低氧文物實(shí)驗(yàn)艙的環(huán)境控制方法研究

車守全，盧劍鋒，楊肖委，李宜汀

（貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025）

1 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年的文物發(fā)掘工作有1000 多項(xiàng)，在以往國(guó)內(nèi)的發(fā)掘過程中，如明代定陵墓、馬王堆漢代古墓的考古過程中都發(fā)生了文物出土后得不到及時(shí)保護(hù)，大量珍貴文物損毀的情況，這也是國(guó)內(nèi)不再允許發(fā)掘帝王陵墓的重要原因。低氧富氮環(huán)境是一個(gè)適合文物存儲(chǔ)的物理模型[1-3]。denkmal 2016 歐洲國(guó)際文物保護(hù)、修復(fù)和改造博覽會(huì)上展示了德國(guó)在用于文物保護(hù)方面的低氧恒溫濕度設(shè)備設(shè)計(jì)方案，國(guó)內(nèi)也已經(jīng)出現(xiàn)小型充氮文物保護(hù)柜，但是大型文物現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)艙技術(shù)仍然有待解決。文章介紹了低氧文物實(shí)驗(yàn)艙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制系統(tǒng)，通過計(jì)算仿真，找到適合考古現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的低氧環(huán)境搭建的方法，并仿真和實(shí)驗(yàn)了其低氧環(huán)境控制過程，實(shí)現(xiàn)艙內(nèi)環(huán)境氧氣濃度（21～1）%可調(diào)。

2 低氧文物實(shí)驗(yàn)艙的整體結(jié)構(gòu)

文物實(shí)驗(yàn)艙整體結(jié)果，如圖1 所示。制氮裝置分離氮?dú)獯鎯?chǔ)到儲(chǔ)氮罐中，調(diào)節(jié)閥控制管道內(nèi)氣體流量，氮?dú)馔ㄟ^控制閥進(jìn)入到艙體。真空泵抽出艙內(nèi)混合氣體，使艙內(nèi)氧氣質(zhì)量減少，同時(shí)艙內(nèi)壓力減少到一定真空度與儲(chǔ)氮罐形成較大壓差，能夠提高氮?dú)膺M(jìn)氣速度。

圖1 文物艙系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 The Structure of the System

艙體設(shè)計(jì)允許最大真空度為40kPa，艙體體積10m3，真空泵一臺(tái)，功率7.5kW，制氮機(jī)功率11kW。艙內(nèi)可通過新風(fēng)口與外界連通，氧氣裝置保證在緊急情況下艙內(nèi)人員的生存環(huán)境需要。

3 兩種富氮低氧環(huán)境控制方式的比較

在實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)，設(shè)其氧氣的體積濃度為n，忽略其他氣體的影響，認(rèn)為混合氣體中只含有氧氣和氮?dú)?，則可以容易得到艙內(nèi)氮?dú)赓|(zhì)量mO2和氧氣質(zhì)量mN2的比值為：

艙內(nèi)氣體滿足完全氣體狀態(tài)方程：PV=mhRhT，mh—艙內(nèi)混合氣體質(zhì)量；Rh—混合氣體的氣體常數(shù)。

3.1 抽氣-充入氮?dú)夥绞?/h3>

在這種方法中，真空泵講艙內(nèi)的壓力抽至某一真空度（實(shí)驗(yàn)和計(jì)算數(shù)值為26.4kPa，即式（2）中Pe=74.6kPa），然后打開進(jìn)氣電動(dòng)閥，向艙內(nèi)充入氮?dú)?，直到艙?nèi)壓力表壓為26.4kPa，即式（3）中Pi=127.4kPa。真空泵第二次抽氣，按照上述方式依次循環(huán)。在抽氣過程中滿足下列方程式：

其中，λ0=mN2/mO2，通過此式可計(jì)算出在體積濃度為n0時(shí)，真空泵抽氣完成艙內(nèi)剩余的氧氣質(zhì)量mO2。

充氣過程滿足下列方程式：

式中：λ1、n1—充氣完成后的氮?dú)?、氧氣質(zhì)量比和氧氣體積濃度；Δm—充入氮?dú)赓|(zhì)量。

通過計(jì)算得出充氣過程艙內(nèi)壓力達(dá)到Pi時(shí)氧氣體積濃度以及需要充入的氮?dú)赓|(zhì)量，兩者的值與抽氣-充氣過程次數(shù)的關(guān)系，如圖2、圖3 所示。抽氣-充氣過程到第6 次時(shí)，此時(shí)的氧氣體積濃度為0.72%，小于設(shè)計(jì)要求的1%，充入氮?dú)赓|(zhì)量總共為36.56kg。

圖2 次數(shù)與氧氣濃度關(guān)系圖Fig.2 The Relation Between Time and Concentration

圖3 次數(shù)與充入氮?dú)赓|(zhì)量對(duì)應(yīng)圖Fig.3 The Relation Between Time and Quality

3.2 充氣-排氣方式

在這種方法中，給艙內(nèi)充入氮?dú)獾耐瑫r(shí)，經(jīng)過補(bǔ)風(fēng)裝置將艙內(nèi)混合氣體排除，經(jīng)過計(jì)算認(rèn)為可以忽略混合氣體濃度變化帶來的氣體常數(shù)R 的變化，則當(dāng)進(jìn)氣質(zhì)量流量和排氣質(zhì)量流量相等時(shí)，艙內(nèi)壓力保持不變。

在充氣-排氣過程中滿足下列微分方程：

式中：Vm—工況下的氣體摩爾體積；n—氧氣體積濃度；V—艙體充氣體積。

可由式（4）得到氧氣體積濃度和充入氮?dú)赓|(zhì)量的關(guān)系，如圖4 所示。

圖4 氧氣濃度-充入氮?dú)赓|(zhì)量關(guān)系圖Fig.4 The Relation Between Concentration and Quality

應(yīng)該注明的是，考慮的環(huán)境搭建過程是初始氧氣濃度為21%時(shí)的情況，但是在初始條件為其他濃度時(shí)（艙內(nèi)濃度通常等于或小于21%），依舊滿足上述得出的曲線。從兩種方法對(duì)比中可以得出以下結(jié)論：兩種方法都能有效使艙內(nèi)氧氣濃度降到目標(biāo)值，在從（21～3）%過程中，兩種方法的質(zhì)量-濃度變化曲線基本一致。最終的結(jié)果顯示，抽氣-充入氮?dú)夥绞剿璧獨(dú)赓|(zhì)量更少，但是這種方法中抽氣過程消耗時(shí)間更長(zhǎng)，速度較慢。

4 基于一維定常等熵可壓縮流體流動(dòng)原理的等截面管道流動(dòng)過程

由于儲(chǔ)氮罐與艙體之間連接管道長(zhǎng)度比較短，流動(dòng)過程中管道內(nèi)外無(wú)明顯熱交換，故認(rèn)為此過程為無(wú)流動(dòng)摩擦的等熵絕熱過程[4-6]。對(duì)于一維定常等熵流動(dòng)有以下基本方程：

式中：v—運(yùn)動(dòng)過程速度；p—壓力；ρ—?dú)怏w密度；h—焓值。聯(lián)立上述方程，帶入等熵關(guān)系式可以得到能量方程：

式中：k—過程多變系數(shù)。

在流動(dòng)過程中，氣體在儲(chǔ)氮罐內(nèi)的狀態(tài)設(shè)為滯止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)流動(dòng)速度為0。在管道流動(dòng)中的臨界狀態(tài)為：氣體的流速達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲?，其臨界氣體壓力為p*，速度為v*。對(duì)于氣體從滯止?fàn)顟B(tài)到臨界狀態(tài)，通過質(zhì)量流量方程以及在臨界狀態(tài)時(shí)質(zhì)量流量G達(dá)到最大，此時(shí)有可以推導(dǎo)得出臨界速度公式：

以及臨界壓力公式：

由相關(guān)理論可以知道，當(dāng)P1/P0>ε*時(shí)，氣體在等截面管道中的運(yùn)動(dòng)發(fā)生壅塞，引起的擾動(dòng)會(huì)在氣流中產(chǎn)生一道激波，激波位置為亞聲速流動(dòng)，在出口截面上的流動(dòng)達(dá)到臨界狀態(tài)。故在等截面管道流動(dòng)中，臨界速度為氣體在管道內(nèi)流動(dòng)的最大速度[7]。出口處的流體速度滿足下列表達(dá)式：

5 系統(tǒng)流體過程

按照以上計(jì)算后設(shè)計(jì)得出：儲(chǔ)氮罐的體積為6.28m3。最大絕對(duì)壓力為0.7MPa，溫度20℃，則儲(chǔ)氮罐內(nèi)氮?dú)赓|(zhì)量為50.68kg。

從上面介紹的兩種富氮低氧環(huán)境搭建方式可以得出，抽氣-充氣方式相對(duì)于充氣-排氣方式需要的氮?dú)赓|(zhì)量更少。從第三節(jié)的討論中可以得出，影響環(huán)境搭建的因素有：充氣質(zhì)量流量、真空泵的抽氣速度。影響充氣流體速度的因素是文物艙和儲(chǔ)氮罐的壓力差。對(duì)比兩種方式流體過程中氧氣濃度變化曲線可以看到，在氧氣濃度從21%下降到3%左右的氧氣濃度—充氮?dú)赓|(zhì)量曲線基本相同，所以在此階段影響系統(tǒng)富氮低氧環(huán)境模型搭建較重要的因素是充氣時(shí)間，考慮到真空泵的抽氣速度和方便性欠佳采用充氣-排氣方式，而在之后階段除了考慮充氣時(shí)間，所需氮?dú)赓|(zhì)量也應(yīng)該考慮到其中。設(shè)計(jì)的低氧富氮搭建過程為：先采用充氣-排氣方式，直到儲(chǔ)氮罐與文物艙的壓力比此時(shí)流體速度為臨界速度。之后采用抽氣-充氣方式進(jìn)行濃度降低過程。由于考慮到過程中安全性、艙體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、在充氣-排氣階段艙內(nèi)壓力維持不變以及排氣過程中艙內(nèi)外壓力差小，流體速度低等因素，適當(dāng)設(shè)計(jì)進(jìn)氣流量[8-11]。進(jìn)氣管道外徑50mm，管道加裝的電動(dòng)控制閥調(diào)節(jié)進(jìn)氣過程中閥門的開度，保持氮?dú)膺M(jìn)氣的質(zhì)量流量為0.0552kg/s。排氣端管道外徑為90mm。

第一階段：艙內(nèi)初始?jí)毫椋?01.3kPa，將艙內(nèi)壓力加壓到127.4kPa，進(jìn)氣質(zhì)量為0.27kg。進(jìn)氣時(shí)間為5s。終態(tài)氧氣濃度為20.5%。

第二階段：充氣-排氣階段。艙內(nèi)壓力維持在127.4kPa，由計(jì)算式得到儲(chǔ)氮罐內(nèi)壓力降到239.3kPa，氮?dú)膺M(jìn)氣質(zhì)量為33.01kg。進(jìn)氣時(shí)間為593s，最終氧氣濃度為1.53%。

第三階段：抽氣-充氣階段，將艙內(nèi)壓力抽至26.4kPa 真空度，再向艙內(nèi)充入氮?dú)庵钡脚搩?nèi)壓力127.4kPa。抽氣時(shí)間為125s，此時(shí)艙內(nèi)氧氣濃度不變，壓力降低。充氣階段充氣質(zhì)量為6.09kg，終態(tài)時(shí)氧氣濃度為0.89%，充氣時(shí)間為110s。

第四階段：打開新風(fēng)口將艙內(nèi)壓力降低至大氣壓強(qiáng)。調(diào)節(jié)時(shí)間為119s。此階段氧氣濃度不變。

綜上，總的調(diào)節(jié)時(shí)間為16min，充入的氮?dú)赓|(zhì)量為39.09kg。整個(gè)系統(tǒng)的氧氣濃度—時(shí)間的對(duì)應(yīng)變化，如圖5 所示。艙內(nèi)壓力與時(shí)間變化的對(duì)應(yīng)曲線，如圖6 所示。

圖5 氧氣濃度—時(shí)間對(duì)應(yīng)圖Fig.5 The Relation Between Time and Concentration

圖6 艙內(nèi)壓力—時(shí)間變化圖Fig.6 The Relation Between Time and Pressure

6 實(shí)驗(yàn)及分析

實(shí)驗(yàn)艙內(nèi)的氧氣濃度傳感器和壓力傳感器作為艙內(nèi)環(huán)境監(jiān)控終端，傳感器的模擬信號(hào)經(jīng)過信號(hào)線、艙體底部密封的航插連接器接入到艙外PLC，PLC 采集艙內(nèi)氧氣濃度和壓力傳感器數(shù)據(jù)并顯示并存儲(chǔ)在觸摸屏上，采集周期為1s。得到真實(shí)過程的氧氣濃度和壓力變化結(jié)果。實(shí)驗(yàn)艙體，如圖7 所示。艙內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)，如圖8 所示。文章中使用的氧氣傳感器為OLDHAMGAS OLC20 O2型，壓力傳感器為橫河EJA310A 型，如圖9 所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)艙體圖Fig.7 The Cabin Use for Experiment

圖8 艙外監(jiān)測(cè)屏幕圖Fig.8 Monitor Screen Outside the Cabin

圖9 氧氣傳感器和壓力傳感器圖Fig.9 Gas Detector and Pressure Sensor

從實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以看出，終態(tài)時(shí)，艙內(nèi)氧氣濃度為1.0%。氧氣濃度變化趨勢(shì)與理論設(shè)計(jì)一致，相比理論計(jì)算，達(dá)到終態(tài)1%時(shí)，加入的氮?dú)赓|(zhì)量和用時(shí)更多，但各個(gè)采集時(shí)間點(diǎn)與理論計(jì)算的濃度誤差在設(shè)計(jì)誤差范圍內(nèi)。進(jìn)氣壓力與理論壓力的變化曲線趨勢(shì)基本吻合，但是由于所處實(shí)驗(yàn)環(huán)境為高原地帶，理論計(jì)算的大氣壓值與實(shí)驗(yàn)真實(shí)值有一定差別，并且在100s 的測(cè)量時(shí)間內(nèi)由于長(zhǎng)時(shí)間的誤差積累，出現(xiàn)了壓力波動(dòng)，但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明過程控制滿足設(shè)計(jì)需要。氧氣濃度、壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1、表2 所示。

表1 氧氣濃度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experiment Date of Oxygen Concentration

表2 壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Experiment Date of Pressure

7 結(jié)論

對(duì)比兩種進(jìn)氣方式的特點(diǎn)，綜合艙體設(shè)計(jì)和控制過程得出了文物艙低氧環(huán)境搭建和控制的方法。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真過程的對(duì)比，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的濃度變化和壓力變化和實(shí)際變化曲線基本吻合，結(jié)果在設(shè)計(jì)誤差范圍內(nèi)，并且過程適用于其他起始氧氣濃度，具有普遍適用性?？刂七^程保證艙內(nèi)氧氣濃度可調(diào)，精度可靠，操作簡(jiǎn)便，整套設(shè)備在考古現(xiàn)場(chǎng)具有可行的操作性和實(shí)用性。