救生舱空气幕对二氧化碳的阻隔性能研究*

2014-02-23张丽荣金龙哲张俊燕

安全 2014年4期

张丽荣金龙哲张俊燕栗婧

北京科技大学

救生舱内空气阻隔系统是构成救生舱整个环控生保系统的重要组成部分，是保证舱内气体环境实现救援功能的大前提[1-2]。在救生舱门口设置空气幕，可以有效阻隔巷道环境内有害气体向舱内扩散。

救生舱在发生事故后，面临的主要有害气体为CO、CO2和CH4[3-5]。由于矿井中的空气逸入成分中CO2相对较多，无毒副作用且气源易获得，所以实验选定CO2为目标气体。在实验室环境下，研究不同规格的空气幕管、以及舱外环境中CO2浓度对空气幕管阻隔性能的影响。

1 实验准备

1.1 实验条件

实验环境为北京科技大学矿山模拟救援实验室，试验在矿用密闭救生试验舱内进行，舱体为双层气密门结构。舱内设有空气幕系统，环境监测系统等。其他实验设备有空压机、U型压差计、充气管、功率为30W的舱内扰动风机和CO2气体供应装置。实验用空气幕采用10mm×10mm方管，长为1550mm，分上下两段，中间用三通连接，采用中间进气方式。本实验根据以往试验采用风速和气流参数较好的4种规格气幕管，其开孔孔径-开孔间距分别为：0.5-20mm、0.5-40mm、0.8-20mm和0.8-40mm。

实验环境情况如图1所示，图1中左边较小空间用来模拟舱内部环境，右边较大空间模拟救生舱外大环境，救生试验舱的二道门处安装空气幕设定隔离带，空气幕吹气方式采用侧吹式。

1.2 实验方法

为保证实验数据的准确性，首先检查舱体气密性。在此基础上，进行基础对比实验。之后进行空气幕阻隔CO2性能实验。具体方法如下：

（1）救生试验舱气密性实验。

实验参照军用方舱的气密标准[6]。具体方法为：在舱体合适位置安装U型压差计和充气管，关闭试验舱所有的门窗孔口；启动空压机向舱内注入空气，当试验舱内外压差达到1000Pa时停止空气机，保持舱内正压时间不少于1min，关闭进气阀门。记录数据。试验重复进行3次，计算每分钟的空气泄漏量。

（2）基础对比实验。

在试验舱气密性良好的前提下，进行基础对比实验。首先不开启空气幕，关闭二道门，向大环境通CO2，保持CO2浓度值为0.5%左右，稳定后开启二道门，记录二道门两侧CO2浓度差。之后开启空气幕，气幕规格为孔间距为0.5-20mm，气幕气源压力为0.4MPa，重复以上实验步骤，测定开启空气幕时的试验数据。

（3）空气幕阻隔二氧化碳性能实验。

本次实验选取的CO2浓度分别为：1.5%和3%。

将0.5-20mm的气幕管安装于试验舱门口，关闭二道门，检查空气管路是否漏气，并调节气路使空气幕运行顺畅。向大环境中充CO2气体，开动舱内风机，扰动舱内气体，使大环境CO2浓度维持在1.5%左右。开启空气幕，待空气幕气流稳定后，打开试验舱二道门，测定空气幕两侧CO2浓度变化。采取同样的步骤，分别测定CO2浓度为1.5%和3%时空气幕阻隔数据。更换气幕管，重复以上试验。

（4）环境气体浓度对阻隔性能影响实验。

选定0.5-40mm、0.8-40mm两根气幕管，选用CO2浓度为0.5%、0.8%、1.5%、2%和3%，分析选定的气幕管在上述浓度下的渗透率。

1.3 空气幕阻隔效率计算方法

为了便于比较分析，参考冷库大门空气幕冷风渗透率[7，8]，引入有毒有害气体渗透率。若外界环境中CO2气体的浓度为C0，CO2穿过空气幕后，导致舱内的浓度为c，则其渗透率可定义为：。渗透率Φ值较大时表示该情况下穿过空气幕的CO2较多，空气幕阻隔效果差。反之则阻隔效果好[9]。

2 实验结果及分析

2.1 气密性实验

图2中三条曲线为针对同一救生舱进行的三次实验，分别在1000Pa、800Pa和500Pa三个点附近取值，时间段Dt统一取5min。三个压差值的泄露量计算结果，见下表。

表试验舱内气体平均泄漏量计算表

当舱内压力高于舱外1000Pa时，计算舱内气体泄漏速率为0.0018m3/min，远远小于国家军用标准中密闭方舱的最大空气泄漏量0.05m3/min，结果表明该试验舱气密性良好。

2.2 基础对比实验

图3 开启空气幕对比实验曲线

由图3-a和图3-b，可知开启空气幕可以减缓舱内CO2浓度上升速度，而且2min后达到平衡时，在空气幕的两侧可以维持较高的浓度差。图3-a空气幕未开启时达到平衡后，舱内外的浓度值相差约0.05%；当开启空气幕时，图3-b平衡后，舱内外CO2浓度差值约为0.3%。由此可知，该空气阻隔装置可阻隔约60%CO2。

2.3 不同气幕管阻隔性能实验比较

（1）不同CO2浓度下4种气幕管阻隔效果对比。

1.5%CO2浓度下4种气幕管阻隔效果。图4-a-b表明在舱外环境中CO2浓度为1.5%时，四根气幕管对CO2具有明显的阻隔效果，阻隔率约为65%～70%。在舱外CO2浓度都为1.5%左右时，2min左右达到平衡后，其中0.5-20mm气幕管阻隔效果最好，舱内CO2浓度值约为0.3%；其次为0.5-40mm气幕管（约为0.4%）；再次为0.8-20mm气幕管（约为0.5%）；最次为0.8-40mm气幕管（约为0.6%）。

3%CO2浓度下4种气幕管阻隔效果。图5-a-b表明在舱外环境中CO2浓度为3%时，四根气幕管对CO2具有明显的阻隔效果，阻隔率约为60%～70%。2min左右达到平衡后，其中0.5-20mm气幕管阻隔效果最好（约为0.4%）；其次为0.5-40mm气幕管（约为0.5%）；再次为0.8-20mm气幕管（约为0.6%）；最次为0.8-40mm气幕管（约为0.9%）。

（2）4种气幕管阻隔效率比较。

图4-a CO2 1.5%时渗透率对比

图4-b CO2 3%时渗透率对比

图4-a中四根管的总体渗透率相接近，大约为35%，但具体的渗透率又有差异，并呈现一定的规律性。从图4-a和图4-b中曲线中可知，阻隔性能最差的为0.8-40mm的管，平衡后舱内浓度为舱外浓度的40%左右；其次为0.8-20mm的气幕管（约为35%），较好的为0.5-20mm和0.5-40mm两根管（约为30%），且0.5-20mm气幕管效果更优。

综合比较图4，5可知，选用开孔直径为0.5mm气幕管效果较好，开孔间距选20mm效果更优。

图5-a 0.5-40mm气幕管对不同浓度CO2阻隔效果

图5-b 0.8-40mm气幕管对不同浓度CO2阻隔效果

2.4 环境气体浓度对阻隔性能影响

由图5-a和图5-b可知，同一气幕管对不同外界CO2气体浓度的阻隔规律基本相同。试验舱开门的前2min，由于舱内外浓度差较大，扩散过程不稳定，2min后趋于平衡。两图中当环境CO2浓度较高时如2%和3%时，其渗透率较大，最高达到了约40%。但当CO2浓度降低时，渗透率也明显降低，如CO2浓度为0.5%和0.8%时，两根管的渗透率都处于30%左右。

由上述图中可知，环境中CO2浓度对气幕管的阻隔性能有较明显的影响。其规律为对于同一个气幕管，当CO2浓度升高时其渗透率增大，阻隔效率呈下降趋势。