CC BY
105
УДК 622.807.614.894.3
возможность применения кристаллогидратов неорганических солей для охлаждения дыхательной смеси в шахтных самоспасателях
Предложены новые материалы для охлаждающих элементов самоспасателей, работающих на химически связанном кислороде. Исследованные элементы используют эффект периодического разложения и образования кристаллогидратов неорганических солей в процессе дыхания. Выполнен теоретический расчет потенциальной эффективности предложенных материалов.
Ключевые слова: САМОСПАСАТЕЛЬ, МАЯТНИКОВЫЙ, ТИП, ОХЛАЖДЕНИЕ, ДЫХАТЕЛЬНАЯ, СМЕСЬ, ТЕПЛОЕМКОСТЬ, ТЕПЛОТА, ТЕРМИЧЕСКИЙ, РАЗЛОЖЕНИЕ, МАТЕРИАЛ, ТЕПЛОВОЙ, ЭФФЕКТ, ХИМИЧЕСКАЯ, РЕАКЦИЯ
При авариях шахтеры для выхода на поверхность вынуждены пользоваться самоспасателями. В настоящее время практически во всех самоспасателях используется кислород, химически связанный, в виде супероксида калия. При прохождении через патрон с супероксидом калия дыхательная смесь обогащается кислородом и очищается от диоксида углерода. В основе выделения кислорода в процессе дыхания лежат две реакции - с диоксидом углерода и парами воды:
При взаимодействии углекислого газа с КО2 выделяется 194 кДж на 1 моль СО2. При взаимодействии 1 моля воды с КО2 также выделяется тепло в количестве 41,4 кДж. Вследствие выделения тепла температура дыхательной газовой смеси (ДГС) непосредственно в патроне превышает 100 0С . Смесь частично охлаждается при прохождении через дыхательную систему, но ее температура достаточно высока. В самоспасателях маятникового типа дыхательная смесь поступает к человеку и уходит от него по одной линии. Схема маятникового самоспасателя ШСС-Т приведена на рисунке 1.
В действующих конструкциях для охлаждения дыхательной смеси используют охлаждающие устройства из металлических сеток, лент или нитей [1]. Использование таких теплообменников дает возможность понизить температуру вдыхаемой смеси до 55-60 0С, но этого явно недостаточно для нормального дыхания. Кроме высокой температуры, дыхательная смесь имеет практически нулевую относительную влажность, что делает дыхание еще менее комфортным.
С момента выпуска самоспасателей на химически связанном кислороде постоянно разрабатываются различные охлаждающие устройства. Авторы патента [2] предложили использовать эффект излучения тепла. Несмотря на значительное количество разработок, проблема улучшения комфортности дыхания остается нерешенной.
Основным недостатком металлических теплообменников является их низкая эффективность. Ограничения, накладываемые на размеры и массу самоспасателей, сказываются и на размерах теплообменников. В стандартно оснащенном самоспасателе ШСС-Т имеется теплообменник в виде ленты из алюминиевого сплава, помещенный в угловой патрубок. Масса теплообменника 6,1-6,2 г. Принцип его работы простой. Горячая дыхательная смесь, поступающая из регенеративного патрона, нагревает ленту, при этом сама охлаждается и поступает в легкие. При выдохе теплообменник охлаждается за счет относительно низкой температуры выдыхаемой дыхательной смеси (37 0С). Эффективность
Н20 + 2К02 = 2КОН + 1,502;
(1)
С02 + 2К02 = К2С03 + 1,502 .
(2)
Дыхательный мешок условно повернут на 900 1 - дыхательный мешок; 2 - загубник; 3 - теплообменник; 4 - клапан избыточного давления;
5 - фильтр; 6 - гофрированная трубка;
7 - регенеративный продукт
Рисунок 1 - Принципиальная схема самоспасателя ШСС-Т
работы такой системы зависит от ее теплоемкости. По ГОСТ Р 12.4.2202001 испытания проводятся при вентиляции 35 л/мин с частотой 20 циклов вдох - выдох в минуту. За один вдох в легкие поступает 1,75 л дыхательной смеси. Можно считать, что в легкие человека поступает чистый кислород. Его теплоемкость равна 29,4 Дж/мольК или 1,31 Дж/лК.
Для расчетов также принимается, что стандартный вкладыш сделан из алюминия. Его теплоемкость равна 24,3 Дж/мольК, что соответствует 0,90 Дж/г- 0С. Начальная температура дыхательной смеси до теплообменника при вдохе достигает 80 0С. Можно предположить, что начальная температура вкладыша в момент вдоха равна 37 0С.
При полном обмене теплом с дыхательной смесью вкладыш массой 6,2 г охлаждает ее теоретически на 20,5 0С. В реальном эксперименте получаются похожие цифры. На экспериментальной установке ФГУП ТамбовНИХИ температура дыхательной смеси на вдохе уменьшилась с 72 до 54 0С.
Улучшение работы такого теплообменника возможно только при увеличении удельной теплоемкости вкладыша или увеличении его массы. Увеличение массы приводит к увеличению объема патрубка с теплообменником, а следовательно, и к возможному изменению конструкции всего самоспасателя. Увеличение теплоемкости чисто физическими методами невозможно, т.к. разработчики выбрали практически лучший вариант для металлических вкладышей. Возникает вопрос о разработке других охлаждающих элементов для снижения температуры вдыхаемой ДГС. Для выбора охлаждающего устройства необходимо уточнить его характеристики.
Выдыхаемая газовая смесь имеет температуру 37 0С. Она имеет 100процентную относительную влажность, и объемное содержание СО2 составляет 4 %, т.е. 0,0692 г/л или 1,57 ммоль/л. При 37 0С парциальное давление водяного пара равно 47,12 мм рт. ст., что соответствует концентрации 0,0453 г/л или 2,51667 ммоль/л. Термохимический расчет показывает, что при взаимо-
действии всех компонентов с КО2 выделяется 408,77 Дж тепловой энергии на 1 л выдыхаемой газовой смеси. При вентиляции 35 л/мин за
1 ч выделяется 858,42 кДж тепла. Это количество тепла необходимо отвести от человека.
Часть тепловой энергии рассеивается в окружающую среду при прохождении ДГС от регенеративного патрона к теплообменнику, но все
равно температура дыхательной смеси перед теплообменником достигает 75-80 0С.
Очень эффективным способом снижения температуры является испарительное охлаждение дыхательной смеси. Количество воды, требующееся для охлаждения газа, поддается достаточно простому расчету. Для расчета приняты следующие исходные данные:
• объем легочной вентиляции дыхательной газовой смеси (ДГС) равен 35 л/мин (2100 л/ч), что соответствует выполнению работы средней тяжести;
• охлаждение вдыхаемого газа происходит за счет испарения воды, находящейся в адсорбенте;
• вдыхаемым газом является кислород;
• начальная относительная влажность вдыхаемого кислорода равна 0 %;
• теплоемкость кислорода равна 29,33 Дж/мольК;
• теплота испарения воды равна 44,63 кДж/моль [3].
Результаты расчета приведены в таблице 1.
Результаты расчета показывают, что для охлаждения дыхательной смеси на 25 0С достаточно испарения 28 г воды в час. При полном насыщении дыхательной смеси парами воды ее можно охладить более чем на 45 0С. Охлаждение дыхательной
смеси с одновременным повышением влажности вдыхаемого воздуха делает дыхание значительно более комфортным.
Испарительное охлаждение теоретически более эффективно, чем существующее в настоящее время, но его использование связано с рядом проблем. Самая главная - изоляция насыщенного водой сорбента от патрона с супероксидом калия.
В течение длительного времени хранения и постоянной переноски самоспасателя очень трудно добиться гарантированного отсутствия диффузии водяного пара и его взаимодействия с супероксидом калия по реакции (2). Согласно этой реакции 1 г воды может дезак-
Таблица 1 - Результаты расчета количества воды, необходимого для охлаждения дыхательной смеси при начальной температуре 75 0С
Показатель Параметры
Начальная температура вдыхаемого газа, иС 75 75 75
Температура вдыхаемого газа после охлаждения, иС 50 40 30
Количество воды, необходимое для охлаждения 1 моля кислорода, ммоль (мг) 16,43 (295,7) 23,00 (414,02) 29,57 (532,32)
Парциальное давление водяного пара после охлаждения газа, атм 0,0164 0,023 0,0296
Равновесное парциальное давление водяного пара при данной температуре, атм 0,12172 0,07409 0,04186
Относительная влажность вдыхаемого воздуха, % 13,5 31,0 70,6
Количество воды, необходимое для работы в течение 1 ч при охлаждении дыхательной смеси до данной температуры, г 27,72 38,81 49,91
Таблица 2 - Разность температур между ДГС стандартно оснащенного самоспасателя и самоспасателей с охлаждающим элементом, содержащим силикагель
Вид теплообменников для ШСС-Т Разность температур, иС, при времени проведения экспериментов, мин
1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
Стандартный 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Силикагель, гранулы 3-4 мм 0 -5 -7 0 -2 -3 0 +1 0 -2 0 0 +1 -1
Силикагель, гранулы 5-6 мм 0 -3 -2 0 -3 0 0 0 0 0 0 0 0 -1
Таблица 3 - Парциальное давление водяного пара над М^04-7Н20 и водой
Температура, иС Давление водяного пара над MgSC>4 -7Н20, атм Давление водяного пара над водой, атм
15 0,00641 0,0168
20 0,00999 0,0231
25 0,0167 0,0313
30 0,02381 0,0419
40 0,0534 0,0728
45 0,0753 0,0972
тивировать 7,9 г КО2. Кроме того, возникает необходимость в дополнительном устройстве, мгновенно разрушающем разграничивающее устройство при использовании са-моспасателя.
Для решения возникшей задачи были проведены исследования теплообменника, использующего теплоту адсорбции и последующей десорбции водяного пара, содержащегося в выдыхаемом газе.
Выдыхаемая дыхательная смесь имеет относительную влажность, близкую к 100 %. При выдохе водяной пар может адсорбироваться на сухом сорбенте, например силикагеле. Частично осушенная дыхательная смесь проходит, как обычно, через патрон, где поглощается диоксид углерода и оставшиеся водяные пары. При вдохе сухая дыхательная смесь проходит через сорбент, где охлаждается и частично увлажняется за счет десорбции воды, затем поступает в легкие человека.
В выдыхаемом воздухе с температурой 37 0С парциальное давление водяного пара равно 47 мм рт. ст., что соответствует концентрации 0,045 г/л. За один выдох в охлаждающее устройство поступает 1,75 л дыхательной смеси, содержащей 0,0793 г водяного пара или 0,00441 моля. Охлаждающее
устройство содержит 3,5 г сухого силикагеля с размером гранул 5,0-5,5 мм. Гранулы такого размера
обеспечивают аэродинамическое сопротивление 10-11 мм вод. ст., что соответствует норме для са-
Рисунок 2 - Дериватограмма испарения воды, нанесенной на силикагель
моспасателей ШСС-Т. Силикагель с такой массой может адсорбировать весь водяной пар, содержащийся в выдыхаемой дыхательной смеси. При вдохе вода испаряется, поглощая 179,1 Дж тепловой энергии. Дыхательная смесь на вдохе состоит из чистого кислорода.
Теплоемкость кислорода равна 99,9 Дж/мольК. Легко рассчитать, что при условии испарения адсорбированной при выдохе воды температура дыхательной смеси при вдохе понизится на 26 0С, что несколько лучше, чем у металлического теплообменника. Охлаждающие свойства теплообменника такого типа были проверены на лабораторном стенде. В таблице 2 приведены результаты стендовых испытаний охлаждающего устройства, содержащего силикагель.
Видно, что устойчивого снижения температуры дыхательной смеси на вдохе не наблюдается. Возможно, это связано с неполной адсорбцией водяного пара и, следовательно, с уменьшенным по сравнению с расчетным поглощением тепла при вдохе. Следовательно, охлаждение ДГС за счет адсорбции водяного пара и последующего испарения не является достаточно эффективным, поэтому возникает вопрос об улучшении такого теплообменника.
Характеристики теплообменника могут улучшиться при увеличении теплоты десорбции водяного пара.
Это возможно при применении других сорбентов воды, например кристаллогидратов неорганических солей. При нахождении в атмосфере с пониженной влажностью (вдохе) кристаллогидраты разлагаются с испарением воды по реакции, например:
СаС12 6Н20 = СаС12 + 6Н20 (пар). (3)
Во влажной атмосфере (выдохе) безводная соль образует кристаллогидрат:
СаС12 + 6Н20(пар) = СаС12- 6Н20. (4)
Парциальное давление водяного пара над кристаллогидратами значительно меньше парциального давления пара
над чистой водой. В таблице 3 приведены парциальные давления водяного пара над семиводным сульфатом магния
Рисунок 3 - Дериватограмма термического разложения кристаллогидрата хлорида кальция, нанесенного на силикагель
Рисунок 4 - Дериватограмма термического разложения кристаллогидрата сульфата магния, нанесенного на силикагель
и водой.
Видно, что во всем интервале интересующих температур сохраняется достаточно большая разница между парциальными давлениями водяного пара. Этот эффект позволяет разработать адсорбенты, «работающие» при более высоких температурах и меньшей относительной влажности, чем силикагель. Кроме температуры адсорбции и, соответственно, десорбции, энергия разложения кристаллогидратов в пересчете на единицу массы воды значительно выше, чем теплота испарения воды.
Например, у М^04-7Н20 она равна 58,6 кДж/моль воды, у СаС12 6Н20 -59,8 кДж/моль. Для воды теплота испарения равна 40,65 кДж/моль. Для теплоты разложения 59 кДж/моль (средней для рассмотренных реагентов) расчетное понижение температуры за счет разложения кристаллогидрата по реакции (4) будет равно 38 0С. С этими солями проведены дальнейшие исследования. Были синтезированы два образца силикагеля с нанесенными на него кристаллогидратами хлорида кальция и сульфата магния. Некоторые соли, например кристаллогидрат хлорида магния, в качестве охлаждающего элемента непригодны.
Причина в том, что при нагреве в присутствии паров воды он гидролизуется с образованием хлористого водорода [4]. Исследуемые кристаллогидраты наносились в количестве, необходимом для полного заполнения пор в просушенном при 160 0С силикагеле. В экспериментах использованы силикагель марки ШСМ и соли квалификации «ЧДА». Кроме того, один образец силикагеля был пропитан водой. Температура разложения, потеря массы были исследованы на дериватографе
модели Q - 1500 D производства ВНР Экспериментальные кривые показаны на рисунках 2, 3, 4.
Максимальная скорость испарения воды достигается при 140 0С. Испарение полностью заканчивается при 278 0С.
Максимальная скорость разложения кристаллогидрата достигается при 219 0С. Разложение полностью заканчивается при 314 0С.
Максимальная скорость разложения кристаллогидрата достигается при 142 0С.
Разложение полностью заканчивается при 358 0С.
По данным термического анализа видно, что испарение воды при разложении кристаллогидратов происходит при более высокой температуре, чем испарение адсорбированной воды. Следовательно, охлаждающие свойства материала, содержащего кристаллогидраты, должны оказаться лучше, чем у материалов, содержащих адсорбированную воду. Преимуществом материалов, содержащих кристал-
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 А.с. 234870 СССР, МПК А62В15/00. Кл. 61F, 29/02. Изолирующий самоспасатель / А.А. Богданов, А.А. Бобков, М.В. Ратников, И.Ф. Волков, Н.Б. Дунаев, Д.Н. Исаев, О.Н. Кузнецов (СССР). - № 1204943/31-16; заявл. 21.12.1967; опубл. 10.01.1969, Бюл. № 4.
2 GB 1559743, МПК А62В9/00. Портативный дыхательный аппарат (Portable respiratory apparatus) / Draegerwerk A.G. (Великобритания). -№ GB19780000774; заявл. 09.01.1978; опубл. 23.01.1980.
3 Ефимов, А.И. Свойства неорганических соединений: справочник / А.И. Ефимов. - Л.: Химия, 1983. -392 с.
4 Некрасов, Б.В. Основы общей химии / Б.В. Некрасов. - М.: Химия, 1965. - 518 с.
THE POSSIBILITY TO USE CRYSTALHYDRATES OF INORGANIC Вершинин
SALTS FOR COOLING RESPIRATORY MIXTURES IN MINE SELF- Сергей Николаевич
RESCUERS e-mail: [email protected]
S.N. Vershinin
New cooling materials for self-rescuers’ elements working on the chemically
bound oxygen are suggested. Investigated elements use effect of periodic
decomposition and formation of crystalhydrates of inorganic salts in
breathing process. Theoretical calculation of the potential effectiveness of
suggested materials is implemented.
Key words: SELF-RESCUER, PENDULAR, TYPE, COOLING,
BREATHING, MIXTURE, HEAT, CAPACITY, WARMTH, THERMIC,
DECOMPOSITION, MATERIAL, THERMAL, EFFECT, CHEMICAL,
REACTION
логидраты, является большой выбор солей, их образующих. Таким образом, расширяется количество материалов, перспективных для применения в охлаждающем устройстве самоспасателей.
Выводы
Результаты расчетов и предварительные эксперименты показали, что в охлаждающих устройствах самоспасателей, работающих на химически связанном кислороде, можно применять новые материалы, основанные на периодическом
разложении и образовании кристаллогидратов неорганических солей в процессе дыхания.
Теоретический расчет показал, что применение данных материалов позволяет уменьшить температуру дыхательной газовой смеси по сравнению со стандартным охлаждающим устройством на 15-17 0С. Экспериментальное изучение термического разложения кристаллогидратов неорганических солей показало их заметное преимущество по сравнению с испарением воды, адсорбированной на силикагеле.
научно-технический журнал № 1.1-2013
ВЕСТНИК
55
