CC BY
106
УДК 614.89(045)
ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА КИСЛОРОДНОГО САМОСПАСАТЕЛЯ ДЛЯ ГРАЖДАНСКОГО НАСЕЛЕНИЯ
Н.Ф. Гладышев1, Т.В. Гладышева1, С.И. Дворецкий2,
С.Б. Путин1, Э.И. Симаненков1, Н.Ю. Холодилин2
ОАО «Корпорация «Росхимзащита», г. Тамбов (1);
кафедра «Технологическое оборудование и пищевые технологии», ТГТУ (2)
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: изолирующий самоспасатель; регенеративный продукт на матрице.
Аннотация: Представлены результаты разработки изолирующего самоспа-сателя на химически связанном кислороде, обладающего улучшенными массогабаритными характеристиками, соответствующего требованиям европейского и российского стандартов.
В случае возникновения ситуации, приводящей к образованию ядовитой или вредной окружающей атмосферы, например при пожарах, задымлениях и подобных техногенных или природных авариях, а также терактах, ясно преимущество наличия устройства, обеспечивающего человека годным для дыхания воздухом, а также обеспечивающего номинальную защиту кожных покровов головы и шеи от газов, капельных жидкостей, твердых частиц, струй и аэрозолей. Желательно наличие устройства легко доступного (легко переносимого и/или хранимого) и подходящего для широкого диапазона размеров пользователей (взрослые, дети, пожилые, слабые, физически или умственно неполноценные или больные люди, люди с бородами, очками, длинными волосами и т. д.) без потребности соответствия лицевым особенностям или формам тела. Предпочтительно также, чтобы активация и функционирование являлись автоматическими, надевание очевидным и удобным, а устройство было бы пригодным как для продолжительного, так и для кратковременного использования при длительном сроке годности.
В настоящее время массово выпускающиеся промышленностью фильтрующие средства защиты органов дыхания имеют время защитного действия до 20 минут и малые массогабаритные характеристики, что позволяет их использование гражданским населением в качестве средств защиты органов дыхания. Предназначены они, в основном, для очистки воздуха от оксида углерода (угарного газа) и низких концентраций других агрессивных химических отравляющих веществ (АХОВ), и не обладают универсальными защитными свойствами по всем АХОВ на все время использования в соответствии с гарантиями изготовителя. Но главным их недостатком является то, что при возникновении атмосферы с содержанием в ней кислорода ниже допустимого уровня (18 %), фильтрующие средства защиты не пригодны, так как они не поставляют кислород.
В этих случаях следует использовать изолирующие средства защиты органов дыхания. Они отличаются от фильтрующих тем, что обеспечивают изоляцию ор-
ганов дыхания человека от окружающей среды, осуществляя очистку небольшого замкнутого объема газовоздушной смеси от диоксида углерода, образующегося при дыхании человека, и добавляя в нее кислород. Таким образом, в отличие от фильтрующих, изолирующие средства защиты органов дыхания не критичны к составу внешней атмосферы, и пользователь может находиться в окружающей атмосфере даже при полном отсутствии в ней кислорода.
Традиционно изолирующие самоспасатели представляют собой устройства, состоящие из источника кислорода, устройства для поглощения выделяемого человеком диоксида углерода, эластичной емкости для сбора газовоздушной смеси на выдохе и устройства для присоединения дыхательных путей пользователя к самоспасателю. Все устройство размещается в снабженном системой крепления герметичном футляре для хранения и переноски самоспасателя. В зависимости от способа обеспечения дыхания человека самоспасатели делятся на три типа:
- самоспасатели на сжатом воздухе;
- самоспасатели на сжатом кислороде;
- самоспасатели на химически связанном кислороде.
В качестве источников кислорода используются сжатый воздух, кислородные свечи (твердые источники кислорода) и регенеративные продукты на основе надпероксида калия. Наиболее приемлемым с точки зрения физиологии дыхания было бы использование сжатого воздуха, однако его длительное хранение, которое предшествует использованию самоспасателя по назначению, без обслуживания проблематично. Для кислородных свечей (их основа - хлораты щелочных металлов) время горения и кислородовыделения заранее определено и рассчитано на самое высокое кислородопотребление пользователя, то есть не адаптировано к нагрузке. Кроме того, их использование в качестве источников кислорода в аппаратах замкнутого цикла приводит к необходимости включения в их схему поглотителей диоксида углерода. Продукты на основе надпероксида калия лишены указанных недостатков сжатого воздуха и хлоратов щелочных металлов, они легки и удобны при хранении, поэтому они предпочтительнее для использования в изолирующих средствах защиты органов дыхания.
Дыхательные аппараты на химически связанном кислороде по своим массе и габаритам имеют лучшие характеристики по сравнению с самоспасателями на сжатом кислороде или на сжатом воздухе. Для потребителя самой привлекательной стороной самоспасателей на химически связанном кислороде являются длительные гарантийные сроки хранения и эксплуатации в состоянии готовности к немедленному применению по назначению с минимальным техническим обслуживанием.
В ОАО «Корпорация «Росхимзащита» разработан новый материал для регенерации воздуха (регенеративный продукт). Регенеративное вещество (надперок-сид калия KO2) по способу [1] получают не в свободном состоянии в виде порошка, а на поверхности и в порах инертного пористого носителя (матрицы) путем пропитки матрицы раствором пероксосольвата калия с последующей ее сушкой. Раствор пероксосольвата калия готовят известным способом получения координационных соединений пероксида водорода [2, 4]. Регенеративный продукт обладает большей, по сравнению с традиционно применяющимся гранулированным продуктом, поверхностью и лучшей сорбционной способностью к диоксиду углерода. Проведенные исследования показали возможность получения регенеративного продукта в виде пластин различной геометрической формы с регулируемым содержанием активного кислорода. За счет развитой поверхности новый продукт поглощает диоксид углерода не послойно, как гранулированный, а всей поверхностью. Как следствие, процесс регенерации воздуха осуществляется при более низких температурах. Это свойство регенеративного продукта позволяет исполь-
зовать для изготовления самоспасателя полимерные материалы (например, полиамидные и фторопластовые) вместо традиционно применяемого металла.
В 2005 году начата разработка изолирующего дыхательного аппарата (самоспасателя) с временем защитного действия 15 минут, использующего в качестве источника кислорода регенеративный продукт на матрице.
Самоспасатель включает в себя:
- регенеративный патрон и устройство дополнительной подачи кислорода в начальный период, размещенные внутри дыхательного мешка;
- лицевую часть с капюшоном и полумаской.
Регенеративный патрон содержит корпус с размещенным в нем регенеративным продуктом (надпероксидом калия на матрице), выполненным в виде пластин, снабженных выступами. Конструкция самоспасателя представлена на рис. 1.
Корпус патрона выполнен в виде оболочки из вспененного полипропилена с газораспределительным устройством. Оболочка представляет собой обечайку, снабженную крышкой с центральным отверстием для присоединительного патрубка и ребрами жесткости, выполненными в виде угловых сварных швов.
Газораспределительное устройство выполнено из полипропилена в виде крышки, снабженной штуцером, со встроенной внутри нее опорной решеткой.
Под опорной решеткой установлен фильтр-теплообменник в виде пористой металлической пластины из вспененного никеля.
Пластины регенеративного продукта снабжены рифлями, образующими выступы, расположенные под углом к продольной оси пластины. При сборке в пакет
19
17
18
4 3
5 2
1
23 26
27
Рис. 1. Схема самоспасателя:
I - корпус патрона; 2 - ребра жесткости; 3 - газораспределительное устройство; 4 - штуцер; 5 - опорная решетка; 6 - фильтр-теплообменник; 7 - регенеративный продукт; 8 - рифли; 9 - фильтрующая оболочка; 10 - фиксирующая решетка;
II - лента; 12 - дыхательный мешок; 13 - шайба; 14 - гайка: 15 - клапан избыточного давления; 16 - капюшон; 17 - шейный обтюратор; 18 - вставка; 19 - накладки; 20 - оголовье; 21 - полумаска; 22 - гофрированная трубка; 23 - емкость; 24 - пусковой брикет; 25 - ампула; 26 - леска; 27 - ручка
соседние пластины развернуты относительно друг друга на 180°, таким образом, между выступами образуются газораспределительные каналы.
Пакет пластин регенеративного продукта, обернутый в фильтрующую оболочку из стеклобумаги БМД-К, либо БМД-Ф, размещен с натягом внутри обечайки корпуса и поджимает фильтр-теплообменник к опорной решетке. Пакет фиксируется в патроне посредством установки в нижней части корпуса патрона фиксирующей решетки из полипропилена. Фиксирующая решетка крепится к нижней части обечайки патрона лентой из фторопластовой пленки.
Дыхательный мешок изготовлен из фторопластовой пленки и установлен на присоединительном патрубке патрона. Герметизация горловины дыхательного мешка осуществляется посредством алюминиевой шайбы, которая надевается на присоединительный патрубок патрона и фиксируется полиэтиленовой накидной гайкой. Дыхательный мешок снабжен клапаном избыточного давления натяжного типа.
Лицевая часть представляет собой капюшон, выполненный из оптически прозрачной фторопластовой пленки, собранный из полотна посредством сварки. В нижней части капюшона расположен эластичный резиновый обтюратор, приклеенный к вставке, выполненной из активированной фторопластовой пленки и прикрепленной к капюшону посредством сварки.
К внутренней стороне оболочки капюшона приварены накладки, выполненные из того же материала, что и оболочка. В каналы, образованные накладками и оболочкой капюшона, пропущены эластичные ремни, прикрепленные к полумаске. В полумаске расположен соединительный штуцер (условно не показан), пропущенный в отверстие в оболочке, и соединенный с дыхательным патрубком регенеративного патрона гофрированной резиновой трубкой.
В начальный момент времени работы (первые две-три минуты) аппарат не способен предоставить требуемое количество кислорода для дыхания пользователя ввиду того, что он еще не успел накопиться. Из-за этого может произойти нехватка кислорода для дыхания, что может привести к снятию самоспасателя пользователем, либо обморока человека от кислородного голодания.
Для решения этой проблемы было разработано устройство дополнительной подачи кислорода в начальный период времени. Оно представляет собой открытую емкость с регенеративным продуктом на матрице. Над емкостью расположена эластичная ампула с пусковым раствором. Внутри ампулы проходит леска, закрепленная одним концом таким образом, чтобы при ее натяжении вскрывалась ампула. Вторым концом леска закреплена на дыхательном мешке в месте примыкания к нему ручки.
При запуске аппарата пользователь расправляет мешок, потянув за ручку, леска разрезает ампулу, раствор из ампулы запускает пусковой брикет, выделяющий начальный кислород. При дыхании пользователя выдыхаемый воздух поступает через штуцер в крышку корпуса патрона, охлаждает фильтр-теплообменник, проходит через решетку и фильтрующую оболочку в пакет пластин, в котором происходит поглощение диоксида углерода, и выделяется необходимый для дыхания кислород. Очищенный воздух проходит через фильтрующую оболочку и решетку в дыхательный мешок. При вдохе воздух из дыхательного мешка вновь проходит через решетку, фильтрующую оболочку, пакет пластин, оболочку, охлаждается на фильтре-теплообменнике, а затем через решетку, крышку корпуса патрона и штуцер поступает на вдох. Избыток дыхательной смеси сбрасывается из мешка через клапан избыточного давления в окружающую среду.
В 2005 г. была изготовлена опытная партия аппаратов и проведены ее испытания по методикам [3, 5] при различных режимах. Испытания проводили как на стенде, имитирующем дыхание человека, так и на добровольцах-испытателях.
В ходе испытаний исследовали состав газовой среды в аппарате и температуру вдыхаемой смеси. Полученные результаты свидетельствуют о соответствии состава газовой среды в аппарате современным нормам [3, 5].
Наиболее характерные результаты работы самоспасателя на номинальном режиме приведены на рис. 2.
Нарастание концентрации диоксида углерода во вдыхаемой газовоздушной смеси экспериментального самоспасателя объясняется спецификой схемы дыхания и наличием вредного объема аппарата (в него входит объем полумаски, гофрированной трубки и пространство в патроне над регенеративным продуктом), который нарастает по мере отработки продукта и не принимает участия в процессе регенерации воздуха.
Влияние вредного объема в изолирующем дыхательном аппарате можно оценить из соотношения
^дых^С02вд = ^вр^С02выд , (1)
где ^дых = ^гвс/п - объем одного вдоха, дм3; Угвс - вентиляция аппарата (расход газовоздушной смеси через аппарат), дм3/мин; п - частота дыхательных движений искусственных легких, мин-1; ССо2вд и ССо2выд - концентрации диоксида углерода на линиях вдоха и выдоха экспериментальной установки соответственно, % об; Увр - вредный объем дыхательного аппарата, дм3.
Зависимость вредного объема от времени работы самоспасателя для различных режимов испытаний аппаратов, рассчитанная по формуле (1), приведена на рис. 3. По виду кривых на рис. 3 можно предположить, что существует некоторый «начальный вредный объем», одинаковый для любой нагрузки на аппарат. Для его определения проведем линейную аппроксимацию экспериментальных данных методом наименьших квадратов, исключая значение вредного объема на нулевой минуте. Получено значение «начального вредного объема» 0,28 ± 0,04 дм3, что соответствует измеренному начальному вредному объему аппарата, равному
0,30 ± 0,02 дм3.
P, мм вод. ст.; ССО2 , % об.
Рис. 2. Результаты испытания самоспасателя на номинальном режиме на стенде, имитирующем дыхание человека:
1 - сопротивление вдоху; 2 - сопротивление выдоху;
3 - температура газовоздушной смеси на вдохе;
4 - концентрация диоксида углерода во вдыхаемом воздухе
Рис. 3. Нарастание вредного объема в процессе работы аппарата при различных нагрузках:
1 - 10 дм3/мин, относительный покой; 2 - 30 дм3/мин, средняя нагрузка; 3 - 35 дм3/мин, средняя нагрузка; 4 - 60 дм3/мин, высокая нагрузка; 5 - 70 дм3/мин, высокая нагрузка
Основным и наиболее жестким режимом испытаний является номинальный режим: легочная вентиляция - 35 дм3/мин при комнатной температуре. По результатам испытаний опытной партии самоспасатели соответствуют по физиологическим характеристикам нормам стандарта [5], превосходя их на номинальном режиме по сопротивлению дыханию на 45...70 %, по средней концентрации диоксида углерода на вдохе - на 35.40 %; по температуре вдыхаемого воздуха - на 10.15 %.
На номинальном режиме аппарат фактически имеет среднее время защитного действия 17,7 мин (при номинальном времени защитного действия 15 мин), сопротивление дыханию - 25 - 45 мм вод. ст., концентрация кислорода в дыхательном мешке достигает 90 %, температура вдыхаемой газовоздушной смеси не превышает 45 °С. Все эти параметры находятся в допустимых нормами [5] пределах.
Таблица 1
Масса и габариты серийно выпускаемых изолирующих самоспасателей с временем защитного действия 15 мин
Наименование самоспасателя Масса, кг Габариты, мм
Ocenco M-20 (США) 1,5 172 x 172 x 83
SCRAM (США) 2,2 240 x 210 x 110
OXY K-pace (Германия) 4,0 350 x 310 x 170
S15(Германия) 3,0 215 x 220 x 120
OXYcrew (Германия) 2,5 260 x 220 x 120
СИ 15 (Украина) 2,2 240 x 0145
Biocell 1 Start (Франция) 1,85 178 x 189 x 89
PN 15-40 Hood (Франция) 2,4 315 x 315 x 70
ГДЗК (Россия) - фильтрующий 0,8 180 x 180 x 130
Экспериментальный самоспасатель 0,8 115 x 190 x 210
Масса и габариты экспериментального аппарата в сравнении с серийно выпускаемыми российскими и зарубежными изолирующими дыхательными аппаратами приведена в табл. 1, в которой для сравнения приведены также масса и габариты ГДЗК - серийно выпускаемого фильтрующего самоспасателя.
Вывод. Экспериментальный аппарат по массе и габаритам сравним с фильтрующими самоспасателями, но обеспечивает при этом защиту органов дыхания вне зависимости от состава атмосферы.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002 — 2006 годы, приоритетного направления «Безопасность и противодействие терроризму», комплексного проекта «Разработка технологий, методов и средств обеспечения системы биологической безопасности и противодействия терроризму».
Список литературы
1. Пероксосольваты в дезинфектологии / В.В. Буянов, В.П. Никольская, О.Б. Пудова и др. - Черноголовка, 2000. - 137 с.
2. Пат. 2225241 Российская Федерация, МПК7 A 62 D 9/00. Регенеративный продукт и способ его получения / Гладышев Н.Ф., Гладышева Т.В., Глебова О.Н. и др. ; заявитель и патентообладатель ОАО «Корпорация «Росхимзащита». -№ 2002132800/15 ; заявл. 12.05.2002 ; опубл. 10.03.2004, Бюл. № 24. - 10 с. : ил.
3. НПБ 169-2001. Техника пожарная. Самоспасатели изолирующие с химически связанным кислородом для защиты людей от токсичных продуктов горения при эвакуации из задымленных помещений во время пожара и аварийных ситуаций. Общие технические требования. Методы испытаний. - (http://www.0-1.ru/law).
4. Титова, К.В. Координационные соединения пероксида водорода / К.В. Титова, В.П. Никольская, В.В. Буянов. - Черноголовка, 2000. - 148 с.
5. EN 13794:2002. Respiratory protective devices - Self-contained closed-circuit breathing apparatus for escape - Requirements, testing, marking. - (http://www.cenorm.be).
Examination and Development of Oxygen Self-Rescuer for Civil Population
N.F. Gladyshev1, T.V. Gladysheva1, S.I. Dvoretsky2, S.B. Putin1,
E.I. Simanenkov1, N.Yu. Kholodilin2
Corporation “Roskhimzashchita”, Tambov (1);
Department «Production Equipment and Food Technologies»,TSTU (2)
Key words and phrases: isolating self-rescuer; regenerative product on matrix.
Abstract: The results of the development of isolating self-rescuer on chemically bounded oxygen are presented; it possesses improved mass and size characteristics and meets the requirements of European and Russian standards.
Untersuchung und Erarbeitung des Sauerstoffselbstretters ftir die btirgerliche Bevolkerung
Zusammenfassung: Es sind die Ergebnisse der Erarbeitung des isolierenden Selbstretters auf den chemieverbundenen Sauerstoff vorgestellt. Er hat die verbesserten Schwercharakteristiken und entspricht den Forderungen der europaischen und Russischen Standarden.
Etude et elaboration de l’autosauveur a la base de l’oxygene pour la population civile
Resume: Sont presentes les resultats de l’elaboration de l’autosauveur a la base de l’oxygene lie chimiquement possedant des caracteristiques de petits gabarits ameliorees repondant aux exigences des normes europeennes et russes.
