CC BY
8
С.Н. Вершинин
канд. хим. наук, старший научный сотрудник Института углехимии и химического материаловедения СО РАН
УДК 622.807.614.894.3
экспериментальные исследования применения кристаллогидратов неорганических солей для охлаждения дыхательной смеси в шахтных самоспасателях
Проведены экспериментальные исследования новых материалов для охлаждающих элементов самоспасателей, работающих на химически связанном кислороде.
Показано, что предлагаемые охлаждающие элементы самоспасателей, использующие эффект разложения кристаллогидратов неорганических солей в момент вдоха, имеют лучшие охлаждающие свойства по сравнению со стандартно оснащенными самоспасателями.
Ключевые слова: САМОСПАСАТЕЛЬ, МАЯТНИКОВЫЙ, ТИП, СТЕНДОВЫЕ, НАТУРНЫЕ, ИСПЫТАНИЯ, ДЫХАТЕЛЬНАЯ, СМЕСЬ, ИЗМЕНЕНИЕ, ТЕМПЕРАТУРА, ВДОХ, АЭРОДИНАМИЧЕСКОЕ, СОПРО ТИВЛЕНИЕ, ДЫХАНИЕ, ВЛАЖНОСТЬ
Теоретические расчеты показали, что перспективными материалами для охлаждения дыхательной смеси в самоспасателях маятникового типа являются кристаллогидраты неорганических солей. Согласно термохимическим данным, они должны поглощать больше тепла, чем стандартный металлический теплообменник, применяемый в настоящее время. Высокое удельное поглощение тепла позволит улучшить характеристики используемых самоспасателей без изменения их основной конструкции. Изменения коснутся только теплопоглощаю-щего материала.
Чистые соли не могут являться непосредственно теплопоглощающими материалами. Они имеют слишком низкую механическую прочность, склонны к пылеобразованию и при испарении воды или ее поглощении заметно меняют объем. Из изложенного можно сделать вывод, что даже при простом хранении в те-
чение гарантийного времени службы самоспасателя охлаждающий элемент, приготовленный из солей, образующих кристаллогидраты, может ухудшить свои свойства. При эксплуатации самоспасателей в шахтах от неизбежной тряски и прочих механических нагрузок они с большой вероятностью могут разрушиться, поэтому возникает вопрос о разработке теплопоглощаю-щего элемента, не чувствительного к подобным воздействиям.
Такая задача успешно решена при изготовлении гетерогенных катализаторов [1]. На поверхность инертного, механически прочного, дешевого носителя наносится тонкий слой активного вещества, обладающего каталитическими свойствами. Механические нагрузки, возникающие в процессе работы реактора, например воздействие потока газа или жидкости на катализатор, принимает на себя инертный носитель. Тонкий слой каталитического материала обеспечивает химические
процессы, протекающие в реакторе. Выбор инертных носителей весьма широк. Чаще всего ими являются тугоплавкие оксиды. Современная промышленность предлагает широкий выбор таких носителей с разнообразными свойствами. В качестве инертного носителя был выбран силикагель ШСМ. Он имеет развитую поверхность с широкими порами, обеспечивающими адсорбцию необходимого количества соли, образующей кристаллогидрат. Сравнительно невысокая термическая стойкость силикагеля для охлаждающего устройства не имеет значения. Температура дыхательной смеси перед охлаждающим устройством не превышает 80 0С, что заведомо ниже температуры сушки нанесенной соли 120-125 0С. Методика нанесения соли на поверхность силикагеля полностью повторила стандартную методику нанесения катализатора. Силикагель был промыт от возможных загрязнений. Затем был высушен при 120-125 0С. Подготовленный таким
способом силикагель был пропитан раствором соответствующей соли, и полученный композит был просушен также при 120-125 0С. Такой режим сушки обеспечил обезвоживание самых гигроскопичных материалов, например хлорида кальция. Масса нанесенной соли рассчитывалась по разнице масс исходного силикагеля и готового продукта. Количество нанесенной соли соответствовало 5-6-кратному избытку по сравнению с ее минимально необходимым количеством. Для безводного хлорида кальция, например, теоретически необходимое количество равно 81 мг. Избыток соли необходим, так как с потоком дыхательной смеси взаимодействуют только молекулы, находящиеся на поверхности. Внутренние молекулы фактически являются «балластом» и не принимают участия в охлаждении газа. Вопрос о нанесении только молекулярного слоя реагента на поверхность носителя еще не решен и будет поставлен в последующих исследованиях. Испытания полученных охлаждающих материалов были проведены в корпорации «Росхимзащита» (г. Тамбов). На лабораторной установке «искусственные легкие» была измерена температура входящей дыхательной смеси на модели самоспасателя, оснащенного серийным теплообменником. Далее
были проведены эксперименты с охлаждающими элементами, с кристаллогидратами.
Результаты экспериментов приведены в таблице 1.
Из таблицы 1 видно, что заметных отличий между стандартным теплообменником и исследуемыми теплообменниками, содержащими силикагель, не наблюдается. Во многих точках температура у исследуемых теплообменников была даже выше, чем у серийного. Это можно объяснить тем, что нанесенный материал забил поры силикагеля, тем самым уменьшил реакционную поверхность, и у кристаллогидратов работала очень незначительная часть молекул. Для улучшения характеристик охлаждающего устройства был синтезирован охлаждающий элемент, содержащий нетканое волокно, пропитанное хлоридом кальция. Технология приготовления такого композиционного материала разработана также для приготовления катализаторов [2]. Обработанное таким образом волокно было помещено в виде плоского листа толщиной примерно 2 мм в стандартный патрубок для охлаждающего элемента перпендикулярно потоку газовой смеси. В последнем столбце таблицы 1 видно, что этот охлаждающий элемент заметно превосходит стан-
дартный. Затем этот охлаждающий элемент был испытан в отделе технического контроля корпорации «Росхимзащита» на установке фирмы «AUER», одновременно был испытан стандартный теплообменник. Результаты приведены в таблице 2.
Видно, что на всем протяжении эксперимента наблюдается устойчивое снижение температуры вдыхаемой газовой смеси у испытуемого теплообменника по сравнению с серийным. Таким образом, кристаллогидрат хлорида кальция является лучшим охлаждающим элементом по сравнению с алюминием. Вместе с тем следует отметить, что аэродинамическое сопротивление опытного образца заметно менялось во время испытаний и в некоторые моменты было выше допускаемого. Это означает, что необходим поиск других материалов, содержащих кристаллогидраты, для получения результатов, соответствующих стандарту на испытания самоспасателей. Из анализа полученных результатов видно, что температура газовой смеси на установках заметно отличается. Это связано с особенностями установок и промежуточным охлаждением смеси при ее прохождении от регенеративного патрона до охлаждающего устройства. В установке «AUER» оно сделано с
Время с начала испытаний, мин Температура на «вдохе», иС, для испытанных теплообменников
Стандартный Силикагель + CaCI2 Силикагель + СаВг2 Силикагель + MgS04 Силикагель + LiCI Волокно + CaCI2
10 49,7 53,0 49,2 51,2 50,5 47,5
20 52,6 55,5 54,0 53,6 52,8 50,6
30 52,4 55,7 56,4 55,4 53,5 52,1
40 54,2 57,2 58,3 56,8 55,0 52,9
50 58,5 60,1 59,8 61,0 57,1 54,8
60 60,4 60,0 62,3 61,3 57,6 56,0
68 64,5 62,4 62,3 61,3 60,0 59,9
Таблица 1 - Температура дыхательной газовой смеси после охлаждения различными теплообменниками
Таблица 2 - Результаты испытаний стандартного и волокнистого теплообменников на установке «AUER»
Время с начала испытаний, мин 10 20 30 40 50 60 68
Температура на вдохе для стандартного теплообменника, °С 37,0 42,0 45,0 47,0 50,0 51,6 52,0
Температура на вдохе для теплообменника, содержащего волокно с СаС12, °С 35,0 39,0 40,0 42,0 44,5 47,0 48,0
максимальным приближением к реальным условиям. На лабораторной установке существуют отклонения; кроме того, лабораторная установка не помещена в термостат. Для экспериментальных исследований это не имеет значения, так как все исследования проведены в режиме сравнения со стандартным образцом.
Были также проведены натурные испытания охлаждающего устройства, содержащего кристаллогидраты, горноспасателями Кемеровского ОВГСО. К испытаниям были привлечены два опытных респираторщи-ка, имеющих приблизительно одинаковые возрастные и физические показатели. Испытания проведены в учебно-тренировочном комплексе Кемеровского ОВГСО, включающего в себя тепловую камеру, учебную шахту, лестницы и этажные коридоры. Испытателями выполнялись упражнения в виде хождения по
горизонтальным, наклонным «выработкам» вверх и вниз в среднем темпе, с остановкой через каждые 5-10 мин для снятия показаний температуры дыхательной газовой смеси и физиологического состояния организма. Температура дыхательной газовой смеси измерялась постоянно включенным электротермометром ТГО-2 с регистрацией показаний каждые 5 мин воздуха. В таблице 3 приведены результаты испытаний самоспасателей, снабженных стандартным охлаждающим устройством и охлаждающим элементом, состоящим из силикаге-ля с нанесенным на него хлоридом кальция.
Из результатов испытания видно, что за все время испытаний температура вдыхаемой смеси с охлаждающим элементом, содержащим кристаллогидрат хлорида кальция, заметно ниже, чем у стандар-
тно оснащенного самоспасателя. Разность температур достигает 15 0С, что не наблюдалось при стендовых испытаниях в корпорации «Росхимзащита». Возможно, это связано с неизвестными физиологическими особенностями дыхания человека. По субъективным ощущениям испытателя исследуемого охлаждающего устройства, во время испытаний наблюдалось повышенное аэродинамическое сопротивление дыханию. Вдыхаемая газовая смесь была заметно влажной, наблюдалось даже появление слюны. После устранения повышенного аэродинамического сопротивления дыхание в таком самоспасателе можно считать комфортным. При работе со стандартно оснащенным самоспасателем вдыхаемая газовая смесь имеет практически нулевую влажность, поэтому при работе в нем наблюдалось постоянное нарастание сухости во рту.
Время работы в Температура вдыхаемой газовой смеси, иС, в самоспасателе
самоспасателе, мин со стандартным охлаждающим устройством с охлаждающим устройством, содержащим кристаллогидрат
0 30,2 27,5
5 44,8 32,5
10 45,3 33,9
19 45.8 33,0
24 47,3 33,8
28 46,6 34,3
37 49,0 34,8
43 48,0 35,4
50 50,5 35,6
Таблица 3 - Результаты испытаний самоспасателей с разными охлаждающими устройствами
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
• стендовая проверка охлаждающих устройств, содержащих кристаллогидраты неорганических солей, показала правильность расчетов их эффективности;
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Веселов, В.В. Кинетика и катализаторы конверсии углеводородов.- Киев: Наукова думка, 1984. - 272 с.
2 Катализаторы на основе стекловолокнистых носителей и физико-химические свойства алюмоборосиликатных сте-кловолокнистых носителей / Л.Г. Симонова, В.В. Барелко, Е.А. Паукштис, О.Б. Лапина, В.В. Тверских, В.И. Зайковский, Б.С. Бальжинимаев // Кинетика и катализ. -2001. -Т. 42. - № 6. - С. 907-916.
EXPERIMENTAL STUDIES TO USE CRYSTALHYDRATES OF Вершинин
INORGANIC SALTS FOR COOLING BREATHING MIXTURE IN MINE Сергей Николаевич
SELF-RESCUERS e-mail: versn49@mail.ru
S.N. Vershinin
Experimental studies of new materials for self-rescuers' cooling elements
working on the chemically bound oxygen was conducted.
It is demonstrated that suggested self-rescuers' cooling elements using
the effect of crystalhydrates of inorganic salts decomposition at the
time of inhalation, have better cooling properties compared to standard
equipment self-rescuers. .
Key words: SELF-RESCUER, PENDULAR, TYPE, BENCH, FULL,
SCALE, TEST, COOLING, BREATHING, MIXTURE, CHANGES,
TEMPERATURE, TIME, INHALATION, AERODYNAMIC, RESISTANCE,
BREATH, HYMIDITY
• натурные испытания также подтвердили эффективность экспериментального охлаждающего устройства;
• по субъективным ощущениям испытателя, дыхание с использованием нового охлаждающего элемента может быть более комфортным, чем дыхание в
стандартно оснащенном самоспасателе; • новый охлаждающий элемент имеет неустойчивое аэродинамическое сопротивление дыханию, поэтому для устранения этого недостатка необходимо продолжить доработку его конструкции.
59
