Файл: Учебник Под общей редакцией д т. н., профессора Е. А. Мешалкина Москва 2003 удк ббк г.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.01.2024
Просмотров: 1839
Скачиваний: 6
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
удерживает сжиженный газ в адсорбированном состоянии.
Из 1 л жидкого кислорода образуется 850 л (НУ) газообразного. Это в четыре раза больше чем можно получить из I л газообразного сжатого кислорода при давлении 20 МПа. Масса резервуара для жидкого кислорода, меньше, чем баллона для сжатого газа, поскольку сжиженный газ в аппарате хранится при давлении, близком к атмосферному. Поэтому в КИПах с жидким кислородом создается значительный запас газа при относительно малом объеме резервуара и его небольшой массе.
Жидкий кислород в КИП используется не только для обеспечения дыхания, но также как холодильный агент. Он имеет температуру кипения 183°С. Для газификации 1 кг жидкого кислорода нужно затратить 213 кДж тепла, а затем для нагревания до 20°С образовавшихся 750 л (НУ) газа — еще 185 кДж тепла. Указанный запас "холода", содержащийся в сжиженном кислороде, используется для кондиционирования воздуха в КИП и создания комфортных микроклиматических условий дыхания. В более простых конструкциях для кондиционирования используют лишь запас "холода", содержащийся в уже испарившемся кислороде путем смешения его с воздухом, выходящим из регенеративного патрона. Холодильник 8 в воздуховодной системе (см. рис. 4.1) в этом случае отсутствует. В таких аппаратах скорость газификации кислорода зависит лишь от интенсивности теплового потока, проникающего в резервуар через слой теплоизоляции стенок, мало зависит от температуры окружающей среды в том ее диапазоне, в котором применяются аппараты, и не зависит от интенсивности выполняемой физической работы. Поэтому время защитного действия аппарата при любых условиях постоянно, исчисляется с момента заливки в резервуар жидкого кислорода и контролируется респираторщи-ком по часам. К аппаратам такого типа относятся выпускавшиеся в Великобритании аппараты "Аэрофор", "Эренчен" и отечественный "Комфорт". В более сложных аппаратах, таких как "Аэрорлокс" (Великобритания), для кондиционирования используется часть скрытого тепла превращения жидкой фазы кислорода в газообразную. Для этого холодильник выполнен как единое целое с резервуаром. В результате дополнительного охлаждения на металлических стенках холодильника, по другую сторону которых испаряется сжиженный кислород, происходит конденсация влаги, содержащейся в газовоздушной смеси, и на вдох поступает охлажденный и подсушенный воздух. В таком аппарате скорость испарения кислорода увеличи
вается с ростом физической нагрузки.
Для получения значительного охлаждающего эффекта в КИП с жидким кислородом расчетная скорость его испарения и поступления в возду-
109
ховодную систему должна превышать потребность человека в кислороде в 4... 10 раз. При таком режиме избыточный клапан в аппарате работает в конце каждого выдоха, в результате чего в атмосферу удаляется 40...90% газовоздушной смеси от объема поступающего кислорода. Избыточный клапан устанавливают до регенеративного патрона, чтобы через него удалять часть выдыхаемого воздуха, содержащего около 4% углекислого газа, и тем самым частично разгружать регенеративный патрон. Такая подача кислорода в систему позволила отказаться от легочного автомата и байпаса и тем самым упростить конструкцию аппарата.
Главные достоинства КИП с жидким кислородом заключаются в обеспечении оптимальных микроклиматических условий дыхания как при нормальной, так и при высокой температуре окружающей среды, а также в простоте и надежности конструкции. К недостаткам таких аппаратов относятся необходимость их снаряжения запасом кислорода непосредственно перед применением и сразу же обязательное использование всего времени защитного действия. Такой способ подготовки аппарата к работе неприемлем при выезде на пожары первых подразделений. Однако он приемлем при ликвидации затянувшихся пожаров и особенно при производстве работ в условиях высокой температуры.
Для обеспечения нормальной эксплуатации подобных аппаратов в пожарных частях, должен храниться и периодически пополняться запас жидкого кислорода в специальной емкости с вакуумной термоизоляцией; необходимы дьюаровские сосуды для транспортировки кислорода на пожар, т.е. должно быть специализированное и хорошо организованное криогенное хозяйство, аналогичное имеющемуся баллонно-компрессорному хозяйству для обслуживания дыхательный КИПов со сжатым кислородом.
По этим причинам КИП с жидким кислородом до настоящего времени не получили широкого распространения. В СССР в 1968 г. была выпущена опытная партия аппаратов с жидким кислородом "Комфорт", конструкция которого обеспечивает высокую надежность в работе и создает благоприятные микроклиматические условия дыхания в аппарате. За рубежом на горноспасательных станциях, имеющих установки для сжижения
кислорода, применяют в основном аппарат "Аэрорлокс", серийно выпускаемый в Великобритании.
В аппаратах с химически связанным кислородом последний содержится в гранулированном продукте на базе супероксидов щелочных металлов и выделяется при реакции поглощения продуктом углекислого газа и водяных паров, присутствующих в выдыхаемом воздухе. Указанным кис-лородосодержащим продуктом снаряжается регенеративный патрон дыхательный аппарата, при прохождении через который выдыхаемый воздух полностью регенерируется. Процесс регенерации включает две фазы: поглощения углекислого газа (и влаги) и добавления выделившегося кислорода. В регенеративном патроне происходит экзотермическая реакция, в результате которой продукт при тяжелой физической нагрузке разогревается до 400°С. Так как выделение кислорода продуктом пропорционально
ПО
поглощению им углекислого газа, аппарат обеспечивает экономное расходование имеющегося запаса кислорода.
Рис. 4.2. Схема КИП с химически связанным кислородом: 1 —лицевая
Схема воздуховодной системы аппарата такого типа соответствует схеме, показанной на рис. 4.2, или ее модификациям. Кислородоподающая система отсутствует. Вместо нее в большинстве аппаратов имеется пусковое устройство для подачи в воздуховодную систему небольшой порции дополнительного кислорода в начальный период работы, когда продукт еще не разогрелся и кис-лородовыделение происходит недостаточно активно. В качестве источника кислорода в пусковом устройстве обычно используется небольшой брикет химического вещества, выделяющего кислород при разложении. В КИП с временем защитного действия 4 ч и более может быть установлено несколько пусковых устройств для включения в аппарат в начале работы, а затем после кратковременных перерывов. Длительные перерывы в работе (более 1 ч) в аппаратах подобного типа недопустимы, так как после охлаждения разогретого кислородосодержащего продукта процесс выделения им кислорода резко замедляется.
Одна из модификаций воздуховодной системы КИП с химически связанным кислородом, широко применяемая в самоспасателях, показана на рис. 4.2.
Циркуляция воздуха в нем осуществляется по маятниковой схеме: выдыхаемый воздух через лицевую часть, тепловлагообменник, дыхательный шланг, регенеративный патрон с фильтром поступает в дыхательный мешок. При вдохе воздух движется в обратном направлении. Регенерация его происходит частично при поступлении воздуха через патрон в прямом направлении и завершается при прохождении его в обратном направлении. Избыток воздуха удаляется из системы в конце выдохов через избыточный клапан. Пусковое устройство в начале работы выделяет в систему кислород в количестве, достаточном для заполнения дыхательного мешка. Оно приводится в действие автоматически при вскрытии самоспасателя.
Выдыхаемый воздух (рис.4.2) от лицевой части противогаза по шлангу направляется в регенеративный патрон, снаряженный смесью перекисей щелочных металлов (калия, натрия, лития, цезия и др.). В регенеративном
патроне протекает полный цикл регенерации воздуха, т. е. поглощается углекислый газ и влага и выделяется необходимый для дыхания кислород.
111
Этот процесс описывается уравнениями химических реакций, основные из которых приведены ниже:
2КО2 + СО2 = К2СО3 + 3/2 О2 + 180 кДж/моль;
2КО2 + Н2О = 2КОН + 3/2 О2 + 39 кДж/моль;
2КОН + СО2 = К2СО3 + Н2О + 141 кДж/моль;
КОН + Н2О = КОН Ч Н2О + 84 кДж/моль;
КОН + 2Н2О = КОН Ч 2 Н2О + 142 кДж/моль.
Регенерированный воздух поступает далее в дыхательный мешок. При вдохе воздух из дыхательного мешка вновь проходит через регенеративный патрон, очищаясь вторично, и по шлангу поступает в легкие человека. Данная схема дыхания является маятниковой.
Особенность КИП с химически связанным кислородом — значительное нагревание и осушение регенерированного воздуха, в результате чего, если не принять специальных мер для его кондиционирования, то на вдох поступит горячий и сухой воздух. Выходящий из регенеративного патрона воздух имеет большой температурный перепад с окружающей средой и вследствие малого содержания водяных паров обладает низкой удельной энтальпией. Он быстро охлаждается за счет отдачи тепла в окружающую среду и поэтому в аппаратах с химически связанным кислородом обдув окружающим воздухом регенеративного патрона и элементов возду-ховоднои системы, по которым поступает горячий воздух, и применение воздушных холодильников дают хороший кондиционирующий эффект. Возможности охлаждения горячего воздуха в изолирующих самоспасателях ограничены в связи с их небольшими размерами и необходимостью надежной защиты регенеративного патрона от механических повреждений. Кроме того, при циркуляции воздуха по маятниковой схеме он нагревается вновь при втором проходе через регенеративный патрон. Поэтому температура вдыхаемого воздуха в самоспасателях с химически связанным кислородом выше, чем в аналогичных КИП.
Благодаря значительному осушению воздуха в процессе регенерации
Из 1 л жидкого кислорода образуется 850 л (НУ) газообразного. Это в четыре раза больше чем можно получить из I л газообразного сжатого кислорода при давлении 20 МПа. Масса резервуара для жидкого кислорода, меньше, чем баллона для сжатого газа, поскольку сжиженный газ в аппарате хранится при давлении, близком к атмосферному. Поэтому в КИПах с жидким кислородом создается значительный запас газа при относительно малом объеме резервуара и его небольшой массе.
Жидкий кислород в КИП используется не только для обеспечения дыхания, но также как холодильный агент. Он имеет температуру кипения 183°С. Для газификации 1 кг жидкого кислорода нужно затратить 213 кДж тепла, а затем для нагревания до 20°С образовавшихся 750 л (НУ) газа — еще 185 кДж тепла. Указанный запас "холода", содержащийся в сжиженном кислороде, используется для кондиционирования воздуха в КИП и создания комфортных микроклиматических условий дыхания. В более простых конструкциях для кондиционирования используют лишь запас "холода", содержащийся в уже испарившемся кислороде путем смешения его с воздухом, выходящим из регенеративного патрона. Холодильник 8 в воздуховодной системе (см. рис. 4.1) в этом случае отсутствует. В таких аппаратах скорость газификации кислорода зависит лишь от интенсивности теплового потока, проникающего в резервуар через слой теплоизоляции стенок, мало зависит от температуры окружающей среды в том ее диапазоне, в котором применяются аппараты, и не зависит от интенсивности выполняемой физической работы. Поэтому время защитного действия аппарата при любых условиях постоянно, исчисляется с момента заливки в резервуар жидкого кислорода и контролируется респираторщи-ком по часам. К аппаратам такого типа относятся выпускавшиеся в Великобритании аппараты "Аэрофор", "Эренчен" и отечественный "Комфорт". В более сложных аппаратах, таких как "Аэрорлокс" (Великобритания), для кондиционирования используется часть скрытого тепла превращения жидкой фазы кислорода в газообразную. Для этого холодильник выполнен как единое целое с резервуаром. В результате дополнительного охлаждения на металлических стенках холодильника, по другую сторону которых испаряется сжиженный кислород, происходит конденсация влаги, содержащейся в газовоздушной смеси, и на вдох поступает охлажденный и подсушенный воздух. В таком аппарате скорость испарения кислорода увеличи
вается с ростом физической нагрузки.
Для получения значительного охлаждающего эффекта в КИП с жидким кислородом расчетная скорость его испарения и поступления в возду-
109
ховодную систему должна превышать потребность человека в кислороде в 4... 10 раз. При таком режиме избыточный клапан в аппарате работает в конце каждого выдоха, в результате чего в атмосферу удаляется 40...90% газовоздушной смеси от объема поступающего кислорода. Избыточный клапан устанавливают до регенеративного патрона, чтобы через него удалять часть выдыхаемого воздуха, содержащего около 4% углекислого газа, и тем самым частично разгружать регенеративный патрон. Такая подача кислорода в систему позволила отказаться от легочного автомата и байпаса и тем самым упростить конструкцию аппарата.
Главные достоинства КИП с жидким кислородом заключаются в обеспечении оптимальных микроклиматических условий дыхания как при нормальной, так и при высокой температуре окружающей среды, а также в простоте и надежности конструкции. К недостаткам таких аппаратов относятся необходимость их снаряжения запасом кислорода непосредственно перед применением и сразу же обязательное использование всего времени защитного действия. Такой способ подготовки аппарата к работе неприемлем при выезде на пожары первых подразделений. Однако он приемлем при ликвидации затянувшихся пожаров и особенно при производстве работ в условиях высокой температуры.
Для обеспечения нормальной эксплуатации подобных аппаратов в пожарных частях, должен храниться и периодически пополняться запас жидкого кислорода в специальной емкости с вакуумной термоизоляцией; необходимы дьюаровские сосуды для транспортировки кислорода на пожар, т.е. должно быть специализированное и хорошо организованное криогенное хозяйство, аналогичное имеющемуся баллонно-компрессорному хозяйству для обслуживания дыхательный КИПов со сжатым кислородом.
По этим причинам КИП с жидким кислородом до настоящего времени не получили широкого распространения. В СССР в 1968 г. была выпущена опытная партия аппаратов с жидким кислородом "Комфорт", конструкция которого обеспечивает высокую надежность в работе и создает благоприятные микроклиматические условия дыхания в аппарате. За рубежом на горноспасательных станциях, имеющих установки для сжижения
кислорода, применяют в основном аппарат "Аэрорлокс", серийно выпускаемый в Великобритании.
В аппаратах с химически связанным кислородом последний содержится в гранулированном продукте на базе супероксидов щелочных металлов и выделяется при реакции поглощения продуктом углекислого газа и водяных паров, присутствующих в выдыхаемом воздухе. Указанным кис-лородосодержащим продуктом снаряжается регенеративный патрон дыхательный аппарата, при прохождении через который выдыхаемый воздух полностью регенерируется. Процесс регенерации включает две фазы: поглощения углекислого газа (и влаги) и добавления выделившегося кислорода. В регенеративном патроне происходит экзотермическая реакция, в результате которой продукт при тяжелой физической нагрузке разогревается до 400°С. Так как выделение кислорода продуктом пропорционально
ПО
поглощению им углекислого газа, аппарат обеспечивает экономное расходование имеющегося запаса кислорода.
Рис. 4.2. Схема КИП с химически связанным кислородом: 1 —лицевая
часть; 2 — шланг дыхательный; 3 — устройство пусковое; 4 — мешок дыхательный; 5 — клапан избыточный; 6 — патрон регенеративный; 7 — фильтр; 8 — тепловлагооб-менник
Схема воздуховодной системы аппарата такого типа соответствует схеме, показанной на рис. 4.2, или ее модификациям. Кислородоподающая система отсутствует. Вместо нее в большинстве аппаратов имеется пусковое устройство для подачи в воздуховодную систему небольшой порции дополнительного кислорода в начальный период работы, когда продукт еще не разогрелся и кис-лородовыделение происходит недостаточно активно. В качестве источника кислорода в пусковом устройстве обычно используется небольшой брикет химического вещества, выделяющего кислород при разложении. В КИП с временем защитного действия 4 ч и более может быть установлено несколько пусковых устройств для включения в аппарат в начале работы, а затем после кратковременных перерывов. Длительные перерывы в работе (более 1 ч) в аппаратах подобного типа недопустимы, так как после охлаждения разогретого кислородосодержащего продукта процесс выделения им кислорода резко замедляется.
Одна из модификаций воздуховодной системы КИП с химически связанным кислородом, широко применяемая в самоспасателях, показана на рис. 4.2.
Циркуляция воздуха в нем осуществляется по маятниковой схеме: выдыхаемый воздух через лицевую часть, тепловлагообменник, дыхательный шланг, регенеративный патрон с фильтром поступает в дыхательный мешок. При вдохе воздух движется в обратном направлении. Регенерация его происходит частично при поступлении воздуха через патрон в прямом направлении и завершается при прохождении его в обратном направлении. Избыток воздуха удаляется из системы в конце выдохов через избыточный клапан. Пусковое устройство в начале работы выделяет в систему кислород в количестве, достаточном для заполнения дыхательного мешка. Оно приводится в действие автоматически при вскрытии самоспасателя.
Выдыхаемый воздух (рис.4.2) от лицевой части противогаза по шлангу направляется в регенеративный патрон, снаряженный смесью перекисей щелочных металлов (калия, натрия, лития, цезия и др.). В регенеративном
патроне протекает полный цикл регенерации воздуха, т. е. поглощается углекислый газ и влага и выделяется необходимый для дыхания кислород.
111
Этот процесс описывается уравнениями химических реакций, основные из которых приведены ниже:
2КО2 + СО2 = К2СО3 + 3/2 О2 + 180 кДж/моль;
2КО2 + Н2О = 2КОН + 3/2 О2 + 39 кДж/моль;
2КОН + СО2 = К2СО3 + Н2О + 141 кДж/моль;
КОН + Н2О = КОН Ч Н2О + 84 кДж/моль;
КОН + 2Н2О = КОН Ч 2 Н2О + 142 кДж/моль.
Регенерированный воздух поступает далее в дыхательный мешок. При вдохе воздух из дыхательного мешка вновь проходит через регенеративный патрон, очищаясь вторично, и по шлангу поступает в легкие человека. Данная схема дыхания является маятниковой.
Особенность КИП с химически связанным кислородом — значительное нагревание и осушение регенерированного воздуха, в результате чего, если не принять специальных мер для его кондиционирования, то на вдох поступит горячий и сухой воздух. Выходящий из регенеративного патрона воздух имеет большой температурный перепад с окружающей средой и вследствие малого содержания водяных паров обладает низкой удельной энтальпией. Он быстро охлаждается за счет отдачи тепла в окружающую среду и поэтому в аппаратах с химически связанным кислородом обдув окружающим воздухом регенеративного патрона и элементов возду-ховоднои системы, по которым поступает горячий воздух, и применение воздушных холодильников дают хороший кондиционирующий эффект. Возможности охлаждения горячего воздуха в изолирующих самоспасателях ограничены в связи с их небольшими размерами и необходимостью надежной защиты регенеративного патрона от механических повреждений. Кроме того, при циркуляции воздуха по маятниковой схеме он нагревается вновь при втором проходе через регенеративный патрон. Поэтому температура вдыхаемого воздуха в самоспасателях с химически связанным кислородом выше, чем в аналогичных КИП.
Благодаря значительному осушению воздуха в процессе регенерации