CC BY
56
УДК 614.89(045)
КОНСТРУКТИВНАЯ РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДОПОЛНИТЕЛЬНОЙ ПОДАЧИ КИСЛОРОДА В САМОСПАСАТЕЛЬ
Н.Ф. Гладышев1, Т.В. Гладышева1, С.И. Дворецкий2, Н.Ю. Холодилин2
ОАО «Корпорация «Росхимзащита» (1); кафедра «Технологическое оборудование и пищевые технологии» ТГТУ (2)
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: отбор кислорода; пусковое устройство; само-спасатель.
Аннотация: Показано, что при испытаниях на установке «Искусственные легкие» измеренная концентрация кислорода завышена из-за особенностей проведения испытаний. Предложена конструкция устройства дополнительной подачи кислорода в самоспасатель в начальный период работы.
Литературные данные, относящиеся к отбору кислорода из вдыхаемого воздуха, в большинстве случаев указывают на прямолинейную зависимость между величиной потребления кислорода организмом человека и величиной объема вдоха или легочной вентиляции. При этом из каждого объема вдыхаемого воздуха согласно этим данным потребляется от 3,5 до 5,5 % кислорода, поскольку на величину процентного отбора кислорода влияют многие факторы: объем вдоха, концентрация кислорода во вдыхаемом воздухе, субъективные физиологические особенности человека, его состояние и др. В связи с этим не удается установить удовлетворительную аналитическую зависимость между величиной отбора кислорода и объемом вдоха (или легочной вентиляцией) и при оценке количества кислорода, потребляемого организмом человека, следует ориентироваться на опытные данные о возможных величинах минимального и максимального отбора кислорода [1].
Отбор кислорода из вдыхаемого воздуха можно выразить [2]
S = kv, (1)
где S - объем кислорода, потребляемого человеком, дм3/мин; k - коэффициент отбора кислорода; v - легочная вентиляция, дм3/мин.
Минимальные и максимальные значения коэффициента отбора составляют
kmin = 0,03 и kmax = 0,08 .
При описании процесса изменения содержания кислорода в воздухе системы респиратора примем следующие допущения:
1) объем системы дыхательный аппарат — органы дыхания человека при дыхании в дыхательном аппарате остается постоянным;
2) концентрация кислорода во всем объеме системы аппарата поддерживается неизменной для любого момента времени;
3) поступление кислорода, подсос воздуха в систему аппарата, потребление кислорода организмом человека и удаление части воздуха в окружающую атмосферу происходят равномерно и непрерывно;
4) углекислый газ, содержащийся в выдыхаемом воздухе, полностью поглощается сорбентом поглотительного патрона.
Схематически процесс дыхания в респираторе при указанных допущениях показан на рис. 1. Согласно схеме в замкнутую систему самоспасатель - органы дыхания человека, объем которой составляет I, дм3, подается непрерывно m(t), дм3/мин, кислорода и подсасывается р, дм3/мин, воздуха из окружающей атмосферы. Одновременно потребляется S, дм3/мин кислорода организмом человека и удаляется г, дм3/мин, респираторного воздуха в окружающую атмосферу продувочным устройством. Зависимость содержания кислорода в дыхательной системе при данных допущениях имеет вид [2]
am + bp - S ( am + bp - S ^ \ ( r
C = 7 - ( 7 - 60 )exp ( -
(2)
где а - относительное объемное содержание кислорода в подаваемой в систему дыхательной смеси; для аппаратов с химически связанным кислородом а = 1; Ь -относительное объемное содержание кислорода в подсасываемом воздухе; С0 -начальное относительное объемное содержание кислорода в воздухе системы са-моспасателя.
Применительно к испытаниям аппаратов на химически связанном кислороде на установке «Искусственные легкие» (ИЛ) подсос и сброс можно считать несущественными, так как сама установка и аппарат перед испытаниями проверяются на герметичность, а сброс избытка газовоздушной среды из аппарата через клапан избыточного давления, особенно в начальный период работы, практически отсутствует, т.е. г = 0 и р = 0 выражение (2) упростится
с=. (3)
I
Существенным недостатком установки ИЛ, имитирующей дыхание человека, является то, что имитация потребления кислорода человеком организована посредством отбора из дыхательного объема всей дыхательной смеси в количестве, численно равном количеству потребляемого кислорода. То есть, фактически имитационная установка «занижает» реальное потребление кислорода, завышая тем самым его концентрацию в дыхательной системе.
На рис. 2 представлены кривые изменения концентрации кислорода в системе аппарат - ИЛ при реальных испытаниях и полученные в результате пересчета концентрации кислорода по уравнению (3). Кривая 1 представляет собой типичную экспериментальную зависимость концентрации кислорода в дыхательной
системе аппарат - ИЛ от времени при легочной вентиляции 35 дм3/мин (испытания по методике [4]). Кривая 2 получена в результате расчета по формуле (3) при I = 6 дм3. Из рис. 2 видно, что при учете реального потребления кислорода человеком, в начальный период времени концентрация кислорода уменьшается до недопустимых пределов. Расчетный дефицит кислорода составил 2,5 дм3. Для его устранения необходимо в начальный период времени обеспечить в системе дополнительно некоторое количество кислорода для дыхания пользователя.
J L
I
1_______г
Рис. 1 Схематический процесс дыхания в самоспасателе
2 -
Рис. 2 Концентрация кислорода на вдохе в самоспасателе:
1 - на установке, имитирующей дыхание человека; пересчет по формуле (3); 3 - минимально допустимая концентрация
Для комплектования дыхательных аппаратов (ДА) с химически связанным кислородом в мире разработано большое количество пусковых устройств различных конструкций. Для ДА с химически связанным кислородом на основе супероксида калия применяются пусковые устройства, содержащие брикет из кислородсодержащего продукта с катализаторами (оксиды алюминия, магния), обеспечивающими быстрое и полное протекание реакции выделения кислорода, и ампулы с инициирующим раствором. При запуске ДА инициирующий раствор из ампулы подается на брикет, начинается экзотермическая реакция выделения кислорода. Недостатками этих конструкций является образование в аппарате веществ, вредных для дыхания (для снижения температуры замерзания пускового раствора в него введены серная или соляная кислоты). Также существуют устройства, в которых в брикете не содержатся примеси-катализаторы, а в состав инициирующей жидкости не входит кислота. Например, в ДА [3] пусковое устройство выполнено в виде брикета из супероксида калия, а в качестве инициирующего раствора используется вода.
Недостатком подобных устройств является то, что запуск этих устройств при отрицательных температурах становится невозможным из-за замерзания инициирующего раствора. Кроме того, практически все устройства запуска требуют со стороны пользователя определенных действий, для которых необходимо некоторое обучение, например, надавить на кнопку, повернуть рычаг, выдернуть чеку.
Для решения проблемы дефицита кислорода в начальный период работы аппарата было разработано устройство дополнительной подачи (рис. 3). Оно представляет собой открытую емкость с регенеративным продуктом, установленную под регенеративным патроном. Над регенеративным продуктом расположена
Рис. 3 Схема самоспасателя с устройством дополнительной подачи кислорода в начальный период времени:
1 - регенеративный патрон; 2 - дыхательный мешок; 3 - пусковая ампула; 4 - пусковой брикет; 5 - корпус; 6 - леска; 7 - ручка
эластичная ампула с пусковым раствором. В раствор введены безвредные для человека CUSO4 и NaCl. Температура замерзания раствора - минус 40 °С. 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 естественным движением расправляет мешок, потянув за ручку, леска разрезает ампулу, раствор из ампулы запускает пусковой брикет, выделяющий начальный кислород.
Вывод. Обосновано применение в самоспасателе устройства дополнительной подачи кислорода в начальный момент времени, и предложена его оригинальная конструкция.
Список литературы
1 Бреслав, И.С. Дыхание. Висцеральный и поведенческий аспекты / И.С. Бреслав, А. Д. Ноздрачев. - СПб. : Наука, 2005. - 309 с.
2 Соболев, Г.Г. Горноспасательное дело / Г.Г. Соболев. - М. : Недра,
1972. - 360 с.
3 Устройство для регенерации кислорода для дыхательного аппарата. Патент Франции № 2225241 // Изобретения в СССР и за рубежом. - 1979. - № 12. - вып. 4.
4 EN 13794:2002. Respiratory protective devices - Self-contained closed-circuit breathing apparatus for escape - Requirements, testing, marking. -(http: //www.cenorm. be).
Constructive Development of the Device for Additional Oxygen Feed into Self-Saver
N.F. Gladyshev1, T.V. Gladysheva1, S.I. Dvoretsky2, N.Yu. Kholodilin2
Corporation «Roskhimzashchita» (1);
Department «Technological Equipment and Food Technologies» TSTU (2)
Key words and phrases: oxygen extraction; self-saver; starting unit.
Abstract: It is shown, that during testing of “Artificial Lungs” unit the concentration of oxygen is oversized due to experiments peculiarities. The design of the device for additional oxygen feed into self-saver at the initial stage of work is proposed.
Konstruktive Erarbeitung der Einrichtung für Zuschlagszuführung des Sauerstoffes in den Sauerstoffselbstretter
Zusammenfassung: Es ist gezeigt, dass mit Hilfe der Einrichtung „Kunstlungen" die gemesste Sauerstoffkonzentration wegen Besonderheiten des angestellten Versuches erhöht ist. Es ist die Konstruktion der Einrichtung für Zuschlagszuführung des Sauerstoffes in den Sauerstoffselbstretter an der Anfangsarbeitsperiode vorgeschlagen.
Elaboration constructive du dispositif pour le débit supplémentaire de l’oxygène dans le masque autosauveur
Résumé: Est montré que lors des essais sur l’installation «Poumons artificiels» la concentration mesurée de l’oxygène a été exagérée compte tenu des particularités des essais. Est proposée la construction du dispositif pour le débit supplémentaire de l’oxygène dans le masque autosauveur dans la période du commencement du travail.
