Фактическое время защитного действия противогаза

Таблица 4.2

 

 

 

 

 

Наименование показателя	При относи­тельном покое (2-й режим)	При работе
средней тяжести (5-й режим)	тяжелой (10-й режим)	очень тяжелой (15-й режим)
	Легочная вентил	яция, дм^/мин
12,5
Фактическое ВЗД по отноше­нию к условному ВЗД при со­ответствующей температуре окружающей среды, %, не ме­нее:
минус (40±2)°С	-			-
(25±1)°С
(40±1)°С	-			-
(60±2)°С	-		-	-

Лицевая часть, в качестве которой используется маска, служит для присоединения воздуховодной системы аппарата к органам дыхания человека. Воздуховодная система совместно с легкими составляет единую замкнутую систему, изолированную от окружающей среды. В этой замкнутой системе при дыхании, определенный объем воздуха совершает переменное по направлению движение между двумя эластичными элементами: самими легкими и дыхательным мешком. Благодаря клапанам указанное движение происходит в замкнутом циркуля­ционном контуре: выдыхаемый из лег­ких воздух проходит в дыхательный ме­шок по ветви выдоха (лицевая часть 1, шланг выдоха 3, клапан выдоха 5, регенеративный патрон 7), а вдыхае­мый воздух возвращается в легкие по ветви вдоха (холодильник 8, клапан вдоха 6, шланг вдоха 4, лицевая часть 1). Такая схема движения воздуха по­лучила название круговой.

Рис. 4.1. Принципиальная схема кислородного изолирующего противогаза

В воздуховодной системе про­исходит регенерация выдыхаемого воздуха, т.е. восстановление газового состава, который имел вдыхаемый воздух до поступления в легкие. Про­цесс регенерации состоит из двух фаз: очистки выдыхаемого воздуха от избытка углекислого газа и добавле­ния к нему кислорода.

Первая фаза регенерации воз­духа происходит в регенеративном

патроне. Выдыхаемый воздух очищается в регенеративном патроне в резу­льтате реакции хемосорбции от избытка углекислого газа сорбентом. Реак­ция поглощения углекислого газа экзотермическая, поэтому из патрона в дыхательный мешок поступает нагретый воздух. В зависимости от вида сорбента проходящий по регенеративному патрону воздух также либо осу­шается, либо увлажняется. В последнем случае при дальнейшем его дви­жении в элементах воздуховодной системы выпадает конденсат.

Вторая фаза регенерации воздуха происходит в дыхательном мешке, куда из кислородоподающей системы поступает кислород в объеме, нес­колько большем, чем потребляет его человек, и определяемом способом кислородопитания данного типа КИП.

В воздуховодной системе КИП происходит также кондиционирова­ние регенерированного воздуха, которое заключается в приведении его температурно-влажностных параметров к уровню, пригодному для вды­хания воздуха человеком. Обычно кондиционирование воздуха сводится к его охлаждению.

Дыхательный мешок выполняет ряд функций и представляет собой эластичную емкость для приема выдыхаемого из легких воздуха, посту­пающего затем на вдох. Он изготовляется из резины или газонепроницаемой прорезиненной ткани. Для того, чтобы обеспечить глубокое дыхание при тяжелой физической нагрузке и отдельные глубокие выдохи, мешок имеет полезную вместимость не менее 4,5 л. В дыхательном мешке к выходящему из регенеративного патрона воздуху добавляется кислород. Дыхательный мешок является также сборником конденсата (при его наличии), в нем также задерживается пыль сорбента, которая в небольшом количестве мо­жет проникать из регенеративного патрона, происходит первичное охлаж­дение горячего воздуха, поступающего из патрона, за счет теплоотдачи через стенки мешка в окружающую среду. Дыхательный мешок управляет работой избыточного клапана и легочного автомата. Это управление может быть прямым и косвенным. При прямом управлении стенка дыхательного мешка посредственно или через механическую передачу воздействует на избыточный клапан (рис. 4.1) или клапан легочного автомата. При кос­венном управлении указанные клапаны открываются от воздействия на их собственные воспринимающие элементы (например, мембраны) давле­ния или разрежения, создающихся в дыхательном мешке при его запол­нении или при опорожнении.

Избыточный клапан служит для удаления из воздуховодной систе­мы избытка газовоздушной смеси и действует в конце выдохов. В случае, если работа избыточного клапана управляется косвенным способом, воз­никает опасность потери части газовоздушной смеси из дыхательный аппа­рата через клапан в результате случайного нажатия на стенку дыхательного мешка. Для предотвращения этого мешок размещают в жестком корпусе.

Холодильник служит для снижения температуры вдыхаемого воз­духа. Известны воздушные холодильники, действие которых основано на отдаче тепла через их стенки в окружающую среду. Более эффективны

холодильники с хладагентом, действие которых основано на использо­вании скрытой теплоты фазового превращения. В качестве плавящегося хладагента используют водяной лед, фосфорнокислый натрий и другие вещества. В качестве испаряющегося в атмосферу — аммиак, фреон и др. Используется также углекислотный (сухой) лед, превращающийся сразу из твердого состояния в газообразное. Существуют холодильники, снаря­жаемые хладагентом только при работе в условиях повышенной темпера­туры окружающей среды.

Принципиальная схема (рис. 4.1) является обобщающей для всех групп и разновидностей современных КИПов. Рассмотрим различные ее варианты и модификации.

В различных моделях КИП применяются три схемы циркуляции воз духа в воздуховодной системе: круговая (рис. 4.1), маятниковая и полумаятниковая. Главное достоинство круговой схемы — минимальный; объем вредного пространства, в который входит помимо объема лицевой части лишь небольшой объем воздуховодов в месте соединения ветвей вдоха и выдоха.

Маятниковая схема отличается от круговой тем, что в ней ветви вдоха и выдоха объединены и воздух по одному и тому же каналу движется попеременно (как маятник) из легких в дыхательный мешок, а затем в обрат­ном направлении. Применительно к круговой схеме (рис. 4.1) это означает, что в ней отсутствуют дыхательные клапаны 5 и 6, шланг 4 и холодильник 8 (в некоторых аппаратах холодильник помещают между регенеративным патроном и лицевой частью). Маятниковую схему циркуляции применяют преимущественно в КИП с небольшим временем защитного действия (в самоспасателях) с целью упрощения конструкции аппарата. Второй причиной использования такой схемы является улучшение сорбции углекислого газа в регенеративном патроне и использовании для этого дополнительного его поглощения при вторичном прохождении воздуха через патрон.

Маятниковая схема циркуляции воздуха отличается увеличении объемом вредного пространства, в которое помимо лицевой части входят дыхательный шланг, верхняя воздушная полость регенеративного патрона (над сорбентом), а также воздушное пространство между отработавшими зернами сорбента в верхнем (лобовом) его слое. С возрастанием высоты отработанного слоя сорбента объем указанной части вредного пространства увеличивается. Поэтому для КИП с маятниковой циркуляцией характерно повышенное содержание углекислого газа во вдыхаемом воздухе по сравнению с круговой схемой. С целью уменьшения объема вредного пространства до минимума сокращают длину дыхательного шланга, что возможно лишь для КИП, расположенных в рабочем положении на груди человека.

Полумаятниковая схема отличается от круговой отсутствием клапана выдоха 5 (рис. 4.1). При выдохе воздух движется через шланг выдоха 3 и регенеративный патрон 7 в дыхательный мешок 9 так же, как в круговой схеме. При вдохе основная часть воздуха поступает в лицевую часть 1 через холодильник 8, клапан вдоха 6 и шланг вдоха 4, а некоторый его объем

проходит через регенеративный патрон 7 и шланг 3 в обратном направлении. Поскольку сопротивление ветви выдоха, содержащей регенеративный патрон с сорбентом, больше, чем ветви вдоха, по ней в обратном направ­лении проходит меньший объем воздуха, чем по ветви вдоха.

Известны КИП с круговой схемой циркуляции воздуха, в которых кроме основного дыхательного мешка 9 (рис. 4.1), имеется дополнительный мешок, расположенный между клапаном вьщоха 5 и регенеративным патроном 7. Этот мешок служит для уменьшения сопротивления выдоху за счет "сглаживания" пикового значения объемного расхода воздуха.

В начале прошлого столетия были широко распространены аппараты с принудительной циркуляцией воздуха через регенеративный патрон. Они имели два дыхательных мешка и инжектор, питавшийся сжатым кислородом из баллона и просасывавшим воздух через регенеративный патрон из первого мешка во второй. Такое техническое решение было вызвано тем, что в то время регенеративные патроны имели высокое сопротивление потоку воздуха. Принудительная же циркуляция позволяла существенно снизить сопротив­ление выдоху. В дальнейшем инжекторные аппараты не получили распрос­транения из-за следующих недостатков: сложность конструкции, создание в воздуховодной системе зоны разрежения, способствующей засасыванию в аппарат наружного воздуха. Решающим доводом в отказе от использования инжекторных аппаратов явилось создание более совершенных регенеративных патронов с низким сопротивлением. В период применения инжекторных аппаратов и после отказа от них все другие КИП называли устаревшим терми­ном "легочно-силовые дыхательные аппараты".

Холодильник обязательным элементом КИП. Многие модели уста­ревшие КИП не имеют его, а охлаждение нагретого в регенеративном патроне воздуха происходит в дыхательном мешке и шланге вдоха. Известны воздушные (или иные) холодильники, расположенные после регенератив­ного патрона, в дыхательном мешке или составляющие с ним единое конструктивное целое. К последней модификации относится и так назы­ваемый "железный мешок", или "мешок наизнанку", представляющий со­бой герметичный металлический резервуар, являющийся корпусом КИП, внутри которого находится эластичный (резиновый) мешок с горловиной, сообщающийся с атмосферой. Эластичной емкостью в которую поступает воздух из регенеративного патрона, в этом случае является пространство между стенками резервуара и внутреннего мешка. Такое техническое реше­ние отличается большой поверхностью резервуара, служащего воздушным холодильником, и значительной эффективностью охлаждения. Известен также комбинированный дыхательный мешок, одна из стенок которого одновременно является крышкой ранца КИПа — воздушным холодиль­ником. Дыхательные мешки, объединенные с воздушными холодильни­ками, из-за сложности конструкции, не компенсируемой достаточным охлаждающим эффектом, в настоящее время распространения не имеют.

Избыточный клапан может быть установлен в любом месте возду­ховодной системы за исключением зоны, в которую непосредственно пос-

тупает кислород. Однако управление открыванием клапана (прямое или косвенное) должно осуществляться дыхательным мешком. В случае, если поступление кислорода в воздуховодную систему значительно превышает его потребление человеком через избыточный клапан в атмосферу выходит большой объем газа, поэтому целесообразно устанавливать указанный кла­пан до регенеративного патрона, чтобы уменьшить нагрузку на патрон по углекислому газу. Место установки избыточного и дыхательных клапанов в конкретной модели аппарата выбирается из конструктивных соображений. Имеются КИП, в которых в отличие от схемы (рис. 4.1) дыхательные клапаны установлены в верхней части шлангов у соединительной коробки. В этом случае несколько увеличивается масса элементов аппарата, прихо­дящаяся на лицо человека.

Варианты и модификации принципиальной схемы кислородопо-дающей системы КИП предопределяются в первую очередь способом резер­вирования кислорода, реализованным в данном аппарате.

4.1.1. Особенности работы КИП с различными способами резервирования кислорода

По способу резервирования кислорода КИП делят на три группы: со сжатым, жидким и химически связанным кислородом. Устройство возду-ховодных систем у них может быть одинаковым, кислородоподающие же системы существенно отличаются друг от друга.

В аппарате со сжатым кислородом в качестве резервуара для его хранения используется стальной баллон 15 с запорным вентилем 14 (рис. 4.1). Рабочее давление в баллоне составляет обычно 20 МПа. В современ­ных аппаратах применяются два способа для основной подачи кислорода: постоянная подача с объемным расходом около 1,5 л/мин (НУ) и легоч-но-автоматическая подача, осуществляемая короткими импульсами с объ­емным расходом 60-150 л/мин (РУ) в моменты опорожнения дыхатель­ного мешка и создания в нем соответствующего разрежения. Устройство для основной подачи кислорода включает редукционный клапан, снижаю­щий давление кислорода до 0,30,5 МПа и поддерживающий его на пос­тоянном уровне независимо от давления в баллоне, соединенный с редук­ционным клапаном дозирующий штуцер (дроссель), предназначенный для осуществления подачи кислорода, и легочный автомат, работающий на редуцированном давлении кислорода и управляемый дыхательным меш­ком прямым или косвенным способом.

Известны модели КИП без легочного автомата с увеличенной, а потому менее экономной подачей кислорода (23 л/мин).

Известны также модели, в которых кислород подается только через легочный автомат. В некоторых подобных конструкциях легочный автомат питается кислородом высокого давления, подаваемым непосредственно от баллона.

Дополнительная подача кислорода осуществляется устройством 12 (рис. 4.1), приводим в действие при необходимости вручную. Данное устройство называется еще аварийным клапаном или байпасом (от англий­ского слова "By-pass", обозначающего обводной канал). Им пользуются для продувки воздуховоднои системы от скопившегося азота и в аварийных случаях при нарушении нормального действия устройства основной подачи кислорода. Поэтому аварийный клапан питается кислородом от баллона по отдельному каналу. В КИП с небольшим временем защитного действия байпас может отсутствовать или питаться непосредственно от редукцион­ного клапана, либо же быть объединенным с легочным автоматом и при­водиться в действие нажатием на кнопку, механически связанную с клапа­ном легочного автомата,

В аппаратах со сжатым кислородом для контроля его запаса в бал­лоне служит обычный манометр. В аппаратах, находящихся в рабочем поло­жении на спине человека, манометр размещен в поле зрения человека при помощи металлической капиллярной трубки, свернутой в спираль и защищенной от механических повреждений прорезиненным шлангом. По­скольку эта трубка при работе может быть повреждена, во избежание быстрой потери запаса кислорода рекомендуется применять перекрывное устройство капилляра, приводимое в действие вручную или автоматически.

Кислородные изолирующие противогазы со сжатым кислородом благодаря своим принципиальным особенностям и преимуществам по срав­нению с другими группами получили в настоящее время наибольшее рас­пространение. К этим особенностям относятся: достаточно экономное рас­ходование запаса кислорода; высокое удельное время защитного действия; благоприятные условия дыхания; постоянная готовность к применению; возможность работы в аппарате отдельными периодами, с выключением и последующим включением, без потери общего времени защитного дейст­вия. Манометр в этих аппаратах является идеальным индикатором, в любой момент работы достоверно фиксирующим остаток кислорода, что невоз­можно осуществить ни в одной модели КИП, относящейся к другим груп­пам. Наконец, накоплен богатый опыт разработки, промышленного выпус­ка и применения аппаратов со сжатым кислородом, благодаря чему их конструкция достаточно совершенна и весьма надежна.

В аппаратах с жидким кислородом сжиженный газ хранится в ме­таллическом резервуаре 15 (рис. 4.1), стенки которого снаружи покрыты слоем теплоизолирующего материала, не теряющего своих свойств, при низкой температуре. В аппарате отсутствует запорное устройство 14 резер­вуара, байпас 12 и индикатор 7, а устройство для основной подачи кисло­рода 13 представляет собой обыкновенный канал, соединяющий резервуар с дыхательным мешком 9. Сжиженный кислород заливается в резервуар непосредственно перед началом, работы в аппарате, после чего в течение всего времени защитного действия он испаряется (газифицируется) и пос­тупает в воздуховодную систему. Резервуар устроен таким образом, при котором исключается попадание жидкой фазы в воздуховодную систему

аппарата. Для этого он заполняется прокаленной асбестовой ватой, которая удерживает сжиженный газ в адсорбированном состоянии.

Из 1 л жидкого кислорода образуется 850 л (НУ) газообразного. Это в четыре раза больше чем можно получить из 1 л газообразного сжатого кислорода при давлении 20 МПа. Масса резервуара для жидкого кислорода, меньше, чем баллона для сжатого газа, поскольку сжиженный газ в аппарате хранится при давлении, близком к атмосферному. Поэтому в КИПах с жидким кислородом создается значительный запас газа при отно­сительно малом объеме резервуара и его небольшой массе.

Жидкий кислород в КИП используется не только для обеспечения дыхания, но также как холодильный агент. Он имеет температуру кипе­ния 183°С. Для газификации 1 кг жидкого кислорода нужно затратить 213 кДж тепла, а затем для нагревания до 20°С образовавшихся 750 л (НУ) газа — еще 185 кДж тепла. Указанный запас "холода", содержащийся в сжиженном кислороде, используется для кондиционирования воздуха в КИП и создания комфортных микроклиматических условий дыхания. В более простых конструкциях для кондиционирования используют лишь запас "холода", содержащийся в уже испарившемся кислороде путем сме­шения его с воздухом, выходящим из регенеративного патрона. Холоди­льник 8 в воздуховодной системе (рис. 4.1) в этом случае отсутствует. В таких аппаратах скорость газификации кислорода зависит лишь от интен­сивности теплового потока, проникающего в резервуар через слой тепло­изоляции стенок, мало зависит от температуры окружающей среды в том ее диапазоне, в котором применяются аппараты, и не зависит от интен­сивности выполняемой физической работы. Поэтому время защитного действия аппарата при любых условиях постоянно, исчисляется с момента заливки в резервуар жидкого кислорода и контролируется респираторщи-ком по часам. К аппаратам такого типа относятся выпускавшиеся в Велико­британии аппараты "Аэрофор", "Эренчен" и отечественный "Комфорт". В более сложных аппаратах, таких как "Аэрорлокс" (Великобритания), для кондиционирования используется часть скрытого тепла превращения жид­кой фазы кислорода в газообразную. Для этого холодильник выполнен как единое целое с резервуаром. В результате дополнительного охлаждения на металлических стенках холодильника, по другую сторону которых испа­ряется сжиженный кислород, происходит конденсация влаги, содержа­щейся в газовоздушной смеси, и на вдох поступает охлажденный и подсу­шенный воздух. В таком аппарате скорость испарения кислорода увеличи­вается с ростом физической нагрузки.

Для получения значительного охлаждающего эффекта в КИП с жид­ким кислородом расчетная скорость его испарения и поступления в возду-ховодную систему должна превышать потребность человека в кислороде в 4... 10 раз. При таком режиме избыточный клапан в аппарате работает в конце каждого выдоха, в результате чего в атмосферу удаляется 40...90% газовоздушной смеси от объема поступающего кислорода. Избыточный клапан устанавливают до регенеративного патрона, чтобы через него уда-

лять часть выдыхаемого воздуха, содержащего около 4% углекислого газа, и тем самым частично разгружать регенеративный патрон. Такая подача кислорода в систему позволила отказаться от легочного автомата и байпаса и тем самым упростить конструкцию аппарата.

Главные достоинства КИП с жидким кислородом заключаются в обеспечении оптимальных микроклиматических условий дыхания как при нормальной, так и при высокой температуре окружающей среды, а также в простоте и надежности конструкции. К недостаткам таких аппаратов относятся необходимость их снаряжения запасом кислорода непосредст­венно перед применением и сразу же обязательное использование всего времени защитного действия. Такой способ подготовки аппарата к работе неприемлем при выезде на пожары первых подразделений. Однако он при­емлем при ликвидации затянувшихся пожаров и особенно при произ­водстве работ в условиях высокой температуры.

Для обеспечения нормальной эксплуатации подобных аппаратов в пожарных частях, должен храниться и периодически пополняться запас жидкого кислорода в специальной емкости с вакуумной термоизоляцией; необходимы дьюаровские сосуды для транспортировки кислорода на по­жар, т.е. должно быть специализированное и хорошо организованное крио­генное хозяйство, аналогичное имеющемуся баллонно-компрессорному хозяйству для обслуживания дыхательный КИП со сжатым кислородом.

По этим причинам КИП с жидким кислородом до настоящего вре­мени не получили широкого распространения. В СССР в 1968 г. была выпу­щена опытная партия аппаратов с жидким кислородом "Комфорт", конст­рукция которого обеспечивает высокую надежность в работе и создает благоприятные микроклиматические условия дыхания в аппарате. За рубе­жом на горноспасательных станциях, имеющих установки для сжижения кислорода, применяют в основном аппарат "Аэрорлокс", серийно выпус­каемый в Великобритании.

В аппаратах с химически связанным кислородом последний содер­жится в гранулированном продукте на базе супероксидов щелочных мета­ллов и выделяется при реакции поглощения продуктом углекислого газа и водяных паров, присутствующих в выдыхаемом воздухе. Указанным кис-лородосодержащим продуктом снаряжается регенеративный патрон аппа­рата, при прохождении через который выдыхаемый воздух полностью реге­нерируется. Процесс регенерации включает две фазы: поглощения угле­кислого газа (и влаги) и добавления выделившегося кислорода. В регене­ративном патроне происходит экзотермическая реакция, в результате ко­торой продукт при тяжелой физической нагрузке разогревается до 400°С. Так как выделение кислорода продуктом пропорционально поглощению им углекислого газа, аппарат обеспечивает экономное расходование имею­щегося запаса кислорода.

Схема воздуховодной системы аппарата такого типа соответствует схеме, показанной на рис. 4.2, или ее модификациям. Кислородоподающая система отсутствует. Вместо нее в большинстве аппаратов имеется пусковое

устройство для подачи в воздуховодную систему небольшой порции допол­нительного кислорода в начальный период работы, когда продукт еще не разогрелся и кислородовыделение происходит недостаточно активно. В ка­честве источника кислорода в пусковом устройстве обычно используется небольшой брикет химического вещества, выделяющего кислород при разложении. В КИП с временем защитного действия 4 ч и более может быть установлено несколько пусковых устройств для включения в аппарат в начале работы, а затем после кратковременных перерывов. Длительные перерывы в работе (более 1 ч) в аппаратах подобного типа недопустимы, так как после охлаждения разогретого кислородосодержащего продукта процесс выделения им кислорода резко замедляется.

Одна из модификаций воздуховодной системы КИП с химически связанным кислородом, широко применяемая в самоспасателях, пока­зана на рис. 4.2.

Циркуляция воздуха в нем осуществляется по маятниковой схеме: выдыхаемый воздух через лицевую часть, тепловлагообменник, дыхатель­ный шланг, регенеративный патрон с фильтром поступает в дыхательный мешок. При вдохе воздух движется в обратном направлении. Регенерация его происходит частично при поступлении воздуха через патрон в прямом направлении и завершается при прохождении его в обратном направлении. Избыток воздуха удаляется из системы в конце выдохов через избыточный клапан. Пусковое устройство в начале работы выделяет в систему кислород в количестве, достаточном для заполнения дыхательного мешка. Оно при­водится в действие автоматически при вскрытии самоспасателя.

Выдыхаемый воздух (рис. 4.2) от лицевой части противогаза по шлан­гу направляется в регенеративный патрон, снаряженный смесью перекисей щелочных металлов (калия, натрия, лития, цезия и др.). В регенеративном патроне протекает полный цикл регенерации воздуха, т. е. поглощается углекислый газ и влага и выделяется необходимый для дыхания кислород.

Этот процесс описывается уравнениями химических реакций, основные из которых приведены ниже:

2КО₂ + СО₂ = К₂СО₃ + 3/2 О₂ + 180 кДж/моль;

2КО₂ + Н₂О = 2КОН + 3/2 О₂ + 39 кДж/моль;

2КОН + СО₂ = К₂СО₃ + Н₂О + 141 кДж/моль;

КОН + Н₂О = КОН • Н₂О + 84 кДж/моль;

КОН + 2Н₂О = КОН • 2Н₂О + 142 кДж/моль.

Регенерированный воздух поступает далее в дыхательный мешок. При вдохе воздух из дыхательного мешка вновь проходит через регенера­тивный патрон, очищаясь вторично, и по шлангу поступает в легкие чело­века. Данная схема дыхания является маятниковой.

Особенность КИП с химически связанным кислородом — значитель­ное нагревание и осушение регенерированного воздуха, в результате чего, если не принять специальных мер для его кондиционирования, то на вдох поступит горячий и сухой воздух. Выходящий из регенеративного патрона воздух имеет большой температурный перепад с окружающей средой и вслед-

Рис. 4.2. Схема КИП с химически связанным кислородом: 1 —лицевая часть; 2 — шланг дыхательный; 3 — устройство пусковое; 4 — мешок дыхательный; 5 — клапан избыточный; 6 — патрон регенеративный; 7 — фильтр; 8 — тепловлагообменник

ствие малого содержания водяных паров обладает низкой удельной эн­тальпией. Он быстро охлаждается за счет отдачи тепла в окружающую сре­ду и поэтому в аппаратах с химически связанным кислородом обдув окру­жающим воздухом регенеративного патрона и элементов воздуховоднои системы, по которым поступает горя­чий воздух, и применение воздушных холодильников дают хороший конди­ционирующий эффект. Возможности охлаждения горячего воздуха в изоли­рующих самоспасателях ограничены в связи с их небольшими размерами и необходимостью надежной защиты регенеративного патрона от механи­ческих повреждений. Кроме того, при циркуляции воздуха по маятниковой схеме он нагревается вновь при втором проходе через регенеративный патрон. Поэтому температура вдыхаемого воз­духа в самоспасателях с химически связанным кислородом выше, чем в аналогичных КИП.

Благодаря значительному осушению воздуха в процессе регенерации его последующее охлаждение позволяет создать в дыхательный аппарате с химически связанным кислородом благоприятные микроклиматические условия дыхания. Несмотря на наличие в регенеративном патроне зоны, имеющей температуру 300...400°С, удельная энтальпия вдыхаемого воздуха в этих дыхательный аппаратах примерно такая же, как в аппаратах с жидким кислородом. Это было подтверждено и при исследованиях эксперимента­льных образцов аппаратов.

Оптимизация влажности вдыхаемого воздуха достигается путем частичного тепловлагообмена между регенерированным в аппарате сухим воздухом и выдыхаемым, насыщенным водяными парами. Сущность тепло­влагообмена в дыхательном шланге при маятниковой схеме движения воз­духа по нему и в лицевой части заключается в смешении части выдыхаемого воздуха с воздухом, поступающим из аппарата на вдох. В результате сме­шения снижается температура вдыхаемого воздуха и повышается его влаго-содержание. С другой стороны, одновременно снижается влагосодержание воздуха, поступающего в регенеративный патрон, что благоприятно ска­зывается на его действии.

Более интенсивно процесс обмена происходит в специальном тепло-влагообменнике 8 (рис. 4.2), в который помещена насадка из металлической

сетки, фольги или стружки. Более эффективна насадка из гранулированного силикагеля, который сорбирует некоторое количество влаги из выдыхае­мого воздуха, а затем десорбирует ее при последующем вдохе. Тепловла-гообменник такого типа может быть применен и при круговой схеме цир­куляции воздуха. Однако кондиционирующая способность такого тепловла-гообменника ограничена из-за малого его объема. Увеличение же объема теплообменника недопустимо из-за роста вредного пространства воздухо-водной системы. Поэтому изыскиваются и другие способы оптимизации влажности вдыхаемого воздуха.

К достоинствам КИП с химически связанным кислородом относятся простота конструкции, экономное расходование кислорода и особенно создание благоприятных микроклиматических условий для дыхания. При их применении исключается необходимость иметь в подразделении бал-лонно-компрессорное или криогенное хозяйство.

Существенным недостатком таких КИП является отсутствие надежно конструкции индикатора степени отработки кислородосодержащего про­дукта, усугубляемое принципиальными трудностями его создания. Вместо индикатора респираторщик вынужден пользоваться часами для определе­ния степени использования и момента окончания гарантированного вре­мени защитного действия аппарата, которое устанавливается для средней физической нагрузки. Поскольку человек не может субъективно количест­венно оценить тяжесть выполняемой аварийно-спасательной работы, а она иногда может быть несколько выше средней, фактическое время за­щитного действия устанавливают на 20% выше гарантированного. Из сооб­ражений безопасности использовать указанный запас защитной способ­ности не разрешается, в том числе и при легкой работе. Поэтому отсутствие индикатора обесценивает упомянутое достоинство данного способа резер­вирования кислорода — возможность экономного расходования его запаса.

В качестве индикатора степени отработки кислородосодержащего продукта может быть использован малогабаритный газовый счетчик, уста­новленный на ветви выдоха (или вдоха) воздуховодной системы. Принцип действия такого индикатора основывается на использовании закономер­ности газообмена человека, согласно которой выделение углекислого газа пропорционально легочной вентиляции. Однако у различных людей наблю­даются отклонения этого соотношения от среднего значения до 20%. С учетом погрешности самого счетчика погрешность определения степени отработки продукта может доходить до 25%. Перспективность применения такого индикатора нуждается в дальнейшем изучении, поскольку других методов индикации до настоящего времени не предложено.

К недостаткам КИП с химически связанным кислородом относят­ся также невозможность осуществления длительных перерывов в работе, большее сопротивление дыханию, чем в аппаратах со сжатым кислородом, высокая стоимость эксплуатации.

В СССР, предпринимались попытки создания для горноспасатель­ной службы аппарата с химически связанным кислородом со временем

защитного действия не менее 4 ч. Они завершились созданием опытных образцов дыхательный аппаратов РХ-1 и РТ-66, которые подтвердили техническую возможность решения этого вопроса. В обоих образцах были установлены индикаторы степени отработки кислородосодержащего про­дукта в виде малогабаритных анемометрических газовых счетчиков. Известна также модель аппарата с химически связанным кислородом "Кемокс" (США) с временем защитного действия 1 ч.

В угольной промышленности нашей страны широко используются изолирующие самоспасатели с химически связанным кислородом ШС-7М, ШСС-1 и ШСМ-1. Ими оснащены горнорабочие на всех шахтах, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа, и значительном числе шахт, опасных по газу. Респираторами и самоспасателями ШСМ-2 оснащались вспомогательные горноспасательные команды.

Для обеспечения безопасности людей, при пожарах и проведении аварийно-спасательных мероприятий широко применяются самоспасатели СПИ-20 и СПИ-50.

За рубежом были разработаны изолирующие самоспасатели с хими­чески связанным кислородом аналогичного назначения: "Окси СР 60", "Оксибокс К" фирмы "Драгерверк" (Германия); ССР 120", "ССР 30/100" фирмы "Ауэргезельшафт" (Германия); "Спираль-1" и "Спираль-2" фирмы "Фензи" (Франция).

Известна мало распространенная группа КИП с химически связан­ным кислородом, которые основаны на его резервировании в твердых брикетах продолговатой цилиндрической формы, изготовленных на базе берталетовой соли. Брикеты получили название хлоратных свечей. Прин­цип их действия подобен таковому для брикетов пускового устройства 3 (рис 4.2). Кислород выделяется из брикета в результате реакции разложения бертолетовой соли, проходящей при температуре 350-400°С. Для запуска брикет имеет специальное зажигательное приспособление, после приве­дения в действие которого реакция идет с постоянной скоростью до полного исчерпания запаса кислорода. Указанный брикет заменяет всю кислородоподающую систему. Подача кислорода выбирается заведомо боль­шей, чем максимальное потребление его человеком при тяжелой физичес­кой работе. Легочный автомат и байпас в противогазах подобного типа отсутствуют.

Главным достоинством таких аппаратов являются простота и надеж­ность кислородоподающеи системы, состоящей из единственного элемента — хлоратной свечи. Существенный недостаток — невозможность их испо­льзования во взрывоопасной среде. Кроме того, несмотря на значительный общий запас кислорода в хлоратной свече, в связи с неэкономным его расходованием удельное время защитного действия этих аппаратов ниже, чем аппаратов со сжатым кислородом.

В России КИП с хлоратными свечами не применяют. За рубежом известна лишь одна модель аппарата подобного типа — изолирующий самоспасатель "Окси-15", выпускаемый фирмой "Драгерверк" (Германия)

и имеющий время защитного действия 15 мин. В течение этого времени хлоратная свеча массой 0,42 кг выделяет в систему аппарата кислород с объемным расходом 4 л/мин. Поглощение углекислого газа осуществляется в регенеративном патроне с известковым сорбентом. Масса самоспасателя составляет 2,5 кг, а удельное время защитного действия равно 6 мин/кг.

Помимо целого ряда положительных качеств, аппараты на хими­чески связанном кислороде имеют ряд недостатков:

отсутствие или несовершенство приборов, указывающих степень сработанности сорбента;

отсутствие регулировки выделения кислорода;

невозможность определить запас кислорода и времени работы в аппарате;

высокая стоимость эксплуатации и невозможность осуществления длительных перерывов в работе.

При увеличении дыхательной нагрузки возрастает сопротивление дыханию в результате спекания сорбента в процессе регенерации. Боль­шой недостаток аппаратов на химически связанном кислороде является их пожароопасность, т. е. возможность загорания при механическом повреждении корпуса и высыпании кислородосодержащего вещества.

4.2. Сущность регенерации воздуха в кислородных изолирующих противогазах

4.2.1. Краткие сведения о сорбционных процессах

и сорбентах

Первая фаза регенерации выдыхаемого воздуха в КИП заключается в очистке его от углекислого газа, осуществляемой в регенеративном пат­роне в результате физико-химического процесса сорбции (от лат. sorbeo — поглощаю).

Сорбция — это поглощение газообразных или растворенных веществ сорбентами — твердыми темами или жидкостями. Различают следующие основные виды сорбции: адсорбцию, абсорбцию, капиллярную конден­сацию и хемосорбцию. Поглощение газов и паров твердыми сорбентами, как правило, протекает при наличии двух или более из указанных процес­сов, однако один из них является основным, определяющим.

Первые три из названных видов сорбции — процессы физические, обусловленные силами взаимного притяжения молекул сорбента и погло­щаемого вещества.

Адсорбция — поглощение вещества поверхностным слоем поглоти­теля (адсорбента).

Абсорбция — поглощение, сопровождающееся диффузией погло­щаемого вещества вглубь поглотителя (адсорбента) с образованием раст­вора, т.е. поглощение всем объемом поглотителя. В некоторых случаях,

помимо адсорбции, поглощение газа происходит в результате капиллярной конденсации его в порах твердого тела.

Хемосорбция — процесс сорбции, при котором поглощаемое ве­щество и поглотитель (хемосорбент) взаимодействуют химически, в резу­льтате чего образуется новое химическое соединение.

Сорбенты, применяемые для очистки воздуха от вредных газов в СИЗОД, — это твердые гранулированные или дробленые тела. Наиболее расп­ространенными типами адсорбентов являются активированный уголь, силикагель, алюмогель, цеолиты. Типы хемосорбентов рассматриваются ниже.

Из общих физических свойств сорбентов наиболее важным является их пористая структура. Макро- и микропоры пронизывают гранулы сорбента во всех направлениях и обеспечивают большую поверхность его соприкос­новения с очищаемым воздухом. Адсорбенты характеризуются значительной поверхностью пор; удельная поверхность пор у активированного угля равна 300-500 м²/г, у силикагеля 300-700 м²/г; диаметр пор составляет 10⁶-10⁴ мм. Пористость хемосорбентов значительно меньше; например, удельная поверх­ность пор ХП-И составляет 8-12 м²/г. Благодаря самой природе физического процесса адсорбции и большой активной поверхности адсорбента он погло­щает газ практически мгновенно. Адсорбция — обратимый процесс: все погло­щенное вещество может быть удалено в результате обратного процесса десорб­ции, в связи с чем адсорбенты легко регенерируются. Процесс адсорбции экзотермический, но количество теплоты, выделяемое при этом, невелико и близко по значению к теплоте конденсации.

Процесс хемосорбции протекает медленнее, чем адсорбции, так как контакт между поглощаемым газом и активной поверхностью хемо-сорбента затрудняется образующейся пленкой продуктов реакции, а сама поверхность пор меньше, чем у адсорбента. Хемосорбент в процессе погло­щения газа выделяет большее количество теплоты, что приводит к значи­тельному нагреву очищаемого воздуха и самого поглотителя. Теплота реак­ции поглощения некоторых сорбентов (например, кислородосодержащего продукта) столь велика, что приводит в некоторых случаях к спеканию и даже плавлению гранул.

Наиболее распространен тип поглотительного патрона с осевым про­хождением через него очищаемого воздуха. Элементарный слой поглотителя на входе в патрон называют лобовым, а аналогичный слой в конце патрона — замыкающим. В теории сорбции существует понятие "работающий слой поглотителя". Это слой сорбента, ограниченный двумя перпендикулярными к направлению движения газовоздушной смеси плоскостями, который активно поглощает газ. В начале работающего слоя сорбент максимально насыщен поглощаемым газом, по ходу потока степень насыщения его уме­ньшается, а в конце слоя процесс сорбции только начинается.

Длина работающего слоя при прочих равных условиях зависит от скорости процесса сорбции. В поглотительном патроне с адсорбентом она может быть меньше, чем общая длина рабочей части патрона от лобового до замыкающего слоя сорбента. При установившемся патроне существуют

три зоны: зона с полностью отработанным поглотителем; работающий слой, перемещающийся по направлению движения потока газовоздушной смеси, и зона, в которой поглощение еще не происходит. Когда работаю­щий слой достигает замыкающего слоя патрона, начинается проскок погло­щаемого газа, т.е. неполное его поглощение. Такая работа сорбента в патроне называется послойной схемой его отработки.

В поглотительном патроне с хемосорбентом зона с полностью отра­ботанным поглотителем не образуется. Длина работающего слоя увеличи­вается в течение всего допроскокового периода, и он при этом не "отры­вается" от лобового слоя. Когда фронт работающего слоя патрона достигает замыкающего, начинается проскок поглощаемого газа. Однако и в этот момент лобовой слой может быть не насыщен газом. Полное его насыщение может произойти, если патрон долгое время будет работать в проскоковом периоде. Такая работа сорбента в патроне называется схемой работы всей массы поглотителя.

Следовательно, при работе сорбента в поглотительном патроне су­ществуют два периода: допроскоковый и проскоковый. Длительность рабо­ты в проскоковом периоде ограничивается предельно допустимым проско­ком, который устанавливается нормативными документами. При обеих схе­мах отработки к концу допроскокового периода в патроне остается некоторое количество не полностью отработанного сорбента, уменьшающееся в проскоковом периоде. Чем больше общая длина слоя сорбента в патроне при прочих равных условиях, тем меньше доля неотработанной его части по отношению ко всей массе сорбента, выше коэффициент его полезного использования и больше длительность работы, или время защитного дейст­вия. Однако увеличение общей длины слоя поглотителя приводит к повы­шению сопротивления патрона проходящему воздуху.

Поэтому при разработке поглотительных патронов (для КИП — регенеративных патронов) одним из основных вопросов является выбор оптимальной величины слоя поглотителя.

Существенной особенностью хемосорбентов по сравнению с адсорбен­тами является их высокая поглотительная способность на единицу массы.

Известные хемосорбенты способны поглощать углекислый газ в количестве значительно большем, чем адсорбенты. Поэтому для очистки выдыхаемого воздуха от углекислого газа в КИП применяются только хемосорбенты.

В их состав входят основное вещество, вступающее в химическую реакцию поглощения углекислого газа, и добавки, придающие им необ­ходимые физические свойства и активизирующие реакцию. Сорбционные свойства хемосорбента характеризуются тремя показателями: стехиомет-рической, статической и динамической активностями, которые измеряют­ся количеством поглощенного вещества (в объемных или массовых еди­ницах) на единицу массы сорбента.

Стехиометрической активностью называется максимальное, теорети­чески возможное количество вещества, поглощаемое единицей массы

активной части хемосорбента, т.е. основного вещества (без добавок и тех­нологических примесей). Она определяется из уравнения химической реакции.

Статической активностью называется количество вещества, погло­щенное единицей массы хемосорбента к моменту достижения сорбцион-ного равновесия, при котором дальнейшее поглощение прекращается.

Статическая активность устанавливается экспериментально при опре­деленной концентрации поглощаемою газа в воздухе и температуре последнего. Ее значение всегда меньше стехиометрической активности. Динамической активностью называется количество вещества, поглощенное единицей массы сорбента до момента появления проскока в динамических условиях, т.е. в реальном регенеративном патроне, через который проходит реальный поток воздуха, содержащего определенное количество углекислого газа. В отдельных случаях динамическую активность выражают как время защитного действия патрона до появления проскока поглощаемого вещества. Однако в практике большее распространение получила характеристика хемосорбента, называемая удельной сорбционной емкостью в динамических условиях.

Удельная сорбционная емкость — объем газа, поглощенного едини­цей массы хемосорбента при работе в динамических условиях до значения проскока газа, установленного нормативными документами для данного регенеративного патрона или КИП. Ее значение всегда меньше статической активности и является основной определяющей характеристикой хемосор­бента при работе его в конкретных динамических условиях.

На удельную сорбционную емкость оказывают влияние три группы факторов, определяемые соответственно характеристиками хемосорбента, регенеративного патрона и нагрузки, т.е. потока воздуха, содержащего углекислый газ. Повышенную сорбционную емкость имеет хемосорбент с высокими значениями стехиометрической, статической активностей и с большой поверхностью пор. Уменьшение размера гранул также приводит к увеличению сорбционной емкости, но не за счет увеличения их поверх­ности, а в связи с ростом скорости диффузии сорбируемого вещества внутрь гранул. Увеличению удельной сорбционной емкости способствуют большая длина слоя хемосорбента в патроне, а также равномерное рас­пределение потока воздуха по поперечному сечению патрона. Увеличение средней или мгновенной скорости потока воздуха приводит к уменьшению удельной сорбционной емкости.

Известны методы расчета поглотительных и регенеративных пат­ронов, основанные на теории динамической активности сорбентов. Одна­ко в расчетные формулы входят коэффициенты, которые могут быть опре­делены только экспериментально для конкретных динамических условий. Применение же коэффициентов, полученных при несколько иных усло­виях, позволяет получить лишь ориентировочные данные. Поэтому раз­работка регенеративных патронов, как правило, проводится путем анализа работы имеющихся аналогов, выбора по его результатам параметров пат­рона, а затем экспериментальной их отработки на динамической установке, имитирующей дыхание человека.

К хемосорбентам углекислого газа предъявляют следующие основ­ные технические требования: они должны обладать высокой удельной сорб-ционной емкостью; сопротивление потоку проходящего через них воздуха должно быть как можно ниже; увеличение удельной энтальпии очищаемого воздуха должно быть небольшим; сорбент должен быть прочным на исти­рание и при работе не выделять веществ в виде газа, пара или аэрозолей, раздражающих органы дыхания. Кроме того, хемосорбент должен длите­льное время сохранять свои поглотительные свойства и изготавливаться из недефицитного и дешевого материала.

Технические требования к регенеративным патронам должны учи­тывать технические параметры используемого в них сорбента. Одно из основных требований к регенеративному патрону заключается в соответ­ствии его защитной способности запасу сжатого кислорода, полезно рас­ходуемого для дыхания.

В регенеративных аппаратах со сжатым кислородом применяют два вида хемосорбентов углекислого газа: известковый на основе гидроксида кальция Са(ОН)₂ и щелочной на основе гидроксида натрия NaOH. Известен также литиевый хемосорбент LiOH, обладающий существенно большей удельной сорбционной емкостью, чем первые. Однако он не получил широ­кого распространения главным образом из-за его дефицитности и высокой стоимости сырья.

Особое место среди хемосорбентов занимает кислородосодержащий продукт на основе супероксидов щелочных металлов КО₂ или NaO₂, ко­торый не только поглощает углекислый газ, но и выделяет кислород, полностью регенерируя выдыхаемый воздух.

4.2.2. Известковый поглотитель углекислого газа

Основой известкового поглотителя углекислого газа является гидро-ксид кальция Са(ОН)₂, или гашеная известь. Реакция поглощения угле­кислого газа указанным веществом имеет следующий вид:

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСО₃ + Н₂О + q_p (4.1)

Эта реакция экзотермическая и протекает с выделением одного моля воды на один моль поглощенного углекислого газа, кроме того, выделяется часть влаги, содержащейся в поглотителе, в результате чего воздух, проходящий через регенеративный патрон, нагревается и увлаж­няется. Молярная теплота реакции составляет 80-115 кДж/моль. Иссле­дования, проведенные во ВНИИГД, показали, что q_p = 101 кДж/моль СО₂. Температура в зоне реакции регенеративного патрона при нормаль­ной температуре окружающей среды равна 5О...55°С.

В нашей стране в качестве хемосорбента СО₂ в регенеративных про­тивогазах длительное время применялся только химический известковый поглотитель ХП-И по ГОСТ 6755-88Е. По отдельным заказам согласно временным техническим условиям выпускался мелкозернистый химпогло-титель ХП-И М с таким же химическим составом.

ХП-И представляет собой гранулированный продукт (цилиндричес­кие гранулы диаметром около 4 мм) белого или серого цвета, изготовленный их маломагнезиальной извести и гидроксида натрия, содержит не менее 95% гидроксида кальция и 4% гидроксида натрия (в пересчете на сухое вещество). Основную фракцию (90%) составляют гранулы размером от 2,8 до 5,5 мм.

Таблица 4.3 Технические характеристики химического поглотителя известкового (ХП-И)

 

№ п/п	Наименование параметров	Величина
1.	Концентрация углекислого газа на выходе из патрона (хемо-сорбционная способность), %, не более: в первые 40 минут определения через 120 минут от начала определения	од 0,5
	Максимальное сопротивление во время определения хемо-сорбционной способности, Па (мм вод.ст.), не более	147 (15,0
3.	Максимальная температура воздуха на выходе из регенера­тивного патрона во время определения хемосорбционной способности, °С, не более	50,0
4.	Прочность на истирание, %, не менее	65,0
5.	Диаметр зерен по фракциям, мм, %: 5,5...6,5, не более 2,8...5,5, не менее 1...2,8, не более менее 1 (пыль), не более	5 90 5 0,6
6.	Содержание влаги, %	16...21
7.	Содержание связанного диоксида углерода, % по массе, не более

Поглотитель ХП-И М отличается лишь диаметром гранул, равным 2 мм, и фракционным составом: основную фракцию (94%) составляют гранулы размером от 1 до 2,8 мм.

В состав химпоглотителя кроме основного вещества входят добав­ки: гидроксид натрия и вода. Гидроксид натрия повышает динамическую активность поглотителя при малых концентрациях углекислого газа в очи­щаемом воздухе и будучи сильно гигроскопичным веществом поддерживает необходимую влажность поглотителя. Влага, содержащаяся в ХП-И, спо­собствует протеканию реакции поглощения углекислого газа. Увеличение и уменьшение содержания воды в поглотителе относительно нормы сни­жает его динамическую активность. Помимо добавок в ХП-И входит (как технологическая примесь) некоторое количество карбоната кальция СаСО₃, являющегося исходным продуктом при производстве ХП-И. Кар­бонат кальция представляет собой также конечный продукт реакции погло­щения СО₂. Поэтому по мере отработки ХП-И содержание СаСО₃ в нем увеличивается. Максимально допустимое содержание карбоната кальция в свежем поглотителе принимается в пересчете на массу содержащеюся в нем углекислого газа по отношению к общей массе поглотителя.

ХП-И поставляется и хранится у потребителя в герметично закры­тых и опломбированных металлических барабанах по 80 кг в каждом. Гаран­тийный срок хранения — один год, после чего поглотитель в каждом бара­бане подвергается повторному анализу на содержание влаги и связанного углекислого газа. Если указанные параметры соответствуют нормам, срок хранения поглотителя продлевается еще на год.

В отличие от других типов хемосорбентов СО₂ ХП-И не теряет сорб-ционных свойств после кратковременного пребывания на открытом воздухе. Это позволило в свое время перейти к использованию в КИП пересна­ряжающихся регенеративных патронов, заполняемых свежим хемосорбен-том взамен отработанного непосредственно в подразделениях. Перед сна­ряжением в патрон ХП-И просеивают на сите с диаметром отверстий 3 мм. Все фракции поглотителя, которые остаются в сите, снаряжаются в патрон. Такой отсев позволяет очистить поглотитель от пыли, образовав­шейся в процессе его транспортировки, удаление же мелких фракций уменьшает сопротивление дыханию.

ХП-И — достаточно прочный сорбент в отношении истирания и образования пыли, которая в случае ее попадания в дыхательные пути могла бы вызвать их раздражение. Прочность поглотителя на истирание проверяется при его приемке на заводе-изготовителе. Сущность методики проверки заключается в размоле порции ХП-И во вращающемся барабане с пятью стальными шарами в течение определенного времени. Затем обра­зовавшуюся пыль отсеивают, а уровень прочности сорбента определяют по отношению количества не размолотого ХП-И к исходному.

При транспортировке снаряженных КИП в регенеративных пат­ронах все же образуется незначительное количество пыли. Однако уста­новка специального защитного фильтра после патрона не нужна. Воздух, выходящий из регенеративного патрона, полностью насыщен влагой, кото­рая, конденсируясь в дыхательном мешке, смачивает и осаждает пыль ХП-И, проникающую из патрона.

В процессе поглощения углекислого газа ХП-И не изменяет цвет и внешний вид, не оплывает и не спекается. В полностью отработанном ХП-И содержание СО₂ увеличивается до 25...27%, содержание влаги умень­шается до 4...8%, а общая масса поглотителя возрастает на 6...8% по отношению к исходной. Повторное использование регенеративного патрона с полностью отработанным ХП-И запрещается.

Так как в составе ХП-И необходимо содержание влаги, то реакция сорбции СО₂ этим поглотителем может происходить только при положи­тельной температуре. Замороженный поглотитель непригоден для приме­нения, в связи с чем хранение готовых к применению регенеративных патронов с ХП-И при температуре ниже 0°С не допускается. При эксп­луатации КИП с ХП-И при отрицательной температуре необходимо, чтобы к началу работы температура поглотителя была выше 0°С. В процессе работы она должна поддерживаться на этом уровне за счет теплоты экзотер­мической реакции сорбции СО₂. Для противогазов с ХП-И без специальных

мер защиты регенеративного патрона нижний предел температуры окру­жающего воздуха, при котором допускается их эксплуатация с соблюде­нием специальных мер предосторожности, равен — 20°С.

В КИП применяются преимущественно прямоточные регенератив­ные патроны, в которых газовоздушная смесь движется в одном направ­лении вдоль оси патрона (рис. 4.3). Такой патрон прост по конструкции и создает минимальное сопротивление потоку газа. Он используется во всех отечественных и в большинстве зарубежных моделей противогазов как при круговой, так и при маятниковой схемах циркуляции воздуха.

В некоторых КИП, исходя из конструктивных соображений или соображений выбора оптимальной высоты слоя поглотителя, применяют регенеративные патроны с радиальным направлением потока. Такой патрон содержит те же элементы, что и прямоточный, а поглотитель в нем заключен между двумя перфорированными или сетчатыми перегородками цилин­дрической формы. Газовоздушная смесь движется сначала вдоль оси патрона, затем поворачивает на 90° в радиальном нап­равлении, проходит через слой поглотителя, вторично поворачивает на 90°, направляясь к выходу вдоль оси патрона. Эти патроны отличаются увеличенной поверхностью рабо­чего слоя в направлении движения воздуха. Патрон с радиальным направлением потока применен, например, в КИП с жидким кис­лородом "Аэрорлокс".

ХП-И имеет достаточно высокую сте-хиометрическую активность — 300 л/кг (СУ), т.е. на 8% больше щелочного сорбента, стати­ческая же активность составляет около 70% стехиометрической.

Такие же показатели имеет мелкозер­нистый поглотитель ХП-И М.

Воздух, выходящий из патрона с извест­ковым сорбентом, труднее поддается кондицио­нированию в воздуховодной системе дыхате­льный аппарата, чем сухой и более нагретый воздух из патрона со щелочным сорбентом.

Рис 4.3. Регенеративный патрон РП-8: 1 — заглушки; 2 — скоба; 3 — пружина; 4 — подвижная стенка;

дартном патроне (ГОСТ 6755-88Е). Это пря- 5 _ зерна Хп-И; 6 — цилиндр;

моточный цилиндрический патрон с высотой камеры для поглотителя 19 см и площадью поперечного сечения 94 см2. Определение про-

7 — пробка; 8 — нижняя крышка; 9 — металлическая сетка; 10 — верхняя крышка

Удельная сорбционная емкость хемо-сорбента зависит от характеристик самого по­глотителя, патрона и нагрузки. Выше приве­дены значения удельной сорбционной емкос­ти, полученные при его испытании в стан-

водили для большого числа партий поглотителя при режиме № 5 до прос­кока СО₂, равного 1,5%. Удельная сорбционная емкость ХП-И в динами­ческих условиях составляла 125...150 л/кг (СУ), или 58...71% статической активности. Различные партии ХП-И по сорбционной емкости отличаются друг от друга, поэтому при определении необходимого заряда ХП-И в регенеративном патроне с заданным временем защитного действия следует ориентироваться на нижний ее предел т.е. 125 л/кг (СУ).

Уменьшение длины слоя и увеличение удельного объемного расхо­да газовоздушной смеси приводит к снижению удельной сорбционной емкости поглотителя. Следовательно, с уменьшением массы поглотителя в патроне снижается и его удельная сорбционная емкость. Для каждого значения массы сорбента при заданном дыхательном режиме существует свое предельное значение емкости. Действительно, уменьшение массы пог­лотителя сокращает длину его слоя или площадь поперечного сечения патрона или же оба параметра одновременно. Уменьшение же каждого из них однозначно снижает удельную сорбционную емкость.

Особенностями ХП-И являются не дефицитность сырья, из которого изготовляется поглотитель, и относительно низкая стоимость самого хемо-сорбента (на порядок ниже, чем щелочного сорбента).

Известковый хемосорбент применяется в регенеративных противо­газах и самоспасателях с временем действия 2 ч и менее выпускаемых в Великобритании, Франции, США, а также в Германии.

4.2.3. Щелочной поглотитель углекислого газа

Среди гидроксидов щелочных металлов практическое применение для очистки воздуха от углекислого газа в КИП получил гидроксид нат­рия NaOH. Это химическое соединение является основой натриевого хемо-сорбента, называемого обычно щелочным. Реакция поглощения углекис­лого газа гидроксидом натрия имеет вид:

2NaOH + СО₂ = Na₂CO₃ + Н₂О + 117 кДж (4.2)

Поскольку гидроксид натрия — сильно гигроскопичное вещество, одновременно идет реакция поглощения воды:

NaOH + Н₂О = NaOH + Н₂О + 13 кДж (4.3)

Температура в зоне реакции регенеративного патрона при нормаль­ной температуре окружающей среды увеличивается до 1ОО...13О°С.

Стехиометрическая активность, определенная по первой реакции, составляет 278 л/кг (СУ), а по обеим реакциям в сумме — 185 л/кг (СУ). Анализ динамики сорбции гидроксидом натрия реакционной влаги и влаги, содержащейся в выдыхаемом воздухе, показывает, что реальная стехиомет­рическая активность находится между двумя приведенными значениями.

При реакции поглощения углекислого газа и влаги гранулы нат­риевого поглотителя оплывают, с них стекает щелочь, поэтому хемосорбент размещают в регенеративном патроне в ячейках проволочных сеток. Конструкция регенеративного патрона сложнее, чем для известкового

поглотителя (рис. 4.4).

Рис 4.4. Регенеративный патрон фирмы "Медицинтехник" (Германия): 1 — корпус; 2 — штуцер входной; 3, 4 — гофрированные сетки соответственно с низкими и высокими гофрами; 5 — поглотитель; 6 — плоская сетка; 7 — штуцер выходной

Снаряжается он на заво­де в условиях, исключающих попадание на поглотитель влаги из атмосферного воздуха, и поступает к потребителям с гер­метичными и опломбирован­ными заглушками. Патрон — одноразового действия и пере­снаряжению не подлежит; пос­ле полной или частичной отра­ботки заменяется новым.

По этим причинам сорб-ционные свойства и особен­ности натриевого щелочного

поглотителя СО₂ необходимо рассматривать как соответствующие свой­ства конкретных типов регенеративных патронов. Патроны с натриевым поглотителем СО₂ выпускаются фирмами "Медицинтехник" и "Дрегерверк" (Германия).

В СССР в 1958 г. был разработан натриевый сорбент СО₂ и изго­товлена опытная партия щелочных патронов. В настоящее время работы по созданию отечественного щелочного патрона и освоению его про­мышленного выпуска возобновлены.

В табл. 4.4 приведены основные технические данные натриевого ще­лочного поглотителя и регенеративных патронов, выпускаемых фирмой "Медицинтехник".

Таблица 4.4

 

Наименование параметров	Характеристика
Химический состав сорбента, %:
ЫагСОз	18,3
СаО	0,8
АЬОз	2,6
прочие добавки и примеси	0,2
NaOH	(остальное до 100%)
Характеристика патрона:
масса поглотителя, кг	1,7
общая масса патрона, кг	3,05
сопротивление патрона при легочной вентиляции	25-30 (2,5-3,0)
(РУ) 60 л/мин, Па (мм вод.ст)
время защитного действия, ч, не менее
объем СОг, поглощаемого патроном, л (СУ)	310-320
удельная сорбционная емкость сорбента, л/кг (СУ)	182-188

Натриевый сорбент представляет собой гранулы неправильной фор­мы светло-серого цвета с голубым или коричневым оттенком ("Меди") или серовато-коричневого цвета (фирмы "Дрегерверк").

Регенеративный патрон "Меди" 9x18-28 предназначен для проти­вогазов с временем защитного действия 4 ч (или имеющих запас кислорода в баллоне 400 л), цифры 9x18-28 в маркировке патрона означают, что патрон имеет овальное поперечное сечение с осями размером 9 и 18 см и длину 18 см. Патрон (рис. 4.3) представляет собой металлический корпус с размещенными в нем 46 проволочными сетками. Часть сеток имеют гофры-канавки, параллельные малой оси овала, остальные сетки — плоские. Плоские сетки располагаются после каждой гофрированной или группы гофрированных сеток. Сорбент помещен между гофрами сеток и образует в патроне 25 элементарных слоев. В нерабочем положении вход­ной и выходной штуцеры патрона герметично закрыты заглушками с плом­бами во избежание проникновения внутрь окружающего влажного воздуха.

Регенеративный патрон фирмы "Дрегерверк" отличается числом сло­ев поглотителя (в нем их 16) и конфигурацией сеток. Все сетки имеют гофры большой глубины, которые расположены под острым углом по отношению к большой оси овала. Гофры каждой последующей сетки явля­ются как бы зеркальным отображением их в предыдущей сетке, в связи с чем гофры всего пакета сеток образуют букву X. Всего в патроне располо­жено 36 гофрированных и плоских сеток.

Основное рабочее положение в КИП всех типов щелочных патро­нов — горизонтальное. Такое положение патрона исключает попадание некоторого количества жидкой щелочи в зону входного и выходного шту­церов. При работе патрона зерна сорбента оплывают, могут слипаться друг с другом и образовывать конгломе