救生艙空氣幕對(duì)二氧化碳的阻隔性能研究*

張麗榮 金龍哲 張俊燕 栗 婧

北京科技大學(xué)

救生艙內(nèi)空氣阻隔系統(tǒng)是構(gòu)成救生艙整個(gè)環(huán)控生保系統(tǒng)的重要組成部分，是保證艙內(nèi)氣體環(huán)境實(shí)現(xiàn)救援功能的大前提[1-2]。在救生艙門(mén)口設(shè)置空氣幕，可以有效阻隔巷道環(huán)境內(nèi)有害氣體向艙內(nèi)擴(kuò)散。

救生艙在發(fā)生事故后，面臨的主要有害氣體為CO、CO2和CH4[3-5]。由于礦井中的空氣逸入成分中CO2相對(duì)較多，無(wú)毒副作用且氣源易獲得，所以實(shí)驗(yàn)選定CO2為目標(biāo)氣體。在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，研究不同規(guī)格的空氣幕管、以及艙外環(huán)境中CO2濃度對(duì)空氣幕管阻隔性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)環(huán)境為北京科技大學(xué)礦山模擬救援實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)在礦用密閉救生試驗(yàn)艙內(nèi)進(jìn)行，艙體為雙層氣密門(mén)結(jié)構(gòu)。艙內(nèi)設(shè)有空氣幕系統(tǒng)，環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。其他實(shí)驗(yàn)設(shè)備有空壓機(jī)、U型壓差計(jì)、充氣管、功率為30W的艙內(nèi)擾動(dòng)風(fēng)機(jī)和CO2氣體供應(yīng)裝置。實(shí)驗(yàn)用空氣幕采用10mm×10mm方管，長(zhǎng)為1550mm，分上下兩段，中間用三通連接，采用中間進(jìn)氣方式。本實(shí)驗(yàn)根據(jù)以往試驗(yàn)采用風(fēng)速和氣流參數(shù)較好的4種規(guī)格氣幕管，其開(kāi)孔孔徑-開(kāi)孔間距分別為：0.5-20mm、0.5-40mm、0.8-20mm和0.8-40mm。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境情況如圖1所示，圖1中左邊較小空間用來(lái)模擬艙內(nèi)部環(huán)境，右邊較大空間模擬救生艙外大環(huán)境，救生試驗(yàn)艙的二道門(mén)處安裝空氣幕設(shè)定隔離帶，空氣幕吹氣方式采用側(cè)吹式。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，首先檢查艙體氣密性。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行基礎(chǔ)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。之后進(jìn)行空氣幕阻隔CO2性能實(shí)驗(yàn)。具體方法如下：

（1）救生試驗(yàn)艙氣密性實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)參照軍用方艙的氣密標(biāo)準(zhǔn)[6]。具體方法為：在艙體合適位置安裝U型壓差計(jì)和充氣管，關(guān)閉試驗(yàn)艙所有的門(mén)窗孔口；啟動(dòng)空壓機(jī)向艙內(nèi)注入空氣，當(dāng)試驗(yàn)艙內(nèi)外壓差達(dá)到1000Pa時(shí)停止空氣機(jī)，保持艙內(nèi)正壓時(shí)間不少于1min，關(guān)閉進(jìn)氣閥門(mén)。記錄數(shù)據(jù)。試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，計(jì)算每分鐘的空氣泄漏量。

（2）基礎(chǔ)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

在試驗(yàn)艙氣密性良好的前提下，進(jìn)行基礎(chǔ)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。首先不開(kāi)啟空氣幕，關(guān)閉二道門(mén)，向大環(huán)境通CO2，保持CO2濃度值為0.5%左右，穩(wěn)定后開(kāi)啟二道門(mén)，記錄二道門(mén)兩側(cè)CO2濃度差。之后開(kāi)啟空氣幕，氣幕規(guī)格為孔間距為0.5-20mm，氣幕氣源壓力為0.4MPa，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)步驟，測(cè)定開(kāi)啟空氣幕時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

（3）空氣幕阻隔二氧化碳性能實(shí)驗(yàn)。

本次實(shí)驗(yàn)選取的CO2濃度分別為：1.5%和3%。

將0.5-20mm的氣幕管安裝于試驗(yàn)艙門(mén)口，關(guān)閉二道門(mén)，檢查空氣管路是否漏氣，并調(diào)節(jié)氣路使空氣幕運(yùn)行順暢。向大環(huán)境中充CO2氣體，開(kāi)動(dòng)艙內(nèi)風(fēng)機(jī)，擾動(dòng)艙內(nèi)氣體，使大環(huán)境CO2濃度維持在1.5%左右。開(kāi)啟空氣幕，待空氣幕氣流穩(wěn)定后，打開(kāi)試驗(yàn)艙二道門(mén)，測(cè)定空氣幕兩側(cè)CO2濃度變化。采取同樣的步驟，分別測(cè)定CO2濃度為1.5%和3%時(shí)空氣幕阻隔數(shù)據(jù)。更換氣幕管，重復(fù)以上試驗(yàn)。

（4）環(huán)境氣體濃度對(duì)阻隔性能影響實(shí)驗(yàn)。

選定0.5-40mm、0.8-40mm兩根氣幕管，選用CO2濃度為0.5%、0.8%、1.5%、2%和3%，分析選定的氣幕管在上述濃度下的滲透率。

1.3 空氣幕阻隔效率計(jì)算方法

為了便于比較分析，參考冷庫(kù)大門(mén)空氣幕冷風(fēng)滲透率[7，8]，引入有毒有害氣體滲透率。若外界環(huán)境中CO2氣體的濃度為C0，CO2穿過(guò)空氣幕后，導(dǎo)致艙內(nèi)的濃度為c，則其滲透率可定義為：。滲透率Φ值較大時(shí)表示該情況下穿過(guò)空氣幕的CO2較多，空氣幕阻隔效果差。反之則阻隔效果好[9]。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 氣密性實(shí)驗(yàn)

圖2中三條曲線(xiàn)為針對(duì)同一救生艙進(jìn)行的三次實(shí)驗(yàn)，分別在1000Pa、800Pa和500Pa三個(gè)點(diǎn)附近取值，時(shí)間段Dt統(tǒng)一取5min。三個(gè)壓差值的泄露量計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)下表。

表 試驗(yàn)艙內(nèi)氣體平均泄漏量計(jì)算表

當(dāng)艙內(nèi)壓力高于艙外1000Pa時(shí)，計(jì)算艙內(nèi)氣體泄漏速率為0.0018m3/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)中密閉方艙的最大空氣泄漏量0.05m3/min，結(jié)果表明該試驗(yàn)艙氣密性良好。

2.2 基礎(chǔ)對(duì)比實(shí)驗(yàn)

圖3 開(kāi)啟空氣幕對(duì)比實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)

由圖3-a和圖3-b，可知開(kāi)啟空氣幕可以減緩艙內(nèi)CO2濃度上升速度，而且2min后達(dá)到平衡時(shí)，在空氣幕的兩側(cè)可以維持較高的濃度差。圖3-a空氣幕未開(kāi)啟時(shí)達(dá)到平衡后，艙內(nèi)外的濃度值相差約0.05%；當(dāng)開(kāi)啟空氣幕時(shí)，圖3-b平衡后，艙內(nèi)外CO2濃度差值約為0.3%。由此可知，該空氣阻隔裝置可阻隔約60%CO2。

2.3 不同氣幕管阻隔性能實(shí)驗(yàn)比較

（1）不同CO2濃度下4種氣幕管阻隔效果對(duì)比。

1.5%CO2濃度下4種氣幕管阻隔效果。圖4-a-b表明在艙外環(huán)境中CO2濃度為1.5%時(shí)，四根氣幕管對(duì)CO2具有明顯的阻隔效果，阻隔率約為65%～70%。在艙外CO2濃度都為1.5%左右時(shí)，2min左右達(dá)到平衡后，其中0.5-20mm氣幕管阻隔效果最好，艙內(nèi)CO2濃度值約為0.3%；其次為0.5-40mm氣幕管（約為0.4%）；再次為0.8-20mm氣幕管（約為0.5%）；最次為0.8-40mm氣幕管（約為0.6%）。

3%CO2濃度下4種氣幕管阻隔效果。圖5-a-b表明在艙外環(huán)境中CO2濃度為3%時(shí)，四根氣幕管對(duì)CO2具有明顯的阻隔效果，阻隔率約為60%～70%。2min左右達(dá)到平衡后，其中0.5-20mm氣幕管阻隔效果最好（約為0.4%）；其次為0.5-40mm氣幕管（約為0.5%）；再次為0.8-20mm氣幕管（約為0.6%）；最次為0.8-40mm氣幕管（約為0.9%）。

（2）4種氣幕管阻隔效率比較。

圖4-a CO2 1.5%時(shí)滲透率對(duì)比

圖4-b CO2 3%時(shí)滲透率對(duì)比

圖4-a中四根管的總體滲透率相接近，大約為35%，但具體的滲透率又有差異，并呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。從圖4-a和圖4-b中曲線(xiàn)中可知，阻隔性能最差的為0.8-40mm的管，平衡后艙內(nèi)濃度為艙外濃度的40%左右；其次為0.8-20mm的氣幕管（約為35%），較好的為0.5-20mm和0.5-40mm兩根管（約為30%），且0.5-20mm氣幕管效果更優(yōu)。

綜合比較圖4，5可知，選用開(kāi)孔直徑為0.5mm氣幕管效果較好，開(kāi)孔間距選20mm效果更優(yōu)。

圖5-a 0.5-40mm氣幕管對(duì)不同濃度CO2阻隔效果

圖5-b 0.8-40mm氣幕管對(duì)不同濃度CO2阻隔效果

2.4 環(huán)境氣體濃度對(duì)阻隔性能影響

由圖5-a和圖5-b可知，同一氣幕管對(duì)不同外界CO2氣體濃度的阻隔規(guī)律基本相同。試驗(yàn)艙開(kāi)門(mén)的前2min，由于艙內(nèi)外濃度差較大，擴(kuò)散過(guò)程不穩(wěn)定，2min后趨于平衡。兩圖中當(dāng)環(huán)境CO2濃度較高時(shí)如2%和3%時(shí)，其滲透率較大，最高達(dá)到了約40%。但當(dāng)CO2濃度降低時(shí)，滲透率也明顯降低，如CO2濃度為0.5%和0.8%時(shí)，兩根管的滲透率都處于30%左右。

由上述圖中可知，環(huán)境中CO2濃度對(duì)氣幕管的阻隔性能有較明顯的影響。其規(guī)律為對(duì)于同一個(gè)氣幕管，當(dāng)CO2濃度升高時(shí)其滲透率增大，阻隔效率呈下降趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）基礎(chǔ)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，未開(kāi)啟空氣幕時(shí)，在試驗(yàn)艙開(kāi)門(mén)2min后，艙內(nèi)外的CO2濃度基本接近，濃度差值約為0.05%，而開(kāi)啟空氣幕后，艙內(nèi)外CO2濃度差值約為0.3%，設(shè)置該空氣阻隔裝置可阻隔約60%CO2。

（2）采用了4種不同規(guī)格氣幕管進(jìn)行阻隔對(duì)比實(shí)驗(yàn)，四根氣幕管的阻隔規(guī)律基本相同，但效果各不相同，其阻隔率為60%～70%。其中0.5-20mm氣幕管阻隔效果最好；其次為0.5-40mm氣幕管；再次為0.8-20mm氣幕管；最次為0.8-40mm氣幕管。

（3）氣幕管的阻隔性能與開(kāi)孔孔徑和開(kāi)孔間距有關(guān)系，開(kāi)孔孔徑為0.5mm的氣幕管阻隔效果優(yōu)于0.8mm，孔徑間距為20mm的阻隔效果優(yōu)于40mm的氣幕管。

（4）對(duì)于同一根氣幕管，外界環(huán)境目標(biāo)氣體二氧化碳濃度上升時(shí)，氣幕管的滲透率增大，空氣幕的阻隔效率呈下降趨勢(shì)。因此，當(dāng)外界環(huán)境有毒有害氣體濃度較大時(shí)，單純使用空氣幕可能無(wú)法達(dá)到滿(mǎn)意的阻隔效果，若使艙內(nèi)一直保持正壓狀態(tài)，也可增強(qiáng)對(duì)外界有毒有害氣體的阻隔效果。

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