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SOLUTION

救生舱压力调节自控系统的设计思想及解决方案

2011-03-12
救生舱压力调节自控系统的设计思想及解决方案

  救生舱内保持正压,可保证舱外有害气体(如甲烷、硫化氢等)不易侵入舱内。舱内正压,是相对于舱外而言的,救生舱设计规范中所提到的100pa或500pa的概念,就是指舱内压力高于舱外压力100pa或500pa。

  这里我们解释一下压力计量单位pa的含义。Pa的中文表述是“帕”,全称叫“帕斯卡”,它是一个很微小的计量单位,指每平方米的面积上施加1牛顿的压力。对于救生舱从业人员而言,这还是一个相对抽象的概念,我们这样解释:1标准大气压力=1.01*100000pa,我们生活在空气中,地面上空气的压力大概就是1标准大气压。因此,100pa是1/1000大气压,什么概念呢,差不多用嘴吹气的压力都不止100pa。我们经常提到的压缩气瓶的压力,理论值是15Mpa,实际上是13Mpa左右,而1Mpa=1000000pa,因此,1Mpa相当于10个大气压。我们经常又提到公斤的概念,实际上是公斤力的概念,1公斤力差不多等于1个标准大气压。因此,我们得到下面的概念,即1Mpa=10公斤力,1Mpa=10个标准大气压。1公斤力=100000pa。位于水面下的压力,差不多每深1米就是1KG,因此,水下20米,压力就是20公斤,相当于2Mpa。

  有了上面的概念,我们就好理解救生舱的压力概念了。相对于舱外而言,舱内压力要大于舱外压力,且差值并不大,仅为100pa至500pa左右。这是一个微小的压差,人是感觉不到的,只能通过精密仪器进行测量。要准确测量该值,一般使用压差传感器。压差传感器有一个橡皮管,需伸到舱外去,舱内外压力差即通过橡皮管内外的压力差来感知。但救生舱是一个密闭的舱体,又要求有一定的抗爆性,这对橡皮管的安装处理有一定的难度。有时,不是太精确的要求时,可以采用绝对压力传感器。绝对压力传感器只是测量相对于标准大气压的压力值(标准大气压指海平面的大气压力),比如它显示150pa ,代表此处的压力比绝对压力值高150pa。各个地区相对于海平面的高度不同,因此当地的绝对压力值也不同。因此在计算舱内外压力时,只能把舱外压力值当作一个基准压力值,如果舱内压力高于这个基准压力值,就代表舱内产生的正压,具体高出的数值,就是实际的正压值。比如一个地区的大气压是150pa,如果舱内绝对压力值指示为250pa,实际代表舱内比舱外高于100pa的压力。

  由于100pa或500pa是一个微小的压差值,人体是无法感知的,只能靠精密的仪器设备。因此,要控制舱内始终保持100pa或500pa的正压,手动方式是无法满足要求的,必须借助精密的控制技术来完成。

  这里再展开叙述一下,舱内正压是如何形成的。我们处理空气净化时,一般都要考虑CO2的吸附,人呆在救生舱时,吸入O2,吐出CO2,如果CO2不及时处理,CO2浓度就会逐渐升高,它会促使人的呼吸及心跳加快,10%的浓度可在数分钟内引起呼吸麻痹而死亡,因此CO2需要不断清除,确保空气中的CO2浓度不超过1%。一般我们处理CO2主要通过化学吸附方式进行,如采用碱石灰,它主要成份为氧化钙及氢氧化纳,CO2与碱石灰中的氢氧化纳产生化学反应,生成固态的碳酸纳。这里产生一个问题,即气态的氧气经过人体新陈代谢,生成CO2,而二氧化碳又与化学吸附剂起反应,生成固态的碳酸纳,结果空气中并没有增加多余的气量(通过化学方程式也可以证明这一点,笔者通过化学方式程计算,12人5天时间,在20立方米的空间内,产生的多余气量只有几个立方,根本不会对舱压产生什么影响,况且舱体不可能完全密封的,还在不断漏气),没有多余的气量产生,就不可能产生压力,因此,只是借助于常规的氧气释放,不太可能产生正压,除非氧气超量供应(浓度突破23%),不过这又是另一回事了。过量氧气,也会导致人体氧中毒而出现病变。

  目前,国内救生舱生产企业在舱体密闭方面都没办法做到很好的密封性,因此气体向外泄露是在所难免的。这时我们会发现一种情况,即原来舱内的空气的成分逐渐会发生变化,氧气浓度因持续供应可以保持不变,但氮气浓度会随着舱体泄露而逐渐减少。因此,一段时间后,舱内空气就处于一种不平衡状态,与我们实际生活的空气环境有很大的差异,这将导致人体不舒服,或产生各种病变。因此,我们需要人工调节空气成分,使之接近平时人体所生存的空气环境,这对人体健康是非常有益的。

  因此,我公司提出了调节舱压并调节舱内空气成分的解决方案。我们采用一组氮气瓶(或压缩空气瓶,空气中氮气浓度占78%)作为气源。我公司自行研发的舱压调节自控系统自动检测舱内空气压力(压差),当压力低于100pa时,自动打开电磁阀充氮气(或压缩空气);当压力高于500pa时,自动关闭电磁阀停止充氮气(或压缩空气)。通过自动调节,可保证舱内外压差始终保持在100pa至500pa之间,确保符合救生舱设计要求。

  在这个过程中,因为我们充入了氮气,因此可保证空气中氮气得到及时补充。氧气浓度由氧气自控系统得以保证(18~23%),因此,舱内空气中的氧氮浓度比例基本与外界空气中的氧氮浓度比例保持一致,从而产生了人造空气。

  在压力控制过程中,我们也同时考虑了泄压的情况,即当减压器失效或管路破裂导致舱内压力急速升高时,舱体需有泄压装置,我们在控制系统中加入了这一因素,即当压力超过一定值(如1000pa)时,自控系统自动打开泄压阀进行泄压,当舱内压力回落到500pa时,泄压电磁阀自动关闭。如此反复循环,实现舱内压力的自动调节与平衡。

  综上所述,我公司的舱压调节自控系统,通过采样压差传感器来感受舱内外压力变化,当压差小于100pa时,打开氮气电磁阀进行充氮增压;当压差大于500pa时,关闭电磁阀停止充氮;当压差大于1000pa 时,又打开排气电磁阀进行泄压。通过这种组合动作,确保舱内压力处于一个合理的水平,同时也解决了舱内氧气分压与氮气分压的平衡问题,从而人工营造适合人体生存的空气环境。这里顺便提一句,用于增压的氮气瓶可以换成空气瓶,因为空气中的氮气浓度也达到78%左右,也可以很好地起到补充氮气的作用。

  至于增压所需要氮气瓶数量,需视舱体泄露情况而定,如果每小时的泄露率小于200pa,则12人舱5天时间仅需要一瓶60L的氮气就足够了。如果泄露率比较高,就需要多增加氮气瓶。比如每小时泄露率超过400pa,则需要3瓶左右60L的氮气瓶来补充。

  以上论述,有不妥之处,欢迎同仁交流指正。
  邮箱:baixf@189.cn,QQ:676734067 白先生(13916026481)


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