生命保障系统方案.docx
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生命保障系统方案
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）
14.9±1.1
18.3±1.2
26.4±1.5
49.54±4.9
567（L/d）
CO2排出率（L/h）
12.0±1.1
15.3±1.2
22.84±1.5
43.0±6.1
483（L/d）
产热率（KJ/h）
300±23
334.4±25
538±29
1011±107
11378（KJ/d）
排湿率（g/h）
50.0±5
60±7
80.0±8
155±15
1780（g/d）
考虑到避难期间，人的状态选取静息状态设计。
2.2.1CO2相关计算
CO2排放量＝15.3L/h×10－3×24h×5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/h＝0.0043L/s＝4.3ml/s；
Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O
7444
反应需70.38kgCa（OH）2
2.2.2氧气相关计算
氧气需求：
18.3L/s×10－3×24h×5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＝26.35m3×1.4kg/m3×1.2=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/h×24h×5天×12人=4.815×105kJ
总共维护结构的导热量为15120kJ；
照明设备：
2（个）×25J/s×3600s×24h×5天×0.7=15120kJ
照明设备显热负荷取0.7。
总热量
=4.82×105KJ+15120kJ+15120kJ=5.12×105kJ
系统产热功率＝5.12×105kJ/（3600s×24h×5天）＝1.19kJ/s。
系统产湿量＝60g/h×24h×5天×12人×10－3＝86.4kg
2.2.4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。
＝12×18.3×10－3m3/h×1.4kg/m3×8.13×308K×ln（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＝1.26m2.K/W
换热面积按31.34m2
维护舱内温度30℃，则散热量为
＝31.34m2×5℃/1.26m2.K/W=124.4W
c.空调所需平衡的热量
=1.19×103－130－124.4=0.935KJ/s＝3366KJ/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/g×123=103.7KJ/g
制冷循环的流量：
＝3366KJ/h/56KJ/g=27.3g/h
0.5MPa时制冷剂密度＝9.51kg/m3，
则制冷循环的流量又为
＝27.3×10－3kg/h/9.51kg/m3=2.87×10－3m3/h
换热量平衡校核，制冷剂流量取30g/h时
＝
＝45g/h×0.843KJ/g×（308－216）=3490.0KJ
因为在
为45.0g/h时，Q0>QW，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）-0.7MPa&7bar供气压力
（B）-0.55MPa&5.5bar供气压力
（C）-0.41MPa&4.1bar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：
5.12×10－5kJ
12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：
86.4kg
3.
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：
13.11Pa
CO、CO2去除器：
15Pa
总计：
62.3Pa
4.
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：
70.38kg
6.
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；
2.3.2CO、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7CO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*0.2
2.3.4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氧存量，3安全阀－防爆。
高压氧气瓶技术指标
工作压力：
42Mpa；
容积：
40L；
2.3.5轴流风机选择
电动轴流风机技术非常成熟，依照流阻损失匹配风机即可。
选择：
直流电动风机
技术指标：
扬程压力：
大于50Pa；
电机电压：
12V；
电流：
小于3A。
直流风机如图14所示
图12轴流风机
3结论
综合上述分析计算以及结构设计，本生命保障系统的设计可以满足技术要求。
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