Устройство индивидуальной защиты от ожогов органов дыхания
Владельцы патента RU 2735507:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИАПУ ДВО РАН) (RU)
Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты органов дыхания при пожарах и иных чрезвычайных ситуациях, связанных с опасно высокими температурами окружающей среды, и может применяться в первую очередь при эвакуации гражданского населения из горящего помещения. Устройство индивидуальной защиты от ожогов органов дыхания включает теплообменник, в состав которого входят композиционные материалы с фазовым переходом для охлаждения вдыхаемого воздуха, имеет непроницаемые теплоизолированные боковые стенки и две проницаемые поверхности (впускную и выпускную). Согласно изобретению в качестве поглотителя тепла вдыхаемого воздуха используют гранулированный композитный материал с фазовым переходом, каждая гранула которого представляет собой либо губку, либо герметичную капсулу диаметром 1-2 мм, содержащие органическое плавящееся вещество, которое при плавлении остается неподвижным и связанным с твердым неорганическим веществом гранулы. Технический результат заявляемого изобретения заключается в том, что устройство малогабаритное и легкое, относительно недорогое и простое в изготовлении, имеет неограниченный срок службы и постоянно готовое к использованию состояние, способно сохранять работоспособность при умеренном механическом воздействии (падениях, ударах и т.д.). 1 ил.
Изобретение относится к средствам индивидуальной защиты органов дыхания при пожарах и иных чрезвычайных ситуациях, связанных с опасно высокими температурами окружающей среды, и может применяться в первую очередь при эвакуации гражданского населения из горящего помещения.
Медицинские исследования показывают, что 20-35% пострадавших при пожарах в помещениях получают ингаляционную травму (ожог органов дыхания). По некоторым исследованиям, среди указанной категории заболеваемость пневмонией наблюдается на уровне 38%, а смертность - 31%, в то время как соответствующие показатели среди лиц, не получавших ингаляционную травму, равны 8.8% и 4.3%. Максимальная ожидаемая смертность от ингаляционной травмы с учетом заболеваемости пневмонией составляет 60%. Для снижения травматизма и смертности в результате пожаров в помещениях необходима специализированная защита органов дыхания от ожогов.
Созданное техническое решение позволяет обеспечить охлаждение горячего вдыхаемого газа, поступающего из внешней среды, до безопасной температуры в течение заданного времени. Так как устройство может храниться неограниченное время в постоянно готовом к использованию состоянии, то ими можно укомплектовать рабочие места в потенциально пожароопасных помещениях, а также использовать специализированными подразделениями при выполнении операций в горящих помещениях.
Известно устройство охлаждения и обогрева дыхательного газа (патент US №5662161, кл. А62В 9/00, F28D 20/02, 1997), сущность которого заключается в следующем. Горячий дыхательный газ поступает в агрегат, состоящий из теплообменника, установленного в изолированной оболочке, и проходит через трубки теплообменника. Трубки находятся в тесном тепловом контакте с микрокапсулированным материалом с фазовым переходом. Микрокапсулированный материал с фазовым переходом меняет фазу с твердой на жидкую, тем самым поглощая тепло при температуре фазового перехода, охлаждая газ, протекающий через теплообменник. Устройство перезаряжается после использования путем помещения в среду с температурой меньшей, чем температура фазового перехода материала, или путем замены материала.
Недостатками известного устройства являются повышенная сложность конструкции, что, соответственно, приводит к повышенной сложности изготовления, а также относительно низкая интенсивность теплообмена между вдыхаемым воздухом и теплопоглощающим материалом.
Известен теплообменник на основе композитных материалов с фазовым переходом для охлаждения вдыхаемого воздуха. (Y. Zhu et al. // Applied Thermal Engineering. 2019. V. 155. P. 631-636), выбранный в качестве прототипа. Внешняя оболочка устройства состоит из соединенных друг с другом цилиндра и усеченного конуса. Боковые стенки внешней оболочки непроницаемы и теплоизолированы, а верхний и нижний торцы проницаемы для газа. Внутренняя часть устройства содержит композиционные материалы с фазовым переходом, представляющие собой спрессованные вместе парафин и углеродный материал. Пластины, сделанные из такого композиционного материала, расположены последовательно по пути движения газа параллельно друг другу и разделены распорками. Движение газа по теплообменнику осуществляется через отверстия в пластинах. Отверстия в каждой пластине смещены относительно отверстий на соседних пластинах. Горячий газ поступает в устройство из внешней среды через нижний торец, проходит через теплообменник сквозь отверстия в пластинах и выходит через верхний торец, понижая в результате прохождения через устройство свою температуру до безопасного значения.
Недостатки известной конструкции связаны с малым отношением площади поверхности, через которую материал взаимодействует с газом, к объему самого материала, что приводит к низкой интенсивности теплообмена между вдыхаемым воздухом и теплопоглощающим материалом, а также к низкой эффективности использования теплопоглотителя. Для увеличения интенсивности теплообмена необходимо уменьшение толщины используемых пластин, но это неизбежно влечет за собой рост их хрупкости. При случайных падениях или ударах по устройству одна или несколько пластин в конструкции могут легко разрушиться, что потребует полной замены устройства.
Задача заявляемого изобретения заключается в обеспечении охлаждения горячего вдыхаемого газа, поступающего из внешней среды, до безопасной температуры в течение заданного времени.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в том, что устройство является малогабаритным и легким, относительно недорогим и простым в изготовлении, имеет неограниченный срок службы и постоянно готовое к использованию состояние, способно сохранять работоспособность при умеренном механическом воздействии (падениях, ударах и т.д.).
Поставленная задача достигается тем, что вдыхаемый воздух проходит через засыпку из гранулированного композитного материала с фазовым переходом, выступающем в качестве поглотителя тепла. Каждая гранула такого материала представляет собой либо губку диаметром порядка 1-2 мм из неорганического вещества, в порах которой содержится органическое плавящееся вещество, либо герметичную капсулу диаметром 1-2 мм, в которой содержится органическое плавящееся вещество. Содержащееся в грануле органическое плавящееся вещество имеет определенную температуру плавления, которая задается производителем гранул. При плавлении жидкое органическое вещество не вытекает, а остается связанным с твердым неорганическим веществом: в капсуле - благодаря ее герметичности, а в губке - благодаря эффекту адсорбции. Указанные материалы выпускаются в промышленных масштабах различными компаниями, например, Rubitherm (rubitherm.eu), Hangzhou Phase Change Technology Co. (phasechange.com.cn).
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 приведена общая схема устройства, где а - внешний вид, b - радиальное сечение; 1 - оболочка из теплоизолирующего материала, 2 - гранулированный теплопоглощающий материал, 3 - проницаемая поверхность устройства, через которую газ входит (впускная поверхность), 4 - проницаемая поверхность устройства, через которую газ выходит (выпускная поверхность).
Внешняя оболочка устройства состоит из соединенных друг с другом цилиндра и усеченного конуса. Боковые стенки устройства непроницаемы и теплоизолированы (1), а верхний (4) и нижний (3) торцы проницаемы для газа и представляют собой сетку. Внутри устройства плотно упакованы вышеописанные гранулы композитного материала (2) с фазовым переходом. Выпускная поверхность (4) устройства должна соединяться с надеваемой на лицо маской, которая позволяет осуществлять дыхание только через данное устройство, либо соединяться с впускной частью респиратора, чтобы воздух в респиратор попадал только через данное устройство. Температура плавления органического вещества, содержащегося в гранулах, как правило, около 40°С, при этом она должна быть больше температуры хранения, поэтому при использовании устройства в жарком климате оно может комплектоваться гранулами с более высокой температурой плавления органического вещества.
Устройство работает следующим образом.
Горячий газ из внешней среды в результате создаваемого при вдохе перепада давления засасывается в устройство через его впускную поверхность (3). Проходя через засыпку из гранулированного композитного теплоаккумулирующего материала (2), горячий газ охлаждается, отдавая материалу свое тепло, после чего выходит из устройства через его выпускную поверхность (4), имея безопасную температуру, и попадает в органы дыхания через дыхательную маску или через респиратор. За счет особенностей накопления тепла в гранулированном композитном материале проходящий через устройство горячий газ на выходе (4) имеет приблизительно постоянную температуру в течение определенного промежутка времени, зависящего от размеров устройства и от температуры входящего в него газа. Размеры устройства зависят от накладываемых требований к условиям и времени его функционирования, то есть к времени, в течение которого оно обеспечивает охлаждение вдыхаемого воздуха до необходимой температуры. Проведенные математические расчеты показывают, что для обеспечения понижения температуры вдыхаемого газа с 230°С до 40°С в течение 20 минут устройство, содержащее материал GR50, производимый компанией Rubitherm, должно иметь диаметр порядка 7 см и длину около 6.5 см. При этом устройство будет иметь массу немного более 200 г.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что:
1. В нем происходит более эффективный теплообмен между газом и теплоаккумулирующим материалом и более эффективное использование теплопоглотителя.
2. При умеренном механическом воздействии на устройство (падениях, ударах и т.д.), в том числе при деформации внешней оболочки не происходит существенных ухудшений его рабочих свойств, так как гранулы достаточно прочны.
3. Заявляемое устройство просто в изготовлении.
Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Выводы
Заявляемое устройство индивидуальной защиты от ожогов органов дыхания на основе гранулированного материала с фазовым переходом обеспечивает в течение необходимого времени охлаждение горячего вдыхаемого газа из внешней среды до безопасных значений температуры. При этом устройство достаточно малогабаритное и легкое, относительно недорогое и простое в изготовлении, имеет неограниченный срок службы и постоянно готовое к использованию состояние, способно сохранять работоспособность при умеренном механическом воздействии (падениях, ударах и т.д.).
Устройство индивидуальной защиты от ожогов органов дыхания, включающее теплообменник, в состав которого входят композиционные материалы с фазовым переходом для охлаждения вдыхаемого воздуха, имеющее непроницаемые теплоизолированные боковые стенки и две проницаемые поверхности (впускную и выпускную), отличающееся тем, что, в качестве поглотителя тепла вдыхаемого воздуха используют гранулированный композитный материал с фазовым переходом, каждая гранула которого представляет собой либо губку, либо герметичную капсулу диаметром 1-2 мм, содержащие органическое плавящееся вещество, которое при плавлении остается неподвижным и связанным с твердым неорганическим веществом гранулы.
