新型救生舱（精选6篇）
新型救生舱 篇1
摘要：救生舱是有效减少井下各种灾害导致人员伤亡的安全设施设备,调节救生舱内的温度是保障矿工生存的重要措施。通过对矿用救生舱热负荷的分析计算和矿用救生舱空气调节系统研究现状的分析,设计了以液态二氧化碳相变制冷为基础的两种空气调节系统,可在无需电力驱动、相对狭小空间配套的情况下,适合作为救生舱的空气调节系统。该系统的研发将会解决矿用救生舱在无电力驱动情况下的温度调节问题。
关键词：救生舱,空气调节,喷射式制冷,焦耳-汤姆逊效应,蒸发冷却
0引言
井下事故中大多数矿工的伤亡都是由于事故后井下危害环境和次生灾害所造成的。如果井下遇难矿工能够及时躲进具有生存保障条件的救生舱,就可以避免井下危害环境和次生灾害的伤害,成功获救。因此救生舱是保护矿工生命的重要救生设备,也是提高煤矿安全保障能力、有效减少井下各种灾害导致人员伤亡的安全设施设备。
根据救生舱所需实现的功能,可划分为整体结构、氧气供应、有害气体去除、空气调节、环境监测、动力供应及附属设备等七个部分[1]。其中空气调节系统是矿用救生舱生命保障系统的关键系统之一,其功能是在外界断电情况下,为进入救生舱内的避险人员提供临时的生存环境温度[2]。
1矿用救生舱热负荷分析和计算
在工作状态下,救生舱内的热负荷包括人体散热、气体净化装置的反应热和通过舱壁的渗透热。下面分别进行分析计算。
1.1人体散热的分析计算
从热力学的角度,人与周围环境的热交换应服从能量转换与守恒的热力学第一定律,由此可以列出人体热平衡方程式为[3,4]
S=(M-Wr)-R-C-E (1)
式中:S—人体蓄热率,W/m2;
M—人体新陈代谢率,W/m2;
Wr—人体完成的机械功,W/m2;
R—人体与环境的辐射换热,W/m2;
C—人体与环境的对流换热,W/m2;
E—人体与环境之间由水份蒸发而产生的换热,W/m2。
人体的体表面积可按下式计算[3]
Adu=0.61Hp+0.0128Wp-0.1529 (2)
式中:Hp—身高,m;
Wp—体重,kg;
Adu—体表面积,m2。
因此,人体的总散热量Q1为
Q1=SAdu (3)
1.2气体净化装置反应热的分析计算
化学反应热Q2主要为净化CO2、CO的反应热,CO浓度极低,反应热极小。所以,化学反应热主要是CO2反应热。气体净化装置反应热方程为[5,6]
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式中:n—人数;
V2—人均二氧化碳产生速率,L/min;
qr—吸收1mol CO2产生的化学反应热,kJ/mol。
1.3舱壁渗透热的分析计算
为了研究的方便,只考虑舱壁的导热,并简化为只沿厚度方向进行的一维稳定导热。此时,外界环境通过舱壁的渗透热Q3为
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式中: K—舱壁的传热系数,W/m2·℃;
Ac—救生舱表面积,m2;
T1—环境温度,℃;
T2—舱内温度,℃。
2矿用救生舱空气调节系统现状
井下发生灾害性事故时,矿用救生舱的空气调节系统能够为躲进救生舱中的矿工提供必需的生存温度,使舱室内环境温度维持在35℃以下,基本满足人类生存要求。目前,矿用救生舱空气调节系统可分为电力驱动防爆空调技术、蓄冰制冷技术和液态二氧化碳相变制冷技术三种方式。
2.1电力驱动防爆空调技术
电力驱动制冷是自动化程度最高、最为可靠的制冷方式,但是对于矿用救生舱内部特殊的情况:当井下灾害事故发生后,外部电源无法保证,在舱内储备超大容量的矿用防爆兼本质安全型不间断电源装置,则由于体积过于庞大不易实现。因此,电力驱动防爆空调技术不适用于矿用救生舱[7]。
2.2蓄冰制冷技术
蓄冰作为一种易制取、高潜热成为应用较广的相变制冷技术[8]。该技术通过日常制冰、蓄冰,保证救生舱蓄冰容器内冰始终处于结冰状态,一旦井下发生灾难性事故,利用冰的融化潜热和水的冷量,维持救生舱内所需的生存温度。但是其制冰时间较长,且需要不断地制冷蓄冰,能耗很高。此外,在取冷时需要利用循环风机将冷量从蓄冰器中取出,使得救生舱内的电耗增大。
2.3液态二氧化碳相变制冷技术
液态二氧化碳相变制冷技术是一种在无需电力驱动的情况下,安全、可靠地满足救生舱内环境温度达到所需生存温度的空气调节方式。该技术利用液态二氧化碳相变吸热来吸收救生舱内的热量,由液态变为气态的二氧化碳驱动气动风扇运转。通过阀组控制二氧化碳的流量,从而实现对救生舱内温度的调节。液态二氧化碳相变制冷是目前唯一能够实现在无需电力驱动的情况下,安全、可靠地满足救生舱内环境温度达到所需生存温度的空气调节方式[7]。但是根据国家标准规定,液态二氧化碳的充装系数(F)为0.60,即每升容器装0.6公斤液态二氧化碳。因此存储液态二氧化碳的钢瓶需占据很大的空间,相对于空间狭小的救生舱配套,就不是最为理想的适配产品。所以在无需电力驱动的情况下,研究适合于在相对狭小空间配套的空气调节系统成为当前研究的重点。
3新型矿用救生舱空调制冷系统设计
以此为背景,提出了两种在无需电力驱动的情况下,适合于在相对狭小空间配套的空气调节系统的设计方法。一种是将液体二氧化碳相变制冷技术与喷射式制冷技术相结合的联合制冷方式;另一种是将液体二氧化碳相变制冷技术与节流膨胀制冷技术和蒸发冷却技术相结合的联合制冷方式。
3.1液体二氧化碳相变制冷与喷射式制冷联合制冷系统设计
液体二氧化碳相变制冷与喷射式制冷的联合制冷系统[9],如图1、图2所示。该系统包括液态二氧化碳制冷系统和喷射式制冷系统。液态二氧化碳制冷系统和喷射式制冷系统通过管路连接成联合制冷系统,其中液态二氧化碳系统包括虹吸式液态二氧化碳储液瓶、汇流排、高压干燥器、热力膨胀阀、绝热管路、蒸发盘管、压力控制阀、安全阀。所述的虹吸式液态二氧化碳储液瓶有多个并通过汇流排连接,汇流排通过管路依次与高压干燥器、热力膨胀阀、绝热管路、蒸发盘管和压力控制阀连接,在蒸发盘管和压力控制阀之间通过三通管接头连接有安全阀,所述的热力膨胀阀的感温包安装在蒸发盘管的出口处;喷射式制冷系统是一种将制冷剂直接喷入大气的、无冷凝器的开放式制冷系统,其中包括细薄膜蒸发器、喷嘴和喷射器,喷射器分别通过管路与细薄膜蒸发器和喷嘴连接并安装在救生舱壁上。
本系统的具体工作过程如下:当需要制冷时,开启其中一瓶虹吸式液态二氧化碳储液瓶的开启阀,液态二氧化碳经汇流排流入高压干燥器,去除其中的水份,而后流经热力膨胀阀,根据出口过热度的大小调整制冷剂的流量。在流过一段绝热管路后,进入蒸发盘管,液态二氧化碳吸热气化,迅速膨胀。当出口压力达到压力控制阀的设定值时,该阀全开,高压蒸汽经喷嘴进入到喷射器中。为保证系统安全运行,在出口处设有安全阀。当系统压力超过压力上限时,安全阀开启,将高压气体直接泄放到大气中。从喷嘴喷出的高速气流引射细薄膜蒸发器内的水蒸汽,使得细薄膜蒸发器内的制冷剂(水)蒸发,产生制冷量。二氧化碳气体与水蒸汽在喷射器内充分混合后,被压缩到喷射器出口处,然后进入大气,完成整个制冷过程。
本系统的设计思想是利用液态二氧化碳的气化潜热吸收救生舱内的热量,再利用液态二氧化碳气化后的高压气体作为喷射式制冷的引射流体进行喷射式制冷,为救生舱提供必要的冷量。与现有技术相比,本系统具有以下有益效果:
(1)本系统可在外部电源切断和内部无蓄电池的情况下,在救生舱室内独立工作,为救生舱内提供必要的冷量。
(2)由于本系统是一个由液态二氧化碳制冷系统和喷射式制冷系统联合组成的制冷系统,充分利用了液态二氧化碳的气化潜热和其气化后的压力能,提高了单位质量液态二氧化碳的制冷量。在满足舱室环境温度的情况下,减少了液态二氧化碳的存储量,节省了舱室内的空间。
3.2液态二氧化碳相变制冷技术与节流膨胀制冷技术和蒸发冷却技术相结合的联合制冷系统设计
液体二氧化碳相变制冷技术与节流膨胀制冷技术和蒸发冷却技术相结合的联合制冷系统[10],如图3所示。该系统包括液态二氧化碳制冷系统、节流膨胀制冷系统和蒸发冷却系统。液态二氧化碳制冷系统、节流膨胀制冷系统和蒸发冷却系统通过管路连接成联合制冷系统,其中液态二氧化碳系统包括虹吸式液态二氧化碳储液瓶、蒸发盘管。虹吸式液态二氧化碳储液瓶有多个并相互并联连接一起,通过管路依次与蒸发盘管和节流膨胀制冷系统的喷嘴连接。节流膨胀制冷系统包括喷嘴、膨胀空间和换热器。喷嘴安装在膨胀空间内部,膨胀空间和换热器之间用管路连接,换热器出口与蒸发冷却系统连接。蒸发冷却系统由间接式蒸发冷却器组成。
1、虹吸式液态二氧化碳储液瓶,2、蒸发盘管, 3、喷嘴,4、膨胀空间,5、换热器,6、蒸发冷却器
本系统的具体工作过程如下:当需要制冷时,开启其中一瓶虹吸式液态二氧化碳储液瓶,液态二氧化碳进入蒸发盘管,液态二氧化碳吸热气化产生制冷量,并迅速气化,压力升高。二氧化碳相变吸热产生的高压蒸气经喷嘴,在膨胀空间内喷嘴的出口产生低温气流。该低温气流流经换热器,经过与换热器的充分换热,气流温度逐渐升高至室温,然后由换热器进入蒸发冷却器。二氧化碳在蒸发冷却器内与水接触,引起水的蒸发,从而产生制冷量,完成整个制冷过程。
本系统的设计思想是在液态二氧化碳相变吸热产生制冷量的基础上,利用液态二氧化碳气化吸热后产生的高压与大气压之间的压差产生焦耳-汤姆逊制冷效应和蒸发冷却器利用经节流膨胀后相对湿度较低的气态二氧化碳产生的蒸发冷却效应,大幅地提高了单位质量液态二氧化碳的制冷量。在满足舱室环境温度的情况下,减少了液态二氧化碳的存储量,节省了舱室内的空间。
4结论
救生舱是保护矿工生命的重要救生设备,其中空气调节系统是矿用救生舱生命保障系统的关键系统之一,其功能的好坏直接影响到矿工的生存。所提出的两种新型救生舱空气调节系统设计方法与现有技术相比较,大幅地提高了单位质量液态二氧化碳的制冷量。在满足舱室环境温度的情况下,减少了液态二氧化碳的存储量,节省了舱室内的空间,降低了成本。
参考文献
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矿用救生舱抗爆性能试验研究 篇2
矿用救生舱是矿山企业在发生矿难时为无法及时撤离的遇险矿工提供的避难场所。救生舱本身能为被困矿工提供O2、食物、水, 隔绝和去除有毒有害气体, 抵御爆炸冲击和高温烟气, 还能通过舱内通讯监测设备, 引导外界救援, 最大限度地减少事故损失。
然而, 井下一旦发生事故, 特别是爆炸事故时情况错综复杂, 其中很多时候都存在二次爆炸的危险, 因此, 救生舱本身的抗爆性能就显得至关重要。必须对救生舱的抗爆性进行试验研究, 检验舱体本身的结构强度及爆炸对舱内活体动物的致命影响, 以确保其能够真正成为矿山遇险时矿工的“安全岛”。
1 试验系统
试验在煤炭科学研究总院重庆研究院的大型地下爆炸试验巷道进行, 巷道全长896 m (其中主巷长710 m) , 主巷断面积7.2 m2, 副巷断面积6.2 m2, 如图1所示。采用PXI-50612高速动态测试系统测试救生舱的侧面承受压力, 该系统可同时采集32路数据信号, 最高采样率为50 Msps/CH, 并可根据试验需要设置采样长度、采样频率以及采集模式等。采用TST-6150便携式数据采集存储仪测试救生舱的正面承受压力, 可同时采集2路数据信号, 并实时采集和存储爆炸信息, 如图2所示。
1—出口;2—爆炸传播段;3—煤尘布置段;4—测试盒;5—隔爆门;6—爆炸气体段;7—起爆点;8—保护段;9—辅助段;10—风门;11—进口;12—通风机。
采集用压力传感器为CYG系列固态压阻压力传感器, 在测试过程中通过数据线接入动态测试分析系统, 适于在-30~80℃内使用, 输出信号范围为两线制0~20 m A DC, 精度等级 (包括线性、迟滞、重复性) 为0.5, 过载能力150%。火焰传感器采用灵敏度为5 m远1 cd火焰可有反应的火焰传感器, 所测波形为矩形波, 火焰到达该点时间以所测波形上升沿时间为准。
2 试验及结果
2.1 试验情况
分别进行瓦斯爆炸和瓦斯+煤尘爆炸试验, 每次试验前均在救生舱内放置2只成年活兔, 以考察其对活体动物的致命影响。
根据试验测试要求, 并结合试验系统实际情况, 瓦斯爆炸试验时救生舱安装在距离爆源40 m处, 用角钢分别在救生舱两侧、前后和顶部焊接支撑架, 以使其固定。分别在距离爆源40, 60, 80 m处安装压力传感器, 在30, 60, 80 m处安装火焰传感器。
瓦斯煤尘爆炸试验时救生舱安装在距离爆源100 m处, 用角钢分别在救生舱两侧、前后和顶部焊接支撑架, 以使其固定。分别在距离爆源40, 80, 100 m处安装压力传感器, 在30, 60, 80, 100 m处安装火焰传感器。在平巷中距离爆源35~130 m间采用定量散布的方法将煤粉铺设在巷道地面以及悬挂的煤尘架上, 煤粉粒度150~200目, 煤挥发分为35%~40%。
试验布置如图3所示。
图中阴影部分为起爆室, 采用厚度为0.25 mm的塑料薄膜封闭200 m3的瓦斯—空气混合气体;安装点1表示进行瓦斯爆炸试验时救生舱的安装位置;安装点2表示进行瓦斯煤尘爆炸试验时救生舱的安装位置;CH表示试验时压力或火焰传感器的安装位置;测试正面压力的传感器安装在舱体前壁朝向起爆室。
在起爆室充入适量瓦斯, 在距隔爆门2 m、高度1.9 m处用3根8#工业电雷管引火药头引爆瓦斯。引爆同时, 触发采集系统, 进行实时压力、火焰数据的采集。
2.2 试验结果
瓦斯爆炸试验共进行2次, 其试验数据见表1。
瓦斯煤尘爆炸试验也进行2次, 第1次试验煤尘的铺设范围为35~115 m, 铺设的煤尘量为185 kg;第2次试验煤尘的铺设范围为35~120 m, 铺设的煤尘量为120 kg。其试验数据见表2。
3 试验结果分析
通过观察和对比实验结果, 在正面压力达到2.50 MPa, 同时侧面压力达到1.42 MPa时, 救生舱舱体无结构损坏, 防爆玻璃观察窗也未损坏, 舱内活体动物亦较活跃, 说明救生舱的抗爆性能良好。
但当正面压力超过2.0 MPa时, 其固定支架全部断裂, 舱体整体向前移动较远。这主要是由于救生舱本身体积较大, 爆炸发生时固定安装在巷道的救生舱就如同在巷道中设置了障碍物, 使爆炸波的压力曲线变化幅度迅速增大, 随即将固定支架全部震裂并推动舱体前移。而当这种爆炸波形变化幅度增大的现象达到一定条件时就容易产生激波, 激波的产生会大大加强对附近构筑物的破坏作用。同时, 即使不产生激波, 这种爆炸波形变化幅度增大的现象对矿井构筑物也是极为有害的, 容易导致构筑物的破坏[5]。因此这就要求救生舱在实际用于煤矿井下时, 其安装方式需要深入研究。
由于试验时舱体固定不牢导致整体前移, 其所承受的压力迅速减小, 因此玻璃观察窗和舱门等较薄弱的地方在本次试验时未损坏。而实际使用时, 要求救生舱必须安装牢固, 则在发生爆炸时其承受的压力将更大, 其玻璃观察窗的强度和舱门的密封性要求需加强, 以防止爆炸产生的CO等有毒气体进入舱体造成人员伤亡。
本次研究仅进行了救生舱外壳抗爆性能试验, 未进行整体联机试验, 而在实际使用时, 舱体内的各种装置、设备等均需要与外界连接, 其连接线路的抗爆性能也值得重视。
4 结语
该救生舱在正面压力达到2.50 MPa, 侧面压力达到1.42 MPa的情况下抗爆性能良好, 且舱体内的活物生存状态良好。
救生舱在煤矿实际使用时, 其安装方式需深入研究, 以使其不致成为“障碍物”, 外部连接线路的抗爆性能也值得重视, 以保证救生舱真正成为矿山遇险时矿工的“安全岛”。
参考文献
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煤矿井下移动救生舱的设计思路 篇3
根据世界各国对矿井事故的调查, 在火灾、爆炸等事故发生现场瞬间受到伤害死亡的矿工只占事故伤亡人数的一部分, 有相当一部分矿工都是因为在矿井透水或火灾、爆炸后不能及时升井或逃离高温、有毒有害气体现场, 导致溺水、窒息或中毒死亡的。因此, 各国都在大力建设矿井避难硐室和研制矿用救生舱, 以便为矿井发生事故后无法及时撤离的矿工提供一个安全的密闭空间, 对外能够抵御爆炸冲击、高温烟气, 隔绝有毒有害气体, 对内能为被困矿工提供氧气、食物和水, 去除有毒有害气体, 赢得较长的生存时间。同时, 被困人员还能通过舱内通讯监测设备, 引导外界救援。
目前, 矿用救生舱可分为固定式和移动式两类。由于移动式救生舱能够随着作业场所变迁而移动, 可根据需要改变架设位置, 具有方便灵活的特点, 所以应用日趋广泛。
2国外研究与应用现状
加拿大、美国、澳大利亚等国家的矿山安全法规和标准对推广、使用矿用救生舱有着硬性的规定。在相关政策法规的支持下, 欧美各国十分重视矿山应急救援工作及相关研究, 投入了大量的资金, 使得一些具有较强科研实力的企业单位参与其中, 如澳大利亚的MineARC系统公司 (MineARC Systems) 、Shairzal安全工程公司 (Shairzal Safety Engineering) 、Cowan制造有限责任公司;美国杰克·肯尼迪金属制品公司 (Jack Kennedy Metal Products) 、现代矿业安全支持有限公司 (Modern Mine Safety Supply, LLC) 、Strata公司 (Strata Products USA) ;德国德尔格安全设备有限责任公司 (Draeger Safety Inc.) 等。
国外矿用救生舱已有不少成功应用的案例。如2006年1月29日凌晨3时, 加拿大萨斯喀彻温省 (Saskatchewan) 一座钾盐矿井发生火灾事故, 72名矿工被困井下, 转移至矿井救生舱 (澳大利亚MineARC系统公司生产) 中, 经过26小时全力营救, 72名矿工全部成功获救, 在世界范围内引起轰动效应。
3国内研究现状
与国外相比, 国内对矿用移动式救生舱的研究起步较晚, 其设计思路还不十分成熟, 缺少必须的试验和检验支持, 更无行业标准可以依据。据不完全统计, 到目前为止, 国内有十几家企业、单位在进行矿用救生舱的研制工作。其中, 北京科技大学承担的“十一五”国家科技支撑计划对救生舱的研究进展较快, 2008年7月, 在山西潞安集团模拟巷道内完成了4人、96小时的安全验证试验。
4救生舱设计中需要注意的几个问题
目前, 国内对矿用救生舱的研制工作虽然在紧锣密鼓地进行, 但由于种种原因, 至今还没有成熟的产品投入实际应用。一些厂家在研制过程中, 由于对煤矿井下发生事故时特殊的环境条件导致的特殊要求了解不深, 导致研究工作走弯路, 或者研制的产品不能适应实际需要。笔者认为, 在研制煤矿井下移动救生舱时, 必须注意以下几个方面的问题。
4.1功能定位
移动救生舱一般为车体式结构, 整个救生舱舱体由耐高温、抗冲击的材料构成, 设有观察窗和逃生窗。国外矿用救生舱高度、宽度普遍在2m左右, 长度则依据要求容纳的人数改变, 但总空间体积必须达到1.5m3/人以上, 以保证密闭空间中人员的生命安全。
煤矿井下环境复杂, 事故多样。瓦斯爆炸、煤尘爆炸、火灾、冒顶、透水, 每一类灾害带来的伤害都不尽相同。对于爆炸, 要求救生舱能够抗高温和冲击;对于火灾, 救生舱必须抗高温;对于水灾, 救生舱需要防水, 甚至要求在数百米静水压力下仍有良好的密封性。
考虑到我国现阶段的技术水平和制造成本, 几乎不可能造出一种能应对所有矿井灾害的救生舱。因此应首先确定救生舱主要防哪一种灾害, 根据灾害特点有针对性、有重点地进行设计。
4.2舱内设施
矿用救生舱一旦开始运行, 被困人员要在这个密闭空间中可能生存长达数天的时间, 为了保证人员的生命安全, 救生舱内所有生命维持设备必须持续正常运行, 将室内的O2、CO2等各类气体的浓度、环境温度、湿度等生存参数都稳定控制一个适宜人类生存的范围。救生舱整体结构与有关设施设计, 应重点解决以下几个方面的问题。
4.2.1 供氧系统
救生舱内正常氧气供应主要有矿用压缩空气、储备压缩氧以及化学反应生成氧气三种方式, 氧气供应装置应满足三个条件:①尽量供应组分接近空气组分的气体, 纯O2应先经过混气再进入救生舱供呼吸;②能够持续不间断地供应O2, 一般通过两套以上独立的供气系统来实现;③能够调节O2释放速率与救生舱中人员消耗速率达到一致, 以稳定O2的浓度。
4.2.2 排泄物的收集与处理
为了避免人体排泄物污染舱内环境, 影响被困人员健康, 舱内的厕所必须科学设计, 妥善收集处理排泄物。
4.2.3 空调系统
矿用救生舱为了最大限度的延长被困人员的生存时间, 要求对矿井内的恶劣环境如爆炸、冲击、火灾等具有相当的防护能力, 因此, 救生舱的外壳必然有一定的隔热性能。而在救生舱内部, 被困人员自身会产生大量的热辐射。美国《肯塔基州矿井安全建议》中提到, 在救生舱空间中, 正常成年人每天能够释放10133.76kJ的热量。同时, 由于处理CO2等有害气体的化学反应多数也要释放热量, 如此多的热量聚集在救生舱中无法排出会导致温度升高以及一些严重的后果。因此, 如何解决隔热的密闭空间中的热量累积问题是救生舱研究中非常困难的一个部分。
为了控制救生舱内温度不至于过高, 必须使用空调来控制温度。空调主机可置于救生舱内部, 而压缩机必须外置, 这就不可避免地带来了空调压缩机的防爆问题。此外, 在20多立方米的空间中要保持让人舒适的温度, 需要有足够的电力运行空调, 而矿难时外部电力往往中断, 只能靠电池维持。所以, 救生舱维持生存时间的长短很大程度上要决定于空调和备用电池的功率之间的相互协调。
4.2.4 监测系统及清除有毒有害气体
在救生舱中生存时, 随着被困人员在救生舱内的时间增长, 舱内将会有CO2、CO、H2S、CH4等多种有毒有害气体的积聚, 被困人员必须时刻掌握所处密闭空间内外的各类参数, 根据情况的变化采取相应措施维持生存条件。多数有毒气体浓度的变化不可能通过人体器官及时感知就足以致命了, 因此, 救生舱内应安装各类监测仪器即时监控所有主要的生存环境参数, 并配备吸收或清除上述气体的装置。要求操作简便、自动化程度高、性能可靠。
救生舱中的监测系统主要监测的对象一般包括O2、CO2、CO、H2S、CH4、压力、温度、湿度以及各种设备的运行状况。气体浓度的监测按照气体对人体的影响设定仪器的监测范围及报警数值。
4.2.5 通信系统
在事故发生时, 遇险矿工进入救生舱只是第一步, 利用救生舱里的通信系统, 及时与外界取得联系, 引导救援人员前来救援才是最重要的。当前, 国外救生舱也很少安装有效的通信系统, 而救生舱中如能配备先进可靠的可与地面联络的通信系统, 无疑对救援工作的顺利开展有着极其重要的意义。
4.2.6 能量与动力系统
救生舱中的空调、照明、通信、电子控制设备等都要依靠电力来维持, 尤其是大功率的空调压缩机, 要消耗大量的电力资源。能否为救生舱耗电设备提供电力, 维持其长时间稳定的运行, 对延长救生时间有着极大的影响。事故发生时, 外部供电中断, 救生舱只能依靠自身的蓄电池供电。矿井用蓄电池要求本质安全, 并且需要能够长时间维持空调等各类设备运行。
4.3检测检验
根据国家有关规定, 矿用救生舱必须取得安标之后, 才允许在煤矿井下使用。目前, 国内矿用救生舱还没有取得安标的先例, 国内生产企业如何取得安标、如何确定防水、防爆、防火、抗冲击等各类检测指标, 都是迫切需要解决的问题, 亟待有关方面尽快研究解决。
4.4使用与维护
救生舱用镍氢电池系统研制 篇4
资料显示, 煤炭在我国能源生产占有绝对的比重达到近70%。我国的煤炭产量虽然只占世界煤炭产量的1/3, 但煤矿矿难死亡人数占世界煤矿事故死亡人数的4/5, 如何预防事故和人员死亡伤害一直是我国煤矿安全工作的重点[2]。矿用救生舱对外能够抵御爆炸冲击、高温烟气, 隔绝有毒有害气体, 对内能为被困矿工提供氧气、食物和水, 去除有毒有害气体, 能够赢得较长的生存时间。同时被困人员还能通过舱内通讯监测设备, 引导外界救援[1]。因此救生舱是紧急避险系统中的重要装备。目前国家大力提倡救生舱的研制和应用, 并提供了政策和资金支持。
救生舱内有许多电子设备如空调、通信、照明等需要电池系统进行供电。目前矿用领域主要使用的电池品种有铅酸电池、锂电池、镍氢电池等。其中镍氢电池具有工艺成熟, 无污染, 不含铅、镉等对人体有害的金属;正常使用过程中不需维护, 也无任何物质泄出;电池使用循环寿命是铅酸电池的4~10倍;电池能在-30℃至55℃温度范围内正常使用;安全系数高。而且镍氢电池由于含有较多的稀有金属, 具有较高的产品回收价值, 是矿用电源系统的首选。
1 镍氢系统安全性
1.1 过充电
镍氢电池在过充电过程中, 正极在充电末期, 会产生氧气。
负极过充电反应为:
在电池设计过程中, 正负极容量比一般为1:1.5~1.6, 负极上有40%~50%的充电储备容量, 充电末期正极析出的氧气在负极上消耗, 重新生成贮氢合金, 造成负极始终处于未充满状态, 避免了氢气的产生。
1.2 过放电
过放电时正极中的CoOOH导电网络放电, 被破坏, 使电池内阻略有升高, 影响到电池的功率性能。再继续放电, 当电压放电至-0.6~-0.3V时, 正极析出氢气, 但此氢气会被负极所吸收, 不会有气体逸出。
正极:H2O+e-→1/2H2+OH-
负极:2M+H2→2MH
镍氢电池的设计中, 负极有约40%~50%的过放电储备, 使负极不会出现严重过放电现象。负极始终有部分容量维持放电, 同时吸收氢气对放出的H进行补充, 不会出现过放电析氧而被破坏。
从镍氢电池的化学反应机理来看, 镍氢电池本身具有较高的安全性。目前镍氢电池已经通过国家电动汽车标准要求的各种安全测试, 并经过批量示范应用, 这能证明镍氢产品具有很高的安全性。
2 系统组成及工作原理
2.1 系统组成
本文主要研究的矿用电源系统总体技术要求为24V600Ah:采用20只镍氢100Ah电池组成的隔爆电源子系统。6个24V100Ah电源子系统经过无环流并联构成24V600h电池系统。每个24V100Ah电池子系统由单独一个充电机进行充电。
2.2 工作原理
每个电池子系统可以通过独立的充电机进行充电, 当电池充满电后, 自动切断充电回路, 进入待机状态, 当系统电压低于恢复门限后, 重新自动进行补充电。同时电池系统可以通过RS485总线将电池的信息上传给信号处理单元进行显示。当市电失去后, 系统自动进入后备电源工作状态, 为负载提供供电。
3 系统设计
3.1 隔爆箱电气设计
整个矿用电源系统由6个隔爆电池箱和1个1隔爆电源箱组成。电池隔爆箱设有6个喇叭口输出, 用于充电输入, 24V电池输出, RS485总线输出。由于井下空间有限, 6个隔爆电池箱采用串行电气连接方案。电源箱接受来自电池的电压及485信号。并将相关信息显示液晶屏上。同时电源箱内配置本安和非安电源, 为负载提供输出。如果井下电压特殊, 还可以在电源箱内部放置一个变压器, 为电池箱充电进行AC电压转换。电气系统连接方法如图1所示。
3.2 电池模组设计
每个电池系统配置2个模组, 每个模组由10个QNFG100单体电池串联而成。在电池模块的单体电池之间均放置绝缘格栅, 绝缘格栅采用底部挑高设计, 提高了电池安全性能。同时为了提高电池模组的安全性, 在两个电阻模组中间串联一个温度开关, 当电池过热时能够自动切断输出。
3.3 电池管理单元设计
电池管理单元BMU主要负责对电池状态进行监控, 并对电池的充放电进行管理, 防止电池过充放, 提高矿用系统的安全性。并利用RS485将相关信息上传显示。根据国家相关要求, 系统提供了一个容量检测断开, 可根据上层BMS命令定期对系统容量进行测量。
为了提供高镍氢电池系统的安全性, 管理系统需要进行单体检测。同时需要尽可能降低系统静态功耗。
4 测试结果
对24V600Ah电池系统进行为期100天的井下工况模拟试验, 试验结束后用5A电流对电池进行放电。系统累计放电容量达到581Ah, 折算放电时间116h, 高于国家标准96h要求。试验100天后电池放出容量同设计容量相比要低19个Ah左右, 主要是电池充电策略和管理系统的自身功耗导致的。系统为了提高镍氢系统的安全性, 镍氢系统采用不满充策略。
5 结语
本文通过对隔爆箱、镍氢电池模组、管理系统的研究, 研制了一种满足救生舱使用要求镍氢电池系统, 具有高的安全性和可靠性。目前救生舱系统在国内处于推广阶段, 该产品的研制, 具有重要的市场应用价值。
参考文献
[1]高广伟, 张禄华.煤矿井下移动救生舱的设计思路.中国安全生产科学技术, 2009 (8) :162-64
矿用救生舱自动泄压阀研究 篇5
1 原理及结构设计
泄压阀采用”液体密封和单向逆止”相结合的技术。
泄压阀结构包括泄压阀体、液体介质、液位调节帽、液位标尺、进气管、排气管、单向阀等。液体材料凝固点低, 不易挥发。进气口与救生舱舱内气体相连, 同时也是注液口。排气口与舱外环境相连。
当发生二次爆炸等灾害时, 反向冲击压力作用在单向阀上, 单向阀能承受1.0MPa的爆炸冲击载荷。
1.1 主要尺寸设计
1.1.1 阀体内空高度H
由于本泄压阀采用液封及单向阀组合技术, 阀体高度主要受液体高度h及液体飞溅高度h1限制, 根据公式
其中, ΔP为相对压力, 设定为500Pa。
ρ为液体的密度, 凝固点低, 不易挥发液体, ρ约为=1 050kg/m3。
h为液面距进气管底部距离。
经计算, h≥50mm。
由式 (1) 可以看出, ΔP与h是线性关系。
为避免使因压力过大而导致液体进入单向阀, 而应使单向阀口距液面有足够高度h1。阀体内空高度H>h+h1, 再考虑到加工工艺性、排气式气流通畅性, 最终泄压阀内空高度确定为130mm。
1.1.2 阀体内空直径D总
阀体直径主要受单向阀直径、进排气管直径的限制。在救生舱内的安装位置, 以及综合考虑加工工艺, 最终确定阀体阀体内空直径D总=50mm。
1.2 单向阀抗反向压力分析
单向阀抗反向冲击的结构原理为:阀芯为球形, 阀体与阀芯结合面为锥形面。由于反向冲击不是经常发生, 而且润滑较充分。因此, 单向阀失效的主要形式为阀体发生塑性变形而使阀芯卡死甚至越过锥形面。
反向冲击压强为P=1MPa, D=6mm。
阀芯作用在锥形面上的力为28.2N, 如此微小的力根本不可能使阀体发生塑性变形。
1.3 主要材质选型
阀体为耐腐蚀性强的不锈钢材质;液体介质应具有凝固点低、不易挥发的特性;单向阀主材铜材、主弹簧材料为不锈钢;所有管路组均采用铜材。
2 试制
根据设计图纸, 加工零部件, 焊接成型。焊接致密、牢固, 不漏气。组装后的单向阀, 正向应排气通畅, 反向应能关闭灵活可靠, 承受1.0MPa爆炸冲击压力。
单向阀检验合格后, 才可用于组装泄压阀。
泄压阀测试合格后, 再与救生舱联机测试, 测试结果应满足 (100~500) Pa的正压要求。
3 泄压阀性能试验
组装后的泄压阀应检验泄压阀开启压力、关闭压力、关闭后的密封性、反向耐冲击压力以及不少于1 000次的开闭疲劳性能, 泄压阀性能试验见表1。
4 结论
从表1可以看出, 组装后的泄压阀的开启压力、关闭压力、关闭后的密封性、反向耐冲击压力以及不少于1000次的开闭疲劳性能等经检验均符合产品要求。目前此种结构单向阀已得到大量推广应用。
摘要：本文介绍了自动泄压阀原理及结构, 泄压阀体的分析、设计, 液位高度与压力差的计算、分析, 单向阀的设计、分析, 材质选择等。对泄压阀进行性能分析、试验, 试验结果表明, 采用“液体密封和单向逆止术”完全可行, 目前已得到广泛推广。
关键词：救生舱,泄压阀,单向阀
参考文献
矿用救生舱电磁兼容性设计探讨 篇6
矿用救生舱一般由空气处理系统、呼吸氧气支持系统、动力供应系统、气体监测传感器、隔爆型备用电池箱、隔爆兼本安直流稳压电源、通风空调 (风扇) 、监控和传输线路等部分组成。当前, 数字传感器、空调等各种电子设备在救生舱中大量应用, 由于井下环境限制, 舱体内部空间狭小, 设备密集度很高, 局部电磁环境非常恶劣, 导致系统间电磁兼容性能差, 极易发生误报警、误断电、井上监控系统视频终端出现严重失真等电磁兼容问题。因此, 从电磁兼容的角度来看, 救生舱具有干扰源多、耦合途径广泛的特点, 必须对其主要的干扰源和干扰传输路径采取屏蔽、滤波、去耦、隔离等电磁兼容设计, 才能真正使矿用救生舱在井下发生灾难事故后发挥应有的紧急避险效能。这里主要探讨从电磁屏蔽和滤波两方面进行的电磁兼容设计。
1矿用救生舱主要干扰源分析
1.1 电源系统及其自身干扰
矿用救生舱电源系统应当充分考虑煤矿的供电条件, 并符合井下用电安全的相关标准要求。现用的救生舱电源系统多采用集中供电方式, 具备过充电、过放电等安全保护功能。在失去外部供电时, 内部电源能维持额定情况下的基本电力消耗。舱内具备外部电源接入充电接口, 使用井下1 140/660 V和380 V的交流电。电源在充电状态下会产生过压、欠压等电压波动;同时作为动力保障系统备用电池的大容量镍氢蓄电池, 在救生舱内、外部供电自动转换瞬间, 电压和电流变化都很大, 也能产生瞬时浪涌电压。这些干扰都会影响舱内设备正常工作。
1.2舱内设备耦合形成的干扰
救生舱中动力供应系统、传感器、空调等配套设备综合了机、电、液技术, 各设备间极易通过供电系统、接地系统、互连系统, 以及空间辐射场形成电磁干扰耦合。同时, 受舱内空间限制, 与安全监控系统相连的传输线路往往在布线时与电力线路并行, 各种设备的接地也连接在一起, 这也增加了各种设备间的相互干扰。
1.3来自机械开关、触点的干扰
救生舱中动力供应系统执行部件不少是通断开关, 如乒乓开关、接触器和继电器等, 在触点断开和闭合时电流变化率很大, 产生幅值很大的电磁脉冲和前沿陡峭幅值很大的浪涌电压。
2救生舱舱体电磁屏蔽理论分析
救生舱舱体的屏蔽效果由舱体对电磁场强度削弱的程度决定, 通常用屏蔽效能来度量。屏蔽效能是指在电磁场中同地点无屏蔽存在时的电磁场强度与加屏蔽体后的电磁场强度之比, 用SE表示:
SE=20 (lg A+lg R+lg B) (1)
式中:A为吸收损耗;R为反射损耗;B为多次反射损耗。
由于舱内环境限制, 多次反射损耗B几乎可以忽略不计, 由此计算救生舱屏蔽效能主要是计算吸收损耗A和反射损耗R, 即:
S′E=20 (lg A+lg R) (2)
2.1吸收损耗
吸收损耗A可由下式表示:
式中:t为屏蔽体厚度; f为电磁波频率;μr和σr分别为屏蔽材料相对磁导率和相对于铜的电导率。
由式 (3) 可见, 吸收损耗与屏蔽材料的厚度、工作频率、电导率、磁导率等有关。
2.2反射损耗
反射损耗R根据场源性质和屏蔽体所处位置不同, 主要有如下3种计算方式。
1) 当r≥λ/2π时, 属于远场区, 电磁场分量的反射损耗为
2) 当r<λ/2π时, 属于近场区
a.以电场为主时, 反射损耗为
b.以磁场为主时, 反射损耗为
式中r为屏蔽体到场源的距离。
由式 (4) — (6) 可以看出, 金属屏蔽体的反射损耗不仅与材料本身的电导率、磁导率有关, 而且还与金属屏蔽体所在的位置及场源特性有关。在计算反射损耗时, 首先要区分屏蔽体是在场源的远区还是近区, 如果是在近区还要进一步区分场源的特性。 若无法区分场区和场源, 则按较小的数值计算。在以上3个公式中存在着Re>Rp>Rm的关系, 因此一般选用式 (6) 计算反射损耗。
3矿用救生舱电磁兼容设计
严格来说, 由于矿用救生舱的舱体本身具有较好的屏蔽作用, 对舱内电磁兼容性考虑主要集中在供用电系统和动力系统上。基于以上分析, 为适应矿用救生舱恶劣的电磁环境, 提高舱内设备电磁兼容性 (EMC) , 减弱对传输线路和空间的电磁干扰 (EMI) , 设计矿用救生舱时必须考虑电磁兼容性, 可以采用隔离滤波、瞬态过电压的抑制、电磁屏蔽、传输信号电缆的电气密封连接、电磁兼容接地等方法。以下重点从电源、传输电缆滤波和救生舱舱体屏蔽三方面进行电磁兼容设计分析。
3.1电源
救生舱内供电电缆均为煤矿矿用阻燃电缆, 一般采用重型橡套铜芯多股电缆, 并带有接地芯线与接线盒内的接地端子可靠连接。舱内电力传输网中如过压、欠压、浪涌和瞬变电压等电压变化, 以及瞬变所形成的电源干扰都能干扰甚至损毁舱内装备的电子元件。因此, 供电系统中供电设备应具有短路、过载和漏电 (含漏电闭锁) 保护。低压控制设备应具有短路、过载、断相、漏电闭锁等保护及远程控制装置。为吸收瞬变电压, 在电源模块内部的输入端还可加入压敏电阻和具有很强浪涌吸收能力的硅瞬变电压吸收二极管。
3.2传输电缆
传导干扰可以通过电源线、信号线、互联线等导线以及屏蔽体等导体传播。为解决矿用阻燃电缆与接线盒内接地端子连接时对外接口的传导干扰, 可采用将导线分别沿电源插座同相缠绕的方法予以消除。同时针对传导性耦合, 还可采用在传输电缆上安装滤波器以减少传导干扰。滤波器的引线应以双绞线为宜, 并尽可能短, 滤波器输入线、输出线须保持一定距离以消除部分高频干扰。如图1所示, 在舱内的电源入口处, 可安装接地良好的低通电源滤波器以降低供电网系与舱内设备之间的传导干扰, 若条件允许, 舱内的设备机柜、控制台等都应通过UPS供电并使之与电源、空调、照明等用电设备分离。
3.3救生舱舱体屏蔽
在救生舱舱体结构设计时, 既要满足舱体的抗高温、抗冲击的刚度要求, 也必须保证舱体接地良好, 满足屏蔽效能指标。在方舱设计结构上应尽可能减少接缝, 除了采用厚钢板这样的导磁率高的材料, 针对高频时产生的涡流, 也可采用具有较高导电、导磁特性的铝合金材料作为屏蔽材料, 并尽可能将各壁板设计成整张板, 既提高了屏蔽性能, 又提高了救生舱的密封性能。同时救生舱舱体应尽量减少开孔数量和减小开孔面积, 对具有通风风扇的救生舱来说, 如有条件可采用安装通风波导窗或增加金属屏蔽网屏蔽。对于舱体上开设的电源孔口或信号孔口, 孔口之间的距离应尽可能保持最大。
4结语
由于我国矿用救生舱研究起步较晚, 对舱内电磁兼容设计缺乏足够重视, 也缺乏相应的国家标准。随着矿用救生舱数字化、集成化、智能化的不断推进, 舱内电子电气设备将越来越多, 电磁环境也会越来越恶劣。未来救生舱系统设计在方案论证、试验定型和建造阶段都必须统筹考虑电磁兼容问题, 在确保设计的性价比基础上, 正确使用屏蔽、滤波等技术手段, 以提高电磁兼容能力。
参考文献
[1]张豫南, 谢永成.矿用安全救生舱电子与电气系统[M].北京:国防工业出版社, 2003.
[2]钟道隆.通信系统中电磁干扰与屏蔽接地[M].北京:国防工业出版社, 1997.
[3]王庆斌.电磁干扰与电磁兼容技术[M].北京:机械工业出版社, 1999.
[4]白同云, 吕晓德.电磁兼容设计[M].北京:北京邮电大学出版社, 2001.
[5]孙继平, 潘涛, 等.煤矿井下电磁兼容探讨[J].煤炭学报, 2006 (3) .
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