大容量氧燭隔熱防護與熱損分析

翟 康，唐 平，路中華，張 衍，聶少云

(中國工程物理研究院 a.化工材料研究所; b.安全彈藥研發中心，四川綿陽 621000)

氧燭是較新型的化學產氧設備，啟動后能使內部含氧材料反應，持續放出可供人體直接呼吸的純凈氧氣。具有單位體積小，儲氧量大，使用過程無需外加動力等優點。20 世紀60年代，美國將其作為應急氧源裝配到核潛艇上。目前氧燭廣泛應用于航空航天，艦船潛艇，高原洞庫等環境［1-5］。同時研究人員在配方設計、成型工藝、氧燭結構等方面也持續進行研究［6-11］。

在氧燭反應放氧的過程中，為了維持內部含氧材料的持續反應，反應溫度需要長時間維持在300℃左右，這就導致包裹含氧材料的機械外殼也持續高溫，會對使用環境造成很大的影響，同時高溫容易對人員造成傷害，所以對大容量氧燭進行隔熱處理是極有必要的［9］。

當隔熱結構進行防護后，會影響氧燭內部的溫度場，導致氯酸鈉分解反應的過程中溫度升高，氯酸鈉在較高溫度下分解會產生副反應，會產生有毒氯氣。所以需要改變含氧材料中金屬燃料的含量。當采用試驗手段進行隔熱材料和結構的驗證，需要耗費大量人力和物力。

本文利用數值模擬軟件分析二氧化硅氣凝膠氈的隔熱效果，計算氧燭隔熱材料添加前后的熱損速率，對改進和設計大容量氧燭有積極的指導意義。

1 氧燭原理

氧燭的產氧原理是氯酸鹽加熱分解產生氧氣。早期采用氯酸鉀，但由于氯酸鉀吸潮并且不易點燃，目前大部分氧燭均采用氯酸鈉作為含氧原料，化學反應方程式如下

如圖1 所示，氧燭一般由啟動點火裝置，含氧藥塊，氣體過濾材料和外殼構成。含氧藥塊為主體，氯酸鈉為氧源; 金屬粉燃料提供熱量，維持反應持續進行，常用鐵粉、錳粉、鎂粉等;加入催化劑提高反應速率，如鈷的氧化物;加入生石灰抑制產生的少量氯氣。經過混合壓制形成含氧藥塊。為提高藥塊壓藥強度，常加入玻璃纖維、硅藻土等作為黏合劑。外殼起機械支撐作用，常采用不銹鋼。氣體過濾材料過濾氧氣中的雜質、顆粒、微量氯氣［10-12］。

圖1 大容量氧燭結構示意圖

2 氧燭熱損分析

2.1 氯酸鹽分解副反應

當對氧燭進行隔熱處理后，會改變殼體內部的熱量場，在藥柱配方不變的情況下，導致產氧藥柱反應溫度升高，當溫度過高時，氯酸鈉會按下式進行分解，放出氯氣［13］

為了防止氯氣的產生，應對隔熱材料添加前后的熱損量進行計算，通過前后對比，來減少藥塊配方中金屬燃料的添加量，使內部溫度始終維持在氯酸鈉分解的適合溫度。

2.2 熱損對比

將氧燭簡化為一維穩定導熱模型，如圖2 所示。整個氧燭機械外殼和隔熱材料簡化為均質圓筒壁和底部的圓形平板。

均勻物質內存在溫度梯度時，會導致其內部能量傳遞，能量傳遞的速率為［14］

圖2 簡化氧燭模型

未加隔熱材料時，底部為勻質圓形平板，不銹鋼熱導系數簡化為常數，將式(1)分離變量并積分，底部圓板不銹鋼傳導熱流為

對于不銹鋼勻質圓筒壁，垂直于徑向傳導熱流方向的面積為(r2+r3)πL，L 為圓筒長度，帶入式(3)進行積分，整理后可得

式中:Δxa為不銹鋼厚度;ka為不銹鋼熱導系數;T1為氧燭藥塊反應溫度;T3為未加隔熱材料時筒壁溫度; T1、T3可通過試驗測量。

添加隔熱材料后，底部看作隔熱材料和不銹鋼復合平板，在穩態情況下，根據能量守恒，導熱率

將筒壁看作隔熱材料和不銹鋼的雙層圓筒，導熱率

式中:Δxb為隔熱材料厚度; kb為隔熱材料熱導系數; T'3為添加隔熱材料后筒壁溫度。

設ε 為隔熱材料添加前后，其導熱造成的傳熱速率差

同時，氧燭反應放出的氧氣仍是處于比較高的溫度，氧氣會攜帶熱量排出殼體，對于維持內部氯酸鈉反應溫度時，這部分由氧氣攜帶出的熱量需進行考慮，通過試驗對出氧口釋放的氧氣溫度T 進行檢測，基本維持80℃左右，所以熱能的傳遞可以看作是穩態過程，其攜帶的熱量就可根據

進行計算。式中:m0為氧氣釋放質量，根據配方中氯酸鈉含量進行計算;C0為氧氣比熱容。

添加隔熱材料時，根據ε 值，對原有配方中金屬粉含量進行調整，保證殼體內部熱場與隔熱材料添加前一致，維持內部溫度不變，抑制產生氯氣的副反應進行; 當對氧燭進行初始設計時，則需考慮q'1、q'2、q0對內部熱量的熱損，來確定藥塊中金屬粉含量。

3 氧燭隔熱防護數值模擬

大容量氧燭產氧3 000 L，持續時間45 min。內部藥塊產生的熱量一部分隨高溫氧氣釋放到環境中，另一部分通過導熱傳遞至隔熱結構和不銹鋼外殼。在實際大容量氧燭穩定放氧過程中，用紅外測溫儀對藥塊表面進行測量，氧燭內部反應溫度維持在260℃左右，可作為恒定溫度載荷加載至外殼和隔熱材料。以熱傳導能量控制方程為基礎，基于ANSYS有限元軟件對氧燭隔熱防護進行分析。

3.1 模型建立

氧燭尺寸Φ140 ×400 mm，上端面開Φ30 出氧氣口。為簡化計算，取四分之一建立三維模型。選擇quads only 網格、Solid70 單元對幾何模型經行空間離散。模型內部根據氧燭中實際藥塊尺寸，加載恒定溫度載荷260℃，仿真模型如圖3所示。

圖3 氧燭外殼和隔熱材料FEM 模型

外殼為1.5 mm 厚不銹鋼。隔熱材料選用二氧化硅氣凝膠棉氈［7-8］，熱傳導系數0.02 w/(mK)，比熱容330 kJ/（m3·K）密度220 kg/m3，采用不同厚度分別建模。不銹鋼密度7 850 kg/m3，比熱500 J/kg℃，熱導系數15w/(mK)，外殼尺寸Φ140 ×400mm，空氣對流系數20w/(m2·K）。

求解時，采用損態求解器求解，時間2 700 s，輸出步數設100，設定環境溫度25℃，初始溫度25℃。

3.2 仿真結果與討論

模擬隔熱材料二氧化硅氣凝膠棉氈分別為3 mm、6 mm、10 mm 3 種工況。圖4 ～圖6 為第45 min 時，添加不同厚度的隔熱材料，氧燭外殼的溫度分布云圖。由于只關心外殼溫度情況，取消了顯示隔熱材料，僅顯示不銹鋼外殼溫度分布。

內部溫度載荷加載為產氧藥塊接觸外殼的范圍，所以，溫度在外殼豎直方向呈現由下至上逐漸降低的梯度，在出氧口附近溫度最低，在藥塊中心高度位置對應的殼體外，出現溫度最高點，這與實際對氧燭反應過程中，對溫度監控得到的情況一致。隨著隔熱材料的加厚，外殼最高溫度依次降低。

圖4 3 mm 厚隔熱材料氧燭外殼體溫度分布云圖

圖5 6 mm 厚隔熱材料氧燭外殼體溫度分布云圖

圖6 10 mm 厚隔熱材料氧燭外殼體溫度分布云圖

表1 不同隔熱材料厚度對應外殼溫度

二氧化硅氣凝膠導熱系數低［15-16］，絕熱效果良好，但是由于大容量氧燭內部熱源尺寸較大，且長時間維持較高溫度，所以，需要采取較厚的棉氈才能滿足固氧的正常使用要求。由數值模擬可知，二氧化硅氣凝膠棉氈在厚度在10 mm時，隨著固氧發生器內部藥塊持續燃燒，外殼最高溫度為50.487℃，大部分時間處于50℃以下，已完全滿足隔熱要求。

圖7 是不同厚度隔熱材料在45 min 內溫度時程曲線。隨著氧燭放氧過程的持續進行，外部殼體溫度會逐漸升高，通過對氧燭的隔熱處理可以有效地降低外殼溫度，同時減緩升溫速率。

圖7 添加不同隔熱厚度的時外殼溫度時程曲線

圖8為隔熱材料厚度與外殼最高溫度的擬合曲線。以3 mm、6 mm、10 mm 對應的最高溫度做散點圖，用二次方程進行擬合，得到相關性較高的曲線方程，表征二氧化硅氣凝膠氈厚度與外殼最高溫度數值關系

式中:T 為外殼最高溫度;Δ 為隔熱材料厚度。

圖8 隔熱材料厚度Δ 與外殼最高溫度T 擬合曲線

大容量氧燭采用8 mm 厚二氧化硅氣凝膠棉氈進行隔熱，在20℃室溫環境下點燃啟動，待放氧穩定后，用紅外線溫測儀進行外殼溫度記錄，在持續穩定放氧期間，試驗測得最高溫度在殼體柱面上，達到55℃。通過式(10)計算當隔熱材料8 mm 時，溫度為61℃，與實際誤差較小，對氧燭的數值模擬基本符合實際情況。

4 結論

本研究將大容量氧燭簡化為一維熱傳導模型，將氧燭結構分為圓筒壁和平面底板進行考慮，對隔熱材料添加前后的熱損速率進行了計算，并考慮釋放的氧氣帶走的熱量損失，通過計算可有效地維持氧燭內部溫度場，指導氧燭配方的調整和設計，確保氧燭產品安全可靠的使用。采用ANSYS 對二氧化硅氣凝膠氈的隔熱效果進行分析，計算表明，二氧化硅氣凝膠氈對氧燭的隔熱有較好的效果，當采用10mm 厚氣凝膠氈時，氧燭放氧過程中，機械外殼的最高溫度為50℃左右，并在反應大部分時間處于較低的安全溫度。

［1］hter W. H，Miller R R. Use of the chlorate candle as a source［J］. Industrial & Engineering Chemisty，1998，42(11):238-253.

［2］顧錚. 大型民用客機的氧氣系統［J］. 航空知識，2006(3):62-63.

［3］姜世楠，馬麗娥，王雅娟，等. 潛艇密閉艙室供氧技術［J］.艦船防化，2009(5):1-5.

［4］韓衛敏，閆金海，孔慶平，等.某型氧燭供氧裝置高原供氧應用效果分析［J］職業與健康，2014(6):1510-1512.

［5］吳劍威，張魯閩，馬繼民，等.野戰便攜式固態氧氣發生器的研制［J］.中國個體防護裝備，2013(1):27-30.

［6］周興明，胡曉，毛勝華，等.降低固體化學氧氣發生器溫度敏感性研究［J］. 固體火箭技術，2013，36(4):534-538.

［7］周興明，胡曉，毛勝華，等.空間站氯酸鹽氧燭備份氧試驗研究［J］2013，26(5):394-397.

［8］張崢，金龍哲，劉述慈，等.救生艙用氧燭配方的優化研究［J］.中國安全科學學報，2013，23(9):129-135.

［9］王雅娟，姜世楠，馬麗娥，等.氧燭隔熱結構的設計［J］.艦船科學技術，2010，32(12):95-98.

［10］Yunchang Zhang，Micheal J.Brumely，James C.Cannon，et al.Filter for Chemical Oxygen Generationgs［P］. US6071329，2000-06-06.

［11］Potma，Theodorus Gerhardus. Self extinguishing and selg cleaning holder［P］. US Patent:20020085376，2001 - 10-14.

［12］Neil C.Schoen.Compact man -portable emergency oxygen supply system［P］.US Patent:5750077，1998-05-23.

［13］范敏，卜建杰.鈷的氧化物對氧燭藥塊分解的催化作用［J］.艦船科學技術，2007，29(6):126-129.

［14］Donald Pitts，Leighton Sissom.傳熱學［M］.北京:科學出版社，2002.

［15］魏高升，劉育松，張欣欣，等.氣凝膠及其復合絕熱材料的導熱系數測量［J］.工程熱物理學報，2011，32(4):667-670.

［16］李雄威，段遠源，王曉東.SiO2氣凝膠高溫結構變化及其對隔熱性能的影響［J］.熱科學與技術，2011，10(3):189-193.