氧气呼吸器降温技术实验研究.pdf

2010年4月
第37卷第2期
氧气呼吸器降温技术实验研究
唐述明
(煤炭科学研究总院重庆研究院,重庆400037)
摘要:对氧气呼吸器吸气温度的影响因素进行分析,阐述了几种常用氧气呼吸器降温剂的性能特
征,实验研究了一种新型降温剂,并提出改善氧气呼吸器吸气温度参数的建议。
关键词:氧气呼吸器;吸气温度;降温剂性能;降温结构;改善
中图分类号:TD77:4;X968文献标志码:A文章编号:1008-495(2010)02-0011-03
氧气呼吸器广泛用于矿山救援、消防等领域,是
温度26℃。计算时,假设呼吸器吸气温度θ、呈线性
救护队指战员必备的呼吸防护装备。氧气呼吸器是
分布,则有
作业型呼吸防护装备,因此要求其呼吸参数符合人
O。=26+(35-26)
体呼吸生理要求。MT867~-2000《隔绝式正压氧气
4×60
呼吸器》、GA632-2006(正压式消防氧气呼吸器》式中:6、为吸气温度,℃;t为时间,min
中规定氧气呼吸器的吸气温度不得大于35℃-2l。
按照上式,刚开始工作时,吸气温度为环境温度
降低吸气温度对保障佩戴人员的身体健康,改善呼
26℃,达到4h工作时限时,吸气温度为35℃。人体
吸器佩戴舒适性,提高佩戴人员抢险救灾战斗力及
呼气产热量
工作效率有着非常重要的意义。
C,L,(37.5-6)d
1氧气呼吸器产热量分析
式中:C.为常温常压下氧气比热容,取090kI/(kg?K);
氧气呼吸器的热源主要有人体呼气热量、呼气
L为中等劳动强度正常人体每分钟呼出气体质量,
中C02与Ca(OH)2反应热、外界环境热辐射和热交
取4.3x102kg/min
换等。目前国内外氧气呼吸器均采用Ca(OH)2作
根据条件求得Q1≈163kJ
为C02吸收剂,在不考虑佩戴人员的个体差异的情
1.2呼气中CO2与Ca(OH)2反应热
况下,将氧气呼吸器的产热量作为恒定值进行分析
氧气呼吸器的CO2吸收剂为Ca(OH)2,每摩尔
研究。根据Mr8672000隔绝式正压氧气呼吸CO2被吸收的放热量在85~115kN?,取10J。将
器》标准要求,环境温度按26℃进行分析计算;《煤
摩尔热化学方程式转化为单位质量热化学方程式
矿安全规程》和AQ1008-2007《矿山救护规程》规
如下
定救护队员进人环境温度为40℃的时间不得超过
1000
25min3-41,所以在此不对环境温度为40℃的条件
44Ca(OH)2~、100
作分析计算。
44
H10+100
110
44
1.1人体呼气热量
设人体呼气产热量为Q1,计算满足如下基本条
CO2与Ca(OH)2反应热Q2按下式计算:
件的人体呼气产热量:呼气温度37.5℃,呼气量
Q2=2400(100
110)
44
30I/min,呼吸频率20次/min,佩戴时间4h,环境
式中。为中等劳动强度正常人体每分钟呼出CO2
质量,取2.4×10kg/min。
收稿目期:2009-07-15:2010-02-26修订
根据条件求得Q2≈1440kJ。
基金项目:国家“十一五”科技支撑计划课题
(2007BAK23BO5)
不考虑佩戴人员的个体差异即呼吸量的变化,不
作者简介:唐述明(1966),男,四川渠县人,硕土,高级
考虑环境与氧气呼吸器之间的热交换,则氧气呼吸器
工程师,主要从事煤矿救援技术研究工作。F-mail:
在佩戴过程中的总产热量为人体呼气产热量和CO
g@163.
与Ca(OH)2反应热之和,即Q、=Q1+Q2=1600kJ
2010年4月
矿业安金与録保
第37卷第2期
2氧气呼吸器吸气温度的影响因素分析
要有:减小降温剂内部热传导系数和降温剂液态可
流动性、寻找比热容与相变潜热综合效果好于水且
在不考虑个体差异和环境温度影响的情况下,
可重复使用的降温剂。
影响吸气温度的主要因素包括氧气呼吸器结构、所
“蓝冰”实际上就采用了以上思路,比照水冰降
使用的降温剂及降温剂质量。
低流动性和内部热传导系数,使其降温持久性更佳。
2.1常见降温剂对吸气温度的影响
当同等条件下的水冰已经完全融化后,“蓝冰”的相
当前呼吸器多采用相变吸热的物理制冷方法给
变过程仍未完成。
热气流降温,因此使用水冰、蓝冰等降温剂。此外,
2.2呼吸器结构对吸气温度的影响
在呼吸器上还可使用的降温方法包括的:必要时换
根据上述分析,如果降温剂使用水冰,约需要
用开放式呼吸、利用电子元器件制冷、“热管”方法制3.5kg,而为了尽可能减轻呼吸器质量,通常水冰质
冷、化学制冷。而利用化学制冷方法的呼吸器则常
量小于该值,常用的氧气呼吸器的冰盒内筒容积
使用Na2HPO2·12H20作为降温剂。
般在1.5L以下。多余热量则通过呼吸器各部件自
各种降温剂中,应用最广的是水冰,也有少数使
身热容量以及呼吸器结构对环境的辐射和对流換热
用蓝冰,而Na2HPO4?12H2O通常用于特殊场合的
吸收,因此当前常见呼吸器降温效果与呼吸器整体
降温需求,因为其维持的吸气温度通常会超过标准
结构布局和使用环境有着密切的关系,如果整体结
要求的35℃。根据前述氧气呼吸器工作产热量的构布局不利于散热或者使用环境恶劣,都会使呼吸
分析结果,如果使用水冰作为降温剂,其用量m可以
器吸气温度在使用后期超过标准要求。在呼吸器结
通过以下热平衡关系式估算:
构布局上,影响吸气温度的因素主要包括:冰盒、呼
+Cnm(。-0)+C,m(0-1)=Q
气管、吸气管、清净罐、气囊的材质及结构;各自散热
式中:h为冰的溶解热,取334kJ/kg;C、为水的比
面积大小;各自位置布局。
热容,取4.2kJ/(kg?K);C1为冰的比热容,取
采用自身热容量大、散热效果好的材料来制作呼
2.1kJ/(kgK);为当吸气温度达到标准要求的
吸器各部件,有利于改善吸气温度指标;呼吸器各部
35℃时,水(降温剂)的温度,取20℃;a为水冰开
件布局结构合理,尤其是冰盒内部结构的合理设计也
始起降温作用的初始温度(冻结温度),取-20℃。
十分关键。冰盒结构的降温效能越高,在同温度降温
根据条件求得m≈3.5kg。对于使用水冰降温
剂作用下对热气流的降温幅度越大。也就是说,提高
剂的呼吸器,在恶劣环境中使用后期,吸气温度常常
冰盒降温效能,可以使降温剂最终有效温度θn提高,
接近或超过标准要求,这可以通过改善降温剂的降
从而延长降温时间,改善降温性能。在设计中,可以
温性能来解决,而改善降温剂性能事实上是改变呼
通过增加冰盒内胆金属壳面积,减小冰盒外壳面积,
吸器吸气温度、分布规律,例如将前期吸气温度控
提高外壳材质隔热性能等方式,改进降温效能。
制在较高水平,从而延长有效降温时间,见图1
2.3降温剂质量
矿山救抑队员在抢险救援过程中,需要在恶劣
标准要求的吸气温度控制