co2制冷2012-08.doc

（一）相关理论1 降温除湿单元的原理图及理论说明1.1降温除湿单元的降温原理降温除湿单元的基本制冷原理为开式节流制冷，其本质是利用预存的液态制冷剂经节流后蒸发，吸收外界热量，从而达到降低环境温度的目的。制冷过程一般采用压-焓图（lgP-h图）表示，降温除湿单元根据制冷剂状态的不同(可分为液态和气态),具体制冷过程如图1、2所示。图1 液态制冷剂制冷过程图2 气态制冷剂制冷过程 图中的3、4、1、2为制冷剂的状态点，3-4-1-2过程表示为制冷剂工作过程。以图1为例，贮瓶内的制冷剂（如R22、R134a、R744等）为常温下的饱和液态（3点），3-4为制冷剂节流过程（称为等焓过程），压力和温度降低；4-1为制冷剂蒸发过程，释放冷量；1-2为制冷剂气体升温过程，继续释放冷量。当制冷剂气体达到2点状态时，对外排放。在此过程中制冷剂释放的单位质量制冷量为h=h2-h4。图2表示，制冷剂为常温下的气态（3点），3-4为制冷剂节流过程（称为等焓过程），压力和温度降低直至变为液态；4-1为制冷剂蒸发过程，释放冷量；1-2为制冷剂气体升温过程，继续释放冷量。当制冷剂气体达到2点状态时，对外排放。此过程制冷剂单位质量制冷量为h=h2-h4。降温除湿单元就是采用开式节流制冷原理，通过各组部件的组合实现制冷降温过程的装置。1.2 降温除湿单元的除湿原理降温除湿单元的除湿过程是通过制冷降温过程来实现的。根据工程热力学原理，在不同温度下，饱和湿空气中的含水量是定值，而湿空气温度越低，其水蒸气含量也越低。除湿过程就是利用上述原理，将室内较高温度的非饱和湿空气降温至饱和湿空气的温度，通过继续降温使湿空气中的水分结露析出，然后将析出水的低温饱和湿空气与室内较高温度湿空气混合后升温，形成相对湿度较低的湿空气，从而达到室内除湿的目的。具体过程如图3所示图3湿空气的焓湿图图3为例，除湿过程为1234。12过程为非饱和湿空气在蒸发器周围冷却，湿空气温度降至露点温度（2点），此时变为饱和湿空气，即2点湿度为100%；湿空气持续降温，即23过程，此时湿空气中水蒸气部分转变为冷凝水，空气中含湿量降低；通过蒸发器后的湿空气与外界空气混合，温度升高，相对湿度降低，即34过程。通过1234过程，湿空气中的含湿量降低，就实现了除湿的目的。 2 供氧单元的原理图及理论说明供氧单元的原理就是通过储存氧气，及时补给舱内人消耗的氧气量，维持舱内氧气的分压达到适当的水平。具体流程如图4所示，即氧气瓶内高压氧气经减压后，定量排入救生舱内。1氧气瓶，2氧气减压阀，3截止阀，4低压氧压表，5流量计，6消音器图4 供氧单元流程原理图3 过渡舱气体过滤单元的原理图及理论说明 过渡舱气体过滤单元工作的基本原理是利用吸附剂对气体有选择的吸附特性，实现对混合空气中有害气体的去除。 过渡舱空气净化单元的原理图如5所示。具体原理过程：高压空气驱动气动风机工作，带动过渡舱内的空气流过空气过滤器，使得过渡舱内的空气净化。空气过滤器内主要成分为活性炭和海绵体，其中活性炭去除有害气体，海绵体进行过滤粉尘。1高压空气瓶，2减压阀，3吸附剂，4过滤网，5风道，6气动风机，7消音器图5 过渡舱空气净化单元原理图4 设备舱制冷剂贮瓶摆放的连接图制冷剂贮瓶的连接采用两两连接，然后通过集气管将两两连接的制冷剂贮瓶并联起来。具体如图6、图7所示。1制冷剂钢瓶，2连接管，3压帽，4卡套组件，5三通图6 制冷剂贮瓶两两连接方式 图6表示，两制冷剂贮瓶通过一个三通卡套组件连接起来，三通两头与制冷剂贮瓶连接，剩下的一头与集气管连接。（二）相关的计算数据及计算依照表1为人日常代谢参数进行计算。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)2 降温除湿单元的制冷剂流量计算，以及连接管路尺寸的选型基础说明 降温除湿单元的制冷剂流量计算，可根据舱内热平衡进行计算。热平衡方程，其中为制冷量，为系统总产热量。2.1系统总产热量估算根据表1，单人人体的产热量为334.4kJ/h12人的总产热量：334.4kJ/h360012人=1.11kJ/s照明设备显热负荷比取0.7。照明设备总产热量：2(个)25J/s0.7=35J/s=0.035 kJ/s这样，系统总产热量=1.11kJ/s +0.035 kJ/s =1.15kJ/s2.2 制冷量估算制冷剂的焓值如表2所示表2 制冷剂焓值温度h1(液) h2（气）30306kJ/kg369.6 kJ/kg(7.2MPa)25274.5 kJ/kg395 kJ/kg（6.4MPa）506.6 kJ/kg（0.11MPa） 假设制冷剂存贮温度为30，制冷剂排气温度为25则：1kg制冷剂产生的冷量（单位制冷量）：=506-306=200kJ/kg2.3 制冷剂流量制冷剂流量：1.15 kJ/s200 kJ/kg =0.0058kg/s=20.9kg/h2.4 连接管路的选择 由于紫铜管具有导热性好，在制冷系统中一般都选择紫铜管作为管路，因此本系统选择紫铜管作为连接管路。 紫铜管的规格一般外径为6，8，10，通过实验测试，外径6紫铜管可以满足系统需求，因此制冷剂入口的连接管选择外径6。3 压风管路和空调进风口流量计算，以及连接管路尺寸的选型基础说明3.1 压风管路气体流量压风管路的气体流量，主要是根据其功能进行计算。通过对救生舱压风管路的分析，压风管路主要作用可能为:a给救生舱提供新风（即提供氧气）；b. 为救生舱散热；c. 为降温除湿单元的气动风机提供动能。3.1.1 给救生舱提供新风（即提供氧气）计算：新风中氧气的消耗主要为人消耗、排放消耗和泄漏消耗。排放消耗是指当舱内压力大于舱外压力时，舱内空气向外排放的过程。因此，排放消耗在此处为负。泄漏消耗可以等同于缓慢的排放消耗，这是由于泄漏消耗氧气的过程与排放消耗是一样的，均向外排放空气。排放消耗也可视为泄漏消耗的累积。因此计算时将二者合并为一。排放过程如下所示：第1次排放后舱内氧气浓度为第一次排放后的氧浓度；为舱内空气容积；为补充空气的量，为排气压力，舱内压力为1ba；压风系统空气的氧浓度；为排放间隔时间；单位时间舱内人的耗氧量；则，第n次为：体积流量。假设舱内参数为:当压力超过1.2ba时，压力阀门开启，1ba时关闭；氧气需求量（12人时）：17.2L/h12206.4 L/h，舱内容积为4.5*1.6*1.8=12.96m3则舱内补充W=1.2*12.96-12.96=2.59m3标准空气时，舱内排气。计算结果见表3。表3 维持氧浓度所需的空气流量维持的氧浓度(%)111315171818.51920空气补给量(m3/h)2.122.673.455.187.628.9311.2623.553.1.2 给主舱进行换热给主舱换热可根据热平衡计算，即。式中：为压风系统带入的冷量。产热量依据2.1，为=1.15kJ/s （12人5天）式中：质量流量； 定压比热容； 舱内空气温度与压风系统的空气温度之差。已知：空气为比热容1.006KJ/kg，空气密度1.2kg/m3单位质量换热量，则通风量如表4所示表4 通风流量温差（）=1=6=8=10=15=20备注空气流量（m3/s）（12人5天）0.950.160.120.0950.0630.048空气流量（m3/h）（12人5天）3420570428342228171压风系统的流量应根据具体情况，从表4中选取。3.1.3 为降温除湿单元的气动风机提供高压空气：由于降温除湿单元的气动风机选择的气动马达，额定耗气量30m3/h，额定气压0.6MPa的气动马达。因此压风系统需要提供给降温除湿单元的高压空气量约为30m3/h，气压0.6MPa。对于本生保系统而言，压风系统提供给降温除湿单元的进气流量应为30m3/h（压力0.50.7MPa）。3.2 降温除湿单元出风口流量降温除湿单元进风量与出风量相等，通过换热器的空气吸收的冷量等于舱内系统的总产热量，即。式中：为降温除湿单元通风带入的冷量。产热量依据2.1，为=1.15kJ/s （12人5天）式中：质量流量； 定压比热容； 舱内空气温度与降温除湿单元蒸发器前端空气温度之差。=1.15kJ/s （12人5天）空气为比热容1.006KJ/kg，空气密度1.2kg/m3单位质量换热量，则通风量如表4所示表5 通风流量温差（）=1=6=8=10=15=20备注空气流量（m3/s）（12人5天）0.950.160.120.0950.0630.048空气流量（m3/h）（12人5天）3420570428342228171例如：通过试验，测试本系统舱内温度为30，百叶窗前端温度（近似为蒸发器前端空气温度）10，则温差为20。依据表5，可知降温除湿单元的空气流量应为171 m3/h。4 降温除湿单元和过渡舱过滤单元的两台气动风机的选型计算4.1 降温除湿单元气动风机选型降温除湿单元气动风机选型是依靠制冷剂输出量与气动风机耗气量进行匹配。由2可知，制冷剂输出量为20.9kg/h，制冷剂的密度约1.9kg/m3。可提供的耗气量为11m3/h。通过调研，英格索兰公司的气动马达产品质量卓越，因此选择该公司的产品。根据该公司的气动马达产品目录，选择型号为SM1AM额定耗气量30m3/h的气动马达，该气动马达为该型号中的最小耗气量产品。4.2 过渡舱过滤单元气动风机选型过渡舱过滤单元气动风机的主要功能是驱动空气，流经过滤器，因此要求气动风机产生的风压和空气流量越大越好。详细计算很难，只能大概估算。依据过渡舱尺寸，过渡舱内的空气体积约为1.39*1.70*1.25=2.95m3假设每次进入救生舱为2人，共需6次，要想将过渡舱空气净化干净，最少满足能将空气全部通过1次，为了达到净化目的按空气过滤2次计算，则需要过滤空气2.95*2=5.9m3净化空气总量约：5.9*6=35.4m3 气动风机选择型号MY-0.1的气动风机，进行校核：气动风机的耗气量：24m3/h； 混合通风量：103.84m3/h需要工作的时间：0.34h 需要气量：8.16m3需要气体钢瓶数：8.16m36m3/瓶=1.36瓶，实际2瓶。因此该气动风机满足过渡舱过滤单元要求。 5 制冷剂钢瓶数量计算 由2可知，制冷剂的流量为20.9kg/h，则在不考虑外界与舱内环境换热的条件下，满足5天工作需求的制冷剂钢瓶数为： 20.9kg/h24h5天23kg/瓶=109瓶6 过渡舱及主舱氧气瓶耗氧量的计算依据表1，则氧气需求：18.3L/h10324h5天12人26.35m3；氧气密度为1.4kg/m3，则氧气量为36.89kg；氧气需求量（安全系数取1.2）氧气需求量=26.35m3*1.2=31.62m3,约44.27kg；用15MPa40L钢瓶进行存贮，31.621500.04=5.27个，则需要6个。每人实际需要的耗氧量为（14.9*8+18.3*16）/24=17.2L/h12人的氧气供给量：17.2L/h12206.4 L/h。因此当舱内氧气供给量不小于206.4 L/h时，就能保证舱内12人耗氧平衡，维持舱内的氧浓度在安全范围内。 8 主舱内排气管的管路尺寸选型说明8.1 制冷剂排气管制冷过程从管路上可以说是缩放过程，因此要求管路直径逐渐放大。降温除湿单元内的管径最大为6，因此制冷剂的排气管应大于6，通过紫铜管规格可知，应选择8的紫铜管。8.2高压空气排气管高压空气的主要作用是驱动气动风机工作，而气动风机的接口管路为10，因此出口管也应大于或等于10，因此选择10的紫铜管。（三）相关的技术方案分析及选择2 生保系统的设计指标及原则3.2.3 温度影响大气温度是维持人体热平衡的重要因素。人体内温度受生理结构及感觉行为反应的影响。由于热量获得和散失的暂时不平衡而发生体温变化，因而身体热量存在相当大的波动。太冷和太热的环境都会产生不舒服的感觉。研究表明，人体对温度的反应有一定的舒适范围。具体如图8所示。舒适区是指人体能够在其中长时间停留，并维持热舒适性的状态。代偿区是指人体通过一系列的生理调节机制，可以完全或部分维持热平衡的温度环境。不能代偿区是指机体即使充分发挥其生理调节机能也难维持热平衡的温度环境。图8 人体的热舒适性范围4.2 降温除湿单元方案选择系统降温按照原理可划分为2种：被动冷却和主动冷却。被动冷却又可划分为蓄冷、蓄能、强制换热（对流换热、辐射换热等）；主动冷却方式很多，均需要消耗电能，因此这里不进行讨论。（四）生保系统工作流程简述整个矿难救生舱生命保障系统如图13所示，主要包括三部分：降温除湿单元、供氧单元和过渡舱空气净化单元。其中降温除湿单元主要对主舱进行温度湿度控制，同时对主舱内的二氧化碳和一氧化碳进行去除；供氧单元是对主舱进行氧气供应；过渡舱空气净化单元是对过渡舱内进行空气净化。 1制冷剂气瓶组，2制冷剂进气管，3制冷总控阀，4高压表，5过滤器，6温控阀，7毛细管，8蒸发器，9换向阀，10气动风机，11制冷剂出气管，12制冷剂出气口，13高压空气控制阀，14低压表，15高压空气出气管，16高压空气排气口，17冷凝水槽，18冷凝水管，19冷凝水控制阀，20二氧化碳吸附床，21一氧化碳吸附床，22氧气瓶组，23氧气减压阀，24供氧控制阀，25氧压表，26流量计，27供氧排气口，28高压空气瓶，29减压阀，30净化单元控制阀，31气动风机，32高压空气排气口，33吸附剂筒图13 矿难救生舱生命保障系统简图工作过