CC BY
12
УДК 622.831
Н.А.КОТЕНКОВ
Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет)
РЕСПИРАТОР-КОНДИЦИОНЕР ДЛЯ РАБОТЫ В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА
Представлен разработанный нами тепловлагообменник, позволяющий снизить воздействие вредных факторов и увеличить производительность труда горнорабочих Севера на 3040 %, а также повысить комфортность условий труда за счет профилактики простудных заболеваний.
The paper presents an innovative design of a heat-and-moisture exchanger which helps to decrease exposure to the environmental hazards and to enhance work performance of miners in northern climatic conditions by 30-40 % as well as to create favorable working conditions by preventing colds.
Производственная деятельность на Крайнем Севере представляет много трудностей и нередко сопровождается длительной, чрезмерной профессиональной перегрузкой. Это напрямую связано с неблагоприятными факторами, основным из которых является климатический [1].
К основным источникам вредности на предприятиях Севера относятся: производственная (угольная) пыль и микроклимат. Длительное воздействие повышенных концентраций пыли приводит к возникновению тяжелых профессиональных заболеваний органов дыхания. В условиях шахт и рудников Севера производственный микроклимат является охлаждающим, что приводит к перенапряжению терморегуляции, снижению иммунобиологической резистентности организма и обуславливает повышенную чувствительность организма работающих к простудным заболеваниям [2].
Тяжелые физические нагрузки влекут за собой высокий уровень потерь тепла именно при дыхании, а также повышенную нагрузку на дыхательную систему, следовательно, повышается риск респираторных заболеваний. Расчет процентного отношения затрат тепла на дыхание к общему уровню тепловыделений работающего пока-
зывает, что в области отрицательных температур, независимо от степени тяжести выполняемой работы, потери тепла на дыхание составляет 20-30 %. Основными последствиями при работе в условиях пониженных температур являются различные формы гипотермии, приводящие, в свою очередь, к различным нарушениям в функционировании организма работника или к его гибели.
Охлаждение человека, как общее, так и локальное (особенно кистей), способствует изменению его двигательной активности, нарушает координацию и способность выполнять точные операции, вызывает процессы торможения в коре головного мозга, что может быть причиной травм [1].
Неудовлетворительная организация применения средств индивидуальной защиты органов дыхания на предприятиях влечет за собой неоправданный расход респираторов более высокой степени защиты, чем требуется, а так же перегрузку функциональных систем организма работающего из-за повышенного сопротивления дыханию.
Одним из главных направлений данной работы является создание респиратора-кондиционера с рекуперативным тепловла-гообменником, который будет максимально нейтрализовать вредные факторы, дейст-
вующие на работников горно-добывающих предприятий в условиях Крайнего Севера. Респиратор обеспечивает аккумулирование выдыхаемого тепла и влаги для подогрева и улучшения процесса фильтрации вдыхаемого холодного воздуха (см. рисунок).
В разработанном нами тепловлагооб-меннике в качестве теплоаккумулирующего элемента предлагается использовать тонкую медную ленту, а в качестве влагоаккумули-рующего материала - гигроскопическую ткань, пропитанную насыщенным раствором №С1. Корпус респиратора выполнен в виде телескопического соединения, его длина в сантиметрах определяется по зависимости
L = 0,2[/] -1,
где t - температура наружного воздуха, °С.
Коэффициент рекуперации *=,
\t - t
где t' - температура, необходимая на выходе из теплообменника, ( = 5 °С; ^ - оптимальная температура вдыхаемого воздуха, ^ = 37 °С.
Опытным путем была определена оптимальная длина теплообменника /опт, при которой коэффициент рекуперации К для температуры -20; -30 и -50 °С имел максимальные значения:
/опт, см 3 5 7
г, °С -20 -30 -50
К 0,26 0,37 0,51
Коэффициент рекуперации показывает, как эффективно тепловлагообменник рекуперирует тепло, теряемое человеком при дыхании, на полезную работу по созданию оптимальной температуры вдыхаемого воздуха.
Работа респиратора-кондиционера осуществляется следующим образом. Вдыхаемый воздух, проходя через фильтр, попадает в индивидуальный тепловлагообменник. Процесс тепломассопереноса нейтральной среды (фольга - ткань) с теплым и холодным воздухом при возвратно-точном дви-
1 2 3 4 5 6
Респиратор-кондиционер
1 - фильтр; 2 - металлическая гофрированная пластина, например из меди; 3 - зажимное устройство; 4 - корпус;
5 - гигроскопическая ткань, которая укладывается на гофрированную пластину; 6 - элементы крепления, резиновая ленточка
жении в цилиндрических каналах сопровождается отдачей тепла теплым воздухом и получением его холодным, а также отдачей и получением влаги. В процессе эксплуатации респиратора-кондиционера важную роль играет образование конденсата. Процесс конденсации способствует интенсивной коагуляции аэрозольных частиц, т.е. образующиеся частицы воды более эффективно улавливают и связывают частицы пыли. Тепловлагообменник имеет высокие фильтрующие свойства и является препятствием для оставшихся частиц пыли после прохождения фильтра. Гигроскопическая ткань, на которую оседает образовавшийся конденсат и коагулируются частицы пыли, после использования в течение рабочей смены извлекается из теплообменника с целью очистки и сушки.
Лабораторные исследования конструкции показали высокую эффективность ее работы в широком диапазоне условий, возможность многократного (более 1000 раз) использования влагопоглотителя и длительное время использования теплоаккумули-рующего элемента, соизмеримое со сроком службы самого устройства.
Анализ работы предприятий горной промышленности северных районов России показывает, что в холодные зимние месяцы производительность труда снижается на 10-20 %, что вызывает весьма существенные экономические потери. Среднее горнодобывающее предприятие рассчитано на
- 65
Санкт-Петербург. 2009
производительность 4 млн т в год, на нем задействовано 3000 рабочих. В условиях Севера приблизительные потери добычи составляют 200-400 тыс.т (14-28 млн дол.) плюс затраты на выплаты больничных пособий 300-600 человек (2,7-5,4 млн дол.). Соответственно, общие потери составляют 16,7-33,4 млн дол. в год.
Применение тепловлагообменника позволит снизить риск простудных заболева-
ний примерно на 60 %, что даст экономический эффект 10-20 млн дол. в год.
ЛИТЕРАТУРА
1. Агранат Г.А. Использование ресурсов и освоение территории зарубежного Севера. М.: Наука, 1984.
2. Крючков В.В. Север на грани тысячелетий. М.: Мысль, 1987.
3. ЯгьяН.С. Здоровье населения Севера. Л.: Медицина, 1980.
Научный руководитель проф. Ю.В.Шувалов
