全自動一體化洗消機的研制

吳文娟，牛 福，崔向東，任旭東，高振海，劉志國

全自動一體化洗消機的研制

吳文娟，牛 福，崔向東，任旭東，高振海，劉志國

目的：針對“三防”傷病員洗消應(yīng)具備對冷水進行快速、安全、高效加熱，且水溫控制穩(wěn)定的功能要求，研制一種全自動一體化“三防”傷病員洗消設(shè)備，使其能夠穩(wěn)定地提供低壓熱水。方法：在總結(jié)分析國內(nèi)外洗消裝備所使用的供水加熱設(shè)備情況的基礎(chǔ)上，通過比較各種加熱方式的優(yōu)缺點，確定即熱式燃油鍋爐加熱方式，并設(shè)計了供水系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)。結(jié)果：研制的全自動一體化“三防”傷病員洗消機，可在環(huán)境溫度為-25～46℃的條件下正常工作，能提供水源溫度至70℃的可調(diào)洗消水，能滿足≥50人/h的洗消能力，達到了設(shè)計指標要求。結(jié)論：研制的“三防”傷病員洗消機結(jié)構(gòu)緊湊、自動化程度高、水溫控制穩(wěn)定、工作安全可靠，可滿足野外傷病員洗消作業(yè)的需求。

“三防”傷病員；洗消機；核生化醫(yī)學救援

0 引言

在“核生化”條件下，人員受到沾染后最有效的方法就是在最短的時間內(nèi)快速進行洗消[1]。傷病員洗消是指通過物理、化學中和或消毒等手段從其身體表面清除核生化戰(zhàn)劑[2-3]。洗消是保障人員安全的重要措施，在有條件的情況下應(yīng)對傷病員進行全身洗消，以避免或減輕對傷病員的傷害。目前，為適應(yīng)現(xiàn)代高新技術(shù)戰(zhàn)爭的“三防”醫(yī)學救援保障需求，我國已研發(fā)了淋浴車、淋浴掛車、洗消帳篷[4-7]等，以保障防化洗消、傷病員洗消等需求。

對人員進行洗消作業(yè)時，水溫應(yīng)控制在體溫范圍內(nèi)，溫度過高會加速皮膚對毒劑的吸收，溫度過低則不利于毒劑的消除?？梢姡x擇用于洗消裝備的供水加熱設(shè)備非常關(guān)鍵。鑒于此，本文研制了一種快速、安全、水溫可調(diào)的供水加熱設(shè)備。

1 國內(nèi)外洗消裝備使用的供水加熱設(shè)備現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

世界上許多國家都有自己的洗消裝備，美國、德國、意大利、法國等發(fā)達國家的洗消裝備一直走在了前列[8-11]。各國根據(jù)自身勤務(wù)保障模式的不同，洗消裝備上供水加熱設(shè)備也采取不同的方式。意大利SANIJET C.1218使用即熱式燃油鍋爐，美國MEDecon3L（B）洗消掛車采用即熱式以丙烷為燃料的燃氣熱水器，美國Shower Shelter采用貯熱式電加熱鍋爐。我國設(shè)計的淋浴車和淋浴掛車均采用貯熱式燃油鍋爐。表1給出了國內(nèi)外洗消裝備使用的供水加熱設(shè)備的基本性能參數(shù)。

1.2 加熱用鍋爐優(yōu)缺點比較

文獻[12]中詳細比較了燃油鍋爐和電熱鍋爐的優(yōu)缺點。經(jīng)過總結(jié)分析得出，燃油鍋爐的特點是鍋爐熱效率高、爐體的體積小、全壽命周期費用較小，但噪聲較大、燃燒廢氣存在一定的環(huán)境污染問題。電熱鍋爐無污染、無噪聲、結(jié)構(gòu)簡單、加熱方式靈活，但能源利用率低，不節(jié)能，年運行費用較大；同時，電熱鍋爐多采用貯熱式，加熱能力有限，難以連續(xù)提供熱水。

根據(jù)任務(wù)需求和保障模式的特點，考慮到在野外條件下，電加熱鍋爐需要內(nèi)燃發(fā)電機組提供電力，且熱轉(zhuǎn)換效率低，后期使用費用較高，因此，本課題組研制的一體化“三防”傷病員洗消機采用即熱式燃油加熱方式。

表1 國內(nèi)外洗消裝備使用供水加熱設(shè)備的情況

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

“三防”傷病員洗消主要是在野外展開作業(yè)，電力供應(yīng)難以保證，本研究選用了即熱式燃油鍋爐方式為傷病員洗消提供熱水保障。

2.1 技術(shù)設(shè)計原則

（1）從功能上，根據(jù)傷病員洗消需求，要求洗消機可同時供4名傷病員進行洗消作業(yè)，每小時可通過傷病員至少50人。水溫控制要求在水源溫度至70℃之間可以調(diào)節(jié)，并且要求水溫穩(wěn)定、加熱速率快。冷水經(jīng)過洗消機進行加熱后，熱水管路分為2路：一路是不增加任何措施直接形成清水；一路是在管路上增加一個均混器形成洗消水。對傷病員進行洗消作業(yè)時，洗消水和清水可任意交替使用。

（2）從整機性能上，要求洗消機性能穩(wěn)定、安全可靠、易于維護。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

一體式洗消機由供水系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安全保護系統(tǒng)組成。總體結(jié)構(gòu)框架如圖1、2所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖

圖2 一體化洗消機總體結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.1 供水系統(tǒng)

供水系統(tǒng)由自吸式多級離心泵和泵內(nèi)自動壓力啟停裝置以及相關(guān)接頭管件組成，如圖3所示。

圖3 供水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

水泵自吸工作過程：水泵首次啟動前泵殼內(nèi)應(yīng)先灌滿水（或泵殼內(nèi)自身存有水）。啟動后，葉輪高速旋轉(zhuǎn)使葉輪槽中的水流向渦殼，使泵殼入口形成真空，進水逆止閥打開，將管內(nèi)的空氣吸入泵內(nèi)，并到達葉輪槽外緣。與此同時，被葉輪排到汽水分離室中的水又經(jīng)左右回水孔流回到葉輪外緣。在壓力差和重力的作用下，左回水孔流回的水射向葉輪槽內(nèi)，被葉輪擊碎，與管路吸入來的空氣混合后甩向蝸殼，并向旋轉(zhuǎn)方向流動，然后與右回水孔流來的水匯合，順著蝸殼流動。由于液體在蝸殼內(nèi)不斷沖擊葉柵，不斷被葉輪擊碎，就同空氣強烈攪拌混合生成汽水混合物。汽水混合物在蝸殼出口被隔舌剝離，沿短管進入分離室，并在分離室內(nèi)將空氣分離出來，由出口管排掉。而水仍經(jīng)左右回水孔流向葉輪外緣，并與吸入管內(nèi)的空氣混合。如此反復循環(huán)，逐漸將吸入管路中的空氣排盡，使水進入泵內(nèi)，完成自吸過程。

由于洗消機最終要安裝在洗消掛車上，并為車下的帳篷內(nèi)提供熱水，冷水經(jīng)洗消機加熱后，需要將熱水管路引到車下帳篷內(nèi)，熱水從洗消機熱水出口至帳篷內(nèi)的管路末端距離較長，且經(jīng)過的彎管較多，管路內(nèi)壓力損失比較大。因此，在進行水泵選型時，充分考慮這一點，最終選用的泵其壓力最大可達0.75 MPa，流量為3 m3/h。

2.2.2 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)由壓力燃油泵、燃燒器電動機與離心風機、霧化噴油嘴、高壓點火變壓器、點火電極桿、穩(wěn)焰器（旋風器）、不銹鋼螺旋加熱管等組成。

加熱系統(tǒng)的關(guān)鍵部件為不銹鋼螺旋加熱，采用雙盤管結(jié)構(gòu)形式，如圖4所示。

圖4 不銹鋼螺旋加熱管

壓力燃油泵的作用是將燃油從油箱中吸出來并加壓后，經(jīng)由油泵出口以及噴油嘴噴出形成油霧。加熱系統(tǒng)的原理框圖如圖5所示。當燃燒器電動機通電后，帶動離心風機以及壓力燃油泵高速旋轉(zhuǎn)。由于離心力的作用，離心風機高速旋轉(zhuǎn)，將周圍空氣大量吸入，送入鍋爐夾層內(nèi)，然后流經(jīng)內(nèi)外桶上蓋之間的夾層，大量的高速空氣流沿著內(nèi)桶上蓋中間布置的穩(wěn)焰器流入燃燒室。特殊設(shè)計的穩(wěn)焰器使空氣流高速旋轉(zhuǎn)。與此同時，燃油泵將燃油從油箱吸出加壓后輸送至霧化噴油嘴，并噴出夾角為60°的空心圓錐型油霧，按一定比例與空氣混合后，充滿整個燃燒室，經(jīng)布置在燃燒器頂端的點火電極產(chǎn)生14 kV高壓電弧點燃，燃燒產(chǎn)生高溫、高壓氣流經(jīng)螺旋管使傳導管外水流迅速加熱，水溫迅速升高，達到即時加熱目的。加熱系統(tǒng)燃燒的功率為55 kW，經(jīng)過鍋爐的水流量為40 L/min。

圖5 加熱系統(tǒng)工作原理框圖

2.2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由電源開關(guān)、加熱開關(guān)、數(shù)顯智能溫度控制器、電控箱、高精度高靈敏度傳感器、高壓點火變壓器、中間繼電器、時間繼電器以及控制變壓器等組成?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖6所示。

圖6 洗消機控制系統(tǒng)框圖

主要控制原理：首先按下電源開關(guān)，系統(tǒng)通電；按下加熱開關(guān)，加熱系統(tǒng)工作；在機器的出水口處設(shè)置的溫度感應(yīng)探針感知出水溫度并發(fā)出信號給溫度控制器進行處理，控制加熱系統(tǒng)決定是否加熱；整個系統(tǒng)具有斷流自動停止加熱功能，即一旦出水口關(guān)閉時，傳感器發(fā)出信號，系統(tǒng)將自動斷電停止加熱。

2.2.4 安全保護系統(tǒng)

安全保護系統(tǒng)由傳感器、壓力開關(guān)、漏電保護器等組成，其原理框圖如圖7所示。

各傳感器的主要作用如下：

（1）液位傳感器：當油箱內(nèi)柴油降至警戒油位時，會發(fā)出停止油泵工作及缺油指示信號。

（2）流量傳感器：當系統(tǒng)缺水或出水口關(guān)閉時，會發(fā)出停止加熱信號。

圖7 安全保護系統(tǒng)原理框圖

（3）溫度傳感器：當水溫超出設(shè)定的溫度范圍時，會發(fā)出停止加熱信號。

（4）壓力穩(wěn)定器：在額定壓力工作下，維持水泵正常工作。當出水口關(guān)閉時，壓力開關(guān)動作，避免機具過載。

3 結(jié)果

通過綜合考慮系統(tǒng)供水、管路加壓、水溫調(diào)節(jié)等方面設(shè)計要求，課題組按照樣機試制方案，成功研制了全自動一體化的洗消機，并將樣機安裝在洗消掛車內(nèi)部進行了性能測試。

（1）試驗表明，一臺洗消掛車可為2頂帳篷供給熱水，并可滿足每個帳篷內(nèi)設(shè)置4個噴頭，整套系統(tǒng)具有8個噴頭的用水需求。

（2）將洗消掛車按工作狀態(tài)展開后（包含2頂帳篷），連接好水路、電路、氣路等，打開洗消機，對模擬傷病員進行洗消作業(yè)試驗，并記錄每個噴頭的水溫、流量等參數(shù)，其試驗結(jié)果詳見表2。

（3）該試驗是在環(huán)境溫度為30℃時進行的，結(jié)果表明，該洗消機可滿足1 h至少50名傷病員的洗消作業(yè)指標，并且溫度控制穩(wěn)定，壓力和流量均在合理范圍內(nèi)。

（4）對洗消掛車的高低溫試驗表明，該洗消機可在環(huán)境溫度為-25～46℃的范圍內(nèi)正常工作，水溫可在水源溫度至70℃范圍內(nèi)可調(diào)，且溫度、壓力穩(wěn)定，滿足野外條件下“三防”傷病員洗消需求。

表2 傷病員洗消作業(yè)試驗情況

4 結(jié)論

本文根據(jù)野外條件下“三防”傷病員洗消勤務(wù)

（????）（????）需求，通過總結(jié)分析國內(nèi)外洗消裝備供水加熱設(shè)備的特點，研制出一種新型即熱式燃油加熱全自動一體化洗消機。經(jīng)過實踐檢驗，該洗消機整體設(shè)計合理，加熱性能優(yōu)良，操作使用和維護保養(yǎng)方便，為野外條件下進行“三防”傷病員洗消提供了可靠保障。

[1]張偉.防化裝備[M].北京：航空工業(yè)出版社，2009：74-75.

[2]習海玲，孔令策.人員皮膚應(yīng)急消毒技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].防化研究，2012（3）：30-34.

[3]吳文娟，任旭東，張文昌，等.“三防”傷病員洗消技術(shù)與裝備現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（1）：81-83.

[4]吳文娟，牛福，任旭東，等.一種車載單人洗消間的設(shè)計研究[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2014，35（4）：94-96.

[5]楊立峰.一種野營淋浴車[J].專用汽車，2004（5）：38-39.

[6]牛福，任旭東，高振海，等.“三防”傷病員洗消機動單元的研制[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（1）：71-73.

[7]任旭東，牛福，孫景工，等.“三防”傷員洗消系統(tǒng)的重度傷員洗消作業(yè)傳送裝置設(shè)計[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2013，34（1）：77-78.

[8]吳文娟，張文昌，牛福，等.化學毒劑偵檢、防護與洗消裝備的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].國際藥學研究雜志，2011，38（6）：414-418.

[9]張文昌，吳文娟，任旭東，等.核化生醫(yī)學救援裝備現(xiàn)狀與發(fā)展[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2012，33（9）：84-86.

[10]郝麗梅，田濤，吳金輝，等.國內(nèi)外洗消裝備的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].醫(yī)療衛(wèi)生裝備，2008，29（12）：31-34.

[11]賀贛，蔡忠林，胡睿，等.淺談外軍防化洗消技術(shù)與裝備發(fā)展近況[J].防化研究，2008（4）：62-63.

[12]董志明，高瑞林，賈桂枝，等.淋浴裝備供熱鍋爐的研究[J].后勤科技裝備，2007（1）：37-38.

（收稿：2014-10-30）

（欄目責任編校：李 影）

Development of integrated equipment for fully automatic decontamination

WU Wen-juan,NIU Fu,CUI Xiang-dong,REN Xu-dong,GAO Zhen-hai,LIU Zhi-guo
(Institute of Medical Equipment,Academy of Military Medicine Sciences,Tianjin 300161,China)

ObjectiveTo develop a fully automatic and integrated decontamination equipment which can provide heated water with low pressure for NBC casualties decontamination.MethodsInstant heater by fuel oil was selected after summarizing likely equipment in the world and comparing kinds of heating modes.The equipment had all its components designed,including water supply system,heating system,control system and safety protection system.ResultsThe equipment was developed with all the desired indexes satisfied.ConclusionThe equipment has the characteristics of compact structure,high degree of automation,stable control of water temperature,high safety and reliability,and thus can satisfy the needs of casualty decontamination in field conditions.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（1）：101-103，126]

casualty;decontamination;decontamination equipment

R318；TJ91

A

1003-8868（2015）01-0101-04

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.01.101

軍隊國家級應(yīng)急醫(yī)療防疫救援裝備研究項目

吳文娟（1982—），女，博士，助理研究員，主要從事軍隊衛(wèi)生裝備研制和非線性動力學研究，E-mail：nkwwj@163.com。

300161天津，軍事醫(yī)學科學院衛(wèi)生裝備研究所（吳文娟，牛 福，崔向東，任旭東，高振海，劉志國）

牛 福，E-mail：niufu@vip.sina.com