本文關鍵詞：基于變壓吸附技術的連續(xù)不間斷制供氧裝備研究

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

【摘要】：氧氣是參與人體生命活動的關鍵物質(zhì)。人體通過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。缺氧可導致人體新陳代謝功能障礙,嚴重時甚至會威脅生命。及時補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速度,同時氧療也是對一些呼吸系統(tǒng)疾病、心腦血管系統(tǒng)疾病、高原反應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體疲勞,提高識別能力。在災害救援及戰(zhàn)時傷病員的救治都需要大量的呼吸用氧氣。氧氣可通過制氧裝備現(xiàn)場制備,并通過供氧裝備輸送供給。制供氧技術包括氧氣制備技術和氧氣增壓技術。目前,常用的制氧技術為變壓吸附法,它是一種以空氣為原料,以電力為動力,通過分子篩的吸附分離作用可連續(xù)不間斷制備氧氣的技術,廣泛應用于中小型制氧系統(tǒng)。氧氣增壓技術主要為活塞式氣體增壓技術,是一種壓力范圍廣,增壓效率高,適應能力強的連續(xù)不間斷氧氣增壓技術�，F(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,不能滿足災害救援及戰(zhàn)時既可制得直供呼吸的常壓氧氣又可增壓供呼吸機、麻醉機用氧的需求。本研究基于變壓吸附制氧技術和活塞式氧氣增壓技術,建立了制供氧集成技術工藝流程,采用機電一體化設計和可編程邏輯控制器控制技術,進行了制供氧裝備的結構布局設計和優(yōu)化分析以及自動控制系統(tǒng)設計,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功能單元。制氧單元由空壓機、吸附塔、緩沖罐和其他組件組成,實現(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、麻醉機使用�？刂茊卧煽删幊踢壿嬁刂破�、AD模塊、人機界面和其他組件組成,實現(xiàn)了監(jiān)控和管理整機運行的功能。采用可編程邏輯控制器自動控制技術和人機界面技術,設計了制供氧裝備的控制系統(tǒng)。可編程邏輯控制器接收AD模塊接受的傳感器信號,通過人機界面實現(xiàn)人機交互,并輸出控制信號。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、人機界面和各種傳感器。通過對可編程邏輯控制器和人機界面進行軟件編寫設計,實現(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警設置,以及人機界面的用戶界面設計和參數(shù)的正確顯示。制供氧裝備的控制系統(tǒng)實時監(jiān)控制供氧裝備的運行狀況和氧氣的流量、濃度、壓力等參數(shù),可獨立處理安全事件,實現(xiàn)人機交互,確保整機安全穩(wěn)定地連續(xù)不間斷運行。通過對吸附塔、空壓機、增壓泵和緩沖罐等制供氧裝備主要元器件的選型,采用SolidWorks軟件對制供氧裝備進行布局設計和整機結構設計,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,應用ANSYS軟件分別對整機框架和空壓機、吸附塔、增壓泵、緩沖罐托架進行了靜力學分析,分析結果顯示,框架最大應力為30.595MPa,遠小于304不銹鋼材料的屈服強度,最大變形為0.12211mm,變形程度很小�？諌簷C、吸附塔、緩沖罐托架的最大應力分別為25.2MPa、28.02MPa、0.15MPa,均小于304不銹鋼材料的屈服強度,最大變形分別為0.043mm、0.33mm、0.0001mm,均不影響正常使用。另外,為避免共振對重要元器件印制電路板造成損害,對印制電路板進行了模態(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。為進一步研究制供氧裝備的性能,對制供氧裝備的制氧性能和供氧性能進行了分析檢測。制氧性能分析結果顯示,開機時間為3min時,產(chǎn)氧濃度即可上升到90%,說明開機性能良好;隨著運行時間的增加,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。事實上,產(chǎn)氧濃度與產(chǎn)氧流量和收率有關,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,且當收率超過35%以后,產(chǎn)氧濃度減小的趨勢明顯增大。供氧性能分析結果顯示,供氧壓力、供氧流量和供氧濃度隨運行時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和活塞式氧氣增壓技術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、麻醉機使用,可替代氧氣瓶供氧,性能穩(wěn)定,安全可靠,可車載,也可獨立使用,既可用于災害救援及戰(zhàn)時使用,也可用于平時基層醫(yī)療機構使用,具有廣闊的應用前景。
【關鍵詞】：氧氣 變壓吸附 活塞式氣體增壓 可編程邏輯控制器 人機界面
【學位授予單位】：中國人民解放軍軍事醫(yī)學科學院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：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 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-23
• 1.2.1 氧氣制備技術11-15
• 1.2.2 氧氣增壓技術15-16
• 1.2.3 制供氧裝備16-23
• 1.3 存在問題23-24
• 1.4 主要研究內(nèi)容24-25
• 第二章 制供氧技術研究25-35
• 2.1 變壓吸附平臺建立25-28
• 2.1.1 分析儀器25
• 2.1.2 實驗內(nèi)容25
• 2.1.3 實驗裝置25-27
• 2.1.4 工藝時序27-28
• 2.2 變壓吸附制氧性能的影響因素28-31
• 2.2.1 吸附時間28-29
• 2.2.2 均壓時間29-30
• 2.2.3 產(chǎn)氧流量30-31
• 2.3 活塞式氣體增壓技術31-32
• 2.4 不間斷制供氧集成工藝流程的建立32-33
• 2.4.1 設計依據(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33-35
• 第三章 制供氧裝備控制系統(tǒng)設計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計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 人機界面39-40
• 3.2.4 傳感器40
• 3.3 軟件設計40-46
• 3.3.1 可編程邏輯控制器設計40-42
• 3.3.2 人機界面設計42-46
• 3.4 本章小結46-47
• 第四章 制供氧裝備結構設計及模擬分析47-64
• 4.1 主要元器件選型及設計47-51
• 4.1.1 吸附塔47-48
• 4.1.2 空壓機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 整機結構布局設計51-55
• 4.2.1 整機結構布局51-52
• 4.2.2 外觀布局52-53
• 4.2.3 樣機的制備53-55
• 4.3 力學分析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69-70
• 第六章 結論與展望70-72
• 6.1 結論70-71
• 6.2 展望71-72
• 參考文獻72-75
• 論文發(fā)表及科研情況說明75-76
• 致謝76

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本文編號：517199