载人深潜器二氧化碳清除方式研究

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1、5l卷第3期(总第192期)中国造船Vo1．51No．3(SerialNo．192)2010年9月SHIPBUILDINGOFCHINASep．2010文章编号：1000-4882(2010)03-0169-09载人深潜器二氧化碳清除方式研究姜磊，赵俊海(中国船舶科学研究中心，江苏无锡214082)摘要比较了各种类型水下运载器如潜艇、载人深潜器等对载人密闭舱室内二氧化碳气体浓度的不同要求。针对载人深潜器载人舱内的客观条件，从动力、空间大小、二氧化碳浓度要求等方面分析其对二氧化碳清除的特殊要求。分析了常

2、见的几种密闭环境二氧化碳清除方式如一乙醇胺、固态胺、分子筛、碱石灰、氢氧化锂等技术各自的优缺点，在此基础上，开发出一种二氧化碳清除技术及研制了样机。使用该样机进行封闭空间内的有人二氧化碳吸收试验，以验证该项技术的效果。试验结果证明了这种技术的有效性。在完成样机试验后，又将样机随潜水器进行海试。海试的圆满成功进一步证实了样机的有效性。关键词：载人深潜器；二氧化碳清除方式；二氧化碳浓度；氢氧化锂中图分类号：P754．3文献标识码：A0引言近年来，随着能源危机的愈演愈烈，世界各国争相将探索能源的目光投向了深

3、海领域。深海，作为一块人类开发不多的领域，由于其中蕴藏着丰富的矿产资源，世界各国纷纷加大了对深海探测领域的投入，载人深潜器的研制应运而生，如美国正在研制的“新埃尔文”号、日本的“深海6500”号和我国最新研制的“和谐号”载人深潜器，均是在这种背景下研发的【1]。作为载人深潜器，清除乘员呼吸时产生的二氧化碳气体是一个直接关系到乘员的生命安全的技术。本文将对一些常见的二氧化碳清除方式进行探讨，分析它们运用于载人深潜器的优缺点。1二氧化碳气体浓度指标的确定关于二氧化碳气体清除，首先要提及的是二氧化碳气体的浓

4、度问题。在开放的大气环境中，二氧化碳气体的浓度一般在0．03％左右；然而在一个密闭环境中，如潜艇、潜水器或航天飞机的载人舱中，随着乘员在呼吸过程中不断呼出二氧化碳，平均每人每小时呼出二氧化碳20~25升，使得环境内二氧化碳浓度不断升高，一段时间后浓度就会达到使人中毒的程度。因此，各种规范对不同环境下的二氧化碳浓度均有着明确的要求[2-3]。详见表1。我国曾做过潜艇内3O昼夜的人体密闭试验，试验表明，在1％的CO2浓度下，人员的一般健康状况、血、尿钙、磷含量及尿pH均无明显改变，心电图正常，工作能力无影

5、响。根据美国在1．5％CO2收稿日期：2009—11-29：修改稿收稿日期：2010-03．25中国造船学术论文浓度下连续42天人体实验结果，人员的基础生理指标无明显改变，但有轻度呼吸性酸中毒。因此，我国的潜艇对二氧化碳气体的容许浓度一般都要求在l％以下；在紧急情况下，允许其浓度达到1．5％。载人深潜器的任务使命与潜艇不同，一般以考察、勘探为主，无须长时间水下停留，因此《潜水系统和潜水器入级与建造规范》对载人深潜器载人舱内二氧化碳气体的容许浓度规定为72小时内不超过0．5％，紧急情况下不超过1％。表1

6、不同环境下对二氧化碳气体的容许浓度2载人深潜器对二氧化碳清除方式的特殊要求载人深潜器作为一种深海作业类深潜器，其性能和外形与一般的潜艇有很大的区别。首先，其载人舱的内部空间较小，一般在4～5m甚至更小；第二，其乘员数较少，一般为2～3人；第三，由于其下潜深度较深，一般都超过1000m，所以其动力无法由母船或其他岸基设备供电，一般采用蓄电池组供电。以“和谐”号载人深潜器为例，其载人舱是内径为2．1m的球壳，载员3人，采用银锌蓄电池组作为动力源。美国的“埃尔文”号载人深潜器与“和谐号”类似，区别在于它使用

7、的是铅酸蓄电池组。载人深潜器的这些客观条件对其二氧化碳清除技术的应用有很大的约束。首先，载人舱的体积小决定了二氧化碳气体清除装置的体积应尽可能小；第二，由于采用蓄电池组供电，二氧化碳清除装置的能耗应尽可能小；第三，由于内部空间小，其对二氧化碳气体的容许浓度也较小，从表1可以看出，载人深潜器载人舱内的二氧化碳浓度指标只有潜艇的一半，因此，载人深潜器的二氧化碳气体清除装置的效率应很高；第四，同样由于内部空间小，对有害气体的容许浓度很小，因此，在进行二氧化碳气体清除的过程中，不允许出现另外的有害物质。3常见

8、的二氧化碳吸收方法目前，比较常见的二氧化碳清除方式有以下几种：一乙醇胺碱(MEA)吸收、固态胺吸收、分子筛吸收、超氧化物吸收、碱石灰吸收、氢氧化锂吸收等。下面分别对其进行分析比较。3．1一乙醇胺(MEA)吸收一乙醇胺(MEA)吸收装置大量应用于世界各国的潜艇上。美国是最早进行一乙醇胺清除潜艇内二氧化碳研究的国家，经过多年的研究和改进，其技术比较成熟，基本满足了对二氧化碳吸收的要求。目前有两种型号的装置投入使用：MARKIV和MARKIIIB。其中MARK