Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
28
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ЄХИЛЕВСЬКИЙ Степан Григорович
УДК 622.867.322
ПІДВИЩЕННЯ РЕСУРСУ ДИХАЛЬНИХ АПАРАТІВ
НА ХІМІЧНО ПОВ'ЯЗАНОМУ КИСНІ
Спеціальність 05.26.01 - "Охорона праці"
А в т о р е ф е р а т
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Дніпропетровськ - 2002
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі вищої математики Донецького національного технічного університету (ДонНТУ) Міністерства освіти і науки України
Н а у к о в и й к о н с у л ь т а н т
Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Пак Вітольд Вітольдович, зав. кафедрою вищої математики ДонНТУ Міністерства освіти і науки України
О ф і ц і й н і о п о н е н т и
доктор технічних наук, професор Кременчуцький Микола Феофанович, професор кафедри аерології та охорони праці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України;
доктор технічних наук, с.н.с Алєйнікова Галина Матвіївна, проректор з науково-методичної роботи Донецького інституту туристичного бізнесу Міністерства освіти і науки України;
доктор технічних наук, с.н.с. Аверін Геннадій Вікторович, професор кафедри природоохоронної діяльності Донецького національного технічного університету Міністерства освіти і науки України
П р о в і д н а у с т а н о в а
Науково-дослідний інститут гірничорятувальної справи Міністерства палива та енергетики України, відділ засобів захисту дихання, м. Донецьк
Захист відбудеться ___19 грудня__ 2002 р. о __14-00_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 в Національному гірничому університеті України за адресою: 490027, м. Дніпропетровськ, 27, пр. К.Маркса, 19.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національного гірничого університету України за адресою: 490027, м. Дніпропетровськ, 27, пр. К.Маркса, 19.
Автореферат розісланий __18 листопада__ 2002 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради
доктор технічних наук В.Т.Заїка
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність проблеми. Підземна розробка родовищ корисних копалин здійснюється в умовах підвищеної небезпеки. У аварійній ситуації органи подиху варто захистити від пилу, диму, чадного газу, метану, нестачі кисню, високої температури і т.п.
Для евакуації працюючих і ведення гірничорятувальних робіт використовуються шахтні саморятувальники (що фільтрують і ізолюють) і регенеративні респіратори. Саморятувальники використовуються гірниками, при виході з аварійної дільниці на свіжий струмінь. Саморятувальники, що фільтрують, конструктивно простіші і дешевші, проте вони не забезпечують захист від багатьох шкідливих речовин і марні у випадках низького вмісту кисню в шахтній атмосфері.
У ізолюючих апаратах необхідний для дихання кисень знаходиться в балоні або зв'язаний хімічно. При кімнатній температурі густина хімічно зв'язаного кисню (і потенційний захисний ресурс) у декілька разів більше, чим стиснутого. У апаратах на скрапленому кисні цей показник ще вищий. Проте останні не знайшли широкого застосування у ВГРЧ, тому що не зберігаються в спорядженому стані і не можуть із цієї причини використовуватися оперативно.
Разом із високою густиною резервування кисню важливо забезпечити комфортний мікроклімат у дихальному апараті, що в ідеалі повинний сприяти відводові тепла з організму. І в цьому плані апарати на хімічно зв'язаному кисні також виявляються дуже перспективними. Крім того, вони простіші і легші від балонних, не потребують компресорного господарства, забезпечують ретельно дозоване (у міру потреби) витрачання кисню. Саме з ними, у першу чергу, пов'язане вдосконалювання індивідуальних засобів захисту подиху.
Для цього необхідно підвищити ефективність використання ресурсу респіратора (в існуючих апаратах цей показник знаходиться на рівні 33%). Це дозволить збільшити термін захисної дії, зменшити масу і габарити апарата. Потрібна також надійна індикація захисного ресурсу, що залишився. Без такої інформації гірничорятувальник здійснює передчасний вихід із зони аварії, не виконавши потрібних робіт і не надавши допомоги потерпілим. У противному випадку, переоцінивши можливості дихального апарату, він може загинути сам.
Сучасний дихальний апарат на хімічно зв'язаному кисні - результат синтезу інженерних рішень, знань в галузі фізики, фізичної хімії, фізіології і медицини. Його радикальне вдосконалювання неможливо без комплексного розгляду процесів, що протікають у працюючому апараті. Воно потребує побудови адекватних математичних моделей і масштабних експериментальних досліджень як натурних, так і чисельних. Роль останніх особливо зростає в умовах економічної кризи і пов'язаними з цим труднощами у фінансуванні та матеріально-технічному забезпеченні галузевої і вузівської науки. Принципово також, що чисельні експерименти дозволяють уникнути перекручувань досліджуваних процесів при впровадженні в кисневовмісний продукт усіляких датчиків і зондів для взяття проб регенерованого повітря і виміру температури.
Істотне спрощення згаданих моделей досягається в наближенні постійної температури працюючого прошарку продукту, що містить кисень. Коректність такого підходу є тим більш обґрунтованою, чим вужчий температурний інтервал, у якому зв'язується основна частина СО, що виділяється при диханні. Використання такого наближення припускає автономний розгляд робочого і теплового процесів у регенеративному патроні дихального апарата. Перший забезпечує захисну функцію, другий пов'язаний із виділенням і поширенням екзотермічного тепла при поглинанні СО кисневовмісним продуктом.
Одержувані на цьому шляху результати носять універсальний характер і можуть бути використані для розрахунку усіляких фільтрів (зокрема вапняних сорбентів СО у балонних респіраторах), створення систем життєзабезпечення, будівництва очисних споруджень і т.п.
Викладене визначає актуальність і важливість наукової проблеми розробки наукових основ підвищення ресурсу дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні.
Зв'язок теми дисертації з планом роботи університету.
Дисертаційна робота містить результати досліджень, виконаних автором за тематичними планами науково-дослідних робіт ДонНТУ (кафедральна тема Н-24-29) і НДІГС (№ДР 0196U002686, №ДР 0199U002367). У виконанні зазначених тем автор брав участь як керівник і відповідальний виконавець.
Об'єкт дослідження. Локальна регенерація атмосфери в дихальному апараті на хімічно зв'язаному кисні.
Предмет дослідження. Особливості тепломасообміну при фільтрації видихуваного повітря через прошарок кисневовмісного продукту, які призводять до низької ефективності використання ресурсу регенеративного патрона, резерви і шляхи істотного поліпшення цього показника.
Ціль роботи. Розробка наукових основ підвищення ресурсу дихальних апаратів на хімічно пов'язаному кисні. Її реалізація потребує рішення ряду наукових і технічних задач:
. Побудувати універсальні математичні моделі робочого і теплофізичного процесів у регенеративних патронах шахтних дихальних апаратів.
. Обґрунтувати експериментальну методику ув'язування запропонованих моделей із процесом регенерації в існуючих дихальних апаратах і визначити числові значення феноменологічних параметрів теорії.
. Встановити причини неефективного використання захисного ресурсу в наявних дихальних апаратах, визначити резерви і шляхи підвищення цього показника.
. Виробити практичні рекомендації, спрямовані на вдосконалювання наявних і знову розроблюваних дихальних апаратів.
. Створити новий наближений метод, нескладний математично, прозорий ідейно і такий, що дозволяє кількісно описати нестаціонарну динаміку сорбції з точністю, достатньої для оптимізації робочого процесу респіратора.
. Апробувати розроблені наукові основи збільшення терміну захисної дії дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні і перевірити чинність практичних рекомендацій.
Методи дослідження. Для досягнення поставленої цілі використана методологія, що являє собою синтез теоретичних і експериментальних досліджень, що доцільно чергуються, інженерних рішень, чисельних експериментів і натурних випробувань. Адекватність матмоделей робочого і теплофізичного процесів встановлена в лабораторіях НДІГС на стенді-імітаторі подиху. Відповідно до оригінальної методики визначені числові значення феноменологічних констант теорії, після чого виявлені значні резерви і шляхи вдосконалювання дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні. З метою їхньої реалізації запропонований ряд інженерних рішень, що передбачають зміни в конструкції регенеративного патрона і схемі частини, що проводить повітря. Ефективність запропонованих рішень установлена чисельними експериментами, що зажадало істотного розвитку теорії, у процесі якого були отримані оригінальні (синтетичні) результати (наприклад, метод рішення нестаціонарних задач динаміки сорбції і ентропійні аспекти асимптотики цього явища). Теоретичні дослідження дозволили істотно спростити розрахунки і обійтися без спеціалізованого програмного забезпечення. Всі результати отримані на найпростішій ЕОМ у середовищі пакета MathCAD.
Ідея роботи полягає у спільній оптимізації робочого (що забезпечує поглинання вуглекислого газу і виділення кисню) і теплофізичного (пов'язаного з виділенням і поширенням екзотермічного тепла) процесів у дихальних апаратах на хімічно зв'язаному кисні за критерієм максимального терміну захисної дії методами математичного моделювання і наближеного рішення нестаціонарних і неоднорідних задач динаміки сорбції з урахуванням конструктивних змін регенеративного патрона і повітря провідної частини дихального апарату, що забезпечують вмикання у відведення тепла усієї маси кисневовмісного продукту і збільшення верхньої (теоретичної) межі динамічної сорбційної активності.
Основні наукові положення, що виносяться на захист і їхня новизна.
1. Регенерація повітря в дихальному апараті на хімічно пов'язаному кисні являє собою взаємодію робочого і теплофізичного процесів і у наближенні постійної температури працюючого прошарку сорбенту адекватно описується рівняннями балансу вуглецю, що зв'язується, кінетики сорбції і теплопровідності з безперервно і нестаціонарно розподіленими джерелами екзотермічного тепла, що підтверджено натурними експериментами, виконаними за оригінальною методикою.
. На відміну від наявних уявлень форма регенеративного патрона безпосередньо не впливає на робочий процес дихального апарата і не може призвести до збільшення динамічної активності кисневовмісного продукту. Якщо опір фільтрації ізотропний, термін захисної дії визначається лише режимом подиху й об'ємом патрона.
. Початкова еволюція проскакування СО у дихальному апараті без пускового пристрою відповідає лінійній ділянці ізотерми сорбції. Потім, що вперше відстежено експериментально, екзотермічне тепло підвищує активність продукту, що містить кисень, і зміщує кінетику в горизонтальну частину ізотерми. Проте насичення продукту не відбувається через його спікання.
. Проскакування вуглекислого газу поступово піднімає його концентрацію у видиху, проте стаціонарність граничної умови можна зберегти, якщо час роботи дихального апарата вимірювати кількістю вуглекислого газу, що надійшов на вхід регенеративного патрона. Аналогічно при зміні режиму подиху або у випадку повторного вмикання апарата час його роботи можна вимірювати кількістю зв'язаного вуглецю, що і покладено в основу нового методу рішення нестаціонарних задач динаміки сорбції.
. Вмикання у відведення тепла усієї маси продукту, що містить кисень, дозволяє запобігти спіканню і наблизити динамічну активність до максимальної теоретично можливої. А уповільнення повітряного потоку в щодо свіжих останніх прошарках продукту збільшує сам максимум. У результаті завдяки концептуальним змінам конструкції, вперше у світовій практиці спрямованим на збільшення динамічної сорбційної активності, сумарний приріст терміну захисної дії дихальних апаратів у залежності від режиму їхньої роботи може досягати 50% і більше.
Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій. Наукові положення, висновки і рекомендації, сформульовані в дисертації, обґрунтовані:
- теоретичними побудовами й експериментальними дослідженнями регенерації повітря в дихальних апаратах із хімічно зв'язаним киснем на стенді-імітаторі подиху, що дозволяє максимально наблизити реальні умови експлуатації;
- розробленими математичними моделями робочого і теплофізичного процесів у регенеративному патроні дихального апарата на хімічно зв'язаному кисні, що враховують комплекс явищ сорбційної, хімічної і теплофізичної природи, які відбуваються в працюючому прошарку кисневовмісного продукту.
- чисельними експериментами, що підтверджують ефективність запропонованих змін у конструкції регенеративного патрона і повітротокової частини дихального апарата, які забезпечують більш повне використання захисного ресурсу продукту, що містить кисень.
- випробуваннями дихального апарата нового покоління з оригінальною конструкцією частини, що проводить повітря, і регенеративного патрона.
Наукове значення роботи полягає в розвитку теорії робочого і теплофізичного процесів дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні і створенні наукових основ підвищення захисного ресурсу цих апаратів за рахунок більш ефективного використання продукту, що містить кисень.
Практичне значення роботи полягає в такому:
- розроблена методика ув'язування загальних результатів математичного моделювання з робочим і теплофізичним процесами в конкретних дихальних апаратах при даних режимах їхньої роботи;
- визначені безрозмірні довжини наявних регенеративних патронів усіх форм і розмірів, установлений кількісний зв'язок між реальним часом і безрозмірним, що фігурує в математичній моделі робочого процесу;
- конкретизовані причини неефективного використання захисного ресурсу продукту, що містить кисень, у наявних дихальних апаратах;
- у середовищі пакета MathCAD підготовлено комплект програм для розрахунку приведеної концентрації СО у повітрі, що протікає через патрон, і розподілу зв'язаного вуглецю в товщі продукту, що містить кисень;
- виявлені оптимальні засоби фільтрації повітря через продукт, що містить кисень, які пом'якшують тепловий режим регенеративного патрона й збільшують верхню (теоретичну) межу його терміну захисної дії;
- запропонований ряд принципових змін у конструкції регенеративного патрона і повітряноводневій частині дихального апарата, які мінімум у півтора рази збільшують термін захисної дії апарата;
- ряд теоретичних результатів (наприклад, щодо оптимальних засобів фільтрації) носить універсальний характер і може використовуватися при створенні систем життєзабезпечення, будівництві очисних споруджень і т.п.
- розвинені в роботі методи й отримані з їхньою допомогою висновки знайшли свій відбиток у викладацькій діяльності на кафедрах охорони праці, вищої математики, обчислювальної техніки й інформатики.
Реалізація результатів роботи. Розроблена автором методика експериментальних досліджень дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні застосовується в НДІГС для одержання вихідних параметрів розрахунків респіраторів і саморятувальників. За матеріалами дисертації подані три заявки на винаходи. По двох із них отримані патенти України. Всі вони, а також теоретичні розробки автора прийняті до впровадження в НДІГС при створенні дихальних апаратів нового покоління. В даний час проведені успішні випробування макета дихального апарата з оригінальними конструкціями повітровідної частини і регенеративного патрона, що підтвердили суттєве (у півтора рази і більше) збільшення гарантованого терміну захисної дії апарата без збільшення його маси і габаритів за рахунок більш ефективного використання хімічно зв'язаного кисню.
Результати виконаних автором теоретичних досліджень використані для визначення найбільш доцільного параметра індикації залишкового захисного ресурсу дихального апарата на хімічно зв'язаному кисні і створення індикатора відпрацювання регенеративного патрона, заснованого на інтегруванні тепла, яке виділяється при роботі кисневовмісного продукту, що дозволило гарантований термін захисної дії респіратора РХ4-Е наблизити до фактичного.
Особистий внесок автора. Автором самостійно сформульовані ціль і задачі дослідження, наукові положення, висновки і рекомендації. Йому належить засіб наближеного рішення нестаціонарних задач динаміки сорбції, комплект програм для розрахунку приведеної концентрації СО у повітрі, що протікає через патрон, і розподіли зв'язаного вуглецю в товщі кисневовмісного продукту і виконаний із його допомогою чисельний експеримент, а також метод ув'язування загальних результатів математичного моделювання з робочим і теплофізичним процесами в конкретних дихальних апаратах при даних режимах їхньої роботи і розроблені на його основі експериментальні методики. Автор приймав особисту участь у плануванні, підготовці і проведенні ряду експериментів, а також в опрацюванні й інтерпретації отриманих даних.
Особистий внесок автора у роботах, опублікованих у співавторстві, полягає у розробці математичної моделі теплофізичного процесу в регенеративному патроні респіратора [1], в обґрунтуванні рівняння кінетики сорбції [2-4], обґрунтуванні методики експериментальних досліджень регенерації повітря в існуючих дихальних апаратах [7], плануванні лабораторних експериментів та інтерпретації отриманих у них даних [8,9], виявленні причин неефективного використання хімічно зв'язаного кисню для захисту дихання і запропонуванні шляхів підвищення цього показника [10,12,23,25-28], ініціюванні, підготовці і проведенні порівняльних випробувань нових схем дихальних апаратів [24], вивченні випадків точного вирішення задач динаміки сорбції [12,29].
Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на розширених міжкафедральних семінарах ДонНТУ із запрошенням головних спеціалістів ДонВУГІ і НДІГС у 1995 і 1998 рр.; на 3 Міжнародній науково-практичної конференції "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности" (Санкт-Петербург, 1998 р.), у відділі засобів захисту дихання НДІГС у 1990-1992, 1996-1998 р., на четвертій Міжнародній науково-практичній конференції "Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности" у рамках третього Петербурзського економічного форуму (1999 р. ), на другій Міжнародній науково-технічній конференції “Новые технологии управления движением технических объектов“ (Новочеркаськ, 1999 р.), на Міжнародній восьмій Білоруській математичній конференції (Мінськ, 2000 р.), на Міжнародному екологічному конгресі (Санкт-Петербург, 2000 р.), науково-практичній конференції “Донбас-2020: наука і техніка виробництву” (Донецьк, 2002 р.) і т.п.
Публікації. По темі дисертації автором опубліковано 34 наукові роботи, ключові положення подані в 28 роботах, серед яких 25 статей у спеціалізованих наукових виданнях і збірниках (у тому числі 13 самостійних) і 3 патенти України.
Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, шести розділів і додатків; містить 283 сторінки, у тому числі 250 сторінок машинописного тексту, 60 рисунків, 3 таблиці і список посилань із 171 джерела.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У першому розділі “Стан проблеми, цілі, задачі і методологія досліджень” обґрунтована актуальність проблеми, необхідність рішення ряду задач, адекватність вибраної методології.
Вичерпання вугільних шарів, що розроблюються призводить до подальшого поглиблення виробіток і ускладнення гірничо-геологічних і технічних умов на шахтах галузі. У результаті подовжуються маршрути просування гірничорятувальників до місця аварії, зростає температура повітря. Це не тільки збільшує тривалість і трудомісткість рятувальних робіт, але призводить до перенагрівання організму гірничорятувальника, що негативно позначається на його працездатності і може призвести до теплового удару. Тому при створенні засобів захисту подиху особливе значення набуває створення комфортного мікроклімату в респіраторі, який в ідеалі повинний сприяти відведенню тепла з організму.
Найбільш перспективні в цьому плані респіратори на хімічно зв'язаному кисні. Причина полягає в наступному. Водяні пари, що виділяються при подиху, відіграють роль каталізатора при зв'язуванні вуглекислого газу
КО + 2НО = 4КОН + 3О + 78 кДж , (1)
КОН + СО = КСО + НО + 141 кДж. (2)
Якщо пари води в надлишку, вони досить охоче реагують із КОН. Сухе регенероване повітря, нагріте до 200 - 300 С, інтенсивно розсіює тепло навіть у дуже жарке навколишнє середовище. Значно охолонуте повітря надходить у вологообмінник, де продовжується його різке охолодження за рахунок високої теплоти паротворення і збільшення теплоємності. Описаний механізм дозволяє відводити тепло з організму гірничорятувальника навіть при температурі навколишнього середовища 50 С і вище.
Великий внесок у розробку, створення й удосконалювання засобів захисту подиху на хімічно зв'язаному кисні внесли співробітники Науково дослідного інституту гірничорятувальної справи: Діденко М.В., Інденбаум Т.Е., Шевченко Ю.А., Алєйнікова Г.М., Овчаров В.К., Ільїнський Е.Г., Конопелько Є.І.
Проте стосовно цілого ряду параметрів наявні респіратори і саморятувальники на хімічно зв'язаному кисні все ще далекі від досконалості. У них відсутні вузли, що управляють динамікою сорбції, іншими словами, немає перемінних параметрів для впливу на процес регенерації повітря. Очевидно також, що екстенсивний шлях, пов'язаний із простим нарощуванням маси продукту, що містить кисень, є неможливим. Збільшення ваги і габаритів дихального апарата істотно підвищують витрати праці, особливо в щільних умовах при розробці тонких вугільних шарів. Існуючі респіратори близькі до такої межі, коли додатковий хімічно зв'язаний кисень практично весь витрачається на забезпечення витрат по його перенесенню в складі апарата. Тому зміст запропонованих конструктивних змін повинний полягати в спільній оптимізації робочого і теплофізичного процесів у регенеративному патроні дихального апарата за критерієм максимального терміну захисної дії.
Використана методологія полягала в послідовній мотивації кожного такого етапу проведеного дослідження як природного продовження попереднього за умови, що всі вони найкоротшим шляхом забезпечують досягнення поставленої цілі.
Комплексний підхід до рішення обкресленої наукової проблеми відображає той факт, що сучасний дихальний апарат - результат синтезу інженерних рішень, знань в галузі фізичної хімії, теплофізики, фізіології і медицини. Основні з цих знань потрібно було акумулювати в згаданих математичних моделях регенерації повітря.
При цьому прийшлося рахуватися з тим, що, незважаючи на значні успіхи, досягнуті в дослідженні динамічної сорбційної активності, закінченої теорії цього явища, що кількісно описує регенерацію повітряного потоку прошарком, що поглинає, немає. Причина полягає в різноманітті фізико-хімічних механізмів цього явища. У такій ситуації природно було відмовитися від спроб використання мікротеорії при побудові математичної моделі дихального апарата й обмежитися феноменологією, яка із достатньої для практичних потреб точністю враховує все різноманіття явищ, що забезпечують регенерацію повітряного потоку прошарком кисневовмісного продукту.
Адекватність запропонованих матмоделей робочого і теплофізичного процесів у дихальному апараті за участю автора встановлена експериментально в НДІГС на стенді-імітаторі дихання. Отримані при цьому дані використані для визначення числових значень феноменологічних параметрів розвиненої теорії.
Постановка чисельних експериментів вимагала істотного розвитку теорії, у процесі якого були отримані оригінальні результати (метод наближеного рішення неоднорідної і нестаціонарної задачі динаміки сорбції). Самі по собі чисельні розрахунки неминучі, тому що вже в найпростіших ситуаціях (із лінійною ізотермою сорбції) еволюцію проскакування не вдасться описати в елементарних функціях, що змушує при одержанні числових значень проскакування і "забруднення" удаватися до допомоги ЕОМ.
Другий розділ “Альтернативні моделі робочого процесу шахтного регенеративного дихального апарата” містить три підрозділи і є теоретичною базою подальших досліджень.
Математична модель робочого процесу являє собою систему диференціальних рівнянь у часткових похідних, що описують баланс вуглецю при зв'язуванні СО продуктом, що містить кисень, у процесі фільтрації повітря через регенеративний патрон
(3)
і кінетику сорбції
, (4)
де v - швидкість течії повітря; W - об'ємна концентрація молекул СО у повітрі, що протікає; x - довжина шляху, пройденого повітрям у сорбенті; U - об'ємна концентрація захоплених молекул; t - час; - феноменологічна постійна, що характеризує швидкість сорбції; Wp - рівноважне значення концентрації, по досягненні якого сорбція врівноважується протилежним за своєю спрямованістю процесом десорбції.
Залежність Wp від U визначається природою продукту, що містить кисень, умовами регенерації повітря і називається ізотермою сорбції. Найбільше загальні риси ізотерми можна встановити, не конкретизуючи вид сорбенту. Поблизу нуля, де можна знехтувати нелінійностями, маємо
. (5)
Відповідно до (4), (5) можна грубо трактувати як число порцій повітря, що вміщується в регенеративному патроні між гранулами сорбенту, які цілком регенеруються до настання рівноваги (). Видих триває секунди, а респіратор працює часами, тобто в існуючих апаратах 10-4.
Рис. 1. Рівноважна концентрація вуглекислого газу у дуже активних сорбентах.
З іншого боку, будь-який сорбент є активним, якщо концентрація сорбтиву на вході у фільтр W дуже висока. У цьому випадку основна частина сорбції відбувається в умовах, коли (рис. 1), тобто ізотерму можна наблизити сходинкою
, (6)
де - максимальне значення U, що характеризує статичну активність сорбенту, - функція Хевісайда.
Між цими граничними випадками розташовані всі інші ізотерми, а значить і процеси сорбції СО. Тобто, достатньо розглянути їх, щоб одержати двосторонню оцінку теоретичної ефективності використання ресурсу хімічно зв'язаного кисню. Почнемо з першого (сорбції в області Генрі).
При постійному W зручно перейти до безрозмірних змінних
, , (7) , . (8)
Квазістаціонарний розподіл W установлюється після протікання через патрон першої ж порції повітря, після чого перший доданок у правій частині (3) можна опустити. У чистому патроні спад СО при протіканні повітря через патрон пропорційний його утриманню, що призводить до експонентного закону. Прийнявши цей момент за початок відліку часу, доповнимо систему (3), (4) такими початковими умовами
, . (9)
Відповідні рішення мають вигляд
, (10)
. (11)
Рис. 2. Розподіл зв’язаного вуглецю в товщі продукту, що містить кисень.
Рис. 3. Залежність розміру проскакування СО від часу при різноманітних значеннях безрозмірної координати.
Рис. 4. Еволюція приведеної концентрації СО у повітрі, що протікає через продукт, який містить кисень.
Виконані за їхньою допомогою чисельні розрахунки в графічній формі подані на рисунках 2 - 4. Практичний інтерес має - частка СО , що безперешкодно проходить патрон в даний момент часу. Фізіологія подиху така, що критичною являється умова
, (12)
де - безрозмірна довжина патрона. За його допомогою можна визначити термін захисної дії респіратора k, після закінчення якого, нормальна життєдіяльність неможлива (рис.5, крива 1). Теоретичний рівень відпрацювання поглинального ресурсу патрона (рис. 6, крива 1) розрахований за допомогою формули
. (13)
Отримані залежності показують (рис. 2, 4), що СО, як і повинно бути, осідає в основному там, де градієнт його концентрації - максимальний. З часом цей процес, у міру відпрацювання продукту, переміщається в напрямку повітряного потоку. Проте, до моменту критичного проскакування СО значна частина ресурсу патрона (мертвий прошарок) залишається невикористаною. Суттєво, що прошарок е -кратного ослаблення концентрації “розпливається”у просторі, а графіки залежності проскакування від часу, побудовані для різних (рис.3), не сполучаються один з одним при рівнобіжному переносі уздовж осі . Це не дозволяє виділити прошарок сорбенту, що працює в даний момент часу.
Рис.5 Термін захисної дії дихального апарата як функція безрозмірної довжини патрона
1. - з хемосорбцією в області Генрі;
. - у дуже активних сорбентах
Рис.6 Ступінь відпрацювання ресурсу патрона до кінця терміну захисної дії
1. - з хемосорбцією в області Генрі;
. - у дуже активних сорбентах
Ситуація якісно змінюється у випадку дуже активних сорбентів. Застосуємо введені раніше безрозмірні і приведені величини, однак з відповідними змінами
. . (14)
У результаті за допомогою (3), (4), (6) отримано
, ( < 1), (15)
. (). (16)
Згідно з (15), (16) до насичення лобових прошарків сорбенту працюючий прошарок стоїть на місці, а потім, не змінюючи ширини, зміщається з постійною швидкістю (рис. 7, 8). Те, що прошарок не розпливається, є основною відмінністю даної моделі від розглянутої раніше. З цієї причини проскакування СО виявляється меншим, а термін захисної дії патрона і відсоток використання його ресурсу - вищим (див. рис. 5, 6 криві 2).
Третій розділ “Порівняння з експериментом. Адекватність запропонованих моделей” присвячений ув'язуванню загальних результатів із процесами, що протікають в конкретних регенеративних патронах при даних режимах їхньої роботи. Для цього вирішені дві задачі: як перейти до безрозмірних змінних в патронах різноманітної форми і як визначити числові значення феноменологічних параметрів теорії.
Рис.7 Приведена концентрація зв'язаного вуглецю як функція координати
1. =0,5; 2. =1; 3. =2; 4. =3.
Рис.8 Спад приведеної концентрації СО у дуже активних сорбентах як функція координати
. <1; 2. =2; 3. =3.
Якщо потік повітря є площинно-паралельним, безрозмірна довжина патрона не залежить від його форми, яка впливає лише на опір фільтрації
, (17)
де L - довжина прошарку, що фільтрує; S - площа поперечного перетину повітряного потоку; Q - витрата повітря; w - його об'єм у середині фільтра.
У випадку радіальної течії вираження для у сферичній або циліндричній системах координат, що враховують симетрію патрона, приймають відповідно вигляд
, , (18)
де r - поточний радіус; r- його значення на вході в продукт; h - висота циліндричного патрона. Якщо r дорівнює зовнішньому радіусу фільтра, у (18) можна виділити w і знову прийти до (17).
Таким чином, зміною форми прошарку, що поглинає, не можна поліпшити робочий процес респіратора. У кращому випадку (якщо всі молекули СО переборюють однаковий опір фільтрації) безрозмірна довжина патрона, а значить і термін його захисної дії, залишиться тим же.
Легше усього знайти , вимірявши проскакування СО на початку сталого режиму (див. формули (10), (15))
. (19)
Значення w з об'ємом патрона пов'язане співвідношенням
, (20)
де =0.6 - щільність упаковування гранул продукту, що містить кисень.
Знаючи і w за формулою (17) можна обчислити . Значення варто знаходити за допомогою стехіометрії, розрахувавши, скільки літрів повітря може в принципі регенерувати продукт даного патрона. Розділивши результат на w, одержимо -1 (див. пояснення після формули (5)) і, таким чином, завершимо визначення основних параметрів моделі.
Рис.9 Експериментальні криві спаду концентрації СО у циліндричному прошарку сорбенту
1.r =5.5 см; 2.r =7.3 см; 3.r =9 см.
З метою адекватного вибору однієї з альтернативних моделей у НДІГС на стенді - імітаторі дихання був поставлений експеримент. У циліндричний патрон РХС зменшений для взяття проб повітря були впроваджені чотири зонди, що поділяють продукт, який містить кисень, на п'ять рівних по товщині прошарків. Утримання CO у пробах визначалося газовими аналізаторами ГІАМ-5. На загальну картину накладалися коливання, зумовлені чергуванням вдихів і видихів. Після установлення осушувачів, що відіграють також і роль демпфера, коливання зменшилися. Отримані в такий спосіб криві зображені на рис. 9. Очевидно, що без пускового пристрою реакція розпалюється протягом 15 хвилин, після чого процес сорбції входить у штатний режим, і починається монотонний ріст показників. Цю точку доцільно використовувати як початок відліку часу при визначенні безрозмірної довжини патрона.
Отримані дані дозволяють практично однозначно зробити якісний висновок про адекватність моделей сорбції. Вже швидкого погляду на рис. 3 і 9 достатньо, щоб переконатися в якісній відповідності поданих на них картин. При малих криві опуклі, а при великих - увігнуті, тобто не сполучаються один з одним при рівнобіжному переносі уздовж осі часу.
У наступному експерименті використано чотири послідовно сполучених нестандартних патрони об'ємами 0.407, 0.419, 0.471 і 0.678 літра, що містять відповідно 360, 375, 400 і 630 грамів кисневовмісного продукту. На вхід першого патрона по відкритій схемі подавалося 28 літрів повітря в хвилину з 4-х відсотковим вмістом CO при температурі 190С і тиску 741 мм рт. ст. Протягом 3-х годин простежувалась еволюція проскакування CO за кожним із патронів. Для наближення до звичайного теплового режиму патрони усі разом були покладені в металевий ранець респіратора. Результати контролю CO на вході в продукт піддані лінійній регресії, після чого обчислені приведені значення проскакування , що відповідають усім експериментальним точкам (рис. 10).
Щоб усереднено адекватно описати процес регенерації, поклали для першого патрона = 2.4, а
, (21)
якщо реальний час t міряти в секундах.
Безрозмірні довжини патронів з однаковим видом сорбенту пропорційні їхнім об'ємам (масам продукту): , де 360 і 375 - маси продукту першого і другого патронів у грамах, аналогічно , .
Рис.10 Еволюція утримання СО у повітрі, що протікає через патрон
i-я крива відповідає входу в i-й патрон
Відповідно першій експериментальній точці (рис.10, крива 2) відповідає безрозмірна координата , другій - . Аналогічно складена таблиця 1.
Таблиця 1.
дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні
|
№ п/п |
назва апарата |
маса сорбенту г |
безрозмірна довжина патрона |
||
|
режим 2 |
режим 5 |
режим 10 |
|||
|
1 |
РХС |
2400 |
.5 |
||
|
2 |
РХ-4 |
3700 |
|||
|
3 |
ШСР |
2070 |
.5 |
||
|
4 |
ШСС |
915 |
Очевидно, що побудовані для обчислених теоретичні криві (формула (10)) цілком задовільно лягають на експериментальні точки (рис. 10). Загальну тенденцію трохи порушує 5-а крива. Тут проскакування росте дещо швидше, ніж прогнозує теорія. Причина, очевидно, у надмірному нагріванні і спіканні продукту через внутрішні джерела тепла екзотермічного походження (див. (1), (2)).
Та обставина, що параметри моделі, визначені за допомогою першої експериментальної кривої, підходять для опису еволюції проскакування через інші патрони, підтверджує адекватність моделі в цілому. Для більшої об'єктивності зроблені незалежні оцінки на основі методики (17) - (20), викладеної вище:
л = 0,1628л; =2.4.28/(60.0.1628) = 6.88 с-1.
Відповідно до рівнянь (1), (2) основної реакції, патрон може поглинути 360.44/(2.71) =111.5г вуглекислого газу, що в перерахунку на нормальні умови складає 1420 літрів 4-х процентної суміші. Розділивши результат на w, одержимо, що -1=8.72.103.
Масштаб безрозмірного часу (див. першу формулу (7)) визначається набутком =. Для адекватного опису експериментальних залежностей (див. формулу (21)) потрібне . Іншими словами, у реальному часі події розгортаються в 1.1/0.8 = 1.375 разів швидше, ніж наказує теорія. Виходить, у стільки ж разів швидше наступить критичне проскакування СО. Тобто, фактичний термін захисної дії менше теоретичного значення на 37,5% за умови, що ізотерма сорбції лінійна, і ми маємо справу з першою із альтернативних моделей.
У дійсності невикористаний ресурс ще вищий, тому що остання крива рис. 10 явно “обганяє” теоретичну залежність. Проскакування за четвертим патроном довго не з'являється, але, з'явившись - стрімко наростає. Саме так і буває у випадку дуже активних сорбентів. Викладене означає, що в міру розігрівання продукту, робочий процес наближається до описаного в рамках другої моделі. Це визначає більш високий ступінь відпрацювання продукту (рис. 6). Зокрема, для сумарної довжини всіх чотирьох патронів ( = 11.7) за допомогою залежності, поданої на рис. 5 легко одержати = 11.7 для дуже активних сорбентів і = 9.6 для випадку лінійних ізотерм.
Відповідно до раніше викладеного, події розвиваються дещо швидше, ніж наказує теорія. Значить реально критичне проскакування СО наступає при . Тобто, якщо замикаючи прошарки працюють за схемою другої моделі, теоретичний термін захисної дії більший фактичного на .
Гарантований термін захисної дії менше фактичного ще на 20% (7.0.8= 0.56). Тому, розв'язавши проблему індикації ресурсу, що залишився, і його максимального використання, термін захисної дії респіратора можна підвищити більш ніж удвічі (11,7-5,6)100/5,6 = 109%. Крім того, цей показник можна ще поліпшити за рахунок мертвого прошарку сорбенту.
Розділ 4 “Причини неефективного використання захисного ресурсу наявних дихальних апаратів і шляхи поліпшення цього показника” містить теорію теплофізичного процесу дихального апарата на хімічно зв'язаному кисні. На рис. 11 приведені експериментальні криві залежності температури продукту, що містить кисень, від часу в різноманітних перетинах циліндричного регенеративного патрона: лобовому, середньому і останньому. Максимуми температури по прошарках практично не відрізняються один від одного, що наводить на думку про спікання продукту після досягнення визначеної температури і припинення з цієї причини екзотермічної реакції. У цьому припущенні побудована модель теплофізичного процесу в регенеративному патроні респіратора.
З урахуванням симетрії патрона температура продукту як функція часу і радіуса може бути описана рівнянням теплопровідності з внутрішніми джерелами тепла
, (22)
де - температура; - температуропровідність; - коефіцієнт температуроутворення продукту.
Продукт, що містить кисень, складається з ізольованих гранул, розділених повітряним прошарком, і тому має дуже низьку теплопровідність. Завдяки малості a при , де - температура спікання продукту, другим членом справа в рівнянні (22) можна зневажити. У результаті одержимо
, (23)
де - температура навколишнього середовища, - приведена температура продукту, а u задається формулою (11).
Рис.11 Експериментальні криві залежності температури продукту від часу в різноманітних перетинах патрона
-лобовий прошарок; 2-середній прошарок; 3-замикаючий прошарок
У заключній стадії внаслідок обумовленого спіканням продукту різкого зменшення поверхні контакту реагентів швидко знижується теплова потужність процесу. Тому першим членом справа в рівнянні (22) можна зневажити. Подальша еволюція процесу зводиться до того, що фронт спікання повільно зміщається до периферії, а у відпрацьованій частині встановлюється квазістаціонарний розподіл температур. Це дозволяє для невеличких проміжків часу ( ) опустити в (22) . У результаті для розподілу температури отримуємо рівняння Лапласа, яке належить доповнити граничними умовами
, . (23)
Після чого рішення задачі приймає вигляд
. (24)
Тут час входить неявно через радіус спікання . Залежність відповідного йому показана на рис. 12, а зв'язок між і встановлюється другою формулою (18).
На рисунку 13 подані залежності приведеної температури від часу для трьох характерних перетинів патрона, причому висхідні гілки цих залежностей побудовані за допомогою (23), (11), а спадні - за допомогою (24) і графіка рис. 12.
Порівняння рис. 13 і 11 показує на гарну якісну відповідність. Таким способом комплексно перевірюється адекватність двох математичних моделей: рівнянь (3) - (5), (7), (8) при умовах (9), що описують явище хемосорбції CO продуктом, що містить кисень, а також рівнянь (22)-(24), що описують теплофізичні процеси в продукті. Комплексна перевірка, як відомо, є більш жорсткою і дає підставу для використання моделей із метою визначення подальших шляхів удосконалювання ізолюючих дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні.
Рис.12 Координата фронту спікання продукту, що містить кисень, як функція часу
Рис.13 Теоретична залежність температури продукту, що містить кисень, від часу для різноманітних перетинів регенеративного патрона
. =2,5; 2. =11; 3. =22.
Зокрема, це стосується обґрунтування параметра індикації витрати продукту, що містить кисень, у якості котрого найкраще залучити температуру продукту, а датчик розмістити в його останньому прошарку.
Не менше значення має запобігання спікання продукту, що містить кисень, і збільшення за рахунок цього ефективності використання захисного ресурсу патрона. Для цього можна інтенсифікувати відвід тепла, пронизавши продукт решіткою із високотеплопровідних матеріалів. Проте, насамперед потрібно включити в знімання тепла всю масу самого продукту, що містить кисень. Оскільки тепло виділяється в кожному елементарному акті зв'язування СО , потрібно забезпечити більш рівномірний розподіл зв'язаного вуглецю в товщі продукту. У такий спосіб вдасться уникнути перегріву і послідовного спікання передніх, найбільш "навантажених" прошарків.
З цією метою розроблено дихальний апарат, поданий на рис 14. Повітря, що проходить через перший об'єм сорбенту 2 тільки на видиху, потрапляє через клапан видиху 5 у пружну ємність видиху 4. Перепад тиску між нею і пружною ємністю вдиху 6 безупинно фільтрує повітря через другий об'єм сорбенту 3. Останнє забезпечено пружністю обох ємностей дихального мішка. З ємності вдиху 4 через клапан вдиху 8 повітря по шлангу вдиху 7 потрапляє в легені, після чого цикл замикається. Повітря з частини для обличчя 9 по шлангу видиху 1 знову потрапляє в об'єм сорбенту 2 і т.д.
Рис.14 Схема дихального апарата зі швидким протіканням повітря через лобові прошарки патрона
Оскільки вдих і видих приблизно рівні за тривалістю, в об'ємі сорбенту 2 швидкість течії повітря в момент видиху приблизно вдвічі більша швидкості сталої течії повітря в об'ємі сорбенту 3. Це скорочує час контакту реагентів в об'ємі 2, що сприяє більш рівномірному використанню всієї товщі сорбенту, перешкоджає його спіканню, продовжує термін захисної дії апарата і знижує опір подиху.
В основу наступного винаходу (рис. 15) поставлено задачу вдосконалення регенеративного патрона. Видихуване повітря через патрубок 2 і фільтр 4 по каналу видиху потрапляє в робочу камеру 6, де вступає в реакцію з речовиною, що містить кисень.
Рис.15 Регенеративний патрон дихального апарата з хімічно зв'язаним киснем
Поглинання CO і відновлення кисню супроводжується виділенням великої кількості тепла. Для запобігання спікання працюючого прошарку тепло розосереджується розподільником 7 і частково через теплообмінник 8 передається видихуваному повітрю ще до того, як воно потрапляє в камеру 6. Повітря, що нагрівається в теплообміннику і підпирається новими видихуваними порціями повітря, ізобарно розширюється в напрямку течії, збільшуючи швидкість і зменшуючи час протікання через передні прошарки речовини, що містить кисень, які найбільш інтенсивно беруть участь у реакції. Це збільшує проскакування вуглекислого газу в наступні, слабко задіяні і тому більш холодні, прошарки сорбенту. У них повітря ізобарно охолоджується і стискається, збільшуючи тим самим об'ємну концентрацію молекул СО, що залишилися. У результаті реакція продовжується з новою силою, що розширює працюючий прошарок і сприяє більш рівномірному розподілу джерел тепла. Регенероване повітря, пройшовши через фільтр 5, покидає корпус 1 по патрубку 3. В основу наступного винаходу (рис. 15) поставлено задачу вдосконалення регенеративного патрона. Видихуване повітря через патрубок 2 і фільтр 4 по каналу видиху потрапляє в робочу камеру 6, де вступає в реакцію з речовиною, що містить кисень. Поглинання CO і відновлення кисню супроводжуються виділенням великої кількості тепла.
1. v=const ; 2. у режимі рівномірного зносу сорбенту
Таким чином, запропоновані винаходи пом'якшують тепловий режим патрона і наближають до ідеалу термін захисної дії дихального апарата. Проте, дослідження, виконані на основі моделі робочого процесу, показують (рис. 16), що режим рівномірного зносу сорбенту не є ідеальним для динаміки сорбції. Виграючи у часі контакту з більш чистими прошарками сорбенту, ми втрачаємо в перепаді концентрацій (див. праву частину (4)). Компроміс не забезпечується лінійним профілем швидкості.
Крім того, при цьому залишається невикористаним ресурс мертвого прошарку сорбенту. Ця проблема вирішена в ізолюючому дихальному апараті (рис.17), що сполучає переваги маятникової (малий обсяг мертвого прошарку) і кругової (великий термін захисної дії і малий шкідливий простір) схем умикання регенеративного патрона у частину апарата, що проводить повітря. У маятниковій частині повітря, що регенерується, здійснює зворотно-поступальне прямування, і шкідливим називається простір, зайнятий повітрям, що повертається на вдих, так і не вступивши в контакт із свіжою частиною продукту, що містить кисень.
Рис. 17 Дихальний апарат із гібридною круго-маятниковою схемою частини, що проводить повітря
Розділ 5 “Чисельний експеримент. Ефективність запропонованих технічних рішень”. Вперше у світовій практиці в конструкцію дихальних апаратів внесені зміни, спрямовані на збільшення динамічної активності прошарку, що поглинає. У результаті робочий процес у регенеративному патроні вийшов за рамки розглянутих моделей. Перемінною стала швидкість фільтрації і значення концентрації на вході в другу частину регенеративного патрона. У маятниковій частині сорбція СО здійснюється при наявності початкового забруднення продукту, що містить кисень. Проведення натурних експериментів зв'язане зі значними матеріальними й організаційними труднощами. У зв'язку з чим розвинено метод наближеного рішення неоднорідних і нестаціонарних задач динаміки сорбції, який дозволив обминути проблему перемінних параметрів під час постановки чисельних експериментів.
Рис.18 Вплив проскакування СО на термін захисної дії регенеративного патрона ізолюючого дихального апарата
1 - відкрита схема; 2 - закрита схема
Рис.19 Розподіл пов'язаного вуглецю за фронтом насичення сорбенту після зменшення швидкості плину повітря, що регенерується
i - я крива відповідає часу
Суть методу у використанні старих моделей (див. формули (3)-(16)), але з перерахунком часу за кількістю молекул, що прослідували в патрон
, (25)
при стаціонарному розподілі швидкості, або осілих у ньому при зміні режиму фільтрації після досягнення деякого рівня забруднення. Іншими словами, реалізовано принцип пісочного годинника, відповідно до якого час із точки зору патрона завмирає, якщо в нього не надходить вуглекислий газ. Очевидно, що при такому підході проблема перемінних параметрів стає взагалі надуманою. Результати виконаних за допомогою нового методу чисельних експериментів у графічній формі подані на рис. 18 - 21. Очевидно, що додавання проскакування СО до видиху сильніше забруднює патрон і зменшує термін його захисної дії (рис. 18). Після зниження швидкості фільтрації молекули СО гірше проскакують крізь продукт. Тому формується більш крутий квазістаціонарний розподіл концентрації (рис. 19). Причому швидкість його прямування сповільнюється (зменшується відстань між кривими), тому що в одиницю часу на вхід патрона при тому ж відсотковому вмісті СО надходить менше його молекул. Таким чином, засновані на новому методі чисельні експерименти розумно інтерпретуються, що підтверджує достовірність оцінок ефективності нових апаратів (рис. 20, 21).
Рис.20 Відносне збільшення теоретичного терміну захисної дії удосконалених дихальних апаратів
Рис.21 Розподіл зв'язаного вуглецю в регенеративному патроні саморятувальника з круговою схемою повітровідної частини в момент критичного проскакування СО
1 - у звичайному апараті; 2 - із реверсом повітряного потоку
Ідея реверса (повороту повітряного потоку після вичерпання лобових прошарків продукту) є прозорою в дуже активних сорбентах. У них критичне проскакування СО визначається лише довжиною працюючого прошарку продукту і не залежить від ступеня його виснаження. Тому при наданій довжині працюючого прошарку потрібно по можливості виснажити обидва його краї.
Розділ 6 “Теоретичні узагальнення. Підсумковий експеримент”. Звичайно динаміка сорбції теоретично досліджується методами математичної фізики, коли усе зводиться до рішення системи диференціальних рівнянь у приватних похідних, що описують кінетику сорбції і баланс домішки, що поглинається. Тобто, при наявності граничних і початкових умов еволюція концентрації домішки W(x,t) є суворо детермінованою. Водночас цілком очевидно, що елементарний акт сорбції - суттєво випадкова подія, і можливий статистичний підхід до опису динаміки цього явища. У його рамках глибина проникнення домішки в прошарок, що поглинає, є величиною випадковою. Закон її розподілу, що характеризується густиною ймовірності f(x,t), безпосередньо пов'язаний із приведеною концентрацією домішки в товщі сорбенту.
, (26)
де F(x,t) - інтегральна функція розподілу, що визначає можливість молекулі бути поглиненою до точки х. Статистичний зміст дозволяє її одержати із закону зростання ентропії
(27)
минаючи рішення згаданої системи диференціальних рівнянь у часткових похідних.
Вже перше протікання повітря через патрон призводить до встановлення квазистаціонарного розподілу f як функції координати. З урахуванням умови нормування і скінченності математичного очікування екстремальне S забезпечується експоненціальним розподілом (рис.22, крива 1), який поступово трансформується в нормальний, що припускає просте тлумачення. Віддаляючись у міру відпрацювання продукту від входу в патрон, пік f(x,t) усе менше почуває вплив країв на всю картину сорбції. У пределі нуль на нижній межі в (27) можна замінити мінус нескінченністю і варіаційними методами переконатися, що екстремальним при цьому стає нормальний закон. Останній результат надзвичайно важливий із погляду додатків, тому що дозволяє при великому часі апроксимувати (x,t) різницею 1- (x,t), де - табульована функція, яка отримується інтегруванням нормального закону по координаті. Природно, що при цьому маточікування і середньоквадратичне відхилення повинні залежати від часу. У такий спосіб багаторазово поліпшується збіжність наявних у (10), (11) рядів, що істотно полегшує постановку чисельних експериментів.
Рис.22 Еволюція густини ймовірності сорбції шкідливої домішки з потоку суцільного середовища в області Генрі
. = 0; 2. = 10; 3. = 30
Останні показують помітне збільшення динамічної активності патрона, що в залежності від виду апарата і режиму експлуатації забезпечує 10 - 17% приріст теоретичного терміну захисної дії (рис. 20). Гармонійність гібридної схеми (рис. 17) у тому, що одночасно (за рахунок розрізування патрона) збільшується поверхня теплообміну і пом'якшується температурний режим продукту, що містить кисень, чим запобігається його спікання. У результаті термін захисної дії наближається до ідеалу (причому до нового, збільшеного), отриманого в рамках відповідних матмоделей. Попутно може бути радикально вирішена задача визначення захисного ресурсу, що залишився, і моменту припинення рятувальних робіт із метою своєчасного (без запізнення і перестраховки) виходу гірничорятувальника із зони аварії. Для цього в круговій частині патрона 2 між виходом з неї і сорбентом потрібно встановити датчик вуглекислого газу 4. Його спрацьовування означатиме, що процес регенерації зміщається в маятникову частину патрона 3, тобто апарат починає працювати в режимі саморятувальника, і час виходити на свіжий струмінь.
З урахуванням викладеного, сумарний ефект, що досягається реконструкцією повітровідної частини навіть без урахування теплофізики явища, складає третину теоретичного терміна захисної дії звичайного дихального апарата. Оцінити позитивний ефект гібридної схеми, обумовлений зм'якшенням теплового режиму, дуже важко. Тому були проведені натурні порівняльні випробування. Їхній результат поданий на рис. 23.
У круговій схемі критичне значення досягнуте на 51 хвилині, що на 13 хвилин або на 26% раніше, ніж у кругомаятниковій. Патрону такої маси (900 г) у 5-му режимі роботи відповідає безрозмірна довжина = 5 (див. таблицю 1). Відповідно до проведених чисельних експериментів (рис. 20), використання кругомаятникової схеми в патронах такої довжини тільки за рахунок збільшення динамічної активності (без урахування теплофізики процесу) призводить до 10% збільшення терміну захисної дії. Значить, 16% приросту обумовлені поліпшенням теплообміну в новому апараті і запобіганням спікання продукту, що містить кисень. Максимальна температура корпуса (160С) була на 50С нижче, ніж у першому досліді.
Рис.23 Проскакування СО через дихальний апарат на хімічно зв'язаному кисні з круговою (крива 1) і кругомаятниковою (крива 2) схемами повітровідної частини
Відсутність високоточного засобу визначення захисного ресурсу патрона, що залишився, працюючого за круговою схемою, змушує перестраховуватися і зменшувати на 20% гарантований термін захисної дії в порівнянні з фактичним, отриманим у лабораторних умовах. У результаті для кругової схеми одержуємо 51.0,8 = 41 хв гарантованої захисної дії апарата. У кругомаятниковій схемі розрізування патрона, як уже зазначалося вище, дозволяє радикально вирішити проблему індикації захисного ресурсу. Тому гарантований термін захисної дії дорівнює фактичному (64 хв).
Таким чином, з урахуванням усіх чинників при тій же (і навіть декілька меншій) масі продукту (566+330 < 900) виграш за часом гарантованої захисної дії склав ((64 - 41)/41).100% = 56%. Після вікового розвитку дихальних апаратів, коли процес їхнього вдосконалювання вийшов на насичення, такий прогрес (у 1,5 разу і більш) варто розглядати як дуже значний.
В И С Н О В К И
У дисертації вирішена важлива науково-технічна і соціальна проблема збільшення захисного ресурсу ізолюючих дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні шляхом їхньої корінної зміни на основі математичного моделювання, чисельних і натурних експериментів у малодослідженій області нестаціонарної динаміки екзотермічної хемосорбції, запобігання передчасного спікання продукту, що містить кисень, за рахунок спрямування надлишків тепла, що виділяється, на формування оптимального протікання повітря через регенеративний патрон для наближення його динамічної активності до гранично можливого - статичної, що забезпечує підвищення ресурсу більш ніж у 1,5 рази без збільшення їхньої маси та габаритів і сприяє підвищенню безпеки експлуатації шахт і результативності гірничорятувальних робіт.
Основні наукові результати, висновки і рекомендації.
Розроблені:
. Наукові основи підвищення ресурсу дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні для шахтарів і гірничорятувальників за рахунок вмикання в зняття тепла усієї маси продукту, що містить кисень, і збільшення його динамічної активності шляхом удосконалення конструкції регенеративного патрона і внесенням змін у схему повітровідної частини апарата.
. Основи теорії робочого і теплофізичного процесів у регенеративному патроні дихального апарата на хімічно зв'язаному кисні, що узгоджено враховує весь комплекс основних чинників сорбційної, фізико-хімічної і теплофізичної природи, що впливають на регенерацію атмосфери в ізолюючому респіраторі або шахтному саморятувальнику на хімічно зв'язаному кисні. Це знайшло втілення в математичних моделях регенерації, що являють собою системи рівнянь у частинних похідних, які описують кінетику сорбції для різноманітних типів ізотерм, баланс вуглецю при зв'язуванні молекул СО продуктом, що містить кисень, і розподіл температури при наявності в товщі продукту розосереджених джерел тепла екзотермічного походження.
. Метод наближеного рішення нестаціонарних і неоднорідних задач динаміки сорбції, заснований на підрахунку молекул СО, що прослідували у патрон або осіли у ньому в залежності від умов задачі. Він дозволяє описати роботу регенеративного патрона після зміни режиму подиху (збільшення або зменшення витрати СО) або при повторному вмиканні апарата, коли вже є початкове "забруднення" патрона, а так само врахувати збільшення концентрації вуглекислого газу на вході в патрон, обумовлене надходженням на вдих молекул, що проскочили. У його рамках розглянуті засоби фільтрації повітря, що пом'якшують тепловий режим регенеративного патрона.
. Обґрунтування і методика ув'язування розроблених матмоделей із процесом регенерації в існуючих дихальних апаратах у реальних умовах їхньої експлуатації, що передбачає визначення в експерименті числових значень феноменологічних параметрів теорії і перехід до безрозмірних змінних в патронах різноманітних геометричних розмірів і форм.
. Комплект програм у середовищі пакета MatCAD із коментарями, для розрахунків забруднення патрона й еволюції утримання СО у повітрі, що протікає через патрон, а також терміну захисної дії, ефективності використання ресурсу патрона й інших характеристик, корисних при створенні й удосконалюванні дихальних апаратів найрізноманітніших схем. В основу рахунку призначене поліпшення збіжності з наступною інтерполяцією рішень матмоделей, записаних у вигляді подвійних рядів за ступенями часу і координати.
Теоретично й експериментально встановлено, що:
1. З початку роботи дихального апарата рівноважна концентрація вуглекислого газу пропорційна густині зв'язаних молекул із коефіцієнтом . Потім, у міру розігрівання продукту, що містить кисень, вид ізотерми сорбції якісно змінюється. Вона наближається до сходинки, що дозволяє в наближенні дуже активних сорбентів нехтувати впливом зв'язаного вуглецю на швидкість сорбції майже до повного вичерпання поглинального ресурсу продукту, що містить кисень.
. Безрозмірні довжини регенеративних патронів існуючих дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні визначаються на початку їхньої роботи й у залежності від режимів подиху змінюються в межах від декількох одиниць до декількох десятків. При цьому теоретичний ступінь відпрацювання продукту, що містить кисень, складає 60-95%.
. Фактичний ступінь відпрацювання продукту, що містить кисень, у 2 - 2,5 разу нижче теоретичного й у три рази нижче стехіометричної ємності продукту. Для поліпшення цього показника потрібно спільно оптимізувати робочий і теплофізичний процеси в регенеративному патроні дихального апарата, а також поліпшити індикацію терміну захисної дії, що залишився.
4. У випадку лінійних ізотерм сорбції приведену концентрацію домішки в току повітря можна при великому часі апроксимувати різницею 1-(,), де - функція помилок, що утворюється інтегруванням нормального закону по координаті . Певна річ, що маточікування координати сорбції і середньоквадратичне відхилення при цьому повинні бути функціями часу.
5. Запропоновані зміни конструкції патрона і схеми повітровідної частини дихального апарата не тільки покращують температурний режим патрона, перешкоджають спіканню і наближають фактичний ступінь відпрацювання продукту до теоретичного. Вони збільшують теоретичну (а значить і практичну) ступінь відпрацювання продукту, що містить кисень, що дозволяє істотно (у півтора рази) продовжити термін захисної дії дихального апарата, не збільшуючи при цьому ні масу, ні сорбційну ємність продукту, що містить кисень.
На основі розроблених матмоделей і програмного забезпечення науково обґрунтовані і реалізовані:
. Змішана кругомаятникова схема повітровідної частини ізолюючого респіратора для гірничорятувальних робіт на хімічно зв'язаному кисні, що забезпечує поєднання в одному апараті переваг маятникової (високий ступінь відпрацювання продукту) і кругової (малий об'єм шкідливого простору) схем повітровідної частини;
. Принципова схема апарата зі швидким проходженням найбільш навантажених лобових прошарків кисневовмісного продукту, що дозволило поєднати кругову схему повітровідної частини з рівномірним відпрацюванням прошарків продукту, що містить кисень, розташованих один за одним у напрямку повітряного потоку;
. Конструкція регенеративного патрона з теплообмінником, винесеним у канал видиху, де відбувається ізобаричне нагрівання потоку за рахунок екзотермічного тепла, що надходить через теплорозподілювач патрона. Істотним при цьому є те, що об'ємна концентрація СО у лобовому прошарку виявляється нижчою, а в наступному прошарку - вищою, ніж раніш. У такий спосіб удасться збільшити ширину працюючого прошарку речовини, що містить кисень, і розосередити внутрішні джерела тепла екзотермічного походження, надлишки якого саме і викликають спікання речовини, що містить кисень.
4. Модель саморятувальника з круговою схемою повітровідної частини і реверсом повітряного потоку, що забезпечує п'ятикратне зменшення мертвого прошарку сорбенту і 11% приріст терміну захисної дії дихального апарата.
. Поліпшена процедура розрахунку забруднення патрона, утримання СО у повітрі, що протікає через патрон, терміну захисної дії, ефективності використання ресурсу патрона й інших характеристик, корисних при створенні й удосконалюванні дихальних апаратів найрізноманітніших схем. В основу процедури покладене поліпшення збіжності з наступною інтерполяцією рішень матмоделей, записаних у вигляді подвійних рядів за ступенями часу і координати. При цьому обійдене обмеження на максимальне число, передбачене пакетом, що дозволило чисельно досліджувати асимптотику приведеної концентрації СО у регенеративному патроні шахтного респіратора.
6. Ряд теоретичних результатів (наприклад, про оптимальні засоби фільтрації) і розроблені матмоделі в комплексі з комплектом програм можуть широко застосовуватися при створенні систем життєзабезпечення, проектуванні, будівництві й удосконаленні усіляких фільтрів, очисних споруджень і т.п.
Основні положення дисертації опубліковані в таких роботах:
1. Пак В.В., Ехилевский С.Г., Овчаров В.К., Ильинский А.Э. Математическая модель рабочего процесса изолирующего шахтного респиратора //Изв. вузов. Горный журнал. - 1994, В.1. - С. 54-57.
. Пак В.В., Ехилевский С.Г. Изотерма сорбции и концепция работающего слоя в шахтных регенеративных дыхательных аппаратах (1)// Изв. Донецкого горного института.-1996.-№2. - С. 13-18.
. Пак В.В., Ехилевский С.Г. Об использовании ресурса шахтных респираторов с химически связанным кислородом// Изв. вузов. Горный журнал.-1996.- №1. С. 66-71.
. Пак В.В, Ехилевский С.Г. Изотерма сорбции и концепция работающего слоя в шахтных регенеративных дыхательных аппаратах (2)// Изв. Донецкого горного института.-1996.-№2. - С. 100-105.
. Ехилевский С.Г. Численный расчет концентрации СO в регенеративном патроне шахтного респиратора. ч.1. Рекуррентные соотношения // Изв. Донецкого горного института. - 1997. - №1. - С.67-72.
. Ехилевский С.Г. Численный расчет концентрации СO в регенеративном патроне шахтного респиратора. ч.2. Улучшение сходимости // Изв. Донецкого горного института. - 1997. - №1. - С.81-87.
. Пак В.В., Ехилевский С.Г. Методика сопоставления процесса регенерации с его математической моделью // Сб. трудов горно-электромеханического факультета. Донецкий государственный технический университет. - Донецк: ДонГТУ, 1996.- С. 7-12.
. Пак В.В., Ехилевский С.Г., Ильинский Э.Г., Конопелько Е.И. Выбор модели рабочего процесса шахтного респиратора на химически связанном кислороде //Уголь Украины.-1997. - №6. - С.47-48.
. Пак В.В., Ехилевский С.Г., Ильинский Э.Г., Конопелько Е.И. Значения феноменологических параметров модели хемосорбции в регенеративных патронах шахтных респираторов //Изв. вузов. Горный журнал. - 1998. - №11-12. - С. 108-112.
. Пак В.В., Ехилевский С.Г. Повышение эффективности использования кислородосодержащего продукта в дыхательных аппаратах и установках регенерации воздуха // Сб. трудов горно-электромеханического факультета. Донецкий государственный технический университет. - Донецк: ДонГТУ, 1996.- С. 12-17.
11. Ехилевский С.Г. Резервы более полного использования химически связанного кислорода в шахтных дыхательных аппаратах// Изв. Донецкого горного института. - 1998. - №1. - С. 17-26.
. Пак В.В., Ехилевский С.Г. Оптимальное пропускание воздуха через регенеративные патроны шахтных респираторов // Уголь Украины.-1996.-№1.- С.25-26.
. Ехилевский С.Г. Схемы воздуховодной части и степень отработки регенеративных патронов шахтных дыхательных аппаратов // Изв. вузов. Горный журнал. –. - № 4. - С. 60-64.
14. Ехилевский С.Г. Проблема переменных параметров в математической модели хемосорбции. ч.1. Регенерация атмосферы в дыхательном контуре шахтного респиратора //Изв. Донецкого горного института. - 1997. - №2. - С. 43-49.
. Ехилевский С.Г. Проблема переменных параметров в математической модели хемосорбции. ч.2. Смягчение теплового режима регенеративного патрона шахтного респиратора //Изв. Донецкого горного института. -1997. - №2. - С. 99-106.
. Ехилевский С.Г. Ступенчатый профиль скорости в частично отработанном патроне регенеративного респиратора // Изв. Донецкого горного института. - 1998. - №1. - С. 35-40.
. Ехилевский С.Г. Регенерация нестационарных потоков воздуха //Изв. Донецкого горного института. - 1998. - №2. - С. 53-58.
. Ехилевский С.Г. Хемосорбция СО в частично отработанном патроне шахтного респиратора // Уголь Украины. - 1998 - №11. - С. 27-28.
. Ехилевский С.Г. Сплайн-интерполяция концентрации СО2 в регенеративном патроне шахтного респиратора // Изв. Донецкого горного института. -1999. - №3. - С. 48-51.
20. Ехилевский С.Г. Динамика сорбции малых концентраций СО вдали от входа в регенеративный патрон шахтного респиратора // Изв. Донецкого горного института. -1999. - №2. - С. 96-99.
. Ехилевский С.Г. Динамика сорбции вредной примеси с точки зрения экстремальности энтропии // Проблемы экологии. 1999. - №2. - С. 56-58.
. Ехилевский С.Г. Математическая модель шахтного самоспасателя с маятниковой схемой воздуховодной части// Изв. вузов. Горный журнал. - 2000. - № 6. - С. 46-49.
23. Пак В.В., Ехилевский С.Г., Ильинский Э.Г. Шахтный самоспасатель на химически связанном кислороде с реверсом воздушного потока // Уголь Украины. - 2000 - №4. - С. 36-38.
24. Ехилевский С.Г., Пак В.В., Ильинский Э.Г., Конопелько Е.И. Сопоставительные испытания дыхательного аппарата на химически связанном кислороде с кругомаятниковой схемой воздуховодной части// В кн.: Геотехнологии на рубеже ХХI века: в 3-х томах/ под редакцией д.т.н., проф. Гребенкина Е.С. и д.т.н., проф. Бондаренко Ю.В. –Донецк: ДонГТУ –ДУНПГО, 2001. –т.1. - С. 153-158.
. Пак В.В., Ехилевский С.Г., Фоменко Т.П. Перспективы использования химически связанного кислорода в индивидуальных средствах защиты дыхания // Изв. вузов. Горный журнал. - 2001. - № 2. - С. 49-51.
6. Патент 23426 Украина, кл. А 62 В. Изолирующий дыхательный аппарат/ С.Г.Ехилевский, В.В.Пак, Э.Г.Ильинский. Опуб. 8.07.98, Бюл №4.
27. Патент 23427 Украина, кл. А 62 В. Регенеративный патрон дыхательного аппарата с химически связанным кислородом / С.Г.Ехилевский, В.В.Пак, Э.Г.Ильинский. Опубл. 08.07.98, Бюл. №4.
28. Патент 47440 Украина, кл. А 62 В. Ізолюючий дихальний апарат / С.Г.Єхилевський, В.В.Пак, Е.Г.Ільїнський. Опубл. 15.07.02, Бюл. №7.
29. Пак В.В., Ехилевский С.Г. Режим равномерного износа поглощающего слоя и срок защитного действия регенеративного респиратора / Третья Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием // Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности. - Санкт-Петербург, Россия, 1998.- С. 428.
. Ехилевский С.Г. Гибридная схема воздуховодной части дыхательного аппарата на химически связанном кислороде / Четвертая Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием / Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности. - Санкт-Петербург, Россия, 1999. – С. 209 - 210.
. Ехилевский С.Г. Приближенная модель респиратора с переменными параметрами регенерируемого воздушного потока / Третья Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием // Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности.- Санкт-Петербург, Россия, 1998.- С. 427.
. Ехилевский С.Г. Рекуррентные полиномы в задаче динамики сорбции/ Международная конференция // VIII Белорусская Математическая Конференция-Минск. - Беларусь, 2000.- С. 58.
. Ехилевский С.Г. Новая концепция времени в нестационарной задаче динамики сорбции / Вторая международная научно-техническая конференция //Новые технологии управления движением технических объектов. - Новочеркасск, Россия, 1999. - С. 7-9.
34. Ехилевский С.Г. Энтропия приведенной концентрации и динамика сорбции вредной примеси / Международный экологический конгресс // Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности.- Санкт-Петербург, Россия, 2000.- С. 174-177.
АНОТАЦІЯ
Єхилевський С.Г. Підвищення ресурсу дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні. - Дисертація (рукопис) на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.26.01 - “Охорона праці”. - Національний гірничий університет України, Дніпропетровськ, 2002.
У дисертації розвинені наукові основи підвищення ресурсу дихальних апаратів на хімічно зв'язаному кисні.
Для вирішення цієї проблеми запропоновані математичні моделі робочого і теплофізичного процесів у регенеративних патронах шахтних дихальних апаратів. Обґрунтовано експериментальну методику ув'язування цих моделей із процесом регенерації в існуючих дихальних апаратах. Встановлено причини неефективного використання захисного ресурсу продукту, що містить кисень, визначені резерви і шляхи поліпшення цього показника. На рівні винаходів вироблені практичні рекомендації, спрямовані на удосконалювання наявних і знову утворюваних дихальних апаратів. Ефективність нових конструкцій попередньо перевірена в чисельних експериментах. Для їхнього проведення розвитий метод наближеного рішення нестаціонарних задач динаміки сорбції і написаний комплект програм.
Натурні порівнянні випробування підтвердили дієвість практичних рекомендацій і гарну збіжність розрахункових параметрів дихальних апаратів із даними лабораторних досліджень.
Ключові слова: дихальний апарат, динамічна сорбційна активність, хімічно зв'язаний кисень, тепломасообмін, методи, моделі.
АННОТАЦИЯ
Ехилевский С.Г. Повышение ресурса дыхательных аппаратов на химически связанном кислороде. –Диссертация (рукопись) на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.26.01 –“Охрана труда”. –Национальный горный университет Украины, Днепропетровск, 2002.
В диссертации решена научно-техническая, прикладная и социальная проблема создания научных основ повышения ресурса дыхательных аппаратов на химически связанном кислороде путем их коренного изменения на основе математического моделирования, численных и натурных экспериментов в малоисследованной области нестационарной динамики экзотермической хемосорбции.
Сущность ее решения состоит в совместной оптимизации рабочего (обеспечивающего сорбцию СО и выделение кислорода) и теплового процессов в регенеративных патронах дыхательных аппаратов. Спекание кислородсодержащего продукта предотвращается направлением излишков экзотермического тепла на формирование оптимального протекания воздуха через регенеративный патрон. Этим его динамическая активность приближается к предельно возможной - статической, что обеспечивает повышение ресурса дыхательных аппаратов более чем в 1.5 раза без увеличения их массогабаритов и способствует повышению безопасности эксплуатации шахт и результативности горноспасательных работ.
Разработаны математические модели рабочего и теплофизического процессов в регенеративных патронах шахтных дыхательных аппаратов. Универсальность моделей обеспечена формулировкой основных уравнений и их решений в терминах приведенных и обезразмеренных величин. Предложена и обоснована экспериментальная методика увязки разработанных моделей с процессом регенерации в существующих дыхательных аппаратах. В ее рамках решены две задачи: как перейти к обезразмеренным переменным в патронах различной формы и размеров; и как определить числовые значения феноменологических параметров теории.
Теоретически и экспериментально установлено, что основными причинами неэффективного использования защитного ресурса имеющихся дыхательных аппаратов являются: спекание кислородсодержащего продукта (более 37% ресурса), отсутствие точной индикации оставшегося срока защитного действия (20%), наличие мертвого слоя сорбента неиспользуемого к моменту критического проскока СО (до 17%). Определены резервы и пути повышения эффективности использования защитного ресурса. На уровне изобретений выработаны практические рекомендации, направленные на совершенствование имеющихся и вновь разрабатываемых дыхательных аппаратов.
Для постановки численных экспериментов с аппаратами предложенных конструкций обоснован приближенный математический метод, позволяющий количественно описать нестационарную динамику сорбции с точностью, достаточной для оптимизации рабочего процесса респиратора. В основе метода принцип песочных часов, в соответствии с которым время работы аппарата характеризуется количеством молекул СО, проследовавших в патрон или (в зависимости от условий задачи) осевших в нем. На основе полученных формул составлен пакет программ для расчета приведенной концентрации СО в протекающем через патрон воздухе и распределения связанного углерода в толще кислородсодержащего продукта. С их помощью исследованы: влияние проскока СО на срок защитного действия патрона, работающего по замкнутой схеме, реверс воздушного потока, различные схемы воздуховодной части дыхательного аппарата, влияние начального загрязнения сорбента и работа аппарата после изменения режима дыхания.
Новые схемы дыхательных аппаратов на химически связанном кислороде прошли апробацию в натурных сопоставительных испытаниях, подтвердивших действенность практических рекомендаций и хорошую сходимость расчетных параметров с данными лабораторных исследований.
Теоретические обобщения посвящены энтропийным аспектам динамической сорбционной активности. Что позволило предвидеть и интерпретировать характерные особенности эволюции приведенной концентрации СО и многократно (в сотни раз) сократить временные затраты на постановку численных экспериментов.
Основные результаты работы нашли применение при создании дыхательных аппаратов нового поколения.
Ключевые слова: дыхательный аппарат, динамическая сорбционная активность, химически связанный кислород, тепломассообмен, методы, модели.
Еhilevsky S.G. Increase of a resource of respiratory devices on chemically - combined oxygen. - the Dissertation (manuscript) on competition of a scientific degree of Dr. Sci. Tech. on a speciality 05.26.01 - "Labour safety". - National coal university of Ukrain, Dnepropetrovsk, 2002.
In the dissertation scientific bases of increase of a resource of respiratory devices on chemically combined oxygen are advanced.
For the decision of this problem mathematical models of the worker and thermal physics processes in a regenerative cartridge of mine respiratory devices are offered. The experimental technique of coordination of these models with process of regeneration in existing respiratory devices is proved. The reasons not an effective utilization of a protective resource of oxygen - feed product are established, reserves and ways of improvement of this parameter are determined. At a level of inventions the practical recommendations directed on perfection of available and again created respiratory devices are produced. Efficiency of new designs is checked preliminary up in numerical experiments. For their realization the method of the approached decision of non-stationary problems of dynamics sorption is advanced and the complete set of programs is written.
Natural comparative tests, have confirmed effectiveness of practical recommendations and good convergence of settlement parameters of respiratory devices with the data of laboratory researches.
Key words: the respiratory device, dynamic sorption activity, chemically combined oxygen, heat-mass exchange, methods, models.