Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Противотепловой комплект защитной одежды
НТТМ-2017-0309 | Категория II

Автор:

Князева Светлана Валерьевна

Стенькина Мария Петровна

Научный руководитель:
Черунова Ирина Викторовна
Организация:
Донской государственный технический университет (Институт сферы обслуживания и предпринимательства, филиал в г. Шахты),
Ростовская область, Шахты
Цель работы
В условиях современного функционирования угольных шахт по ряду причин не прекращаются подземные аварии, которые с печальной систематичностью уносят жизни людей по всему миру. Вот только малая выборка наиболее крупных чрезвычайных ситуаций под землей:
- 9 февраля 2005 года в результате взрыва метановоздушной смеси на шахте "Есаульская" ("Южкузбассуголь") в Кемеровской области погибли 25 человек - 8 горняков и 17 горноспасателей;
- 19 марта 2007 года на шахте "Ульяновская" ("Южкузбассуголь") в результате взрывов метановоздушной смеси и угольной пыли погибли 110 человек [http://tass.ru/info/2705381];
- 8-9 мая 2010 года на шахте "Распадская" произошли два взрыва метана. Для проведения спасательных работ в шахту было направлено 9 отделений горноспасателей - всего 54 человека;
- 25 февраля 2016 года на шахте "Северная" ("Воркутауголь") на глубине 780 м произошел внезапный выброс метана и два взрыва, повлекшие обрушение породы. Погибли шахтеры и пять горноспасателей;
- 18 января 2017 г. авария на угольной шахте города Шочжоу в провинции Шаньси на севере Китая унесла жизни двенадцати человек [https://rg.ru/2017/01/18/avariia-na-ugolnoj-shahte-v-knr-unesla-zhizni-deviati-gorniakov.html];
- 2 марта 2017 года в Львовской области на шахте №10 "Степная" прогремел взрыв, который привел к восьми погибшим [http://rian.com.ua/analytics/20170302/1021904429.html].
Список имеет продолжение во многих странах мира. Труд бойцов горноспасательной службы относится к разряду особой сложности. Анализ аварийности при ведении горноспасательных работ показал, что система защиты человека, выполняющего эти работы, недостаточно совершенна. Поэтому особую актуальность приобретает вопрос обеспечения безопасной работы горноспасателей. При этом особенность ведения горноспасательных работ в шахтах различной глубины и траектории требует создания защитного снаряжения нового поколения, позволяющего изготавливать его в системе максимального испортозамещения и при этом обеспечивать комплексную защиту человекаво время поисково-спасательных работ.
Обзор предметной области
В настоящее время существует ряд разработок, нашедших применение на практике при ведении горноспасательных работ, где первым опасным фактором среды является высокая температура в замкнутом пространстве (рассматривается порятка 150 градусов Цельсия), а также загазованность, запыленность, сниженная видимость, загрязнения и риски формирования искры при наличии метановых соединений в воздухе. Ни один из имеющихся видов снаряжения для такой температурной зоны пока не соответствует желаемым требованиям как с точки зрения стабильности противотеплового эффекта, так и с точки зрения эргономического соответствия. Большинство моделей костюмов неэргономичны, громоздки, имеют ограничение по времени непрерывного использования и требуют ряда трудоемких операций по поддержанию противотеплового эффекта, что снижает эффективность горноспасательных работ.
Долгое время образцы защитной одежды для горноспасателей проектировались по двум направлениям:
1) с нагнетанием в пододежное пространство свежего воздуха (пневмоодежда);
2) с применением различного рода хладоагентов.
Пневмоодежда обеспечивает хороший уровень вентиляции пододежного пространства, обеспечивая этим снятие избыточного тепла с поверхности тела человека. Однако, она имеет большую массу, создавая дополнительную нагрузку на человека и уменьшая его подвижность, ограничивая радиус действия – 100м., при высоких температурах – 50 м. Термозащитная одежда 2-го типа основана на снятии избыточного тепла искусственными хладагентами, которые могут быть автономными или полуавтономными, что дает определенную свободу перемещения человека по заданному маршруту. Кроме того, выбор того или иного хладагента позволяет формировать костюм с расчетом интенсивности теплового потока из вне.
На сегодняшний день существуют различные варианты конструктивного решения газотеплозащитных костюмов (ГТК). В результате комплексного анализа существующих вариантов костюмов для горноспасателей можно отметить следующее:
1. На сегодняшний день не существует конструкции противотеплового костюма, оптимально соответствующего требуемым характеристикам в процессе эксплуатации;
2. Практически все инженерные предложения отличаются большой массой костюма в собранном виде, сложностью конструкции и, соответственно, повышенным риском выхода из строя ее элементов во время выполнения горноспасательных работ. Кроме того, этот показатель (сложность конструкции костюма) обусловливает определенные проблемы на этапе изготовления партий изделий в условиях промышленного производства.
3. Эффективность теплосъемного эффекта достигнута лишь в очень дорогостоящих вариантах использованной системы охлаждения, что становится причиной невозможности практической реализации данных идей и внедрения в производство. Это приводит к необходимости изыскать наиболее простых, недорогих, но в то же время эффективных хладагентов;
4. Нестабильность термозащиты существующих костюмов для горноспасателей можно объяснить отсутствием в большинстве случаев математического обоснования всех элементов систем противотепловой защиты, в результате чего следует выделить необходимость математического расчета параметров термозащитного костюма и его предварительного тестирования.
Сравнительный анализ применяемых костюмов для горноспасателей позволяет отметить, что наименее рационально на сегодняшний день решены такие характеристики, как эффективность теплосъема на всех участках конструкции, масса изделия в целом, совместимость системы охлаждения на участке туловища с характеристиками дыхательной аппаратуры, эргономичность конструкции и ее тепловая устойчивость, особенно на участках туловища и ног (Приложение 1).
На предыдущем этапе коллективом авторов настоящей разработки был успешно выполнен проект по созданию уникального комплекта одежды для защиты от высоких температур до +60 градусов Цельсия. Научно-техническое решение созданного комплекта запатентовано и принято к эксплуатации в МЧС России как действующее средство защиты горноспасателей в Шахтах, температурные характеристики которых соответствуют обозначенному режиму.
Таким образом, актуальная задача обеспечения оптимального микроклимата пододежного пространства при тепловой нагрузке +150 градусов Цельсия еще не решена и требует разработки нового специального костюма для горноспасателей, который при удовлетворительной массе будет обеспечивать эффективный теплосъем элементами конструкции, имеющими точное теоретическое обоснование. При этом важно сформировать в защитной одежде ряд сопутствующих важных свойств: защиту от статического электричества, сложных загрязнений и воды (часты маршруты с заводнениями), от риска потери видимости объекта в темноте и возможность быстро управлять снаряжением (комплектовать или снимать), полная совместимость с дыхательным и спасательнм снаряжением.
Эффективность функционирования системы охлаждения зависит и от материалов для термозащитной одежды. Требует изучения основных теплофизических характеристик новых теплоизоляционных материалов применительно к прогнозируемым условиям использования.
Сложность конструкции противотеплового костюма для горноспасателей обусловлена наличием в нем дополнительных средств индивидуальной защиты человека, таких как каска, респиратор. Это определяет необходимость исследования влияния размещения элементов системы охлаждения на эргономику горноспасателя и создание нового решения, адекватного поставленным задачам.
Описание результатов проекта
Для решения поставленной задачи и создания специального снаряжения, отвечающего ряду обозначенных выше критериев, были проведены следующие научные исследования и опытно-конструкторские работы:
- математическое моделирование процессов теплообмена в системе «Человек-одежда-среда» для многослойных оболочек с распределенными слоями материалов, обладающих теплофизическими свойствами с фазовым переходом;
- эргономические исследования комбинированных элементов нагрузки конструкции на человека и ее многопараметрическая сборка;
- разработка и исследование двухкомплектного изделия с внешним изоляционным защитным слоем и внутренним – теплосъемным.
Описание разработки:
Противотепловой комлект защитной одежды предназначен для обеспечения поисково-спасательных работ в условиях опасных высоких температур и ликвидации последствий подземных аварий.
Комплект состоит из внешнего и внутреннего комбинезонов, обеспечивающих комплексную защиту человека от теплового излучения при температуре до +150 °С, от статического электричества, производственных загрязнений и продуктов смазочных материалов, контактной воды и рисков, связанных со сниженной видимостью.
Использованное специальное мембранное покрытие с внутренней стороны основного материала обеспечивает защиту человека от воды в случае заводненных территорий поискового маршрута и поддерживает при этом необходимый для человека уровень газообмена и естественной вентиляции кожи.
Изделие позволяет обеспечить не только барьер внешнему опасному теплу, но и его отток за счет запатентованной теплосъемной конструкции внутреннего слоя с применением распределенной системы хладоэлементов малого объема, содержащих композиционный гель специального состава (Патент на изобретение, 2014г: № RU 2519 927 «ТЕПЛОСЪЕМНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ОДЕЖДЫ», Опубликовано: 20.06.2014 Бюл. № 17).
Поверхность теплосъемного комбинезона реализована с применением комбинации материалов повышенной видимости, что позволяет улучшить условия безопасности и эффективности работы человека в условиях сниженного освещения и загазованности.
Конструкция комбинезона имеет специальную систему повышенной мобильности снаряжения человека за счет двух типов застежки, комбинированных специальным образом, которые позволяют человеку после покидания зоны теплового излучения без посторонней помощи снять комплект защитной одежды в считанные минуты.
Изделие полностью интегрировано с дыхательным оборудованием и имеет сниженную массу за счет распределенной системы отведения тепла и применения для внутреннего комбинезона специальной технологии комбинированных цельнотрикотажных поверхностей. Параметры такой эффективной системы хладозапаса установлены на базе специально созданной методики расчета, разработанной и защищенной в ФИПС Заявкой на регистрацию программы для ЭВМ (2016г): Заявка на регистрацию Программы для ЭВМ «Программа расчета показателей системы хладозапаса для конструкций защитной одежды». Регистрационный номер № 2016660587 от 12.10.2016.
Разработка реализована в виде экспериментального образца.
В основу представленного решения противотеплового комплекта легли результаты исследований, полученных в рамках проекта по Государственному заданию Минобрнауки РФ 2014-2016 гг. в Донском государственном техническом университете.
Этапы разработки и уникальные научно-технические решения теплосъемной конструкции противотеплового комплекта выполнены при непосредственном согласовании отдела научных разработок ВГСЧ МЧС России.
Теплосъемная конструкци противотеплового комплекта представлена и одобрена руководством МЧС на выставке «Комплексная безопасность», г.Москва.
Технология изготовления многослойного теплостойкого снаряжения из материалов с мембранными покрытиями, включая цельнотрикотажное образование деталей, протестирована на базе производственного швейного предприятия ООО «БВН инжениринг», специализирующегося в течение 25 лет на производстве спецодежды и снаряжения всех классов защиты.

При серийном производстве представленного противотеплового комплекта решаются задачи в рамках общей стратегии импортозамещения продукции для защиты человека на производстве и повышения качества жизни в целом.
Описание применимости
Противотепловой комлект защитной одежды ориентирован для применения на производствах и в режиме чрезвычайных ситуаций, связанных с тепловой нагрузкой на человека порядка +150 градусов Цельсия.
Основным потребителем разработки рассматривается МЧС РФ и другие спасательные службы как в России, так и за рубежом, преимущественно для ведения поисково-спасательных работ под землей.
Дальнейшее развитие проекта
Полученное решение противотеплового снаряжения для спасателей планируется вводить на рынок и развивать путем технологии лицензионного разветвленного производства. Основная стратегия продвижения на рынке представленной инновационной разработки – продажа лицензии технологию изготовления противотеплового комплекта заданной конструкции. Этапы выхода на рынок: 1. Подготовка проектно-технической документации на изделие. 2. Изготовление малой серии опытных образцов и проведение комплекса тестовых испытаний эксплуатационных свойств для формирования инструкций по текущей эксплуатации комплекта и уходу за ним (Требуются инвестиции) 3. Маркетинговые исследования (Требуются инвестиции) 4. Участие в цикле специализированных выставок и совещаний по охране труда в промышленности, по обеспечению безопасности в МЧС и по новым технологиям в легкой промышленности (Требуются инвестиции) 5. Публикация ряда научно-популярных статей с фокусированием внимания на технических, технологических, экономических и эксплуатационных преимуществах изделия как для применения, так и для производства. 6. Разработка комплексного проекта по обеспечению ряда услуг и поддержки при заключении Договоров о лицензированном производстве противотепловых комплектов на швейных предприятиях России. Полученные в настоящем проекте результаты научного и инженерного содержания являются основой для создания будущих разработок средств индивидуальной защиты от высоких температур разветвленного назначения (металлургия, пожарное дело, сельское хозяйство и т.п.), одежда повышенной видимости, одежда оперативной мобильности и другие. Это позволит сформировать расширенную группу молодых иследователей(аспирантов, студентов), которые в рамках диссертационных и опытно-конструкторских работ создадут новые наукоёмкие инновационные проекты как основу инновационных механизмов экономики в рамках актуальных тенденций импортозамещения и качества жизни.

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ