Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор 8
1.1. Состояние и перспектива подготовки длинных выемочных полей шахт для механизированной отработки 8
1.2. Средства индивидуальной защиты применяемые в горноспасательном деле 18
1.3. Анализ влияния различных факторов на газообмен и дыхание горнорабочих 34
1.4. Исследование воздействия кислорода на обмен веществ. Влияние газовой среды с повышенной и пониженной концентрацией кислорода на организм человека 36
1.5. Физиологические требования, предъявляемые к регенеративным дыхательным аппаратам 40
1.6. Технические требования, предъявляемые к регенеративным дыхательным аппаратам 45
2. Ликвидация аварий в угольных шахтах в среде не пригодной для дыхания . 50
2.1. Местное реверсирование воздушной струи при аварийных ситуациях в выработках большой протяжённости 50
3. Теоретические элементы расчёта регенеративного дыхательного аппарата 57
3.1. Аналитическое определение площади сечения отверстий для истечении кислорода 57
4. Разработка нового регенеративного респиратора со сжатым кислородом многочасового действия 65
4.1. Многоступенчатый лёгочный автомат 65
4.2. Редуктор понижении давления кислорода, избыточный клапан 76
4.3. Регенеративный патрон, дыхательный мешок, воздуховоды, лицевые части респиратора 81
4.4. Кислородный баллон, холодильник 98
4.5. Общая компоновка респиратора 103
4.6. Правила пользования регенеративным респиратором 106
4.7. Результаты испытаний нового регенеративного дыхательного аппарата многочасового действия 108
Заключение 111
Список литературы 112
- Средства индивидуальной защиты применяемые в горноспасательном деле
- Физиологические требования, предъявляемые к регенеративным дыхательным аппаратам
- Редуктор понижении давления кислорода, избыточный клапан
- Кислородный баллон, холодильник
Введение к работе
Актуальность работы. Подземный способ добычи полезных ископаемых связан с большими эксплуатационными затратами и длительными сроками строительства шахт. Его развитие требует осуществления комплекса мероприятий по совершенствованию технологии горных работ и улучшения состояния горного хозяйства. В связи с этим необходимо осуществлять целый ряд профилактических мер по предупреждению возникновения аварийных ситуаций. Экономия средств на безопасности и профилактических мероприятиях может обернуться многократными затратами на ликвидацию аварии. Многие шахты, отрабатывающие пласты длинными столбами по простиранию испытывают сложности, особенно когда встаёт вопрос о спасении людей и ликвидации аварий на выемочных участках большой протяженности (1000 м. и более). Время защитного действия изолирующего респиратора Р-30 составляет 4 ч и его не хватает для выполнения задачи по поиску застигнутых аварией людей. В непригодной для дыхания атмосфере и сильной задымленности, при движении по горизонтальным выработкам, максимальное расстояние на которое могут продвинуться вперёд горноспасатели, составляет 1550м.
Для решения задач по спасению людей и ликвидации аварии в таких случаях, приходится применять реверс в воздухоподающей участковой выработке, что не всегда возможно по газовому фактору. Другое решение -создание средств спасения и самоспасения с большим сроком защитного действия, позволяющим выйти на свежую струю из аварийного участка. В настоящее время необходимо учитывать то, что с каждым годом протяжённость выемочных полей увеличивается (до 2-3 км), а горные работы углубляются на 10 метров, поэтому совершенствование средств индивидуальной защиты органов дыхания, направленное на увеличение срока защитного действия аппарата, является задачей одной из приоритетных при подземной разработке угольных месторождений.
В диссертационной работе приведены результаты исследований, выполненных автором в период с 2000 по 2004 год в рамках профессиональной деятельности в Кемеровском отдельном военизированном горноспасательном отряде..
Целью работы является совершенствование схем подготовки
выемочных полей и средств индивидуальной защиты органов дыхания для безопасного выхода горнорабочих из аварийных выработок большой протяжённости.
Идея работы заключается в увеличении срока защитного действия и совершенствовании регенеративных респираторов с учётом протяжённых маршрутов горных выработок современных угледобывающих предприятий.
Задачи исследований:
1. Обосновать оптимальные схемы подготовки выемочных полей
большой протяжённости для безопасного вывода людей при аварийных
ситуациях;
2. Проанализировать степень влияния кислорода различной
концентрации на органы дыхания человека и определить его положительные и
отрицательные стороны, влияющие на жизнеобеспечение горнорабочих.,,
3. Разработать изолирующий регенеративный респиратор нового типа с
временем защитного действия не менее 6 часов и безопасным содержанием
кислорода на вдохе.
Методы исследований:
анализ и обобщение работ по применению существующих изолирующих и регенеративных респираторов;
- лабораторно-стендовые испытания средств индивидуальной защиты
органов дыхания человека;
- аналитические методы при определении площади сечений отверстий
для истечения кислорода и математической статистики при обработке и анализе
экспериментальных данных.
Научные положения, выносимые на защиту:
Надёжность и безопасность вывода людей из шахты при аварийных ситуациях достигается выбором эффективных по безопасности и экономичности схем и способов проветривания выемочных участков при столбовых системах разработки наклонных и пологих пластов, а также применением средств индивидуальной защиты органов дыхания, разработанных на основе новых технических решений.
Время защитного действия регенеративного респиратора зависит от количества оптимально необходимого кислорода для различных режимов работы, которое подаётся разными ступенями лёгочного автомата.
Решение задач по спасению людей в выработках большой протяжённости достигается применением многоступенчатых лёгочных автоматов для кислородно-дыхательных аппаратов.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
- корректной постановкой задач исследований и подтверждением их на
экспериментально-статистической основе;
- использованием апробированных методов и оборудования при
проведении лабораторных и шахтных исследований;
- положительными результатами лабораторно-стендовых испытаний.
Научная новизна работы заключается в следующем:
установлено, что от выбора эффективных технологических схем проветривания выемочных участков при существующих системах разработки угольных пластов зависит надёжность и безопасность вывода людей из горных выработок и шахт при аварийных ситуациях;
проведены исследования действия изолирующих самоспасателей и регенеративных респираторов в нештатных ситуациях и установлены факторы, влияющие на дыхание горнорабочих;
- впервые установлено, что время защитного действия регенеративного
респиратора зависит от оптимального расходования кислорода для различных
режимов работы путём введения дополнительной ступени в лёгочном автомате
респиратора;
- впервые разработаны и запатентованы трёхступенчатые лёгочные
автоматы, рычажного и мембранного типов, для кислородно-дыхательных
аппаратов.
Личный вклад автора состоит:
- в выборе эффективных схем проветривания выемочных участков для
надёжного и безопасного вывода людей из шахты при аварийных ситуациях;
- в проведении анализа и обобщении работ по применению
существующих средств индивидуальной защиты людей при нештатных
ситуациях;
- в установлении факторов, влияющих на дыхательный коэффициент, при
использовании индивидуальных средств защиты в нештатных ситуациях;
- в разработке конструкций трёхступенчатых лёгочных автоматов
рычажного и мембранного типов для кислородно-дыхательных аппаратов;
- в проведении лабораторно-стендовых испытаний лёгочных автоматов
для кислородно-дыхательных аппаратов.
Практическая ценность работы
Полученные соискателем результаты позволяют:
- выбрать наиболее надёжные и безопасные схемы-маршруты вывода
горнорабочих из шахты при аварийных ситуациях;
определить оптимальные сечения площади отверстий аварийного клапана, клапана редуктора, дозирующего штуцера лёгочного автомата в зависимости от различных режимов работы;
разработать трёхступенчатые лёгочные автоматы рычажного и мембранного типов для кислородно-дыхательных аппаратов;
- экономно расходовать кислород в дыхательной смеси;
- обеспечить гарантированное спасение горнорабочих, находящихся в горных выработках, при нештатных ситуациях.
Реализация работы. Полученные результаты и выводы по диссертационной работе использованы при подготовке выемочного блока лавы № 640 пласта Сычёвского-3 шахты «Грамотеинская». Разработка конструкций трёхступенчатых лёгочных автоматов использованы при изготовлении регенеративного респиратора с длительным сроком защитного действия.
Апробация работы. Основные положении работы докладывались и получили одобрение на научно-технических советах РосНИИГД, Центрального штаба ВГСЧ угольной промышленности, Новокузнецкого, Прокопьевского и Кемеровского ОВГСО, Международной научно-практической конференции (Кемерово, 2002г.), Международной научно- практической конференции «Белые ночи» (г. Санкт-Петербург, МАНЭБ, 2003г.), ОАО УК «Кузбассуголь», НЦ ВостНИИ.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, в том числе 6 статей и 4 патента.
Средства индивидуальной защиты применяемые в горноспасательном деле
Первопричиной появления газозащитной дыхательной аппаратуры в горном деле, явилось желание защитить себя от вредных рудничных газов и возможность выполнять определённую работу в непригодной для дыхания атмосфере, а именно - спасение людей и ликвидацию аварий.
Создать аппарат, защищающий органы дыхания человека от внешней среды, пытались ещё в 18 веке. Однако, дальше примитивного мешка с запасом воздуха, дело не двигалось. Дыхание в таком аппарате осуществлялось по принципу акваланга. Из мешка производился вдох, а выдох происходил в атмосферу. Время защитного действия подобной конструкции напрямую зависело от ёмкости мешка и объёма лёгких дышащего человека. В последствии, газозащитные аппараты индивидуального назначения получили общее название: средства индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗ). В зависимости от среды, в которой они используются, их можно подразделить на высотные, наземные и подводные. Высотные дыхательные аппараты применяют в авиации при полётах на больших высотах. Если для дыхания используется кислород без примесей других газов, то использование подобных аппаратов возможно при минимальном атмосферном давлении до 7кПа [13]. Наземные дыхательные аппараты применяются на поверхности земли и под землёй, учитывая незначительные изменения в колебаниях давления. Подводные дыхательные аппараты применяются для водолазных работ. Дыхание в этих аппаратах: осуществляется специальными кислородно гелиевыми смесями. На рисунке 1.2.1. показана структурная схема СИЗ по их классификации.
В зависимости от механизма защиты органов дыхания, СИЗ можно разделить по направлениям: фильтрующие и изолирующие. Предназначение фильтрующих аппаратов заложено в самом названии, т.е. фильтровать газовоздушную среду от какого-либо вредного влияния на организм человека, будь это газ, пыль, аэрозоль и т. д. Изолирующие аппараты полностью изолируют органы дыхания человека от внешней среды, они более надёжны и обеспечивают вдох чистого воздуха или кислорода из самого аппарата. И те и другие аппараты имеют свои степени защиты, характерные для среды, в которой они применяются. В свою очередь, изолирующие аппараты можно подразделить на автономные и шланговые. Автономные СИЗ обеспечивают подачу дыхательной смеси из самого аппарата. Они удобны и мобильны в работе, но ограничены временем их использования, которое зависит от запаса дыхательной смеси.. Шланговые, наоборот, не ограничены во времени дыхательной смесью, но создают неудобства при передвижениях, поэтому их применяют при выполнении стационарных работ, не связанных с большими перемещениями в пространстве. Автономные СИЗ тоже делятся на две группы: регенеративные дыхательные аппараты и резервуарные. В регенеративных аппаратах дыхательная смесь формируется за счёт регенерации выдыхаемого воздуха, путём поглощения углекислого газа, и добавления кислорода из резервуара аппарата. Затем регенерированная смесь используется для новых вдохов и далее - процесс повторяется. Такая схема называется закрытой, так как дыхание происходит по замкнутому контуру. Резервуарные аппараты отличаются от регенеративных тем, что у них отсутствует процесс регенерации. Выдыхаемый воздух в этих аппаратах выбрасывается наружу. Такая схема называется открытой и, как следствие, требует большего запаса дыхательной смеси в 20-25 раз [13]. По такой схеме работают современные акваланги. Достоинствами резервуарных аппаратов считается простота их конструкции и возможность дышать чистым воздухом с низкой концентрацией углекислого газа и нормальной концентрацией кислорода.
Их применяют при выполнении стационарных работ, не связанных с большими перемещениями в пространстве. Автономные СИЗ тоже делятся на две группы: регенеративные дыхательные аппараты и резервуарные. В регенеративных аппаратах дыхательная смесь формируется за счёт регенерации выдыхаемого воздуха, путём поглощения углекислого газа, и добавления кислорода из резервуара аппарата. Затем регенерированная смесь используется для новых вдохов и далее - процесс повторяется. Такая схема называется закрытой, так как дыхание происходит по замкнутому контуру. Резервуарные аппараты отличаются от регенеративных тем, что у них отсутствует процесс регенерации. Выдыхаемый воздух в этих аппаратах выбрасывается наружу. Такая схема называется открытой и, как следствие, требует большего запаса дыхательной смеси в 20-25 раз [13]. По такой схеме работают современные акваланги. Достоинствами резервуарных аппаратов считается простота их конструкции и возможность дышать чистым воздухом с низкой концентрацией углекислого газа и нормальной концентрацией кислорода. Однако использовать эти аппараты для защиты органов дыхания более одного часа не рекомендуется, так как большой вес аппарата перечеркнёт все его достоинства.
В угольной промышленности применяются регенеративные СИЗ, которые условно можно разделить на респираторы и изолирующие самоспасатели. Слово респиратор произошло от латинского "respirare" -дышать. Респираторы используются подразделениями ВГСЧ при ликвидации аварий, а изолирующие самоспасатели предназначены для выхода людей из шахты при возникновении аварии, т. е. для самоспасения без посторонней помощи.
Первым аппаратом, с запасом сжатого кислорода, считается респиратор «Аэрофор». Его сконструировал профессор Льежского университета из Бельгии Т.Шванн. Респиратор Шванна состоял из двух баллонов, объёмом по 7 литров каждый, заполненных кислородом под давлением 0,6-0,7 МПа, регенеративного патрона и дыхательного мешка. Дыхание в респираторе осуществлялось через загубник. На нос надевался носовой зажим. Регенерация выдыхаемого воздуха производилась зёрнами гидрата оксида кальция, пропитанного щёлочью NaOH. Подача кислорода из баллона регулировалась вручную, по мере необходимости. В конструкции аппарата уже учитывались физиологические особенности дыхания. В состоянии покоя человек потреблял кислород до 0,5 л/мин, а при выполнении работ — от 1,5 до 3,0 л/мин. Вес респиратора был достаточно высок - 24 килограмма, а срок защитного действия составлял всего 30-45 минут. Однако принципиальная схема аппарата «Аэрофор», представленная на рисунке 1.2.2., сохранилась до настоящего времени и успешно применяется в современных регенеративных дыхательных аппаратах.
Главный недостаток первого респиратора заключался в ручной регулировке подачи кислорода. Впервые автоматизировал этот процесс австрийский горный инженер Майер (респиратор «Майер-Пилар», модель 1897 года). Для этого он применил редукционный клапан Рукейроля — прообраз будущих лёгочных автоматов. Из баллона кислород попадал в камеру высокого давления, а из неё - в расходную камеру. По мере накопления кислорода в ней, его давление выгибало диафрагму и специальным клапаном запирало отверстие, через которое поступал кислород. После падения давления в расходной камере, диафрагма принимала первоначальный вид и открывала отверстие между камерами. Попытки совместить функции дыхательного мешка и регенеративного патрона, не получили дальнейшего развития. Для этого в мешок насыпали зёрна едкого калия, либо помещали матерчатые сетки и гранулированную пемзу, пропитанные раствором щёлочи (респиратор «Прото» Флейса-Девиса модели 1926 года). При этой системе не происходило полноценного поглощения углекислоты и она, на вдохе, превышала норму.
Первый лёгочный автомат, подающий в систему столько кислорода, сколько нужно, был изготовлен в 1907 году английским инженером Гарфортом и установлен в респираторе B.E.G., а уже в 1923 году появились респираторы фирмы «Дрегер» с комбинированной подачей кислорода через лёгочный автомат и дозировочное устройство.
Физиологические требования, предъявляемые к регенеративным дыхательным аппаратам
Основным видом технического вооружения горноспасателей, обеспечивающим их бесперебойную работу в удушливой атмосфере, является изолирующий регенеративный респиратор. Для выхода людей из аварийной зоны, применяются изолирующие самоспасатели. От их качества и умелого использования зависит не только жизнь горноспасателей, но и всех людей, застигнутых аварией в шахте.
Физиологические требования, предъявляемые к регенеративному респиратору и изолирующему самоспасателю, допускают некоторое ухудшение условий дыхания, в пределах строгих норм, по сравнению с нормальными условиями. В некоторых случаях, наоборот, требуют улучшения этих условий.
Например, в зоне высоких температур требуется охлаждение воздушной смеси на вдохе по отношению к условиям на месте работ.
Основным документом, регламентирующим физиологические и технические требования, является отраслевой стандарт ОСТ 12.43.247-83. Установленные настоящим стандартом требования относятся к высшей категории качества, в основе которого заложены главные функции: обеспечение надёжной защиты органов дыхания человека от непригодной для дыхания воздушной среды.
Коэффициент защиты регенеративного респиратора должен быть не менее 5x103, что обеспечивает защиту органов дыхания в воздушной среде с коэффициентом токсической опасности не более 5x10 . На практике следует ориентироваться на объёмную долю оксида углерода — 10%, или эквивалентное содержание смеси других вредных газов. Для обеспечения подобного коэффициента защиты, герметичность воздуховодной системы респиратора должна быть такой, чтобы падение проверочного давления, при разряжении 800 Па, не превышало 50 Па за минуту. Коэффициент защиты лицевой части должен быть не менее 104.
Температура окружающего воздуха, при которой респираторы должны обеспечивать защиту, принята от — 20 до + 60С, при относительной влажности 100%. Диапазон атмосферного давления принят 70 - 125 кПа, что соответствует значениям: -1,8 + 3,0 км, по отношении к уровню моря.
В респираторах со сжатым кислородом, для поглощения углекислого газа, должен применяться химпоглотитель ХПИ по ГОСТ 6755 - 88Е или другой сорбент на основе гидроксидов щелочных металлов. В зависимости от условий применения, респираторы делятся на основные и вспомогательные. Основные предназначены для выполнения всех видов работ в непригодной для дыхания атмосфере и являются основным средством индивидуальной защиты органов дыхания профессиональных горноспасателей. Лёгочная вентиляция аппаратов должна соответствовать условиям 12 - 84 л/мин., а потребление кислорода 0,47 - 3,16 л/мин. Стандартом установлено гарантированное время защитного действия основного респиратора - 4 часа, для вспомогательного - 2 часа. Общий запас кислорода в респираторе складывается из следующих составляющих: - полезно-потребляемого объёма, равного произведению потребления кислорода в режиме средней тяжести (табл. 1.5.1) - 1.14 л/мин (СУ) на гарантированное время защитного действия, плюс резерв — 10% от его значения; - объёма, расходуемого на автоматическую продувку воздуховодной системы от скопления азота - не менее 10% от полезно-потребляемого объёма; - остаточного объёма, который технически не может быть использован. со сжатым кислородом - уменьшение давления в баллоне до 1 атм. В респираторе с жидким кислородом — уменьшение его объёма до 10% от полного. В респираторе с химически-связанным кислородом - уменьшение коэффициента регенерации кислородосодержащего продукта до величины менее 1,2. Стандарт допускает использование в респираторах со сжатым кислородом одного из трёх способов кислородопитания: - с постоянной подачей не менее 3,0 л/мин (СУ); - с комбинированной подачей - постоянной, не менее 1,2 л/мин (СУ), и лёгочно-автоматической; - лёгочно-автоматической подачей в сочетании с постоянной менее 1,2 л/мин (СУ), или вообще без последней, но с продувочным устройством, удаляющим газовую смесь в количестве не менее 10% от расходуемого кислорода. Регенеративный патрон респиратора должен обеспечивать поглощение суммарного объёма углекислого газа, равного произведению его выделения, в количестве 1 л/мин, на гарантированное время защитного действия (ВЗД). Критерием исчерпания поглотительной способности патрона по гарантированному ВЗД является увеличение объёмной доли углекислого газа выше допустимого значения в дыхательном мешке. В течение гарантированного ВЗД, парциальное давление кислорода во вдыхаемой смеси не должно быть менее 20 кПа, а углекислого газа — не менее 2 кПа, при атмосферном давлении 70 — 125 кПа, что соответствует объёмным долям кислорода и углекислого газа 21 и 2%. Содержание углекислого газа в мешке всегда несколько ниже, чем на вдохе, из-за влияния вредного пространства лицевой части, поэтому оно лимитировано объёмом 0,25 дм3. С учётом такого значения вредного пространства, установлены следующие нормы объёмной доли углекислого газа в дыхательном мешке респираторов с круговой циркуляцией в течение гарантированного ВЗД: средние - не боле 0,3% для основного и 0,5% для вспомогательного респиратора; максимальные — соответственно 1 и 1,2%. Среднее сопротивление вдоху и выдоху, в респираторах со сжатым кислородом, не должно превышать 220 Па, для основных респираторов, и 300 Па - для вспомогательных, а максимальное - соответственно 350 и 500 Па. Тепловые параметры вдыхаемой газовой смеси нормируются для двух значений температуры окружающего воздуха: 25 С в течение гарантированного ВЗД, и 40С в течение 30 минут с начала работы. В соответствии с таблицей пребывания в зоне высоких температур [1], при 40С допускается работа в респираторе в течение 18 минут. Зоны допустимых значений тепловых параметров видны из диаграммы [13], влагосодержание - удельная энтальпия (d - h) для влажного воздуха (Рис. 1.5.1). 100 120 140 160 180 h, кДж/кг
Они ограничены двумя кривыми относительной влажности р :100 и 40%. Более сухой воздух непригоден для дыхания. Стандартом определена также минимальная температура вдыхаемой газовой смеси. Она должна быть не менее 5С. Максимальные значения тепловых параметров ограничены тремя уровнями удельной энтальпии (142, 155 и 180 кДж/кг) и тремя уровнями температуры вдыхаемой газовой смеси t (40,5; 42 и 45С), которые образуют зоны 1,2 и 3. Наиболее благоприятными параметрами должен обладать основной респиратор в диапазоне температур до 40С (зона 1). Несколько худшими - при температуре 45С (зоны 2 и 3). Если относительна влажность вдыхаемого воздуха, всё время близка к 100%, то можно использовать значение температуры вдыхаемого воздуха для границ этих зон (37; 38,5; 41,5С).
Содержание углекислого газа в дыхательном мешке не должно превышать 1,5% за весь период ВЗД, при любом режиме, а температура вдыхаемого воздуха не должна быть выше 45С. Габаритные размеры основных изолирующих регенеративных респираторов не должны превышать значений: длина. — 460 мм, ширина — 400 мм,, высота - 175мм. Масса снаряжённого основного респиратора ограничена 12 кг, вспомогательного — 9.0 килограммами. Если, по требованию заказчика, респиратор комплектуется дополнительными устройствами, не предусмотренными настоящим стандартом, то допускается увеличение его массы на 5%. Рабочее положение основного респиратора на спине, а вспомогательного на спине, груди или на левом боку. Центр массы респиратора, расположенного на спине или груди, должен находиться не далее, чем в 50 мм от сагиттальной плоскости человека.
Воздуховодная система должна иметь автоматически действующий избыточный клапан, открывающийся при переполнении дыхательного мешка и выпускающий избыток воздуха в окружающую среду.
В отличие от физиологических требований, технические требования к изолирующим регенеративным респираторам и самоспасателям составляются с целью обеспечения такой конструкции аппарата, при которой было-бы удобно и надёжно производить все виды горноспасательных и технических работ в шахте, как этого требуют современные нормативные документы.
Редуктор понижении давления кислорода, избыточный клапан
В регенеративных дыхательных аппаратах существуют три ступени давления кислорода: высокое -ри которое изменяется от 20 МПа до величины нормального редуцирования (1 МПа); редуцированное - р2 (пониженное редуктором до 0,4 МПа) и давление в воздуховодной системе - рат, равное атмосферному (0,1 МПа). Процесс истечения газов зависит от отношения абсолютных давлений среды, из которой происходит истечение, и куда истекает газ. Теоретически скорость истечения газа происходит на уровне звуковой, однако она несколько ниже из-за потерь на трение и теплоотдачу при движении по каналам. Количество газа протекающего по каналам в единицу времени можно подсчитать по формуле: где: // - коэффициент истечения; Sd — площадь поперечного сечения дросселя, м2; р - давление кислорода перед дросселем, Па; к = 1,4 -показатель адиабаты кислорода; R = 260 - удельная газовая постоянная кислорода, Дж / (кг -К); Т— абсолютная температура в зоне истечения, К. Преобразовав данное выражение, и подставив численные значения, получим:
По этой формуле определяют количественный расход кислорода, который протекает через дроссели постоянного сечения и сёдла клапанов при их полном открытии. В первом случае fl = 0,9; во втором - ц = 0,7-0,8. Тогда диаметр проходного отверстия дросселя будет равен:
По принципу действия редуктор является регулятором давления газа с отрицательной обратной связью [13]. В регенеративных респираторах применяются редукторы прямого и обратного действия. На рисунке 4.2.1 показана принципиальная схема работы редукторов прямого и обратного действия.
Давление газа в редукторе поддерживается на трёх уровнях. Высокое давление/?/ от кислородного баллона до клапана 6 - камера А. Редуцированное давление р2 — камера В до штуцера 3 и р„т — камера С, находящаяся над мембраной 9. Работа редуктора происходит следующим образом. Высокое давление кислорода истекает через зазор между клапаном 6 и седлом 7 (из камеры А в камеру В) до тех пор, пока в камере В не установится расчётное давление. Кольцевой зазор образуется в результате взаимодействия усилий пружин 2 и 5, мембраны 9, а также величины давлений в камерах А, В и С.
Силой Fi, под действием которой открывается клапан 6, считают усилие пружин 2 и 5 и жёсткость мембраны 9. Закрыть клапан стремится сила F2, которая возникает в результате давления кислорода в камере В на мембрану 9. В равновесии системы принимает участие ещё одна сила F3, равная произведению величины высокого давления (камера А) на площадь клапана, которая равна поперечному сечению седла 7.
Принципиальное отличие редуктора обратного действия от редуктора прямого действия заключается в том, что клапан 6 находится в камере высокого давления А, а его толкатель проходит внутри седла. Здесь сила F3 стремится закрыть клапан 6. Уравнение равновесия системы редукторов прямого и обратного действий имеет вид: Знак (+) относится к редуктору прямого действия, а знак (-) - к редуктору обратного действия. Определить силу Fi можно через её начальное давление F при закрытом клапане: где г — суммарная жёсткость всех упругих элементов системы, Н/м; hk — высота подъёма клапана, м.
Сила F2 определяется как произведение разности давлений в камерах В и С на эффективную площадь мембраны Л , м : где D и d - диаметры свободной части мембраны и жёсткого центра, м. где Sc — площадь седла клапана, м2.
Тогда уравнение равновесия системы (4.5) можно представить в виде: Максимальный расход газа в редукторе прямого действия обеспечивается при высоте подъёма клапана hk max" 0,25dc, а в редукторе обратного действия hkmax= (с - j/4dc , где dt — диаметр толкателя [13].
Основным показателем работы редуктора, как регулятора давления, является устойчивость редуцированного давления р2 при изменении двух параметров: давления на входе pj и массового расхода газа т. Давление р2 связано с первичным давлением и массовым расходом газа сложной функциональной зависимостью, называемой статической характеристикой редуктора р2 — p2(Pi п)- Зависимость изменения редуцированного давления Ар2 от pi можно определить, приняв т = 0, т.е. для безрасходного режима: Изменение редуцированного давления пропорционально отношению площади седла клапана и эффективной площади мембраны. В редукторе прямого действия редуцированное давление уменьшается, при падении первичного давления, а в редукторе обратного действия — увеличивается.
В рассматриваемом регенеративном респираторе предлагается использовать редуктор обратного действия, аналогичный респиратору Р-30.
Избыточный клапан регенеративного респиратора служит для выпуска избыточного воздуха из воздуховодной системы. В предлагаемом респираторе предусматривается использование избыточного клапана, установленного на верхней плоскости дыхательного мешка под рычагом лёгочного автомата. При полном дыхательном мешке головка избыточного клапана 11 (Рис. 4.2.2) упирается в рычаг лёгочного автомата. мешка. Внутри корпуса имеется пружина 10, которая прижимает шток с прокладкой 8 к седлу. Усилие, с которым происходит прижим, регулируется регулировочной головкой 11 и контргайкой 9. Регулировка осуществляется таким образом, чтобы клапан открывался при избыточном давлении внутри мешка 10 - 30 мм. вод. ст. Для предупреждения подсосов через клапан, в нижней части корпуса предусмотрен предохранительный клапан 4, представляющий собой слюдяной диск, который свободно сидит на седле 2. Движение клапана 4 регулируется ограничителем 3. При смене избыточного давления в дыхательном мешке на разряжение, клапан 4 прижимается к седлу и препятствует проникновению воздуха внутрь. Регулировка избыточного клапана производится на месте, не вынимая его из дыхательного мешка.
Кислородный баллон, холодильник
В отечественных регенеративных респираторах применяются малолитражные баллоны вместимостью от 0,4 до 2,0 литров (ГОСТ 949 - 73), изготовленные из углеродистой или легированной стали. Они рассчитаны на рабочее давление 20 МПа. Основные технические данные приведены в табл.4.4.1 (ГОСТ 949 — 73). Условный запас кислорода определяется умножением вместимости баллона на рабочее давление. Фактический запас кислорода несколько отличается от условного, поскольку при давлении в 20 МПа происходит сжатие кислорода как реального газа. Масса баллона с кислородом составляет около 30% общего веса респиратора. Для снижения веса баллона, его корпус стали изготавливать из более тонкой высоколегированной стали, армируя с внешней стороны стеклопластиковыми жгутами, пропитанными эпоксидной смолой.
Это позволяет увеличить удельный запас кислорода в баллоне до 280 л/кг. На верхней сферической части баллона выбивается клеймо, где в хронологическом порядке указывается: товарный знак завода-изготовителя; номер баллона; фактическая масса пустого баллона с точностью до 0,1 кг; дата (месяц, год) изготовления (испытания) и год следующего испытания; рабочее (Р) и пробное (П) давление, кгс/см ; вместимость баллона, л; клеймо ОТК.
Малолитражные баллоны представляют собой цилиндры, ограниченные со стороны оснований полушариями с радиусами, равными радиусу оснований. Внутренний объём баллона (водная ёмкость) подсчитывается по формуле: Где: V- водяная ёмкость, л; г — внутренний радиус баллона, см; h — высота цилиндрической части баллона, см. Зная внутренний радиус баллона можно рассчитать наружный по формуле (7, стр.309): Где: R — наружный радиус баллона, мм; г — внутренний радиус баллона, мм; к - установленный наименьший предел текучести материала, из которого изготавливается баллон, кг/см (для легированных сталей к= 85-90); q - коэффициент безопасности равный 1,5; Р - максимальное рабочее давление в баллоне - 200 кг/см2. Толщина стенки баллона определяется как разница между внешним и внутренним радиусом.
Холодильник. Охлаждение воздуха в регенеративных дыхательных аппаратах имеет большое значение, особенно при работе в зоне высоких температур (выше 26С). При выполнении тяжёлой интенсивной работы, также рекомендуется снижать температуру вдыхаемого воздуха даже в тех случаях, когда температура окружающей среды ниже 26С. Это улучшает самочувствие респираторщика и создает комфортность при выполнении работы. Охлаждающий эффект зависит от перепада температур поверхности, её площади и теплопроводности. Одним из основных факторов отвода тепла, наряду с удельной энтальпией охлаждаемого воздуха, является температура в зоне реакции химического реагента. Чем выше температура, тем интенсивнее тепловой поток и большее количество тепла отводится через стенки регенеративного патрона, и меньше попадает в дыхательный мешок.
В регенеративном респираторе с ХПИ, при температуре окружающей среды 25С, максимальная температура теплового напора составляет 25С. В респираторе с щелочным сорбентом - 75-100С, а в респираторе с супероксидом калия - 300-350С. Наиболее благоприятные условия дыхания создаются в респираторах с щелочным сорбентом и особенно с супероксидом калия. Этому способствует осушение воздуха данными сорбентами, чего не происходит при использовании ХПИ, где воздух предельно насыщен влагой при любой температуре. Сухой воздух охлаждается лучше, чем влажный. Для охлаждения одного килограмма предельно влажного воздуха на 10С (от 50 до 40) необходимо убрать ПО кДж теплоты. При тех же условиях и 50% относительной влажности - 55 кДж. теплоты. Теплоотвод от респиратора с известковым сорбентом (ХПИ), при температуре среды 40С, значительно уменьшается, а при 50С — прекращается совсем (13, стр. 105).Для снижения температуры вдыхаемого воздуха, в изолирующих респираторах применяют холодильники. Их эффективность зависит от вида хладагентов, его массы и места расположения в системе респиратора. По физическим свойствам хладагенты можно разделить на три группы (табл.4.4.2).
Как видно из таблицы 4.4.2., в первую группу попадают хладагенты, которые хранятся в жидком виде в баллонах под давлением. Неограниченное время хранения и транспортабельность позволяют применять их в широком диапазоне. Однако, большой вес баллонов, необходимость иметь специальное оборудование, низкая удельная теплота фазового превращения и токсичность (аммиак) не позволяют использовать их в качестве хладагентов в подземных условиях.
Вещества, отнесённые ко второй группе, хранятся неограниченное время при атмосферном давлении. Они также всегда готовы к применению, но пожароопасны и токсичны. Исключение составляет вода. У неё самая высокая удельная теплота фазового превращения, но из-за высокой влажности в шахте, она также не может использоваться в качестве хладагента для респираторов.
Наиболее подходящие хладагенты находятся в третьей группе. Все вещества, входящие в неё, обладают ограниченным сроком хранения. Необходимы специальные средства для поддержания их в постоянной готовности к применению. Самым простым из них является водяной лёд. Он нетоксичен и прост в изготовлении. Для этого используются специальные морозильные камеры и контейнеры. Снаряжённые водяным льдом холодильники, применяются в современным респираторах — Р-30 и Р-34. Брикеты с водяным льдом хранят в термосах. При 40С, применение водяного льда, в качестве хладагента, позволяет снизить температуру вдыхаемого воздуха на 8С, т.е. поддерживать её на уровне 25С без льда.
Наиболее эффективным хладагентом этой группы является твёрдый диоксид углерода (сухой лёд). Отличительная его особенность - он сублимируется, т.е. испаряется, переходя из твёрдого состояния в газообразное. Основным недостатком является невозможность его доставки на шахту одновременно с отделениями, выезжающими на ликвидацию аварии. А при хранении и транспортировке, происходят значительные потери льда. Жидкий кислород является одновременно и дыхательным компонентом. Охлаждающий эффект получают в результате продувки воздуховодной системы респиратора испарившимся жидким кислородом. При этом удельная температура фазового превращения составляет 185 кДж/кг.
В предлагаемом респираторе, в качестве хладагента используется водяной лёд. Холодильник представляет собой два стандартных охлаждающих элемента (ОЭ) второй модификации, применяемых в теплозащитных костюмах «Дон». Они имеют прямоугольную форму размером 210x100x15 и изготовлены из полиэтилена высокого давления методом термосклеивания. Масса заливаемой воды в ОЭ - 350 грамм. Охлаждающие элементы крепятся на крышке респиратора, с внутренней стороны, в специальных карманах. Для улучшения теплоизоляции, между карманами с ОЭ и крышкой респиратора, предусматривается наличие асбестовой прокладки в металлической фольге. В зависимости от условий эксплуатации, в качестве холодильника, допускается использование одного ОЭ.
