Индивидуальные кондиционеры для защиты органов дыхания горнорабочих в условиях Севера Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

© Ю.В. Шувалов, С.Н. Полторыхин, Н.А. Туча, С.Д. Бурлаков, 2005

УДК 622.86

Ю.В. Шувалов, С.Н. Полторыхин,

Н.А. Туча, С.Д. Бурлаков

ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ КОНДИЦИОНЕРЫ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОРГАНОВ ДЫХАНИЯ ГОРНОРАБОЧИХ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА

Т~Т ри разработке месторождений Севера на здоровье работал Л. ников существенное влияние оказывают вредные и опасные производственные факторы, среди которых можно выделить интенсивный производственный шум, общую и локальную вибрацию, недостаточное искусственное и естественное освещение рабочих мест в полярную ночь, загрязнение воздуха рабочей зоны газами и пылью, химическими реагентами, неблагоприятный микроклимат рабочего места. При этом достаточно часто наблюдается отсутствие необходимого числа укрытий от воздействия факторов внешней среды, недостаточное качество СИЗ, спецодежды и обуви [1].

Эффективным направлением снижения риска травматизма и профзаболеваемости является применения индивидуальных средств защиты, хотя большинство из них не обеспечивает нормативных и комфортных параметров работы в условиях низких температур (ниже -10 °С).

Известны попытки создания комплексных средств индивидуальной защиты от пыли, газа и шума, а также потерь тепла и влаги в условиях низких температур и влагосодержания атмосферы. Одним из перспективных направлений, является создание рекуперативного тепло - влагообменника, обеспечивающего аккумулирование выдыхаемого тепла и влаги для подогрева и увлажнения вдыхаемого холодного воздуха.

Предлагаемая схема комплексного средства индивидуальной защиты (СИЗ) представлена на рис. 1. Фильтры - наушники 1, расположены на трикотажном (вязаном) подшлемнике 5, сверху соединены регулирующим ободом 6, фиксирующим их положение. Дыхательный

Рис. 1. Схема комплексного средства индивидуальной защиты

клапан 4 и фильтры - наушники 1 соединены гофрированной трубкой 3, что дает возможность рабочему регулировать их положение. Для плотного приле-гания фильтров - наушников к ушам используется мягкая кожаная прокладка 2, аналогичная, применяемой в обычных наушниках.

В качестве аккумулирующего элемента предлагается использовать тонкую медную ленту и влагоаккумулирующую ткань. При проведении исследований эффективности рекуперации в зависимо-

! + т

II

X

I

т

X

Рис. 2. Схема распределения температуры по длине индивидуального тепло-массобменного рекуперативного устройства (ИТМОРУ): 1 - корпус, 2 - теплоизоляция, 3 - теплообменная фольга, 4 - массообменная ткань; ^ -теплый легочный воздух, ^ -холодный(атмосферный воздух)

сти от геометрических параметров СИЗ, была использована медная лента шириной 3, 5 и 7 см. Исследования проводились в два этапа.

Первый этап, заключался в определении эффективности использования тепло-влагоаккумулирующего элемента шириной 3см, при температуре окружающей среды ниже -20 °С. В течение семи минут наблюдалась стабилизация температуры теплообменника, связанная с температурным ударом (резким переходом от комнатной температуры порядка 20 °С, к атмосферной температуре -20 °С, -30 °С), и переходом к стационарному режиму без существенных изменений в течение 45 минут. Аналогичная картина наблюдалась при выполнении второго этапа, с использованием тепловлагоаккумулирующего элемента шириной 5 см и 7 см, при температуре атмосферного воздуха -30 °С. При этом температура атмосферного воздуха после прохождения теплообменника в обоих случая было около 5 °С, что позволило находиться в условиях низкой температуры достаточно длительный период времени не ощущая дискомфорта. Проведенные опыты позволили определить, что распределение температуры по длине ИТМОРУ, близко к линейному.

Такой характер распределения температуры позволяет сравнительно легко определить коэффициент рекуперации К для тепловлагоаккумулирующих элементов различной ширины.

к - А' '1

А г'

г1—г11

(1)

где ^- температура воздуха окружающей среды; ^’- температура воздуха после прохождения теплообменника, ^”- температура выдыхаемого человеком воздуха.

Можно рассчитать коэффициент рекуперации К для различной ширины тепловлагоаккумулирующей ленты - 10

А г к1—г 1 |— 20 + 5|

Для 10 = 3 см Кмин - --- -г!--- - ^-------- - 0,26 (2)

^ мин А г' г'—г— 20 — 37

А г г'— г 1 — 30 + 5

Для 10 = 5 см К -—-I—- ^^— - 0,37 (3)

р А г' г'—г— 30 — 37

А г гг" — 50 + 5

Для 1о = 7 см К макс = ------= -г!------ = ^----------- = 0,51 (4)

Аг' \г'-г'"| - 50 - 37 |

Коэффициент рекуперации показывает, как эффективно тепло-влагообменник рекуперирует тепло, теряемое человеком при дыхании, использующееся для создания оптимальной температуры, вдыхаемого воздуха.

Зависимость коэффициента рекуперации от ширины тепломассообменного рекуперативного устройства

Ширина ИТ-МОРУ, см Температура окружающей среды Г, °С Температура воздуха после прохождения теплообменника, ^’, °С Коэффициент рекуперации, К

3 -20 5 0,26

5 -30 5 0,37

7 -50 5 0,51

Применение фильтров без рекуперативного тепло-влагообменника дает ощутимую разницу температуры выдыхаемого и вдыхаемого воздуха. В течение 7 минут условия становятся не только дискомфортными, но и появляется серьезная возможность получить простудное заболевание.

Важную роль играет образование конденсата в процессе эксплуатации индивидуального тепло-массообменного рекуперативного устройства. Процесс конденсации способствует интенсивной коагуляции аэрозольных частиц, т.е. образующиеся частицы воды более эффективно улавливают и связывают частицы пыли.

Процесс тепломассообмена нейтральной среды (фольга-ткань), с теплым и холодным воздухом при возвратно-точном движении в цилиндрических каналах сопровождается отдачей тепла теплым воздухом qт и получением qх холодным = qх), а также отдачей влаги dт и получением dх = dх) с переносом части тепла А^ = ^ -qT(X) и Аdд = dд - dT(X) влаги в атмосферу, где qд- теплосодержание выдыхаемого воздуха (Дж/кг) и dд - влагосодержание выдыхаемого воздуха (г/кг) [2].

При этом начальное теплосодержание холодного воздуха qа и его влагосодержание dа повышается на величинуqт и dт, соответственно, т.е.

Рис. 3. График линейного распре-I1 деления температуры по длине

ДІ

рекуперативного тепло- влагооб-менника

>

ДҐ

Чх ~ Ча + Чт(х) _ 2Чд Чт(х)

(5)

Г + 1

(6)

После прохождения атмосферного воздуха при начальном вла-госодержании равном 1 г/кг через индивидуальное тепломассообменное рекуперативное устройство, вдыхаемый воздух насыщается влагой и его влагосодержание составляет 23 г/кг, что также является положительным эффектом при использовании данного устройства.

Увеличение длины канала индивидуального тепло-массообменного рекуперативного устройства, как и числа слоев, эквивалентно снижению скорости движения воздуха при сохранении геометрии устройства, или увеличению его диаметра при сохранении аэродинамического сопротивления единичного канала, что повышает коэффициент использования тепла, выдыхаемого из легких, коэффициент использования влаги, а также тепловой коэффициент и коэффициент увлажнения атмосферного воздуха.

Переменными геометрическими параметрами ИТМОРУ, определяющими эффективность его действия (тепловой коэффициент нагревания и коэффициент увлажнения атмосферного воздуха), являются ширина канала - Ау, радиус - и длинна - 10. Переменными теплофизическими параметрами ИТМОРУ является коэффициент теплопроводности А,т фольги и массопроводности А,м ткани, а также их толщина Ат и Ам, соответственно, обеспечивающие тепло-массоемкость qт и dт на участке длинны канала 10.

Удельные значения теплосодержания и влагосодержания для всего устройства обеспечивают суммарное тепло - влагоприраще-ние Е qт и Е dт, соответствующее общему теплосодержанию выдыхаемого воздуха Qт, его влагосодержанию Dт и выдыхаемого воздуха Qa и Da, соответственно [3].

Значение расхода воздуха (выдыхаемого и вдыхаемого) -Y(кг/с), сечения свободного пространства в ИТМОРУ - S (м2) позволяет определить массовую скорость движения воздуха в каналах.

Умк = Y/S, кг/м2-с

или линейную скорость движения при объемном расходе Y’ (м /с),

равную

Укл = Y’/S, м/с.

По этим характеристикам, с учетом длины каналов 10, можно определить аэродинамическое сопротивление ИТМОРУ (ру), которое согласно опытным данным, соответствует сопротивлению фильтра без тепло-влагоаккумулирующего элемента.

Лабораторные исследования конструкции показали высокую эффективность ее работы в широком диапазоне условий, возможность многократного (более 1000 раз) использования влагопоглоти-теля и длительное время использования теплоаккумулирующего элемента, соизмеримое с сроком службы самого устройства.

----------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Гигиена труда и профилактика профессиональных заболеваний горнорабочих угольных шахт Северо - Востока СССР. (На примере угольных шахт Якутской АССР), Якутск 1981г.

2 Шувалов Ю.В.,. Фрайман Г.Б. Опыт подогрева шахтного воздуха с использованием теплоаккумулирующих выработок. - ЦНИЭИуголь, Москва, 1984.

— Коротко об авторах -------------------------------------------------

Шувалов Ю.В. - профессор, доктор технических наук,

Полторыхин С.Н. - аспирант,

Санкт-Петербургский государственный горный институт имени Г.В. Плеханова (технический университет),

Туча Н.А. - ОАО «Уренгойгазпром»,

Бурлаков С.Д. - ООО «Газпром».