化學產(chǎn)氧器隔熱結構分析研究

朱耿溪 李 艷 孔慶平 王 靜 李 寧 吳亞楠

（兵器工業(yè)衛(wèi)生研究所，西安 710065）

某型化學產(chǎn)氧器作為一種新型應急供氧設備，是根據(jù)富氧氯酸鹽熱分解反應釋放氧氣的原理研制的。氯酸鹽熱分解制氧無須耗能、環(huán)境適應強且產(chǎn)氧速度較快，一直以來都是作為密閉空間及缺氧環(huán)境應急供氧領域的首選方式。除潛艇、深潛器、航天器及礦井救生艙等傳統(tǒng)密閉空間外，氯酸鹽制氧技術在高原裝甲車輛、高原民用車輛等領域也有較多應用。為解決座艙失壓環(huán)境下乘客缺氧問題，民用客機為乘客配備氯酸鹽制氧作為應急氧源。

氯酸鹽熱分解制氧是以氯酸鹽為主體（一般為氯酸鈉或高氯酸鈉、高氯酸鉀），以金屬粉末（常見為鎂粉、鐵粉、鋁粉等）或非金屬單質(zhì)粉末（如硼粉等）為燃料，再配比一定量的催化劑、抑氯劑和黏合劑，采用干法壓制成型工藝或濕法壓制成型工藝將各成分的混合物混勻過篩后壓制成生氧藥柱。在氧燭的一端通過電點火或發(fā)火引燃引火藥產(chǎn)生足夠的熱量，進而點燃生氧藥柱，且燃燒面能順著藥柱中軸線方向自動向另一端漸進式燃燒。這種燃燒效果與蠟燭的自主燃燒非常類似，因此將這種產(chǎn)氧方式形象地稱為“氧燭”[1-2]。

氧燭化學產(chǎn)氧器的核心是生氧藥柱，四周包裹隔熱材料和過濾材料，外層為機械殼體，內(nèi)置啟動裝置。為保證生氧藥柱點燃后全過程自動放氧，直到生氧藥柱完全分解，藥柱中通常填充過量的燃料，反應溫度必須長期保持在300 ℃以上，導致化學產(chǎn)氧器在放氧過程中機械殼體溫度持續(xù)偏高，對運行環(huán)境影響很大，且高溫容易造成人員傷害[3-5]。外殼的持續(xù)高溫給氧燭化學產(chǎn)氧器的使用帶來了諸多不便和一定的安全隱患。為確?；瘜W產(chǎn)氧器使用過程的安全性，有必要增加隔熱保護措施。本文利用數(shù)值模擬軟件，對在氧燭化學產(chǎn)氧器機械殼體內(nèi)夾套中敷設玻璃纖維氈進行熱仿真分析，并針對市面上常見的絕熱/隔熱材料進行分析探討，結合產(chǎn)品特性和隔熱材料性能，選擇化學產(chǎn)氧器研究改進的目標隔熱材料。

1 熱仿真分析

通常，氧燭化學產(chǎn)氧器隔熱結構設計如下。第一，利用夾套結構的形式，在化學產(chǎn)氧器機械殼體夾層內(nèi)放置吸熱/隔熱材料。第二，設計一種具有隔熱功能的防護筒，用以放置氧燭。對于傳統(tǒng)類型的隔熱結構，有必要通過試驗方法驗證隔熱材料和結構[6-7]。利用數(shù)值模擬軟件對在氧燭化學產(chǎn)氧器機械殼體內(nèi)夾套中敷設玻璃纖維氈進行熱仿真分析，該氧燭化學產(chǎn)氧器（見圖1）設計要求為可以重復使用。在機械內(nèi)殼體和生氧藥柱之間敷設玻璃纖維氈用于隔熱，內(nèi)外殼體之間留有一定的間隙，減少內(nèi)外殼體之間的直接導熱。該氧燭化學產(chǎn)氧器采用夾層式隔熱結構，有助于緩解壁溫升高的幅度。

圖1 化學產(chǎn)氧器結構示意圖

化學產(chǎn)氧器放氧過程持續(xù)35 min，用K型熱電偶測溫儀對機械外殼全程進行溫度監(jiān)測。其中，監(jiān)測到化學產(chǎn)氧器機械外殼溫度最高點隨時間推進而變化，如圖2所示。從4～35 min，化學產(chǎn)氧器機械外殼體的最高溫度均高于50.0 ℃，最高可達299.9 ℃。外殼的持續(xù)高溫給氧燭化學產(chǎn)氧器的使用帶來了諸多不便和一定的安全隱患。

圖2 化學產(chǎn)氧器機械外殼最高溫度-時間曲線圖

化學產(chǎn)氧器的連續(xù)反應過程中，產(chǎn)生的熱量主要分為兩部分：一部分隨著高溫氣體的流動擴散到外部大氣環(huán)境中；另一部分在生氧藥柱、隔熱材料、機械殼體各部件之間進行熱傳導，使殼體升溫?；瘜W產(chǎn)氧器可按一維穩(wěn)定導熱模型進行簡化，將化學產(chǎn)氧器徑向的機械殼體和隔熱材料按均質(zhì)圓筒壁進行簡化，將垂直徑向的機械殼體和隔熱材料按圓板進行簡化?；瘜W產(chǎn)氧器機械殼體和隔熱材料仿真模型，如圖3所示。對氧燭化學產(chǎn)氧器進行試驗測試，選用紅外測溫儀，通過測量生氧藥柱表面溫度發(fā)現(xiàn)，反應溫度范圍為300～350 ℃，可當作機械殼體和隔熱材料的恒溫載荷進行分析?；跓醾鲗芰靠刂品匠毯虵loEFD傳熱分析軟件，對化學產(chǎn)氧器的隔熱性能進行分析。

圖3 化學產(chǎn)氧器機械殼體和隔熱材料仿真模型

化學產(chǎn)氧器外徑為130 mm，高度為340 mm。氧氣出口設置在裝置底部，孔徑為10 mm。簡化化學產(chǎn)氧器模型，選擇六面體網(wǎng)格進行離散化。根據(jù)化學產(chǎn)氧器生氧藥柱實際尺寸，設定恒溫載荷的溫度為325 ℃，加載至隔熱材料內(nèi)壁面位置。

化學產(chǎn)氧器內(nèi)外機械殼體均采用不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)殼厚度為6 mm，外殼厚度為3 mm。材料密度設定為7.9 g ·cm-3，導熱熱導率設定為 16.30 W ·m-1·K-1，比熱容設定為500 J·kg-1·K-1。機械外殼體與空氣之間存在對流傳熱，對流傳熱系數(shù)設定為15 W·m-2·K-1。機械內(nèi)殼和產(chǎn)氧藥柱徑向之間敷設5 mm厚玻璃纖維氈，材料密度為 0.2 g·cm-3，熱導率為 0.04 W·m-1·K-1，比熱為670 J·kg-1·K-1。15 mm厚的玻璃纖維氈敷設在機器內(nèi)殼和產(chǎn)生藥柱的垂直徑向方向之間。機械內(nèi)殼體和機械外殼體垂直徑向方向之間采用12 mm厚聚四氟乙烯，熱導率為0.30 W·m-1·K-1，比熱容為1 300 J·kg-1·K-1，密度為 2.2 g ·cm-3。

圖4～圖7是在18 ℃環(huán)境溫度下第8 min、15 min、22 min以及29 min時化學產(chǎn)氧機機械外殼的溫度分布云圖。

圖4 第8 min時機械外殼體的溫度分布云圖

圖5 第15 min時機械外殼體的溫度分布云圖

圖6 第22 min時機械外殼體的溫度分布云圖

圖7 第29 min時機械外殼體的溫度分布云圖

根據(jù)氧燭化學產(chǎn)氧器反應原理，生氧藥柱從上至下依次燃燒，最高溫度載荷加載至藥柱隔熱內(nèi)壁且隨藥柱反應依次下移。因此，在初始階段（第一、二塊生氧藥柱燃燒階段），機械外殼體的溫度從生氧藥柱的燃燒部分逐漸降低到殼體的其他部位。氣體出口的溫度最低，因為它遠離生氧藥柱的燃燒部分。隨著燃燒部分逐漸接近氣體出口，氣體出口處的殼體溫度逐漸升高，最終高于啟動端的殼體溫度。機械外殼體隨時間變化的溫度分布數(shù)值模擬結果，如表1所示。與實測溫度相比，最高溫度偏差為5%，與實際化學產(chǎn)氧器反應過程中通過溫度監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)基本吻合。

表1 機械外殼體隨時間變化溫度分布

2 隔熱改進探討

裝備領域常見的絕熱/隔熱材料包括二氧化硅氣凝膠材料、玻璃棉、硅酸鋁纖維氈及薄膜石棉等，各材料特性見表2。相較于其他絕熱/隔熱材料，二氧化硅氣凝膠材料具有更低的導熱系數(shù)和更長的使用壽命，且耐溫范圍較寬，實現(xiàn)了隔熱、減重及耐用的綜合性能提升，對裝備性能提升具有重要意義。

表2 常見的絕熱/隔熱材料特性

二氧化硅氣凝膠隔熱材料主要有兩種應用形式：一種是作為保溫/隔熱棉氈，相對于氣凝膠本身機械強度高，基體材料包括無機纖維和有機纖維，其中無機纖維基體的二氧化硅氣凝膠棉氈具有較好的市場應用；另一種是作為保溫/隔熱涂層，使用流程易操作，但涂料本身的穩(wěn)定性有待改進，且相對于二氧化硅氣凝膠棉氈隔熱系數(shù)增大。

研究中化學產(chǎn)氧器反應過程中機械外殼體溫度最高達到約300 ℃，為降低殼體表面溫度，可采取在殼體表面敷設包裹隔熱材料的措施。從以上對常見絕熱/隔熱材料的分析可知，二氧化硅氣凝膠棉氈為現(xiàn)階段較為理想的目標隔熱材料，后期應對該材料在本化學產(chǎn)氧器上的適應性進行研究。

3 結語

研究將某型氧燭化學產(chǎn)氧器簡化為一維熱傳導模型，將產(chǎn)氧器徑向結構視為圓筒壁、垂直徑向方向視為平板進行計算，針對化學產(chǎn)氧器機械外殼長期維持過高溫度的現(xiàn)象進行分析。初始階段（第一、二塊生氧藥柱燃燒階段），機械外殼體溫度呈現(xiàn)出由生氧藥柱正在燃燒分段向其他殼體上下端逐漸降低的梯度，出氣端由于距離正在燃燒藥柱分段較遠而溫度最低。隨著燃燒分段逐漸靠近出氣端，出氣端外殼體升溫逐漸加快，最終高于啟動端外殼體溫度。外殼的持續(xù)高溫給氧燭化學產(chǎn)氧器的使用帶來了諸多不便和一定的安全隱患。針對市面上常見的4種絕熱/隔熱材料進行分析探討，發(fā)現(xiàn)二氧化硅氣凝膠棉氈材料在隔熱、減重及耐用等方面性能均有優(yōu)勢，作為目前綜合性能較優(yōu)的隔熱材料，也可作為產(chǎn)品研究改進的目標隔熱材料。本研究探討了化學產(chǎn)氧器表面溫度高的問題，同時對隔熱材料的選擇提供一定的參考，對提高固氧的應用范圍和產(chǎn)品競爭力具有重要意義。