生命保障系统方案.doc

生命保障系统2 矿井生命保障系统技术方案2.1 矿井生命保障技术方案图1矿井生命保障系统温度湿度控制流程图本生命保障系统温度控制流程如图1所示，工作过程如下：本系统主要以航天专用制冷剂节流通过蒸发器进行吸热降温，制冷剂可以驱动气动马达，气动马达驱动轴流风扇，使舱内气体净化后，进行降温。本系统无需电力支持，集二氧化碳去除、一氧化碳净化、降温除湿为一体化的有机整体。本生命保障系统净化流程如图2所示。图2空气净化流程图系统的空气净化采用吸附剂吸附，利用轴流风机驱动，依次为空气过滤器净化器去除15um的空气颗粒，用干燥器除湿、用CO2吸附剂去除CO2，用CO吸附剂去除CO，净化后的空气送至温度控制系统进行降温。由于舱内通有井下压缩空气，可以将部分压缩空气用于驱动气动马达来驱动风扇，如果井下压风系统损坏，再用制冷剂作为动力源驱动气体马达，两种方式的转换只需用旋钮即可实现。2.2 理论分析计算表1为人日常代谢参数值实验测试值。表1 人日常代谢参数项目睡眠静息轻度活动中度活动一日总量氧耗率（L/h）14.91.118.31.226.41.549.544.9567 (L/d)CO2排出率（L/h）12.01.115.31.222.841.543.06.1483 (L/d)产热率（KJ/h）30023334.42553829101110711378 (KJ/d)排湿率（g/h）50.0560780.08155151780 (g/d) 考虑到避难期间，人的状态选取静息状态设计。2.2.1 CO2相关计算CO2排放量15.3L/h10324h5天12人22.03m3；CO2密度为1.9kg/m3,则CO2量为41.85kg；CO2排放量速率15.3L/h0.0043L/s4.3ml/s；Ca(OH)2+CO2=CaCO3+H2O 74 44反应需70.38kg Ca(OH)22.2.2 氧气相关计算氧气需求：18.3L/s10324h5天12人26.35m3；氧气密度为1.4kg/m3；氧气需求量（安全系数取1.2）则氧气需求量26.35m31.4kg/m31.2=44.2kg 以42Mpa高压氧气瓶存贮计算，氧气体积为：75.28L 2.2.3 湿热计算系统产热量人：334.4kJ/h24h5天12人=4.815105kJ总共维护结构的导热量为15120kJ；照明设备：2(个)25J/s3600s24h5天0.7=15120kJ照明设备显热负荷取0.7。总热量=4.82105KJ+15120kJ+15120kJ=5.12105kJ 系统产热功率5.12105kJ/(3600s24h5天)1.19kJ/s。系统产湿量60g/h24h5天12人10386.4kg2.2.4 热量平衡计算a. 高压氧释放过程产生的冷量依据氧供给平衡，氧供给18.3L/s。1218.3103m3/h1.4kg/m38.13308Kln(42/0.1)/32=471.8kJ/h=0.13kJ/s b. 维护散热量外围维护结构：10mm钢+30mm隔热材料+2mm钢钢的导热系数32.7W/m.K；石棉的导热系数0.04W/m.K综合热阻1.26 m2.K/W换热面积按31.34m2 维护舱内温度30，则散热量为31.34m25/1.26 m2.K/W =124.4Wc. 空调所需平衡的热量=1.19103130124.4=0.935KJ/s3366KJ/h气动马达扬程选取0.2MPa；流量计算：制冷剂的定压比热容为0.843KJ/g.K单位质量制冷剂换热量0.843KJ/g123=103.7KJ/g制冷循环的流量：3366KJ/h/56 KJ/g=27.3g/h0.5MPa时制冷剂密度9.51kg/m3，则制冷循环的流量又为27.3103kg/h/9.51kg/m3=2.87103m3/h换热量平衡校核，制冷剂流量取30g/h时45g/h0.843KJ/g（308216）=3490.0KJ因为在为45.0g/h 时，Q0QW，故满足要求。注以上为理想状态，仅为估算过程。 d.气动马达选配计算以选择嘉仕达产品为例。表2为嘉仕达部分气动马达产品参数表2部分嘉仕达部分气动马达产品参数气 动 马 达 型 号 操 作 指 标 最 大 扭 矩 最 高 转 速(RPM) 输 出 功 率(kW) 扭 矩(Nm) 最 大 耗 气 量(m3/hr) 最 高 转 速(RPM) Nm 1AM (A) 10,000 0.33 0.31 35.1 650 0.65 1UP (B) 6,000 0.33 0.58 47 500 0.68 2AM (A) 3,000 0.68 2.2 49.5 350 3.05 4AM (A) 3,000 1.3 4.1 132.5 300 6.3 6AM (A) 3,000 3 10 228 300 13 8AM (A) 2,500 3.9 14.4 293 300 21 16AM (A) 2,000 7 34 475 300 43 NL22 (B) 4,000 0.13 0.32 31 1,000 0.49 NL32 (B) 2,000 0.31 1.5 51 300 2.5 NL42 (B) 2,000 0.61 2.9 70 500 5 (A) - 0.7 M Pa & 7 bar 供 气 压 力(B) - 0.55 M Pa & 5.5 bar 供 气 压 力(C) - 0.41 M Pa & 4.1 bar 供 气 压 力气动马达选择1AM (A)，则输出功率0.33KW，扭矩0.31Nm，耗气量35.1m3/h。2.2.5 计算结果 供应物资量需求计算结果如表3所示表3 主要参数计算序号名称需求量备注1.产热量产热功率：1.19kJ/s总热量：5.12105kJ12人；5天；2个30W照明。化学反应热仅取制氧热。2.产湿量总产湿水量：86.4kg3.管道流阻管道流阻：Rm=0.8Pa/m;1.2Pa;百叶窗流阻（2个）：6.2Pa干燥器：8.4pa换热器：12.22Pa净化器：13.11PaCO、CO2去除器：15Pa总计：62.3Pa4.氧气量氧需求:44.2kg高压氧气瓶（40L）：2个安全系数取1.2；高压氧按43Mpa存贮。5.二氧化碳41.85kg；CO2吸附剂(Ca(OH)2：70.38kg6.有毒气体2.2.6矿井避难生命保障系统物流分析如图3所示图3 系统物流分析图2.3 各部件功能及设计2.3.1 过滤器选配图4各种风帘式过滤器。图4过滤器过滤器技术要求：空气流阻：小于10Pa；过滤网径：小于15um；2.3.2 CO、CO2去除器和干燥器干燥器与CO、CO2去除器的结构一样，如图5所示。CO2的产生量流流量很小，只有4.3ml/s，因此不需要特别的措施进行强化吸附。图5二氧化碳吸附罐。图5 二氧化碳吸附罐图6 钠石灰（主要成分Ca(OH)2和CaO）图7 CO吸附剂图6 为CO2吸附剂，图7CO吸附剂。2.3.3 无电空调无电空调主要由两部分组成，一部分为气动马达，另一部分为航天专用制冷剂，气动马达是利用制冷剂驱动气动马达，输出轴功。a. 气动马达结构如图8所示，是依靠高压气流气室内的叶片转动，从而带动主轴转动输出轴功。图8 气动马达原理示意图气动马达选择嘉仕达1AM (A)型技术指标为输出功率0.33KW，扭矩0.31Nm，耗气量35.1m3/h。实物如图9所示图9 嘉仕达气动马达换热器选择换热器采用板翅式换热器，结构如图10所示。图10 空调上的蒸发器蒸发换热器技术指标在风速小于2m/s条件下，换热热负荷应大于7kJ/s；出口截面积应为小于0.5*0.22.3.4 高压氧单元设计高压氧供给（暂称）是利用储备的高压氧气瓶，向舱内供氧的方式。高氧氧单元如图11所示，主要由高压氧气瓶、压力表、安全阀、手动截止阀、减压阀组成。1高压氧气瓶，2压力表，3安全阀，4手动截止阀，5减压阀图11 高压氧供给流程其工作过程：1高压氧气瓶存贮氧气，通过4截止阀控制供氧量。2压力表供检修人员了解氧气情况和避难人员了解