Загубный воздушный теплообменник для дайверов.
Использованы 500 дисков из 100 меш, имеющих диаметр 4,13 см. Диски должны иметь массу не менее 100 граммов. и площадь поверхности в диапазоне от 6000 до 10000 кв.мм.
Корпус содержит теплопроводящие элементы, через которые проходят дыхательная смесь и выдыхаемое дыхание, и проставки, расположенные по одной между каждой парой смежных теплопроводящих элементов. Распорки имеют плохую теплопроводность и негигроскопичны для минимизации удержания влаги. При использовании выдыхаемое дыхание нагревает теплопроводящие элементы последовательно, так что каждый элемент будет немного холоднее, чем последний элемент, подвергшийся выдыхаемому дыханию. В проставках будет сохраняться минимальное количество тепла, и содержание влаги в выдыхаемом дыхании, как правило, будет переноситься через устройство, так что при всасывании дыхательной смеси через устройство значительная часть ощутимого тепла, первоначально находящегося в выдыхаемом дыхании, будет утилизироваться дыхательная смесь. Скрытая высокая температура, исходящая из выдыхаемого воздуха, будет потеряна. Описание Изобретение относится к устройству для восстановления тепла от выдыхаемого дыхания дайвера и для использования этого тепла для предварительного нагрева дышащей смеси, когда она вдыхается дайвером. Потеря тепла при дыхании возникает в результате вдыхания холодной и сухой дышащей смеси, содержание тепла в которой значительно меньше, чем в соответствующем объеме выдыхаемого воздуха. Это связано с тем, что выдыхаемое дыхание покидает тело по существу при температуре тела и поглощает влагу до такой степени, что оно насыщается влагой. Потеря тепла при дыхании может привести к значительному дискомфорту и возможной гипотермии дайвера. Кроме того, поскольку эта потеря тепла представляет собой значительную потребность в энергии, она может быть прямым фактором усталости дайвера. Подходы к решению проблемы потери тепла при дыхании. Первый способ заключается в активном предварительном нагревании вдыхаемой дыхательной смеси, а второй - в использовании пассивного приемника тепла, который нагревается выдыхаемым воздухом и который затем позволяет вдыхаемой дыхательной смеси собирать часть этого тепла. Настоящее изобретение относится к последней категории. Требования к пассивным теплообменникам ; приемник тепла должен быть легким и небольшим, состоять из минимума частей и предпочтительно исключить движущиеся части. Когда дыхательный аппарат дышит, должен быть ограниченный перепад давления на приемнике тепла, и, если возможно, перепад давления должен поддерживаться постоянным. Если перепад давления меняется, у дайвера может сложиться впечатление, что система работает со сбоями, а в крайних случаях дайвер может запаниковать, что приведет к фатальным последствиям. Следовательно, конструкция не должна забиваться. Другие требования заключаются в том, что коррозия должна быть устранена, техническое обслуживание должно быть минимальным, а результаты должны обеспечивать хорошую эффективность при относительно низких финансовых затратах. Одна попытка пассивного теплового приемника проиллюстрирована в патенте США No. 3747598 Кеннету У. Коуэнсу. В этой структуре выдыхаемое дыхание проходит через регенеративный материал, состоящий из слоев теплопроводного материала, разнесенных вокруг слоев гигроскопичного материала. Эта структура типична для общего подхода, использованного в ряде других проектов, где предпринимаются попытки восстановить как скрытое, так и ощутимое тепло от выдыхаемого дыхания. Часть обоснования структур, таких как показано в патенте Коуэнса, состоит в том, что считалось неизбежным, что выдыхаемое дыхание могло бы создать некоторую конденсацию в приемнике тепла. Следовательно, конструкции были спроектированы так, чтобы они могли свободно дышать во время сбора этой конденсации. Очевидно, что если бы конденсат просто покрывал поверхности приемника тепла, то воздушные каналы должны были быть достаточно большими, чтобы не было создано никаких ограничений, которые увеличивали бы перепад давления и затрудняли бы дыхание дайвера. Такие большие проходы по своей природе противоречат проектным требованиям для эффективного приемника, где большая площадь поверхности, контактирующая с выдыхаемым дыханием, является явно предпочтительной. Структура Cowans преодолевает это до некоторой степени благодаря тому, что используется гигроскопичный материал, так что влага поглощается в материале, а не собирается на поверхности. Тем не менее, на поверхности будет происходить некоторый сбор (особенно после длительного использования), и, следовательно, воздушные каналы должны быть спроектированы так, чтобы такой сбор не оказался опасным. Неожиданно было обнаружено, что эффективный приемник тепла может быть создан для использования с кислородно-азотными и гелиево-кислородными смесями, в которых собирается разумное тепло и в котором собранная скрытая теплота имеет небольшое значение. Следовательно, дайвер не подвергается заметным изменениям в перепаде давления, когда он дышит через приемник тепла, потому что нет существенной конденсации влаги для ограничения проходов воздуха. Теплопоглощающие элементы в приемнике тепла имеют очень большую площадь поверхности, доступную для выдыхаемого воздуха и дыхательной смеси, что приводит к хорошей тепловой эффективности. Для достижения желаемого результата используется приемник тепла, содержащий корпус, через который дышащая смесь проходит в одном направлении и через который выдыхаемое дыхание проходит в противоположном направлении. Корпус содержит теплопроводящие элементы, через которые проходят дыхательная смесь и выдыхаемое дыхание, и проставки, расположенные по одной между каждой парой смежных теплопроводящих элементов. Распорки имеют плохую теплопроводность и негигроскопичны для минимизации удержания влаги. При использовании выдыхаемое дыхание нагревает теплопроводящие элементы последовательно, так что каждый элемент будет немного холоднее, чем последний элемент, подвергшийся выдыхаемому дыханию. В проставках будет сохраняться минимальное количество тепла, и содержание влаги в выдыхаемом дыхании, как правило, будет переноситься через устройство, так что при всасывании дыхательной смеси через устройство значительная часть ощутимого тепла, первоначально находящегося в выдыхаемом дыхании, будет возвращена дыхательная смесь. Скрытая высокая температура, исходящая из выдыхаемого воздуха, будет потеряна Изобретение будет лучше понято со ссылкой на следующее описание и чертежи, на которых: ИНЖИР. 1 является графическим представлением конкретной формы теплового приемника, который не соответствует изобретению и который включен для использования в описании; ИНЖИР. 2 - графическое представление производительности теплового приемника в соответствии с изобретением; ИНЖИР. 3 - вид в перспективе с отломанными частями, иллюстрирующий предпочтительный вариант осуществления приемника тепла в соответствии с изобретением, при этом показан приемник тепла, прикрепленный к обычным частям дыхательной системы, используемой водолазом; ИНЖИР. Фиг.4 - вид в перспективе альтернативного варианта осуществления теплопроводного элемента для использования в другом варианте осуществления приемника тепла в соответствии с изобретением; а также ИНЖИР. На фиг.5 показан еще один вариант выполнения приемника тепла в соответствии с изобретением. Для целей пояснения фиг. 1 был включен, чтобы показать эффект выдоха над приемником тепла, состоящим из одного куска теплопроводного материала, имеющего поперечное сечение, которое является постоянным в направлении потока выдоха. Ссылаясь на фиг. 1 выдыхаемое дыхание первоначально воздействует на приемник тепла при температуре T1, и когда дыхание проходит через приемник тепла, и приемное устройство передает ощутимое тепло, температура выдыхаемого воздуха падает до температуры T2, при которой выдыхаемое дыхание выходит приемник тепла. Однако, если материал является хорошим проводником тепла, до того, как произойдет вдыхание, тепло будет стремиться к выравниванию по сравнению с приемником тепла при температуре T3. Следовательно, максимальная температура, которую можно достичь при вдыхании, составляет T3. Поэтому будет очевидно, что такой простой приемник тепла никогда не достигнет высокой эффективности, независимо от того, сколько разумного тепла отводится из выдыхаемого воздуха. Ссылка теперь делается на фиг. 2, который графически иллюстрирует эффект создания приемника тепла, состоящего из ряда теплопроводящих элементов, которые термически изолированы друг от друга и все же последовательно подвергаются выдыхаемому дыханию. Как и раньше на фиг. 1 перепад температуры будет от Т1 до Т2. Однако каждый отдельный элемент приемника тепла будет действовать как единственный приемник тепла, показанный на фиг. 1. Следовательно, в каждом элементе фиг. 2 в приемнике тепла будет происходить выравнивание температуры, так что окончательный график распределения тепла будет отображаться в виде серии прерывистых шагов, разнесенных вокруг линии, проведенной между температурами T1 и T2 на противоположных концах приемника тепла. Будет очевидно, что если число элементов в приемнике тепла приближается к бесконечности, шаги станут бесконечно малыми, и результирующий график будет приближаться к прямой линии. На практике нецелесообразно предоставлять бесконечное количество элементов, но если предусмотрено большое количество, тогда график, тем не менее, будет аппроксимировать прямую линию, как показано на фиг. 2. Следовательно, во время ингаляции дыхательная смесь последовательно подвергается воздействию элементов в диапазоне температур от немного большего, чем T2, до чуть меньшего, чем T1. Это приведет к тенденции нагревать дышащую смесь настолько эффективно, насколько это возможно, и, безусловно, выше температуры T3, показанной на фиг. 1. На фиг. 1 и 2 исключают скрытое тепло. Общеизвестно, что выдыхаемое дыхание практически насыщено влагой. Следовательно, как только дыхание охлаждается, возникает тенденция к конденсации в приемнике тепла. Это поощрялось в устройствах предшествующего уровня техники, и считалось, что сбор скрытой теплоты был необходим для обеспечения адекватного предварительного нагревания вдыхаемого дыхания, что, следовательно, повышает эффективность теплообменника. В отличие от конструкций предшествующего уровня техники настоящее изобретение предназначено для удаления максимально возможного количества теплоты без конденсации при выдыхаемом дыхании. Хорошо известно, что влага конденсируется преимущественно на шероховатых поверхностях, и настоящее изобретение включает конструкцию, которая предназначена для предотвращения такой конденсации. Предусмотрены только гладкие негигроскопичные поверхности, так что капли влаги, как правило, проникают через устройство при выдохе. Собирается минимальное количество влаги, что обеспечивает большую площадь поверхности теплопроводящих элементов для отвода ощутимого тепла от выдыхаемого воздуха. Это контрастирует со структурами предшествующего уровня техники, где конструкция была продиктована тем, что теоретически предусматривалось как повышение эффективности теплообменника путем сбора скрытой теплоты, содержащейся во влаге выдыхаемого влажного воздуха. Ссылка теперь делается на фиг. 3, который иллюстрирует предпочтительный вариант осуществления приемника 20 тепла, соединенного на первом конце с обычным мундштуком 22, а на другом его конце - с тройником 24, образующим часть обычной дыхательной системы, которая не показана для упрощения чертежа. Выдыхаемое дыхание проходит вниз через отверстие 26 в мундштуке 22 и входит в первое отверстие 28 в корпусе 30, являющемся частью приемника тепла 20. Это отверстие является цилиндрическим и соосным с цилиндрическим корпусом корпуса 30, а второе осевое отверстие 32 является осевым. при условии, что выдыхаемое дыхание проходит по пути к тройнику 24. Это дыхание затем находит выход из выхода 34 тройки. При вдыхании вдыхаемая смесь проходит через вход 36 в тройнике и благодаря клапану, который не показан, вдыхаемая смесь может вдыхаться без вдыхания выдыхаемого воздуха. Эта дышащая смесь затем проходит через второе отверстие 32, через корпус 30, а затем через первое отверстие 28 и отверстие 26 в рот пользователя. Корпус 30 выполнен из материала, который, по существу, не является теплопроводящим, и корпус содержит множество тонких марлевидных теплопроводящих элементов 38, которые разделены непроводящими и негигроскопичными прокладками 40, так что выделяется очень мало тепла. проводимость между соседними элементами 38. Теплопроводящие элементы 38 могут быть из любого подходящего материала в зависимости от преобладающих условий. И 30 латунная сетка, и 100 латунная сетка обеспечивают хорошие обменные свойства. Количество элементов будет зависеть от газовой смеси и сопротивления дыханию. Возможно, потребуется провести некоторое тестирование, чтобы определить оптимальное количество и размер дисков для данного устройства. В качестве указания было обнаружено, что на фиг. 3 приспособления для использования с воздухом или оксигелием. Были использованы 500 дисков из 100 меш, имеющих диаметр 4,13 см. Обычно диски должны иметь массу не менее 100 граммов. и площадь поверхности в диапазоне от 6000 до 10000 кв Подходящие непроводящие прокладки изготовлены из марлевого тефлона, а корпус выполнен из поликарбоната. Могут быть использованы другие подходящие материалы, такие как нейлон для прокладок и корпуса, и поливинилхлорид для корпуса. С помощью этих устройств теплоприемника было обнаружено, что когда дыхательная смесь представляет собой смесь кислорода и азота 20/80 или смеси кислорода и гелия 20/80, то устройство работает удовлетворительно в течение длительных периодов времени. Наиболее важным соображением является тот факт, что с этими дыхательными смесями устройство способно непрерывно использоваться в течение длительных периодов без значительного накопления влаги, особенно при низких температурах газа на входе. В лабораторных условиях было обнаружено, что, когда накопление влаги было преднамеренно создано с использованием другого устройства, у пользователя была тенденция внезапно запаниковать и вынуть устройство изо рта. Очевидно, что такая паника не может быть допущена при глубоком погружении, и, следовательно, помимо хорошей термической эффективности, достигнутой с помощью существующей конструкции, фактор безопасности также имеет большое значение. Возвращаясь к фиг. 3, каждый из теплопроводящих элементов 38 имеет относительно высокую площадь поверхности для выдыхаемого дыхания на единицу площади. Однако масса на единицу площади относительно невелика. Как упомянуто, можно использовать очень большое количество элементов, но было обнаружено, что предпочтительнее использовать большую площадь поверхности и компенсировать малую массу путем пропускания выдыхаемого воздуха через центральную часть и рассеивания по всей площади элемента , Хотя эта схема будет иметь тенденцию подчеркивать этапы на графике, показанном на фиг. 2, он достигает двух целей. Во-первых, воздух ограничивается достаточно быстрым течением по центральной области элементов, тем самым ограничивая возможность образования капель в структуре, а во-вторых, каждый из элементов имеет достаточную массу для удержания тепла. Таким образом, конструкция использует преимущества промывочного действия выдыхаемого воздуха и в то же время обеспечивает адекватный приемник тепла, при котором накопление влаги существенно уменьшается при использовании смесей кислород / азот и смесей кислород / гелий. В некоторых случаях может оказаться приемлемым пропускать выдыхаемое дыхание непосредственно по всей площади элементов. Как уже упоминалось, количество элементов должно быть увеличено, если для элементов сохраняются одинаковые материал и масса. Также в такой конструкции площадь каждого элемента может быть увеличена только в том случае, если скорость потока дыхания над элементами продолжает оставаться достаточной для выноса капель воды из приемника тепла. Ссылка теперь делается на фиг. 4, который показывает другой вариант осуществления теплопроводного элемента, такого как элемент 38, показанный на фиг. 3. Как описано ранее со ссылкой на фиг. 3, дыхательная смесь и выдыхаемое дыхание вступают в контакт главным образом с центральной частью элемента 38 (фиг. 3). Масса элемента может быть увеличена без увеличения толщины элемента путем формирования сплошного периметра 42 для приема тепла, проводимого центральной перфорированной частью 44. Эта часть может быть аналогична guaze, используемому в элементе 38 (фиг. 3). Распорки 40 (фиг. 3) также могут быть выполнены с твердым периметром. Такие распорки при использовании с элементами 38 обеспечивают центральный путь потока без изменения структуры элементов 38 на элементы, такие как показанные на фиг. 4. В общем, теплопроводящие элементы должны быть перфорированы, по меньшей мере, в центральной области, где выдыхаемое дыхание будет проходить через элемент. Термин «перфорированный» предназначен для обозначения любой конструкции, имеющей соответствующие отверстия в конструкции для прохождения выдыхаемого воздуха. Очевидно, что эти отверстия также должны быть определены материалом, который имеет большую площадь поверхности выдыхаемого воздуха для отвода тепла, и, как уже упоминалось, латунная марля 100 была признана предпочтительной. Однако вполне возможно, что тонкий лист из латуни или эквивалентного материала может быть использован и перфорирован для создания теплопроводящего элемента. Понятно, что форма элементов и распорок может быть изменена в соответствии с обеспечением низкого перепада давления. ИНЖИР. 5 иллюстрирует расположение, в котором элементы являются цилиндрическими, и выдыхаемый воздух поступает через впускной канал 46 и распределяется по группам элементов и распорок 48, 50 и 52. Цель использования такого распределения заключается в обеспечении адекватного потока через каждая из групп, а также ограничить диаметр самого большого элемента. Очевидно, что в любой группе, такой как группа 48, самый внутренний элемент будет иметь меньший диаметр и, следовательно, меньшую массу, чем самый внешний элемент (при условии, что используется тот же материал). Чтобы сохранить график, показанный на фиг. 2 желательно, чтобы каждый из элементов был подобным, и, следовательно, для ограничения разницы между самым внутренним и самым внешним элементами используется серия групп 48, 50 и 52. Описание было направлено на использование смесей кислород / азот и кислород / гелий, поскольку эти смеси используются наиболее часто. Устройства в соответствии с изобретением могут использоваться при более глубоких погружениях в течение длительных периодов времени с использованием таких смесей. Тем не менее, устройства могут использоваться для неглубоких погружений с чистым кислородом, особенно для коротких погружений.
Забортная температура редко бывает ниже +4 что отличается от - 20 - - 60 град на воздухе. Но на глубине общие теплопотери от тела заметно больше. Конденсат не замерзает на теплообменнике.
Вложения: |
Теплообмненник загубный для дыхания аквалангистов..jpg [ 127.45 KIB | Просмотров: 5471 ]
|
Теплообмненник загубный для дыхания аквалангистов...jpg [ 109.01 KIB | Просмотров: 5471 ]
|
|