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: 1840
Скачиваний: 6
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
его последующее охлаждение позволяет создать в дыхательный аппарате с химически связанным кислородом благоприятные микроклиматические условия дыхания. Несмотря на наличие в регенеративном патроне зоны, имеющей температуру 300...400°С, удельная энтальпия вдыхаемого воздуха в этих дыхательный аппаратах примерно такая же, как в аппаратах с жидким кислородом. Это было подтверждено и при исследованиях экспериментальных образцов аппаратов.
Оптимизация влажности вдыхаемого воздуха достигается путем частичного тепловлагообмена между регенерированным в аппарате сухим воздухом и выдыхаемым, насыщенным водяными парами. Сущность тепловлагообмена в дыхательном шланге при маятниковой схеме движения воздуха по нему и в лицевой части заключается в смешении части выдыхаемого воздуха с воздухом, поступающим из аппарата на вдох. В результате смешения снижается температура вдыхаемого воздуха и повышается его влаго-содержание. С другой стороны, одновременно снижается влагосодержание
112
воздуха, поступающего в регенеративный патрон, что благоприятно сказывается на его действии.
Более интенсивно процесс обмена происходит в специальном тепло-влагообменнике 8 (см. рис. 4.2), в который помещена насадка из металлической сетки, фольги или стружки. Более эффективна насадка из гранулированного силикагеля, который сорбирует некоторое количество влаги из выдыхаемого воздуха, а затем десорбирует ее при последующем вдохе. Тепловлагообменник такого типа может быть применен и при круговой схеме циркуляции воздуха. Однако кондиционирующая способность такого тепловлагообменника ограничена из-за малого его объема. Увеличение же объема теплообменника недопустимо из-за роста вредного пространства воздуховодной системы. Поэтому изыскиваются и другие способы оптимизации влажности вдыхаемого воздуха.
К достоинствам КИП с химически связанным кислородом относятся простота конструкции, экономное расходование кислорода и особенно создание благоприятных микроклиматических условий для дыхания. При их применении исключается необходимость иметь в подразделении баллонно-компрессорное или криогенное хозяйство.
Существенным недостатком таких КИП является отсутствие надежно конструкции индикатора степени отработки кислородосодержащего про
дукта, усугубляемое принципиальными трудностями его создания. Вместо индикатора респираторщик вынужден пользоваться часами для определения степени использования и момента окончания гарантированного времени защитного действия аппарата, которое устанавливается для средней физической нагрузки. Поскольку человек не может субъективно количественно оценить тяжесть выполняемой аварийно-спасательной работы, а она иногда может быть несколько выше средней, фактическое время защитного действия устанавливают на 20% выше гарантированного. Из соображений безопасности использовать указанный запас защитной способности не разрешается, в том числе и при легкой работе. Поэтому отсутствие индикатора обесценивает упомянутое достоинство данного способа резервирования кислорода — возможность экономного расходования его запаса.
В качестве индикатора степени отработки кислородосодержащего продукта может быть использован малогабаритный газовый счетчик, установленный на ветви выдоха (или вдоха) воздуховодной системы. Принцип действия такого индикатора основывается на использовании закономерности газообмена человека, согласно которой выделение углекислого газа пропорционально легочной вентиляции. Однако у различных людей наблюдаются отклонения этого соотношения от среднего значения до 20%. С учетом погрешности самого счетчика погрешность определения степени отработки продукта может доходить до 25%. Перспективность применения такого индикатора нуждается в дальнейшем изучении, поскольку других методов индикации до настоящего времени не предложено.
К недостаткам КИП с химически связанным кислородом относятся также невозможность осуществления длительных перерывов в работе,
113
большее сопротивление дыханию, чем в аппаратах со сжатым кислородом, высокая стоимость эксплуатации.
В СССР, предпринимались попытки создания для горноспасательной службы аппарата с химически связанным кислородом со временем защитного действия не менее 4 ч. Они завершились созданием опытных образцов дыхательный аппаратов РХ-1 и РТ-66, которые подтвердили
техническую возможность решения этого вопроса. В обоих образцах были установлены индикаторы степени отработки кислородосодержащего продукта в виде малогабаритных анемометрических газовых счетчиков. Известна также модель аппарата с химически связанным кислородом "Кемокс" (США) с временем защитного действия 1 ч.
В угольной промышленности нашей страны широко используются изолирующие самоспасатели с химически связанным кислородом ШС-7М, ШСС-1 и ШСМ-1. Ими оснащены горнорабочие на всех шахтах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа, и значительном числе шахт, опасных по газу. Респираторами и самоспасателями ШСМ-2 оснащались вспомогательные горноспасательные команды.
Для обеспечения безопасности людей, при пожарах и проведении аварийно-спасательных мероприятий широко применяются самоспасатели СПИ-20 и СПИ-50.
За рубежом были разработаны изолирующие самоспасатели с химически связанным кислородом аналогичного назначения: "Окси СР 60", "Оксибокс К" фирмы "Дрегерверк" (Германия); ССР 120", "ССР 30/100" фирмы "Ауэргезелыпафт" (Германия); "Спираль-1" и "Спираль-2" фирмы "Фензи" (Франция).
Известна мало распространенная группа КИП с химически связанным кислородом, которые основаны на его резервировании в твердых брикетах продолговатой цилиндрической формы, изготовленных на базе берталетовой соли. Брикеты получили название хлоратных свечей. Принцип их действия подобен таковому для брикетов пускового устройства 3 (см. рис 4.2). Кислород выделяется из брикета в результате реакции разложения бертолетовой соли, проходящей при температуре 350-400°С. Для запуска брикет имеет специальное зажигательное приспособление, после приведения в действие которого реакция идет с постоянной скоростью до полного исчерпания запаса кислорода. Указанный брикет заменяет всю кислородоподающую систему. Подача кислорода выбирается заведомо большей, чем максимальное потребление его человеком при тяжелой физической работе. Легочный автомат и байпас в противогазах подобного типа отсутствуют.
Главным достоинством таких аппаратов являются простота и надежность кислородоподающеи системы, состоящей из единственного элемента — хлоратной свечи. Существенный недостаток — невозможность их испо
льзования во взрывоопасной среде. Кроме того, несмотря на значительный общий запас кислорода в хлоратной свече, в связи с неэкономным его расходованием удельное время защитного действия этих аппаратов ниже,
114
чем аппаратов со сжатым кислородом.
В России КИП с хлоратными свечами не применяют. За рубежом известна лишь одна модель аппарата подобного типа — изолирующий самоспасатель "Окси-15", выпускаемый фирмой "Дрегерверк" (Германия) и имеющий время защитного действия 15 мин. В течение этого времени хлоратная свеча массой 0,42 кг выделяет в систему аппарата кислород с объемным расходом 4 л/мин. Поглощение углекислого газа осуществляется в регенеративном патроне с известковым сорбентом. Масса самоспасателя составляет 2,5 кг, а удельное время защитного действия равно 6 мин/кг.
Помимо целого ряда положительных качеств, аппараты на химически связанном кислороде имеют ряд недостатков:
отсутствие или несовершенство приборов, указывающих степень сработанности сорбента;
отсутствие регулировки выделения кислорода;
невозможность определить запас кислорода и времени работы в аппарате;
высокая стоимость эксплуатации и невозможность осуществления длительных перерывов в работе.
При увеличении дыхательной нагрузки возрастает сопротивление дыханию в результате спекания сорбента в процессе регенерации. Большой недостаток аппаратов на химически связанном кислороде является их пожароопасность, т. е. возможность загорания при механическом повреждении корпуса и высыпании кислородосодержащего вещества.
4.2. Сущность регенерации воздуха в кислородных изолирующих противогазах
4.2.1. Краткие сведения о сорбционных процессах и
сорбентах
Первая фаза регенерации выдыхаемого воздуха в КИП заключается в очистке его от углекислого газа, осуществляемой в регенеративном патроне в результате физико-химического процесса сорбции (от лат. sorbeo — поглощаю).
Сорбция — это поглощение газообразных или растворенных веществ сорбентами — твердыми темами или жидкостями. Различают следующие основные виды сорбции: адсорбцию, абсорбцию, капиллярную конденсацию и хемосорбцию. Поглощение газов и паров твердыми сорбентами, как правило, протекает при наличии двух или более из указанных процес
сов, однако один из них является основным, определяющим.
Первые три из названных видов сорбции — процессы физические, обусловленные силами взаимного притяжения молекул сорбента и поглощаемого вещества.
Адсорбция — поглощение вещества поверхностным слоем поглоти-
115
теля (адсорбента).
Абсорбция — поглощение, сопровождающееся диффузией поглощаемого вещества вглубь поглотителя (адсорбента) с образованием раствора, т.е. поглощение всем объемом поглотителя. В некоторых случаях, помимо адсорбции, поглощение газа происходит в результате капиллярной конденсации его в порах твердого тела.
Хемосорбция — процесс сорбции, при котором поглощаемое вещество и поглотитель (хемосорбент) взаимодействуют химически, в результате чего образуется новое химическое соединение.
Сорбенты, применяемые для очистки воздуха от вредных газов в СИЗОД, — это твердые гранулированные или дробленые тела. Наиболее распространенными типами адсорбентов являются активированный уголь, силикагель, алюмогель, цеолиты. Типы хемосорбентов рассматриваются ниже.
Из общих физических свойств сорбентов наиболее важным является их пористая структура. Макро- и микропоры пронизывают гранулы сорбента во всех направлениях и обеспечивают большую поверхность его соприкосновения с очищаемым воздухом. Адсорбенты характеризуются значительной поверхностью пор; удельная поверхность пор у активированного угля равна 300-500 м2/г, у силикагеля 300-700 м2/г; диаметр пор составляет 10-6-104 мм. Пористость хемосорбентов значительно меньше; например, удельная поверхность пор ХП-И составляет 8-12 м2/г. Благодаря самой природе физического процесса адсорбции и большой активной поверхности адсорбента он поглощает газ практически мгновенно. Адсорбция — обратимый процесс: все поглощенное вещество может быть удалено в результате обратного процесса десорбции, в связи с чем адсорбенты легко регенерируются. Процесс адсорбции экзотермический, но количество теплоты, выделяемое при этом, невелико и близко по значению к теплоте конденсации.
Процесс хемосорбции протекает медленнее, чем адсорбции, так
Оптимизация влажности вдыхаемого воздуха достигается путем частичного тепловлагообмена между регенерированным в аппарате сухим воздухом и выдыхаемым, насыщенным водяными парами. Сущность тепловлагообмена в дыхательном шланге при маятниковой схеме движения воздуха по нему и в лицевой части заключается в смешении части выдыхаемого воздуха с воздухом, поступающим из аппарата на вдох. В результате смешения снижается температура вдыхаемого воздуха и повышается его влаго-содержание. С другой стороны, одновременно снижается влагосодержание
112
воздуха, поступающего в регенеративный патрон, что благоприятно сказывается на его действии.
Более интенсивно процесс обмена происходит в специальном тепло-влагообменнике 8 (см. рис. 4.2), в который помещена насадка из металлической сетки, фольги или стружки. Более эффективна насадка из гранулированного силикагеля, который сорбирует некоторое количество влаги из выдыхаемого воздуха, а затем десорбирует ее при последующем вдохе. Тепловлагообменник такого типа может быть применен и при круговой схеме циркуляции воздуха. Однако кондиционирующая способность такого тепловлагообменника ограничена из-за малого его объема. Увеличение же объема теплообменника недопустимо из-за роста вредного пространства воздуховодной системы. Поэтому изыскиваются и другие способы оптимизации влажности вдыхаемого воздуха.
К достоинствам КИП с химически связанным кислородом относятся простота конструкции, экономное расходование кислорода и особенно создание благоприятных микроклиматических условий для дыхания. При их применении исключается необходимость иметь в подразделении баллонно-компрессорное или криогенное хозяйство.
Существенным недостатком таких КИП является отсутствие надежно конструкции индикатора степени отработки кислородосодержащего про
дукта, усугубляемое принципиальными трудностями его создания. Вместо индикатора респираторщик вынужден пользоваться часами для определения степени использования и момента окончания гарантированного времени защитного действия аппарата, которое устанавливается для средней физической нагрузки. Поскольку человек не может субъективно количественно оценить тяжесть выполняемой аварийно-спасательной работы, а она иногда может быть несколько выше средней, фактическое время защитного действия устанавливают на 20% выше гарантированного. Из соображений безопасности использовать указанный запас защитной способности не разрешается, в том числе и при легкой работе. Поэтому отсутствие индикатора обесценивает упомянутое достоинство данного способа резервирования кислорода — возможность экономного расходования его запаса.
В качестве индикатора степени отработки кислородосодержащего продукта может быть использован малогабаритный газовый счетчик, установленный на ветви выдоха (или вдоха) воздуховодной системы. Принцип действия такого индикатора основывается на использовании закономерности газообмена человека, согласно которой выделение углекислого газа пропорционально легочной вентиляции. Однако у различных людей наблюдаются отклонения этого соотношения от среднего значения до 20%. С учетом погрешности самого счетчика погрешность определения степени отработки продукта может доходить до 25%. Перспективность применения такого индикатора нуждается в дальнейшем изучении, поскольку других методов индикации до настоящего времени не предложено.
К недостаткам КИП с химически связанным кислородом относятся также невозможность осуществления длительных перерывов в работе,
113
большее сопротивление дыханию, чем в аппаратах со сжатым кислородом, высокая стоимость эксплуатации.
В СССР, предпринимались попытки создания для горноспасательной службы аппарата с химически связанным кислородом со временем защитного действия не менее 4 ч. Они завершились созданием опытных образцов дыхательный аппаратов РХ-1 и РТ-66, которые подтвердили
техническую возможность решения этого вопроса. В обоих образцах были установлены индикаторы степени отработки кислородосодержащего продукта в виде малогабаритных анемометрических газовых счетчиков. Известна также модель аппарата с химически связанным кислородом "Кемокс" (США) с временем защитного действия 1 ч.
В угольной промышленности нашей страны широко используются изолирующие самоспасатели с химически связанным кислородом ШС-7М, ШСС-1 и ШСМ-1. Ими оснащены горнорабочие на всех шахтах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа, и значительном числе шахт, опасных по газу. Респираторами и самоспасателями ШСМ-2 оснащались вспомогательные горноспасательные команды.
Для обеспечения безопасности людей, при пожарах и проведении аварийно-спасательных мероприятий широко применяются самоспасатели СПИ-20 и СПИ-50.
За рубежом были разработаны изолирующие самоспасатели с химически связанным кислородом аналогичного назначения: "Окси СР 60", "Оксибокс К" фирмы "Дрегерверк" (Германия); ССР 120", "ССР 30/100" фирмы "Ауэргезелыпафт" (Германия); "Спираль-1" и "Спираль-2" фирмы "Фензи" (Франция).
Известна мало распространенная группа КИП с химически связанным кислородом, которые основаны на его резервировании в твердых брикетах продолговатой цилиндрической формы, изготовленных на базе берталетовой соли. Брикеты получили название хлоратных свечей. Принцип их действия подобен таковому для брикетов пускового устройства 3 (см. рис 4.2). Кислород выделяется из брикета в результате реакции разложения бертолетовой соли, проходящей при температуре 350-400°С. Для запуска брикет имеет специальное зажигательное приспособление, после приведения в действие которого реакция идет с постоянной скоростью до полного исчерпания запаса кислорода. Указанный брикет заменяет всю кислородоподающую систему. Подача кислорода выбирается заведомо большей, чем максимальное потребление его человеком при тяжелой физической работе. Легочный автомат и байпас в противогазах подобного типа отсутствуют.
Главным достоинством таких аппаратов являются простота и надежность кислородоподающеи системы, состоящей из единственного элемента — хлоратной свечи. Существенный недостаток — невозможность их испо
льзования во взрывоопасной среде. Кроме того, несмотря на значительный общий запас кислорода в хлоратной свече, в связи с неэкономным его расходованием удельное время защитного действия этих аппаратов ниже,
114
чем аппаратов со сжатым кислородом.
В России КИП с хлоратными свечами не применяют. За рубежом известна лишь одна модель аппарата подобного типа — изолирующий самоспасатель "Окси-15", выпускаемый фирмой "Дрегерверк" (Германия) и имеющий время защитного действия 15 мин. В течение этого времени хлоратная свеча массой 0,42 кг выделяет в систему аппарата кислород с объемным расходом 4 л/мин. Поглощение углекислого газа осуществляется в регенеративном патроне с известковым сорбентом. Масса самоспасателя составляет 2,5 кг, а удельное время защитного действия равно 6 мин/кг.
Помимо целого ряда положительных качеств, аппараты на химически связанном кислороде имеют ряд недостатков:
отсутствие или несовершенство приборов, указывающих степень сработанности сорбента;
отсутствие регулировки выделения кислорода;
невозможность определить запас кислорода и времени работы в аппарате;
высокая стоимость эксплуатации и невозможность осуществления длительных перерывов в работе.
При увеличении дыхательной нагрузки возрастает сопротивление дыханию в результате спекания сорбента в процессе регенерации. Большой недостаток аппаратов на химически связанном кислороде является их пожароопасность, т. е. возможность загорания при механическом повреждении корпуса и высыпании кислородосодержащего вещества.
4.2. Сущность регенерации воздуха в кислородных изолирующих противогазах
4.2.1. Краткие сведения о сорбционных процессах и
сорбентах
Первая фаза регенерации выдыхаемого воздуха в КИП заключается в очистке его от углекислого газа, осуществляемой в регенеративном патроне в результате физико-химического процесса сорбции (от лат. sorbeo — поглощаю).
Сорбция — это поглощение газообразных или растворенных веществ сорбентами — твердыми темами или жидкостями. Различают следующие основные виды сорбции: адсорбцию, абсорбцию, капиллярную конденсацию и хемосорбцию. Поглощение газов и паров твердыми сорбентами, как правило, протекает при наличии двух или более из указанных процес
сов, однако один из них является основным, определяющим.
Первые три из названных видов сорбции — процессы физические, обусловленные силами взаимного притяжения молекул сорбента и поглощаемого вещества.
Адсорбция — поглощение вещества поверхностным слоем поглоти-
115
теля (адсорбента).
Абсорбция — поглощение, сопровождающееся диффузией поглощаемого вещества вглубь поглотителя (адсорбента) с образованием раствора, т.е. поглощение всем объемом поглотителя. В некоторых случаях, помимо адсорбции, поглощение газа происходит в результате капиллярной конденсации его в порах твердого тела.
Хемосорбция — процесс сорбции, при котором поглощаемое вещество и поглотитель (хемосорбент) взаимодействуют химически, в результате чего образуется новое химическое соединение.
Сорбенты, применяемые для очистки воздуха от вредных газов в СИЗОД, — это твердые гранулированные или дробленые тела. Наиболее распространенными типами адсорбентов являются активированный уголь, силикагель, алюмогель, цеолиты. Типы хемосорбентов рассматриваются ниже.
Из общих физических свойств сорбентов наиболее важным является их пористая структура. Макро- и микропоры пронизывают гранулы сорбента во всех направлениях и обеспечивают большую поверхность его соприкосновения с очищаемым воздухом. Адсорбенты характеризуются значительной поверхностью пор; удельная поверхность пор у активированного угля равна 300-500 м2/г, у силикагеля 300-700 м2/г; диаметр пор составляет 10-6-104 мм. Пористость хемосорбентов значительно меньше; например, удельная поверхность пор ХП-И составляет 8-12 м2/г. Благодаря самой природе физического процесса адсорбции и большой активной поверхности адсорбента он поглощает газ практически мгновенно. Адсорбция — обратимый процесс: все поглощенное вещество может быть удалено в результате обратного процесса десорбции, в связи с чем адсорбенты легко регенерируются. Процесс адсорбции экзотермический, но количество теплоты, выделяемое при этом, невелико и близко по значению к теплоте конденсации.
Процесс хемосорбции протекает медленнее, чем адсорбции, так