5 рази без збільшення їхньої маси та габаритів і сприяє підвищенню безпеки експлуатації шахт і результативності гірничорятувальних робіт. Наукові основи підвищення ресурсу дихальних апаратів на хімічно звязаному кисні для шахтарів і гірничорятувальників за рахунок вмикання в зняття тепла усієї маси продукту, що містить кисень, і збільшення його динамічної активності шляхом удосконалення конструкції регенеративного патрона і внесенням змін у схему повітровідної частини апарата. Він дозволяє описати роботу регенеративного патрона після зміни режиму подиху (збільшення або зменшення витрати СО2) або при повторному вмиканні апарата, коли вже є початкове «забруднення» патрона, а так само врахувати збільшення концентрації вуглекислого газу на вході в патрон, обумовлене надходженням на вдих молекул, що проскочили. Комплект програм у середовищі пакета MATCAD із коментарями, для розрахунків забруднення патрона й еволюції утримання СО2 у повітрі, що протікає через патрон, а також терміну захисної дії, ефективності використання ресурсу патрона й інших характеристик, корисних при створенні й удосконалюванні дихальних апаратів найрізноманітніших схем. Вони збільшують теоретичну (а значить і практичну) ступінь відпрацювання продукту, що містить кисень, що дозволяє істотно (у півтора рази) продовжити термін захисної дії дихального апарата, не збільшуючи при цьому ні масу, ні сорбційну ємність продукту, що містить кисень.

Основний зміст роботи

У дисертації вирішена важлива науково-технічна і соціальна проблема збільшення захисного ресурсу ізолюючих дихальних апаратів на хімічно звязаному кисні шляхом їхньої корінної зміни на основі математичного моделювання, чисельних і натурних експериментів у малодослідженій області нестаціонарної динаміки екзотермічної хемосорбції, запобігання передчасного спікання продукту, що містить кисень, за рахунок спрямування надлишків тепла, що виділяється, на формування оптимального протікання повітря через регенеративний патрон для наближення його динамічної активності до гранично можливого - статичної, що забезпечує підвищення ресурсу більш ніж у 1,5 рази без збільшення їхньої маси та габаритів і сприяє підвищенню безпеки експлуатації шахт і результативності гірничорятувальних робіт.

Основні наукові результати, висновки і рекомендації.

Розроблені: 1. Наукові основи підвищення ресурсу дихальних апаратів на хімічно звязаному кисні для шахтарів і гірничорятувальників за рахунок вмикання в зняття тепла усієї маси продукту, що містить кисень, і збільшення його динамічної активності шляхом удосконалення конструкції регенеративного патрона і внесенням змін у схему повітровідної частини апарата.

2. Основи теорії робочого і теплофізичного процесів у регенеративному патроні дихального апарата на хімічно звязаному кисні, що узгоджено враховує весь комплекс основних чинників сорбційної, фізико-хімічної і теплофізичної природи, що впливають на регенерацію атмосфери в ізолюючому респіраторі або шахтному саморятувальнику на хімічно звязаному кисні. Це знайшло втілення в математичних моделях регенерації, що являють собою системи рівнянь у частинних похідних, які описують кінетику сорбції для різноманітних типів ізотерм, баланс вуглецю при звязуванні молекул СО2 продуктом, що містить кисень, і розподіл температури при наявності в товщі продукту розосереджених джерел тепла екзотермічного походження.

3. Метод наближеного рішення нестаціонарних і неоднорідних задач динаміки сорбції, заснований на підрахунку молекул СО2, що прослідували у патрон або осіли у ньому в залежності від умов задачі. Він дозволяє описати роботу регенеративного патрона після зміни режиму подиху (збільшення або зменшення витрати СО2) або при повторному вмиканні апарата, коли вже є початкове «забруднення» патрона, а так само врахувати збільшення концентрації вуглекислого газу на вході в патрон, обумовлене надходженням на вдих молекул, що проскочили. У його рамках розглянуті засоби фільтрації повітря, що помякшують тепловий режим регенеративного патрона.

4. Обґрунтування і методика увязування розроблених матмоделей із процесом регенерації в існуючих дихальних апаратах у реальних умовах їхньої експлуатації, що передбачає визначення в експерименті числових значень феноменологічних параметрів теорії і перехід до безрозмірних змінних в патронах різноманітних геометричних розмірів і форм.

5. Комплект програм у середовищі пакета MATCAD із коментарями, для розрахунків забруднення патрона й еволюції утримання СО2 у повітрі, що протікає через патрон, а також терміну захисної дії, ефективності використання ресурсу патрона й інших характеристик, корисних при створенні й удосконалюванні дихальних апаратів найрізноманітніших схем. В основу рахунку призначене поліпшення збіжності з наступною інтерполяцією рішень матмоделей, записаних у вигляді подвійних рядів за ступенями часу і координати.

Теоретично й експериментально встановлено, що: 1. З початку роботи дихального апарата рівноважна концентрація вуглекислого газу пропорційна густині звязаних молекул із коефіцієнтом . Потім, у міру розігрівання продукту, що містить кисень, вид ізотерми сорбції якісно змінюється. Вона наближається до сходинки, що дозволяє в наближенні дуже активних сорбентів нехтувати впливом звязаного вуглецю на швидкість сорбції майже до повного вичерпання поглинального ресурсу продукту, що містить кисень.

2. Безрозмірні довжини регенеративних патронів існуючих дихальних апаратів на хімічно звязаному кисні визначаються на початку їхньої роботи й у залежності від режимів подиху змінюються в межах від декількох одиниць до декількох десятків. При цьому теоретичний ступінь відпрацювання продукту, що містить кисень, складає 60-95%.

3. Фактичний ступінь відпрацювання продукту, що містить кисень, у 2 - 2,5 разу нижче теоретичного й у три рази нижче стехіометричної ємності продукту. Для поліпшення цього показника потрібно спільно оптимізувати робочий і теплофізичний процеси в регенеративному патроні дихального апарата, а також поліпшити індикацію терміну захисної дії, що залишився.

4. У випадку лінійних ізотерм сорбції приведену концентрацію домішки в току повітря можна при великому часі t апроксимувати різницею 1-F(x,t), де F - функція помилок, що утворюється інтегруванням нормального закону по координаті x. Певна річ, що маточікування координати сорбції і середньоквадратичне відхилення при цьому повинні бути функціями часу.

5. Запропоновані зміни конструкції патрона і схеми повітровідної частини дихального апарата не тільки покращують температурний режим патрона, перешкоджають спіканню і наближають фактичний ступінь відпрацювання продукту до теоретичного. Вони збільшують теоретичну (а значить і практичну) ступінь відпрацювання продукту, що містить кисень, що дозволяє істотно (у півтора рази) продовжити термін захисної дії дихального апарата, не збільшуючи при цьому ні масу, ні сорбційну ємність продукту, що містить кисень.

На основі розроблених матмоделей і програмного забезпечення науково обґрунтовані і реалізовані: 1. Змішана кругомаятникова схема повітровідної частини ізолюючого респіратора для гірничорятувальних робіт на хімічно звязаному кисні, що забезпечує поєднання в одному апараті переваг маятникової (високий ступінь відпрацювання продукту) і кругової (малий обєм шкідливого простору) схем повітровідної частини;

2. Принципова схема апарата зі швидким проходженням найбільш навантажених лобових прошарків кисневовмісного продукту, що дозволило поєднати кругову схему повітровідної частини з рівномірним відпрацюванням прошарків продукту, що містить кисень, розташованих один за одним у напрямку повітряного потоку;

3. Конструкція регенеративного патрона з теплообмінником, винесеним у канал видиху, де відбувається ізобаричне нагрівання потоку за рахунок екзотермічного тепла, що надходить через теплорозподілювач патрона. Істотним при цьому є те, що обємна концентрація СО2 у лобовому прошарку виявляється нижчою, а в наступному прошарку - вищою, ніж раніш. У такий спосіб удасться збільшити ширину працюючого прошарку речовини, що містить кисень, і розосередити внутрішні джерела тепла екзотермічного походження, надлишки якого саме і викликають спікання речовини, що містить кисень.

4. Модель саморятувальника з круговою схемою повітровідної частини і реверсом повітряного потоку, що забезпечує пятикратне зменшення мертвого прошарку сорбенту і 11% приріст терміну захисної дії дихального апарата.

5. Поліпшена процедура розрахунку забруднення патрона, утримання СО2 у повітрі, що протікає через патрон, терміну захисної дії, ефективності використання ресурсу патрона й інших характеристик, корисних при створенні й удосконалюванні дихальних апаратів найрізноманітніших схем. В основу процедури покладене поліпшення збіжності з наступною інтерполяцією рішень матмоделей, записаних у вигляді подвійних рядів за ступенями часу і координати. При цьому обійдене обмеження на максимальне число, передбачене пакетом, що дозволило чисельно досліджувати асимптотику приведеної концентрації СО2 у регенеративному патроні шахтного респіратора.

6. Ряд теоретичних результатів (наприклад, про оптимальні засоби фільтрації) і розроблені матмоделі в комплексі з комплектом програм можуть широко застосовуватися при створенні систем життєзабезпечення, проектуванні, будівництві й удосконаленні усіляких фільтрів, очисних споруджень і т. п.

Основні положення дисертації опубліковані в таких роботах

1. Пак В.В., Ехилевский С.Г., Овчаров В.К., Ильинский А.Э. Математическая модель рабочего процесса изолирующего шахтного респиратора // Изв. вузов. Горный журнал. - 1994, В.1. - С. 54-57.

2. Пак В.В., Ехилевский С.Г. Изотерма сорбции и концепция работающего слоя в шахтных регенеративных дыхательных аппаратах (1) // Изв. Донецкого горного института. - 1996. - №2. - С. 13-18.

3. Пак В.В., Ехилевский С.Г. Об использовании ресурса шахтных респираторов с химически связанным кислородом // Изв. вузов. Горный журнал. - 1996. - №1. С. 66-71.

4. Пак В.В, Ехилевский С.Г. Изотерма сорбции и концепция работающего слоя в шахтных регенеративных дыхательных аппаратах (2) // Изв. Донецкого горного института. - 1996. - №2. - С. 100-105.

5. Ехилевский С.Г. Численный расчет концентрации СО2 в регенеративном патроне шахтного респиратора. ч. 1. Рекуррентные соотношения // Изв. Донецкого горного института. - 1997. - №1. - С. 67-72.

6. Ехилевский С.Г. Численный расчет концентрации СО2 в регенеративном патроне шахтного респиратора. ч. 2. Улучшение сходимости // Изв. Донецкого горного института. - 1997. - №1. - С. 81-87.

7. Пак В.В., Ехилевский С.Г. Методика сопоставления процесса регенерации с его математической моделью // Сб. трудов горно-электромеханического факультета. Донецкий государственный технический университет. - Донецк: ДОНГТУ, 1996. - С. 7-12.

8. Пак В.В., Ехилевский С.Г., Ильинский Э.Г., Конопелько Е.И. Выбор модели рабочего процесса шахтного респиратора на химически связанном кислороде // Уголь Украины. - 1997. - №6. - С. 47-48.

9. Пак В.В., Ехилевский С.Г., Ильинский Э.Г., Конопелько Е.И. Значения феноменологических параметров модели хемосорбции в регенеративных патронах шахтных респираторов // Изв. вузов. Горный журнал. - 1998. - №11-12. - С. 108-112.

10. Пак В.В., Ехилевский С.Г. Повышение эффективности использования кислородосодержащего продукта в дыхательных аппаратах и установках регенерации воздуха // Сб. трудов горно-электромеханического факультета. Донецкий государственный технический университет. - Донецк: ДОНГТУ, 1996. - С. 12-17.

11. Ехилевский С.Г. Резервы более полного использования химически связанного кислорода в шахтных дыхательных аппаратах // Изв. Донецкого горного института. - 1998. - №1. - С. 17-26.

12. Пак В.В., Ехилевский С.Г. Оптимальное пропускание воздуха через регенеративные патроны шахтных респираторов // Уголь Украины. - 1996. - №1. - С. 25-26.

13. Ехилевский С.Г. Схемы воздуховодной части и степень отработки регенеративных патронов шахтных дыхательных аппаратов // Изв. вузов. Горный журнал. - 2000. - №4. - С. 60-64.

14. Ехилевский С.Г. Проблема переменных параметров в математической модели хемосорбции. ч. 1. Регенерация атмосферы в дыхательном контуре шахтного респиратора // Изв. Донецкого горного института. - 1997. - №2. - С. 43-49.

15. Ехилевский С.Г. Проблема переменных параметров в математической модели хемосорбции. ч. 2. Смягчение теплового режима регенеративного патрона шахтного респиратора // Изв. Донецкого горного института. -1997. - №2. - С. 99-106.

16. Ехилевский С.Г. Ступенчатый профиль скорости в частично отработанном патроне регенеративного респиратора // Изв. Донецкого горного института. - 1998. - №1. - С. 35-40.

17. Ехилевский С.Г. Регенерация нестационарных потоков воздуха // Изв. Донецкого горного института. - 1998. - №2. - С. 53-58.

18. Ехилевский С.Г. Хемосорбция СО2 в частично отработанном патроне шахтного респиратора // Уголь Украины. - 1998 - №11. - С. 27-28.

19. Ехилевский С.Г. Сплайн-интерполяция концентрации СО2 в регенеративном патроне шахтного респиратора // Изв. Донецкого горного института. -1999. - №3. - С. 48-51.

20. Ехилевский С.Г. Динамика сорбции малых концентраций СО2 вдали от входа в регенеративный патрон шахтного респиратора // Изв. Донецкого горного института. -1999. - №2. - С. 96-99.

21. Ехилевский С.Г. Динамика сорбции вредной примеси с точки зрения экстремальности энтропии // Проблемы экологии. 1999. - №2. - С. 56-58.

22. Ехилевский С.Г. Математическая модель шахтного самоспасателя с маятниковой схемой воздуховодной части // Изв. вузов. Горный журнал. - 2000. - №6. - С. 46-49.

23. Пак В.В., Ехилевский С.Г., Ильинский Э.Г. Шахтный самоспасатель на химически связанном кислороде с реверсом воздушного потока // Уголь Украины. - 2000 - №4. - С. 36-38.

24. Ехилевский С.Г., Пак В.В., Ильинский Э.Г., Конопелько Е.И. Сопоставительные испытания дыхательного аппарата на химически связанном кислороде с кругомаятниковой схемой воздуховодной части // В кн.: Геотехнологии на рубеже ХХІ века: в 3-х томах/ под редакцией д.т.н., проф. Гребенкина Е.С. и д.т.н., проф. Бондаренко Ю.В. - Донецк: ДОНГТУ - ДУНПГО, 2001. - т. 1. - С. 153-158.

25. Пак В.В., Ехилевский С.Г., Фоменко Т.П. Перспективы использования химически связанного кислорода в индивидуальных средствах защиты дыхания // Изв. вузов. Горный журнал. - 2001. - №2. - С. 49-51.

26. Патент 23426 Украина, кл. А 62 В. Изолирующий дыхательный аппарат/ С.Г. Ехилевский, В.В. Пак, Э.Г. Ильинский. Опуб. 8.07.98, Бюл №4.

27. Патент 23427 Украина, кл. А 62 В. Регенеративный патрон дыхательного аппарата с химически связанным кислородом / С.Г. Ехилевский, В.В. Пак, Э.Г. Ильинский. Опубл. 08.07.98, Бюл. №4.

28. Патент 47440 Украина, кл. А 62 В. Ізолюючий дихальний апарат / С.Г.Єхилевський, В.В. Пак, Е.Г.Ільїнський. Опубл. 15.07.02, Бюл. №7.

29. Пак В.В., Ехилевский С.Г. Режим равномерного износа поглощающего слоя и срок защитного действия регенеративного респиратора / Третья Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием // Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности. - Санкт-Петербург, Россия, 1998. - С. 428.

30. Ехилевский С.Г. Гибридная схема воздуховодной части дыхательного аппарата на химически связанном кислороде / Четвертая Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием / Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности. - Санкт-Петербург, Россия, 1999. - С. 209 - 210.

31. Ехилевский С.Г. Приближенная модель респиратора с переменными параметрами регенерируемого воздушного потока / Третья Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием // Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности. - Санкт-Петербург, Россия, 1998. - С. 427.

32. Ехилевский С.Г. Рекуррентные полиномы в задаче динамики сорбции/ Международная конференция // VIII Белорусская Математическая Конференция-Минск. - Беларусь, 2000. - С. 58.

33. Ехилевский С.Г. Новая концепция времени в нестационарной задаче динамики сорбции / Вторая международная научно-техническая конференция // Новые технологии управления движением технических объектов. - Новочеркасск, Россия, 1999. - С. 7-9.

34. Ехилевский С.Г. Энтропия приведенной концентрации и динамика сорбции вредной примеси / Международный экологический конгресс // Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности. - Санкт-Петербург, Россия, 2000. - С. 174-177.

Размещено на .ru