автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Увеличение удельного времени защитного действия дыхательных аппаратов для пожарной охраны

РГ6 од

на правах рукописи

Ищснко Андрей Дмитриевич

УВЕЛИЧЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ЗАЩИТНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЫХАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ ДЛЯ ПОЖАРНОЙ ОХРАНЫ

Специальность 05.26.03 Пожарная безопасность

(технические науки)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических

наук

Москва 1998

Работа выполнена на кафедре пожарной техники Московского института пожарной безопасности МВД России.

Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент

Роенко Владимир Васильевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки России Безбородько Михаил Дмитриевич - доктор технических наук, профессор Кузьмин Виктор Иванович

Ведущая организация - Государственный научно-исследовательский институт аварийно-спасательного дела, водолазных и глубоководных работ Министерства обороны России

Защита состоится 29 июня 1998 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.052.03.01 в Московском институте пожарной безопасности МВД России по адресу:

129366, Москва, ул. Бориса Галушкина, 4, зал Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института пожарной безопасности МВД России.

Автореферат разослан 28 мая 1998 года, исх. N 7/37.

Отзыв на автореферат, заверенный подписью и печатью, просим направлять в МИПБ МВД России по указанному адресу.

Телефон для справок 283-19-05.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Т.Г.Меркушкина

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Развитие современной техники, создание новых отраслей промышленности, исследования, проводимые человеком под землей, водой и в космическом пространстве, связаны с необходимостью пребывания человека в условиях, где на организм воздействуют вредные и опасные факторы внешней среды. Работа в непригодной для дыхания среде по спасанию людей и тушению пожаров является наиболее сложным вариантом воздействия на человека опасных факторов, умноженным на необходимость активно действовать.

Для защиты органов дыхания от опасных факторов пожара профессиональные пожарные используют два вида дыхательных аппаратов: резервуарные дыхательные аппараты (аппараты на сжатом воздухе) и регенеративные дыхательные аппараты со сжатым кислородом (кислородно-изолирующие противогазы). Применение других видов средств защиты органов дыхания ограничено их техническими особенностями. За последние два десятилетия наметилась тенденция к более широкому применению аппаратов сжатого воздуха.

Дыхательный аппарат, как и всякое средство индивидуальной защиты, выполняя основную защитную функцию, вместе с тем ухудшает условия дыхания человека и снижает производительность труда. Следовательно, общее направление совершенствования дыхательных приборов - это уменьшение его влияния на человека. Дыхательный аппарат, кроме ухудшения условий дыхания, забирает часть полезной энергии для его переноски, ограничивает свободу движений, обзора. К этим неблагоприятным факторам добавляется психофизиологический дискомфорт, в некоторых случаях превосходящий все физиологические воздействия.

Как показывают исследования, среди самых неблагоприятных факторов, по оценке самих пожарных, стоят недостаточное время защитного действия и значительная масса аппарата. Только ношение одного аппарата нарушает точность и уверенность движений на 20-25%. Использование дыхательных аппаратов снижает время выполнения основных видов работ в 1,5-3 раза.

Масса аппарата обратно пропорциональна времени защитного действия. Показателем, оценивающим соотношение времени защитного действия аппарата к его массе, является удельное время защитного действия (УВЗД). Измеряется он обычно в минутах на килограмм и весьма наглядно характеризует качества аппарата и потенциальные возможности его применения.

Удельное время защитного действия интересно и тем, что с его помощью можно сравнивать разные по классу аппараты, оценивая уровень внедрения в устройство аппарата новых конструкторско-технических решений, использования прогрессивных материалов и технологий.

Увеличение удельного времени защитного действия возможно тремя путями:

1.Облегчением конструкции аппарата. Наибольший результат дает замена самой тяжелой части, резервуара для сжатого газа, на более легкую. Анализ технических характеристик показывает, что масса баллона в регенеративном аппарате составляет до 30% от общей массы, в аппарате сжатого воздуха - до 75%.

2.Увеличением запаса сжатого газа. Это достигается за счет повышения рабочего давления в баллонах, а также увеличением объема баллонов, но ограничено пределом прочности баллона и требует применения новых материалов и технологий, а также крупномасштабных научных исследований.

З.Экономным использованием ресурса аппарата. Так, в кислородных аппаратах содержание кислорода в дыхательной смеси намного превышает его потребность для дыхания.

В 1950 - 1965 годах в нашей стране и за рубежом были предприняты попытки изыскания способов кислородопитания с более экономным расходованием сжатого кислорода. Однако, было установлено, что при дыхании в этих аппаратах в состоянии покоя в определенных ситуациях возможно заазотирование, а при незначительных нагрузках аппарат более чувствителен к увеличенным подсосам воздуха, чем респираторы с комбинированной подачей кислорода. В связи с этим стали использоваться модели с комбинированной подачей кислорода, а

изучение способов экономного расходования кислорода было прекращено.

Это потребовало изучения данного вопроса и изыскания способов устранения факторов, препятствующих осуществлению экономного расходования кислорода. Разработка подобных устройств возможна на основе изучения газообменных процессов в аппарате с учетом реальных условий работы на пожарах.

Попыток экономного расходования запаса сжатого воздуха не предпринималось.

Увеличения их времени защитного действия добиваются повышением рабочего давления в баллонах, которое ограничено пределом прочности и массой баллона, а также увеличением их объема.

При детальном изучении механизма работы дыхательного аппарата сжатого воздуха было замечено, что дыхательная смесь полностью не используется из-за особенностей конструкции лицевой части и физиологии дыхательных путей человека, что позволило рассмотреть вопрос об экономии ресурса на основе более полного использования дыхательной смеси.

Работа соответствует научно-технической проблеме 0.74.07. "Разработать и внедрить новые, эффективные методы и средства, обеспечивающие пожаровзрывобезопасность объектов народного хозяйства и спасания людей на пожарах", а также программе МВД России "Совершенствование тактики пожаротушения, улучшение имеющихся и разработка новых высокоэффективных средств пожаротушения и спасания людей при пожарах".

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является увеличение удельного времени защитного действия дыхательных аппаратов на основе экономного использования запаса сжатого газа.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

♦ провести анализ проблемы увеличения удельного времени защитного действия современных дыхательных аппаратов;

♦ разработать способы увеличения удельного времени защитного действия;

♦ создать рациональные конструкции устройств, реализующих разработанные способы;

♦ разработать методику и провести экспериментальное исследование эффективности разработанных способов.

Объект исследования. Основным объектом исследования являются газомассообменные процессы, происходящие при дыхании в средствах защиты органов дыхания пожарных, а также влияние дыхательного аппарата на человека, работающего в нем.

Научная новизна. Научная новизна работы состоит в том,

что:

♦ аналитически определена возможность экономного расходования запаса сжатого воздуха в резервуарных дыхательных аппаратах на основе особенностей газообменных процессов в системе "органы дыхания - аппарат с открытой схемой дыхания";

♦ теоретически обоснована возможность изменения конструкции регенеративного дыхательного аппарата со сжатым кислородом для экономного расходования запаса кислорода;

♦ разработаны способы увеличения удельного времени защитного действия и устройства для их осуществления, признанные изобретениями решениями патентно-технической экспертизы;

♦ экспериментально исследована область объемов дыхательной смеси при изменении концентрации углекислого газа и работа предложенных устройств.

Достоверность полученных результатов. Степень достоверности результатов исследования обосновывается следующим: в основу теоретического анализа положены фундаментальные газовые законы, научно-обоснованная математическая модель внешнего дыхания человека. Результаты экспериментов получены при использовании современной измерительной аппаратуры с достаточно высокой точностью при удовлетворительном согласовании теоретических и экспериментальных исследований.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что разработанные способы позволяют увеличить удельное время защитного действия дыхательных аппаратов.

Практическую ценность имеет разработанная методика определения показателей воздействия любой модели дыхательного аппарата на человека, соотнесенная с удельным временем защитного действия и реализованная на персональном компьютере, что позволяет оценить уровень безопасности функционирования аппарата.

Реализация результатов работы. Результаты работы применены при оценке эргономических показателей современных дыхательных аппаратов с учетом времени защитного действия при помощи персонального компьютера в ГУГПС МВД России, а также при проведении дальнейших исследований по экономным способам расходования запаса сжатого газа в С.-ПбИПБ МВД России, а также при создании промышленного образца устройства отбора части дыхательной смеси в аппаратах с открытой схемой дыхания в ИПЛ УГПС Смоленской области.

Апробация работы. Основные положения исследования докладывались на первом съезде специалистов по безопасности деятельности человека (г. Санкт-Петербург, 1992 г.), на 12-й Всероссийской научно-практической конференции "Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ" (Москва, .ВНИИПО, 1993 г.), на 3-й международной конференции "Информатизация систем безопасности - 94" (Москва, ВИПТШ, 1994 г.), на научно-технической конференции "Научно-технические решения по предотвращению и ликвидации пожаров" (Формула безопасности - 94, Москва, ВИПТШ, 1994 г.), на научно-практической конференции "Научно-технические решения и разработки по предотвращению и ликвидации пожаров" (Москва, ВИПТШ, 1995 г.), на научно-практической конференции "Актуальные проблемы предупреждения и тушения пожаров на объектах и в населенных пунктах" (Пожарная безопасность - 96, Москва, МИНЬ, 1996 г.), на заседании кафедры пожарной техники ВИПТШ (Москва, 1994 г.), на расширенном заседании кафедр МИПБ (Москва,1998 г.).

Публикации. По результатам выполненного диссертационного исследования опубликовано 9 работ, из них 3 патента России на изобретения.

На защиту выносятся:

♦ результаты теоретического' изучения • воздействия дыхательного аппарата на человека с точки зрения удельного времени защитного действия;

♦ способы увеличения удельного времени защитного действия дыхательных аппаратов, основанные на использовании способов экономного расходования запаса сжатого газа

♦ устройства, позволяющие увеличивать удельное время защитного действия;

♦ результаты экспериментального исследования эффективности одного из разработанных способов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка литературы и приложений. Работа без приложения содержит 191 страницу машинописного текста, иллюстрированного 54 рисунками, 34 таблицами, 11 фотографиями. В библиографии приведены 110 литературных источников на русском языке и 11 на иностранных языках.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы увеличения удельного времени защитного действия дыхательных аппаратов, применяемых при тушении пожаров на основе более экономного расходования ресурса аппарата, сформированы цель и задачи исследования, дана общая характеристика работы.

В первой главе на основе изучения опубликованных работ, архивных материалов за более чем семьдесят лет, статистических данных, опыта, эксплуатации дыхательных аппаратов и современных научно-практических исследований проанализированы существующие способы увеличения удельного времени защитного действия и воздействие дыхательного аппарата на состояние пожарного.

История развития приборов для нахождения человека в непригодной для дыхания среде насчитывает более полутора веков. Практически столько же человек пытается привести условия работы в дыхательном аппарате к естественному дыханию, уменьшить все виды нежелательных воздействий на

работающего, в первую очередь, увеличить время защитного действия, не ухудшая других параметров аппарата.

Оценка влияния средств индивидуальной защиты на человека проводилась как по литературным источникам, так и комплексным методом оценки эргономических параметров дыхательных аппаратов, который заключается в дополнительной нагрузке, получаемой человеком при работе в дыхательном аппарате за счет указанных факторов по сравнению с условиями работы без него в комфортной среде. На основе этой методики создана программа расчета эргономических показателей дыхательных аппаратов на персональном компьютере. С ее помощью были произведены расчеты параметров современных дыхательных аппаратов, которые позволили провести сравнительный анализ воздействия на человека при работе (см.рис.1).

N¡,»/0

10 0"/ 90 80 7 0% 6 0% 5 0% 4 0% 3 0% 20% 10% 0%

резервуарные аппараты регенеративные аппараты

на сжатом СЬ на жидк. о2 на хим. связ.Ог

2-х часовые 4-х часовые

Рис.1. Воздействие некоторых типов и моделей дыхательных аппаратов на человека по видам нагрузки.

Наибольшим фактором, снижающим работоспособность пожарного является значительный вес аппарата. Особенно это проявляется в аппаратах сжатого воздуха. Вторыми по величине являются неблагоприятные микроклиматические условия дыхания, и этот фактор заметен при использовании кислородных аппаратов. Сопротивление дыханию не оказывает значительного воздействия.

Для возможности оценки влияния аппарата с учетом удельного времени защитного действия в методику и программу расчета введены удельные показатели по времени защитного действия, показывающие влияние как массы, так и всего аппарата (рис.2).

№, Вт/мин 6

5

4 ■■

3 ■■

2

1

О

Рис.2, Удельный комплексный показатель по ВЗД для различных типов и моделей аппаратов.

Сравнение показывает, что уровень энергозатрат на дыхательный аппарат составляет 30 - 40 % от общих усилий пожарного на боевую работу, а переноска отнимает 46 - 80 % всех затрат на использование аппарата, или 18 - 35 % от общих энергозатрат пожарного.

Не все типы аппаратов используются при тушении пожаров. Применение аппаратов на химически связанном (УВЗД - 10-29 мин/кг) и жидком (УВЗД - 13-18 мин/кг) кислороде невозможно из-за отсутствия надежного индикатора расхода ресурса, невозможности длительных перерывов в работе, длительной подготовки к использованию.

Анализ способов кислородопитания РДА на сжатом кислороде показал, что область расходных характеристик зависит от работы питающих систем дыхательного аппарата, и, что при постоянной( 2 л/мин) и комбинированной (1,3-1,6 л/мин) подачах кислорода обеспечивается безопасность работы. Однако содержание кислорода превышает физиологически обоснованные нормы (1,0 л/мин) и, следовательно, неэкономно расходуется запас кислорода. Реализовать способ с экономным расходованием кислорода (1,1 л/мин) затруднительно из-за влияния побочных факторов - увеличенного подсоса наружного воздуха и заазотирования воздуховодной системы при незначительной нагрузке. Таким образом, для увеличения удельного времени защитного действия необходимо обеспечить безопасность дыхания на всех режимах работы.

В резервуарном дыхательном аппарате схема питания считается достаточно оптимальной, поэтому попыток ее изменения с целью увеличения времени защитного действия не предпринималось.

Снижение массы аппарата достигается облегчением узлов и деталей путем • замены материалов, из которых они изготовлены. Увеличение запаса воздуха производится повышением давления, то есть повышением прочности резервуара без увеличения его массы или увеличением объема резервуара. Оба эти способа имеют свои пределы. Так, увеличение объема резервуара увеличивает массу аппарата, что снижает работоспособность человека, а большие габариты баллона мешают передвижению в ограниченных пространствах.

На основе этого анализа проблемы увеличения удельного времени защитного действия дыхательных аппаратов поставлены цель и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрены закономерности кислородопитания регенеративных аппаратов на сжатом

кислороде, выявлены основные недостатки, разработан способ устранения недостатков метода экономного расходования кислорода, который связан с математическим описанием процессов, протекающих в воздуховодной системе.

Способ кислородопитания регенеративных дыхательных аппаратов с экономной подачей кислорода имеет два недостатка.

Первым является увеличение подсоса окружающего воздуха на дыхательных режимах, требующих небольшого потребления кислорода, а, следовательно, значительной величины разрежения в воздуховодной системе. Подсосы возникают вследствие легочно-автоматического способа подачи кислорода, реализованного в этих аппаратах, при котором на вдохе создается разрежение в воздуховодной системе аппарата.

Для оценки этого влияния в работе обоснован показатель -напряжение потока подсоса, позволяющий рассчитать величины подсоса при различной нагрузке и различных способах кислородопитания:

С>р= (Рт + к.р!>/ 2Wi, (1)

где рт - среднее сопротивление дыханию, Па; к - коэффициент способа кислородопитания; р) - разрежение срабатывания легочного автомата, Па; - легочная вентиляция, л/мин.

Снизить подсос можно созданием избыточного давления внутри аппарата или, по крайней мере, равенства давлений внутри и снаружи аппарата. Для уменьшения разрежения в воздуховодной системе респиратора с экономным расходованием запаса кислорода разработан метод наполнения в период выдоха воздуховодной системы таким количеством дыхательной смеси, которое нужно на вдох. Осуществление подачи порции кислорода для каждого вдоха человека происходит за счет использования энергии выдоха, предыдущего вдоху. Таким образом, к началу процесса вдоха дыхательный мешок будет наполнен очищенным от углекислого газа выдохнутым воздухом и порцией уже поступившего из баллона кислорода в количестве, достаточном для вдоха, и разрежение будет

определяться лишь сопротивлением дыханию воздуховодной системы.

Для того, чтобы ответить на вопрос о безопасности дыхания, необходимо сравнить величины ожидаемых подсосов при данном методе и при безопасном режиме работы (при нагрузке средней тяжести). Расчеты показывают, что применение метода позволяет снизить уровень подсосов до величины, близкой к безопасной (табл.1).

Таблица 1

Зависимость уровня подсоса при различных методах легочно-автоматического кислородопитании от нагрузки

Показатели Нагрузка

легкая средняя тяжелая

Напряжение потока подсоса при яегочно-автоматическом кислородопитании, Па-мин/л 9,9-12,3 7,2-8,2 3,6-4,0

Напряжение потока подсоса при легочно-автоматическом кислородопитании без учета работы легочного автомата, Па-мин/л 7,1-9,5 6,0-7,0 3,2-3,6

Напряжение потока подсоса, создаваемое включением легочного автомата, Па-мин/л 2,8 1,2 0,4

Вторым недостатком способа кислородопитания с экономным расходованием кислорода является заазотирование воздуховодной системы вследствие неудачного принципиального или конструктивного решения устройства продувки от скопления азота, что ведет к снижению концентрации кислорода ниже необходимой для дыхания.

Скопление азота и других инертных компонентов в дыхательной системе аппарата возможно, если не вся дыхательная смесь участвует в дыхании, то есть при наличии излишнего (нерабочего) объема. На низших дыхательных режимах он больше, а при тяжелой работе его вообще не существует, так как объем дыхательной системы равен объему дыхания.

Для количественной оценки данного процесса разработана временная модель заазотирования, Время начала заазотирования системы :

ТП=ДУ/\¥П, (2)

где ДУ - объем невентилируемых участков, л; \¥п - величина потока подсоса, л/мин.

Время снижения концентрации кислорода до опасного предела:

(3)

где VI - объем дыхания, л.

В то время как промежуток времени до срабатывания избыточного клапана (стравливания инертных компонентов в атмосферу) составит:

Т^Уь-СУ + АУ)/ \УП +\УГ, (4)

где Уь - объем дыхательного мешка, л; - подувка

кислородом, л/мин.

Как показывают проведенные расчеты, при легкой нагрузке безопасность дыхания при легочно-автоматическом кислородопитании регенеративных аппаратов обеспечивается при величине коэффициента подсоса до 0,007, так как в этом случае продувка наступает раньше замещения кислорода азотом (табл.2).

Таблица 2

Зависимость времени заазотирования воздуховодной системы в режиме легкой нагрузки от величины коэффициента подсоса

Ко 0,005 0,006 ШШРВ 0,008 0,009 0,01

Wn, л/мин 0 0,003 0,01 0,018 0,025 0,045

Тг, мин 70 67 _ 60' - 53 49 39

Тп, мин 0 133 22 16 9

Тб мин 0 233 ■ 70 . 38 28 16

Заазотирование становится невозможным, если объем воздуховодной системы будет равен объему дыхания. При этом инертные компоненты будут стравливаться за пределы аппарата вместе с излишком дыхательной смеси через избыточный клапан постоянно, не накапливаясь.

Чтобы реализовать этот принцип, нужно регулировать, в зависимости от интенсивности дыхания, объем воздуховодной системы. В этом случае вся дыхательная смесь будет циркулировать, исключив образование нерабочих объемов, а, следовательно, скопление инертных элементов. Подача кислорода и выпуск через избыточный клапан части дыхательной смеси должны происходить в пределах изменения объема дыхательной системы. Управление объемом воздуховодной системы можно осуществлять, регулируя объем дыхательного мешка, в зависимости от интенсивности дыхания в пределах 0,5 - 4,5 л. Таким образом, устройство должно обеспечить постоянное соответствие объема дыхательной системы дыхательной нагрузке.

Совместное применение в аппаратах систем кислородопитания с экономным расходованием кислорода от давления выдоха и регулировки объема воздуховодной системы позволит обеспечить безопасность работ и экономное кислородопитание регенеративных аппаратов на сжатом кислороде. При этом достигается снижение расхода кислорода в среднем на 18-20%, а в режиме отдыха (ожидания помощи) на 50%.

Так как предложенные устройства будут частично заменять существующие узлы в аппарате, то их применение не должно вызвать увеличения общей массы аппарата. Поэтому увеличение удельного времени защитного действия будет равно увеличению времени защитного действия, в среднем 18-20%.

В третьей главе на основе анализа газообменных процессов в аппарате с открытой схемой дыхания приведено описание разработанного способа увеличения удельного времени защитного действия, представлено математическое описание, проведен теоретический расчет эффективности.

Было установлено, что в аппарате с открытой схемой дыхания при каждом выдохе наружу только из воздухоносных

путей человека выбрасывается объем пригодной для дыхания смеси, равный объему анатомического мертвого пространства. Также при выдохе выталкивается за пределы аппарата большая часть воздуха из подмасочного пространства. Анатомическое мертвое пространство воздухоносных путей и вредное пространство лицевой части дыхательного аппарата при каждом вдохе заполняется дыхательной смесью из баллона и при каждом выдохе выталкивается наружу (за пределы клапана выдоха аппарата), таким образом бесполезно расходуя часть запаса сжатого воздуха, уменьшая время защитного действия. Эти потери зависят от интенсивности дыхания, а также индивидуально от формы лица, строения воздухоносных путей и лицевой части дыхательного аппарата.

Если их использовать, отбирая в отдельный эластичный резервуар и подавая на следующий вдох, то возможно снизить потребность поступления такой же порции воздуха из баллона на каждый дыхательный цикл. Полученная таким образом экономия дыхательной смеси составляет 24% при нагрузке средней тяжести и около 40% в режиме отдыха (ожидания помощи) (рис.3).

1

ч

V

зона основной / расчетной нагру: ки

V

отдых средняя нагрузка тяжелая нагрузка очень тяжелая

Рис.3. Зависимость экономии дыхательной смеси (в % к легочной вентиляции) от степени нагрузки.

В работе расширена модель дыхания в аппарате с открытой схемой за счет разработки математического описания массогазообменных процессов, что позволило применить. ее к разработанному методу для расчета параметров резервуара отбора, обеспечивающих безопасный уровень дыхания.

В четвертой главе приведены описания конструкций разработанных устройств для аппарата с открытой схемой дыхания, проанализированы факторы, которые могут повлиять на эффективность способа. Выявлены задачи, которые необходимо решить экспериментальным исследованием: во-первых, масса устройства увеличит общую массу аппарата, поэтому будет ли его применение оправданным с точки зрения удельного времени защитного действия; во-вторых, величина объема резервуара представляет собой дилемму - с одной стороны, его увеличение позволяет экономить больше воздуха, а с другой - нарушается безопасность дыхания за счет изменения газового состава выдыхаемого воздуха; в-третьих, введение в схему дыхания дополнительного устройства может оказать влияние на другие эргономические параметры.

В пятой главе рассмотрены методика и условия проведения экспериментальных исследований, оценивающих эффективность способа увеличения удельного времени защитного действия для аппарата с открытой схемой дыхания, а также анализ полученных данных. Исследование состоит из оценки влияния использования резервуара для отбора части дыхательной смеси на сопротивление дыханию в аппарате и исследования газового состава воздуха, отбираемого в резервуар, а также оценки величины экономии дыхательной смеси по сравнению с аппаратом без применения резервуара отбора.

Как показала серия экспериментов, максимальные величины сопротивления дыханию при использовании резервуара отбора части дыхательной смеси и без него одинаковы. Изменений температурно-влажностных

характеристик дыхательного воздуха применение резервуара для отбора части дыхательной смеси, по оценкам испытуемых, не вызывает. Было отмечено, что в начальный момент вдоха и выдоха при работе с резервуаром отбора ощутимо (особенно при

сильной нагрузке) снижается сопротивление дыханию. Это явление отмечено испытателями как благоприятное.

Характер нарастания концентрации углекислого' газа в зависимости от объема резервуара отбора представлен на рис.4. Концентрация кислорода: во всех случаях она не падала ниже 19,5 %.

Ссо2,%

Объем резервуара отбора, см5

Рис.4. Зависимость концентрации углекислого газа от объема резервуара отбора дыхательной смеси.

Характер изменений концентрации углекислого газа от антропометрических данных человека при различных нагрузках объясняется особенностями строения дыхательной системы человека - у здорового человека с большей массой большее анатомическое мертвое пространство. Отмеченные различия в концентрации углекислого газа в силу своей незначительности не влияют на безопасность дыхания и эффективность применения резервуара отбора.

Величины полученной экономии дыхательного воздуха близки к расчетным показателям и равны в среднем для нагрузки в режиме средней тяжести 120%, для режима отдыха - 200% по

сравнению со временем защитного действия аппарата без резервуара отбора (рис.5). Различия в расчетных и экспериментальных показателях объясняются тем, что математическая модель дыхания,не может учесть особенности физиологии каждого отдельного человека. Кроме этого, некоторую корреляцию вносили конструктивные особенности маски и резервуара отбора, регулировка дыхательного аппарата.

Время защитного действия, мин

Рис.5. Зависимости времени защитного действия при применении резервуара отбора от дыхательной нагрузки в сравнении со временем защитного действия аппарата без резервуара отбора.

За счет применения резервуара отбора части дыхательной смеси объемом 360 см3 время защитного действия резервуарного аппарата при работе газодымозащитников ( массой от 60 до 90 кг) увеличилось на 17-22% в режиме нагрузки средней тяжести (легочная вентиляция 29-35 л/мин) и на 96-108 % в режиме отдыха (легочная вентиляция 13-15 л/мин).

Удельное время защитного действия для всех моделей резервуарных аппаратов увеличивается на 17,5-18,5 %.

Общие выводы

1. На основе анализа величин воздействия на пожарного различных моделей средств индивидуальной защиты органов дыхания, проведенного с помощью специально разработанной для этого компьютерной программы, было выявлено, что масса аппарата является наибольшим фактором, снижающим работоспособность. Так как изменение массы обратно пропорционально изменению времени защитного действия, то в программу расчета был введен показатель по удельному времени защитного действия. Это позволило провести уточненный анализ воздействия дыхательного аппарата на человека и анализ полученных результатов.

2. Для исследования в работе из трех возможных путей увеличения удельного времени защитного действия дыхательных аппаратов было выбрано экономное расходование запаса сжатого газа.

Два других (облегчение конструкции аппарата и баллона, увеличение запаса сжатого газа за счет повышения давления) являются общетехнической проблемой. Исследовательские работы в этом направлении проводятся ВНИИПО и координируются ГУГПС. Они требуют больших потенциальных затрат и времени, применения новых материалов и технологий, а также длительных крупномасштабных научных исследований.

3. Изучение закономерностей, способов и недостатков кислородопитания регенеративных аппаратов позволило разработать вариант, позволяющий устранить недостатки способа экономного расходования кислорода.

Первый недостаток - увеличенные подсосы окружающего воздуха при незначительной нагрузке. Для этого была исследована возможность использования легочно-автоматической подачи с той разницей, что инициирующим усилием является не вакуумметричекое давление вдоха, а положительное давление предыдущего выдоха.

Это позволяет снизить долю подсосов вредных веществ в аппарат извне.

Для устранения второго' недостатка - возможности скопления азота в невентилируемых участках воздуховодной

системы при незначительной нагрузке, что может привести к вытеснению кислорода, предложена система регулировки объема воздуховодной системы, в зависимости от нагрузки, работающая таким образом, что объемов для скопления азота не образуется. Математически обоснован уровень безопасности функционирования предложенной системы.

Совместное применение в аппарате системы кислородопитания от выдоха и регулировки объема воздуховодной системы позволит обеспечить кислородопитание регенеративных аппаратов на сжатом кислороде на безопасном уровне. При этом достигается снижение расхода кислорода и увеличение удельного времени защитного действия в среднем на 18-20%.

4.Попыток экономного расходования запаса дыхательного воздуха в аппаратах с открытой схемой дыхания не предпринималось.

При детальном изучении механизма работы дыхательного аппарата сжатого воздуха было замечено, что дыхательная смесь полностью не используется из-за особенностей конструкции лицевой части и физиологии дыхательных путей человека. В аппарате с открытой схемой дыхания при каждом выдохе наружу только из воздухоносных путей человека выбрасывается объем пригодной для дыхания смеси, равный объему анатомического мертвого пространства. Также при выдохе выталкивается за пределы аппарата большая часть воздуха из подмасочного пространства. Это пространство при каждом вдохе заполняется дыхательной смесью из баллона и выталкивается наружу (за пределы клапана выдоха аппарата), таким образом, бесполезно расходуя запас сжатого воздуха и уменьшая время защитного действия. Эти потери зависят от интенсивности дыхания, а также индивидуально от формы лица, строения воздухоносных путей человека и лицевой части дыхательного аппарата. При использовании их для дыхания возможно снизить потребность поступления такой же порции воздуха из резервуара на каждый дыхательный цикл. Это увеличит время защитного действия.

5.На экономию запаса дыхательного воздуха при отборе части дыхательного воздуха влияют несколько факторов: антропометрические данные человека, уровень его физической

работоспособности, подгонка и выбор лицевой части, влияние внешнего давления, объем и размещение резервуара отбора, что было учтено при разработке экспериментальных образцов и постановке эксперимента.

6.Проведенный комплекс испытаний показал, что при использовании резервуара отбора части дыхательной смеси в резервуарном аппарате увеличения сопротивления дыханию не происходит.

7.Сравнение величин концентрации углекислого газа и кислорода в резервуаре отбора с известными безопасными пределами для работы в средствах защиты прозволило определить оптимальный объем резервуара. Значительных изменений концентрации углекислого газа от антропометрических данных человека при различных нагрузках в пределах этого объема не наблюдалось. Различия в концентрации углекислого газа не влияют на безопасность работы в аппарате и эффективность способа и объясняются особенностями физиологического строения дыхательной системы человека и конструкции дыхательной маски.

8.Исследована экономия дыхательной смеси при применении устройства отбора дыхательной смеси. За счет применения резервуара отбора части дыхательной смеси объемом 360 см3 время защитного действия резервуарного аппарата при работе газодымозащитников ( массой от 60 до 90 кг) увеличилось на 17-22% в режиме нагрузки средней тяжести (легочная вентиляция 29-35 л/мин) и на 96-108 % - в режиме отдыха (легочная вентиляция 13-15 л/мин).

9. Масса резервуара отбора составляет около 1-2 % от массы аппарата, поэтому удельное время защитного действия для всех моделей резервуарных аппаратов аппаратов увеличивается на 17,5-18,5%.

Основные положения диссертации опубликованы в работах :

1. Ищенко А.Д. Возможности регенеративных дыхательных аппаратов. - В сб.: Материалы первого съезда специалистов по безопасности деятельности человека. С.Петербург, ЛТА,1992 . С.71-72.

2. Евсеев A.A., Ищенко А.Д. Обеспечение автономной работы газодымозащитной службы на пожарах и авариях. - В сб.: Материалы 12-ой Всероссийской научно-практической конференции "Научно-техническое обеспечение противопожарных и аварийно-спасательных работ". Москва, ВНИИПО, 1993.С.122.

3. Ищенко А.Д., Евсеев A.A. Модуль личной безопасности информационной сети при ликвидации локальных чрезвычайных ситуаций. - В сб.: Материалы научно-практической конференции "Средства спасения - основные тенденции развития, состояние разработки и изготовления современных аварийно-спасательных средств и технология проведения поисково-спасательных работ". Москва, 1994.С.43-46.

4. Роенко В.В., Ищенко А.Д. Способы совершенствования средств индивидуальной защиты органов дыхания. - В сб.: Материалы научно-технической конференции "Научно-технические решения по предотвращению и ликвидации пожаров" (Формула безопасности - 94). Москва, ВИПТШ, 1994. С.93-95.

5. Роенко В.В., Ищенко А.Д. Пути совершенствования средств индивидуальной защиты органов дыхания. - В сб.: Материалы научно-технической конференции "Научно-технические решения по предотвращению и ликвидации пожаров". Москва, ВИПТШ, 1995. С.128-131.

6. Роенко В.В., Евсеев A.A., Ищенко А.Д. Совершенствование параметров дыхательных аппаратов. - В сб.: Материалы научно-практической конференции "Актуальные проблемы предупреждения и тушения пожаров на объектах и в населенных пунктах" (Пожарная безопасность - 96). Москва, МИПБ, 1996.С.123-125.

7. Пат. 2006238 (РФ). Способ кислородопитания / А.Д.Ищенко. Опубликовано 30.01.94. БюлЛ\т 2.

8. Пат. 2010582 (РФ). Выносной манометр./ А.Д.Ищенко. Опубликовано 15.04.94. Бюл.К7.

9. Пат. 2085233 (РФ). Способ увеличения времени защитного действия дыхательных аппаратов./ А.Д.Ищенко. Опубликовано 27.07.97. Бюл.Ы 21.

20 мая 1998 г. Ротапринт МИПБ МВД России Тир. 100 экз. Зак.Ы