本文關(guān)鍵詞：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

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【摘要】：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),并通過數(shù)值仿真對(duì)救生艙空氣場分布特性進(jìn)行分析,針對(duì)人體舒適度對(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。本文主要研究內(nèi)容如下:(1)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)傳感器在測定一氧化碳濃度時(shí)受氨氣、硫化氫的影響。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“長時(shí)穩(wěn)態(tài)最大冷負(fù)荷”設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),通過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。(2)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)目前救生艙領(lǐng)域中使用的泄壓閥普遍存在的氣密性差的問題,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冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的重要研究內(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)氣瓶內(nèi)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(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)流阻分配直接影響系統(tǒng)的制冷性能與系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性,通過換熱器的銅管長度與結(jié)霜長度的計(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。(4)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)流場的重要手段。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小時(shí)真人綜合性能實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中,通過對(duì)“流阻上游轉(zhuǎn)移”等現(xiàn)象的分析,進(jìn)一步優(yōu)化一體機(jī)的運(yùn)行與調(diào)節(jié)方法,為系統(tǒng)無霜無冰堵與穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。真人綜合實(shí)驗(yàn)中,艙內(nèi)環(huán)境溫濕度、氣體濃度與正壓均控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi),順利通過檢驗(yàn)中心與安標(biāo)中心的產(chǎn)品認(rèn)證,制冷凈化一體機(jī)設(shè)備與環(huán)境控制方法被運(yùn)用在多家救生艙產(chǎn)品與礦井避難硐室建設(shè)中。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP273

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