Расчетно-экспериментальные исследования эффективности устройства для защиты органов дыхания при низких температурах воздуха - Дипломная работа

Путиным была утверждена стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года. Данным документом определяются основные механизмы, способы и средства достижения стратегических целей и приоритетов устойчивого развития Арктики. Для реализации планов, обозначенных стратегией, России необходимо «совершенствование структуры, состава, военно-экономического и материально-технического обеспечения Вооруженных Сил РФ и развитие инфраструктуры их базирования в Арктике». Создаваемое устройство для защиты органов дыхания в условиях пониженных температур не даст организму переохладиться. Устройство для защиты органов дыхания в условиях пониженных температур позволит таким людям переносить холода с меньшим риском для здоровья.В маске по контуру центрального отверстия имеется выступающая часть 4 корпуса 1 с торцовым опорным буртиком 5, к которому крепится одна или несколько параллельных, наложенных друг на друга перфорированных или сетчатых оболочек 6 (вкладышей к маске), выполненных из достаточно теплоемкого материала, например, металла, полиэфирного или иного полимерного материала, с образованием теплообменной поверхности. Маска для защиты органов дыхания от холода содержит корпус 1, выполненный из материала с низкой теплопроводностью. Теплообменник 3 выполнен из материала с высокой теплопроводностью и установлен внутри корпуса 1, при этом боковые стенки теплообменника 3 соединены с корпусом 1. Полая насадка 5 с патрубком 7 могут быть установлены с возможностью поворота вокруг оси отверстия 2 для вдоха и выдоха, для чего полая насадка 5 может быть укреплена в отверстии 2 с соответствующим натягом или на ней может быть выполнена отбортовка. Рисунок 1.2.3 - Устройство для защиты органов дыхания от пониженных температур Устройство для защиты органов дыхания от пониженных температур содержит корпус, который образован наружной стенкой магистрали 1 выдыхаемого воздуха, внутри которой размещена магистраль 2 вдыхаемого воздуха с образованием между ними теплопередающей стенки 3.Обзор патентов устройств для защиты органов дыхания в условиях пониженных температур, зарегистрированных в России показывает, что вариантов устройств около 10. Основной принцип работы данных устройств основан на регенерации теплоты.Определен коэффициент теплопередачи и средний температурный напор для различных типов насадок и режима работы теплового аккумулятора, а также поверхность нагрева и объем теплового аккумулятора при различных конструктивных характеристиках насадки и режимах продувки. На основе анализа расчетных данных для системы использования тепла конвертерных газов (СИТКГ) в работе рекомендована насадка с оптимальными характеристиками. Однако применение этих методов теплового расчета для стационарных переключающихся регенеративных теплоутилизаторов (СПРТ) будет не корректным, так как температурный режим теплоутилизаторов значительно разниться с режимом промышленных теплообменников, а процессы теплообмена в аппаратах с роторной насадкой несколько отличаются от процессов с неподвижной насадкой. теплофизические и гидродинамические характеристики теплоносителя постоянны по сечению канала насадки и не зависят от температуры и давления; Первое уравнение (1) системы является уравнением газовой динамики, и физический смысл его заключается в следующем: количество тепла , поступающего в проходное сечение в точке zв момент времени ?идет на нагрев воздуха в проходном сечении насадки в точке zв момент времени ?и на передачу тепла от воздуха насадке в проходном сечении в точке zв момент времени ?.Из анализа патентного поиска следует, что варианты устройств по настоящему заслуживающие внимания ([4] и [8]), не производятся. Поэтому рынок сбыта продукции данного рода остается свободным, за исключением тепловой маски фирмы «Второе дыхание» [10]. Защита дыхания в условиях отрицательных температур всегда будет беспокоить людей, живущих в северных районах, и поэтому появление новых вариантов устройств ожидаемо и необходимо.Маска тепловая регенеративная предназначена для защиты органов дыхания человека от воздействия низких температур наружного воздуха и осадков. Устройство состоит из лицевой маски 1 и регенеративной насадки 2, выполненной из монолитного или композиционного теплоемкого материала, внутри которого выполнены не менее двух рядов вертикально ориентированных сквозных канала 3 для дыхания через нос и сквозных каналов 4 для дыхания через рот, таким образом, чтобы через имеющиеся отверстия 5 вдыхаемый и выдыхаемый человеком воздух проходит внутри этих каналов. Крепление регенеративной насадки 2 к маске 1 может осуществляться при помощи контактной ленты 6 типа «крючок и петля» (VELCRO), размещенной на выпуклой стороне насадки 2 в верхней ее части и на вогнутой ее стороне в нижней части. Выдыхаемый человеком воздух поступает внутрь вертикальных каналов 3 и 4 через отверстия 5 и проходит по всей их длине на выход, при этом нагревая насадку до определенной температуры, после чего воздух выбрасывает

Содержание

Введение

1. Изучение вопроса актуальности исследования для развития экономики региона

1.1 Анализ актуальности разработки для развития экономики региона

1.2 Анализ источников интеллектуальной собственности в области устройств по защите органов дыхания

1.3 Анализ современных устройств для защиты органов дыхания при низких температурах воздуха

1.4 Анализ математических моделей регенеративного теплообмена

1.5 Основные выводы и определение направления дальнейших исследований

2. Математическое моделирование процессов теплообмена

2.1 Принцип действия предлагаемого устройств

2.2 Построение физической модели

2.3 Построение и исследование математической модели процесса аккумуляции и регенерации тепла в тонкой насадке

3. Экспериментальные исследования процесса теплообмена

3.1 Планирование эксперимента

3.2 Результаты экспериментальных исследований эффективности стационарных регенеративных канальных теплоутилизаторов (СРКТ) на примере регенеративного блока тепловой маски

3.3 Анализ результатов расчетно-экспериментальных исследований

4. Инженерная методика определения эффективности

4.1 Понятие инженерных расчетов

4.2 Алгоритм определения

5. Технико-экономическое обоснование внедрения нового продукта на рынок

6. Экология, здравоохранение, социальное обеспечение безопасность жизнедеятельности при эксплуатации разрабатываемого устройства

7.1 Общие положения

7.2 Разработка экспериментальной установки

В результате проведенных исследований в рамках подготовки выпускной квалификационной работы на соискание магистерской научной степени по теме «Расчетно-экспериментальные исследования эффективности устройства для защиты органов дыхания при низких температурах воздуха» за период с 2015 по 2017 годы и получены следующие результаты: 1. Разработана физическая модель процесса тепломассообмена в СРКТ с применением методов моделирования физического процесса с учетом его формализации и идеализации.

2. Сформирована демо-зона действующих образцов российского рынка теплозащиты, а также экспериментально-измерительный стенд и методика испытаний подобных устройств.

3. Разработана математическая модель, описывающая процесс тепломассобмена в СРКТ по п.1 и учитывающая температуру насадки как функцию от времени, при этом она носит периодический характер, ее изменение зависит от начальной температуры насадки, коэффициентов теплоотдачи и температуры воздуха внутренней и наружной среды.

4. Сформулированы комплексные коэффициенты энергоэффективности СРКТ, вычисляемые в математической модели п.3 и зависящие от экстремумов периодического режима и учитывающие теплоемкость материала насадки в режиме аккумуляции и коэффициент теплопроводности в режиме регенерации.

5. Разработаны алгоритм вычисления математической модели п.3 и компьютерная программа, реализующая данный алгоритм в системе Mathcad.

6. Полученные высокие коэффициенты энергоэффективности позволили говорить о высокой степени процесса аккумуляции тепловой энергии СРКТ (0,85) и правильно подобранном материале для его осуществления. При необходимости дальнейшего повышения коэффициентов, исследования могут быть продолжены в направлении поиска вариантов материала СРКТ с большим значением теплоемкости и коэффициента теплопроводности.

7. Корреляционный анализ гармонической зависимости изменения температур наружного воздуха на входе в СРКТ и на выходе из него показал довольно высокую степень сопряжения процессов аккумуляции-регенерации для двух типов СРКТ (диапазон не ниже 0,80).

8. Сделан вывод о том, что разработанные устройства для защиты органов дыхания при низких температурах воздуха на основе СРКТ могут эффективно использоваться оперативным персоналом в инфраструктурах систем обеспечения аварийно-спасательных и других неотложных работ в особо сложных условиях и на критически важных объектах, в том числе нефтегазодобычи, энергетических и коммунальных объектах, тем самым обеспечивая выполнение Постановления Правительства Российской Федерации от 21 апреля 2014 г. N 366 г. Москва "Об утверждении государственной программы Российской Федерации "Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года".

Магистерская работа соответствует требованиям паспорта магистерской программы обучения 130401, затрагивая такие направления, как тепло- и массообменные аппараты различного назначения, применяемые в профессиональной деятельности и включает теоретические и экспериментальные исследования процессов тепло- и массопереноса в устройствах, использующих тепловую энергию.

Статистика достижений за 2 года выполнения НИОКР: 1 премия за научные достижения;

2 гранта с участием магистранта;

3 выставки с демонстрацией результатов исследования;

8 ед. научных статей в отечественных сборниках материалов конференций;

9 докладов на всероссийских и международных научных мероприятиях.

Введение

Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года диктует генеральные задачи формирования условий энергоэффективной хозяйственной деятельности в Арктике, улучшения качества жизни и безопасности жизнедеятельности при промышленном освоении арктического шельфа и новых месторождений стратегических полезных ископаемых.

Постановление Правительства Российской Федерации от 21 апреля 2014 г. N 366 г. Москва "Об утверждении государственной программы Российской Федерации "Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года" предусматривается развитие ресурсной базы Арктической зоны Российской Федерации за счет использования перспективных технологий и предусматривает создание инфраструктуры системы обеспечения аварийно-спасательных и других неотложных работ в особо сложных условиях и на критически важных объектах, в том числе нефтегазодобычи, энергетических и коммунальных объектах. [1]

Все вышеуказанные задачи могут быть реализованы применением современных устройств, обеспечивающих эффективное и рациональное использование энергоресурсов человека.

Одним из энергосберегающих устройств, применяемых в различных сферах промтеплоэнергетики, является стационарный регенеративный канальный теплоутилизатор (СРКТ). Одним из направлений применения СРКТ является использование его в составе индивидуального средства защиты - лицевой тепловой маске. Действие устройства основано на рекуперации тепла воздуха при дыхании. Температура воздуха в подмасочном пространстве повышается за счет собственного тепла выдыхаемого воздуха и нагрева входящего холодного воздуха при прохождении через регенеративный теплообменник, ранее нагретый при цикле выдыхания.

Общими проблемами моделирования СРКТ являются допущения, определяющие отсутствие зависимости коэффициента теплоотдачи от температуры и длины канала в инженерной методике оценки эффективности подобных устройств при конструкторском и поверочном расчетах. Российские и зарубежные исследования СРКТ предлагают упрощенные методики расчета и требуют дальнейшей доработки, что и определяет актуальность и практическую значимость проводимых исследований.

Магистерская работа является частью научных исследований по математическому моделированию подобных устройств и повышению их эффективности.

Цель работы: Целью диссертационной работы является расчетно-экспериментальное исследование процессов тепломассообмена в стационарных регенеративных канальных теплоутилизаторах (СРКТ), применяемых в различных отраслях экономики, в том числе в составе средств индивидуальных средств безопасности жизнедеятельности персонала в экстремально низких условиях климата нефтегазового и энергетического комплексов с последующей разработкой инженерной методики оценки эффективности подобных устройств при конструкторском и поверочном расчетах.

Для достижения поставленной цели, были поставлены следующие задачи: - разработать физическую модель процесса тепломассообмена в СРКТ;

- разработать экспериментально-измерительные систему и сформировать методику испытаний;

- разработать математическую модель, описывающую процессы тепломассобмена в СРКТ и определяющую критерии эффективности подобных устройств;

- разработать алгоритм вычисления математической модели и компьютерную программу, реализующую данный алгоритм;

- оценить адекватность результатов математического моделирования методом сопоставления с экспериментальными данными.

Методы исследования: моделирование физического процесса; системный подход; идеализация физической модели; анализ документов авторского и патентного права; экспериментальные методы исследования в натурных условиях; методы статистической обработки результатов.

Научная новизна работы: - разработана математическая модель процессов тепломассообмена в СРКТ крайне малых размеров;

- сформирована методика определения коэффициента теплоотдачи как функции от времени и координаты.

- предложены критерии оценки эффективности СРКТ для инженерной методики конструкторского и поверочного расчета данных устройств.

- разработана компьютерная программа реализации алгоритма расчета математической модели.1. Об утверждении государственной программы Российской Федерации "Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года: постановление Правительства РФ от 21.04.2014 № 366// Российская газета. - 2014. - 31 апреля.

2. МУК 4.3.1895-04. Оценка теплового состояния человека с целью обоснования гигиенических требований к микроклимату рабочих и мерами профилактики охлаждения и перегревания: Методические указания. - Москва: Федеральный центр Госсанэпидемнадзора Минздрава России, 2004. - 20 с.

3. Пат. 2033982 Российская Федерация, МПК7 А 62 С 27/00. Маска для защиты органов дыхания и лица от холода / Разран М.А., Хозяинов Ю.С., Андрианова З.Н., Морякова Р.И., Райхман С.П., Шмидт В.П.; заявитель и патентообладатель Малое предприятие "Несси" Тюменского фонда милосердия "Физкультура и здоровье" - № 5047008/23; заявл. 09.06.1992; опубл. 20.07.1995.

4. Пат. 2045301 Российская Федерация, МПК6 А 62 В 18/00. Маска для защиты органов дыхания от холода/ Лобатовкин Александр Стефанович, Костюков Владимир Николаевич, Цехов Виктор Владимирович, Кузнецов Владимир Алексеевич, Хохлов Иван Васильевич; заявитель и патентообладатели: Лобатовкин Александр Стефанович, Костюков Владимир Николаевич, Цехов Виктор Владимирович, Кузнецов Владимир Алексеевич, Хохлов Иван Васильевич - № 92011905/23; заявл. 11.12.1992; опубл.10.10.1995.

5. Пат. 2170116 Российская Федерация, МПК7 А 62 В 18/00. Устройство для защиты органов дыхания в условиях пониженных температур/ Есаков С.М., Есакова Е.С.; заявитель и патентообладатель Есаков Сергей Михайлович, Есакова Екатерина Сергеевна - № 2000120217/12; заявл. 25.07.2000; опубл. 25.07.2000.

6. Пат. 2342963 Российская Федерация, МПК7 А 62 В18/02. прибор независимого теплового комфорта организма человека / Минеев Игорь Иванович; заявитель и патентообладатель Минеев Игорь Иванович, Рейнгардт Дмитрий Владимирович, Давыдов Сергей Владимирович. - № 2007113310/12; заявл.09.04.2007; опубл. 09.04.2007.

7. Пат. 2174364 Российская Федерация, МПК7 А41D13/00. Способ индивидуальной защиты от пониженных температур/ Есаков С.М., Есакова Е.С.; заявитель и патентообладатель Есаков Сергей Михайлович, Есакова Екатерина Сергеевна. - № 2000130124/12; заявл. 28.11.2000; опубл. 10.10.2001.

8. Пат. 2158620 Российская Федерация, МПК7 А 62В18/00. Воротник/ Изаксон В.Ю., Власов В.Н., Храмов Г.А., Власов И.Н.; заявитель и патентообладатель Изаксон Всеволод Юльевич, Власов Владимир Никифорович, Храмов Геннадий Александрович, Власов Иван Никифорович. - № 99102517/12; заявл. 08.02.1999; опубл. 10.11.2000.

9. Пат. 2167689 Российская Федерация, МПК7 А 62В18/02. Маска для защиты органов дыхания/ Коршунов А.П.; заявитель и патентообладатель Коршунов Александр Петрович. - № 2000109534/12; заявл. 18.04.2000; опубл. 27.05.2001.

10. Пат. 2354424 Российская Федерация, МПК7 А 62В18/02. Маска для дыхания/ Калуцкий Федор Егорович, Давыдов Сергей Владимирович, Калинин Олег Юрьевич; заявитель и патентообладатель Калуцкий Федор Егорович, Давыдов Сергей Владимирович - № 2007143410/11; заявл. 22.11.2007; опубл. 22.11.2007.

11.Пат. 118202 Российская Федерация, МПК7 А 62В18/02. Устройство для защиты органов дыхания в условиях пониженных температур/ Телятьев М.В. Синицын А.А. заявитель и патентообладатель Синицын Антон Александрович - № 2012108695/11; заявл. 06.03.2012; опубл. 20.07.2012.

12. Статьи [Электронный ресурс] / ООО «Второе дыхание ТМ».

13. Хейлигенштедт В. Регенераторы, рекуператоры и воздухонагреватели / В. Хейлигенштедт М.: Металлургиздат, 1933.

14. Тимофеев В. Н. Теория расчета регенеративных теплообменников / В. Н. Тимофеев, 15. Хаузен, X. Теплопередача при противотоке, прямотоке и перекрестном токе: Пер. с нем. /X. Хаузен. М.: Энергоиздат, 1981.

16. Кирсанов Ю.А. Научные основы тепловых процессов в регенераторах с продольно обтекаемой насадкой. Дисс. канд. техн. наук: 01.04.14- Казань 2004.

17. Алексеев В. П. Исследование нестационарного теплообмена в тепловом аккумуляторе с огнеупорной насадкой при периодическомнагреве и охлаждении. Збірник наукових праць ДОНДТУ. - ДОНГТУ, Алчевск, Украина 2014. - № 2.

18. Васильев В.А. Методы расчета тепловых процессов в стационарном переключающемся регенеративном теплоутилизаторе. Дисс. канд. техн. наук: 05.04.03. - СПБ. 2010.

19. Сизанова, А.С. Разработка новых устройств для защиты органов дыхания в условиях пониженных температур/ А.С. Сизанова // Молодые исследователи - регионам: материалы международной научной конференции. В 3-х т./ Мин-во обр. и науки РФ; Вологод.гос. Ун-т. - Вологда: 2015.-Т.1.-С.285-287.

20. Сизанова, А.С. Разработка паспортных характеристик тепловой маски./ А.С. Сизанова // Приборостроение и автоматизированный электропривод в топливно-энергетическом комплексе и жилищно-коммунальном хозяйстве: материалы докладов I Поволжской научно-практической конференции / под общ. ред. Э.Ю. Абдуллазянова. - Казань: Казан. гос. энерг. ун-т, 2015. - С. 463-467. 21. Сизанова, А.С. Разработка серии тепловых масок для защиты органов дыхания при низких температурах воздуха./ А.С. Сизанова // Каталог XVIII конкурса бизнес-идей, научно-технических разработок и научно-исследовательских проектов «Молодые, дерзкие, перспективные».- СПБ-2015.-С.74-75. 22. Сизанова, А.С. Определение эффективности регенеративного аккумулятора тепловой энергии/ А.С. Сизанова // Молодые исследователи - регионам: материалы международной научной конференции. В 3-х т./ Мин-во обр. и науки РФ; Вологод.гос. Ун-т. - Вологда: 2016.-Т.1.-С.231-233

23. Сизанова, А.С. Разработка математической модели теплообмена в регенеративном устройстве/ А.Н. Наимов, Н.Н. Монаркин, А.С. Сизанова, А.А. Синицын // Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования: материалы XI Международной научно-технической конференции/ М-во образ. и науки РФ; Вологод. гос. ун-т. - Вологда: 2016. - С.109-113.

24. Сизанова, А.С. Особенности разработки новой продукции в рамках деятельности малых инновационных предприятий при вузе / А.А. Синицын, К.Й. Левринц, А.С. Сизанова // Научно-технический прогресс в черной металлургии: материалы трудов II международной научно-технической конференции. - Череповец. С.334-336.

25. Сизанова, А.С. Разработка паспортных характеристик тепловой маски / А.С. Сизанова // Материалы Межрегиональной научной конференции IX ежегодной научной сессии аспирантов и молодых ученых: в 2-х т. / Мин-во образования и науки РФ; Вологод. гос. ун-т. - Вологда, 2015. - Т. 1: Технические науки. Экономические науки. - С. 120-123.

26. Сизанова, А.С. Разработка устройств для защиты органов дыхания при низких температурах воздуха для силовых структур / А.С. Сизанова // Материалы межрегиональной научной конференции X Ежегодной научной сессии аспирантов и молодых ученых: в 4 т. / М-во образ. и науки РФ; Вологод. гос. ун-т. - Вологда: 2016. - Т. 2. - С.122-125

Размещено на .ru