低氧文物实验舱的环境控制方法研究

车守全，卢剑锋，杨肖委，李宜汀

（贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳 550025）

1 引言

据统计，中国每年的文物发掘工作有1000 多项，在以往国内的发掘过程中，如明代定陵墓、马王堆汉代古墓的考古过程中都发生了文物出土后得不到及时保护，大量珍贵文物损毁的情况，这也是国内不再允许发掘帝王陵墓的重要原因。低氧富氮环境是一个适合文物存储的物理模型[1-3]。denkmal 2016 欧洲国际文物保护、修复和改造博览会上展示了德国在用于文物保护方面的低氧恒温湿度设备设计方案，国内也已经出现小型充氮文物保护柜，但是大型文物现场实验舱技术仍然有待解决。文章介绍了低氧文物实验舱系统结构及其控制系统，通过计算仿真，找到适合考古现场应用的低氧环境搭建的方法，并仿真和实验了其低氧环境控制过程，实现舱内环境氧气浓度（21～1）%可调。

2 低氧文物实验舱的整体结构

文物实验舱整体结果，如图1 所示。制氮装置分离氮气存储到储氮罐中，调节阀控制管道内气体流量，氮气通过控制阀进入到舱体。真空泵抽出舱内混合气体，使舱内氧气质量减少，同时舱内压力减少到一定真空度与储氮罐形成较大压差，能够提高氮气进气速度。

图1 文物舱系统结构简图Fig.1 The Structure of the System

舱体设计允许最大真空度为40kPa，舱体体积10m3，真空泵一台，功率7.5kW，制氮机功率11kW。舱内可通过新风口与外界连通，氧气装置保证在紧急情况下舱内人员的生存环境需要。

3 两种富氮低氧环境控制方式的比较

在实验舱内，设其氧气的体积浓度为n，忽略其他气体的影响，认为混合气体中只含有氧气和氮气，则可以容易得到舱内氮气质量mO2和氧气质量mN2的比值为：

舱内气体满足完全气体状态方程：PV=mhRhT，mh—舱内混合气体质量；Rh—混合气体的气体常数。

3.1 抽气-充入氮气方式

在这种方法中，真空泵讲舱内的压力抽至某一真空度（实验和计算数值为26.4kPa，即式（2）中Pe=74.6kPa），然后打开进气电动阀，向舱内充入氮气，直到舱内压力表压为26.4kPa，即式（3）中Pi=127.4kPa。真空泵第二次抽气，按照上述方式依次循环。在抽气过程中满足下列方程式：

其中，λ0=mN2/mO2，通过此式可计算出在体积浓度为n0时，真空泵抽气完成舱内剩余的氧气质量mO2。

充气过程满足下列方程式：

式中：λ1、n1—充气完成后的氮气、氧气质量比和氧气体积浓度；Δm—充入氮气质量。

通过计算得出充气过程舱内压力达到Pi时氧气体积浓度以及需要充入的氮气质量，两者的值与抽气-充气过程次数的关系，如图2、图3 所示。抽气-充气过程到第6 次时，此时的氧气体积浓度为0.72%，小于设计要求的1%，充入氮气质量总共为36.56kg。

图2 次数与氧气浓度关系图Fig.2 The Relation Between Time and Concentration

图3 次数与充入氮气质量对应图Fig.3 The Relation Between Time and Quality

3.2 充气-排气方式

在这种方法中，给舱内充入氮气的同时，经过补风装置将舱内混合气体排除，经过计算认为可以忽略混合气体浓度变化带来的气体常数R 的变化，则当进气质量流量和排气质量流量相等时，舱内压力保持不变。

在充气-排气过程中满足下列微分方程：

式中：Vm—工况下的气体摩尔体积；n—氧气体积浓度；V—舱体充气体积。

可由式（4）得到氧气体积浓度和充入氮气质量的关系，如图4 所示。

图4 氧气浓度-充入氮气质量关系图Fig.4 The Relation Between Concentration and Quality

应该注明的是，考虑的环境搭建过程是初始氧气浓度为21%时的情况，但是在初始条件为其他浓度时（舱内浓度通常等于或小于21%），依旧满足上述得出的曲线。从两种方法对比中可以得出以下结论：两种方法都能有效使舱内氧气浓度降到目标值，在从（21～3）%过程中，两种方法的质量-浓度变化曲线基本一致。最终的结果显示，抽气-充入氮气方式所需氮气质量更少，但是这种方法中抽气过程消耗时间更长，速度较慢。

4 基于一维定常等熵可压缩流体流动原理的等截面管道流动过程

由于储氮罐与舱体之间连接管道长度比较短，流动过程中管道内外无明显热交换，故认为此过程为无流动摩擦的等熵绝热过程[4-6]。对于一维定常等熵流动有以下基本方程：

式中：v—运动过程速度；p—压力；ρ—气体密度；h—焓值。联立上述方程，带入等熵关系式可以得到能量方程：

式中：k—过程多变系数。

在流动过程中，气体在储氮罐内的状态设为滞止状态，此时流动速度为0。在管道流动中的临界状态为：气体的流速达到当地音速，其临界气体压力为p*，速度为v*。对于气体从滞止状态到临界状态，通过质量流量方程以及在临界状态时质量流量G达到最大，此时有可以推导得出临界速度公式：

以及临界压力公式：

由相关理论可以知道，当P1/P0>ε*时，气体在等截面管道中的运动发生壅塞，引起的扰动会在气流中产生一道激波，激波位置为亚声速流动，在出口截面上的流动达到临界状态。故在等截面管道流动中，临界速度为气体在管道内流动的最大速度[7]。出口处的流体速度满足下列表达式：

5 系统流体过程

按照以上计算后设计得出：储氮罐的体积为6.28m3。最大绝对压力为0.7MPa，温度20℃，则储氮罐内氮气质量为50.68kg。

从上面介绍的两种富氮低氧环境搭建方式可以得出，抽气-充气方式相对于充气-排气方式需要的氮气质量更少。从第三节的讨论中可以得出，影响环境搭建的因素有：充气质量流量、真空泵的抽气速度。影响充气流体速度的因素是文物舱和储氮罐的压力差。对比两种方式流体过程中氧气浓度变化曲线可以看到，在氧气浓度从21%下降到3%左右的氧气浓度—充氮气质量曲线基本相同，所以在此阶段影响系统富氮低氧环境模型搭建较重要的因素是充气时间，考虑到真空泵的抽气速度和方便性欠佳采用充气-排气方式，而在之后阶段除了考虑充气时间，所需氮气质量也应该考虑到其中。设计的低氧富氮搭建过程为：先采用充气-排气方式，直到储氮罐与文物舱的压力比此时流体速度为临界速度。之后采用抽气-充气方式进行浓度降低过程。由于考虑到过程中安全性、舱体结构稳定性、在充气-排气阶段舱内压力维持不变以及排气过程中舱内外压力差小，流体速度低等因素，适当设计进气流量[8-11]。进气管道外径50mm，管道加装的电动控制阀调节进气过程中阀门的开度，保持氮气进气的质量流量为0.0552kg/s。排气端管道外径为90mm。

第一阶段：舱内初始压力为：101.3kPa，将舱内压力加压到127.4kPa，进气质量为0.27kg。进气时间为5s。终态氧气浓度为20.5%。

第二阶段：充气-排气阶段。舱内压力维持在127.4kPa，由计算式得到储氮罐内压力降到239.3kPa，氮气进气质量为33.01kg。进气时间为593s，最终氧气浓度为1.53%。

第三阶段：抽气-充气阶段，将舱内压力抽至26.4kPa 真空度，再向舱内充入氮气直到舱内压力127.4kPa。抽气时间为125s，此时舱内氧气浓度不变，压力降低。充气阶段充气质量为6.09kg，终态时氧气浓度为0.89%，充气时间为110s。

第四阶段：打开新风口将舱内压力降低至大气压强。调节时间为119s。此阶段氧气浓度不变。

综上，总的调节时间为16min，充入的氮气质量为39.09kg。整个系统的氧气浓度—时间的对应变化，如图5 所示。舱内压力与时间变化的对应曲线，如图6 所示。

图5 氧气浓度—时间对应图Fig.5 The Relation Between Time and Concentration

图6 舱内压力—时间变化图Fig.6 The Relation Between Time and Pressure

6 实验及分析

实验舱内的氧气浓度传感器和压力传感器作为舱内环境监控终端，传感器的模拟信号经过信号线、舱体底部密封的航插连接器接入到舱外PLC，PLC 采集舱内氧气浓度和压力传感器数据并显示并存储在触摸屏上，采集周期为1s。得到真实过程的氧气浓度和压力变化结果。实验舱体，如图7 所示。舱内环境监测，如图8 所示。文章中使用的氧气传感器为OLDHAMGAS OLC20 O2型，压力传感器为横河EJA310A 型，如图9 所示。

图7 实验舱体图Fig.7 The Cabin Use for Experiment

图8 舱外监测屏幕图Fig.8 Monitor Screen Outside the Cabin

图9 氧气传感器和压力传感器图Fig.9 Gas Detector and Pressure Sensor

从实验结论可以看出，终态时，舱内氧气浓度为1.0%。氧气浓度变化趋势与理论设计一致，相比理论计算，达到终态1%时，加入的氮气质量和用时更多，但各个采集时间点与理论计算的浓度误差在设计误差范围内。进气压力与理论压力的变化曲线趋势基本吻合，但是由于所处实验环境为高原地带，理论计算的大气压值与实验真实值有一定差别，并且在100s 的测量时间内由于长时间的误差积累，出现了压力波动，但是实验结果表明过程控制满足设计需要。氧气浓度、压力实验数据，如表1、表2 所示。

表1 氧气浓度实验数据Tab.1 Experiment Date of Oxygen Concentration

表2 压力实验数据Tab.2 Experiment Date of Pressure

7 结论

对比两种进气方式的特点，综合舱体设计和控制过程得出了文物舱低氧环境搭建和控制的方法。根据实验结果和仿真过程的对比，系统设计过程的浓度变化和压力变化和实际变化曲线基本吻合，结果在设计误差范围内，并且过程适用于其他起始氧气浓度，具有普遍适用性。控制过程保证舱内氧气浓度可调，精度可靠，操作简便，整套设备在考古现场具有可行的操作性和实用性。