环境控制系统设计是矿下紧急避险系统与生命保障研究的关键技术,是救生舱、避难硐室等设施中的重要组成部分。无源设计与制冷净化一体化设计是提高环境控制系统适用性与稳定性的重点。目前救生舱环境控制系统的设计制造缺乏系统的理论体系,存在二氧化碳净化效率低、制冷系统冰堵故障频发等问题,本文从理论计算、数值仿真与实验验证等方面对救生舱内气体净化与正压控制、温湿度控制进行关键技术研究与优化设计,并通过数值仿真对救生舱空气场分布特性进行分析,针对人体舒适度对救生舱内环境进行评价。对救生舱环境控制系统,论文首次形成理论与实验相结合的综合设计优化体系,完成从理论计算、单项实验到多参数实验验证的综合设计评价流程。本文主要研究内容如下:(1)救生舱污染性气体、温湿度负荷分类与计算对救生舱在灾变环境下的污染气体负荷、热湿负荷进行了理论分析与计算。通过实验研究方法对人体产生的一氧化碳与二氧化碳进行代谢速率计算,并分析电化学传感器在测定一氧化碳浓度时受氨气、硫化氢的影响。与此同时,将温湿度负荷分为人体代谢负荷、化学冷负荷与结构冷负荷,根据温湿度负荷动态变化规律,首次提出“最小设计冷负荷”与“长时稳态最大冷负荷”设计标准,通过合理分配主观人体冷负荷与客观环境冷负荷,提高系统运行稳定性与设计安全裕度。污染气体与温湿度的负荷计算为救生舱环境控制系统参数设计提供了边界条件。(2)净化系统试验研究与优化设计救生舱内一氧化碳净化属于常温低浓度净化,低温催化剂的选型与救生舱环境下的性能试验尤为重要。基于R-90、MXY-II与纳米金三种不同一氧化碳催化剂的实验性能研究,计算各催化剂在不同入口浓度下的净化速率,对低浓度的催化稳定性进行了对比分析。二氧化碳净化方面,通过对钠石灰的吸收性能实验,分析了药剂在平铺、悬挂两种不同方式下的净化速率,在此基础上,本文提出了一种全新的药剂使用方式,将平铺与悬挂相结合,在满足快速去除速率设计要求下,进一步提高了药剂的使用效率。为保证救生舱不受外界有毒有害气体侵入,针对目前救生舱领域中使用的泄压阀普遍存在的气密性差的问题,自主设计了一种高密封性能的液封式微压差自动泄压阀,并对泄压阀进行了理论泄压能力计算。根据对救生舱的气密性实验,计算救生舱的漏气速率,并提出了舱内正压补气的设计标准,首次建立了一种适用于矿用救生舱的正压补气制度,为救生舱正压控制系统设计与正压补气控制操作进行理论指导,更好的保障净化系统的工作稳定性。(3)开放式二氧化碳制冷系统设计与优化开放式二氧化碳制冷的制冷量损失是制冷系统设计优化的重要研究内容,主要包括:(1)气瓶与储存环境之间热交换产生的漏热损失;(2)气瓶内无法充分利用的剩余气体产生的利用率损失。本文建立了开放式二氧化碳系统理论计算模型,研究了第一类及第二类制冷量损失随二氧化碳所处环境温度对应临界状态的变化关系,计算了制冷系统的两类制冷量损失,二氧化碳制冷剂储存环境温度越高,制冷量损失越大,由于制冷剂无法充分利用,第二类冷量损失是系统冷量损失的主要部分。开放式制冷系统流阻分配直接影响系统的制冷性能与系统运行稳定性,通过换热器的铜管长度与结霜长度的计算研究,将单级节流系统优化为双级节流系统,并在此基础上使用分布参数模型研究管径、流量与环境温湿度对系统制冷性能的影响,在救生舱制冷系统研究工作中首次从理论上分析开式二氧化碳制冷冰堵故障的产生机理,并建立了制冷系统环境适应性运行包线,为制冷系统的调节与操作提供理论指导,保证系统的稳定高效运行。(4)救生舱舒适性综合分析救生舱的仿真模型建立是分析舱内流场的重要手段。建立某型12人救生舱仿真模型,对舱内的空气流动、温湿度分布与气体浓度分布等进行分析,并计算舱内关键截面的分布均匀性指标ADPI、热舒适性指标PMV-PPD与空气污染品质指标PAV-PDA。在此基础上,使用基于熵权的灰色关联分析方法对各评价指标进行权重计算,获得救生舱内空气环境的综合舒适性评价方法。(5)救生舱环境控制系统综合实验研究自主研发制冷净化一体机产品,进行了48小时稳定性验证实验与119小时真人综合性能实验。实验中,通过对“流阻上游转移”等现象的分析,进一步优化一体机的运行与调节方法,为系统无霜无冰堵与稳定持续运行提供实验基础。真人综合实验中,舱内环境温湿度、气体浓度与正压均控制在设计范围内,顺利通过检验中心与安标中心的产品认证,制冷净化一体机设备与环境控制方法被运用在多家救生舱产品与矿井避难硐室建设中。