Главная | Обратная связь

Регенеративный дыхательный аппарат (РДА).

 

Прототипом всех современных регенеративных дыхательных аппаратов (РДА), в том числе кислородных изолирующих аппаратов (типа КИП-8), является изолирующий противогаз «Аэрофор» со сжатым воздухом, изобретённый в 1853 году в Бельгии в Л’ежском университете профессором Сваном. В связи с этим многократно изменялись тенденции развития таких аппаратов и улучшались их технические данные.При этом, принципиальная схема аппарата «Аэрофор» сохранилась до сих пор(см. рис. 2.3). современный РДА состоит из воздухопроводной воздухоподаваемой систем.

Воздухопроводная система включает лицевую часть, влагосборник, дыхательные шланги и клапаны, регенеративный патрон, холодильник, дыхательный мешок и избыточный клапан.

В воздухоподающую систему входят: контрольное устройство (индикатор), показывающий запас кислорода в аппарате, устройство дополнительной подачи кислорода, устройство основной подачи кислорода, запорное устройство и ёмкость для хранения кислорода (как правило, кислородный баллон).

Лицевая часть служит для соединения воздухопроводной системы РДА с органами дыхания человека. Совместно с лёгкими она составляет единую замкнутую систему «аппарат – органы дыхания», изолированная от окружающей среды. В этой замкнутой системе во время дыхания некоторый объём воздуха осуществляет переменное по направлению движение между двумя эластичными элементами: самыми лёгкими и дыхательным мешком 9. благодаря клапанам 5 и 6, это движение идёт по замкнутому кругу; выдыхаемый из лёгких воздух проходит в дыхательный мешок по ветке выдоха (1,3,5,7), а выдыхаемый воздух возвращается в лёгкие по ветке «вдоха» (8,6,4,1). Такая схема циркуляции воздуха обрела название «круговой».

При изобретении РДА, которые имеют небольшое время защитного действия (около 30 минут), применяется маятниковая схема дыхания, которая отличается от круговой тем, что в ней ветки вдоха и выдоха объединены в одно целое. В следствии этого:

1) увеличивается объём опасного пространства и, соответственно, содержание газа во вдыхаемом воздухе;

2) улучшается сорбция углекислого газа в регенеративном патроне за счет использования дополнительного поглощения углекислого газа во время вторичного прохождения воздуха через патрон.

Использование маятниковой схемы упрощает конструкцию аппарата. Кроме неё, это может быть полумаятниковая схема, отличающаяся от круговой присутствием клапана выдоха 5. её действие объясняется тем, что опора ветки выдоха, в состав которой входит регенеративный патрон с сорбентом, больше чем ветки вдоха.

В воздухопроводной системе происходит регенерация выдыхаемого воздуха, то есть газовый состав его обновляется до моловдыхаемого воздуха до попадания в лёгкие. Процесс регенерации состоит из двух фаз :

1) очистки выдыхаемого воздуха от углекислого газа;

2) добавления к нему кислорода.

Первая фаза регенерации воздуха осуществляется в регенеративном патроне (к стати, название «регенеративный патрон» недостаточно точно указывает его функции, поскольку в патроне процесс регенерации не заканчивается ). Выдыхаемый воздух очищается в регенеративном патроне, в следствии реакции хемосорбции углекислого газа тем или иным видом сорбента. Поскольку реакция поглощения углекислого газа, экзометрическая, из патрона в дыхательный мешок поступает нагретый воздух. В зависимости вида сорбента, воздух который проходит через регенеративный патрон, или осушается, или остаётся влажным. В последнем случае во время движения в элементах воздухопроводной системы выступает конденсат.

Вторая фаза регенерации воздуха происходит в дыхательном мешке, куда из кислородноподаваемой системы поступает кислород в объёме нечто большем от того, который потребляет человек. То, каким образом попадает в дыхательный мешок, обуславливается кислородоподачей конкретного РДА.

В воздухопроводной системе происходит так же конденсирование регенеративного воздуха. Оно включает в себя приведение его температурно- влажных параметров к уровню, который является необходимым для вдоха воздуха человеком. Как правило, конденсирование воздуха приводит к его охлаждению.

Дыхательный мешок в РДА выполняет ряд функций и представляет собой эластичную ёмкость для приёма выдыхаемого из лёгких и очищенного в регенеративном патроне воздуха, который потом поступает на вдох. Дыхательный мешок изготавливают резины или газонепроницаемой прорезиненной ткани. Для того чтобы обеспечить глубокое дыхание во время тяжёлой физической нагрузки и другие глубокие вдохи, как было отмечено в первом разделе, мешок должен иметь полезный объём не менее 5 литров. В мешке к воздуху, выходящему из регенеративного патрона, добавляется кислород. Мешок является сборником конденсата (при его необходимости). В нем также задерживается пыль сорбента, которая в небольшом количестве может проникнуть из регенеративного патрона. Кроме того, там осуществляется первичное охлаждение горячего воздуха, поступающего из регенеративного патрона, за счет теплоотдачи через стенки мешка в окружающую среду. И, наконец, дыхательный мешок управляет работой избыточного клапана 10 и лёгочного автомата (если он присутствует в аппарате).

Это управление может быть как прямым так и непрямым. При прямом управлении стенка дыхательного мешка непосредственно или через механическую передачу влияет на избыточный клапан или клапан лёгочного автомата.

При непрямом управлении эти клапаны открываются в следствии влияния на них непосредственных приёмные элементы (например, мембраны) давления или растворения которое происходит в дыхательном мешке во время его заполнения или опустошения.

Избыточный клапан 10 служит для удаления из воздухопроводной системы избыточной газовоздушной смеси и действует в конце выдохов. В случае, когда работа избыточного клапана управляется непрямым способом, возникает опасность потери части газовоздушной смеси РДА через клапан в результате надавливания на стенки дыхательного мешка. Чтобы избежать этого, мешок защищают жестким корпусом.

Холодильник 8 служит для понижения температуры выдыхаемого воздуха. Известны воздушные холодильники, действие которых основано на отдаче тепла через их стенки в окружающую среду, но более эффективны холодильники с хладоэлементом. Их действие основывается на использовании скрытой теплоты фазового превращения (водяной лёд, фосфорнокислый натрий, углекислый (сухой) лёд и др.). холодильник не является обязательным элементом конструкции РДА. Много дыхательных аппаратов не имеют его, а охлаждение нагретого в регенеративном патроне воздуха происходит в дыхательном мешке и шланге вдоха, а также как это имеет место быть в кип-8, в звуковом сигнале.

Варианты и модификации принципиальной схемы кислородоподающей системы РДА выделяются, в первую очередь, средством резервирования кислорода , реализованным в данном аппарате. По способу резервирования кислорода, реализованного в данном аппарате РДА, делятся на три группы:

- со сжатым кислородом;

- с жидким кислородом;

- с химически связанным кислородом.

Строение воздухопроводных систем в них может быть одинаковым, причем кислородоподающие системы существенно отличаются друг от друга.

В РДА (КИП) со сжатым воздухом в качестве резервуара для его хранения используется баллон с запорным вентилем.

Рабочее давление в баллоне составляет, как правило, 20МПа, но необходимо иметь в виду, что в баллонах, ёмкость которых менее 1литра, и начальное давление будет более меньшим. Так в аппарате КИП-5, который имел баллон ёмкостью 0,7 л., начальное давление не должно было превышать 15 МПа.

В современных РДА используется два способа для основной подачи кислорода:

- постоянная подача с расходом кислорода около 1,5 л/мин.;

- лёгочно-автоматическая подача, которая происходит короткими импульсами с расходом объёма кислорода 60-150 л/мин. в моменты опорожнения мешка и образования в нём соответствующего растворения.

Устройство для основной подачи кислорода включает редуктор, понижающий давление кислорода до 0,3-0,6 МПа и поддерживает его на постоянном уровне независимо от давления в баллоне, соединенный с редукционным клапаном дозирующий штуцер, предназначенный для постоянной подачи кислорода, и лёгочный (дыхательный) автомат, работающий на редукционном давлении кислород. Работой лёгочного автомата управляет дыхательный мешок прямым или непрямым способом.

Известные модели РДА без лёгочного автомата с увеличенной, а поэтому менее экономичной подачей кислорода (2-3 л/мин.).

Кроме того, есть модели РДА, в которых кислород подается только через лёгочный автомат. В некоторых подобных конструкциях лёгочный автомат заполняется кислородом высокого давления, который подаётся непосредственно из баллона.

Дополнительная подача кислорода осуществляется устройством, которое приводится в действие при необходимости вручную. Данное устройство называется ещё «аварийным клапаном» или байпасом (By-pass-обводной канал). Поскольку им пользуются для продувки воздухопроводной системы от собирающегося азота, и в аварийных случаях при нарушении нормального действия устройства основной подачи кислорода, то аварийный клапан может заполняться кислородом от баллона по другому каналу.

Для контроля запаса кислорода в баллоне служат: обычный манометр, размещаемый в поле зрения человека с помощью капиллярной металлической трубки. Поскольку эта трубка при работе может быть повреждена, чтобы избежать быстрой потери запаса кислорода, предусмотрено (в большинстве современных конструкций) перекрывное устройство капилляра, который приводится в действие вручную или автоматически.

Преимущества КИП со сжатым кислородом:

- достаточно бережный расход кислорода;

- высокое время защитного действия;

- постоянная готовность к использованию;

- возможность работы в аппарате периодично с выключением и периодичным включением, без потери общего времени защитного действия;

- маленький вес и небольшие габариты.

При работе в таких аппаратах значительно изменяется нормальное дыхание в результате:

- повышенного процентного содержания во вдыхаемом воздухе углекислого газа и кислорода, при чем количество последнего на протяжении работы способно к значительным колебаниям;

- повышение процентного содержания азота в системе противогаза;

- повышение температуры и влажности вдыхаемого воздуха;

- увеличенного _______ дыхания при замкнутом цикле противогаза.

К недостаткам следует отнести также:

- сложность строения и обслуживания;

- обязательный процесс обучения строению и обращению с аппаратом;

- зависимость времени работы от качества химического поглощения;

- особенно высокая стоимость.

Первые отечественные противогазы регенеративного типа были изготовлены на Орлово- Еленовской станции горноспасательного ---------- в 1925 году. В 1930 году был изобретен КИП-1, в 1939 году на основе модернизации КИП-3 был изобретен КИП-5, получивший широкое применение при тушении пожаров. В 1947 году производится КИП-7, а также РКК-2 (респираторы Ковшова и Кузьменко). В 1949 году был сконструирован новый тип противогаза Урал-1. с 1967 года промышленностью выпускались КИП-8. На вооружении пожарной охраны сейчас находится несколько типов изолирующих противогазов (КИП-8, Р-12, Р-30, РВЛ, Луганск 2М, Р-34, Р-35).

В пожарной охране наиболее широкое применение получили противогазы регенеративные с подачей сжатого кислорода в систему через систему клапанов и редукторов с поглощением углекислого газа, работающих по круговой (замкнутой) схеме дыхания. В противогазах этого типа выдыхаемый воздух, содержащий большое количество кислорода, не выбрасывается в атмосферу, а обновляется и повторно используется для дыхания. В регенеративном противогазе дыхание производится по замкнутому циклу, изолированному от окружающей среды. время работы в агрегате зависит от количества и особенностей химпоглотителя регенеративного патрона. запаса кислорода в баллоне.

В РДА с жидким кислородом сжиженный газ содержится в металлическом резервуаре, стенки которого снаружи покрыты слоем изолирующего материала, не теряющего своих способностей при низкой температуре. В РДА свойственно запорное устройство, байпас и индикатор, а устройство для основной подачи кислорода представляет собой обычный канал, соединяющий резервуар с дыхательным мешком. Сжиженный кислород заливается в резервуар непосредственно перед началом работы, после чего на протяжении всего времени защитного действия он испаряется (газифицируется) и поступает в воздухопроводную систему.

Резервуар расположен таким образом, что исключается попадание жидкой фазы в воздухопроводную систему. Для этого он заполняется обожженной асбестовой ватой, задерживающей жидкий газ в адсорбированном состоянии.

Из одного литра жидкого кислорода образуется 850 литров газообразования. Это в 4 раза больше чем можно получить из 1 литра сжатого кислорода при давлении 20 МПа. Масса резервуара для жидкого кислорода меньше чем баллона для сжатого газа, поскольку полученный газ в РДА- аппарате содержится при давлении, которое близко к атмосферному. Поэтому образуется значительный запас газа при значительно маленьком объёме резервуара и его небольшой массе.

Жидкий кислород используется не только для обеспечения дыхания, но и как хладоэлемент. Он имеет температуру кипения -183 градуса Цельсия. Для газификации 1 кг жидкого кислорода необходимо затратить 213 кДж тепла, а потом для нагревания до +20 градусов Цельсия, чтобы образовалось 750 литров газа – ещё 185 кДж. Определённый запас «холода», который содержится в сжиженном кислороде, используется для кондиционирования воздуха в аппарате и образования комфортных микроклиматических условий дыхания. В большинстве конструкций для кондиционирования используют только запас холода, содержащегося в кислороде, который испарился. Оно осуществляется путём его смешивания с воздухом, выходящим из регенеративного. Холодильник в воздухопроводной системе отсутствует.

В таких аппаратах скорость газификации кислорода зависит только от интенсивности теплового потока, проникающего в резервуар через пространство теплоизоляции стенок. Она мало зависит от температуры окружающей среды в том диапазоне, в котором используется аппарат, и не зависит от интенсивности выполняемой физической работы. Поэтому время защитного действия аппарата, при каких- либо условиях постоянное. Оно определяется с момента заправки в резервуар жидкого кислорода и контролируется газодымозащитником по часам.

К РДА такого типа относятся аппараты «Аэрофор», «Эренчен», «Аэрорлокс», которые выпускаются в Великобритании, и советский «Комфорт».

Для получения значительного охладительного эффекта расчетная скорость испарения и поступления жидкого кислорода в воздухопроводную систему должна превышать нуждаемость человека в кислороде в 4-10 раз. При таком режиме избыточный клапан в аппарате работает при окончании каждого выдоха. В результате этого, в атмосферу выделяется 40- 90 процентов газовоздушной смеси от объёма кислорода, который поступил. Избыточный клапан устанавливают к регенеративному патрону, чтобы через него выделить часть выдыхаемого воздуха (около 4 %) и тем самым частично разгрузить регенеративный патрон. Такая подача кислорода в систему позволила отказаться от лёгочного автомата и байпаса.

Эксплуатационные особенности практически соответствуют особенностям эксплуатации резервуарных аппаратов на жидком воздухе.

Позитивные качества:

- оптимальные микроклиматические условия дыхания как при нормальной так и при высокой температуре окружающей среды;

- простота и надёжность конструкции.

Недостатки:

- необходимость снаряжения кислородом непосредственно перед использованием;

- необходимость использования всего времени защитного действия сразу.

В РДА с химически связанным кислородом (см. 2.4.) последний содержится в гранулированном продукте на базе супероксидов ----- металлов и выделяется во время реакции поглощения продуктов углекислого газа и водяных паров, которые имеют место в выдыхаемом воздухе. Основным продуктом, содержащим кислород, оснащается регенеративный патрон РДА, при прохождении через который выдыхаемый воздух целиком регенерируется. Процесс регенерации включает две фазы: поглощение углекислого газа (и влаги) со своевременным добавлением выделившегося кислорода. В регенеративном патроне происходит экзотермическая реакция, в результате которой продукт при тяжёлой физической нагрузке разогревается до 400⁰С. Вследствие того, что выделение кислорода продуктом пропорционально поглощению ним углекислого газа, аппарат обеспечивает бережную трату имеющегося запаса кислорода.

Кислородоподающая система отсутствует. Вместо неё в большинстве аппаратов является пусковое устройство для подачи в воздухопроводную систему небольшой порции дополнительного кислорода, когда продукт не разогрелся, и кислородовыделение осуществляется недостаточно активно.

Позитивные качества:

- простота конструкции;

- маленький вес;

- бережная трата кислорода.

Недостатки:

- относительность надёжной конструкции индикатора степени отработанности продукта, содержащего кислород (фактическое время защитного действия составляет на 20% больше гарантированного);

- невозможность осуществления продолжительных перерывов во время работы;

- большой ______ дыхания;

- высокая стоимость эксплуатации.