способ жизнеобеспечения

Формула изобретения

Способ жизнеобеспечения в изолированном объекте, оснащенном обитаемым помещением, энергетической установкой с двигателем и системой электроснабжения, включающий подачу в них воздуха, тепловой и электрической энергии, создание запасов воды и продуктов питания, установку оборудования жизнеобеспечения, отличающийся тем, что в обитаемое помещение изолированного объекта дополнительно подают тепловую энергию выхлопных газов двигателя энергетической установки, аккумулируют тепловую энергию за счет утилизации и суммирования тепловой энергии выхлопных газов и системы электроснабжения, обеспечивают возможность нагрева продуктов питания в диапазоне от начальной температуры до превышающей 100°С, устанавливают емкость в виде унитаза с герметизирующей крышкой и внутренней поверхностью в форме перевернутого усеченного конуса, вертикальная ось симметрии которого параллельна вертикальной оси обитаемого помещения, обеспечивают возможность помещения в нее и размельчения отходов жизнедеятельности, создают в емкости разрежение путем сообщения ее нижней части с эжекционным устройством двигателя энергетической установки и обеспечивают выброс наружу через выхлопной тракт двигателя отходов жизнедеятельности за счет эжекционного действия выхлопных газов двигателя энергетической установки, подают под давлением в верхнюю часть емкости выхлопные газы двигателя энергетической установки, формируют их в виде газовых струй, равномерно распределяют их по периметру верхнего основания емкости, направляют каждую из них сверху вниз вдоль соответствующей образующей внутренней поверхности емкости и периодически отклоняют относительно этой образующей на угол±15°.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам жизнеобеспечения, а более конкретно к способам и средствам улучшения условий жизнедеятельности за счет повышения эффективности подачи тепла, воздуха, улучшения условий питания и создания условий для удаления 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 посредством организации и питания, и удаления отходов жизнедеятельности. При этом, чем выше эффективность средств теплообразования, качество питания и др., 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». Воениздат МО СССР, М., 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°С 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. Разогрева пищи в этом способе не предусмотрено.

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), принятый за прототип предлагаемого способа и являющийся его базовым объектом. Этот способ жизнеобеспечения в изолированном объекте, оснащенном обитаемым помещением, энергетической установкой с двигателем и системой электроснабжения, включающий подачу в них воздуха, тепловой и электрической энергии, создание запасов воды и продуктов питания, установку оборудования жизнеобеспечения.

За счет установки на двигателе эжекционного устройства и соединения его с системой очистки воздуха обеспечивается очистка воздуха, подаваемого снаружи 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, в том числе отправлением естественных надобностей. 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 (в том числе и отходов отправления естественных надобностей).

С целью устранения отмеченных недостатков, повышения теплопроизводительности, улучшения условий обитаемости и жизнедеятельности (путем улучшения условий питания за счет повышения температуры нагрева выше 100°С, удаления отходов жизнедеятельности без разгерметизации обитаемых помещений) в способе жизнеобеспечения в изолированном объекте, оснащенном обитаемым помещением, энергетической установкой с двигателем и системой электроснабжения, включающем подачу в них воздуха, тепловой и электрической энергии, создание запасов воды и продуктов питания, установку оборудования жизнедеятельности, дополнительно в обитаемое помещение изолированного объекта подают тепловую энергию выхлопных газов двигателя энергетической установки, аккумулируют тепловую энергию за счет утилизации и суммирования тепловой энергии выхлопных газов и системы электроснабжения, обеспечивают возможность нагрева продуктов питания в диапазоне от начальной температуры до превышающей 100°С, устанавливают емкость в виде унитаза с герметизирующей крышкой и внутренней поверхностью в форме перевернутого усеченного конуса, вертикальная ось симметрии которого параллельна вертикальной оси обитаемого помещения, обеспечивают возможность помещения в нее и размельчения отходов жизнедеятельности, создают в емкости разрежение путем сообщения ее нижней части с эжекционным устройством двигателя энергетической установки и обеспечивают выброс наружу через выхлопной тракт двигателя отходов жизнедеятельности за счет эжекционного действия выхлопных газов двигателя энергетической установки, подают под давлением в верхнюю часть емкости выхлопные газы двигателя энергетической установки, формируют их в виде газовых струй, равномерно распределяют их по периметру верхнего основания емкости, направляют каждую из них сверху вниз вдоль соответствующей образующей внутренней поверхности емкости и периодически отклоняют относительно этой образующей на угол ±15 градусов.

Введение новых операций и действий позволяет в значительной степени устранить отмеченные недостатки, увеличить теплопроизводительность и повысить надежность системы жизнеобеспечения путем дополнительной подачи именно в обитаемое помещение тепла выхлопных газов и тепла дополнительных электронагревателей, их суммирования с теплом системы электроснабжения, а также улучшить условия обитаемости и жизнедеятельности путем удаления отходов жизнедеятельности без разгерметизации обитаемых помещений изолированных объектов. При этом подача под давлением в верхнюю часть емкости выхлопных газов и их дальнейшее соответствующее формирование обеспечивают повышение эффективности удаления отходов жизнедеятельности и очистки каналов удаления.

Штатными блоками системы жизнеобеспечения, реализующей прототип, выполняются часть функций. 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 дополнительно используют эжекционное устройство, блоки для утилизации тепла выхлопных газов и удаления отходов жизнедеятельности. Эжекционное устройство двигателя, принципиально и конструктивно выполненное 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 (в том числе и отправление естественных надобностей) 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). Внутреннюю поверхность емкости выполняют в форме перевернутого конуса с вертикальной осью, параллельной вертикальной оси обитаемого помещения. Подача в верхнюю часть емкости выхлопных газов, формирование их в виде струй, подача их сверху вниз и периодическое отклонение от соответствующей образующей внутренней конической поверхности на угол±15 градусов обеспечивает повышение эффективности удаления отходов жизнедеятельности и очистки каналов удаления.

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.

Конструктивное исполнение дополнительных блоков, обеспечивающих реализацию предложенного способа, широко известно и не вызывает трудностей в их установке и применении (см., например, 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).

Работа системы жизнеобеспечения, реализующей прототип, 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, смешивая его с воздухом, подаваемым нагнетателем воздуха, образуют 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°С) 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 (в том числе отходы отправления естественных надобностей). 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. Кроме того, подают под давлением в верхнюю часть емкости выхлопные газы двигателя энергетической установки, формируют их в виде газовых струй, равномерно распределяют их по периметру верхнего основания емкости, направляют каждую из них сверху вниз вдоль соответствующей образующей внутренней поверхности емкости и периодически отклоняют относительно этой образующей на угол ±15 градусов.

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 прототипе не используется совсем, а в предложенном способе эта энергия утилизируется, суммируется с традиционной и с энергией электрического источника питания.

Кроме того, предложенный способ позволяет повысить комфортность деятельности экипажа за счет возможности поддержания оптимальной температуры в обитаемом помещении и разогрева продуктов питания (до температуры, превышающей 100°С), а также удаления отходов жизнедеятельности личного состава (отправления естественных надобностей) без разгерметизации обитаемого помещения, что одновременно обеспечивает повышение выживаемости членов экипажа и личного состава в боевой обстановке.