СПОСОБ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК F41H7/03 B60P3/00 

Изобретение относится к способам жизнеобеспечения в изолированных объектах, в частности в военных транспортных средствах, оснащенных изолированным обитаемым помещением для экипажа, а более конкретно, к способам и средствам улучшения условий жизнедеятельности за счет повышения эффективности подачи тепла и воздуха, улучшения питания и создания условий для уменьшения травмоопасности личного состава и опасности при удалении отходов жизнедеятельности из изолированных объектов (стационарных и подвижных).

Тепловая энергия используется как в технологических процессах (на производстве), так и для обогрева стационарных помещений, обитаемых помещений (отсеков) палаток, пневмосооружений, транспортных средств и др. В ряде случаев обеспечивать жизнедеятельность и здоровье обслуживающего персонала необходимо и посредством организации питания, водоснабжения, удаления отходов жизнедеятельности, снижения травмоопасности и др. При этом чем выше эффективность средств теплообразования, качество питания и др., ниже травмоопасность, тем лучше условия обитаемости, тем выше производительность труда, тем больше вероятность сохранения здоровья всего личного состава, находящегося в зоне обитания изолированного объекта.

Известен способ жизнеобеспечения экипажа военного объекта (см., например, «Руководство по материальной части и эксплуатации танка Т-55», М.: Воениздат МО СССР, 1965, с.483-602), обеспечивающий разогрев двигателя и обслуживающих его систем перед пуском двигателя, его запуск, подачу тепла, электроэнергии и воздуха в обитаемое помещение, а также создание запаса воды и продуктов. Для этого предусмотрены камера сгорания с теплообменником, змеевики и полости обогрева двигателя, водяные радиатор и насос, электродвигатели, источники электропитания, нагнетатели топлива, воздуха и другие элементы, обеспечивающие запуск двигателя и реализацию способа.

Нагретая в теплообменнике жидкость по трубопроводам поступает в змеевики масляных баков и в двигатель, нагревает их и возвращается обратно. Способ применяется как перед пуском двигателя при температуре окружающего воздуха от 5°C и ниже, так и в процессе его работы и функционирования личного состава. Его недостатком является малая производительность тепла для обогрева обитаемого помещения машины в зимнее время. При отрицательных температурах окружающего воздуха температура в обитаемом отделении также отрицательна, особенно при стрельбе, то есть при включенных вентиляторах и интенсивной продувке обитаемого отделения. Снабжение воздухом наиболее эффективно обеспечивается при работе двигателя энергетической установки. Снабжение водой ограничивается созданием ее запасов в питьевых бачках. Кроме того, разогрев пищи в этом способе не предусмотрен, а уровень травмоопасности - высок. Например: - включение и выключение стабилизатора вооружения опасно из-за несоблюдения временных характеристик. В этом случае неуравновешенная пушка может нанести травму личному составу как внутри танка, так и снаружи; - нарушение правил стрельбы, в частности, при производстве выстрела, может вызвать травмирование лица; - неисправности электропривода башни из-за ее массы и невозможности экстренного торможения могут вызвать поломки оборудования и увечья личного состава и др.

Известен также способ жизнеобеспечения (см., например, «Танк 72А. Техническое описание и инструкция по эксплуатации». Книга вторая (часть первая). М.: Воениздат МО СССР, 1989, с.363-372).

Этот способ жизнеобеспечения экипажа военного транспортного средства, оснащенного изолированным обитаемым помещением, энергетической установкой с двигателем и системой электроснабжения, включающий подачу воздуха, тепловой и электрической энергии, создание запасов воды и продуктов питания и установку оборудования жизнеобеспечения. За счет установки на двигателе эжекционного устройства и соединения его с системой очистки воздуха обеспечивается очистка воздуха, подаваемого через воздухоочиститель в двигатель и обитаемое помещение. В этом объекте существенно повышена тепловая эффективность (благодаря установке электродвигателя, вентилятора, дефлектора и водяного радиатора, формирования дополнительного воздушного теплового потока, способствующего повышению температуры в обитаемом помещении). Однако в ряде случаев этого бывает недостаточно. Например, при включении вентилятора и низкой температуре окружающего воздуха в обитаемом помещении через короткое время температура становится отрицательной. В ряде случаев в обитаемом отделении необходимо создавать избыточное давление за счет подачи дополнительного наружного воздуха. Особенно часто это происходит в подвижных транспортных средствах: боевых машинах, включая прототип, медицинских комплексах, вездеходах и др., при их движении в зонах с нарушенной экологией, на зараженной местности. В этих случаях включаются фильтровентиляционные установки, нагнетатели-сепараторы, дополнительные вентиляторы и др. (см. также, например, «Руководство по материальной части и эксплуатации колесного бронетранспортера БТР-60ПБ», М.: Воениздат, 1967 г., с.382-386). Работа этих устройств приводит к дополнительной подаче в обитаемое помещение больших объемов холодного воздуха, что приводит к резкому снижению температуры в нем. Это особенно опасно для таких обитаемых помещений, в которых находятся раненые, больные, ослабленные люди, то есть помещений мобильных медицинских комплексов, боевых машин, бронированных медицинских машин, геологоразведочных комплексов, вездеходов (особенно работающих в условиях низких температур); резкое снижение температуры в этих условиях может стать причиной простудных заболеваний и даже гибели людей. При этом ухудшаются условия обитаемости экипажей и обслуживающего персонала, снижающие эффективность выполнения ими своих функциональных обязанностей. Практически исключается возможность приготовления и даже разогрева пищи (продуктов питания из содержимого сухого пайка, воды из питьевых бачков и др.). Ситуация усугубляется при вынужденной разгерметизации обитаемых помещений, вызываемой необходимостью выхода личного состава из боевой машины, в частности, связанной с удалением продуктов жизнеобеспечения. Открывание люков (дверей) опасно не только чрезмерным охлаждением машин в зимнее время, но и, прежде всего, снижением безопасности личного состава, вызванного действием огня и других поражающих факторов оружия. Рассмотренный способ жизнеобеспечения практически не обеспечивает возможности создания достаточных запасов тепла, а также не обеспечивает без разгерметизации обитаемых помещений возможность удаления из них отходов жизнедеятельности.

Уровень травмоопасности в этом способе не только не уменьшился, а еще более возрос из-за усложнения оборудования на рабочих местах членов экипажа

Известен также способ жизнеобеспечения, описанный в патенте РФ №2339894. Он принят за прототип предлагаемого способа и является его базовым объектом.

Способ жизнеобеспечения по этому патенту, например, экипажа военного транспортного средства, оснащенного изолированным обитаемым помещением, энергетической установкой с двигателем и системой электроснабжения, включающий подачу воздуха, тепловой и электрической энергии, создание запасов воды и продуктов питания, установку оборудования жизнеобеспечения, преобразование энергии системы электроснабжения и выхлопных газов энергетической установки в тепловую энергию, ее аккумулирование и использование для нагрева изолированного обитаемого помещения, воды и продуктов питания, установку в изолированном обитаемом помещении емкости с герметизирующей крышкой, помещение в нее отходов жизнедеятельности и их измельчение, создание внутри емкости разряжения путем ее сообщения с выхлопным трактом двигателя и выброс отходов жизнедеятельности за пределы транспортного средства через выхлопной тракт двигателя за счет эжекционного действия выхлопных газов.

Многие недостатки предыдущих способов в способе-прототипе устранены. Повышена комфортность деятельности экипажа за счет возможности поддержания оптимальной температуры в обитаемом помещении и разогрева продуктов питания, а также удаления отходов жизнедеятельности личного состава без разгерметизации обитаемого помещения, что одновременно обеспечивает повышение выживаемости членов экипажа и личного состава в боевой обстановке. Однако подача выхлопных газов в обитаемое помещение, несмотря на принятые меры по герметизации, в ряде случаев повышают его загазованность. Уровень травмоопасности также сохранен на высоком уровне.

С целью устранения отмеченных недостатков, дальнейшего повышения теплопроизводительности, улучшения условий обитаемости и жизнедеятельности (путем улучшения условий питания за счет повышения температуры нагрева, удаления отходов жизнедеятельности из обитаемых помещений и снижения загазованности в них), а также снижения уровня травмоопасности в способе жизнеобеспечения экипажа военного транспортного средства, оснащенного изолированным обитаемым помещением, энергетической установкой с двигателем и системой электроснабжения, включающем подачу воздуха, тепловой и электрической энергии, создание запасов воды и продуктов питания, установку оборудования жизнеобеспечения, преобразование энергии системы электроснабжения и выхлопных газов энергетической установки в тепловую энергию, ее аккумулирование и использование для нагрева изолированного обитаемого помещения, воды и продуктов питания, установку в изолированном обитаемом помещении емкости с герметизирующей крышкой, помещение в нее отходов жизнедеятельности и их измельчение, создание внутри емкости разряжения путем ее сообщения с выхлопным трактом двигателя и выброс отходов жизнедеятельности за пределы транспортного средства через выхлопной тракт двигателя за счет эжекционного действия выхлопных газов, емкость совмещают с сиденьем члена экипажа путем ее установки и крепления под его подушкой, выполняют емкость в виде перевернутого усеченного конуса с двойными стенками, полость между которыми сообщают подводящим и отводящим управляемыми трубопроводами соответственно с нагнетающим и выхлопным трактами двигателя энергетической установки, обеспечивая при этом ее раздельное, поочередное и одновременное подключение к ним, в случаях нарушения газового состава в обитаемом помещении и (или) его разгерметизации увеличивают количество подаваемого в него воздуха, вводят генератор кислорода и подключают индивидуальные средства дыхания к нему и фильтрующим элементам, снижают травмоопасность членов экипажа путем установки на опасных элементах оборудования амортизаторов и противоударных приспособлений, датчиков готовности их включения и выключения, органов управления и исполнения экстренной остановки подвижных элементов.

Предложенный способ обеспечивает повышение безопасности экипажей военных транспортных средств за счет исключения частых разгерметизаций и выходов личного состава. Введение новых операций и действий позволяет в значительной степени устранить отмеченные недостатки, увеличить возможности системы жизнеобеспечения путем дополнительной подачи в обитаемое помещение выхлопных газов для улучшения очистки и вентиляции как емкости, так и обитаемого помещения, улучшить условия обитаемости и жизнедеятельности путем снижения травмоопасности в процессе выполнения экипажем своих функциональных обязанностей.

В предлагаемом способе обеспечивается получение существенного положительного эффекта, не предусмотренного ни в прототипе, ни в аналогичных технических решениях. Авторам не известны и другие технические решения, в которых решалась бы поставленная задача таким образом.

Все существенные признаки способа жизнеобеспечения как известные, так и введенные просты в исполнении, могут быть реализованы в военной промышленности, а большинство из них и в войсковых условиях и в гражданских мастерских.

Системы жизнеобеспечения, реализующие прототип, выполняются для реализации части предлагаемых функций с использованием штатных блоков соответствующих транспортных средств. Так, например, нагнетатель топлива обеспечивает его подачу в камеру сгорания подогревателя. Он выполнен на основе шестеренчатого топливного насоса, приводимого во вращение электродвигателем. Нагнетатель воздуха служит для подачи в камеру сгорания воздуха. Он выполнен на основе центробежного вентилятора, приводимого во вращение также электродвигателем. Водяной центробежный насос предназначен для обеспечения циркуляции охлаждающей жидкости по обогреваемым магистралям силовой установки (змеевики, полости обогрева). Водяной насос приводится во вращение также электродвигателем. Водяной радиатор совместно с вентилятором и электродвигателем обеспечивают обогрев обитаемого помещения. Радиатор трубчато-пластинчатого типа обеспечивает подогрев воздуха в обитаемом помещении с помощью горячей жидкости, циркулирующей в нем как при работе двигателя, так и при работе подогревателя. Камера сгорания и теплообменник соединены между собой шпильками. Между уплотняющими плоскостями фланцев устанавливается жаростойкая прокладка. В резьбовом отверстии камеры сгорания устанавливается форсунка центробежного типа, обеспечивающая подачу распыленного топлива в камеру сгорания, теплообменник пластинчатого типа состоит из наружного кожуха и сердцевины (из штампованных пластин, собранных попарно в секции). Каналы, образованные между пластинами секций, и полость между кожухом и сердцевиной котла представляют собой тракт для циркуляции воды (охлаждающей жидкости). Внутренние полости камеры сгорания и выпускной патрубок образуют газовый тракт подогревателя. Свечи накаливания служат для подогрева и зажигания горючей смеси в камере сгорания. Они установлены в резьбовые отверстия камеры сгорания. Питание свечей накаливания осуществляется от источника питания электроэнергией.

Для реализации предложенного способа в системе жизнеобеспечения прототипа используют дополнительное эжекционное устройство, блоки для утилизации тепла выхлопных газов и удаления отходов жизнедеятельности. Эжекционное устройство двигателя принципиально и конструктивно выполнено аналогично подобным устройствам, используемым на объектах бронетанковой техники: на основе трубок с соплами, обеспечивающими создание разрежения, под действием которого продукты отхода жизнедеятельности удаляются через выхлопные тракты двигателя. Блоки, предназначенные для утилизации тепла выхлопных газов, выбрасываемых (в прототипе) из газового тракта в атмосферу, в предлагаемом способе обеспечивают разогрев пищи и обогрев обитаемого помещения (рабочих мест членов экипажей боевых машин, мест размещения личного состава другой специальной техники и др.). Для этого выпускной патрубок газового тракта соединяют газоводами с теплообменником, дополнительно введенными разогревателем пищи, тепловыми аккумуляторами, в которых теплоаккумулирующие элементы, например трансформаторное масло, сопряжены через трубки и пластинки с воздушным трактом штатного вентилятора. Благодаря этому тепло не только аккумулируется и ускоряет нагрев обитаемого помещения, но и передается воздушным потокам, в которых направляется и фокусируется, например тепловыми отражателями, в области сидений и самые необходимые зоны рабочих мест членов экипажа и мест расположения личного состава. Установкой распределительных кранов обеспечивается регулировка отдаваемого тепла аккумуляторами, а тепловыми отражателями - оптимизация его перераспределения относительно сидений и зон обитаемого помещения.

Новые конструктивные блоки вводят также для обеспечения возможности удаления отходов жизнедеятельности членов экипажа без выхода их из боевых машин и разгерметизации обитаемых помещений. С этой целью устанавливают или монтируют, например, в сиденье емкость, снабженную герметизирующей крышкой (емкость вместе с крышкой могут помещать под подушку сиденья). В нижней части полости емкости устанавливают выпускной клапан, через который с емкостью соединяют размельчитель отходов жизнедеятельности, снабжают его приводом и через трубопровод с краном соединяют с входом эжекционного устройства двигателя энергетической установки. В отличие от прототипа емкость выполняют с двойными стенками и соединяют с трактами двигателя управляемыми (посредством клапанных механизмов) трубопроводами, что существенно снижает загазованность обитаемого помещения. Уменьшение травмоопасности членов экипажа достигается, как правило, применением традиционных средств: установкой на элементах оборудования рабочих мест датчиков их безопасного положения и амортизирующих приспособлений. Например, на налобниках прицелов, приборов наблюдения, визиров, шлемофонов и др. устанавливают амортизирующие вставки, предохраняющие лица и глаза операторов при соударении с оборудованием от травм, с сигнализацией в поле зрения, предупреждающей о несвоевременности или готовности определенных действий (например, о готовности стрельбы, заряжания, начала движения машины и др.).

Конструктивное исполнение дополнительных блоков, обеспечивающих реализацию предложенного способа, широко известно и не вызывает трудностей в их установке и применении (см., например, вышеперечисленные источники, а также: Вагоны. Под ред. Л.Д.Кузьмича, М.: Машиностроение, 1978, с.264-291; Д.А.Лопаев. Электрическая аппаратура бытового назначения, М.: Легкая индустрия, 1977, с.18-55; Медведев В.Р., Ткаченко В.И. Ткаченко Н.В. и др. Особенности развития технологии медицинского обеспечения в опасных зонах. Материалы конференции ХII Международного форума «Высокие технологии XXI века». М.: Издательство ЛКИ, 2011. - с.442-446).

Работа системы жизнеобеспечения, реализующей предлагаемый способ, происходит следующим образом. Первоначально производят подготовку системы обеспечения и объекта к работе. Включают приборы системы электроснабжения (выключатели, источники питания, электродвигатели и др.), благодаря чему напряжение от бортовой сети и источников питания подают на свечи накаливания камеры сгорания подогревателя, которые, разогреваясь, нагревают полость камеры сгорания. Электродвигатели приводят в действие нагнетатели топлива, воздуха и водяной насос. Благодаря этим действиям в камере сгорания подогревателя топливо, смешиваясь его с воздухом, подаваемым нагнетателем воздуха, образует горючую смесь, которую подогревают и воспламеняют с помощью свечей накаливания. Вследствие сгорания смеси нагревают жидкость, циркулирующую в жидкостном тракте теплообменника подогревателя. При установившейся устойчивой работе камеры сгорания свечи накаливания отключают. Нагретую жидкость водяным насосом через змеевик и полости обогрева систем двигателя подают в водяной радиатор и далее через водяной насос возвращают в теплообменник подогревателя. После достижения температуры воды (охлаждающей жидкости) заданного уровня приводят в действие двигатель силовой установки. Горячие газы после отдачи ими части тепла для нагрева жидкости в теплообменнике подогревателя и двигателя подают в разогреватель пищи, являющийся одновременно и тепловым аккумулятором, снабженным дополнительным электронагревателем, а затем, после отдачи тепла, направляют в атмосферу. Вентилятором прогоняют воздух через водяной радиатор, благодаря чему воздух, соприкасаемый со стенками полостей обогрева, нагретыми трубками и пластинками водяного радиатора, а затем теплоаккумулятора, значительно нагревают и тем самым повышают температуру в изолированном обитаемом помещении. Изменением угловых положений тепловых отражателей относительно сидений членов экипажа регулируют температуру окружающего воздуха в зонах рабочих мест членов экипажа. Используя дополнительный электронагреватель, резко увеличивают температуру местного нагрева (выше 100°C) для разогрева пищи, кипячения воды и др.

При необходимости удаления отходов жизнедеятельности поднимают подушку сиденья, затем открывают герметичную крышку емкости и помещают в нее отходы жизнедеятельности. Создают в емкости разрежение и ее содержимое под действием этого разрежения, создаваемого эжекционным эффектом выхлопных газов, удаляют в атмосферу. При этом в случае необходимости отходы предварительно размельчают с помощью оснащения емкости размельчителем с приводом. Исполнение емкости с двойными стенками позволяет улучшить степень ее очистки и от загазованности, и от неприятных запахов продуктов жизнедеятельности. Введение генератора кислорода, включение его в систему воздухопитания повышает надежность деятельности операторов, сохраняет их здоровье в экстремальных условиях.

В последующем при повышении температуры воды в водяном радиаторе и разогреве других систем объекта до заданного уровня производят отключение подогревателя двигателя и тем самым обеспечивают оптимизацию процесса регулирования температуры в обитаемом помещении объекта. При этом производят отключение нагнетателей топлива и воздуха, а также отключение источника питания от свечей накаливания и прекращают работу камеры сгорания и подогревателя. Таким образом, нагрев воздуха в обитаемом помещении (на рабочих местах) и регулирование температуры производят за счет подключения (отключения) блоков нагрева воздуха (электронагревателей), разогрева пищи, аккумулирования тепла, а также изменения направлений перемещения тепловых потоков (теплоотражателями, диффузорами).

При определенном соотношении температур окружающего воздуха, обитаемого помещения и обслуживающих подсистем системы жизнеобеспечения включение ее элементов может происходить не полностью, а частично. Например, может не производиться тепловое аккумулирование или изменение тепловых потоков, разогрев пищи и др. В основных режимах работы системы жизнеобеспечения, работе двигателя и его подсистем, как правило, отключают блоки, обеспечивающие работу подогревателя двигателя. На длительных стоянках, наоборот, могут не использовать двигатель, а лишь подогреватель. При частичном включении элементов системы жизнеобеспечения реализация способа происходит аналогично описанному выше при полном включении элементов.

Возможность реализации предложенного способа не вызывает сомнений, так как введенные операции могут выполняться элементами, которые изготовляются серийно и находят широкое применение как в народном хозяйстве, так и на объектах военной техники.

Таким образом, введение в известный способ жизнеобеспечения дополнительной возможности использования тепловой энергии выхлопных газов и системы электроснабжения (за счет ввода дополнительных электронагревательных элементов), их суммирование, аккумулирование и оптимизация распределения позволяют существенно повысить практически без дополнительных затрат общую тепловую производительность штатных систем жизнеобеспечения, особенно используемых на транспортных средствах (до 250%), так как в них и энергия источника питания и тепло горячих выхлопных газов остаются, как правило, невостребованными либо полностью, либо частично. Тепловая энергия горячих выхлопных газов в аналогах не используется совсем, а в предложенном способе эта энергия утилизируется, суммируется с традиционной и с энергией электрического источника питания и при этом дополнительно используется для уменьшения загазованноси в обитаемом помещении.

Кроме того, предложенный способ позволяет повысить комфортность деятельности экипажа за счет возможности поддержания оптимальной температуры в обитаемом помещении и разогрева продуктов питания, а также удаления отходов жизнедеятельности личного состава и уменьшения загазованности без разгерметизации обитаемого помещения, что одновременно обеспечивает повышение выживаемости членов экипажа в боевой обстановке. За счет оптимизации воздухопитания и снабжения кислородом улучшаются комфортные условия и надежность деятельности экипажа на 10-12%.

Изобретение относится к жизнеобеспечению, а более конкретно, к способам жизнеобеспечения в изолированных объектах. Способ жизнеобеспечения, например, экипажа военного транспортного средства заключается в подаче воздуха, тепловой и электрической энергии, создании запасов воды и продуктов питания, аккумулировании тепловой энергии за счет утилизации и суммирования тепловой энергии выхлопных газов и системы электроснабжения для нагрева изолированного обитаемого помещения, воды и продуктов питания. Под сиденьем члена экипажа устанавливают емкость с двойными стенками для отходов жизнедеятельности и обеспечивают выброс наружу через выхлопной тракт двигателя отходов жизнедеятельности за счет эжекционного действия выхлопных газов двигателя. Полость между двойными стенками сообщают с нагнетающим и выхлопным трактами двигателя. Индивидуальные средства дыхания подключают к генератору кислорода и фильтрующим элементам. На опасных элементах оборудования устанавливают амортизаторы и противоударные приспособления с датчиками. Изобретение улучшает воздухопитание, снижает травмоопасность, повышает тепловую производительность и комфортность.

Способ жизнеобеспечения, например, экипажа военного транспортного средства, оснащенного изолированным обитаемым помещением, энергетической установкой с двигателем и системой электроснабжения, включающий подачу воздуха, тепловой и электрической энергии, создание запасов воды и продуктов питания, установку оборудования жизнеобеспечения, преобразование энергии системы электроснабжения и выхлопных газов энергетической установки в тепловую энергию, ее аккумулирование и использование для нагрева изолированного обитаемого помещения, воды и продуктов питания, установку в изолированном обитаемом помещении емкости с герметизирующей крышкой, помещение в нее отходов жизнедеятельности и их измельчение, создание внутри емкости разряжения путем ее сообщения с выхлопным трактом двигателя и выброс отходов жизнедеятельности за пределы транспортного средства через выхлопной тракт двигателя за счет эжекционного действия выхлопных газов, отличающийся тем, что емкость совмещают с сиденьем члена экипажа путем ее установки и крепления под его подушкой, выполняют емкость в виде перевернутого усеченного конуса с двойными стенками, полость между которыми сообщают подводящим и отводящим управляемыми трубопроводами соответственно с нагнетающим и выхлопным трактами двигателя энергетической установки, обеспечивая при этом ее раздельное, поочередное и одновременное подключение к ним, в случаях нарушения газового состава в обитаемом помещении и (или) его разгерметизации увеличивают количество подаваемого в него воздуха, вводят генератор кислорода и подключают индивидуальные средства дыхания к нему и фильтрующим элементам, снижают травмоопасность членов экипажа путем установки на опасных элементах оборудования амортизаторов и противоударных приспособлений, датчиков готовности их включения и выключения, органов управления и исполнения экстренной остановки подвижных элементов.