救生艙熱負荷的實驗研究

救生艙熱負荷的實驗研究

救生艙是一種新型的礦山應(yīng)急救援設(shè)備，用于為礦山事故中受影響的人員提供安全、封閉的空間，等待救援。救生艙艙體對外能抵御頂板冒落、爆炸沖擊,隔絕有毒有害氣體、高溫?zé)煔猸h(huán)境隔絕;艙內(nèi)能為避難人員提供生存所必需的氧氣、水、食物等、并有效控制有毒有害氣體濃度及溫濕度。由于煤礦發(fā)生爆炸、火災(zāi)等事故極有可能對巷道、井下設(shè)備、水、電管線造成嚴重損壞,在井下形成停風(fēng)停電的狀況,使得救生艙在救援過程中長時間處于高溫?zé)煔猸h(huán)境中。為保障救生艙內(nèi)避難人員的生命安全,必須對救生艙的高溫防護能力指標進行深入研究。根據(jù)煤礦救護隊在礦井事故救援過程中的經(jīng)驗,煤礦井下的災(zāi)變環(huán)境溫度可能長時間處于50℃。因此,應(yīng)用于我國煤礦井下的救生艙溫度防護指標至少應(yīng)為55℃。在外界環(huán)境溫度持續(xù)保持為55℃的條件下,救生艙必須依靠自身結(jié)構(gòu)和設(shè)備將艙內(nèi)溫度控制在35℃以下。通過對模擬救生艙的熱性能、真人在模擬艙中生存的熱負荷進行了實驗研究,確定了救生艙救援過程中艙內(nèi)總體熱負荷,得出了艙內(nèi)制冷設(shè)備的技術(shù)指標,為救生艙熱環(huán)境防護設(shè)計提供了理論依據(jù)。1救生箱的傳熱特性1.1不銹鋼板夾芯層救生艙由復(fù)合夾層鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)成,復(fù)合夾層鋼結(jié)構(gòu)如圖1所示,是指鋼板-隔熱材料-不銹鋼板組合而成的,中間傳熱系數(shù)較低的隔熱材料。在夾芯層中設(shè)計有復(fù)合梁,一方面能增大艙壁結(jié)構(gòu)強度,另一方面能減少艙壁內(nèi)部的金屬熱橋。各層材料的參數(shù)為:鋼板厚6mm,隔熱材料40mm,不銹鋼板2mm。1.2方艙外側(cè)表面為導(dǎo)熱過程救生艙內(nèi)外為2層金屬板,中間填充隔熱材料結(jié)構(gòu),構(gòu)成多層混合平壁結(jié)構(gòu)。救生艙外氣體通過導(dǎo)熱、熱對流和熱輻射將熱量傳遞至艙體的外側(cè)表面。此換熱環(huán)節(jié)包括對流換熱和輻射換熱兩種基本過程;熱量由方艙外側(cè)表面?zhèn)鲗?dǎo)到內(nèi)側(cè)表面為導(dǎo)熱過程;熱量由方艙壁的外側(cè)表面?zhèn)鹘o救生艙外部大氣,包含對流換熱和輻射換熱過程。由于救生艙艙體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性其傳熱過程有具有以下3個顯著的特點:(1)艙體的蓄熱、反射對傳熱產(chǎn)生附加效應(yīng),會造成傳熱過程更加復(fù)雜。(2)艙內(nèi)人員、設(shè)備多,釋放熱量值不穩(wěn)定,難以通過計算準確了解救援狀態(tài)下的艙內(nèi)熱環(huán)境。(3)艙體結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不同部位傳熱系統(tǒng)差異較大,且存在一定的“冷熱橋”。由于救生艙的傳熱具有以上的特點,使得精確的計算和模擬艙體的熱防護性能較為困難,因此采用了測定救生艙總傳熱系數(shù)與實際救援環(huán)境模擬的方法對其隔熱性能進行了實驗研究。2實驗原理和方法2.1模式1:穩(wěn)定平壁傳熱傳熱系數(shù)K值,是指在穩(wěn)定傳熱條件下,圍護結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差為1℃,1h內(nèi)通過1m2面積傳遞的熱量,單位是W·m-2·K-1。根據(jù)測試標準的規(guī)定,測試中所有參數(shù)的取值均在穩(wěn)態(tài)下進行,救生艙艙壁結(jié)構(gòu)所用材料的導(dǎo)熱系數(shù)是各向同性的,但考慮到艙壁局部結(jié)構(gòu),如艙體單元連接處、門框、觀察窗等位置所用材料的多樣性,結(jié)構(gòu)復(fù)雜傳熱更加不穩(wěn)定、傳熱計算更為復(fù)雜。用穩(wěn)定平壁傳熱公式對擴展方艙傳熱做了簡化計算和試驗驗證,并對今后的改進提出了方向。按照下式計算救生艙的總傳熱系數(shù)K:Κ=ˉpA×(Τ2-Τ1)W/(m2?℃)(1)K=pˉA×(T2?T1)W/(m2?℃)(1)式中ˉp=1nnΣi=1pi——平均總功率,W;pi——每組實驗總功率,W;ˉΤ1=1nnΣi=1t1i——艙外平均溫度,℃;ˉΤ2=1nnΣi=1t2i——艙內(nèi)平均溫度,℃;t1i——艙外測定溫度,℃;t2i——艙內(nèi)測定溫度,℃;A——艙體內(nèi)表面名義表面積,m2。2.2不同模式的救生艙隔溫性能試驗方案救生艙長5.4m,高1.8m,寬1.4m,外艙壁材料為Q235鋼,內(nèi)艙壁為不銹鋼板,夾層之間填充隔熱材料。由于艙體體積較大,難以在艙外營造一個穩(wěn)定的高溫環(huán)境,因此采用艙內(nèi)加熱,從艙外測定導(dǎo)熱量的方法進行實驗。救生艙隔溫性能試驗由于實驗環(huán)境的特殊性,無法用普通的溫度計或測溫儀測量環(huán)境的溫度。因為要隨時了解高溫試驗間和救生艙內(nèi)部的溫度,希望能夠建立救生艙隔溫性能試驗監(jiān)控體系。主要從溫度傳感器、溫度數(shù)據(jù)采集硬件、溫度采集軟件等出發(fā),建立救生艙隔溫監(jiān)控體系。(1)鉑電阻在該實驗研究中,根據(jù)使用的實際情況,選擇Pt100鉑電阻,溫度的測量范圍為-50~300℃,誤差等級為B級,輸出標準電阻信號?？紤]試驗間內(nèi)的溫度非常高,輸出信號電纜線采用耐高溫導(dǎo)線引出。(2)溫度巡檢儀監(jiān)控在該實驗中實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和上傳的儀器是16路溫度巡檢儀,鉑電阻溫度傳感器傳輸?shù)碾娮栊盘柦?jīng)溫度巡檢儀實時顯示數(shù)據(jù),同時將采集的數(shù)據(jù)上傳到計算機上,為實時監(jiān)控提供條件。(3)溫度監(jiān)控計算機實驗中使用的溫度采集軟件是MultiWatch。巡檢儀傳輸?shù)男盘柦?jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)綔囟缺O(jiān)控計算機上,實時監(jiān)控記錄各測點溫度數(shù)據(jù)。2.3救生艙高溫試驗間的環(huán)境布置將救生艙氣密門關(guān)閉,置于救生艙環(huán)境溫度穩(wěn)定的檢測用試驗空間內(nèi)。實驗中采用12個鉑電阻溫度傳感器測量救生艙內(nèi)外的環(huán)境溫度,救生艙內(nèi)8個,艙外4個,儀表布置位置如圖2所示。艙內(nèi)的8個鉑電阻溫度傳感器布置在救生艙兩側(cè)的內(nèi)壁上,每一側(cè)布置4個,距離艙壁的位置300mm,傳感器之間的間距700mm,艙內(nèi)傳感器高度布置在艙內(nèi)壁中心線上。艙外4個鉑電阻溫度傳感器布置在救生艙4個外壁的正中心位置,如圖2所示,傳感器距離救生艙外壁的距離300mm。為保證救生艙內(nèi)外試驗溫度均勻性而采用的強迫空氣循環(huán),在救生艙高溫試驗間內(nèi)的空氣流速不應(yīng)超過2m/s。保持救生艙泄壓閥半開啟狀態(tài),以減少試驗時救生艙內(nèi)外的壓力差。救生艙正中心位置布置功率為3000W的加熱器,以≤5℃/min的溫度變化率將高溫試驗間的溫度升高至60℃,并恒溫。在30min內(nèi)救生艙外任意2個測點及救生艙內(nèi)任意2個測點間的溫差≤3℃,救生艙外電源總耗功率(包括電熱器、風(fēng)扇等)波動值≤±2.5%,即達到熱穩(wěn)定狀態(tài),可進行熱變形檢查及總傳熱系數(shù)的測量。3結(jié)果分析3.1內(nèi)溫穩(wěn)定性變化實驗開始后,隨著救生艙內(nèi)加熱器釋放熱量,艙內(nèi)溫度逐漸升高,艙內(nèi)外溫度梯度逐漸增大,艙外溫度升高。實驗測定的數(shù)據(jù)顯示,艙內(nèi)外的溫度梯度約為50~60℃。實驗進行到70min后,艙內(nèi)的溫度穩(wěn)定在80℃左右,艙外的溫度穩(wěn)定在30℃左右,此后的約140min時間內(nèi),艙內(nèi)外的穩(wěn)定變化較小,處于散熱平衡狀態(tài)。加熱過程中艙內(nèi)外的穩(wěn)定變化如圖3所示。實驗開始時艙內(nèi)外的溫度相近都為21℃左右,隨著艙內(nèi)3000W加熱器的運行,艙內(nèi)溫度升高,進而導(dǎo)致艙內(nèi)外的溫差增大,開始出現(xiàn)傳熱過程,艙外的溫度也逐漸升高。由于加熱器功率和救生艙傳熱系數(shù)為固定值,因此當艙內(nèi)外溫度梯度為50℃左右時,加熱器產(chǎn)熱和艙體散熱達到平衡,艙內(nèi)外的穩(wěn)定也趨于穩(wěn)定。穩(wěn)定狀態(tài)后,艙內(nèi)外各儀表的數(shù)據(jù)如表1、表2所示。3.2救生艙總傳熱系數(shù)計算實驗過程中70~140min之間,艙內(nèi)外溫度基本穩(wěn)定,計算該時間段內(nèi)的總傳熱系數(shù),即艙內(nèi)外溫度梯度為50℃時,救生艙整體的總傳熱系數(shù):Κ=ˉpA×(Τ2-Τ1)=3000×95%40×50=1.425W/(m2?℃)4救生艙熱防護性能的研究通過研究救生艙總體傳熱系數(shù),可獲得救生艙整體隔熱性能技術(shù)指標,能夠定量的分析在不同的溫度梯度下,外界熱量傳遞到艙內(nèi)的熱負荷。救生艙熱防護性能的另一個研究重點是艙內(nèi)熱負荷的研究,即救生艙運行過程中艙內(nèi)避難人員散熱量和艙內(nèi)設(shè)備散熱量的研究。通過綜合研究外界傳熱和艙內(nèi)產(chǎn)熱就能掌握救生艙熱環(huán)境的詳細數(shù)據(jù),為救生艙制冷系統(tǒng)的研究和開發(fā)提供數(shù)據(jù)支撐。4.1救生艙內(nèi)溫度測試人體的散熱和設(shè)備散熱是救生艙內(nèi)熱量主要來源。實驗采用的救生艙與傳熱系數(shù)測定實驗采用的救生艙相同。實驗?zāi)M救生艙在礦井下的救援場景,由8名實驗人員進入救生艙在密閉環(huán)境下生存,通過救生艙內(nèi)設(shè)備提供生存所需氧氣,完成CO2處理等工作。整個實驗過程中不采取制冷措施對救生艙內(nèi)溫度進行控制,任由艙內(nèi)溫度升高,僅通過艙壁向外界環(huán)境散熱。測試儀器有溫度傳感器、濕度傳感器、CO2傳感器、O2傳感器及礦井通風(fēng)參數(shù)儀,其中溫度傳感器的布置與上述傳熱系數(shù)測定實驗相同。實驗還測試了多項人體生理指標,生理指標的是通過血壓測量儀獲取;為了保證實驗操作的準確性,所有的實驗人員都進行簡單培訓(xùn),以熟練使用儀器。溫度傳感器和濕度傳感起每隔10s記錄1次數(shù)據(jù),將數(shù)據(jù)形成圖表就可以直觀的反應(yīng)救生艙運行狀態(tài)下的溫度和濕度的變化,通過熱容將溫度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成熱量,就可以定量的分析艙內(nèi)的熱環(huán)境和是環(huán)境。實驗開始后,開啟艙內(nèi)生命維持系統(tǒng),并記錄艙內(nèi)各項實驗參數(shù),艙內(nèi)溫度逐漸升高,并開始向艙外傳遞熱量,艙內(nèi)溫度為35℃左右,艙外溫度為22℃時,整個熱傳遞過程趨于平衡。實驗結(jié)果如表3、表4所示。4.2救生艙內(nèi)熱傳遞熱實驗過程中由于人體和設(shè)備散熱,艙內(nèi)溫度逐漸升高,并開始向艙外傳遞熱,艙內(nèi)外溫度變化曲線如圖4所示。艙內(nèi)外溫度傳熱平衡后,救生艙內(nèi)人體散熱和設(shè)備散熱量可通過傳遞到艙外的熱量計算。根據(jù)式(1)可得ˉp=752W。5救生艙總傳熱系數(shù)的測定(1)礦井發(fā)生火災(zāi)等事故后,巷道環(huán)境溫度較高,因此救生艙要必須具備相應(yīng)的熱防護性能。救生艙的熱防