救生艙環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是礦下緊急避險(xiǎn)系統(tǒng)與生命保障研究的關(guān)鍵技術(shù)，是救生艙、避難硐室等設(shè)施中的重要組成部分。無(wú)源設(shè)計(jì)與制冷凈化一體化設(shè)計(jì)是提高環(huán)境控制系統(tǒng)適用性與穩(wěn)定性的重點(diǎn)。目前救生艙環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造缺乏系統(tǒng)的理論體系，存在二氧化碳凈化效率低、制冷系統(tǒng)冰堵故障頻發(fā)等問(wèn)題，本文從理論計(jì)算、數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方面對(duì)救生艙內(nèi)氣體凈化與正壓控制、溫濕度控制進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)救生艙空氣場(chǎng)分布特性進(jìn)行分析，針對(duì)人體舒適

2、度對(duì)救生艙內(nèi)環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)。對(duì)救生艙環(huán)境控制系統(tǒng)，論文首次形成理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)優(yōu)化體系，完成從理論計(jì)算、單項(xiàng)實(shí)驗(yàn)到多參數(shù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的綜合設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)流程。
　　本文主要研究?jī)?nèi)容如下：
　?。?）救生艙污染性氣體、溫濕度負(fù)荷分類與計(jì)算
　　對(duì)救生艙在災(zāi)變環(huán)境下的污染氣體負(fù)荷、熱濕負(fù)荷進(jìn)行了理論分析與計(jì)算。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究方法對(duì)人體產(chǎn)生的一氧化碳與二氧化碳進(jìn)行代謝速率計(jì)算，并分析電化學(xué)傳感器在測(cè)定一氧化碳濃度時(shí)受氨氣、硫化氫

3、的影響。與此同時(shí)，將溫濕度負(fù)荷分為人體代謝負(fù)荷、化學(xué)冷負(fù)荷與結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷，根據(jù)溫濕度負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，首次提出“最小設(shè)計(jì)冷負(fù)荷”與“長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)態(tài)最大冷負(fù)荷”設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)合理分配主觀人體冷負(fù)荷與客觀環(huán)境冷負(fù)荷，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性與設(shè)計(jì)安全裕度。污染氣體與溫濕度的負(fù)荷計(jì)算為救生艙環(huán)境控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)提供了邊界條件。
　?。?）凈化系統(tǒng)試驗(yàn)研究與優(yōu)化設(shè)計(jì)
　　救生艙內(nèi)一氧化碳凈化屬于常溫低濃度凈化，低溫催化劑的選型與救生艙環(huán)境下的性能

4、試驗(yàn)尤為重要?；赗-90、MXY-Ⅱ與納米金三種不同一氧化碳催化劑的實(shí)驗(yàn)性能研究，計(jì)算各催化劑在不同入口濃度下的凈化速率，對(duì)低濃度的催化穩(wěn)定性進(jìn)行了對(duì)比分析。二氧化碳凈化方面，通過(guò)對(duì)鈉石灰的吸收性能實(shí)驗(yàn)，分析了藥劑在平鋪、懸掛兩種不同方式下的凈化速率，在此基礎(chǔ)上，本文提出了一種全新的藥劑使用方式，將平鋪與懸掛相結(jié)合，在滿足快速去除速率設(shè)計(jì)要求下，進(jìn)一步提高了藥劑的使用效率。
　　為保證救生艙不受外界有毒有害氣體侵入，針對(duì)目前救生

5、艙領(lǐng)域中使用的泄壓閥普遍存在的氣密性差的問(wèn)題，自主設(shè)計(jì)了一種高密封性能的液封式微壓差自動(dòng)泄壓閥，并對(duì)泄壓閥進(jìn)行了理論泄壓能力計(jì)算。根據(jù)對(duì)救生艙的氣密性實(shí)驗(yàn)，計(jì)算救生艙的漏氣速率，并提出了艙內(nèi)正壓補(bǔ)氣的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，首次建立了一種適用于礦用救生艙的正壓補(bǔ)氣制度，為救生艙正壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與正壓補(bǔ)氣控制操作進(jìn)行理論指導(dǎo)，更好的保障凈化系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。
　　（3）開放式二氧化碳制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化
　　開放式二氧化碳制冷的制冷量損失是制

6、冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要研究?jī)?nèi)容，主要包括：（1）氣瓶與儲(chǔ)存環(huán)境之間熱交換產(chǎn)生的漏熱損失；（2）氣瓶?jī)?nèi)無(wú)法充分利用的剩余氣體產(chǎn)生的利用率損失。本文建立了開放式二氧化碳系統(tǒng)理論計(jì)算模型，研究了第一類及第二類制冷量損失隨二氧化碳所處環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)臨界狀態(tài)的變化關(guān)系，計(jì)算了制冷系統(tǒng)的兩類制冷量損失，二氧化碳制冷劑儲(chǔ)存環(huán)境溫度越高，制冷量損失越大，由于制冷劑無(wú)法充分利用，第二類冷量損失是系統(tǒng)冷量損失的主要部分。
　　開放式制冷系統(tǒng)流阻分配直接影

7、響系統(tǒng)的制冷性能與系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，通過(guò)換熱器的銅管長(zhǎng)度與結(jié)霜長(zhǎng)度的計(jì)算研究，將單級(jí)節(jié)流系統(tǒng)優(yōu)化為雙級(jí)節(jié)流系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上使用分布參數(shù)模型研究管徑、流量與環(huán)境溫濕度對(duì)系統(tǒng)制冷性能的影響，在救生艙制冷系統(tǒng)研究工作中首次從理論上分析開式二氧化碳制冷冰堵故障的產(chǎn)生機(jī)理，并建立了制冷系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性運(yùn)行包線，為制冷系統(tǒng)的調(diào)節(jié)與操作提供理論指導(dǎo)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運(yùn)行。
　?。?）救生艙舒適性綜合分析
　　救生艙的仿真模型建立是分析艙內(nèi)

8、流場(chǎng)的重要手段。建立某型12人救生艙仿真模型，對(duì)艙內(nèi)的空氣流動(dòng)、溫濕度分布與氣體濃度分布等進(jìn)行分析，并計(jì)算艙內(nèi)關(guān)鍵截面的分布均勻性指標(biāo)ADPI、熱舒適性指標(biāo)PMV-PPD與空氣污染品質(zhì)指標(biāo)PAV-PDA。在此基礎(chǔ)上，使用基于熵權(quán)的灰色關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，獲得救生艙內(nèi)空氣環(huán)境的綜合舒適性評(píng)價(jià)方法。
　　（5）救生艙環(huán)境控制系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)研究
　　自主研發(fā)制冷凈化一體機(jī)產(chǎn)品，進(jìn)行了48小時(shí)穩(wěn)定性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與119小