НАЦИОНАЛЬНАЯ ГОРНАЯ АКАДЕМИЯ УКРАИНЫ
Міністерство ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ГІРНИЧИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Клименко Юрій Володимирович
УДК 614.895.5:622.867.3
Розробка технічних засобів індивідуального протитеплового захисту і методу підготовки гірничорятувальників для роботи в
екстремальних мікрокліматичних умовах
Спеціальність 05.26.01 - Охорона праці
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дніпропетровськ – 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Науково-дослідному інституті гірничорятувальної справи НВО “Респіратор” Міністерства палива та енергетики України (м. Донецьк).
Науковий керівник:
кандидат технічних наук Смоланов Сергій Миколайович, Державна воєнізована гірничорятувальна служба у вугільній промисловості Міністерства палива та енергетики України (м. Донецьк), начальник Центрального штабу.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор Булгаков Юрій Федорович, Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри охорони праці та аерології;
кандидат технічних наук, доцент Алексеєнко Сергій Олександрович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), доцент кафедри аерології та охорони праці.
Провідна установа – Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства палива та енергетики України, лабораторія кондиціонування повітря.
Захист дисертації відбудеться “5” червня 2003 р. о 14-ої годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 при Національному гірничому університеті за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного гірничого університету за адресою: 49027, м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.
Автореферат розісланий “3” травня 2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
доктор технічних наук, професор В.Т.Заїка
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Стан і актуальність теми. Аналіз практики гірничорятувальних робіт у вугільній промисловості України показує, що більш половини від їх загального обсягу виконується в екстремальних мікрокліматичних умовах, у зоні з підвищеною температурою повітря (ЗПТ). Ці умови характеризуються температурою шахтного повітря понад 300 К (+27С), високою відносною вологістю, а також значенням швидкості повітряного струму, несприятливого для організму людини. За останні 10 років при ліквідації наслідків 1355 аварій гірничорятувальники України відробили у ЗПТ 312 тисяч годин, що складає біля 55% від загального обсягу аварійно-рятувальних робіт.
До початку сьогоденного дослідження технічний рівень засобів захисту гірничорятувальників істотно відставав від вимог до ефективності безпеки та охорони праці аварійно-рятувальних робіт у ЗПТ. Тому дослідження та удосконалювання засобів індивідуального захисту гірничорятувальників при проведенні аварійно-рятувальних робіт в екстремальних мікрокліматичних умовах та методи їх підготовки у даний час є актуальною задачею.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація виконана відповідно до Національної програми поліпшення охорони праці на 1996–2000рр., прийнятої Кабінетом Міністрів України від 02.11.96р. №1345. У дисертаційну роботу ввійшли результати досліджень у галузі протитеплового захисту гірничорятувальників, що виконані у НДІГС при особистій участі автора за темами: “Разработать и внедрить противотепловую куртку с капюшоном и водо-ледяными охлаждающими элементами”; “Разработать для горноспасателей два типа противотепловых костюмов: ПТК-80 и ТК-60М”; “Разработать автономный противотепловой костюм для членов ВГК шахты, используемый при тушении пожаров в начальной стадии развития” та “Разработать технические средства для повышения тепловой устойчивости горноспасателей в воздухо- и паронепроницаемом костюме и отраслевой стандарт Украины по применению этих средств” (ДР №01850035863, №01900036039, №0198U029184, №0198U033241).
Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розкриття особливостей теплових процесів у системі “навколишнє середовище – засіб захисту – організм людини” та створення на цій підставі технічних засобів індивідуального протитеплового захисту та методів підготовки гірничорятувальників для виконання робіт в екстремальних мікрокліматичних умовах.
Для досягнення поставленої мети необхідно:
1. Дослідити мікрокліматичні умови в гірничих виробках шахт при різних екстремальних ситуаціях, стадіях розвитку пожеж та вплив їх на гірничорятувальників.
2. Дослідити теплообмінні процеси у системі “навколишнє середовище – засіб захисту – організм людини” та визначити оптимальне співвідношення теплоізоляції та потужності системи охолодження протитеплової одежі (ПТО).
3. Науково обґрунтувати вибір схем охолодження тіла гірничорятувальника, конструкцію водокрижаного охолоджувального елементу та визначити його раціональні параметри.
4. Дослідити теплофізичні процеси при роботі гірничорятувальника у повітро- та паронепроникному костюмі та розробити метод експрес-діагностики придатності гірничорятувальників до виконання робіт у екстремальних мікрокліматичних умовах та теплових тренувань для підвищення теплової стійкості їх організму.
5. Обґрунтувати параметри типоряду нових засобів індивідуального протитеплового захисту гірничорятувальників та розробити галузеві нормативні документи, щодо порядку використання засобів індивідуального протитеплового захисту гірничорятувальників в аварійних умовах та при підготовці гірничорятувальників.
Об’єктом досліджень є процес виконання аварійно-рятувальних робіт в екстремальних мікрокліматичних умовах.
Предметом досліджень є тепломасообмінні процеси у системі: навколишнє непридатне для дихання нагріваюче повітряне середовище – засіб індивідуального протитеплового захисту – організм гірничорятувальника і теплофізичні параметри засобів індивідуального протитеплового захисту та костюмів для теплових тренувань гірничорятувальників.
Методи дослідження. При виконанні дисертаційної роботи використані аналітико-експериментальні методи досліджень. Аналітичні методи використані при теоретичному дослідженні тепломасообмінних процесів у системі “навколишнє середовище - засіб захисту - організм людини”, виборі та обґрунтуванні оптимальних теплофізичних та конструктивних параметрів протитеплового одягу та їх елементів. Експериментальні методи використані для підтвердження теоретичних висновків та для дослідження й удосконалювання засобів підготовки гірничорятувальників до ерготермічного навантаження.
Ідея роботи полягає в розкритті та використанні закономірностей теплопереносу в системі “навколишнє середовище - засіб захисту - організм людини” для визначення найбільш раціональних параметрів захисного одягу гірничорятувальників.
Основні наукові положення та результати, їх новизна.
Наукові положення:
1.
Урахування в тепловому балансі системи “навколишнє середовище – засіб захисту – організм людини” тепловиділення респіратора і теплообміну за рахунок випарування поту людини підвищує точність визначення основної характеристики захисного одягу – часу захисної дії – в два рази, що дозволяє розробляти більш ефективні засоби індивідуального захисту гірничорятувальників.
2.
Застосування гнучких чотирисекційних водокрижаних акумуляторів холоду дозволяє за рахунок їх локального розташування захистити найбільш вразливі до перегріву місця тіла людини при температурі навколишнього середовища до 573 К (300оС) на протязі 20 хвилин, що значно підвищує безпеку робіт в екстремальних мікрокліматичних умовах.
3.
Показники теплової стійкості гірничорятувальників при виконанні ерготермічних навантажень у мікрокліматичній камері та в ізолюючому костюмі з повітро- та паронепроникного матеріалу практично однакові (погрішність не перевищує 5%).
Наукові результати:
1.
Встановлені закономірності формування променистого теплового потоку при пожежах у вугільних шахтах. Уперше визначено максимально можливий променистий тепловий потік у залежності від пожежного навантаження (деревина, конвеєрна стрічка, вугілля), який складає від 3 до 25 кВт/м2 при площі поперечного перерізу виробки від 4 до 16 м2, та допустиму відстань, на яку може наблизитися гірничорятувальник без засобів протитеплового захисту до вогнища, що становить від 8 до 22 м.
2.
Вперше встановлено залежність тепловіддачі організму шляхом випару поту від різниці парціальних тисків пару над шкірою людини та під костюмом, а також швидкості руху повітря у підкостюмному просторі. Розроблено фізико-математичну модель формування теплового балансу в системі “навколишнє середовище – засіб захисту – організм людини”, що враховує тепловиділення регенеративного респіратора.
3.
Теоретично та експериментально обґрунтовано застосування в індивідуальних протитеплових засобах захисту гірничорятувальників локальної конвективно-кондуктивної системи захисту організму у вигляді гнучких чотирисекційних водокрижаних акумуляторів холоду, виготовлених із плівки поліетилену низького тиску. При цьому потужність системи охолодження при температурі навколишнього середовища від 333 до 473 К (від 60 до 200оС) складає від 0,5 до 3,0 кВт, а маса шарів ізоляції - від 1,8 до 4,0 кг.
4.
Науково обґрунтовано правомірність використання ізолюючих костюмів з повітро-паронепроникного матеріалу для оцінки професійної придатності гірничорятувальників до ерготермічних навантажень і теплових тренувань. Вперше встановлено, що ерготермічне навантаження в ізолюючому костюмі при виконанні фізичної роботи відповідає навантаженню, адекватному потужності фізичної роботи, яка виконується в мікрокліматичній камері при температурі 313 К (40оС) і відносній вологості повітря 85%.
Практичне значення роботи полягає у використанні її результатів при розробці та впровадженні в підрозділи ДВГРС Мінпаливенерго України для ведіння аварійно-рятувальних робіт в умовах підвищеної температури шахтного повітря типоряду засобів індивідуального протитеплового захисту гірничорятувальників, до яких входять: протитеплова куртка ТК-50, протитеплові костюми ТК-60М та ПТК-80, протипожежний костюм ПТК-300. Розроблено та впроваджено Державний нормативний документ ДНАОП 1.1.30-6.11-97 (Додаток 21 “Статут ДВГРС по організації і веденню гірничорятувальних робіт”), що регламентує використання на практиці зазначених засобів захисту, і галузевий стандарт по новому методу визначення і підвищення теплової стійкості гірничорятувальників.
Особистий внесок здобувача полягає в постановці мети і задач досліджень, формулюванні ідеї роботи, основних наукових положень, проведенні теоретичних та експериментальних досліджень. Зміст дисертації викладений автором особисто.
Дослідно-промислова перевірка результатів роботи виконана безпосередньо в аварійних умовах при ліквідації аварій на вугільних шахтах України та під час практичної діяльності ДВГРС. У роботах, опублікованих у співавторстві, внесок дисертанта такий: у [4, 5] – участь у виконанні експериментальних досліджень, аналіз результатів;[6, 7, 13] – розробка методу теплового розрахунку одягу; [9, 14] – постановка задач досліджень, математичні розрахунки, аналіз результатів; [8, 10, 11] – натурні дослідження, обробка результатів.
Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на науково-практичній конференції “Шляхи розвитку гірничорятувальної справи” (Донецьк, 1997), 29-й міжнародній конференції з безпеки робіт у гірничій промисловості (Польща, Катовіце, 2001), науково-практичній конференції “Пожежна безпека – 2001” (Україна, Львів, 2001), XVI міжнародній конференції по боротьбі з пожежами: “Великі пожежі: попередження та гасіння” (ВНДІПО, Росія, Москва, 2001).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 наукових робіт, у тому числі у наукових фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України – 9, тез в матеріалах конференцій – 4.
Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел із 103 найменувань і 2 додатків. Загальний обсяг дисертації – 189 сторінок, із них основний текст на 140 сторінках, що містить 25 таблиць та 23 рисунка.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі розкрито стан вирішення проблеми й обгрунтовано актуальність досліджень по обраній темі, сформульовано наукову проблему, мету та задачі досліджень, викладено загальну характеристику дисертації.
У першому розділі проаналізовано аварійність на підприємствах Мінпаливенерго України за 10 років з позицій виникнення при аваріях на шахтах екстремальних мікрокліматичних умов та особливостей ведення гірничорятувальних робіт. Показано, що біля 55% від всього обсягу, а при гасінні підземних пожеж – 60% аварійно-рятувальних робіт з ліквідації аварій, виконується в зоні з підвищеною температурою повітря від 300 до 423 К (від 27 до 150оС). Праця гірничорятувальників в цих умовах пов'язана з високими ерготермічними навантаженнями, великим професіональним ризиком та виконується з використанням засобів індивідуального захисту – протитеплової одежі (ПТО).
Приведено огляд розвитку ПТО за останні 50 років та оцінено технічний рівень цих засобів захисту, що знаходяться на оснащенні гірничорятувальників до моменту сьогоднішнього дослідження. До них відносяться протитеплові костюми ПТК-100 і ТК-60, протитеплова куртка ТК-40 та устаткування для їхньої експлуатації. Ці технічні засоби вже не забезпечують достатнього рівня ефективності і безпеки робіт у ЗПТ унаслідок їхньої великої маси, недостатнього часу захисної дії і недоліків в обслуговуванні. Приведено аналіз раніше виконаних досліджень і розробок в області створення й удосконалювання засобів індивідуального протитеплового захисту та обґрунтовано загальну потребу подальшого продовження та поглиблення цих робіт. Показано, що для підвищення ефективності та безпеки гірничорятувальних робіт в екстремальних мікрокліматичних умовах необхідно також удосконалювати методи підготовки самих гірничорятувальників до високих ерготермічних навантажень.
За результатами аналізу сформульовані задачі дослідження, вирішення яких дозволяє досягти мети дисертації.
У другому розділі виконані дослідження теплофізичних процесів у системі “навколишнє середовище – захисний одяг – людина” та сформульовані теоретичні основи створення захисного одягу для гірничорятувальників.
Дослідження мікрокліматичних умов у виробках вугільних шахт виконано за чотирма параметрами: температурою повітря, його відносною вологістю, швидкістю руху та за тепловим випромінюванням стінок гірничої виробки, а в аварійній ситуації – осередку пожежі. Для інтегральної оцінки мікроклімату в шахті за усіма зазначеними параметрами у нормальних експлуатаційних умовах було запропоновано комплексний показник – термоіндекс. Для аварійної ситуації за першим параметром у залежності від реальних технічних можливостей різних типів засобів захисту встановлено три діапазони температури повітря в ЗПТ: перший або основний робочий діапазон – від 300 до 313 К (від+27 до +40оС); другий або перехідний діапазон – від 314 до 333 К (від 41 до 60оС); третій або пожежний діапазон – від 334 до 423 К (від 61 до 150оС).
Показано, що для забезпечення можливості праці гірничорятувальників у всіх трьох температурних діапазонах необхідно створити новий типоряд ПТО, що складається з декількох моделей. Кожна з них повинна забезпечувати виконання усіх видів гірничорятувальних робіт у заданому температурному діапазоні з деяким перекриттям сусіднього діапазону.
При активному гасінні екзогенних пожеж з боку свіжого струменя, що відбувається в третьому температурному діапазоні, для підвищення ефективності гасіння гірничорятувальнику або члену ВГК шахти, що використовує пожежний ствол або вогнегасник, необхідно наблизитися на можливо меншу відстань до вогнища пожежі. У таких умовах першорядного значення набуває вплив на гірничорятувальника променистої теплової енергії осередку пожежі. Виконано теоретичне й експериментальне дослідження цього впливу. Проведено математичне моделювання результатів впливу теплової енергії осередку пожежі на навколишні предмети та на гірничорятувальника в протитепловому одязі.
Це дозволило з метою забезпечення протитеплового захисту гірничорятувальників в зазначених умовах поставити та реалізувати задачу створення нового протипожежного костюма, який захищає людину протягом реального періоду часу від впливу променистої теплоти і температури повітря до 573 К (+300С). Одночасно третій температурний діапазон розширено до зазначеного рівня.
Визначальним фактором при створенні протипожежного костюма, від якого залежать вибір матеріалу його зовнішньої оболонки, яка відбиває теплоту, кількість шарів теплоізоляції та система його охолодження, є поверхнева щільність променистого теплового потоку q, кВт/м2, що діє на костюм. Отримано залежність цього параметра від максимальної температури в осередку пожежі ТГ, К, площі перерізу палаючої виробки S, м2 і відстані між людиною та центром пожежі x, м:
. (1)
Приймаючи з дослідних даних як припустиме (критичне) значення поверхневу щільність променистого теплового потоку, що діє на шкіру людини, q = 1 кВт/м2, отримано припустиму відстань xкр, на яку може наблизитися гірничорятувальник без засобів захисту до кордону осередку пожежі:
. (2)
На основі рівнянь (1) і (2) побудовано номограму (рис.1) для визначення поверхневої щільності променистого потоку q у залежності від відстані (Х, м) до осередку пожежі, типу палаючих матеріалів (1 - дерев'яне кріплення; 2 - конвеєрна стрічка; 3 - вугілля) і переріза (S, м2) виробки (4 – 10 – площі перерізу відповідно
4 – 16 м2 із кроком 2 м2).
Розраховані значення теплових параметрів при розвиненій пожежі та їхній вплив на протитепловий костюм. Отримані результати є основою для вибору матеріалів, кількості шарів і системи охолодження протитеплового костюма (ПТК-300), що був виготовлений і випробуваний у дослідно-експериментальній штольні
(S = 4 м2) НДІГС при горінні дерев'яного кріплення, конвеєрної стрічки і вугілля.
Експериментальні значення хkр і променистого потоку нижчі, ніж розрахункові, що з урахуванням резерву для безпеки забезпечить надійність роботи в протитепловому костюмі членів ВГК шахти і гірничорятувальників при гасінні пожеж.
У розділі детально проаналізовані теплообмінні процеси у системі “навколишнє середовище – захисний одяг – людина”. Показано, що максимально можливе тепловідведення організму шляхом випаровування поту визначається залежностями:
Фп =(Pа – Pк)(0,07 + 0,1 v)/(1,25 + 0,37 v); | (3)
Pа = exp((1514 + 23,6 tв)/(236 + tв)) – 67(tс – tв), | (4)
де Pа і Pк – парціальний тиск водяного пару під костюмом і відповідно над шкірою людини, Па; v – швидкість руху повітря в підкостюмному просторі, м/с; tв, tс – температура повітря в підкостюмному просторі за вологим та сухим термометром відповідно, оC.
Тепловиділення респіратора визначається за формулою
Фр = Qу qМ , | (5)
де Qу – теплота реакції поглинання CO2, Дж/моль; qМ – молярна витрата CO2, моль/с.
Вирішено задачу визначення оптимального співвідношення (рис.2) товщини теплоізолюючої оболонки , м, потужності системи охолодження Фк, Вт та часу захисної дії одягу , хв:
=((S(t2 –t1)/тп )0,5 –1/1 – 1/2); | (6) | Фк= п mх / , | (7) | де – коефіцієнт теплопровідності матеріалу оболонки костюма, Вт/(мК); S – площа поверхні теплоізолюючої оболонки, м2 ; т – щільність матеріалу теплоізоляції, кг/м3; п – приведений питомий ресурс холодоагенту, Дж/кг; mх – маса холодоагенту, кг; 1, 2 – коефіцієнти тепловіддачі оболонки костюма, Вт/(м2К).
Обґрунтовані основні принципи та отримані значення розподілу знімання теплоти з поверхні тіла людини у захисному костюмі (таблиця 1), в якій x – відносна частка теплоти, що проникає з навколишнього середовища через відповідну ділянку оболонки костюма; y – відносна частка теплоти, виділена відповідною частиною тіла людини; Qвід – частка необхідного знімання теплоти з визначеної ділянки підкостюмного простору стосовно загального знімання теплоти.
Отримані результати надалі з'явилися основою для розподілу водокрижаних акумуляторів холоду.
У третьому розділі приведено результати досліджень з вибору системи охолодження протитеплового одягу і визначено її параметри. Викладено результати дослідження різних видів холодоагентів з позицій їх теплофізичних властивостей, зручності експлуатації, екологічної нешкідливості, економічності. Обґрунтовано вибір водяного льоду як холодоагенту, види акумуляторів холоду, розташованих у просторі під одягом, і комбінованої системи охолодження з конвективно-кондуктивним теплопереносом. Акумулятором холоду запропоновано нову модифікацію охолоджуваного елементу ОЕ–2 у виді ампули з чотирьох секцій, виконаної з плівки шляхом зварювання, заповненою питною водою, яка герметично заварена між секціями і по краях.
Проаналізовано теплофізичні характеристики різних видів полімерних плівкових матеріалів, що випускаються промисловістю України, і обґрунтовано доцільність застосування для оболонки ОЕ–2 поліетиленової плівки низького тиску. При цьому найбільш важливим питанням є вибір оптимальної товщини плівки, що задовольняє двом умовам:
(8)
де 1 - товщина поліетиленової плівки, м; 1 - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(мК); max, - максимальна напруга і межа міцності матеріалу плівки, Па.
На підставі першої умови для визначення максимально припустимої товщини плівки розглянуто процес теплопереносу від повітряного середовища простору під одягом до льоду, що тане, ОЕ–2 при роботі гірничорятувальника середньої ваги при температурі зовнішнього середовища 313 К (+40С). У результаті визначено, що товщина поліетиленової плівки з коефіцієнтом теплопередачі ?1?0,28 Вт/(м?К) не повинна перевищувати
?max = 0,7?10-3 м.
Для визначення мінімально припустимої товщини плівки виконано дослідження її термопружного стану в процесі заморожування ОЕ–2 в азотній і повітряних морозильних установках, що знаходяться на оснащенні ДВГРС, при різних комбінаціях перепаду температур у межах від 213 до 248 К (від мінус 60 до мінус 25С) та від 233 до 248 К (від мінус 40 до мінус 25С). У результаті показано, що з урахуванням технологічного забезпечення якості зварених швів для виготовлення ОЕ–2 необхідно використовувати поліетиленову плівку вітчизняного виробництва товщиною 0,15?10-3 м.
З урахуванням основних вимог, що забезпечують ефективне охолодження тіла гірничорятувальника (максимального забезпечення пропорційності розміщення ОЕ–2 відповідно до отриманого знімання теплоти різних ділянок тіла, використання мінімальної кількості ОЕ–2 для оперативної готовності до застосування і мінімальної маси ПТО), розроблено різні схеми охолодження типоряду засобів (куртки чи костюму) для ведіння аварійно-рятувальних робіт у діапазоні температури зовнішнього середовища від 300 до 573 К (від +27 до +300С).
Отримано залежність для визначення періодичності виконання руху руками уверх-униз і необхідної кількості води, щоб вона в контакті з ОЕ–2 в непроникному рукаві надходила у гумову рукавичку та охолоджувала таким чином кисті рук. Встановлено, що для забезпечення ефективності охолодження необхідно використовувати від 0,1 до 0,15 кг води, а рух рук здійснювати через 4–5 хв.
Досліджено теплофізичні і гідравлічні процеси в системі “водокрижана кишеня - сполучна трубка – устілка з водою”, призначеній для охолодження ступень ніг гірничорятувальника для роботи в ПТО при температурі 333 К (+60С) і вище. Отримано рівняння для визначення швидкості руху води з кишені в устілку при ламінарному і турбулентному витіканні, для рішення якого використовується чисельний метод:
, (9)
де – швидкість руху води, м/с; l1, – довжина і діаметр трубки, м; – п’єзометричний напір, м; 1 – час руху води, c; , кр – час руху води по трубці протягом одного кроку гірничорятувальника і час, при якому швидкість руху досягне свого максимального значення, с; – коефіцієнт кінематичної в’язкості, м2/с; с – сумарний коефіцієнт місцевих опорів; g – прискорення сили ваги, м/с2.
Встановлено, що при одному кроці гірничорятувальника і регламентованій швидкості його руху по гірничих виробках шахт вода з устілки по трубці надійде до водокрижаної кишені, охолоне та надійде назад до неї, в результаті чого відбудеться охолодження ступень ніг, причому мінімальний діаметр трубки дорівнює 3?10-3 м, а ефективне охолодження забезпечується протягом часу захисної дії ПТО.
У четвертому розділі викладено результати досліджень і розробки методу підготовки гірничорятувальників до ерготермічних навантажень з використанням для цієї мети повітро- та паронепроникного костюма (ППК). Використання костюма ППК для теплових тренувань і визначення теплової стійкості гірничорятувальників засновані на еквівалентній заміні зовнішнього теплового впливу на організм людини в тепловій камері накопиченням у ньому метаболічної теплоти за рахунок застосування костюма ППК і дозованого фізичного навантаження в приміщенні зі звичайними кліматичними умовами. Проведено теоретичне дослідження, що підтвердило правомірність використання костюма ППК для цієї мети.
Проведено порівняльні дослідницькі випробування теплової стійкості 62 кандидатів у гірничорятувальники в мікрокліматичній камері та у костюмі ППК, фізіологічні параметри яких у результаті досліджень виявилися практично однаковими (табл.2), що підтвердило можливість використання костюма для визначення теплової стійкості при професійному доборі робітників на службу у ДВГРС.
Таблиця 2
Показники теплової стійкості при професійному доборі
робітників на службу у ДВГРС
Показники | Засоби визначення | в мікрокліматичній камері | в костюмі ППК | Вихідний рівень частоти серцевих скорочень, хв-1 | 73,90,4 | 72,50,4
Р<0,02 | Термін, за який температура тіла підвищується на 1 К (1С), хв. | 37,40,3 | 38,60,3
Р0,01 | Рівень частоти серцевих скорочень на кінець випробувань, хв-1 | 144,80,4 | 143,70,5
Р>0,08 | Приріст частоти сердечних скорочень, хв-1 | 70,90,4 | 71,20,4
Р0,2 | Інтегральний показник теплової стійкості, умов.од. | 14,80,2 | 15,40,2
Р0,05 |
У результаті подальших випробувань стажистів у костюмі ППК і людей, що не проходили стажування, на основі даних про більш високий функціональний стан організму обстежуваних стажистів, їхньої працездатності і протидії впливу перегрівання підтверджена ефективність використання костюма в період стажування, а також для підвищення теплової стійкості гірничорятувальників у процесі щомісячних теплових тренувань у дихальних апаратах. Час роботи у костюмі ППК до досягнення припустимого приросту температури тіла в ректальній порожнині на 1 К (1С), отриманий при теоретичному дослідженні і при випробуваннях гірничорятувальників, практично збігається, що підтверджує правомірність використання розробленого методу розрахунку в подальших дослідженнях.
У п'ятому розділі приведено методику і результати випробувань розробленого типоряду засобів індивідуального протитеплового захисту, що складається з чотирьох моделей ПТО: протитеплової куртки ТК-50, протитеплових костюмів ТК-60М, ПТК-80 і ПТК-300.
Сутність методики полягала у тому, що випробувачі - професійні гірничорятувальники, одягнені в кожну з моделей ПТО (окрім костюма ПТК-300), виконували в мікрокліматичній камері НДІГС дозоване фізичне навантаження. Вага навантаження, параметри з температури та вологості повітря в камері і планована тривалість експериментів відповідають вимогам технічної документації на кожну модель типоряду.
При проведенні експериментів фіксувалися вихідні, поточні і кінцеві фізіолого-гігієнічні параметри випробувачів, а також експлуатаційні характеристики ПТО, що й служило основним критерієм для оцінки кожної моделі. Фіксувалися та розраховувалися зокрема частота серцевих скорочень, артеріальний тиск, внутрішня температура тіла, середня температура поверхні шкіри, тепломісткість організму, час простої зорово-моторної реакції, ступінь концентрації і стійкості уваги. Визначався час захисної дії випробовуваних моделей ПТО щодо досягнення фізіолого-гігієнічних параметрів припустимого рівня. Результати випробувань підлягали статистичній обробці з довірчою імовірністю 0,95.
На наступному етапі ті ж випробувачі в кожній з перших трьох моделей ПТО виконували в навчальній шахті ДВГРС вправи, що імітують реальну роботу гірничорятувальників у ЗПТ при аварії в шахті з контролем основних фізіолого-гігієнічних параметрів. Дослідженням піддалися дослідні зразки моделей і зразки, відібрані з дослідних партій або установочних серій.
Порівняльні результати розрахунків часу захисної дії ПТО як основного її параметра, і даних, отриманих при випробуваннях, приведені на рис.3. Штриховою, штрих-пунктирною та суцільною лініями позначені результати відповідно по розробленому, по існуючому методах розрахунку та при випробуваннях у мікрокліматичній камері з позначеннями: для куртки ТК-50 (1), костюмів ТК-60М (2) та ПТК-80 (3).
Звідси випливає, що відносна погрішність у результатах по існуючому методу розрахунку, що не враховує тепловиділення респіратора і теплообмін за рахунок випару поту гірничорятувальника, і експерименту складає від 20 до 40%. При цьому перші є завищеними, а по розробленому методу максимальна погрішність дорівнює близько 20%, за винятком результатів для куртки ТК-50 (близько 50%) тільки при температурі зовнішнього середовища 313 К (+40С).
Для костюма ПТК-300 ця погрішність складає 25% при температурі 573 К (+300оС) і поверхневій щільності променевого потоку до 13 кВт/м2. Отже, загалом результати по розробленому методу розрахунку задовільно погоджуються з даними випробувань ПТО, що підтверджує правомірність основних положень теоретичних досліджень.
Дослідження показали, що всі чотири зазначених вище моделі ПТО цілком відповідають вимогам технічної документації на кожну з них, і на цій підставі вони були допущені до застосування і впровадження в підрозділи ДВГРС.
Протипожежний костюм ПТК-300 був підданий випробуванням тільки в найбільш важких для нього умовах при температурі повітря 573 К (+300С) і поверхневій щільності променистого потоку 13 кВт/м2 у дослідно-експе-риментальній штольні НДІГС та показав при цьому час захисної дії 20 хв.
Технічні характеристики розроблених моделей ПТО приведені в таблиці .
Таблиця 3
Технічна характеристика моделей типоряду ПТО
Показник | Тип ПТО | ТК-50 | ТК-60М | ПТК-80 | ПТК-300* | Маса ПТО, кг | 4,3 | 12,0 | 14,5 | 20,0 | У тому числі маса ОЕ–2, кг | 2,8 | 6,2 | 6,9 | 7,6 | Повна маса спорядження гірничорятувальника у ПТО, кг |
21,3 |
24,0 |
28,5 |
33,5 | Запас холоду, кДж | 1010 | 2400 | 2670 | 2930 | Час захисної дії, хв.
при температурі 303 К (30оС) |
150–– |
313 К (40оС) | 40 | 130–– | 323 К (50оС) | 30 | 110 | 130– | 333 К (60оС) | 10 | 90 | 105 | (130) | 353 К (80оС)–– | 90 | (110) | 423 К (150оС)–– | 45 | (55) | 573 К (300оС)––– | (25) 20 | Термін служби, років | 5 | 5 | 5 | 5 | *У дужках приведені результати теоретичних досліджень.
З метою практичної реалізації результатів дисертаційної роботи розроблені і використовуються нормативні документи, у яких дисертант є співавтором: Додаток 21 до Статуту ДВГРС 1997 р., “Посібник по веденню гірничорятувальних робіт в умовах підвищеної температури рудникової атмосфери” і галузевий стандарт ДСТУ “Визначення теплової стійкості гірничорятувальників у повітро- та паронепроникному костюмі. Методика”.
Розроблені та використовані в підрозділах ДВГРС типоряд засобів індивідуального протитеплового захисту гірничорятувальників і новий метод підготовки їх до ерготермічних навантажень, а також нормативні документи дозволили підвищити ефективність і безпеку ведення аварійно-рятувальних робіт в екстремальних мікрокліматичних умовах при ліквідації наслідків аварій у шахтах. На основі викладеного випливає, що поставлена в дисертаційній роботі ціль досягнута, а задачі вирішені.
Загальний річний економічний ефект від впровадження засобів та методу підготовки гірничорятувальників у Державній воєнізованій гірничорятувальній службі Мінпаливенерго України складає 730 тис. грн.
Розроблені методи і засоби індивідуального захисту можуть знайти застосування в практиці аварійно-рятувальних підрозділів МНС, пожежних команд, ремонтних бригад плавильних печей металургійної, хімічної та скляної промисловості. Метод підготовки людини до ерготермічних навантажень може бути використаний для шахтарів, що працюють на глибоких горизонтах в умовах підвищених температур навколишнього повітря у вугільній промисловості України і країн СНД.
ВИСНОВКИ
У дисертації здійснено рішення актуальної науково-технічної задачі підвищення безпеки аварійно-рятувальних робіт у зоні з підвищеною температурою повітря, що полягає в обґрунтуванні принципів створення технічних засобів індивідуального протитеплового захисту гірничорятувальників, уточнення механізму формування теплового балансу у системі “навколишнє середовище – захисний одяг – організм людини”, створенні локальної конвективно-кондуктивної системи охолодження тіла гірничорятувальника в екстремальних мікрокліматичних умовах та розроблення нової ефективної та енергозберігаючої методики з теплового тренування гірничорятувальників.
Основні висновки, наукові і практичні результати роботи полягають у наступному.
1. Обґрунтовано принцип створення типоряду індивідуального протитеплового захисту гірничорятувальників, що базується на зображенні ерготермічних умов у шахтах як системи з параметрами (температурою, вологістю, швидкістю повітря, променистим тепловим потоком, фізичним навантаженням), які визначають вибір методу підготовки і конкретних захисних засобів для різних умов. Встановлено, що у екстремальних умовах на гірничорятувальника впливає температура навколишнього середовища від
303 до 573 К (від +30 до +300оС), максимальний променистий тепловий потік на відстані 5 м дорівнює від 3 до 25 кВт/м2 при площі поперечного перерізу виробки від 4 до 16 м2.
2. Досліджено механізм формування теплового балансу системи “навколишнє середовище - засіб захисту - організм людини”. Встановлено параметри тепловиділення респіратора і теплообміну за рахунок випаровування поту людини. Обґрунтовано співвідношення товщини теплоізолюючої оболонки одягу від потужності системи охолодження з використанням маятникової схеми охолодження рук та ніг гірничорятувальника при температурах повітря від 333 до 573 К (від +60 до +300оС), що дало можливість знизити відносну погрішність у визначенні основної технічної характеристики - часу захисної дії - з 40 до 20%.
3. Обґрунтовано застосування локальної конвективно-кондуктивної системи охолодження тіла гірничорятувальника у вигляді гнучких чотирьохсекційних акумуляторів холоду, що забезпечує теплозняття з різних ділянок тіла при мінімальній масі і коефіцієнті теплопроводності, термічної міцності водо-крижаних охолоджуючих елементів, виготовлених з плівки поліетилену низького тиску товщиною 1,510-4 м.
4. Теоретично доведена та експериментально підтверджена гіпотеза про можливість використання ізолюючих костюмів з повітро- та паронепроникного матеріалу для експертизи професійної придатності гірничорятувальників до ерготермічних навантажень. Встановлено, що ерготермічне навантаження в ізолюючому костюмі з виконанням фізичної роботи відповідає навантаженню, створеному в мікрокліматичній камері при температурі 313 К (+40оС) і відносній вологості повітря 85%.
5. Дані експериментальних досліджень дослідних зразків захисного одягу з різними системами охолодження, що отримані при участі гірничорятувальників у тепловій камері, дослідно-експериментальній штольні НДІГС та навчальній шахті ДВГРС, які атестовані у Донецькому Державному центрі стандартизації, метрології та сертифікації, задовільно збігаються з результатами теоретичних досліджень.
6. На підставі отриманих результатів досліджень і випробувань розроблено і впроваджено у підрозділи ДВГРС типоряд засобів індивідуального протитеплового захисту гірничорятувальників (куртка ТК-50, костюми ТК-60М, ПТК-80, ПТК-300 і ВПК), що за своїми технічними характеристиками перевершують попередні засоби, у тому числі закордонні. Розроблені та використовуються нормативні документи: “Посібник по веденню гірничорятувальних робіт в умовах підвищеної температури рудникової атмосфери” (Додаток 21 до Статуту ДВГРС) та ДСТУ “Визначення теплової стійкості гірничорятувальників у повітро- та паронепроникному костюмі. Методика”.
Розроблені засоби можуть бути використані підрозділами МНС для аварійно-рятувальних робіт і при гасінні пожеж, для ремонту плавильних печей металургійної промисловості та інших галузей, а метод підготовки гірничорятувальників до ерготермічних навантажень - шахтарями, що працюють на глибоких горизонтах в умовах підвищених температур.
Загальний річний економічний ефект від впровадження засобів та методу підготовки гірничорятувальників складає 730 тис.грн.
Основні положення дисертації опубліковані у роботах:
1.
Клименко Ю.В. Техническая оснащенность оперативных подразделений ГВГСС // Уголь Украины. - 1997. - №9. - С. 5–6.
2.
Клименко Ю.В. Теоретические основы тепловых расчетов противотепловой одежды для горноспасателей // Науковий вісник НГАУ. - Дніпропетровськ, 2001. - №3. - С.70–73.
3.
Клименко Ю.В. Математическая модель процесса замораживания охлаждающих элементов для противотепловой одежды горноспасателей// Науковий вісник НГАУ. - Дніпропетровськ, 2001. - №6. - С.71–75.
4.
Клименко Ю.В., Марийчук И.Ф. Воздействие лучистого потока на человека при тушении подземного пожара// Науковий вісник НГАУ. - Дніпропетровськ, 2002. - №1. - С.46–49.
5.
Макарцев В.И., Величко М.М., Клименко Ю.В. Определение работоспособности горноспасателей//Горноспасательное дело: Сб.науч.тр. НИИГД.-Донецк, 2001. - С. 62–69.
6.
Клименко Ю.В., Землянский И.Я. Водоледяная система охлаждения ступней// Горноспасательное дело: Сб. науч. тр. НИИГД. - Донецк, 2002. - С.119–125.
7.
Карпекин В.В., Марийчук И.Ф., Клименко Ю.В. Определение параметров водо-ледяного аккумулятора холода для противотепловой одежды горноспасателей// Науковий вісник НГАУ. - Дніпропетровськ, 2002. - №5. - С.82–86.
8.
Клименко Ю.В., Величко М.М., Макарцев В.И. Определение и формирование эрготермической устойчивости горноспасателей в воздухо- и паронепроницаемом костюме// Науковий вісник Українського науково-дослідного інституту пожежної безпеки, 2002. - №1(5). - С. 97–101.
9.
Клименко Ю.В.. Марийчук И.Ф., Карпекин В.В. Основы противотепловой защиты человека в экстремальных микроклиматических условиях// Пожежна безпека – 2001: Зб. наукових праць. - Львів: Сполом. - С. 199–201.
10.
Smolanov S.N., Klimenko Yu.V., Mariychuk I.Ph. Heat protection of mine workers and mine rescuers/ 29–th International Conference of Safety in Mines Research Institutes. Vol. 2. - Central Mining Institute, Katowice, Poland, 2001. - p. 161–164.
11.
Определение тепловой устойчивости горноспасателей в воздухо- и паронепроницаемом костюме. / И.Ф.Марийчук, А.С. Чумак, В.И. Макарцев, М.М. Величко, Ю.В. Клименко // Отраслевой стандарт Украины. - ГСТУ33.1.04675545.005–2002. - 17 с.
12.
Руководство по ведению горноспасательных работ в зоне с повышенной температурой воздуха / С.П.Ткачук, Ю.В.Клименко, В.В.Радченко и др. // Устав ГВГСС по организации и ведению горноспасательных работ. - Киев, 1997. - С. 436–446.
13.
Клименко Ю.В., Марийчук И.Ф., Карпекин В.В.. Средства индивидуальной противогазотепловой защиты для аварийно-спасательных подразделений // Материалы XIV науч.-практич. конф. “Крупные пожары: предупреждение и тушение”, ВНИИПО МВД России. - Москва, 2001. - С. 353–354.
14.
Противогазотепловая защита горноспасателей / А.Г.Заболотный, Ю.В.Клименко, И.Ф.Марийчук и др. // Пути развития горноспасательного дела: Тр. науч.-практич. конф. - Донецк, 1997. - С. 56–57.
АНОТАЦІЯ
Клименко Ю.В. Розробка технічних засобів індивідуального протитеплового захисту і методу підготовки гірничорятувальників для роботи в екстремальних мікрокліматичних умовах. –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01 - “Охорона праці”, Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2003.
Дисертація присвячена дослідженню й розробці удосконалених технічних засобів індивідуального протитеплового захисту і методу підготовки гірничорятувальників для роботи в екстремальних мікрокліматичних умовах. Виконано аналіз впливу нагрівального навколишнього середовища на організм гірничорятувальника. Розроблені основні теоретичні положення, необхідні для удосконалення методів і засобів індивідуального захисту. Розроблено новий типоряд з чотирьох моделей протитеплового одягу для температури зовнішнього середовища від 300 до 573 К (від +27 до +300оС) та виконані дослідження параметрів кожної моделі. Удосконалено методику експрес-діагностики придатності гірничорятувальників до робіт при високих ерготермічних навантаженнях і теплового тренування для підвищення їхньої теплової стійкості.
Ключові слова: екстремальні мікрокліматичні умови, протитепловий одяг, ерготермічне навантаження, термін захисної дії, акумулятор холоду.
АННОТАЦИЯ
Клименко Ю.В. Разработка технических средств индивидуальной противотепловой защиты и метода подготовки горноспасателей для работы в экстремальных микроклиматических условиях. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 – “Охрана труда” – Национальный горный университет, Днепропетровск, 2003.
Диссертация посвящена вопросам разработки технических средств индивидуальной противотепловой защиты и метода подготовки горноспасателей для работы в экстремальных микроклиматических условиях.
Выполнен анализ воздействия окружающей нагревающей среды на организм горноспасателя и показано, что в экстремальных ситуациях, особенно при тушении подземных пожаров, на горноспасателя может воздействовать температура окружающего воздуха от 300 до 573 К (от +27 до +300оС) и лучистый тепловой поток с поверхностной плотностью до 25 кВт/м2.
Исследованы процессы тепломассопереноса в системе “окружающая среда – защитная одежда – человек” и разработаны основные теоретические положения, необходимые для совершенствования и разработки новых средств индивидуальной защиты. К ним относятся: тепловой баланс системы, учитывающий тепловыделение респиратора и теплообмен за счет испарения пота человека; определение распределения теплосъема с различных участков тела горноспасателя; оптимальное соотношение толщины теплоизоляции оболочки одежды и мощности системы охлаждения; исследование и разработка нового унифицированного водо-ледяного аккумулятора холода для всех моделей противотепловой одежды и дополнительной системы охлаждения рук и ног горноспасателей.
Полученные результаты дали возможность на стадии проектирования определить минимальную массу ПТО при заданном времени защитного действия и температуре окружающей среды.
Разработан новый типоряд из четырех моделей противотепловой одежды для различной температуры внешней среды и проведены теоретические и экспериментальные исследования параметров каждой
