防熱艙結構設計與應用

徐鶴

摘 要：本文通過對井下防熱艙結構進行分析，提出了新的設計方案，即采用玻璃鋼做支撐件，納米及相變材料做關鍵隔熱層。據此設計的井下防熱艙的成功應用，對類似防熱艙結構的設計具有較強的指導作用。

關鍵詞：井下防熱艙;玻璃鋼;納米材料;相變材料

中圖分類號：TD774 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）10-0048-02

Abstract： By analyzing the structure of underground heat-proof chamber， a new design scheme was put forward in this paper， in which glass fiber reinforced plastic （FRP） was used as support， nano-meter and phase change material （PCM） were used as key insulation layers. The successful application of the underground heat-proof cabin designed on this basis has a strong guiding role for the design of similar structure of the heat-proof cabin.

Keywords： underground thermal chamber;fiberglass;nanomaterials;phase change materials

1 研究背景

礦井下的工作存在多種危險因素，一旦礦井坍塌或發生爆炸，往往造成死傷無數。如果發生礦難時，人員能夠就近逃到救生裝置中，關閉入口后靠里面的配備維持生命，那么，危險和死亡系數就會降低很多。因此，國家一直致力于開發和研究救生裝置，以在礦難中杜絕或減少人身傷亡。井下防熱艙（也叫避難艙）的研究在此推動下發展迅速且取得了一些進展。但是，與國外防熱艙相比，國內防熱艙在隔熱方面的結構設計上仍存在很多問題，并且密封性能、力學性能和熱力學性能的同步實現性得不到保證[1]。而這幾方面的性能正是防熱艙必須具備的條件。因此，眾多研究圍繞此展開。迄今為止，國內的防熱艙只有少數幾家通過了測試，但要想取得煤安局的認證，還需要達到更高的水平、具備更優異的性能[2]。為了井下人員的安全，必須加大力度，加快研究步伐，盡早實現井下安全配備的齊全性和可靠性。根據工作需要，筆者在這方面做了一定探索，并成功地設計出了性能良好的隔熱結構，現將相關設計資料整理出來與大家共享。此項研究對促進井下產業的健康發展和不斷提高救生設備制造能力具有重要的現實意義。

2 項目由來

為滿足市場需求，為井下安全提供更多保障，必須在保證結構強度的同時注重防熱結構的設計。防熱結構設計的重點是隔熱材料的設計和安裝，這需要極其巧妙的設計。因為防熱艙外部是鋼板焊接結構，中間是隔熱層，最里面是內飾鋼板，要想達到隔熱效果，內外鋼板絕對不能貫通而整體結構又必須保證安全可靠、連接牢靠，這也是整個防熱艙的設計難點和重點。另外，防熱艙安裝有門窗，門窗處的結構設計也不容忽視，其直接關系到整艙隔熱效果和艙體密封性能[3]。

3 防熱艙對隔熱層的要求

隔熱層在防熱艙內部起到隔熱、過渡連接和支撐內部設備（吊燈、座椅、電纜線等）的作用，隔熱層的結構設計直接關系到防熱艙整體的隔熱效果。具體要求如下：①達到規定的耐高溫要求;②與外鋼板連接安全可靠;③可以安裝內飾鋼板;④有一定強度，可以安裝設備。

4 隔熱結構設計及安裝方案

支撐材料的設計是防熱艙整體結構一個至關重要的部分，在防熱艙中主要起到和內飾鋼板連接的作用，并能支撐、固定艙內設備如座椅、電纜線、吊燈等。支撐材料必須具有一定的強度，以保證連接的安全性和可靠性，即使艙體在運輸及起吊過程中發生震蕩，也不能被破壞;還要具備隔熱性能，即熱導率低，不能使內外鋼板間發生致命的熱傳遞而破壞整艙的隔熱性能[4]。為了滿足上述要求，本設計選擇玻璃鋼。在具體設計過程中，艙體外鋼板內側方向上指定位置焊接螺柱，穿過玻璃鋼上的孔后用螺帽擰緊，將玻璃鋼塊固定;而玻璃鋼塊上孔的相對一面則可以鉚接內飾鋼板，具體結構如圖2所示。

核心隔熱層的設計是關鍵。采用納米及相變材料疊加鋪設的隔熱層性能良好，經計算可以達到要求。將納米材料設計成錯縫安裝的異形件，以降低熱傳導效率，保障隔熱性能。

門窗處的設計需要考慮艙體密封性能，因此，窗口及門口四周也用玻璃鋼安裝。

將玻璃鋼塊固定在外鋼板焊接的螺柱上，用螺帽擰緊以達到緊固要求，內部塞松軟的隔熱棉，然后鋪設隔熱層。納米材料錯縫鋪在第一、二層，相變材料鋪在第三層，最后安裝的內飾鋼板可以與玻璃鋼塊配打鉚釘，這樣外鋼板、隔熱層及內飾鋼板就通過玻璃鋼塊的中間連接作用而固定安裝在一起。整艙結構設計布局見圖3。

5 結論

此方法已經在防熱艙制造中成功應用，以玻璃鋼塊作為保證結構強度的支撐，以納米材料和相變材料作為關鍵隔熱層的結構設計達到了各項指標要求?？梢?，此設計是合理、有效和安全的。

參考文獻：

[1]趙君官，李強.礦用應急避難艙可靠性分析[J].煤礦機械，2012（7）：94-96.

[2]孫繼平.煤礦井下避難硐室與救生艙關鍵技術研究[J].煤炭學報，2011（5）：713-717.

[3]李博，黃圓月.避難硐室與避難倉特點與優化方案[J].采礦技術，2011（6）：64-65.

[4]孟磊.煤礦井下避難硐室系統設計的探討[J].煤礦安全，2011（11）：150-153.