способ охлаждения дыхательной газовой смеси в средствах индивидуальной защиты органов дыхания

Формула изобретения

1. Способ охлаждения дыхательной газовой смеси в средствах индивидуальной защиты органов дыхания, работающих на химически связанном кислороде, включающий использование хладагента, отличающийся тем, что дыхательную газовую смесь пропускают при вдохе и выдохе непосредственно через хладагент, причем в качестве хладагента используют неорганические соли, способные образовывать при выдохе кристаллогидраты в результате взаимодействия с парами воды с последующим их термическим разложением при вдохе.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что неорганические соли наносят на неорганический волокнистый материал.

3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что после нанесения на волокнистый материал хладагент обезвоживают.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области спасательной техники, а именно к средствам индивидуальной защиты органов дыхания, преимущественно маятникового типа, работающим на химически связанном кислороде.

В последние годы как в Росси, так и в других странах в качестве источника кислорода в изолирующих самоспасателях и респираторах используют регенеративные продукты на основе порошкообразного надпероксида калия, сформированного в виде гранул, таблеток или блоков. Указанные продукты поглощают диоксид углерода и выделяют кислород, однако при регенерации происходят большие тепловыделения и сушка дыхательной смеси, так как пары воды также участвуют в химических реакциях. Это приводит к повышенной температуре ее на вдохе (до 65-75°С), снижению относительной влажности смеси (до 0%) и чрезмерному нагреву элементов конструкции самоспасателя (респиратора). При нормальном режиме работы за счет теплообмена со стенками дыхательных путей температура дыхательной газовой смеси (ДГС) может снизиться до 45-55°С, однако при тяжелых режимах температура может подниматься до 70-80°С, что может привести к перегреву организма и ожогу легких.

Известен способ охлаждения ДГС, заключающийся в том, что смесь при вдохе и выдохе пропускают через ленту их алюминиевого сплава. При начальной температуре ДГС 75°С и начальной температуре ленты 37°С при полном взаимном теплообмене по известному способу смесь охлаждается на 20-22°С. Недостатком известного способа в первую очередь является то, что газовая смесь имеет конечную относительную влажность, близкую к нулю, что резко снижает комфортность дыхания. Кроме того, эффективность охлаждения является недостаточной, особенно при тяжелых режимах дыхания, когда нагрев может достигнуть 60-65°С.

Известен способ охлаждения дыхательной смеси, заключающийся в том, что в закрытую металлическую емкость (холодильник) помещают хладагент - кристаллический двухзамещенный фосфорнокислый натрий с температурой плавления 34-36°С и вокруг этой емкости пропускают ДГС, нагретую в результате реакции регенерации (Изолирующий кислородный респиратор Р-12. Инструкция по эксплуатации. - Донецк, ЦНИЛ ГД, 1969. - С.34-37). Сущность известного способа заключается в том, что в холодильник заливают нагретый до +60°С однородный расплав хладагента в объеме 800-830 г и охлаждают холодильник, причем при температуре выше +34°С происходит плавление хладагента и в результате теплообмена через стенки ДГС в течение 1 ч охлаждается на 1-3°С. После перехода в расплав температура хладагента начинает расти и при +60°С он теряет охлаждающие свойства.

Недостатками известного способа являются:

короткий срок действия (40-60 мин);

невысокая охлаждающая способность (1-3°С);

низкая относительная влажность ДГС.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности охлаждения дыхательной газовой смеси и увлажнение ее.

Предложен способ охлаждения дыхательной газовой смеси в средствах индивидуальной защиты органов дыхания, работающих на химически связанном кислороде, включающий использование хладагента. Отличием предложенного способа является то, что дыхательную смесь пропускают при вдохе и выдохе непосредственно через хладагент, причем в качестве хладагента используют неорганические соли, способные образовывать при выдохе кристаллогидраты в результате взаимодействия с парами воды с последующим термическим разложением их при вдохе.

Отличием является также то, что неорганические соли наносят на неорганический волокнистый материал.

Другим отличием является то, что после нанесения на волокнистый материал хладагент обезвоживают.

Таким образом, предлагаемый способ предусматривает в процессе дыхания периодическое образование и термическое разложение кристаллогидратов неорганических солей.

Нанесение указанных солей на волокна из неорганического материала позволяет значительно снизить аэродинамическое сопротивление путей прохождения дыхательной смеси. В известных способах охлаждения ДГС пропускают через металлическую ленту или вокруг охлаждающего элемента, и охлаждение ее происходит за счет теплообмена между дыхательной смесью и металлическим корпусом холодильника. В предложенном способе ДГС пропускают непосредственно через хладагент, что позволит не только повысить эффективность охлаждения, но и использовать протекающие химические реакции с выделением паров воды для повышения ее относительной влажности.

Сущность предлагаемого способа поясняется примером и чертежом, где показана принципиальная схема его осуществления.

При дыхании человека выдыхаемая дыхательная газовая смесь имеет температуру около 37°С и насыщена парами воды. Способ охлаждения основан на поглощении тепла и повышении влажности вдыхаемой газовой смеси за счет испарения воды, образующейся при разложении кристаллогидрата. В качестве хладагента принята неорганическая соль CaCl₂. Указанную соль в виде покрытия 1 наносят на волокна 2, изготовленные из неорганического материала, например стекла, кварца, базальта, оксида алюминия и др., а затем обезвоживают. Это упрощает обслуживание средств защиты дыхания, т.к. безводная соль при длительном хранении не реагирует с регенеративным продуктом. Хладагент помещают в трубку 3 и ограничивают с помощью сеток 4 из нержавеющей стали. При выходе пары воды, содержащиеся в выдыхаемой смеси 5, взаимодействуют с неорганической солью и образуют кристаллогидрат:

В процессе данной реакции дыхательная смесь частично освобождается от водяного пара и нагревается. Избыток тепла рассеивается в окружающую атмосферу при прохождении выдыхаемой смеси через все узлы спасательного средства. Остаток водяного пара принимает участие в химической операции регенерации дыхательной смеси.

Как указывалось выше, в настоящее время в качестве источника кислорода в изолирующих самоспасателях и респираторах используют надпероксид калия, при этом регенерация дыхательной смеси проходит по следующим химическим формулам:

2КO₂ +CO₂=К₂СО ₃+1,5O₂;

2КO ₂+Н₂O=2КОН+1,5O₂ .

В процессе регенерации температура дыхательной смеси увеличивается до 50°С и выше, а относительная влажность уменьшается до нуля, т.е. использование такой дыхательной смеси может привести к перегреву организма и ожогу легких и образуются крайне неприятные дискомфортные условия по фактору «влажность».

Предложенный способ предусматривает охлаждение и увлажнение дыхательной смеси при вдохе. Вдыхаемая газовая смесь 6 проходит через трубку 3 во встречном направлении, при этом проходя через хладагент 1, содержащий кристаллогидраты, разлагает их с испарением воды по следующей химической реакции:

CaCl ₂·6Н₂O=CaCl₂ +6H₂O.

В процессе данной реакции происходит значительное поглощение тепла и одновременно смесь увлажняется.

Одним из условий эффективности предложенного способа является то, чтобы волокнистый материал относился к неорганическому соединению, а нанесенная на него соль должна быть обезвожена, т.е. условием длительного хранения снаряженных средств должно быть отсутствие реакции с надпероксидом калия.

При температуре 37°С парциальное давление водяного пара равно 47,12 мм рт.ст., что соответствует концентрации 0,0453 г/л. За один выдох в трубку поступает 1,75 л ДГС, содержащей 0,0793 г водяного пара или 0,0044 моля.

Допускается, что вся вода сорбируется солью при выдохе и десорбируется при вдохе. Для расчетов принято, что в качестве хладагента используют CaCl₂, а ДГС состоит из чистого кислорода. Теплоемкость кислорода принята 99,9 Дж/моль·К. При условии полной адсорбции и десорбции паров воды в каждом цикле «вдох-выдох» и теплоте разложения кристаллогидрата CaCl ₂ с испарением воды, равной 59,8 кДж/моль, количество поглощаемой энергии равно 0,263 кДж. При этом теоретически достигается охлаждение дыхательной смеси на 37°С с ее увлажнением. Для полной сорбции водяных паров в одном цикле «вдох-выдох» достаточно 0,08 г безводного CaCl₂. Другие неорганические соли могут дать более значительное охлаждение.

В таблице приведены характеристики некоторых кристаллогидратов, предлагаемых в качестве тепло- и влагообменных материалов.

Таблица Основные характеристики кристаллогидратов
Компонент	Нразл., кДж/моль воды	Нразл., кДж/кг воды
Н2О (приведена для сравнения)	40,65	2258
CaBr2·6H 2O	60,7	3370
CaCl2·6Н 2O	59,8	3322
Се2(SO 4)3·8Н2 O	59,6	3368
К4Р2 O7·3Н2O	60,7	3372
LaCl2·7H 2O	59,15	3286
La2(SO 4)3·9H2 O	61,7	3426
LiCl·H2O	61,3	3406
LiClO 4·3Н2O	63,67	3537
Li 2SO4·Н2 O	57,0	3167
MgBr2·6H 2O	72,8	4046
MgSO4·7Н 2O	58,6	3254
NaBr·2H2O	53,0	2944
NdCl3·6Н 2O	63,5	3528
PrCl3·6H 2O	76,4	4246
Zr(SO4) 2·4Н2О	92,25	5125

Из данных таблицы следует, что в качестве теплопоглощающего материала кристаллогидраты солей более эффективны, чем вода. Один грамм испаряемой воды в кристаллогидрате может поглотить энергии в 2,25 раза больше, чем один грамм воды при простом испарении.

Использование предлагаемого способа позволит повысить эффективность охлаждения ДГС на 25-37°С и обеспечить увлажнение ее до создания комфортных условий для дыхания. Способ упрощает обслуживание средств защиты дыхательных путей и обеспечивает возможность длительного хранения их в снаряжаемом состоянии.