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气密型防护服气流分配器的设计

2022-07-14游国强蘧艳峰刘俊杰杜旭红

中国新技术新产品 2022年7期
关键词:分配器躯干防护服

游国强 蘧艳峰 刘俊杰 金 朝 杜旭红

(1.中国辐射防护研究院,山西 太原 030006;2.太原工业学院,山西 太原 030008)

0 前言

事故灾害是影响当今世界和平与发展的重大公共安全问题,还是当前我国公共安全面临的主要威胁之一。类似“8.12”天津滨海特大危险化学品生产安全事故,其现场环境恶劣,涉及危化品的毒性强、储量多、种类杂、交互复杂,易对救援处置人员造成重大伤亡事故对于首批进入灾害现场的救援人员应配备最高防护等级的化学防护装备。将救援人员与外界环境隔离并提供呼吸气体的气密型防护服,是防护等级最高的个体防护装备,其防护等级较高,防护谱系较宽,并对现有多数化学品具有良好的防护作用,可有效保护救援人的生命安全。

1 气流分配的改进

按照送气方式的不同,气密型防护服分为携带气瓶供气、固定辅助系统供气和动力送风供气等三类送风方式。根据供气速率的不同,气密型防护服分为动力式和定量式。动力式是根据使用者呼吸需要供给所需的空气;定量式不考虑使用者呼吸的需求,在使用过程中按一定的供气速率向佩戴者供给所需的空气。目前主要的供气管道均采用电磁阀控制。实现四肢、躯干、头部的供气量同时增加或减少,无法根据实际使用情况,对四肢、躯干、头部供气量实现独立增加或减少。

送风量与人体工效学之间的关系是正压防护亟待解决的关键技术,也是气密型防护服主要研究内容。需要系统研究各种送风量条件下人体各种生理参数的变化规律,进而寻找出最为合适的送风量范围。无论采取哪种送风方式,现有气密型防护服均采用一个或两个供气阀对四肢、躯干、头部供气,一个或多个排气阀排气。在气密型防护服内部,四肢、躯干、头部气流分配流量在防护服定型设计中已进行设计,从理论和试验室现场模拟角度设计出四肢、躯干、头部最为合适的送风量。然而在实际使用气密型防护服过程中,由于不同作业条件、作业强度下四肢、躯干、头部产生热量不同,以及生理耐受程度各异,四肢、躯干、头部对气流的需求不同,需要根据人体工效学的要求对四肢、躯干、头部送风量分别单独进行调节。即需要根据一定送风量条件下人体各部位各种生理参数的变化情况,调节四肢、躯干、头部较为合适的送风量,满足人体工效学的要求。

在对整个气密型防护服内供气过程中气体始终自上而下,自内而外单向流动。针对现有供气系统无法单独调节四肢、躯干、头部的送风量的确点。该研究在控制阀后设置气流分配器,实现作业人员单独调节四肢、躯干、头部的送风量。

2 工作原理

气流分配器的工作原理采用通过遮挡等物理手段,通过磁性材料吸附减少四肢、躯干、头部等局部通风量,增大其余部分通风量。调节四肢、躯干、头部较为合适的送风量,满足人体工效学的要求。

3 结构与组成

该研究提供已获得发明专利授权的2 种气流分配器,A型气流分配器、B 型气流分配器。其中A 型气流分配器利用孔隙间通风量可以调节流量,出口气流变化幅度较小。B 型气流分配器利用挡板调节通风量可以调节流量,出口气流变化幅度较大。

3.1 A 型气流分配器

3.1.1 结构与组成

A 型气流分配器的结构简图如图1 所示,内部结构如图2 所示。A 型气流分配器由旋转外壳、气体进口、气体出口、气流调节器等组成。其中旋转外壳顶部由聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等高分子材料组成,外壳侧面由旋钮整体或底部由钕铁硼(NdFeB)等永磁材料组成,旋转外壳底部由聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等高分子材料组成。气流调节器整体采用铁等金属材料制成,或侧面部分采用铁等金属材料。

3.1.2 气流组织

调节各气体出口气流时,作业人员在气流分配器顶部旋转A 型气流分配器气体进口旋转外壳,利用旋转外壳的磁性,与气流调节孔的磁性吸引,旋转外壳产生的吸引力,带动气流调节器在气流分配器内部旋转。如图3 所示。

气流从气体进口进入,经过气流调节器中的气流调节孔,最后从气体出口排出。由于气流调节器中的气流调节孔与气体出口重叠程度不同,出口阻力不同,最终导致气流调节孔与气体出口重叠部分气体出口的流量小于气流调节孔与气体出口非重叠部分气体出口的流量,各气体出口流量不同,实现简易调节各出口气体流量的目的。

图1 A 型气流分配器外观简图

图2 A 型气流分配器A-A 剖面图

图3 A 型气流分配器B-B 剖面图

3.1.3 A 型气流分配器各气体出口气流计算

A 型气流分配器中通过调节气孔的数量、气孔间距,以及气体出口的数量,在进口流量一定时,实现气流分配器调节不同出口流量的目的。通过调节气流调节孔与气流出口的重合程度,调节各出口的气流量(标准状态下,单位时间内,气体通过任一截面的流量,m/h)。气流调节孔与气流出口的重合数量可以根据需要进行调节,其范围如公式(1)所示。

式中:v 为气流调节孔与气流出口的重叠数量;a 为A 型气流分配器气流出口总数量。

A 型气流分配器气体出口分为重叠部分出口与非重叠部分出口。其中重叠部分出口气流量调节范围如公式(2)所示。

式中:I 为重叠部分出口气流量;I为A 型气流分配器气体进口流量。

A 型气流分配器中非重叠部分出口气流量调节范围如公式(3)所示。

式中:I为非重叠部分出口气流量;a为A 型气流分配器重叠部分气体出口数量。

从公式(2)、公式(3)可以得出,A 型气流分配器中非重叠部分出口气流量与重叠部分出口气流量存在明显差异。非重叠部分出口气流量明显大于重叠部分出口气流量。

3.2 B 型气流分配器

3.2.1 结构与组成

B 型气流分配器是使用气流挡板调节的气体流量分配调节器。其外观简图如图4 所示,内部结构如图5 所示。B型气流分配器由气体进口、气体出口、外壳、旋钮、气流调节挡板组成。其中气流分配器由高分子材料组成。外壳由聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等高分子材料组成。旋钮整体或底部由钕铁硼(NdFeB)等永磁材料组成,顶部采用聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等高分子材料。气流调节挡板采用铁等金属材料制成。

3.2.2 气流组织

气流分配器旋钮在外壳的槽内、气流分配器顶部。外壳设有固定旋钮的旋转路线轨迹。调节各气体出口气流时,作业人员旋转B 型气流分配器旋钮,引起气流调节挡板在气流分配器内部围绕气体进口旋转。

利用旋转旋钮的磁性,通过旋转磁性旋钮,与气流调节挡板磁性吸引,带动气流分配器中气流调节挡板旋转,气流分配器中的侧板阻挡部分气体出口的气流。由于气流调节挡板阻挡部分气体出口的气流,被阻挡气体出口与未被阻挡部分气体出口的气体阻力不同,实现部分被阻挡气体出口的阻力增加,被阻挡气体出口气流减少,在总进气量不变情况下,进而未被阻挡部分的气体出口气流增加,被阻挡气体出口的气体流量小于未被阻挡部分气体出口的流量,实现简易调节气流的目的。

图4 B 型气流分配器外观简图

图5 B 型气流分配器内部结构图

3.2.3 B 型气流分配器各气体出口气流计算

B 型气流分配器中通过调节气流挡板的长度、气体出口的数量,在进口流量一定时,实现气流分配器调节不同出口流量的目的。气流调节挡板弧长可以根据出口气流流量需要进行调节,考虑到实际使用情况,气流调节挡板的弧长范围如公式(4)所示。

式中:L 为气流调节挡板弧长;C 为气流分配器周长;n 为试验值。

根据试验值测算,公式(4)中n 取值范围介于2 与4之间。

B 型气流分配器气体出口分为未遮挡部分出口与遮挡部分出口。遮挡部分出口气流量范围如公式(5)所示。

式中:I为遮挡部分出口气流量;I为B 型气流分配器气体进口流量;b 为B 型气流分配器气体出口总数量。

未遮挡部分出口气流量范围如公式(6)所示。

式中:I为未遮挡部分出口气流量;I为B 型气流分配器气体进口流量;b为B 型气流分配器被遮挡气体出口数量。

从公式(5)、公式(6)可以得出,B 型气流分配器中未遮挡出口气流量与遮挡部分出口气流量明显存在差异,且未遮挡出口气流量明显大于遮挡部分出口气流量。

4 技术特点

4.1 体积小、质量轻

A 型气流分配器与B 型气流分配器均在总供气阀后设置,质量≤100g,直径≤6cm,厚度≤3cm,具有质量轻、体积小的特点。

4.2 可靠性好

A 型气流分配器与B 型气流分配器设计结构简单,零件少,需要精密加工的零部件少,即可保证组装后无调试,均为机加工件,加工精度可以得到保证。

4.3 通用性强

A 型气流分配器与B 型气流分配器适用于携带气瓶供气、固定辅助系统供气和动力送风供气等3 类送风方式,也适用于动力式和定量式供气方式。适用于气密型防护服中气体压力≤1.0Mpa,进口气体流量≤100m/h 的条件。

4.4 成本低

这2 种气流分配器主要部件均为注塑件成型件,简化了生产工艺,降低了生产成本和产品质量。

4.5 模块化集成,方便安装、使用和更换

这2 种气流分配器采用模块化集成设计,直接安装在供气管路上,放置于防护服外,作业者单手可以操作,便于安装、使用和更换。

5 结论

A 型气流分配器与B 型气流分配器均是自行设计、研制的气体调节装置,用于单独控制气密型防护服内四肢、躯干、头部送风量。使用时作业者自行微调,改善微气候,提高作业效率,提高安全防护和应急救援能力。具有操作简单、快速调节的特点。不适用于气流的精准分配。

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