Введение к работе
Актуальность темы
Одной из основных проблем, стоящих перед водолазным делом и аварийно-спасательными службами на море, является защита от переохлаждения человека, находящегося длительное время в холодной воде. Безопасное для здоровья пребывание человека в подобных ситуациях без специального снаряжения чрезвычайно ограничено во времени. Например, при температуре морской воды около 0С такое время оценивается в 15 минут. Это связано с тем, что при погружении человека в воду увеличение отвода тепла от тела в окружающую среду вызывает понижение его температуры и ведет к тепловому дискомфорту. При снижении внутренней температуры тела на 2С уже начинаются необратимые для здоровья человека процессы. Дальнейшее уменьшение температуры приведет к остановке сердца.
Современное легководолазное (глубина погружения до 60м) и спасательное снаряжение, основанное как на принципе пассивной теплозащиты (средства защиты изготовлены из материалов с высокими теплоизоляционными свойствами), так и на принципе активной теплозащиты (наличие внешнего электрического, химического или изотопного источника энергии), не обеспечивают в полной мере тепловую безопасность человека. Наиболее перспективным направлением в решении данной проблемы считается создание систем активной теплозащиты с индивидуальными и автономными источниками тепла. Однако, реализовать достоинства таких систем не представлялось возможным из-за отсутствия источников энергии необходимой мощности с продолжительностью работы 10 ч. и более, что необходимо в свете требований сегодняшнего дня.
Достигнутые в последнее время успехи в области разработки энергоустановок подводно-технических средств (например, подводных аппаратов) на базе химических источников тока (ХИТ) гидронного типа и особенности их эксплуатации дают основание рассмотреть эти устройства в качестве комбинированного источника тепла и электрической энергии. Это обусловлено тем, что в электричество преобразуется лишь часть запасенной химической энергии. Остальное выделяется в виде тепла, которое может быть рационально использовано для обогрева тела человека путем передачи его циркулирующему теплоносителю, распределяемому по гидрокомбинезону. Генерируемая электроэнергия расходуется на собственные нужды комбинированного источника (насос теплоносителя и система автоматического регулирования) и питание других потребителей, например, связного и сигнального оборудования. Такая система теплозащиты может обеспечить удовлетворительные температурные условия пребы-
вания человека в воде необходимое время, что будет являться существенным шагом вперед в плане обеспечения безопасности человека на море.
Внедрение данных технических средств дает возможность улучшить условия труда водолаза, увеличить время подводной работы и уменьшить стрессовое воздействие на человека, а применение их в спасательных целях резко повышает шансы потерпевших кораблекрушение на спасение и сохранение здоровья.
Следовательно, можно утверждать, что тема настоящей работы актуальна и представляет практический интерес.
Цель работы:
решение проблемы создания высокоэффективного комбинированного источника тепла и электроэнергии для теплозащиты человека в морской воде на базе гидронных ХИТ, выбор конкретного типа ХИТ, теоретическое и экспериментальное обоснование возможности его использования в составе системы активной теплозащиты человека в воде;
теоретическое и экспериментальное определение основных характеристик системы активной теплозащиты на базе выбранного ХИТ, разработка методики их расчета;
разработка практических рекомендаций по конструктивному оформлению и проектированию комбинированного источника теплоэлектроснаб-жения.
Научная новизна:
впервые предложено использование ХИТ гидронного типа системы Mg-H20 в качестве источника тепла и электроэнергии, что является новым направлением в области электрохимического метода преобразования энергии, позволяющим расширить сферу применения ХИТ и существенно повысить общий КПД ХИТ за счет рационального использования выделяемого при работе источника тепла;
получены энергетические и расходные характеристики гидронного элемента системы Mg-H20 в широком диапазоне температур и состава электролита, соответствующем возможным условиям эксплуатации;
определены уравнения вольт-амперных характеристик (ВАХ) элемента как функций температуры и состава электролита;
- рассчитано температурное поле внутри ХИТ с теплосьемной полостью при его работе с отбором тепла на стационарном режиме;
- выведено уравнение для нахождения средней скорости потока в межэ
лектродном зазоре при естественной циркуляции электролита с учетом
скорости выделения водорода;
- составлено математическое описание тепловых процессов, протекающих
в комбинированном источнике теплоэлектроснабжения в период его само
разогрева до номинальной температуры, при которой возможен отбор теп
ла требуемых параметров.
Практическая ценность:
доказана целесообразность применения ХИТ гидронного типа системы Mg-H20 в качестве комбинированного источника тепла и электроэнергии в системах активной теплозащиты человека в воде;
предложена оптимальная конструкция гидронного элемента с тепло-съемной полостью, обеспечивающая эффективный отбор тепла;
выведена зависимость для расчета оптимальной толщины стенки теплоизоляционного корпуса (ТИК), обеспечивающей минимум затрат тепла на потери в окружающую среду и разогрев корпуса, в котором размещена батарея ХИТ;
разработана методика расчета основных характеристик ХИТ как элемента системы активной теплозащиты;
- даны практические рекомендации по проектированию систем активной
теплозащиты.
Область применения результатов работы не ограничивается водолазным и спасательным снаряжением. Полученные данные и зависимости могут быть использованы при перспективных и конкурентноспособных разработках различных технических средств морского назначения, в том числе:
аварийного источника тепла и электроэнергии на базе ХИТ гидронного типа применительно к водолазному колоколу;
генератора водорода для подъема затонувших объектов или систем изменения плавучести, например, подводных аппаратов;
- каталитических устройств для беспламенного дожигания получаемого
при работе ХИТ водорода, которые позволяют использовать выделяющееся
при этом тепло, как дополнительное, в системах активной теплозащиты
спасательных гидрокомбинезонов;
- энергетических установок для подводно-технических средств на ос
нове ХИТ.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции по судостроению, посвященной 100-летию ЦНИИ им акад. А.Н.Крылова (Санкт-Петербург, 1994), на международной конференции по судостроению, судоходству, деятельности портов и разработке шельфа «Нева-97» (Санкт-Петербург, 1997).
Публикации
Основное содержание диссертации опубликовано в семи статьях и трех тезисах докладов. По материалам работы получено пять авторских свидетельства на изобретения. Объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 130 стр., содержит 32 рис. и 6 таблиц. Библиография содержит 109 наименований.
