Расчетно-экспериментальные исследования эффективности устройства для защиты органов дыхания при низких температурах воздуха

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Изучение вопроса актуальности исследования для развития экономики региона

1.1 Анализ актуальности разработки для развития экономики региона

1.2 Анализ источников интеллектуальной собственности в области устройств по защите органов дыхания

1.3 Анализ современных устройств для защиты органов дыхания при низких температурах воздуха

1.4 Анализ математических моделей регенеративного теплообмена

1.5 Основные выводы и определение направления дальнейших исследований

2. Математическое моделирование процессов теплообмена

2.1 Принцип действия предлагаемого устройств

2.2 Построение физической модели

2.3 Построение и исследование математической модели процесса аккумуляции и регенерации тепла в тонкой насадке

3. Экспериментальные исследования процесса теплообмена

3.1 Планирование эксперимента

3.2 Результаты экспериментальных исследований эффективности стационарных регенеративных канальных теплоутилизаторов (СРКТ) на примере регенеративного блока тепловой маски

3.3 Анализ результатов расчетно-экспериментальных исследований

4. Инженерная методика определения эффективности

4.1 Понятие инженерных расчетов

4.2 Алгоритм определения

5. Технико-экономическое обоснование внедрения нового продукта на рынок

6. Экология, здравоохранение, социальное обеспечение безопасность жизнедеятельности при эксплуатации разрабатываемого устройства

7.1 Общие положения

7.2 Разработка экспериментальной установки

Заключение

Список использованных источников

Введение

Стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года диктует генеральные задачи формирования условий энергоэффективной хозяйственной деятельности в Арктике, улучшения качества жизни и безопасности жизнедеятельности при промышленном освоении арктического шельфа и новых месторождений стратегических полезных ископаемых.

Постановление Правительства Российской Федерации от 21 апреля 2014 г. N 366 г. Москва "Об утверждении государственной программы Российской Федерации "Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации на период до 2020 года" предусматривается развитие ресурсной базы Арктической зоны Российской Федерации за счет использования перспективных технологий и предусматривает создание инфраструктуры системы обеспечения аварийно-спасательных и других неотложных работ в особо сложных условиях и на критически важных объектах, в том числе нефтегазодобычи, энергетических и коммунальных объектах. [1]

Все вышеуказанные задачи могут быть реализованы применением современных устройств, обеспечивающих эффективное и рациональное использование энергоресурсов человека.

Одним из энергосберегающих устройств, применяемых в различных сферах промтеплоэнергетики, является стационарный регенеративный канальный теплоутилизатор (СРКТ). Одним из направлений применения СРКТ является использование его в составе индивидуального средства защиты - лицевой тепловой маске. Действие устройства основано на рекуперации тепла воздуха при дыхании. Температура воздуха в подмасочном пространстве повышается за счет собственного тепла выдыхаемого воздуха и нагрева входящего холодного воздуха при прохождении через регенеративный теплообменник, ранее нагретый при цикле выдыхания.

Общими проблемами моделирования СРКТ являются допущения, определяющие отсутствие зависимости коэффициента теплоотдачи от температуры и длины канала в инженерной методике оценки эффективности подобных устройств при конструкторском и поверочном расчетах. Российские и зарубежные исследования СРКТ предлагают упрощенные методики расчета и требуют дальнейшей доработки, что и определяет актуальность и практическую значимость проводимых исследований.

Магистерская работа является частью научных исследований по математическому моделированию подобных устройств и повышению их эффективности.

Цель работы:

Целью диссертационной работы является расчетно-экспериментальное исследование процессов тепломассообмена в стационарных регенеративных канальных теплоутилизаторах (СРКТ), применяемых в различных отраслях экономики, в том числе в составе средств индивидуальных средств безопасности жизнедеятельности персонала в экстремально низких условиях климата нефтегазового и энергетического комплексов с последующей разработкой инженерной методики оценки эффективности подобных устройств при конструкторском и поверочном расчетах.

Для достижения поставленной цели, были поставлены следующие задачи:

- разработать физическую модель процесса тепломассообмена в СРКТ;

- разработать экспериментально-измерительные систему и сформировать методику испытаний;

- разработать математическую модель, описывающую процессы тепломассобмена в СРКТ и определяющую критерии эффективности подобных устройств;

- разработать алгоритм вычисления математической модели и компьютерную программу, реализующую данный алгоритм;

- оценить адекватность результатов математического моделирования методом сопоставления с экспериментальными данными.

Методы исследования: моделирование физического процесса; системный подход; идеализация физической модели; анализ документов авторского и патентного права; экспериментальные методы исследования в натурных условиях; методы статистической обработки результатов.

Научная новизна работы:

- разработана математическая модель процессов тепломассообмена в СРКТ крайне малых размеров;

- сформирована методика определения коэффициента теплоотдачи как функции от времени и координаты.

- предложены критерии оценки эффективности СРКТ для инженерной методики конструкторского и поверочного расчета данных устройств.

- разработана компьютерная программа реализации алгоритма расчета математической модели.

1. Изучение вопроса актуальности исследования для развития экономики региона

1.1 Анализ актуальности разработки для развития экономики региона

регенерация тепло аккумуляция маска

В феврале 2013 года президентом В. В. Путиным была утверждена стратегия развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2020 года. Данным документом определяются основные механизмы, способы и средства достижения стратегических целей и приоритетов устойчивого развития Арктики.

Одним из приоритетных направлений стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации является обеспечение национальной безопасности, защиты и охраны северной государственной границы РФ. Для реализации планов, обозначенных стратегией, России необходимо «совершенствование структуры, состава, военно-экономического и материально-технического обеспечения Вооруженных Сил РФ и развитие инфраструктуры их базирования в Арктике».

Военная служба в климатической зоне Арктики предполагает постоянное пребывание человека в экстремальных условиях. Низкие температуры, сбивающий с ног, ветер, слепящая метель и многое другое образуют в своем сочетании непредсказуемые опасные ситуации. Это вызывает ухудшение функционирования организма, снижение работоспособности и представляет прямую угрозу для жизни. К тому же, помимо природных факторов, имеющих негативное влияние на солдата, существуют еще трудности прохождения военной службы. Учесть все эти факторы в их совокупности почти невыполнимая задача.

В связи с этим значительно возрастает потребность в эффективном обеспечении личной безопасности военного. И первое, что служит главным средством защиты от внешних воздействий -- это личное снаряжение, которое является посредником во взаимоотношении человека со средой. Но на сегодняшний день современная военная одежда не способна гарантировать эту защиту. Каждый год с наступлением зимы наблюдаются массовые простудные заболевания солдат, попавших в госпитали с воспалением легких. Это связано с использованием новой зимней армейской амуниции, разработанной современными модельерами. Руководство института швейной промышленности сообщает, что предлагаемые институтом технологии пошива, текстильные материалы, утеплители не были в полной мере учтены и использованы заказчиком (Минобороны) и руководителем проекта. Главной задачей разработчиков было создание внешне привлекательного объекта. Защитные, эргономические свойства одежды оказались на втором плане.

В России с ее резко континентальным климатом и холодными зимами морозы ниже -15 °С бывают на большей части территории. При таких температурах, которые могут усугубляться ветром, температурный дискомфорт возникает уже через полчаса пребывания на открытом воздухе. Создаваемое устройство для защиты органов дыхания в условиях пониженных температур не даст организму переохладиться.

Устройство предназначено для многих категорий людей: альпинистов, работников полярных экспедиций, но в особенности для любителей активного зимнего отдыха (спортсменов, рыболовов, охотников). Особенную потребность в данном устройстве испытывают люди с заболеваниями астмой, бронхитом, холодовой аллергией, которые испытывают проблемы с наступлением холодов. Устройство для защиты органов дыхания в условиях пониженных температур позволит таким людям переносить холода с меньшим риском для здоровья.

Холод - злейший враг дыхательной системы человека. При выходе на улицу в морозную, ветреную или чересчур влажную погоду - начинаются задержки дыхания, спазмы в легких и ощущение нехватки воздуха. Такое случается в первую очередь с больными дыхательных путей и со здоровыми людьми в первые недели после гриппа и ОРВИ, когда вирусные инфекции заставляют бронхи отвечать спазмом на неблагоприятные воздействия погоды. В первую очередь температурный перепад на 8-10° и больше оборачивается катастрофой для чувствительных бронхов. При охлаждении их слизистой оболочки повреждаются клетки, из которых выходят наружу гистамин, серотонин и другие биологически активные соединения. Они играют роль посредников, запускающих механизм повышенной чувствительности организма к погодным явлениям. От обычной аллергической реакции метеоаллергия отличается тем, что «виновник» неблагополучия - аллерген - в организме отсутствует. По его принципу действует физический фактор - мороз. Под воздействием гистамина и его «команды» веточки дыхательного дерева сжимаются, невидимые тиски сковывают грудь - становится трудно дышать, першит в горле, появляется кашель. [2]

Чтобы защитить организм человека в экстремальных погодных условиях, необходимо, чтобы одежда и средства индивидуальной защиты органов дыхания предотвращали пагубное влияние, как холода, так и низкого абсолютного содержания влаги в атмосферном воздухе. Внедрение устройства для защиты органов дыхания в условиях пониженных температур позволит избежать их переохлаждения и уменьшить теплопотери организма через дыхание. Данное устройство особенно полезно для активных видов спорта, требующих больших объемов дыхания, но не меньшее применение находит для прогулок, охоты, рыбалки, работ, связанных с нахождением человека на улице. В районах со среднемесячной температурой наружного воздуха ниже -20 данное устройство будет особенно полезно для всего населения.

Таким образом, ставится задача по созданию эффективного устройства для защиты органов дыхания в условиях пониженных температур, отвечающая следующим требованиям:

- повышение температуры вдыхаемого воздуха;

- защита органов дыхания в широком диапазоне низких температур;

- снижение потерь теплоты организма человека в целом.

1.2 Анализ источников интеллектуальной собственности в области устройств по защите органов дыхания

Маска для защиты органов дыхания и лица от холода [3]

Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты органов дыхания и лица человека от холода и обеспечивает тепловую обработку (рекуперацию) вдыхаемого воздуха для создания наиболее благоприятных условий жизнедеятельности человека, а также может обеспечивать очистку воздуха от крупных пылевидных частиц (рисунок 1.2.1).

Рисунок 1.2.1 - Маска для защиты органов дыхания и лица от холода

Сущность изобретения: Лицевая маска содержит мягкую оболочку корпуса 1, выполненную из текстильного материала (ткани), с центральным отверстием 2, например, прямоугольной или круглой формы и с носовым пазом (по форме носа), который может быть сформирован или ширина которого может быть изменена за счет страгнулятора 3, например, выполненного в виде пластичной пластинки из алюминия или другого пластичного материала и, например, вшитого в оболочку корпуса 1.

В маске по контуру центрального отверстия имеется выступающая часть 4 корпуса 1 с торцовым опорным буртиком 5, к которому крепится одна или несколько параллельных, наложенных друг на друга перфорированных или сетчатых оболочек 6 (вкладышей к маске), выполненных из достаточно теплоемкого материала, например, металла, полиэфирного или иного полимерного материала, с образованием теплообменной поверхности. Высота выступающей части 4 корпуса 1 должна быть достаточна для образования полости для размещения перфорированных оболочек 6 и образования подмасочного пространства. Для крепления перфорированных оболочек 6 между собой и к буртику 5 могут быть использованы ворсовые элементы 7 текстильных застежек типа молнии "Velero", которые соответственно установлены на краях буртика и перфорированных оболочек (вкладышей) 6. Форма центрального отверстия обычно подобна форме перфорированных оболочек 6 или отличается незначительно, что способствует их креплению к опорному буртику 5 с внутренней стороны маски. Маска включает элементы крепления, которые выполнены в виде двух ленточных пар 8 и 9, подсоединенных к оболочке корпуса 1 симметрично попарно и в одной плоскости с возможностью разъединения свободных концов лент, их перегиба и образования крепления по типу плащевидной повязки. Для выполнения крепления на концах каждой из четырех лент 8 и 9 пары должны быть установлены взаимодействующие ворсовые или иные элементы 10 и 11 текстильной застежки, например, по типу молнии. Причем для возможности их контактирования указанные застежки (элементы) 10 и 11 расположены на правой и левой парах 8 и 9 с разных сторон. В качестве одного из предпочтительных вариантов исполнения предусмотрено выполнение ленточных пар 8 и 9 за одно целое с оболочкой 1 корпуса, например, путем соответствующего кроя и прострочки при наложении одного, двух или более слоев ткани друг на друга. Выполнение оболочки корпуса 1 многослойной позволяет повысить ее теплозащитные свойства, улучшить внешний вид, увеличить жесткость выступающей части 4 и опорного буртика 5, образующих своеобразную рамку, в которой закреплены перфорированные оболочки 6 (вкладышей, входящих в комплект маски). При этом форма перфорированных оболочек 6 может быть как плоская, так и изогнутая.

Применение сетчатого материала в несколько слоев может давать высокую степень подогрева воздуха, но в данном устройстве не уделено внимание влагоотведению. Водяные пары будут конденсироваться на сетчатом материале и через некоторое время под действием сил поверхностного натяжения будут создавать значительное сопротивления для прохода воздуха, кроме того некоторые капельки воды будут отрываться от сетки и попадать в дыхательные пути.

Маска для защиты органов дыхания от холода [4]

Использование: в устройствах для защиты органов дыхания человека (рисунок 1.2.2). Сущность изобретения:

Рисунок 1.2.2 - Маска для защиты органов дыхания от холода

Маска для защиты органов дыхания от холода содержит корпус 1, выполненный из материала с низкой теплопроводностью. В корпусе 1 выполнено отверстие 2 для вдоха и выдоха. Теплообменник 3 выполнен из материала с высокой теплопроводностью и установлен внутри корпуса 1, при этом боковые стенки теплообменника 3 соединены с корпусом 1. Стенками корпуса 1 образована камера 4 между теплообменником 3 и отверстием 2 для вдоха и выдоха. К камере 4 посредством отверстия 2 подсоединена полая насадка 5, выполненная из эластичного материала, теплопроводность которого выше теплопроводности материала корпуса 1. В дне полой насадки 5 выполнено одно или несколько отверстий 6. К отверстию 6 дна полой насадки 5 подсоединен патрубок 7, продольная ось которого пересекает продольные оси отверстий 6. Патрубок 7 также выполнен из эластичного материала, как и полая насадка 5. Полая насадка 5 с патрубком 7 могут быть установлены с возможностью поворота вокруг оси отверстия 2 для вдоха и выдоха, для чего полая насадка 5 может быть укреплена в отверстии 2 с соответствующим натягом или на ней может быть выполнена отбортовка. Теплообменник 3 может быть непосредственно подсоединен к стенкам корпуса 1 или боковые стенки теплообменника 3 могут быть соединены с корпусом 1 посредством перегородки 8. Теплообменник 3 может быть выполнен в виде металлической гофрированной ленты 9, свернутой в спираль, или из металлической сетки. Полая насадка 5 позволяет реализовать в устройстве маски несколько функций.

Во-первых, она является дополнительным теплоотражающим экраном при выдыхании.

Во-вторых, теплопроводность материала полой насадки 5 выбирается такой, чтобы с учетом теплопроводности корпуса 1 и теплопроводности и теплоемкости теплообменника 3 получить на границе соединения камеры 4 с полой насадкой 5 температуру не ниже 0⁰С, исходя из самой минимальной рабочей температуры окружающей среды.

В-третьих, полая насадка 5 служит конденсатором паров дыхания, именно в полой насадке 5 происходит кристаллизация конденсированных паров. Для выполнения указанных условий теплопроводность материала полой насадки 5 выбрана выше теплопроводности материала корпуса 1. В зависимости от конкретных используемых материалов корпуса 1, теплопроводности и теплоемкости теплообменника 3 могут быть рассчитаны или экспериментально подобраны физико-механические характеристики материала полой насадки 5. Таким материалом может быть резина или синтетические эластичные материалы.

В-четвертых, за счет того, что полая насадка 5 выполнена эластичной, удается эффективно и оперативно удалить из нее замерзший конденсат. При затруднении дыхания из-за кристаллизации влаги полая насадка 5 обжимается руками, и поскольку она выполнена эластичной, происходит крошение и разлом относительно крупных частиц льда. Затем человек производит резкий форсированный выдох и продукты кристаллизации удаляются из полой насадки 5.

Данная модель имеет большое значение подогрева воздуха и степень рекуперации, т.к. имеет большую площадь теплообмена. Также в данной модели реализован принцип удаления замерзшего конденсата, что позволяет данному устройству работать неограниченное количество времени без перерывов на просушивание.

К недостаткам данной маски относятся ее большие размеры, неэстетичный вид, наличие выступающих частей сковывающих движения человека в области шеи.

Устройство для защиты органов дыхания от пониженных температур [5].

Устройство относится к средствам индивидуальной защиты лица и органов дыхания от холода (рисунок 1.2.3).



Рисунок 1.2.3 - Устройство для защиты органов дыхания от пониженных температур Устройство для защиты органов дыхания от пониженных температур содержит корпус, который образован наружной стенкой магистрали 1 выдыхаемого воздуха, внутри которой размещена магистраль 2 вдыхаемого воздуха с образованием между ними теплопередающей стенки 3. Отверстие 4 для выдоха образовано на ближнем к органам дыхания человека входе в магистральвыдыхаемого воздуха и снабжено обратным клапаном 5.

Отверстие 6 для вдоха образовано на ближнем к органам дыхания человека входе в магистраль 2 вдыхаемого воздуха и снабжено обратным клапаном 7. Магистраль 1 выдыхаемого воздуха снабжена наполнителем 8, выполненным из материала с высокой теплоемкостью. Наружная поверхность магистрали 1 выдыхаемого воздуха выполнена из материала с низкой теплопроводностью. Внутренняя поверхность магистрали 1 выдыхаемого воздуха выполнена из материала с высокой теплопроводностью. В полости магистрали 2 вдыхаемого воздуха размещена металлическая сетка, имеющая низкое аэродинамическое сопротивление и высокую теплоемкость.

Устройство работает следующим образом.

При пониженной температуре окружающего воздуха человек, пользуясь заявленным устройством, начинает выдыхать нагретый в организме воздух, который открывает обратные клапана 5 и через отверстия 4 попадает в магистраль 1 выдыхаемого воздуха.

При перемещении выдыхаемого воздуха по магистрали 1 его тепло аккумулируется наполнителем 8 и через теплопередающую стенку 3 передается движущемуся в противоположном направлении потоку вдыхаемого воздуха, который при вдохе открывает обратный клапан 7 и воздух в магистраль 2 вдыхаемого воздуха и через отверстие 6 к органам дыхания. Встречное движение потоков вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, а также соответствующий выбор геометрических размеров магистралей 1 и 2, обеспечивают максимально эффективную теплопередачу между магистралями 1 и 2 через теплопередающую стенку 3.

Эффективность устройства может быть дополнительно повышена за счет наполнителя 8, выполненного из материала с высокой теплоемкостью, размещенного в полости магистрали 1выдыхаемого воздуха, а также за счет металлической сетки, размещенной в полости магистрали 2 вдыхаемого воздуха, имеющей низкое аэродинамическое сопротивление и высокую теплоемкость.

К недостаткам данного изделия относятся его большие размеры и сложность устройства клапанов, которые из-за оседания паров влаги могут залипать и вызвать затруднение при дыхании человека. В данном устройстве каналы, по которым движется вдыхаемый и выдыхаемый воздух расположены горизонтально и поэтому конденсирующаяся влага остается внутри, что создает неудобство для дыхания.

Прибор независимого теплового комфорта организма человека [6]

Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты организма человека в целом и органов дыхания в условиях теплового дискомфорта при низких и пониженных, повышенных и высоких температурах, а также для возврата теряемой с дыханием влаги с комплексной очисткой вдыхаемого воздуха от пыли, взвеси, пыльцы растений, бактерий, вирусов и газовых примесей при температуре окружающей среды от -64°С до +125°С и выше (рисунок 1.2.4).

Данный прибор теплового комфорта организма человека имеет форму и размеры, повторяющие форму и соотношение размеров нижней части лица.

Устройство содержит чехол 1 из текстильного материала, не представляющий пневматического сопротивления потокам воздуха, имеющий на внутренней поверхности отверстие 2 для дыхания и содержащий вкладыш 3 с теплоблоком, использующим для высокоэффективного теплообмена влагу выдыхаемого воздуха, который состоит из трех и более секций:

- внутренней или укрепляющей секции 4 с функцией теплового резерва;

- средней секции 5 из набора непропитанных пористых сетчатых элементов;

- наружной (внешней) секции 6 из набора пропитанных элементов, и имеющих некоторую теплоемкость, теплопроводность, и необходимую для длительной эксплуатации прочность.

Секции 4-6 последовательно расположены одна за другой и каждая из них состоит из сетчатых элементов 7. Сетчатые элементы 7 в каждой секции предварительно собраны в единый пакет. При этом внутренняя секция 4 (рисунок 1.2.5) имеет механическую прочность и выполнена из пропитанных тканевых сетчатых элементов 7, поры нитей которых заполнены гигиеническим клеящим компаундом 8 и поэтому не представляют поверхность для "запыления" влагой.

Для режима сброса избытка тепла под одежду прибор выполнен в форме облегающей полумаски для дыхания через рот (рот и нос), укрывающей (утепляющей) нижнюю часть лица и подбородок до шеи. Теплоблок расположен внизу возле шеи. Его внутренняя (теплая) камера сообщается утепленным (снаружи), широким и тонким газоходом 16 с отверстием 2 напротив рта. Воздушное пространство над внешней поверхностью теплоблока имеет отделенные клапанами вход и выход для отделения потоков холодного и теплого воздуха при вдохе и выдохе. Внешняя поверхность прибора выполнена из теплоотражающей ткани 17 и дополнительно покрыта мягкой, декоративной тканью 18 с низкой теплопроводностью - флисом. Для крепления на голове сверху прибора предусмотрена тесьма (на чертежах не показана), а снизу он хорошо удерживается обычной укладкой шарфа и дополнительного крепежа не требует.

Данное устройство, помимо регенерации теплоты, по заявлению разработчика возвращает сконденсировавшуюся влагу в микроканалах обратно в через вдыхаемый воздух в дыхательные пути. Поэтому данное устройство в теории является наиболее оптимальным вариантом для защиты органов дыхания и теплового комфорта человека, но нет достоверных данных об его испытаниях и существовании опытного образца. Поэтому оценить данное устройство полностью невозможно.

Способ индивидуальной защиты от пониженных температур [7]

Способ относится к средствам индивидуальной защиты и может быть использован для защиты человека от пониженных температур. В способе индивидуальной защиты от пониженных температур путем подачи выдыхаемого человеком и дополнительно подогреваемого воздуха по воздуховодной магистрали к участкам тела, наиболее подвергаемым воздействию пониженной температуры окружающей среды, для дополнительного подогрева выдыхаемого человеком воздуха осуществляют его сжатие путем создания в воздуховодной магистрали дополнительного аэродинамического сопротивления. Данный способ совершенно безопасен, прост, надежен и не требует постоянного обновления расходных материалов.

Сущность изобретения: Мундштук 1 воздуховодной магистрали 2 берут в рот и плотно удерживают. Воздух вдыхают носом и с некоторым усилием выдыхают в воздуховодную магистраль 2, которая на другом конце имеет аэродинамическое сопротивление, в конкретном примере конфузор 3, который находится вблизи участка тела, наиболее подверженного воздействию пониженной температуры окружающей среды.

Благодаря сжатию выдыхаемого воздуха в конфузор 3 его температура при умеренном напряжении органов дыхания повышается на 2-3oC. Таким образом, выдыхаемый воздух нагревается как в результате непосредственного контакта с альвеолами легких и поверхностью дыхательных путей, так и за счет преобразования механической энергии мышц, участвующих в акте дыхания, в тепловую энергию сжимаемого воздуха.

Даная модель устройства предусматривает лишь подогрев определенных частей тела организма, что повышает тепловой комфорт человека и никак не повышает температуру вдыхаемого воздуха, поэтому устройство можно считать малоэффективным.

Воротник [8]

Воротник изготавливается вязанием из теплоизоляционных нитей - шерсти, пуха, объемной синтетической пряжи и т.п. в виде кольца 1 сложной конфигурации, облегающей шею, нижнюю часть головы, рот и нос человека (рисунок 1.2.6). Для обеспечения упругого облегания вязание ведут в "резинку" (известная технология вязания) в два слоя. Условно назовем верхнего 2 и нижнего 3слоя с перегибом 4 в районе носа (рисунок 1.2.7).

В нижнем слое 3 воротника в области носа и рта выполнен проем с кромками 5 в виде прямоугольника, в котором закреплен воздухоподводящий канал 6 из жесткого теплоизоляционного материала (теплоизоляционной жесткой пластмассы, прессованной кожи и т.п.) по форме в виде продолжения носа (в сечении треугольник с закругленным верхним углом). Торцевая часть, примыкающая к носу, и нижняя часть 7 воздухоподводящего канала выполнены сеткой 8 из синтетического теплоизоляционного материала.

Внутренность воздухоподводящего канала 6 заполнена слоями 9, 10, 11 воздухопроницаемого теплообменника. В качестве теплообменника наиболее рационально использовать алюминий. Алюминий обладает большой проводимостью, что обеспечивает быстрое и равномерное распределение поступающего тепла, а также отдачу тепла.

Кроме того, алюминий обладает большой удельной теплоемкостью, что позволяет получить аккумулятор тепла, одного вдоха в массе шести грамм, т.е. небольшом весе. Алюминий не токсичен, широко доступный и легко обрабатываемый металл, из него можно готовить теплообменник любой структуры.

Для того, чтобы был хороший теплообмен, необходимо создать пористость между частицами алюминия. Частицы алюминия в теплообменнике могут быть выполнены в виде проволоки, уложенный рядами в двух противоположных направлениях с зазором, сетки, путанки (хаотично спутанной проволоки), стружки, шаровидных тел, пористого прессованного материала. Чем меньше размеры пор и больше их длина, тем производительней теплообмен, но при этом растет величина сопротивления дыханию. Для нормальной работы необходимо, чтобы сопротивление дыхательного аппарата не превышало 150 Па (из инструкции по дыхательным аппаратам - самоспасателям). В соответствии с этим в зависимости от вида частиц алюминия для массы алюминия шесть грамм экспериментально подбирается структура теплообменника.

В теплообменнике за каждый период накапливается и остается определенное количество тепла, пульсирующее на отрезке воздухоподводящего канала теплообменника. Температура на концах теплообменника колеблется от 36 градусов тепла до минусовых, равных наружному воздуху. Если произвести деление массы теплообменника на отдельные самостоятельные теплоизолирующие слои, то границы каждого слоя будут находиться в граничных условиях данного слоя, и в нем будет аккумулироваться определенное количество тепла, на начало каждого последующего слоя будут создаваться условия, такие же как на конце предыдущего.

На слоях, находящихся внутри воздухоподводящего канала, создаются условия положительных температур, близкие к температуре вдыхаемого воздуха, а на внешних слоях - от низких, равных наружной температуре, до положительных в зависимости от того, сколько энергии приходится аккумулировать на этом участке воздухоподводящего канала.

Деление теплообменника, например, на отдельные самостоятельные температурные слои 9, 10, 11 позволяет стабилизировать необходимую положительную температуру поступающего в организм человека воздуха.

Каждый слой теплообменника, например, выполнен из нескольких рядов алюминиевой сетки, объединенных общей оболочкой из сетчатого материала на основе лавсано-(капроно) теплоизоляционного материала.

Алюминий внутри слоя термоизолирован. И при монтаже нескольких слоев, например, три штуки (9, 10, 11), каждый работает самостоятельно.

Деление теплообменника на отдельные термоизолированные слои позволяет соответствующим подбором слоев использовать воротник при различных отрицательных температурах наружного воздуха.

За пределами рта наружная поверхность нижнего слоя 3 покрыта водонепроницаемой пленкой 12. На водонепроницаемой пленке 12 закреплен воздухопроницаемый намораживающий каркас 13, примыкающий торцевой частью к воздухоподводящему каналу 6.

Воздухопроницаемый каркас 13 служит для намораживания конденсата и выполнен в виде путанки из нитеобразного теплоизолированного материала, например, тонкой стальной проволоки, покрытой серебром, цинком и др. Кроме того, часть нитеобразной путанки может быть выполнена из капрона или лавсана по эстетическим соображениям.

В верхнем слое 2 вязаного воротника, в районе воздухопроницаемого намораживающего каркаса 13, выполнен проем с торцевыми кромками 14 прямоугольной формы для связи с атмосферой. Для защиты головы воротник может быть связан совместно с головным убором - шапочкой, шлемом.

Данное устройство учитывает все стороны процесса дыхания в условиях пониженных температур и является удачным вариантом.

Маска для защиты органов дыхания от холода [9]

Маска относится к средствам индивидуальной защиты органов дыхания человека при работе в условиях низких температур. Маска для защиты органов дыхания от холода содержит корпус из материала с низкой теплопроводностью, в котором выполнено отверстие для вдоха и выдоха, патрон с теплообменником из материала с высокой теплопроводностью, сообщенным с отверстием для вдоха и выдоха и теплоизолирующим элементом, размещенным на выходе теплообменника и выполненным в виде противопылевого фильтра. Маска обеспечивает эффективный подогрев вдыхаемого воздуха и улавливание грубодисперсной пыли при вдыхании запыленного воздуха (рисунок 1.2.8).

Рисунок 1.2.8 - маска для защиты органов дыхания от холода

Маска для защиты органов дыхания от холода содержит корпус 1 из материала с низкой теплопроводностью, патрон 2, закрепленный боковыми стенками на корпусе 1. В патроне размещены теплообменник 3, выполненный, например, в виде сеток из материала с высокой теплопроводностью, и теплоизолирующий элемент 4, расположенный на выходе теплообменника.

Корпус 1 снабжен обтюратором 5 и элементом крепления 6. Теплообменник 3 сообщается с отверстием 7 для вдоха и выдоха, выполненным в корпусе 1. Теплоизолирующий элемент 4 может выполнять также роль противопылевого фильтра для грубодисперсной пыли.

Размещение теплообменника и теплоизолирующего фильтрующего элемента в патроне 2 позволяет упростить их замену непосредственно на рабочем месте.

Устройство работает следующим образом. Маска надевается, плотно закрывая корпусом 1 органы дыхания. При выдохе воздух выходит в атмосферу сквозь сетки теплообменника 3 и теплоизолирующий элемент 4. При этом происходит нагревание внутренней поверхности корпуса 1, сеток теплообменника 3 и теплоизолирующего элемента 4. Последний препятствует эвакуации тепла от теплообменных сеток в атмосферу за время между выдохом и вдохом. Поэтому при вдохе холодный воздух будет нагреваться в большей степени по сравнению с известными устройствами. Теплоизолирующий элемент 4 выполнен из фильтрующего материала, способного улавливать грубодисперсную пыль. Применение маски позволит более эффективно защитить органы дыхания работающих при пониженных температурах от простудных заболеваний, а также от грубодисперсной пыли.

Данное устройство может обладать в зависимости от типа и материала теплообменника большим КПД, но в конструкции нет учета явления конденсации влаги, что может привести к закупорке каналов льдом в теплоизолирующем элементе 4.

Маска для дыхания [10]

Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты организма человека в целом и органов дыхания для создания условий комфорта при низких и пониженных, повышенных и высоких температурах, а также для возврата теряемой с дыханием влаги с комплексной очисткой вдыхаемого воздуха и может использоваться в горно-добывающей, химической, строительной промышленности и т.п. (рисунок 1.2.9).

Заявляемая маска для дыхания содержит корпус 1 с отверстием 2 для дыхания через рот, выполненный из тонкого слоя нитевидного влагостойкого материала, не представляющего сопротивления потокам воздуха, и вкладыш 3 из сетчатых элементов толщиной от единиц до десятков микрон, образующих теплообменную поверхность в виде изогнутого наружу переменным радиусом пакета толщиной от единиц до десятков миллиметров. Маска снабжена ленточками 4 из тесьмы для закрепления на голове человека. При этом радиус изгиба и площадь внешней поверхности больше радиуса изгиба и площади ее внутренней поверхности с образованием расширяющихся микроканалов теплообменной поверхности. Вкладыш 3 состоит из нескольких расположенных последовательно (считая от наружной поверхности) следующих чередующихся функциональных слоев: первого турбулентного слоя 51, второго турбулентного слоя 52, мембранного слоя 61, первого разгонного слоя 71, третьего турбулентного слоя 53, второго мембранного слоя 62, второго разгонного слоя 72, четвертого турбулентного слоя 54 и пятого (внутреннего) турбулентного слоя 55. При этом наружный турбулентный слой 51 и внутренний турбулентный слой 55 выполнены из ткани типа «синтепон», турбулентные слои 52-54 - из марли, пропитанной водой, мембранные слои 6 - из марли, пропитанной компаундом 8, разгонные слои 7 - из электризующегося материала типа синтетического трикотажа, а в качестве компаунда 8 использован водный раствор из сахара и крахмала, причем плотность компаунда изменяется по высоте слоя (рисунок 1.2.10).

Недостатком данного изделия является отсутствие системы влагоотведения. Влага с течением времени будет накапливаться в регенеративной насадке и не имея выхода приведет к увеличению массы насадки и далее к забиванию каналов для прохода воздуха.

1.3 Анализ современных устройств для защиты органов дыхания при низких температурах воздуха

Обзор патентов устройств для защиты органов дыхания в условиях пониженных температур, зарегистрированных в России показывает, что вариантов устройств около 10. Основной принцип работы данных устройств основан на регенерации теплоты. Отличаются изделия конструктивными решениями относительно материалов, форм, размеров регенеративных теплообменников, типов лицевых масок.

Из всех устройств, описанных выше, только [10] производится и реализуется фирмой «Второе дыхание». Все остальные устройства остаются в теории или нескольких опытных экземплярах, поэтому оценивать качество их работы практически невозможно.

Сравнительный анализ устройств, основанный на теоретических данных проведен в таблице 1. Следует отметить как лучшие варианты устройств с номерами патентов: №2045301 [4], №2158620 [8], № 118202 [10], т.к. важным критерием работы является влагоотведение, без которого невозможно длительное использование устройства, однако все перечисленные устройства-аналоги являются промышленно трудновыполнимыми.

1.4 Анализ математических моделей регенеративного теплообмена

В работе Алексеева В.П. [17] приводятся результаты исследования нестационарного теплообмена в тепловом аккумуляторе. Определен коэффициент теплопередачи и средний температурный напор для различных типов насадок и режима работы теплового аккумулятора, а также поверхность нагрева и объем теплового аккумулятора при различных конструктивных характеристиках насадки и режимах продувки. На основе анализа расчетных данных для системы использования тепла конвертерных газов (СИТКГ) в работе рекомендована насадка с оптимальными характеристиками.

Основным направлением изучения данных работ являются теплообменные процессы, а также методы их расчета, происходящие либо в промышленных регенеративных воздухоподогревателях, работающих при высокой температуре теплоносителя, либо в роторных регенераторах, применяемых в централизованных системах вентиляции. Однако применение этих методов теплового расчета для стационарных переключающихся регенеративных теплоутилизаторов (СПРТ) будет не корректным, так как температурный режим теплоутилизаторов значительно разниться с режимом промышленных теплообменников, а процессы теплообмена в аппаратах с роторной насадкой несколько отличаются от процессов с неподвижной насадкой.

Изучениям теплообменных процессов, а также их методов теплового расчета, происходящих в СПРТ, посвящена работа Васильева В.А. [17]. В данной работе выведена математическая модель процессов теплообмена в подобных устройствах.

В математической модели [18] были приняты следующие допущения:

- во всех каналах насадки тепловые и гидродинамические процессы идентичны, что позволяет в качестве математической модели использовать единичный канал регенеративной насадки;

- теплообмен в канале насадки протекает без фазовых переходов;

- насадка теплоизолирована, т.е. отсутствуют тепловые потери в окружающую среду;

- теплообмен воздуха в канале преимущественно конвективный;

- теплофизические и гидродинамические характеристики теплоносителя постоянны по сечению канала насадки и не зависят от температуры и давления;

- время прохождения воздуха через теплообменник намного меньше, чем время циклов аккумуляции и регенерации.

Математическая модель Васильева В.А. представляет собой смешанную задачу, описывающую теплообменные процессы в единичном канале насадки, что наглядно представлено на рисунках 1.4.1 и 1.4.2.

Рисунок 1.4.1 - Принципиальная схема устройства: 1- вентилятор, 2 - регенеративная насадка, 3- корпус прибора, 4 - теплоизоляция прибора, 5 - участок стены

Рисунок 1.4.2 - Единичный канал регенеративной насадки СПРТ

Смешанная задача состоит из системы двух дифференциальных уравнений (1), (4) в частных производных с двумя неизвестными функциями и с начальными (2), (5) и граничными (3), (6) условиями:

, ,,(1)

,(2)

,(3)

(4)

(5)

(6)

Где Т_В (ф, z) - температура воздуха в момент времени фв точке z, где ф ? 0,

0 ? z ? L,°С;

Т_Н (ф, z) - температура насадки в момент времени фв точке z, где ф ? 0,

0 ? z ? L, °С;

G (G_ак /G_рег) - расход воздуха на этапе аккумуляции/регенерации, м³/ч;

с_В - теплоемкость воздуха, кДж/кг·°С;

с_В - плотность воздуха, кг/м³;

S_В - площадь сечения канала, по которому проходит воздух, м²;

П - периметр сечения канала, по которому проходит воздух, м;

б - коэффициент теплоотдачи воздуха, Вт/м²·°С;

Т_in - температура помещения, откуда поступает тепловая энергия,·°С;

Т_out - температура внешней среды, куда поступает часть тепловой энергии,·°С;

л_Н - теплопроводность материала насадки, Вт/м·°С.

Первое уравнение (1) системы является уравнением газовой динамики, и физический смысл его заключается в следующем: количество тепла , поступающего в проходное сечение в точке zв момент времени фидет на нагрев воздуха в проходном сечении насадки в точке zв момент времени фи на передачу тепла от воздуха насадке в проходном сечении в точке zв момент времени ф.

Второе уравнение (4) является уравнением теплопроводности, и физический смысл его заключается в следующем: количество тепловой энергии , поступающего от воздуха насадке в проходном сечении в точке z в момент времени ф идет на нагрев насадки в точке z в момент времени ф и на перемещение тепла внутри насадки путем теплопроводности.

Начальные условия (2), (5) говорят нам о том, что в начальный момент времени температура воздуха и насадки в проходном канале распределена линейно между Т_in и Т_out.

Граничное (краевое) условие (3) говорит нам о том, что на левом конце проходного канала температура все время постоянна и равна комнатной Т_in, а граничное условие (6) - что торцы насадки являются теплоизолированными.

В дифференциальные уравнения, приведенные выше помимо стандартных сведений о материале насадки и теплофизических характеристиках теплоносителя, скорости его движения в канале и продолжительности циклов регенерации / аккумуляции входит коэффициент теплоотдачи б. Сначала расчет коэффициента б проводиться через критериальные зависимости, справедливые для стационарного теплового и гидродинамического процесса, для нахождения температур воздуха и насадки. Далее через найденные и осредненные по длине насадки и времени температуры вычисляются средние расчетные значения коэффициента теплоотдачи.

Данная математическая модель в определенной мере описывает тепловые процессы в СПРТ, однако имеет ряд допущений, которые существенно искажают результаты решения матмодели при их сопоставлении с результатами экспериментов. Кроме того, модель не обеспечивает критериальную оценку эффективности подобных устройств с точки зрения качества аккумуляции и регенерации тепловой энергии.

1.5 Основные выводы и определение направления дальнейших исследований

Из анализа патентного поиска следует, что варианты устройств по настоящему заслуживающие внимания ([4] и [8]), не производятся. Поэтому рынок сбыта продукции данного рода остается свободным, за исключением тепловой маски фирмы «Второе дыхание» [10]. Проведенные испытания данного изделия свидетельствуют о его неэффективности по всем критериям защиты органов дыхания.

Защита дыхания в условиях отрицательных температур всегда будет беспокоить людей, живущих в северных районах, и поэтому появление новых вариантов устройств ожидаемо и необходимо. В данный момент на рынке нет эффективного устройства, способного обеспечить тепловой комфорт при низких температурах наружного воздуха. Поэтому весьма перспективным проектом будет внедрение предлагаемого устройства [10].

Найденная математическая модель, предложенная Васильевым В.А, в определенной мере описывает тепловые процессы в СПРТ, однако имеет ряд допущений:

1. Температура воздуха на внутреннем торце принимается постоянной, но это противоречит результатам экспериментов;

2.Принята теплоизоляция торцов насадки, что так же противоречит результатам экспериментов;

3. Коэффициент теплоотдачи вычисляется как для стационарного процесса, а также осредненным по длине насадки, что не в полной мере отражает характер процесса теплообмена.

2. Математическое моделирование процессов теплообмена

2.1 Принцип действия предлагаемого устройства

Маска тепловая регенеративная предназначена для защиты органов дыхания человека от воздействия низких температур наружного воздуха и осадков. Оборудована возможностями: - регенерации тепла выдыхаемого воздуха для подогрева вдыхаемого воздуха;

- надголовного крепежа, регулируемого охват головы;

- защиты нижней части лица за счет тройного теплоизоляционного слоя.

Устройство состоит из лицевой маски 1 и регенеративной насадки 2, выполненной из монолитного или композиционного теплоемкого материала, внутри которого выполнены не менее двух рядов вертикально ориентированных сквозных канала 3 для дыхания через нос и сквозных каналов 4 для дыхания через рот, таким образом, чтобы через имеющиеся отверстия 5 вдыхаемый и выдыхаемый человеком воздух проходит внутри этих каналов. Каналы не соединены друг с другом. Крепление регенеративной насадки 2 к маске 1 может осуществляться при помощи контактной ленты 6 типа «крючок и петля» (VELCRO), размещенной на выпуклой стороне насадки 2 в верхней ее части и на вогнутой ее стороне в нижней части. Вход и выход воздуха через лицевую маску осуществляется через прорезь с нижней ее части.

Маска работает следующим образом. Выдыхаемый человеком воздух поступает внутрь вертикальных каналов 3 и 4 через отверстия 5 и проходит по всей их длине на выход, при этом нагревая насадку до определенной температуры, после чего воздух выбрасывается в окружающую среду. При вдохе воздух из окружающей среды поступает внутрь устройства, проходя через вертикальные каналы 3 и 4, в которых нагревается до определенной температуры, и отверстия 5, после чего попадает в дыхательные органы человека. Контактная лента 6 позволяет не только зафиксировать регенеративную насадку 2 на текстильной маске 1, но и обеспечить быстрое разъединение маски и насадки для последующей очистки.

2.2 Построение физической модели

Объектом исследования является регенеративная насадка, представленная в виде трубчатого теплообменника, в общем виде - с вертикальными трубками для движения воздуха. На рисунке 2.1.1, можно рассматривать как плоскую пластину определенной толщины, в которой устроены каналы в один ряд, где D - это диаметр вертикальных трубок, а L - это их длина. На рисунке 2.1.2 при аккумуляции тепла теплый воздух идет справа налево, нагревая пластину, при регенерации - холодный воздух идет слева направо, принимая тепло от пластины. В виду малых размеров теплообменника, на рисунке 2.1.2 представим модель в виде расчетного графа, где есть тепловой узел и есть потоки энергии, указанные на рисунке 2.1.3. Тогда общий вид изменения температуры в регенеративной насадке будет иметь гармонический вид с периодом 2to и амплитудами температур наружного воздуха и температуры дыхания.



Рисунок 2.1.3 - Расчетный граф канала

Рисунок 2.1.4 - Общий вид зависимости изменения температуры во времени

2.3 Построение и исследование математической модели процесса аккумуляции и регенерации тепла в тонкой насадке

Для расчетно-экспериментальных исследований эффективности такого регенератора необходимо составить математическую модель процессов аккумуляции и регенерации. Принимаем следующие упрощения:

1. В виду того, что устройство компактно, будем рассматривать его в виде энергоузла, в котором на первом этапе происходит процесс аккумуляции тепловой энергии от более нагретого теплоносителя, на втором этапе - регенерация энергии от насадки к более холодному теплоносителю.

2. Принимаем, что величины амплитуд колебаний и время каждого цикла - постоянны и не меняются с течением времени.

3. Температуры теплоносителей внешней (более низкая температура) и внутренней (более высокая температура) сред - постоянны и не меняются с течением времени.

Введем следующие обозначения:

t₀ - время аккумуляции или регенерации тепла,

(0,t₀), (2t₀, 3t₀),…,( 2(n-1) t₀, (2n-1) t₀) - промежутки времени аккумуляции тепла

(t₀, 2 t₀), (3 t₀, 4 t₀),…, ((2n-1),2n t₀) - промежутки времени регенерации тепла

t - переменная времени, ,

U(t) - температура насадки в момент времени t,

U(0)=U₀ - температура насадки в начальный момент времени,

U_in - температура внутренней среды

U_out - температура внешней среды

Математическую модель построим, предполагая следующие допущения:

1). На каждом промежутке времени аккумуляции тепла

(2(i-1)t₀, (2i-1)t₀), где i=1,…,n, скорость возрастания температуры насадки U'(t) прямо пропорциональна разности температур (U_in-U(t)) с некоторым коэффициентом теплоотдачи k₁:

U'(t)= k₁(U_in-U(t));

2). На каждом промежутке времени регенерации тепла ((2i-1)t₀, 2it₀), где i=1,..,n, скорость убывания температуры насадки U'(t) прямо пропорциональна разности температур (U(t)-U_out) с некоторым коэффициентом теплоотдачи k₂:

U'(t)=-k₂(U(t)-U_out).

При этих допущениях получаем следующую математическую модель процесса аккумуляции и регенерации тепла в тонкой насадке:

U'(t)=k₁(U_in-U(t)), t (1)

U'(t)= -k₂(U(t)- U_out), t, i=1,..,n, (2)

U(0)=U_0. (3)

Математическую модель (1)-(3) можно переписать в следующем виде:

U'(t)= -k(t)(U(t)-f(t)), t), (4)

U(0)=U_0, (5)

K(t)=k₁, t), (6)

= k₂, t), (7)

F(t)= U_in, t), (8)

= U_out t). (9)

(4) представляет собой обыкновенное дифференциальное уравнение с неизвестной функцией U(t),

(5) - начальное условие.

Уравнение (4) с начальным условием (5) называют задачей Коди

Найдем решение задачи (4),(5). Уравнение (4) перепишем в виде:

U'(t)+k(t)U(t)=k(t) f(t),

И обе стороны умножим на :

Левую часть можно переписать в виде производной произведения функций:

Последнее равенство проинтегрируем от 0 до t:

,

U(t) =(U₀+) - решение задачи (5)

Выясним, при каком значении U₀ решение U(t) удовлетворяет условию периодичности

U₀=U(2ф₀).

В формуле (8) полагая t=2 ф₀ и подставляя в (9) имеем: