防热舱结构设计与应用

徐鹤

摘 要：本文通过对井下防热舱结构进行分析，提出了新的设计方案，即采用玻璃钢做支撑件，纳米及相变材料做关键隔热层。据此设计的井下防热舱的成功应用，对类似防热舱结构的设计具有较强的指导作用。

关键词：井下防热舱;玻璃钢;纳米材料;相变材料

中图分类号：TD774 文献标识码：A 文章编号：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种危险因素，一旦矿井坍塌或发生爆炸，往往造成死伤无数。如果发生矿难时，人员能够就近逃到救生装置中，关闭入口后靠里面的配备维持生命，那么，危险和死亡系数就会降低很多。因此，国家一直致力于开发和研究救生装置，以在矿难中杜绝或减少人身伤亡。井下防热舱（也叫避难舱）的研究在此推动下发展迅速且取得了一些进展。但是，与国外防热舱相比，国内防热舱在隔热方面的结构设计上仍存在很多问题，并且密封性能、力学性能和热力学性能的同步实现性得不到保证[1]。而这几方面的性能正是防热舱必须具备的条件。因此，众多研究围绕此展开。迄今为止，国内的防热舱只有少数几家通过了测试，但要想取得煤安局的认证，还需要达到更高的水平、具备更优异的性能[2]。为了井下人员的安全，必须加大力度，加快研究步伐，尽早实现井下安全配备的齐全性和可靠性。根据工作需要，笔者在这方面做了一定探索，并成功地设计出了性能良好的隔热结构，现将相关设计资料整理出来与大家共享。此项研究对促进井下产业的健康发展和不断提高救生设备制造能力具有重要的现实意义。

2 项目由来

为满足市场需求，为井下安全提供更多保障，必须在保证结构强度的同时注重防热结构的设计。防热结构设计的重点是隔热材料的设计和安装，这需要极其巧妙的设计。因为防热舱外部是钢板焊接结构，中间是隔热层，最里面是内饰钢板，要想达到隔热效果，内外钢板绝对不能贯通而整体结构又必须保证安全可靠、连接牢靠，这也是整个防热舱的设计难点和重点。另外，防热舱安装有门窗，门窗处的结构设计也不容忽视，其直接关系到整舱隔热效果和舱体密封性能[3]。

3 防热舱对隔热层的要求

隔热层在防热舱内部起到隔热、过渡连接和支撑内部设备（吊灯、座椅、电缆线等）的作用，隔热层的结构设计直接关系到防热舱整体的隔热效果。具体要求如下：①达到规定的耐高温要求;②与外钢板连接安全可靠;③可以安装内饰钢板;④有一定强度，可以安装设备。

4 隔热结构设计及安装方案

支撑材料的设计是防热舱整体结构一个至关重要的部分，在防热舱中主要起到和内饰钢板连接的作用，并能支撑、固定舱内设备如座椅、电缆线、吊灯等。支撑材料必须具有一定的强度，以保证连接的安全性和可靠性，即使舱体在运输及起吊过程中发生震荡，也不能被破坏;还要具备隔热性能，即热导率低，不能使内外钢板间发生致命的热传递而破坏整舱的隔热性能[4]。为了满足上述要求，本设计选择玻璃钢。在具体设计过程中，舱体外钢板内侧方向上指定位置焊接螺柱，穿过玻璃钢上的孔后用螺帽拧紧，将玻璃钢块固定;而玻璃钢块上孔的相对一面则可以铆接内饰钢板，具体结构如图2所示。

核心隔热层的设计是关键。采用纳米及相变材料叠加铺设的隔热层性能良好，经计算可以达到要求。将纳米材料设计成错缝安装的异形件，以降低热传导效率，保障隔热性能。

门窗处的设计需要考虑舱体密封性能，因此，窗口及门口四周也用玻璃钢安装。

将玻璃钢块固定在外钢板焊接的螺柱上，用螺帽拧紧以达到紧固要求，内部塞松软的隔热棉，然后铺设隔热层。纳米材料错缝铺在第一、二层，相变材料铺在第三层，最后安装的内饰钢板可以与玻璃钢块配打铆钉，这样外钢板、隔热层及内饰钢板就通过玻璃钢块的中间连接作用而固定安装在一起。整舱结构设计布局见图3。

5 结论

此方法已经在防热舱制造中成功应用，以玻璃钢块作为保证结构强度的支撑，以纳米材料和相变材料作为关键隔热层的结构设计达到了各项指标要求。可见，此设计是合理、有效和安全的。

参考文献：

[1]赵君官，李强.矿用应急避难舱可靠性分析[J].煤矿机械，2012（7）：94-96.

[2]孙继平.煤矿井下避难硐室与救生舱关键技术研究[J].煤炭学报，2011（5）：713-717.

[3]李博，黄圆月.避难硐室与避难仓特点与优化方案[J].采矿技术，2011（6）：64-65.

[4]孟磊.煤矿井下避难硐室系统设计的探讨[J].煤矿安全，2011（11）：150-153.