救生艙環(huán)境控制系統(tǒng)的設計優(yōu)化與實驗研究.pdf

1、環(huán)境控制系統(tǒng)設計是礦下緊急避險系統(tǒng)與生命保障研究的關鍵技術，是救生艙、避難硐室等設施中的重要組成部分。無源設計與制冷凈化一體化設計是提高環(huán)境控制系統(tǒng)適用性與穩(wěn)定性的重點。目前救生艙環(huán)境控制系統(tǒng)的設計制造缺乏系統(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)等問題，本文從理論計算、數(shù)值仿真與實驗驗證等方面對救生艙內氣體凈化與正壓控制、溫濕度控制進行關鍵技術研究與優(yōu)化設計，并通過數(shù)值仿真對救生艙空氣場分布特性進行分析，針對人體舒適

2、度對救生艙內環(huán)境進行評價。對救生艙環(huán)境控制系統(tǒng)，論文首次形成理論與實驗相結合的綜合設計優(yōu)化體系，完成從理論計算、單項實驗到多參數(shù)實驗驗證的綜合設計評價流程。
　　本文主要研究內容如下：
　　（1）救生艙污染性氣體、溫濕度負荷分類與計算
　　對救生艙在災變環(huán)境下的污染氣體負荷、熱濕負荷進行了理論分析與計算。通過實驗研究方法對人體產(chǎn)生的一氧化碳與二氧化碳進行代謝速率計算，并分析電化學傳感器在測定一氧化碳濃度時受氨氣、硫化氫

3、的影響。與此同時，將溫濕度負荷分為人體代謝負荷、化學冷負荷與結構冷負荷，根據(jù)溫濕度負荷動態(tài)變化規(guī)律，首次提出“最小設計冷負荷”與“長時穩(wěn)態(tài)最大冷負荷”設計標準，通過合理分配主觀人體冷負荷與客觀環(huán)境冷負荷，提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性與設計安全裕度。污染氣體與溫濕度的負荷計算為救生艙環(huán)境控制系統(tǒng)參數(shù)設計提供了邊界條件。
　?。?）凈化系統(tǒng)試驗研究與優(yōu)化設計
　　救生艙內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驗性能研究，計算各催化劑在不同入口濃度下的凈化速率，對低濃度的催化穩(wěn)定性進行了對比分析。二氧化碳凈化方面，通過對鈉石灰的吸收性能實驗，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，將平鋪與懸掛相結合，在滿足快速去除速率設計要求下，進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，針對目前救生

5、艙領域中使用的泄壓閥普遍存在的氣密性差的問題，自主設計了一種高密封性能的液封式微壓差自動泄壓閥，并對泄壓閥進行了理論泄壓能力計算。根據(jù)對救生艙的氣密性實驗，計算救生艙的漏氣速率，并提出了艙內正壓補氣的設計標準，首次建立了一種適用于礦用救生艙的正壓補氣制度，為救生艙正壓控制系統(tǒng)設計與正壓補氣控制操作進行理論指導，更好的保障凈化系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。
　?。?）開放式二氧化碳制冷系統(tǒng)設計與優(yōu)化
　　開放式二氧化碳制冷的制冷量損失是制

6、冷系統(tǒng)設計優(yōu)化的重要研究內容，主要包括：（1）氣瓶與儲存環(huán)境之間熱交換產(chǎn)生的漏熱損失；（2）氣瓶內無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)境溫度對應臨界狀態(tài)的變化關系，計算了制冷系統(tǒng)的兩類制冷量損失，二氧化碳制冷劑儲存環(huán)境溫度越高，制冷量損失越大，由于制冷劑無法充分利用，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)運行穩(wěn)定性，通過換熱器的銅管長度與結霜長度的計算研究，將單級節(jié)流系統(tǒng)優(yōu)化為雙級節(jié)流系統(tǒng)，并在此基礎上使用分布參數(shù)模型研究管徑、流量與環(huán)境溫濕度對系統(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)生機理，并建立了制冷系統(tǒng)環(huán)境適應性運行包線，為制冷系統(tǒng)的調節(jié)與操作提供理論指導，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定高效運行。
　?。?）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

8、流場的重要手段。建立某型12人救生艙仿真模型，對艙內的空氣流動、溫濕度分布與氣體濃度分布等進行分析，并計算艙內關鍵截面的分布均勻性指標ADPI、熱舒適性指標PMV-PPD與空氣污染品質指標PAV-PDA。在此基礎上，使用基于熵權的灰色關聯(lián)分析方法對各評價指標進行權重計算，獲得救生艙內空氣環(huán)境的綜合舒適性評價方法。
　?。?）救生艙環(huán)境控制系統(tǒng)綜合實驗研究
　　自主研發(fā)制冷凈化一體機產(chǎn)品，進行了48小時穩(wěn)定性驗證實驗與119小