本文關(guān)鍵詞：基于變壓吸附技術(shù)的連續(xù)不間斷制供氧裝備研究

  更多相關(guān)文章： 氧氣 變壓吸附 活塞式氣體增壓 可編程邏輯控制器 人機(jī)界面

【摘要】：氧氣是參與人體生命活動(dòng)的關(guān)鍵物質(zhì)。人體通過(guò)呼吸從外界獲取需要的氧氣,并參與體內(nèi)生物的氧化作用,為人體提供能量。缺氧可導(dǎo)致人體新陳代謝功能障礙,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){生命。及時(shí)補(bǔ)充氧氣能有效提高危重病人救治率、降低傷死率,加速體弱病人身體康復(fù)速度,同時(shí)氧療也是對(duì)一些呼吸系統(tǒng)疾病、心腦血管系統(tǒng)疾病、高原反應(yīng)與高原病等疾病的一種有效治療方法,此外日常生活的氧保健也可快速消除機(jī)體疲勞,提高識(shí)別能力。在災(zāi)害救援及戰(zhàn)時(shí)傷病員的救治都需要大量的呼吸用氧氣。氧氣可通過(guò)制氧裝備現(xiàn)場(chǎng)制備,并通過(guò)供氧裝備輸送供給。制供氧技術(shù)包括氧氣制備技術(shù)和氧氣增壓技術(shù)。目前,常用的制氧技術(shù)為變壓吸附法,它是一種以空氣為原料,以電力為動(dòng)力,通過(guò)分子篩的吸附分離作用可連續(xù)不間斷制備氧氣的技術(shù),廣泛應(yīng)用于中小型制氧系統(tǒng)。氧氣增壓技術(shù)主要為活塞式氣體增壓技術(shù),是一種壓力范圍廣,增壓效率高,適應(yīng)能力強(qiáng)的連續(xù)不間斷氧氣增壓技術(shù)。現(xiàn)有的制供氧裝備主要有模塊化制供氧裝備、組合化制供氧裝備和一體化制供氧裝備,能滿足一般的用氧需求,但是大多數(shù)功能單一,不能滿足災(zāi)害救援及戰(zhàn)時(shí)既可制得直供呼吸的常壓氧氣又可增壓供呼吸機(jī)、麻醉機(jī)用氧的需求。本研究基于變壓吸附制氧技術(shù)和活塞式氧氣增壓技術(shù),建立了制供氧集成技術(shù)工藝流程,采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)和可編程邏輯控制器控制技術(shù),進(jìn)行了制供氧裝備的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)和優(yōu)化分析以及自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),研制出連續(xù)不間斷制供氧裝備。建立的連續(xù)不間斷制供氧集成工藝流程包括制氧單元、供氧單元和控制單元三個(gè)功能單元。制氧單元由空壓機(jī)、吸附塔、緩沖罐和其他組件組成,實(shí)現(xiàn)了空氣中氧氮的分離,生產(chǎn)制備出常壓氧氣,可直接輸出供人呼吸使用,也可輸送給供氧單元進(jìn)行增壓輸送用。供氧單元由增壓泵、緩沖罐和其他組件組成,把制氧單元制備的氧氣增壓,供呼吸機(jī)、麻醉機(jī)使用。控制單元由可編程邏輯控制器、AD模塊、人機(jī)界面和其他組件組成,實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控和管理整機(jī)運(yùn)行的功能。采用可編程邏輯控制器自動(dòng)控制技術(shù)和人機(jī)界面技術(shù),設(shè)計(jì)了制供氧裝備的控制系統(tǒng)�？删幊踢壿嬁刂破鹘邮誂D模塊接受的傳感器信號(hào),通過(guò)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,并輸出控制信號(hào)。依據(jù)控制原理建立制供氧控制流程,選型可相互兼容的可編程邏輯控制器、AD模塊、人機(jī)界面和各種傳感器。通過(guò)對(duì)可編程邏輯控制器和人機(jī)界面進(jìn)行軟件編寫(xiě)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了可編程邏輯控制器的I/O地址規(guī)劃,接線端子定義和安全報(bào)警設(shè)置,以及人機(jī)界面的用戶界面設(shè)計(jì)和參數(shù)的正確顯示。制供氧裝備的控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控制供氧裝備的運(yùn)行狀況和氧氣的流量、濃度、壓力等參數(shù),可獨(dú)立處理安全事件,實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,確保整機(jī)安全穩(wěn)定地連續(xù)不間斷運(yùn)行。通過(guò)對(duì)吸附塔、空壓機(jī)、增壓泵和緩沖罐等制供氧裝備主要元器件的選型,采用SolidWorks軟件對(duì)制供氧裝備進(jìn)行布局設(shè)計(jì)和整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),選用304不銹鋼作為框架、托架和面板材料,生產(chǎn)制造出制供氧裝備。裝備的外部尺寸為537×709×880mm,整機(jī)質(zhì)量為91kg,電源為AC220V/50Hz,功率為650W(制氧)/900W(制供氧)。為保證制供氧裝備的穩(wěn)定性及安全性,應(yīng)用ANSYS軟件分別對(duì)整機(jī)框架和空壓機(jī)、吸附塔、增壓泵、緩沖罐托架進(jìn)行了靜力學(xué)分析,分析結(jié)果顯示,框架最大應(yīng)力為30.595MPa,遠(yuǎn)小于304不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度,最大變形為0.12211mm,變形程度很小�？諌簷C(jī)、吸附塔、緩沖罐托架的最大應(yīng)力分別為25.2MPa、28.02MPa、0.15MPa,均小于304不銹鋼材料的屈服強(qiáng)度,最大變形分別為0.043mm、0.33mm、0.0001mm,均不影響正常使用。另外,為避免共振對(duì)重要元器件印制電路板造成損害,對(duì)印制電路板進(jìn)行了模態(tài)分析,將固定方式由四角固定改為三邊固定,提高了前六階固有頻率,特別是一階頻率由50.584Hz上升至203.65Hz,抗震性能顯著提高,完全滿足工作需求。為進(jìn)一步研究制供氧裝備的性能,對(duì)制供氧裝備的制氧性能和供氧性能進(jìn)行了分析檢測(cè)。制氧性能分析結(jié)果顯示,開(kāi)機(jī)時(shí)間為3min時(shí),產(chǎn)氧濃度即可上升到90%,說(shuō)明開(kāi)機(jī)性能良好;隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,產(chǎn)氧流量維持在8.6L/min,產(chǎn)氧濃度維持在90.8%,并保持穩(wěn)定。事實(shí)上,產(chǎn)氧濃度與產(chǎn)氧流量和收率有關(guān),產(chǎn)氧濃度隨產(chǎn)氧流量的增加而減小,隨收率的增加而減小,且當(dāng)收率超過(guò)35%以后,產(chǎn)氧濃度減小的趨勢(shì)明顯增大。供氧性能分析結(jié)果顯示,供氧壓力、供氧流量和供氧濃度隨運(yùn)行時(shí)間的增加基本保持不變,供氧壓力為0.38MPa,供氧流量為8.9L/min,供氧濃度為93.8%,供氧性能穩(wěn)定。采用變壓吸附制氧技術(shù)和活塞式氧氣增壓技術(shù)研制的制供氧裝備能夠連續(xù)不間斷生產(chǎn)制備常壓氧氣,直供人直接呼吸使用,也可將制得的氧氣連續(xù)不間斷增壓供呼吸機(jī)、麻醉機(jī)使用,可替代氧氣瓶供氧,性能穩(wěn)定,安全可靠,可車(chē)載,也可獨(dú)立使用,既可用于災(zāi)害救援及戰(zhàn)時(shí)使用,也可用于平時(shí)基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)使用,具有廣闊的應(yīng)用前景。
【關(guān)鍵詞】：氧氣 變壓吸附 活塞式氣體增壓 可編程邏輯控制器 人機(jī)界面
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：R318.6
【目錄】：

• 摘要3-5
• Abstract5-10
• 第一章 緒論10-25
• 1.1 課題研究的背景和意義10-11
• 1.1.1 課題背景10
• 1.1.2 研究意義10-11
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-23
• 1.2.1 氧氣制備技術(shù)11-15
• 1.2.2 氧氣增壓技術(shù)15-16
• 1.2.3 制供氧裝備16-23
• 1.3 存在問(wèn)題23-24
• 1.4 主要研究?jī)?nèi)容24-25
• 第二章 制供氧技術(shù)研究25-35
• 2.1 變壓吸附平臺(tái)建立25-28
• 2.1.1 分析儀器25
• 2.1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容25
• 2.1.3 實(shí)驗(yàn)裝置25-27
• 2.1.4 工藝時(shí)序27-28
• 2.2 變壓吸附制氧性能的影響因素28-31
• 2.2.1 吸附時(shí)間28-29
• 2.2.2 均壓時(shí)間29-30
• 2.2.3 產(chǎn)氧流量30-31
• 2.3 活塞式氣體增壓技術(shù)31-32
• 2.4 不間斷制供氧集成工藝流程的建立32-33
• 2.4.1 設(shè)計(jì)依據(jù)32
• 2.4.2 不間斷制供氧集成工藝流程32-33
• 2.5 本章小結(jié)33-35
• 第三章 制供氧裝備控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)35-47
• 3.1 控制原理及控制流程35-37
• 3.1.1 控制原理35
• 3.1.2 控制流程35-37
• 3.2 主要硬件選型及軟件設(shè)計(jì)37-40
• 3.2.1 可編程邏輯控制器37-38
• 3.2.2 AD模塊38-39
• 3.2.3 人機(jī)界面39-40
• 3.2.4 傳感器40
• 3.3 軟件設(shè)計(jì)40-46
• 3.3.1 可編程邏輯控制器設(shè)計(jì)40-42
• 3.3.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)42-46
• 3.4 本章小結(jié)46-47
• 第四章 制供氧裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及模擬分析47-64
• 4.1 主要元器件選型及設(shè)計(jì)47-51
• 4.1.1 吸附塔47-48
• 4.1.2 空壓機(jī)48-49
• 4.1.3 增壓泵49-50
• 4.1.4 緩沖罐50
• 4.1.5 連接管路50-51
• 4.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)51-55
• 4.2.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)布局51-52
• 4.2.2 外觀布局52-53
• 4.2.3 樣機(jī)的制備53-55
• 4.3 力學(xué)分析55-63
• 4.3.1 框架靜力分析55-58
• 4.3.2 托架靜力分析58-59
• 4.3.3 印制電路板模態(tài)分析及優(yōu)化59-63
• 4.4 本章小結(jié)63-64
• 第五章 制供氧裝備性能分析64-70
• 5.1 制氧性能分析64-68
• 5.1.1 產(chǎn)氧濃度64-65
• 5.1.2 產(chǎn)氧流量65-68
• 5.2 供氧性能分析68-69
• 5.3 本章小結(jié)69-70
• 第六章 結(jié)論與展望70-72
• 6.1 結(jié)論70-71
• 6.2 展望71-72
• 參考文獻(xiàn)72-75
• 論文發(fā)表及科研情況說(shuō)明75-76
• 致謝76

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本文編號(hào)：517199