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空气净化制冷系统计算书
硐室空气净化系统配置理论计算
由于避险人员在密闭的避难硐室中长时间进行呼吸所产生的CO2及避险人员由避难硐室外带入的CO气体等,导致硐室内生存条件恶化,必须对这些气体进行处理。
按国家有关规定要求,处理二氧化碳的能力不低于0.5升/分钟·人,处理一氧化碳的能力应能保证在20分钟内将一氧化碳浓度由0.04%降到0.0024%以下。
空气净化方式:
对CO2及CO气体的处理主要采用药剂吸附、催化的方式,
空气净化能力指标:
-对CO2的吸收(排除)能力不低于每人0.5L/min;
-对CO的吸收(排除)能力不低于400ppm/20min;
-96小时内避难硐室内CO2<1.0%;
-96小时内避难硐室内CO<24ppm;
一、CO2净化计算
(1)CO2吸收的换气量计算
不管硐室空间有多大,假设硐室内人数为N,每分钟每人产生的CO2为0.5L,空气净化机的换风量为Qm3/h.
当空气净化机开始工作后,起始的CO2浓度为零,随着CO2的不断进入,CO2浓度随之涨高;同时进入进入空气净化机的空气中CO2含量也不断增高,CO2被吸附的速度也越来越快(由于CO2被吸收剂吸收的相当完全,基本所有经过吸收剂CO2全部被吸附),当净化机对CO2的吸收速度达到0.5NL/min时,进入硐室和被吸附的CO2达到平衡,硐室内CO2浓度P%不再升高,这时,只要该平衡的浓度P%不超过1%,就符合要求。
据此,得出以下公式:
N*0.5=1000*Q*P%/60
P%<1%
则得出净化机的最小风量为:
Q>3Nm3/h
也就是说净化机换风量大小只和硐室内的人数有关,只要换风量数值超过硐室人数的3倍就可以满足要求理论计算要求。
我们选用的空气净化机,平均一台在去除CO2时时的最大风量可以达到400m3/h,可以满足最多100人的净化CO2的需要。
(但同时,实际测试中,CO2的净化能力又确实和需要净化的空间相关,那是因为净化机在净化时,吹出的干净空气的距离是有限制的,这也就导致
了实际上空气净化机会在一定的空间内形成一个空气循环。
超出这个范围,净化的效果就非常不明显了。
实测我们的净化机,在空气净化时,最远覆盖的距离为12米左右(取决于吸收剂
类型和堆积高度),这时以硐室宽度5m,高度平均3m,安全系数1.2倍计算,CO2
净化的覆盖空间确定为150m3.)
(2)CO2吸收剂数量计算
去除方法:
CO2处理采用碱石灰吸附,具体吸收方法为通过空气净化机的空气循环,使含有CO2的空气经过碱石灰吸附剂,通过温和的化学反应将CO2吸附,从而达到去除CO2的目的。
设计标准:
按照每人每小时呼出30LCO2计算,其密度为1.977g/L。
防护时间为96小时。
用量计算:
每人96小时呼出CO2数量为:
30×96=2880(L)=5.7(kg);
使用的CO2吸收药剂对CO2的收率为35%。
每人96小时需配备的CO2吸收药剂为:
5.7/35%=16.3(kg)
考虑到备用系数1.2倍,每人需配备CO2吸收药剂为:
16.3x1.2=20(kg)
硐室人数
(人)
碱石灰型CO2吸收剂
(kg)
40
400
50
1000
60
1200
80
1600
100
2000
表1硐室人数与CO2吸收剂数量对照表
二、CO净化计算
(1)CO净化换方法说明
在密闭空间的人员会产生微量CO,累计一定时间后,会达到一定的浓度;另外,从硐室外部进入到内部的人员也可能带入一部分CO气体。
为避免CO气体对人员的伤害,需要对硐室内部的CO气体进行清除。
具体吸收方法为通过空气净化机的空气循环,使含有CO的空气经过贵金属催化剂,将CO催化成CO2,在进一步利用CO2吸收剂将CO2吸附,从而达到去除CO的目的。
在计算净化机风量时。
需要首先确定CO催化剂的类型和堆积厚度。
本计算适用条件为:
使用上海岚晟公司生产的硐室用CO贵金属催化剂,配合中科院上海高等研究院生产的ZKJH-1-0014LF型空气净化机,催化剂堆积高度为2.5cm。
(2)CO吸收剂数量计算
去除方法:
CO处理采用贵金属吸收,具体吸收方法为通过空气净化机的空气循环,使含有CO的空气经过贵金属催化剂,将CO催化成CO2,在进一步利用CO2吸收剂将CO2吸附,从而达到去除CO的目的。
设计标准:
对CO的去除能力不低于在20分钟内将CO含量从400ppm降至24ppm以下。
用量计算:
CO催化剂用量的与催化剂本身的性能、风机的风量、空间内循环状况密切相关,对于催化剂本身的性能,主要是指定空速下的转化率,即在某指定空速下,催化剂对CO的催化转化能力,应该基于此计算催化剂的用量。
假定如下参数:
V,硐室空间,单位m3;
m,催化剂质量,单位kg;
ρ,催化剂表观密度,单位kg/m3;
Vcat,催化剂体积,单位m3,Vcat=m/ρ;
Q,风机风量,单位m3/h;
Sv,空速,单位h-1;
Cr,单次转化率,是指一定浓度CO气体穿过催化剂床层后,被转化掉的CO所占的比例;
Cn,CO气体浓度,单位ppm,下标n=0,1,2,…n。
从空速定义可知,有如下公式:
指定催化剂用量的情况下,风机风量Q越大,空速越大。
对于催化剂的处理能力而言,空速越大,单位时间要处理的气体量就越大。
假定某一空速下,催化剂对气体的转化率是Cr,要脱除V空间内的CO气体,气体初始浓度400ppm,目标浓度24ppm。
时间间隔设定为分钟,有如下计算过程:
时间t=0min时,舱内初始浓度为C0=400ppm;
时间t=1min时,舱内CO浓度为C1:
时间t=2min时,舱内CO浓度为C2:
以此类推,时间=n分钟时,舱内CO浓度为Cn:
若n分钟时,Cn<24ppm,则说明CO从400ppm降到24ppm的时间是n分钟,如果n小于20分钟,则满足要求。
Cr的数值取决于催化剂的性能指标,不同空速下,Cr值不同。
选用上海岚晟贵金属催化剂的空速比见下表:
空速h-1
转化率
20000
100%
30000
99%
40000
96%
50000
93%
60000
91%
70000
89%
80000
85%
表2催化剂不同空速下对CO的催化转化率
我们选用的空气净化机,平均一台在去除CO时时的最大风量可以达到800m3/h,按照以上计算公式和空速比表格,结合CO催化的实测结果,硐室生存室体积及布置的空气净化机最大换气量,可计算得出下表:
硐室人数
(人)
硐室生存室
参考体积
(m3)
理论计算需要
最小换气量
(m3/h)
实际配备空气净化机
最大换气量
(m3/h)
贵金属型
CO催化剂
(kg)
40
120
945
1600
10
50
150
1180
1600
14
60
180
1417
1600
16
80
240
1889
2400
20
100
300
2362
3200
24
表3硐室人数与CO催化剂数量对照表
注:
以上硐室生存室实际体积计算按照如下方式计算,仅供参考:
1.
1.5m
3.5m
生存室面积按照人均1.2m2计算(备用系数1.2)。
2.
硐室宽度4m,拱高3.5m,起拱线1.5m。
4m
4m
三、空气净化机耗气量计算
使用方法:
本设计采用空气净化机用气动马达驱动,动力为压缩空气。
在硐室内分为两种用法。
空气净化制冷一体机与蓄冰空调的蓄冰箱相连,在空气净化的同时,将蓄冰箱内的储存的冷量定量输送到硐室内部。
-在CO2时,只有空气净化制冷一体机工作,使用0.15Mpa气源压力,节省耗气量;
-另外硐室内配备单一空气净化机,只在去除CO或其他需要快速换气的情况下使用;
-在去除CO时,需要空气循环量达到最大值,提高去除速度,此时,将硐室内空气净化制冷一体和单一空气净化机全部开启,使用0.5Mpa气源压力,使换气量达到峰值,实现快速去除CO的目的。
净化机技术指标:
空气净化机型号:
ZKJH-1-0014LF
正常除CO2出风量:
400m3/小时最大除CO出风量:
>800m3/小时
正常除CO2供气压力:
0.15Mpa最大除CO供气压力:
>0.5Mpa
正常除CO2耗气量:
40L/min最大除CO耗气量:
80-100L/min
覆盖空间:
150m3覆盖空间:
70m3
压缩空气备用量计算:
-气源压缩空气采用60L气瓶,每支气瓶内可用空气体积为:
V0=60×130=7800L
-空气净化制冷一体机在长时间连续去除CO2时,供气压力调整为0.15Mpa,耗气量40L/min,按96小时设计;
压缩空气需求量:
96×60×40=230400L
需要配备钢瓶数:
230400/7800=30(瓶)
-空气净化机在去除CO时,供气压力调整为0.5Mpa,耗气量100L/min,按照硐室内每12小时开启20分钟去除CO一次设计,共计去除8次;
压缩空气需求量:
8×20×100=16000L
需要配备钢瓶数:
16000/7800=2(瓶)
考虑到备用系数1.2倍,净化机需配备压缩60L空气钢瓶数量为:
空气净化制冷一体机(参加去除CO2和CO):
1.2x(30+2)=38瓶
单一空气净化机(只参加去除CO):
1.2x2=3瓶
所以,得出下表:
硐室人数
(人)
空气净化制冷一体机(台)
单一空气净化机
(台)
60L压缩空气钢瓶
(个)
40
1
1
41
50
1
1
41
60
1
1
41
80
2
1
79
100
2
2
82
表4硐室人数与空气净化机、钢瓶数量对照表
硐室降温系统配置理论计算
(1)制冷方法
由于避险人员在密闭的避难硐室中长时间生活,由于人体温度通过皮肤进行散热,以及来自于外部空间的热源传入而形成温升;另一方面,由于人体自身呼出饱和湿度的气体,以及人体自身汗液蒸发的湿度导致硐室内湿度增大。
由此,需设置降温除湿装置进行控制和调节。
控制指标:
空气温度≤35℃;
额定防护时间不低于96小时,设备及装置备用系数1.2倍
制冷方式:
温湿度调节采用防爆本安型矿用防爆空调机,其工作原理是正常状态下,防爆空调机压缩制冷,其冷量储存在制冰机冰柜内,将制冰机中的水冷冻成-20℃的冰;灾变发生时,防爆空调机停止工作,通过与蓄冰空调的蓄冰箱相连得空气净化制冷一体机,将蓄冰箱内的储存的冷量定量输送到硐室内部。
采用ZLF-4.3/380型煤矿救生舱用防爆空调装置,参数如下:
b)蓄冰空调制冷量:
4300W
c)蓄冰空调制冷功率:
3000W
d)最大蓄冰维持量:
5000kg
e)蓄冰温度:
-20℃
图1蓄冰空调及空气净化机组合示意图
(2)蓄冰箱容积设计
硐室内热源主要为人体产热和吸附二氧化碳产热:
a)人体产热
以硐室内人员最高散热量为120W算,硐室内N人96小时的散热量为:
H=120x3600x96xN=41.5NMJ
b)吸附二氧化碳产热
按照N人避难硐室设计,每人需要二氧化碳吸附剂20Kg,每公斤二氧化碳吸附剂处理产生热量100KJ,产热20N×100=2NMJ。
d)总产热Q=41.5N+2N=43.5N(MJ)
c)巷道围岩壁面吸热量
q=α(tw-tf)
式中:
α———对流换热系数,J/(m2s℃),α=4.085v+1.367,其中v为空气流速。
q———单位时间单位面积巷道壁面与风流的热交换量,J/(m2s);
tw———巷道壁面温度,℃;
tf———风流温度,℃。
设计硐室内部空气系统循环流速为v=0.3m/s,硐室内部温度为25℃,围岩温度
18℃计算,则:
q=α(tw-tf)=(4.085×0.3+1.367)×(25-18)=18J/(m2·s)
根据设计硐室内部表面积=S,则96小时总散热量:
Q散=96×3600×S×18=6.2SMJ
d)总产热Q=43.5N–6.2S(MJ)
e)需要蓄冰量
以冰为制冷剂,制冷前温度在零下20℃,制冷完成时冰融化成为水,制冷剂在吸收热量时,分为以下2个阶段:
Q1:
-20℃的冰变成0℃的冰
Q2:
0℃的冰变成0℃的水
制冷剂可吸收的总热量Q=Q1+Q2
冰的比热是:
2100J/(KG.℃)冰的熔化比热是335KJ/Kg
所以,一公斤零下20℃的冰上升到0℃度的水,所吸收热量为:
Qice=Q1+Q2=2100x20+335000=0.377MJ
1.2备用系数,蓄冰量为1.2*Q/Qice=1.2x(43.5N–6.2S)/0.377(kg)
根据以上计算,得出下表:
硐室人数
(人)
典型硐室岩壁表面积
(m2)
蓄冰箱蓄冰容量
(kg)
40
156
2460
50
195
3074
60
226
3589
80
312
4920
100
400
5952
表5硐室人数与蓄冰量对照表
注:
以上岩壁表面积计算按照如下方式计算,仅供参考:
1.
1.5m
3.5m
生存室面积按照人均1.2m2计算(备用系数1.2)。
2.
4m
硐室宽度4m,拱高3.5m,起拱线1.5m。
以硐室内生存室宽4m高3m近似计算
人数(人)
产生热量(MJ)
生存室长度(米)
岩壁面积(M2)
岩壁吸收热量(MJ)
制冷量(MJ)
制冷剂数量(Kg)
50
2175
15
234
1450.8
869.04
2896.8
60
2610
17.5
269
1667.8
1130.64
3768.8
70
3045
20
304
1884.8
1392.24
4640.8
80
3480
25
374
2318.8
1393.44
4644.8
90
3915
30
444
2752.8
1394.64
4648.8
100
4350
30
444
2752.8
1916.64
6388.8
Thefurthestdistanceintheworld
Isnotbetweenlifeanddeath
ButwhenIstandinfrontofyou
Yetyoudon'tknowthat
Iloveyou.
Thefurthestdistanceintheworld
IsnotwhenIstandinfrontofyou
Yetyoucan'tseemylove
Butwhenundoubtedlyknowingthelovefromboth
Yetcannotbetogether.
Thefurthestdistanceintheworld
Isnotbeingapartwhilebeinginlove
ButwhenIplainlycannotresisttheyearning
Yetpretendingyouhaveneverbeeninmyheart.
Thefurthestdistanceintheworld
Isnotstrugglingagainstthetides
Butusingone'sindifferentheart
Todiganuncrossableriver
Fortheonewholovesyou.
倚窗远眺,目光目光尽处必有一座山,那影影绰绰的黛绿色的影,是春天的颜色。
周遭流岚升腾,没露出那真实的面孔。
面对那流转的薄雾,我会幻想,那里有一个世外桃源。
在天阶夜色凉如水的夏夜,我会静静地,静静地,等待一场流星雨的来临…
许下一个愿望,不乞求去实现,至少,曾经,有那么一刻,我那还未枯萎的,青春的,诗意的心,在我最美的年华里,同星空做了一次灵魂的交流…
秋日里,阳光并不刺眼,天空是一碧如洗的蓝,点缀着飘逸的流云。
偶尔,一片飞舞的落叶,会飘到我的窗前。
斑驳的印迹里,携刻着深秋的颜色。
在一个落雪的晨,这纷纷扬扬的雪,飘落着一如千年前的洁白。
窗外,是未被污染的银白色世界。
我会去迎接,这人间的圣洁。
在这流转的岁月里,有着流转的四季,还有一颗流转的心,亘古不变的心。
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