救生舱空气幕一氧化碳阻隔性能研究

救生舱空气幕一氧化碳阻隔性能研究
汪澍;金龙哲;栗婧;贺超;汪声;刘述慈
【摘要】介绍选取一氧化碳为目标气体,研究了空气幕开孔直径、开孔间距及救生舱外界环境一氧化碳浓度3个因素对空气幕阻隔性能的影响.实验结果表明,在救生舱舱门口处设置空气幕系统对阻隔舱外部环境一氧化碳具有明显的效果,阻隔率可达65％～70％.
【期刊名称】《建井技术》
【年(卷),期】2011(032)002
【总页数】4页(P55-57,92)
【关键词】救生舱;空气幕;一氧化碳
【作者】汪澍;金龙哲;栗婧;贺超;汪声;刘述慈
【作者单位】北京科技大学金属矿山高教开采与安全教育部重点实验室,北
京,100083;北京科技大学金属矿山高教开采与安全教育部重点实验室,北京,100083;北京科技大学金属矿山高教开采与安全教育部重点实验室,北京,100083;天地科技建井研究院,北京,100013;煤矿深井建设技术国家工程实验室,北京,100013;北京科技大学金属矿山高教开采与安全教育部重点实验室,北京,100083;北京科技大学金属矿山高教开采与安全教育部重点实验室,北京,100083
【正文语种】中文
【中图分类】TD711+41
空气幕是由空气处理设备、通风机、风管系统及空气分布器组合而成的一种产品，俗称风幕机或风幕。

统一称为空气幕。

根据空气幕应用范围,可将空气幕分为工业射流空气幕、大门空气幕、矿用空气幕和地铁空气幕4种类型。

根据空气幕的使用性能，可分为热空气幕、冷空气幕和防烟空气幕3种类型。

其中常见的为大门空气幕、地铁防烟空气幕和矿用空气幕[1-4]。

矿用救生舱及其避难硐室设置于矿井巷道内，在矿井事故发生后, 为井下工作人员提供临时避难空间。

在瓦斯爆炸、火灾等大型矿井事故发生后，井下工作人员佩戴自救器到达救生舱放置点，在打开舱门进入救生舱的过程中，巷道内的有毒有害气体会随着避难人员进入救生舱。

通过救生舱空气阻隔技术的研究，可了解有毒有害气体随避难人员进入救生舱的情况，并通过设置空气幕等方式，阻隔巷道环境内有害气体向舱内扩散，将扩散到舱内的有害气体控制在一定的范围内，从而保证避难人员的生命安全[5-9]。

本文选取一氧化碳为目标气体，研究了空气幕开孔直径、开孔间距及外环境一氧化碳浓度3个因素对空气幕阻隔性能的影响。

实验结果表明，在救生舱舱门处设置空气幕系统对阻隔舱外环境一氧化碳扩散到舱内具有明显的效果，阻隔率可达65%～70%。

1 实验准备
1.1 实验条件
实验在北京科技大学模拟救援实验室矿用密闭空间模拟舱内进行。

试验用救生舱如图1所示，舱体为双层钣金结构，内设高效隔温材料，能够有效阻隔舱外热量传递以及有毒有害气体侵入。

舱体为双层门结构，内部空间体积约为8.6m3。

图1 矿用密闭救生试验舱
实验时采用KJ70型煤矿安全生产监控系统监测舱内外各环境参数浓度变化情况，
该系统具有实时、历史数据及曲线生成功能。

前端监测设备包括氧气、一氧化碳、二氧化碳、温度、甲烷、硫化氢传感器及风速仪。

实验用空气幕采用10mm×10mm方管，每根气幕方管长为1 550mm，每根气
幕方管分上下两段，中间用三通连接，采用中间进气方式，如图2所示。

研究表明，空气幕的阻隔性能与其风速值和风流均匀性有较大的关系，不同的气幕管阻隔效果具有较大差异，合理地设置气幕管开孔直径和开孔间距，有利于在有限的气体供应条件下发挥更好的阻隔效果。

图2 空气幕
根据气幕管开孔孔径和开孔间距的不同，本实验采用的气幕管分为4种规格，见
表1。

表1 气幕管规格编号孔径/mm孔间距/mm10.52020.54030.82040.840
1.2 实验方法
为保证实验数据的准确性，首先对舱体本身做气密实验，测试救生舱本身的密封情况。

在此基础上，进行不同规格气幕管、不同一氧化碳浓度条件下气幕管对一氧化碳气体的阻隔性能实验。

具体实验方法如下：
(1)救生舱气密性实验。

气密性实验的目的是检验救生舱舱体与外界气体环境相隔
绝的性能，实验参照军用方舱的气密标准。

具体方法为：在舱体合适位置安装测压管和充气管，关闭救生舱所有的门窗孔口；启动空压机将舱内注入空气，使舱内压力升高，救生舱内外压差达到1 000Pa时停止运行空气压缩机，舱内保持正压时
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)空气幕阻隔一氧化碳性能实验。

本实验选取的一氧化碳浓度分别为：10×10-6，15×10-6，20×10-6和30×10-6。

实验采用救生舱的生存舱模拟外部大环境，过渡舱模拟内环境，在二道门处设置空气幕，空气幕吹气方式采用侧吹式。

具体实验
方法分为5种：
第1种，安装开孔直径为0.5mm，孔间距为20mm的气幕管关闭二道门，检查
空气管路是否漏气，并调节气路使空气幕运行顺畅；
第2种，在生存舱大环境内充一氧化碳气体，开动舱内通风机，扰动舱内气体环境，直至大环境内一氧化碳浓度为10×10-6；
第3种，开启空气幕，待空气幕气流稳定后，迅速打开救生舱二道门，测定空气
幕两侧一氧化碳浓度变化情况；若实验过程中，大环境一氧化碳浓度降低，应适当开启一氧化碳气瓶阀门，维持大环境内一氧化碳浓度基本保持不变；
第4种，重复上述步骤，分别测定一氧化碳浓度为15×10-6，20×10-6和
30×10-6时空气幕的阻隔效果；
第5种，更换空气幕管路，重复以上实验。

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的概念[10-11]，本文引入有
毒有害气体渗透率来评价空气幕的阻隔效果。

若外界环境中目标气体的浓度为c0，目标气体穿过空气幕后，导致舱内的浓度为c，则其渗透率φ可定义为
×100%
(1)
通过φ值的大小可评判空气幕的阻隔效果优劣。

渗透率较大时，表示穿过空气幕
的目标气体较多，空气幕阻隔效果差；渗透率较小时，表示目标气体穿过空气幕较少，阻隔效果好。

2 空气幕阻隔一氧化碳性能实验
2.1 救生舱气密性实验
图3表明救生舱舱体难以达到完全的气密，且在不同的压差条件下泄漏量也不同。

取1 200，800和500Pa 3个点，计算这3个压差附近5min时间段内的泄漏量，
计算结果见表2。

图3 舱内正压情况下舱内压力与时间的关系
表2 救生舱泄漏量
压差/Pa时间Δt/min泄漏量/m3·min-11 20050.001 980050.001 350050.000 6
计算结果表明，救生舱内正压1 200Pa时，救生舱舱体每分钟的泄漏量为0.001 9 m3/min，达到了国家军事标准[12]关于有3防(防核污染、防生化武器、防化学武器)要求密闭方舱的气密标准，表明救生舱密封性能良好。

2.2 空气幕阻隔一氧化碳性能实验
(1)不同空气幕阻隔一氧化碳性能实验。

一氧化碳浓度为20×10-6时，测定不同空气幕两侧的一氧化碳浓度，计算得到一氧化碳的渗透率曲线如图4所示。

实验结果表明，不同气幕管对一氧化碳的阻隔效果基本相近，其中，0.5～20mm和0.8～20mm两种规格的空气幕管阻隔效果略好，在1min时间内空气幕两侧一氧化碳浓度基本稳定，稳定后一氧化碳的渗透率为35%左右，即救生舱空气幕可阻隔65%的一氧化碳。

图4 一氧化碳浓度为20×10-6时的不同气幕管的阻隔性能
(2)一氧化碳气体浓度对空气幕阻隔性能的影响实验。

选取0.5～40mm和0.8～40mm两种规格的空气幕管，测定其对不同浓度的一氧化碳气体的阻隔效果。

一氧化碳渗透率曲线如图5、图6所示。

实验表明，随着大环境一氧化碳浓度的增大，一氧化碳渗透率相应增大，即空气幕的阻隔效果变差。

一氧化碳浓度较低时，开孔直径为0.5mm的气幕管的阻隔效果优于开孔直径0.8mm气幕管，稳定后一氧化碳渗透率约为30%，即开孔直径为0.5mm、开孔间距为40mm的气幕管的一氧化碳阻隔率为70%。

图5 0.8～40mm气幕管对不同浓度CO气体的阻隔性能
图6 0.5～40mm气幕管对不同浓度CO气体的阻隔性能
3 结论
(1)救生舱空气幕对阻隔外界一氧化碳向舱内扩散有明显的效果，在1min时间内空气幕对一氧化碳的阻隔效果基本稳定，阻隔率可达65%～70%。

(2)气幕管的阻隔性能与开孔直径和开孔间距均有关系，实验表明，救生舱选取开孔直径0.5mm的气幕管对一氧化碳的阻隔效果优于开孔直经0.8mm气幕管，选取开孔间距为20mm的气幕管对一氧化碳的阻隔效果优于开孔直经40mm气幕管。

(3)对于同一气幕管，外界环境的变化会影响其阻隔性能。

随着外界环境一氧化碳浓度的增加，救生舱空气幕对一氧化碳的阻隔效果呈下降趋势。

因此，当外界环境有毒有害气体浓度较大时，单纯使用空气幕管可能无法达到满意的阻隔效果，若使舱内一直保持正压状态，可增强对外界有毒有害气体的阻隔效果。

[参考文献]
[1]Foster A M，Swain M J，Barrett R，etc.Effectiveness and Optimum jet velocity for a plane jet air curtain used to restrict cold room
infiltration[J].International Journal of Refrigeration，2006，29(5)：692-699.
[2]Downing C C，Meffert W A．Effectiveness of cold-storage door infiltration protective devices[J].Ashrae Transactions，1993，99(2)：356-366.
[3]王海宁.矿用空气幕理论及其应用研究[D].长沙：中南大学，2005.
[4]徐竹云.矿山空气幕作用原理及应用研究[D].沈阳：东北工学院，1984.
[5]Michael A.Parametric Design of a Coal Mine Refuge Chamber[D].West Virginia: the College of Engineering and Mineral
Resources at West Virginia Unversity，2007.
[6]高广伟，张禄华.煤矿井下移动救生舱的设计思路[J].中国安全生产科学技术，2009，5(4)：162-164.
[7]汪声，金龙哲，栗婧.国外矿用应急救生舱技术现状[J].中国安全生产科学技术，2010，6(4)：119-123.
[8]栗婧.矿用救生舱监控系统的研究及模型建立[D].北京：北京科技大学，2010.
[9]汪声.矿用救生舱环境控制与生命保障技术研究[D].北京：北京科技大学，2010.
[10]蔡颖玲.大门空气幕计算方法的比较分析[J].郑州纺织工学院学报，1997，8(2)：25-28
[11]秦红.空气幕常用设计计算方法应用与改进[J].暖通空调，2002， 32(5)：116-118.
[12]GJB2093-94，军用方舱通用实验方法[S].。