автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Кинетика и моделирование процессов массо- и теплопереноса в изолирующих дыхательных аппаратах

РГ Б ОД 2 8 НОЯ 1994

Тамбовский государственный технический университет

На правах рукописи

ПЛОТНИКОВА СВЕТЛАНА ВАЛЕРЬЕВНА

КИНЕТИКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ

МАССО- И ТЕПЛО ПЕРЕНОСА В ИЗОЛИРУЮЩИХ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ

05.17.08 - Процессы в аппараты химической технологии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тамбов - 1994

Работа выполнилась в Тамбовском ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском химическом институте (ТнмбовНИХИ) и в Таибоваком государственном техническом университете (ТПУ, кафчдрв процессов и аппаратов химической технологии).

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

КОНОВАЛОВ Виктор Иванович; кандидат технических наук ПУТИН Борис Викторович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

ФРОЛОВ Владимир й^дорович; доктор технических наук, профессор ПОПОВ Николай Сергеевич.

Ведущая организации: ЗЗ-А Центральный научно-исоледова-

тальский испытательный институт Министерства обороны (33-й ЦНИЙИ МО) (г.Шиханы Саратовской обл.)

Занята состоится •К» 19у]1г. в Щ часов

^уО минут на явондании специализированного оовета К 064.20.01 при Тамбовском 1Чюударстввнном технической унньнроитете по ядр«*'лу: 3926^0,г.Тамбов, ул.Ленинградская, 1 .

С диссертацией неявно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан •Л" Уу^Н 199Яг.

Учений секретарь специализированного совета доцент 11 В"ы* Нечаев

ОШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. При нарушениях нормальной окологаческой обстановки и при различных аварийных ситуациям, связанных с выбросом в воздух ядовитых веществ в производственных помещениях, айгтах, гостиница*., космических аппаратах и т.д., необходимо применение изолирующих аппаратов для защиты органов дыхания.

Бее изолирующие аппараты можно разделить на две группы:

- на сжатом кислороде;

- на химически связанном кислороде.

Преимущество аппаратов второй группы.презде всего б относительной простоте конструкции, малом весе, возможности длительного хранения запаса-кислорода. Кроме того, используется способность надперекиееЯ щелочных металлов выделять кислород,одновременно поглощая углекислый газ, таким образом обеспечивая процесс регенерации воздуха.

В последнее время значительно возросло многообразие видов изолирующих дыхательных аппаратов на химически связанном кислороде. В зависимости от предполагаемых условий применения аппаратов задаются их тактико-технические характеристики, и на основании этого определяются конструктивные параметры аппаратов. Вместе с тем, современные методы расчета для этих аппаратов отсутствуют, что затрудняет их проектирование и эксплуатацию.

При моделировании работы аппарата важно уметь определить следующие величины: концентрацию диоксида углерода в дыхательном мешке и на вдохе, скорость выделения кислорода, температуру на вдохе в яянисимости от характеристик аппарата (длине и площадь сечения патрона аппарата, тип продукта), условий експлуатации (температура окружающей среды), а также режима работы .{объем легочной вентиляции, частота дыхания).

Целью работы является разработка методов расчета изолирующих дыхательных аппаратов на химически связанном кислороде и применение этих методов при конструировании аппаратов с целью их оптимизации .

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

- иослрдсрат!- кинетику поглощения диоксида углерода и выделения

кислорода надлерекисным веществом;

- сформулировать и численно реализовать математическую модель процессор т^пло- и массоиереноса в изолирующих дыхательных аппаратах ;

- подтвердить адекватность модели путем сравнения расчетных и експериментьльных данных;

- определить значения массообменных констант в зависимости от вида продукта, режима работы и условий эксплуатации;

- разработать рекомендации по выбору конструктивных, характеристик аппаратов;

- разработать методику оценки эффективности комплекс« изолирующих дыхательных аппаратов;

- применить результаты исследований для разработки аппаратов.

Научная новизна работы состоит в

- формулировке математической модели изолирующего дыхательного аппарата и выборе метода ее численной реализации;

- обосновании выбора уравнений формальной кинетики;

- исследовании зависимости иассообменных констант от вида регенеративного вещества и условий.эксплуатации;

- определении закономерностей работы аппарата с помощью расчетов по математической модели.

Практическая ценность и реализация результатов исследования;

- разработан и отлажен пакет программ, позволяющий проводить вариантные расчеты изолирующих дыхательных аппаратов с целью нахождения более совершенных конструктивных решений;

- расчеты изолирующих дыхательных аппаратов применены при разработке в ТамоовВДХИ комплексе аппаратов, предназначенных для трехуровневой системы защиты промышленного персонала АЭС, шахт, нефтегазовых промыслов, а также оснащения военизированных спасательных формирований.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы.

Структура работы. Диссертация состоит из введений, Ъ глав, выводов, описка используемой литературы и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении сформулирован!.! направление исследований, ЦеЛЬ И задачи работы. Показаны ее актуальность, научная новизна и прикладная значимость. Излагаются основные положения, выносимые на защиту.

В цервой главе рассмотрены основные группы изолирующих дыхательных аппаратов, различающиеся по конструктивным особенностям (различные схемы дыхания, патроны о прямым или радиально-цилиидричнсккм слоем шихты) и виду используемых регенеративных веществ. Показаны характерные особенности аппаратов, которые необходимо учесть при математическом моделировании: пульоируитий характер движения воздуха, обусловленный дыханием человека; сложный химический процесс регенерата воздуха, при котором хемо-сорбцня диоксида углерода и паров коды сопровождается существенным выделением тепла, что, ь свою очередь, влияет на мнееоойм^и-ные характеристики продукта.

Схеме изолирующего дыхательного аппарата с наиболее распространенной маятниковой схемой дыхания приведена.на рис. 1. На выдохе воздух проходит через маску (1), гофрированную трубку (2), патрон, заполненный регенеративным веществом, (3) \ поступает в дыхательный мешок (4). Ня вдохе воздух совершает движение в обратном направлении. При избыточном выделении кислорода происходит травление газовоздушной смеси через клапан избыточного давления (5). Необходимое количество кислорода в начальный период работы аппарата обеспечивается пусковым брикетом (6).

На рис.2 приведена схема изолирующего аппарата с кругоьой схемой дыхания. На выдохе воздух проходит через патрон (3) в дыхательный мешок (4), а на вдохе из дыхательного мешка поступает в маску (1), снабженную клепанной коробкой (7).

Сформулированы задачи разработки математического и программного обеспечения. Предложен иерархический подход к построению математической модели изолирующего дыхательного аппарата и рассмотрены теоретические и экспериментальные основы для моделирования каждого уровня иерархии.

Сфмрмулир^Р&ны два подход« к построению мятгмьтичы-кей модели. При первом подходе для регег?£гтт*вчсг'с «кгь^ г^/чн1 ':<!'.

исследованиями определяются предельные емкости и коь>44)иииенты маосообмена по диоксиду углерода и кислороду и их зависимость от температуры. При моделировании аппарата решается задача совместного тепло- массопереноса с учетом тепловыделения при хомосорб-ции С02 и зависимости массообменных констант от температуры.

При другом подходе массообменные константы находятся путем решения обратной задачи из результатов испытаний -изолирующих дыхательных аппаратов. При атом их реальная зависимость от температуры в зоне реакции заменяется формальной зависимостью от условий експериментгг-нагрузки на аппарат и температуры окрукакг-щей среды.

В заключительном параграфе главы формулируются задачи исследования.

^ 1 6

4

п

5

■7*

1- маска, 2- гофртрубка, 3- патрон, 4- дыхательный мешок, 5- клапан избыточного давления, 6-пуековой брикет

Рис.}. Изолирущий даотельный .аппарат о маятниковой схемой дыхания

1

1- маскэ.г- гофртрубка, 3- патрон, 4 - дыхательный мешок, 5- клапан избыточного давления, 6-пусковой, брикет, 7 -клапанная коробка Рис.2. Изолирующий дшс&тельнуй аппарат с ^ругсзсй отемсй дуу.гния

Во второй главе исследуется кинетика поглощения СО^ продуктом на основе супероксида калия. Использован подход, позволяющий поучить уравнение формальной кинетики, в котором скорость хемо-еорбции частицей вещества шарообразной формы выраяается через константу скорости химической реакции к, коеффщиент эффективной диффузии Б0 и радиус частицы Я. В зависимости от вида формально-

кинетического уравнения выделено три области протекания са.

5

1) при /д„*бО процесс является &

описывается уравнением

процес-

" кв аз кккне ткч е о ккм" к

йР

dt

Р0о (1-Р),

(1)

2) при: кЕс/Вэг500 процесс описывается уравнением

является "хвазидаффуэионнш"

<1? ¿г

1

3

3 1-Р

з" 1- 1-Р

(2)

3) при б0<кК^Л)-<500 процесс является "переходным" и описывается в

уравнением:

<1? <11

? а0

V-

Л* а„

с (Р -ЬР),

3

3 1-Р

о -5-

1- 1-Р

?<Р.

РгР

(3)

1

где Р, = 3( кД2Л>ас№ кй2/В_-1), (4)

О 8 в

а и Ь находятся через Р .

Здесь Р - степень отработки частицы, с - концентрация С02> а0 -коэффициент предельной сорбции.

Полученные расчетные формулы были применены к экспериментальным данным по сорбции СО^ хемосорбентом на основе супероксидэ калия с добавлением оксида кальция и асбеста.

Предложен способ оценки величин к и на основе сравнения опытных данных для зерен различных диаметров.

Но начальном этапе хемосорбции (при степени отработки ?<0.5) при концентрации С0о со=0,04 и температуре окружающей средн Т=90°С. получены '.'Ледушие значения:

и

к=25 1/с; I) =0,45- м2/с ;

С

при этом процесс может быть охарактеризован как квазикинетический. В дальнейшем, из-за изменения объема и-структуры пор, нарастает диффузионное торможение, и процесс переходит, в зависимости от размера частицы, в квазидш'фузионную или промежуточную области. Оценено, что коеффициент I). уменьшается по сравнению с перво--

О

начальным в 5 - 20 раз.

Предложено учитывать нелинейность кинетики, введя зависимость коэффициента -к~от концентрации диоксида углерода в окружающей среде. Получена следующая зависимость: к=1,59/с2'®^.

Получено уравнение кинетики:

Г^а) = ^о(1-а/а0) ,

(1-а/аЛ)1/3

2 2 1-<1-а/*с)1/3

аа дЛ

, а/а^О.5 (Ь)

f?(a) , ' а/»0гО,7

aQ = 180 - 0,40шп(Т,200) (л/л); при размере гранул 5-7 мм значения коэффициентов массообмена

( 1+0,3•10"2(Т-100)') (1/с),

¿^1,96/с0!44 (П0,0-Ю~2(Т-100)) (1/0).

Показано, что при степени отработки Р<0,7, характерной при использовании продукта ъ реальных аппаратах, уравнение вида

da

. — = £ с (1-а/а ) (б)

dt 0

удовлетворительно описывает .процесс поглощения СО^ и может быть применено для широкого класса регенеративных продуктов.

С помощью термогравиметрического исследования регенеративного продукта' установлено, что при температуре 250 - 270 °С КО., начинает разлагаться до К^О^. Термическое разложение сопровождается изменением пористой структуры и увеличением реакционной способности продукта, что приводит к интенсификации процесса хемосорбции.

В третьей главе осуществлено построение математической мо-

дели и?олирувдего дыхательного аппарата и предложен мет-од -е численной реализации.

Основной процесс регенерации воздуха - поглощение СО^, соп-ровс5Кде.юаееся выделением кислорода (скорость которого пропорциональна концентрации СО,) и тепловыделением (скорость которого пропорциональна скорости поглощения С05) - происходит в патрон-3 изолирующего дыхательного аппарата.

Для описания процесса масеопереносе в патроне выбрана одиопар^метрическая диффузионная модель. Приведена теоретическая оценка ког-^фициента продольного перемешивания.

Уравнения баланса масс и тепла приводятся для двух -типов патронов - осевого и радиального, во втором случае уревн-ни»; записывается в цилиндрических координатах. Для осевого систома уравнений , описывающая процесс совместного массо- теп-лоперенося выглядит следующим образом:

гч ё'З ë?'0 ch

г — * w{ t) —~ f D —----

dt ôx hx <3t

dl' ЭТ Э2!Г sa 2а

¿a a

F = P(C'S >f) •

Cv и0

здесь с - концентрация СО^, а - емкость по СО^, Т - температура, t - ггорсзность слоя, Dl - коэффициент продольного перемешивания, с , сг - удельная теплоемкость твердой и газовой фаз, рт, рр -плотность твердой и газовой фаз, Хт - теплопроводность твердой фазы, о - кооф$ициент теплоотдачи, H - рвдиус патрона, Т -температура окружающей среды, q - удельная теплота реакции, aQ -коэффициент предельной сорбции, F - вид кинетической функции. Функция w(t) - скорость воздуха - имеет вид синусоиды, характерной для дыхания человека

SB nt

w(t) ^ - ein — , (8)

а в

где S - площадь сечения аппарата, В - объем вдоха, t - продолжительность полуцикла вдоха - выдо*а. Ит е<-:лг™;гду нзусц.-'^о-з

значения легочной вентиляции (Уп1) и частоты дыхания (Н), задаваемых режимом работы установки "исскуственные легкие" (при испытаниях аппаратов на ИЛ) или определяемых физиологией человека, г =1/2Н, (9)

в '

Граничные условия для системы (?) имеют вид условий Двнк-вертса. Из-за разницы в направлении потоков они формулируются отдельно для аппларатов с маятниковой и круговой схемами дыхания. На стадии выдоха граничные условия имеют вид:

301

«(п^^тси.о)-^-!^

дТ,

сгрг«= 0грг« т,0) (10)

ас I

ах'х=гН

Начальную условия: ...

а(<.',хМ> , (11)

Т<а,х)-<?ер .

Скорость выделения кислорода определяется по уравнению:

? йа^а.С) (12) 7кисл11) = I" ¡ГП-

о

^ ¡^ < "ак/ако ' ' <13>

где ь - емкость по кислороду,. й - коэф|ициент мвссообмена, 8„„ « К ко

- коэффициент предельной емкости по 02-

Оценить к/шяние диффузионного переноса мозкно, сравнивеа. результаты расчетов по модели, учитывающей продольное перемешивание, и по модели, учитывающей перенос вещества только в результате' вынужденной конвекции. В тех случаях, когда различия между ьтими результатами будут незначительны (сопоставимы е погрешностью опыта), имеет смысл проводить расчеты по Солее простой модели конвективного переноса. Тогда уравнение кассапзрзкоса

для осевого петрове будет иметь вид:

до 5о 5а

£ — + (4(1) — а--. (14)

81 ЭХ Н

Для аппаратов с маятниковой схемой дыхания гранично« условие на стадии выдохь

с(1,0)=свх. ^ (15)

Приведены формулы, задающие величины сВ5 Твх'- концентрация С0о и температура на входе в патрон, задаваемые отдел-но на стадии вдоха и стадии выдохе, в которых учитывается структура потоков во вредно« пространстве аппарата в в дыхательном мешке, величины с__, - концентрация С0о и температура на

ВД ВД с

вдохе. -

Для нахождения концентраций СО^ на вдохе а на входе в слой пихты необходимо рассмотреть понятое вредного пространства. Это объем, включаший в себя подмасочнов пространство, гофртрубку и предаихтовое пространство в патроне. Приведем формулы для средних за полуцикл вдоха (выдоха) концентраций во вредном пространстве, рассчитанных из условия емеаения за эре ля полушпсла объема вредного пространства (В^) и объема вдоха (В). (В„+В) + с„ В„

"в* "

е °п (УВ) 4 свыд У

вл 2В + В

о

Величина о определяется фяэиолопгей человека (при работе ап-выд

парата на лвдях) ялн харзктераешсаш! работы установки ИЛ (при испитттях аппарата на "искусственных легкая"); при работе установки ЙЛ в резаше с накоплением находятся по формула:

°вад * °о 4 езд • „ (17)

Величина оп для аппаратов о нзятннковей схемой дыхания находится

как средняя за период вдоха концентрация СО^ на выходе из патрона:

2В0 4-В (16)

с„ = - Г с(0 ,а)'п(а) йв.

и п

V1®

I э

Для ытарята с маятниковой схемой дыхъний на стадии вдоха ^

Средняя за цикл ьдохе - выдоха концентрация СО- в дыхательной

мешке рассчитывается по формул*: ; -г

С * (19)

СП1,= - j .С01 ,1') к'уЕ.)

" г 4

Здезь I,- начало очередного полуциклв выдоха.

Аналогично формулам для расчета концентраций могут оыть получены формулы для температуры, однако -.фи расчете температуры учитывается также потери тепла ь окрукаику» среду.

Предложена численная реализаций система уравнений (7) с начальными и граничными условиями (10) - (11). Для получения численного решения уравнения (7), (Ю) заменяются системой раз-ноетных уравнений, которые затем решаются методом прогонки. Предложенные методы чиолгиного решения реализованы в виде программ на языка?: Фортран л Турбо Паскаль.

При отсутствии точных данных по поглощению диоксида углерода и выделению кислорода влементарным слоем продукта, массооб-менныг; константы могут быть найдены из результатов испытаний аппарата путем решения обратной•задачи: При атом тепловые процессы в патрон^ не учитываются, процесс масеопереноса рассчитывается без учета продольного перемешивания. В таком представлении ъ масеообменых коьф^ициентах обобщаются все неизвестные нам сведения сГ ходе процесса.

При обработке большого количества експериментальных данных возникнет задача формализовать поиск массообменных констант. Для етого формулируется задача минимизации среднеквадратичных отклонений расчетных данных от ркспериментальных-:

¿«■1 . 1 = 1

Предле^-н;; численная реализация задачи (20) с помощью метода деформ.-.ру<.•!/.-с многогранника. Разработан и отлажен пакет программ!, сочетающий расчет массоперенооа в изолирующем аппарате с

Ь четь^глглаве разработанная математическая модель былг

применена к экспериментальным данным, Испытания изолирукшх дыхательных аппаратов проводились на установке "искусственные л^р-ки<*'', где создаются заданные техническими условиями параметры гйзоеоэдушноЯ ср-ды, имитирумцие параметры дыхания человека.

Для проверки адекватности модели и определения масо^бмнцкых констант с помощь»» решения |У>]1итноЯ задачи были исчюлк:»с.ч.')!ш .результаты испытаний на установке ИЛ аппаратов четырех видов,, сочетающие & себе НйИбол-»«1 характерные особенности эксплуатации (экстренней и длительной защити), конструктивные осоо*нй<",(,ти (маятш!ко!:ая и круговая ех-мы дыхания, осевой и радиальный парены), типы используемого продукта (калиевый и натриевый, I-гранул и в виде блоков).

Достаточно* для практических целей совпадение олытьн,* и расчетных данных подтверждает адекватность разрйботанной мсгт-^ма-тич>-скг'Я модели. В качестве примера можно привести сопоставление опытных данных о результатом расчета по модели совместного теп/"1- маосоперенооя с уравнением кинетики вида (5) для «юп^ы-я екетренной йаишты <■ осевым патроном {рис.3, нагрузка 4? л/мг*' и для аппарата длительной зашиты с радиальным питроисм <. 4, негру.кг: З'.1 Л/МИ111 •

Ач*ли:< полученных при расчетах температурных и ссрс-дог'Нммх Фронтов ¡¡оказывает, что понятие фронта хемосорбции прим-:<ил«о только при низких нагрузках на аппарат, при высоких нагрузках реакция идет одновременно по всему слою продукта.

Такж- была проведен» обработка экспериментальных данных о помощью риб-ния опрятной задачи с целью поиска мчссообменных ко5»<}|;«циеиг<, я '.*нт>-м статистический анализ полученных ко:-ф]>и->У'г»и<'5К1!ен<.>, и«-л статистически значимой зависимо--ти мчо-со'-'.'!.<м;чнх ко!«р;птиентов <ч- температуры окру»а»х«ей ср.-ды ц„ .тедчется. С г< нпгрукки на аппарат коэффициент массоо^мена /5, как правило, растет, р. коэффициент предельной сорбции а может кж .увеличиваться (например, для аппарата акстренной ггыадтн при уь-е.-шчении нагрузки от 45 до 60 л/мин), так и падать, например, для аппарата длительной защиты с осевым патроном при увеличении нагрузи! ст 30 до 45 л/мин), а в некоторых случаях оставаться постоянной.

Получены тилмчш:* О •.¡ВИДИМОСТИ, которые могут быть И«'П'>л»-Я0-'¿•.н:: '¡г;: -¡рзпк пг.гпклпии рллмты аппаратов:

»

(«ягззс

Рс=.3. Квскзшргщет СО* о та. иигхс.' • + - енетиет дггаа, О - ралигг

РисЧ. Капцевтрагет СО, о гшх. мешке." » + ® - сзшш дашшг, О- расчет

£ ~ 250 + 7иЛ«10. (1/шщ) , # (21)

е0~ 115 (дм3/®!3).

Показано, что вдняние продольного пэреиешваЕВД на процесс массспереноса в патрона егщарата не существенно, ж о достаточноЗ для практических целой точностью, рэгзш продувки патрона ыогэт быть рвошотрэк как реггш идеального вытооненЕЯ.

В пято^ главе на ооноеэ расчетов по разработанный математические моделям определяется законшэрноста работы аппаратов Е приводятся рекомендации по выбору более совершенна: конструктивные решений. :

На основе анализа еорбдаонныг и т&шературяэд: фронтоз, порученных при расчете работы аппаратов по модели совестного тепло- маоеспервноса, объясняется сложная зевзсияость величина &0

от нагрузки аппарат. Так, до достижения температуры разложения (250 °С), ьеличина а(х) поглощенное в слое ССи уменьшается а ростом температуры в зоне реакции. При достижении температуры разложения величина а(х) резко возрастает, и, чем большая доля шихты патрона с ростом нагрузки достигает этой температуры, тнм выше получаемая ¡три расчетах величина aQ.

Этой же особенностью объясняется слойсная зависимость времени защитного действия аппаратов от температуры окрукащей среды.

При низкой нагрузке на аппарат температура в зоне реакции ниже температуры разложения вещества, и определяющим Фактором является уменьшение предельной сорбции при росте температуры ь зоне реакции. При высокой негрузке температур» в зоне реакции, начиная с некоторого момента времени, достигает температуры разложения, что интенсифицирует процесс поглощения СО^. Чем выше температура окружающей среды, тем больше доля вещества, достигшего температуры разложения, что приводит к увеличению времени защитного действия аппаратов.

Приведены расчеты, показывающие, что, чем меньше объем патрона аппарата (при аналогичном типе патрона и схеме дыхания), тем при меньшей нагрузке тенденция к уменьоешш времени защитного действия о ростом температуры окрукаадей среды изменяется на противоположную. Полученные зависимости позволяют прогнозировать тактико-техккческие показатели аппаратов при изменении условий эксплуатации.

На основе расчетов по математическим моделям проведен сравнительный- анализ аппаратов о осевым и радиальным патронами.

Получено, что при использовании продукта на основе супероксида калия с размером гранул 5-7 мм для аппарата с объемом шихты патрона 0.78 л при нагрузке до 30 л/мин эффективнее радиальный патрон, при нагрузке свыше 45 л/мин - осевой патрон. Также про-

v

ведены расчеты для патронов с меньшим и большим объемом шихты. На основании этих расчетов можно сделать вывод, что, чем больше объем патрона, тем в более широком диапазоне нагрузок аффективнее оказывается радиальный патрон.

Зная предполагаемое время защитного действия липарита и предполагаемую вероятность на]'ру~ок нь аппарат, с помощью расчетов но математической модели можно обоснованно осуществить выбор конструкции патрона.

С помздью расчетов по математической модели был проведен сравнительный анализ аппаратов о маятниковой и круговой схемами дыхания. На рас.5 приведена оавасшооть времеш защитного действия от душна слоя для аппаратов о маятниковой п круговой схемами дыхания.

Из полученных результатов следует, что 'прл проектирование аппарата о небольшим вроменем а байтного действия целесообразнее использование иаятниковой схегш дыхания. Однако прл дальнейшем увеличении длины слоя маятниковая схема дыхания становится неэффективной, поскольку более значительной становится отработка меньшей доли объема шхты, соотносимой о объемса вдоха-ввдоха. Такав мокло сделать вывод, что, чем больше коэффициент массооб-мена, тем при иеньшзй длше слоя круговая схема дыхания становится аффективнее цаятнкковой.

Приведенные на рис.5 графики шшхгтрирутзт такав влияние коэффициента ыассообшна на время защитного действия при различных схемах дыхания. При круговой схеме дыхания увелпчение коэффициента массообмена приводит при любой длине слоя, за исключением начального отрезка, к увеличению времени защитного действия аппарата на одну н ту ке величину. При маятниковой схеме дыхания увеличение коэффициента масоообм&на влияет на время защитного действия тем меньше, чем больше длина слоя; и при достаточно большом значений длины слоя время зенитного действия аппарата перестает зависеть от коеф^ициента ¡¿аооообыена.

С учетоа предполагаемой вероятности нагрузок п значимости

В. *

Рес.6. Врсма. лэдетеого действса аппаратов в есшвспмостп от дгсгаш с пег; :

» ¡¿.ох., ^»70, V и.сх. ^яНО. О к?.сг., ЪгИО (1/ьлззз).

эргономических характеристик может быть сделан объективный выбор наиболее эффективной схемы дыхания.

Для определения влияния пульсирующего характера потока в аппаратах с маятниковой схемой дыхания на процессы тепло- маооо-переноса 'было проведено сравнение температурных, сорбционнх фронтов и фронтов концентраций с аиалогичноми для аппарата с принудительной вентиляцией (т.е. при постоянной скорости потока). Показано, что при маятниковой схеме дыхания в течение полуцикла выдоха наблюдается заметное пульсирующее движение фронта концентраций, тогдв как за этот променуток времени фронт концентраций при принудительной продувке существенно не изменился. То есть, если при принудительной продувке процесс мо:кно считать квазистационарным, то при маятниковой схеме дыхания он является существенно нестационарным.

Б заключительном параграфе главы рассматривается метод оценки эффективности трехуровневой системы защиты органов дыхания. Расчеты по предложенной м^ели были применены для оптимизации комплехса с точки зрения повышения его »фиктивности.

ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ основных процессов массо- и теплопереноса, происходящих в изолирующем дыхательном аппарате. Показаны подходы к учету етих процессов в математической модели аппарата.

2. Получена оценка величины скорости реакции поглощения С0? и коэффициента аффективной диффузии СО^ в зерне хемосорбента. Через ати параметры, а также размер гранулы хемосор'ентя, выражена макроскопическая скорость поглощения СО^ элементарным слоем продукта, что позволяет прогнозировать скорость процесса х^мооо^-ции на гранулах различного размера.

3. Построена математическая модель изолирующего дыхательного аппарата с учетом процессов взаимосвязанного массо- и теплопереноса. Разработан пакет программ, реализующий предложенную математическую модель. Предложенная модель позволяет переносить результаты исследования, проведенные на елементарном слое продукта, на аппарат в целом.

4. Разработан пакет программ, позволяющий находить значения эффективных массообменных конствнт из результатов испытаний аппаратов.

5. Проведены испытания "изолирующих дыхательных аппаратов на установке "Искуетьеш-ше легкие". Установлена достаточная точность совпадения расчетных и опытных донных. Проведена обработка експериментальных данных о целью определения массообменных кинет ант.

6. Установлены зависимости массообменных констант от вида вещества, нагрузки на аппарат, условий вксперимента. Эти зависимости могут быть использованы для прогнозирования работы аппаратов при различных рек/мах експлуатации и условиях окружающей среды.

7. Проведены расчеты по математической модели с целью определения наиболее эффективных конструктивных .решений при выборе типа патрона и схемы дыхания.

8. Разработан и применен метод оценки (эффективности трехуровневой системы зашиты органов дыхания, который ь сочетании с моделью аппарата позволяет определить оптимальные конструктивные характеристики аппарата.

9. Результаты исследований внедрены при разработке новых видов (аппаратов ь ТамбовШШ-К

Материалы диссертации изложены в следующих публикациях'.

1. Кримштейн A.A., Плотникова C.B., Коновалов В.И., Путин Б.В. Моделирование изолирунщих дыхетельных аппаратов на химически связанной кислороде. // ШК, 1992. T.65.N 11. С.2463-2469.

2. Кримштейн A.ft., Плотникове C.B., Коновалов В.К., Путин Б.Е. Математическое моделирование тепловых процессов в изолирующих дыхательных аппаратах на химически связанном кислороде. // КПХ, 1992. Т. 65, N 11. С. 2470-2473«

3. Кримштейн A.A., Плотникова C.B., Коновалов В.И., Путин Б.В. К расчету индивидуальных дыхательных аппаратов с круговой схемой движения воздуха // ЖПХ, 1993. T. 65f N 8. С. 1734-1736.

4. Плотникова С.?., Кудрявцев A.M., Кудрявцева A.B., Кримштейн A.A. Исследование кинетики хемосорбции частицей сферической формы.// Тезисы докладов I научной конференции ТГТУ. - Тамбов, 1994. С. 162- 163.