Підвищення ефективності фільтрувальних засобів індивідуального захисту для умов надзвичайних ситуацій

Abstract

У дисертаційному дослідженні, що є завершеною науковою роботою, подано результати виконання актуального науково-прикладного завдання, що полягає в забезпеченні захисту органів дихання користувачів від кислих газів, зокрема діоксиду сірки, шляхом розробки нових хемосорбентів кислих газів та конструкції фільтрувального засобу індивідуального захисту органів дихання (далі – ЗІЗОД) з примусовою подачею повітря і можливістю автоматичного регулювання об’єму повітряного потоку у відповідності до характеру фізичного навантаження користувача. Причому засіб має діяти протягом усього терміну його експлуатації та підтримувати належний рівень захисних властивостей за допомогою постійного моніторингу ключових параметрів. Проаналізовано літературні джерела з інформацією про кількість потенційно небезпечних об’єктів в Україні, шкідливі для здоров’я людини фактори в умовах настання надзвичайних ситуацій, а також відображено дані про джерела ураження цивільного населення та про відомі засоби індивідуального захисту. Досліджено наявні розробки цих засобів, стан процесів освоєння їхнього виробництва та впровадження, визначено особливості експлуатації фільтрувальних респіраторів, які застосовують під час евакуації людей із зон надзвичайних ситуацій. Виявлено основні недоліки моторованих фільтрувальних ЗІЗОД, зокрема: низька ефективність вентилятора через значний опір потоку повітря, який виникає в повітропроводі через незначні розміри повітряних каналів; неефективна робота системи керування, коли в умовах різкого підвищення витрати повітря (понад 300 л/хв.), пов’язаної з виконанням важкої роботи, вентилятор вмикається із запізненням; низька всмоктувальна спроможність відцентрованого вентилятора, через що його використання неможливе в разі забруднення атмосфери декількома видами токсичних речовин. Аби досягти заданих показників коефіцієнта захисту фільтрувальних засобів індивідуального використання (респіраторів), до відомого алгоритму в їх проектуванні було додано два кроки, які дозволяють проводити контроль захисних властивостей макетів ще на етапі їхньої розробки, а далі коригувати показники в разі відхилення від запланованих технічним завданням. При цьому було з’ясовано, що значення коефіцієнта ізоляції маски підвищується за рахунок збільшення притискних зусиль обтюратора до обличчя користувача. Цього можна досягти не тільки шляхом рівномірного розподілу притискних зусиль і підвищення еластичності матеріалу обтюратора, а й шляхом виконання на ньому спеціальної роздільної смуги, яка ураховує особливості антропометричної будови обличчя. Проведені заходи дають змогу обґрунтувати термін захисної дії протигазових і протипилових фільтрів, щоб уникнути отруєнь користувачів через потрапляння шкідливих аерозолів у підмасковий простір фільтрувального ЗІЗОД, одночасно запобігти надмірному фізичному виснаженню людини через зростання перепаду тиску на фільтрах. Для досягнення цієї мети рекомендовано оснащувати засоби захисту спеціальними індикаторами визначення забруднення повітря та величини перепаду тиску, а заради підвищення надійності захисту користувачів фільтрувальні засоби мають виконувати функції оперативного контролю опору диханню. Використання наголів’я забезпечує контроль виникнення можливих зазорів за смугою обтюрації під час проведення різних виробничих операцій, що сприяє встановленню реального терміну захисної дії фільтрів. У результаті моделювання засобами програмного середовища впливу вологості повітря на термін захисної дії протигазових фільтрів доведено, що найбільше кількість уловлюваних небезпечних аерозолів залежить від швидкості фільтрування та нерівномірності завантаження адсорбера на площину фільтра через різницю розмірів його вхідного і вихідного отворів. Останні запропоновано зменшити, встановивши в них решітки різної конструкції відразу після вхідного отвору. Сформулювавши й застосувавши теоретичні основи проектування респіраторів, було створено нову конструкцію фільтрувального ЗІЗОД, розрахованого на примусову подачу повітря. Конструкцію доповнено новим елементом – це блок контролю параметрів повітряного потоку (об’єму, швидкості, температури, вологості), який надходить у підмасковий простір респіратора аби забезпечити достатній об’єм повітря. Блок здійснює керування кількістю обертів вентилятора у заданому діапазоні, яка залежить від частоти та глибини дихання користувача під впливом фізичного навантаження. Основою розробки конструкції моторованого респіратора стало обґрунтування вибору його складових: хемосорбентів кислих газів пролонгованої дії; типу маски, яка прилягає до обличчя користувача з потрібною щільністю та при цьому безпечна й комфортна; вентилятора, який подає необхідну кількість повітря в підмасковий простір з урахуванням опору фільтрів і ємності акумулятора. Функція кожного елемента респіратора має сприяти дотриманню заданого терміну роботоздатності системи, що відповідає четвертому кроку алгоритму створення засобів індивідуального захисту органів дихання, а саме контролю їхніх захисних властивостей під час розробки макета. За результатами моделювання руху повітря через блок очищення респіратора було встановлено, що об’єм повітряного потоку, який потрапляє в підмасковий простір, лінійно залежить від частоти обертання крильчатки вентилятора, однак коли опір повітряного потоку через фільтри перевищить 7-7,5 мБар, то залежність стає нелінійною, як наслідок зміни характеру фізичного навантаження. Розроблені імпортозамінюючі імпрегновані волокнисті хемосорбенти (ІВХС) забезпечують нормовані вимоги для протигазових фільтрів класу E1 (діоксид сірки) та ІВХС кислих газів з візуальною індикацією “спрацювання” динамічної поглинальної ємності (ІВХС-І). Названі ІВХС та ІВХС-І впроваджено в практику та використовуються для виготовлення протигазових елементів ЗІЗОД. Після проведення імітаційних лабораторних випробувань на предмет дослідження захисної ефективності фільтрувальних респіраторів з примусовою подачею повітря було підтверджено, що середня величина коефіцієнта захисту випробуваних зразків коливається в межах від 99,93 до 99,97, що відповідає вимогам стандарту. Визначено, що витрата повітря під час експлуатації чистих фільтрів становить 165 і 215 дм 3 /хв відповідно до режимів роботи «Норма» і «Турбо», а коли фільтри забруднені, то – 131 і 185 дм 3 /хв. Встановлено також, що надлишковий тиск у підмасковому просторі не перевищує 2,5 мбар, а це вцілому відповідає вимогам ДСТУ EN 12941:2004. Стосовно стабільності технічних показників пристрою очищення повітря, то вона перебуває в заданому діапазоні, коли заряд акумуляторної батареї марки «DinogyLi-Pol 11000mAh 14.8V 4S 25C не нижче 12 В, аби величина струму була не меншою 1,6 А. У роботі досліджено вплив конструктивних параметрів фільтрувальної коробки респіратора на опір диханню і на тривалість захисної дії протигазових фільтрів насичених гранульованим активованим вугіллям. Було з'ясовано таку залежність: якщо маса сорбенту незмінна, то збільшення площі фільтра зумовлює істотне зниження опору диханню, тоді як зменшення шару товщини сорбенту зумовлює зниження тривалості захисної дії фільтра. Зазначено, що збільшення площі фільтра при однакових розмірах вихідного отвору фільтрувальної коробки і клапана видиху, призводить до нерівномірного розподілу швидкості фільтрації та відпрацювання окремих ділянок цього фільтра. Найбільше навантаження під час процесу сорбції (поглинання) шкідливих газів зазнає ділянка фільтру навпроти вихідного отвору. При цьому, чим більша сумірність діаметра фільтра з діаметром вихідного отвору, тим більша тривалість захисної дії, якщо товщина шару сорбенту однакова. За умови рівномірної швидкості фільтрації можна визначити час захисної дії фільтра з гранулами активованого вугілля скориставшись рівнянням (3). Результати проведених досліджень являють собою дані для проектування респіраторів, що відповідають конкретним вимогам експлуатації. Наукова новизна результатів роботи зосереджується в описаних нижче аспектах досліджень: 1. Було удосконалено: - методичні підходи до розробки моторованих респіраторів ключовим моментом якої було моделювання руху повітря через блок очищення ЗІЗОД, що дозволяє виявляти і контролювати заданий об’єм повітряного потоку, який потрапляє в підмасковий простір пристрою до органів дихання користувача на підставі лінійної залежності від частоти обертання крильчатки вентилятора, коли опір потоку перебуває в діапазоні від 1 до 7- 7,5 мБар; - науково-методичний інструментарій для визначення конструктивних параметрів фільтрувальної коробки респіратору, де було застосовано гранульоване активоване вугілля, на основі забезпечення рівномірного розподілу маси сорбенту з урахуванням вологості повітря і швидкості фільтрування; 7 - імітаційну модель, яка дає можливість розрахувати термін захисної дії протигазових фільтрів від впливу діоксиду сірки, а також дозволяє уникнути як отруєнь користувачів через потрапляння шкідливих аерозолів у підмасковий простір, так і збільшення опору диханню через накопичення зайвої вологи у фільтрі, з урахуванням концентрації токсичної речовини й температури навколишнього середовища. 2. Набув подальшого розвитку: - підхід до розробки та проектування нових конструкцій фільтрувальних моторованих респіраторів, в основі якого був обґрунтований підбір типів складових частин цих засобів, а саме: маски, яка забезпечує потрібну щільність прилягання до обличчя користувача та характеризується відповідним рівнем безпечності й комфорту; вентилятора, здатного подавати необхідну кількість повітря в підмасковий простір на основі даних про опір фільтрів та ємність акумулятора для підтримки працездатності системи впродовж заданого терміну експлуатації. Практичне значення виконаного дослідження полягає у розробленні удосконаленої конструкції фільтрувального ЗІЗОД з примусовою подачею повітря, де, на відміну від відомих засобів, у пристрій очищення повітря введено змонтований між блоком керування та блоком живлення через стабілізатор напруги, спеціальний блок контролю параметрів повітряного потоку. До того ж засіб обладнано багатофункціональною системою датчиків, встановлених в його корпусі, завдяки чому відбувається регулювання основних параметрів повітряного потоку в підмасковому просторі. Практичної ваги набуває ідея вдосконалення алгоритму проектування засобів індивідуального захисту органів дихання шляхом його доповнення додатковим етапом контролю захисних властивостей елементів конструкції респіратора ще в процесі розробки його макету. Також були відпрацьовані різні режими роботи моторованого респіратора задля того, аби контролювати об’єм та якість очищеного повітря, яке вдихає користувач з урахуванням частоти й глибини його дихання в умовах фізичного навантаження. При цьому ретельно досліджено захисні властивості фільтрувальних елементів пристрою. Запропоновано склади водних розчинів з використанням таурату калію та моноетаноламіну для отримання ІВХС кислих газів; ІВХС кислих газів з пасивною індикацією “спрацьовування” динамічної поглинальної ємності (ІВХС-І). Застосування ІВХС-І дозволило своєчасно візуально визначати момент “спрацьовування” динамічної поглинальної ємності ПГЕ ЗІЗОД, а отже, нормування їх використання. Названі хемосорбенти задіяно в протигазових й газопилозахисних респіраторах «КЛЕН» та «ШАХТАР», які виготовляються Дослідним виробництвом ФХІЗНСІЛ МОН і НАН України (м. Одеса). Пріоритет і новизна запропонованих технічних рішень та їх практичне значення підтверджено трьома патентами України на корисну модель.

The dissertation as the completed scientific work provides the solution of the urgent scientific and applied task, which consists in ensuring protection of workers' respiratory organs by developing a new design of a filtering respirator with forced air supply with the ability to automatically adjust the air flow volume in accordance with the nature of the user's physical activity throughout the entire service life while maintaining the proper level of protective properties of the device through constant monitoring of key parameters. The analysis of literary data was carried in relation to the number of potentially disruptive facilities in Ukraine, hazardous factors for human health in the case of emergencies. The article provides data on the sources of civilians and existing personal protective equipment for their development, production mastering, introduction and exploitation features of filter respirators used in the evacuation of people from emergency zones. It is shown that the main disadvantages of motorized filtering equipment are: low fan efficiency due to the significant resistance to air flow that occurs in the air duct due to the small size of the air ducts; inefficient operation of the control system causes the fan to turn on with a delay in cases of a sharp increase in air flow (more than 300 l/min) when performing heavy work; low suction capacity of the centrifugal fan, which does not allow its use in an atmosphere polluted by several hazardous substances. Achieving the set indicators of the protection coefficient of filtering personal respiratory protection equipment (respirators) is ensured by adding two steps to the existing algorithm. It allows to control the protective properties of the models at the stage of their development with further corrective actions in case of their deviation from the planned indicators of the technical task. It has been determined that the insulation coefficient of masks is improved by increasing the clamping force of the mask's face piece to the user's face. This is achieved by evenly distributing the clamping forces and increasing the elasticity of the face shield material, as well as adding a special dividing strip on the face shield that takes into account the peculiarities of the anthropometric structure of the face. This makes it possible to justify the appropriate period of protective action of gas and dust filters and to avoid both poisoning of workers due to the ingress of harmful aerosols into the undermask space of the filter respirator and excessive physical exhaustion due to an increase in pressure drop beyond the normalized substances by equipping filters with special indicators for determining air pollution and the value of the pressure drop. Also, to improve the reliability of employee protection, filter respirators are equipped with functions for controlling of breathing resistance, headband placement to control possible clearances behind the obturating line during various production processes and to set the actual period of protective effect of the filters. As a result of modeling the effect of air humidity on the protective effect period of gas filters, it was found that in the appropriate software environment, the greatest impact on the amount of hazardous aerosols captured depends on the filtering capacity and the uneven distribution of the adsorbent over the filter area due to the difference in the inlet and outlet openings. It is proposed to reduce this effect by using different designs of grids that are placed right after the inlet. Based on the proposed theoretical foundations of respirator design, a new construction of a filtering respirator with forced air supply has been developed, in which a new element has been introduced - a unit for controlling air flow parameters (volume, speed, temperature, humidity), which enters the undermask space to provide the required volume of air to the undermask space of the filtering respirator by controlling the number of fan revolutions in a given range, taking into account the user's breathing frequency and depth, depending on physical activity. The basis for the development of the design of the motorized respirator was the justification for the choice of its components: a mask that provides an appropriate fit to the user's face and is characterized by an appropriate level of safety and comfort; a fan to ensure the supply of the required amount of air to the undermask space, taking into account the resistance of the filters and battery capacity to maintain the system's performance in a given period in accordance with the fourth step of the algorithm for the development of personal respiratory protection means - control of the protective properties of the respirator construction elements at the stage of model engineering. As a result of modeling the air flow through the respirator cleaning unit, it was found that the volume of air flow entering the undermask space to the respiratory organs of the user depends linearly on the fan impeller speed. However, when the resistance to air flow through the filters reaches more than 7-7.5 mBar, the dependence becomes nonlinear, which is connected with a change in the nature of physical activity. Based on the simulation laboratory tests to determine the protective effectiveness of filtering respirators with forced air supply, it was found that the average result of the protection factor of the tested samples ranged from 99.93 to 99.97, which meets the standard requirements. It was determined that the air flow rate is maintained for clean filters at 165 and 215 dm3/min for the "Normal" and "Turbo" operating modes, and for contaminated filters - 131 and 185 dm3/min. It was found that the overpressure in the undermask space does not exceed 2.5 mbar, which fully meets the requirements of DSTU EN 12941:2004. It was defined that the stability of the technical indicators of the air purification device is maintained within a given range when charging the Dinogy Li-Pol 11000mAh 14.8V 4S 25C battery at least 12 V to ensure a current value of more than 1.6 A. The influence of the design parameters of the filter box on the breathing resistance and the time of protective action of the gas filter saturated with granular activated carbon was studied. This made it possible to establish the fact that, at a constant sorbent mass, an increase in the filter area significantly reduces breathing resistance, but a reduction in the sorbent thickness leads to a decrease in the time of the filter's protective effect. It is shown that an increase in the filter area, with the same dimensions of the filter box outlet with an exhalation valve, leads to an uneven distribution of the filtration capacity and the depletion of filter sections. The greatest load on the sorption of harmful gases is in the area opposite the outlet. The larger the diameter of the filter is compared to the diameter of the outlet, the longer the protective action time for the same sorbent thickness. Under the condition of a uniform filtration rate, the time of protective action of the filter with activated carbon granules can be determined by the obtained equation (3), which allows to design respirators that meet specific requirements. The scientific novelty of the obtained results is as follows: improved: - methodological approaches to the development of motorized respirators based on modeling the air movement through the purification unit, which allows detecting and controlling a given volume of air flow entering the undermask space to the user's respiratory organs based on a linear dependence on the fan impeller speed, which is in the range from 1 to 7-7.5 mBar; - scientific and methodological tools for developing the design parameters of a filter box with granular activated carbon, based on ensuring a balanced distribution of the sorbent mass, taking into account air humidity and filtration capacity; - a simulation model for calculating the protective action period of ammonia gas filters and avoiding both poisoning of workers due to the ingress of harmful aerosols into the undermask space and an increase in breathing resistance due to the accumulation of excess humidity in the filter, taking into account the concentration of the harmful substance and the ambient temperature. further developed: - an approach to the development and design of new constructions of filtering motorized respirators based on the justification of the choice of its components: a mask that provides an appropriate fit to the user's face and is characterized by an appropriate level of safety and comfort; a fan to ensure the supply of the required amount of air to the undermask space, taking into account the resistance of the filters and the battery capacity to maintain the system's operation for a specified explotation period. The practical significance is in the development of an improved construction of a filtering respirator with forced air supply, which differs from the known ones in that the air purification device includes a control unit for monitoring air flow parameters, connected between the control unit and through the voltage regulator with the power supply unit, and a multifunctional system of sensors installed in the device housing, with the ability to regulate the main parameters of air flow in the undermask space. In addition, ways to improve the algorithm for designing personal respiratory protection equipment by adding an additional step to control the protective properties of respirator construction elements at the stage of model engineering are proposed. Also, the modes of operation of the motorized respirator have been developed which allow controlling the volume and quality of the inhaled purified air, taking into account the frequency and depth of the user's breathing during physical activity, as well as the protective properties of the filter elements of the device. The priority and novelty of the proposed technical solutions and their practical significance have been confirmed by three utility model patents of Ukraine.