Формирование параметрического типоряда источников воздухоснабжения дыхательных аппаратов для защиты работников АПК

принудительной подачей воздуха   (далее   - дыхательных аппаратов).

По сравнению с применяемыми в настоящее время фильтрующими респираторами и противогазами принудительная подача очищенного воздуха в лицевую часть в указанных аппаратах практически полностью исключает сопротивление дыханию на вдохе, что, в свою очередь, облегчает условия труда, повышает производительность и обеспечивает возможность непрерывной работы в течение рабочей смены. Циркуляция воздушного потока в лицевой части исключает запотевание смотрового стекла.

В отличие от шланговых средств индивидуальной защиты, требующих централизованной системы воздухоснабжения с сетью соединительных шлангов, что отрицательно сказывается на подвижности рабочих при выполнении ими производственных операций и требует установки специального дополнительного оборудования, вышеуказанные дыхательные аппараты обладают полной независимостью, обеспечивают максимальную мобильность и снабжены автономным питанием от носимых малогабаритных аккумуляторов [1].

Анализ условий труда, защитных и эксплуатационных характеристик современных средств индивидуальной защиты органов дыхания, а также опыта их использования позволяет сформулировать основное требование, предъявляемое к дыхательным аппаратам - это обеспечение высоких защитных свойств в течение необходимого времени эксплуатации при условии подачи с наименьшими затратами энергии, достаточного для дыхания количества воздуха и минимальных значениях массы и габаритов аппарата. При этом конструкция дыхательного аппарата должна быть выполнена по схеме: лицевая часть - соединительный шланг - носимый источник подачи воздуха (ИПВ) (воздуходувка) со сменным блоком фильтрации - источник электроснабжения (ИЭС).

Одним из основных узлов дыхательного аппарата является малогабаритный носимый источник подачи воздуха (воздуходувка). При производительности ИПВ до 450 л/мин, по данным работы [1], наиболее целесообразным является применение воздуходувки центробежного типа, выполненной по схеме "рабочее колесо + бездиффузорная улитка", с окружной скоростью 25...40 м/с.

Основные требования к ИПВ дыхательного аппарата - минимальные энергозатраты на подачу необходимого количества воздуха, небольшие габариты и масса при максимальном к.п.д. и высокая надежность. Обеспечение безотказной работы возможно при применении конструктивно простых нагнетателей динамического действия, не имеющих трущихся и быстро изнашивающихся рабочих деталей с минимальным количеством опор.

Между технологическими режимами работы дыхательного аппарата (производительность и напор, создаваемые ИПВ, защитная эффективность блока фильтрации, энергоемкость ИЭС) и его конструктивными параметрами (массой, габаритами) существует ряд функциональных зависимостей.

Главными параметрами, характеризующими ИПВ, являются производительность (объем подаваемого воздуха в единицу времени) и повышение давления в нем.

Необходимое количество воздуха ( L ), которое должно подаваться непрерывно ИПВ, может быть выражено следующим соотношением:

L = L min ⁺ L ДР изб ⁺ L I г ,            ⁽¹⁾

где Lmin - минимальное количество воздуха, устанавливаемое        физиолого-гигиеническими нормами для обеспечения нормального функционирования органов дыхания (легочная вентиляция),

L min = V л x f Д ,                 (2)

где V л - объем анатомического пространства легких;

f _д - частота дыхания;

L _{Д P} изб - количество воздуха, подаваемого в лицевую часть дыхательного аппарата для создания избыточного давления, препятствующего попаданию вредных веществ из наружного воздуха через неплотности прилегания, по данным [2],

L дp изб = 10...15 % L,              (3)

где L I г - количество приточного воздуха для удаления избытка тепла в лицевой части,

L =      ^Q изб     ,                 (4)

Iг ∆Т × ρпр ×С где Qизб - избыточное тепло в лицевой части;

ДТ - разность между температурой уходящего и приточного воздуха;

р пр - плотность избыточного воздуха;

C - удельная теплоемкость воздуха.

Количество избыточного тепла в лицевой части выражается уравнением

Q изб = ^Q1 ⁺ Q 2 ⁺ Q 3 ,                 ⁽⁵⁾

где Q₁ - количество тепла, выделяемое головой человека, работающего в ДА;

Q 2 - тепло, от прохождения воздуха через вентилятор ИПВ и шланг;

Q 3 - тепло, поступающее (+) в лицевую часть или отводимое (-) из нее за счет теплопроводности ограждения лицевой части.

По данным [3,4], плотность теплового потока с поверхности головы человека составляет около 6% от общих тепловыделений, т.е.

Q 1 = 0,06 Θ тп , где 0 _тп - теплопродукция человека.

В соответствии с уравнением стационарного теплового баланса человека [5]

0 тп = 0 дых + 0 исп . к + 0 л + 0 в ,     (6)

где 0 _дых - конвективный тепловой поток от тела человека к вентилирующему воздуху;

0 исп . к - тепло, отдаваемое легкими при дыхании;

0 л - тепло, отданное испарением влаги с поверхности кожи;

0 _в - тепло, отданное лучеиспусканием.

Теплопродукцию человека в зависимости от его общих энергозатрат 0 _зт можно рассчитывать по приближенной формуле, приведенной в работе [5]:

0 тп = 0,8 0 зт + 21            (7)

При прохождении воздуха через вентилятор ИПВ, а затем по соединительному шлангу, он нагревается. Можно считать, что вся мощность, расходуемая вентилятором, превращается в тепло. Это объясняется тем, что энергия, сообщаемая перемещаемому воздуху, превращается в тепло вследствие потерь кинематической энергии на выходе из шланга, преодоления местных сопротивлений и трения о стенки шланга.

Теплопритоки в этом случае составят

Q 2 = Θ ипв + Θ ш ,             (8)

где Θ ипв и Θ ш - теплопритоки от вентилятора ИПВ и через шланг, соответственно.

Теплопритоки от вентилятора ИПВ

Θ ипв = N ×η 1 ×η 2 ,           (9)

где N - мощность электродвигателя вентилятора;

η1 и η2- к.п.д. электродвигателя и вентилятора, соответственно.

Теплопритоки через соединительный шланг могут быть определены по формуле[6]:

Θ

n ×∆ t × l _ш

¹     + ¹ ln ^{d нар} +      ¹

a xd   2 Л   d a xd вн вн ш вн нар нар где lш - длина шланга;

∆t - температурный напор;

α вн и α нар - коэффициенты теплоотдачи воздуха внутри и снаружи шланга;

d _вн и d _нар - внутренний и наружный диаметр соединительного шланга;

λш     - теплопроводность резинового соединительного шланга.

Тепло, поступающее или отводимое из лицевой части дыхательного аппарата за счет теплопроводности прозрачного экрана и оболочки шлема

Q 3 = (K э F э + K ош F ош )(t а - t в ) , (11) где F _э и F _ош - поверхность прозрачного экрана и оболочки шлема, соответственно;

tа и tв - температура окружающей среды и средняя температура подаваемого вентилирующего воздуха, соответственно, причем tв = 0,5 ( tвх + tвых ) ;

K э и K ош - коэффициенты прозрачного экрана и оболочки;

К =

1 δ 1 ++ α ₁ λ α ₂

теплопередачи

где α₁ и α₂ - коэффициенты теплоотдачи наружной и внутренней оболочки лицевой части;

δ и λ - толщина и коэффициент теплопроводности прозрачного экрана или оболочки шлема.

При проведении численного расчета необходимого объема воздуха, подаваемого в лицевую часть дыхательного аппарата, исходили из того, что работа оператора сельскохозяйственного производства на основных технологических операциях, когда требуется защита органов дыхания с помощью СИЗОД, может быть классифицирована как средней тяжести. Минимальное количество воздуха (Lmin), устанавливаемое физиологогигиеническими нормами, для обеспечения нормального функционирования органов дыхания (легочная вентиляция) при выполнении работы средней тяжести составляет 0,0005 м3/с [7].

Значительный вклад в общий объем подаваемого приточного воздуха вносит воздух, необходимый для удаления избытка тепла в лицевой части.

Количество избыточного тепла в лицевой части определяется из выражения (5) и состоит из количества тепла, выделяемого головой человека, работающего в дыхательном аппарате, тепла подводимого в лицевую часть или отводимого из нее с вентилирующим воздухом и тепла поступающего в лицевую часть или отводимого из нее за счет теплопроводности ограждения лицевой части.

Количество тепла, выделяемое головой человека Q₁ при выполнении работы средней тяжести с энергозатратами 195...200 Вт, из формулы (7) составит

Q 1 = 0,06 [0,8x200 + 21] = 10,86 Вт

Для определения теплопритоков Q₂ , численные значения величин входящих в формулы (8-10) взяты из литературных источников [6,8,9].

η 1 = 0,6; η 2 = 0,5; N = 5 Вт; ρ = 1,2 кг/м³; λ ш = 0,15; α вн =   167,4 КДж/(м²·ч·град); α нар =   62

КДж/(м2·ч·град).

Значения d вн = 0,018м; d нар = 0,022м; l ш = 0,3м принимаем из конструктивных соображений.

Подставляя численные значения в (9), получим Θ ипв = 1,5 Вт.

Повышение температуры воздуха внутри ИПВ 0 ∆ t =      ^ипв

C×L×ρ где С - удельная теплоемкость воздуха (С = 1005 Дж/(кг·град);

L - производительность    вентилятора, ориентировочно принимаем

L = 0,0025 м³/с;

В результате подстановки числовых значений получаем ∆t = 0,5 ⁰.

Тогда Q ш = 0,308 Вт и Q 2 = 1,808 Вт.

В дыхательных аппаратах с принудительной подачей воздуха наиболее целесообразно применять лицевую часть, в виде шлема, состоящего из прозрачного экрана и боковой пластикатовой оболочки, например, типа пневмошлема ЛИЗ-4. Пневмошлем ЛИЗ-4 изготавливается из поливинилхлоридного пластиката, в верхней части шлема вварено полусферичкое смотровое стекло (экран) из оргстекла.

Для шлема ЛИЗ-4: F _э = 0,06 м²; F _ош = 0,33 м²; δ _э = 0,003 м; δ ош = 0,0005 м; λ э = 0,187; λ ош = 0,157.

Применительно к изолирующей конструкции шлема вентиляционного типа для предварительных расчетов можно принять [5]

α 1 = 8,25 Вт/(м² х град); α 2 = 6,00 Вт/(м² х град).

Тогда коэффициенты теплопередачи по формуле (12) будут К э = 3,289; К ош = 3,436.

Средняя температура подаваемого вентилирующего воздуха t _в при t _вх = t _а = 20⁰ и t _вых = 24⁰ будет t в = 0,5 (20 + 24) = 22⁰.

Подставив вышеуказанные значения в формулу (11), получим Q 3 = -2,456 Вт.

Теперь, используя уравнение (5), получим количество избыточного тепла в лицевой части дыхательного аппарата Q = 10,212 Вт.

Количество приточного воздуха для удаления избытка тепла в лицевой части, определяемое по формуле (4), составит LIг = 0,0021м3/с.

Необходимое количество воздуха, которое должно подаваться непрерывно ИПВ, таким образом, не должно быть менее

L = 0,0005 + 0,1 L + 0,0021 м³/с или L = 0,0029 м³/с.

Давление воздуха, создаваемое ИПВ, должно преодолевать суммарные потери в узлах пневмотракта и блока фильтрации дыхательного аппарата, а также обеспечивать избыточное давление в подмасочном пространстве.

P = ДР пт + ДР бф + Р изб ,       (13)

где P - давление, создаваемое ИПВ;

ДР _пт и ДР бф - потери давления в узлах пневмотракта и блоке фильтрации, соответственно;

P _изб - избыточное давление в подмасочном пространстве.

Потери давления в узлах пневмотракта - лицевой части и соединительном шланге, зависят от объемного расхода воздуха, проходящего через них, и могут быть определены экспериментально:

ДР пт = ДР лч + ДР ш = f (L) ,      (14)

где ДР _лч и ДР ш - потери давления в лицевой части и соединительном шланге, соответственно.

Потери давления в блоке фильтрации, складываются из начального сопротивления блока фильтрации, которое зависит от его конструкции, защитной эффективности и скорости фильтрации (объемного расхода воздуха проходящего через блок) и дополнительного сопротивления, возникающего в блоке фильтрации по мере его загрязнения, в основном за счет аэрозоля, т.е.

Д Р_6ф = Д Р бф +Д Р бф ,        (15)

где д р обф - начальное сопротивление блока фильтрации;

д р ^ бф - дополнительное сопротивление блока фильтрации, полученное в процессе загрязнения.

Максимальное давление воздуха, создаваемое ИПВ равно:

р = NM,              (16)

L где N - мощность ИПВ;

П - к.п.д.;

P - создаваемое давление воздуха.

Подставив в формулу (16) принятые и полученные раннее данные, получим Р =1030 Па.

Следовательно,    суммарные потери в пневмотракте и блоке фильтрации дыхательного аппарата не должны превышать этой величины.

В связи с этим выбор компоновочной схемы аппарата может проводиться на основе минимальных аэродинамических потерь в пневмотракте дыхательного аппарата. Снижение аэродинамических потерь позволяет также снизить энергозатраты на подачу воздуха, уменьшить габариты аппарата, т.к. диаметр колеса центробежной воздуходувки и мощность зависят от создаваемого давления.

Нами было рассмотрено пять возможных вариантов компоновочных схем дыхательного аппарата,     составленных из серийных унифицированных элементов: противогазовых коробок (различных марок), соединительных шлангов, лицевых частей.

Математическая зависимость для расчета изменения суммарных аэродинамических потерь от расхода воздуха в пневмотракте дыхательного аппарата при его различных компоновочных схемах, может быть представлена в следующем виде

ДР = а_лчLb лч + а_шL ш + афэ ( L / n ) ^{b фэ} ,   (17)

где (а,b) лч , ш , фэ - эмпирические коэффициенты [параметры уравнения (17)] для лицевой части, соединительного шланга и фильтрующего элемента, соответственно;

n - количество параллельно присоединенных фильтрующих элементов.

Проведенный расчет аэродинамического сопротивления в пневмотракте дыхательного аппарата по составленной математической зависимости для различных компоновочных схем позволил выявить, что наиболее подходящей схемой является: пневмошлем ЛИЗ-4 – соединительный шланг – две противогазовые коробки малого габарита. При этом сопротивление приточной части воздуходувки не учитывалось [10].

Аэродинамические потери для этой схемы можно представить в следующем виде:

Д Р = 5,79х10⁶ l ¹ , ⁷⁵⁸ + 95х10 ⁶ l 2- ³⁴⁸ +

+0,836х10 ⁶ ( L /2) ^1,177            (18)

При расходе воздуха L = 2,9х10^-3 м³ /с, начальные потери давления в пневмотракте выбранной компоновочной схемы дыхательного аппарата в сумме составляют 850 Па. До достижения максимально допустимого уровня потерь давления в системе дыхательного аппарата возможен рост аэродинамического сопротивления фильтрующего элемента в процессе эксплуатации на 180 Па.

При разработке дыхательного аппарата решается задача оптимизации его конструктивных параметров, в частности, габаритов аппарата, которые в основном определяются диаметром колеса воздуходувки.

Для центробежной воздуходувки наружный диаметр лопаточного колеса может быть рассчитан на основе статистического метода определения 57

основных размеров радиальных вентиляторов, изложенного в работе [11].

Согласно этому методу, сделав ряд соответствующих преобразований, получим зависимость наружного диаметра лопаточного колеса D ИПВ от технологических параметров

D = 1,86 ω^-1,33 N^0,75 L^-0,92 η^0,75 (19)

Результаты проведенных исследований позволили разработать схему параметрического типоряда ИПВ (рис.1) дыхательных аппаратов для различных условий эксплуатации в агропромышленном производстве [12].

ицевые части

Полумаска ПР -7

Маска ППМ -80

Щиток сварщика

Ш лем - маска Ш М -41

Пневмошлем ЛИЗ -4

Капюшон (White cap)

L=30 л / мин

Р п . л . ч .= max 50 Па

L=150 л / мин Р п . л . ч .= 10 Па

L=100 л / мин .=10 - 20 Па

L=30-60 л / мин

Р п . л . ч .= max 50 Па

L=30-60 л / мин

Р п . л . ч .= max 50 Па

L=150 л / мин Р п . л . ч .= 10 Па

Индикация работоспособности Источник Нормализация микроклимата без индикатора допол. увлаж. ионизац и пр.

нагрев + охлажд.

воздухоснабжения ( автономный )

c индикатором

= f (U,L,P)

Система фильтрации

Аэрозольный фильтр К з =1000

Специальный фильтр элемент

Забор воздуха из чистой зоны ( шланговый вар .)

Противогазовые коробки малого габарита < ПДК

Противогазовые коробки большого габарита >  ПДК

К змт =100

К змт =1000

2 шт

3 шт

τ зд =0,5 τ пк      2 шт

τ зд =0,75 τ пк     3 шт

нагрев	охлажд .
t=10-15oC	t= 10oC

Источник питания

Рис. 1. Схема параметрического типоряда ИПВ: L-расход воздуха: Р_п.л.ч. -давление под лицевой частью; τ _зд-время защитного действия; К з - коэффициент защиты; К эмт - коэффициент защиты по масляному туману; ПДК - предельно-допустимая концентрация; U - напряжение питания; τ _пк - время защитного действия противогазовой коробки.

Предлагаемая схема позволяет сформировать разнообразные компоновочные схемы дыхательного аппарата. Компоновочная схема дыхательного аппарата должна включать взаимосвязи, совокупность, признаки, технологические, защитные и эксплуатационные параметры переменных элементов, формирующих изделие в целом. Такими элементами (модулями) являются: лицевые части, источники подачи воздуха и электроснабжения, система фильтрации, дополнительные модули.

Схема аппарата должна строиться с учетом назначения, защитных и эксплуатационных характеристик, количественной оценки вредных и производственных факторов, действующих на органы дыхания, фазово-дисперсного состава токсичных компонентов, характера технологических процессов, организации рабочего места, профессий работающих. Выявление вышеупомянутых показателей проводится на основе формализации имеющейся нормативной, методической, патентной информации, научнотехнической литературы, конъюнктурноэкономических материалов, результатов собственных исследований, а также путем экспертного опроса специалистов [13].

На основе проведенных исследований разработан ряд конструкций дыхательного аппарата. Лабораторные и производственные испытания дыхательных аппаратов подтвердили их высокую защитную и эксплуатационную эффективность и правильность заложенных в них технических решений. В настоящее время на одном из предприятий России серийно выпускается аналогичный дыхательный аппарат различных конструктивных модификаций.