集體防護(hù)系統(tǒng)泄漏量分析

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064)

集體防護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行的必要條件之一就是需要在集體防護(hù)區(qū)內(nèi)建立超壓，而超壓的建立必須嚴(yán)格控制防護(hù)區(qū)氣密周界的泄露量。集體防護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)防護(hù)區(qū)的泄露量進(jìn)行預(yù)估，確保經(jīng)濾毒處理的進(jìn)風(fēng)量能對(duì)防護(hù)區(qū)的泄露進(jìn)行彌補(bǔ)，建立穩(wěn)定超壓。在建造過程中，需嚴(yán)格按照氣密原則工藝進(jìn)行施工，并在建造完成后，對(duì)泄露量進(jìn)行測(cè)量，保證泄露量控制在規(guī)定范圍內(nèi)。在施工嚴(yán)格按氣密工藝施工條件下，氣密門、氣密蓋是氣密周界上的主要泄露設(shè)備，并且考慮到使用過程中的磨損與老化，其允許的泄露量上需預(yù)留一定的余量。因此，可采用氣密門、氣密蓋的最大泄露量對(duì)集體防護(hù)區(qū)的最大泄露量進(jìn)行預(yù)估。

1 氣密門、氣密蓋的泄露量

對(duì)于氣密門或艙口蓋，艙壁兩側(cè)壓差為Δp時(shí)，就會(huì)有氣流通過該縫隙[1]：

V∝Δpk

(1)

式中：V——通過縫隙的空氣流速,m/s;

k——紊流系數(shù)，對(duì)艙門及梯口蓋，一般可取k=0.65;

不同的雷諾數(shù)Re決定不同的流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)流動(dòng)處于自模紊流狀態(tài)時(shí)，處于阻力平方區(qū)，適用于那些流速較高的孔口出流，此時(shí)k=0.5；當(dāng)流動(dòng)處于層流狀態(tài)，流動(dòng)阻力是由與速度一次方成正比的粘性力引起的，適用流速緩慢，流道斷面細(xì)小而復(fù)雜的滲流[2]。

對(duì)于門窗縫隙的空氣泄漏來(lái)說，其流動(dòng)狀態(tài)多介于孔口出流和滲流之間。一般取k=0.65。

通過門、艙口蓋的空氣泄漏量為

Q=3 600VF=αLΔpk=FdΔpk

(2)

式中：Q——通過縫隙的空氣量，m3/h;

F——縫隙的面積,m2;

α——泄漏系數(shù)，取決于門窗的氣密性;

L——縫隙的長(zhǎng)度,m;

Fd——當(dāng)量孔口面積,m3/(h·Pak)，

Fd=αL。

2 集體防護(hù)區(qū)最大泄漏量的估算

根據(jù)美國(guó)海軍通用規(guī)范(94)，在增壓壓力為500 Pa時(shí)，氣密門的泄漏量不應(yīng)超過50 ft3/min(84 m3/h)。按照氣密門的一般規(guī)格650 mm×1 650 mm，即氣密周界為4.6 m。那么氣密門的最大泄漏系數(shù)α為

參照該泄漏系數(shù)值，根據(jù)式(2)，估算集體防護(hù)區(qū)的氣密門、氣密艙蓋等設(shè)備的泄漏量。

分別計(jì)算出各氣密設(shè)備的泄漏量后，可以得到集體防護(hù)區(qū)的泄漏量Q。

Q=∑Qi

(3)

3 集體防護(hù)區(qū)泄漏量的試驗(yàn)測(cè)量方法

3.1 靜態(tài)測(cè)量法

靜態(tài)測(cè)量法是將集體防護(hù)區(qū)密閉后，向防護(hù)區(qū)內(nèi)充氣至一定壓力，在規(guī)定的時(shí)間后，通過壓力下降的數(shù)值來(lái)衡量集體防護(hù)區(qū)的泄漏量。

設(shè)壓力允許下降x%，則在規(guī)定時(shí)間后，防護(hù)區(qū)內(nèi)的壓力值為

p2=p1-p1x%

(4)

3.1.1 溫度變化對(duì)測(cè)量的影響

采用靜態(tài)測(cè)量法對(duì)集體防護(hù)區(qū)進(jìn)行密閉性試驗(yàn)時(shí)，由于需要靜置較長(zhǎng)的時(shí)間，在此期間，由于外界環(huán)境的變化，如太陽(yáng)輻射、大氣溫度的變化等，集體防護(hù)區(qū)的溫度也會(huì)產(chǎn)生變化。下面將分析溫度變化對(duì)測(cè)量產(chǎn)生的影響。

設(shè)試驗(yàn)開始時(shí)，密閉區(qū)的壓力為p1，溫度為T1，空氣質(zhì)量為m1；試驗(yàn)結(jié)束時(shí)密閉區(qū)的壓力為p2，溫度為T2，空氣質(zhì)量為m2；Δp=p2-p1，ΔT=T2-T1。根據(jù)理想氣體定律有[3]

(5)

(6)

取p1=1.01×105Pa，T1=288 K(15 ℃)，假設(shè)試驗(yàn)過程中溫度下降0.5 ℃，則

可見，在測(cè)量過程中，溫度的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果的變化影響很大，屬必然誤差，另外考慮到偶然誤差的影響，最終壓力測(cè)定應(yīng)滿足

(7)

其中，由于存在誤差，每次的測(cè)量結(jié)果都會(huì)不一樣，在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，M表示測(cè)量精度。

3.1.2 壓力下降值和泄漏量之間的關(guān)系

在任意時(shí)間間隔dτ內(nèi)，集體防護(hù)區(qū)內(nèi)壓力p下降了dp，根據(jù)理想氣體定律，有

Vdp=RTdm

(8)

式中：V——集體防護(hù)區(qū)容積；

R——?dú)怏w常數(shù)；

T——集體防護(hù)區(qū)內(nèi)溫度;

dm——在dτ時(shí)間內(nèi)集體防護(hù)區(qū)內(nèi)減少的空氣質(zhì)量，也就是空氣泄漏量。

根據(jù)式(1)，其泄漏的空氣體積dV為

dV=Fdpkdτ

(9)

根據(jù)理想氣體定律，在壓力p下，dV對(duì)應(yīng)的dm為

(10)

將式(10)代入式(8)，有

(11)

(12)

式中：p1——試驗(yàn)前的增壓壓力,Pa；

p2——試驗(yàn)后的增壓壓力,Pa；

τ——規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間,h。

得到Fd，根據(jù)式(2)就可以算出集體防護(hù)區(qū)在增壓設(shè)定值下的泄漏量。

3.2 動(dòng)態(tài)測(cè)量法

動(dòng)態(tài)測(cè)量法是通過可調(diào)速風(fēng)機(jī)向密閉區(qū)內(nèi)充氣，在規(guī)定的超壓值下，通過測(cè)量風(fēng)機(jī)的進(jìn)氣流量來(lái)計(jì)算其泄露量。測(cè)量?jī)x器由小流量高壓頭的變頻風(fēng)機(jī)、微壓計(jì)、空氣流量計(jì)等組成。

調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使集體防護(hù)系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在規(guī)定的超壓值p上，此時(shí)測(cè)出風(fēng)機(jī)的流量Q就是集體防護(hù)區(qū)在超壓p下的泄露量。

4 結(jié)束語(yǔ)

集體防護(hù)系統(tǒng)泄露量的估算與測(cè)量是系統(tǒng)設(shè)計(jì)與施工中的重要環(huán)節(jié)之一。通過以上分析，使用靜態(tài)測(cè)量法時(shí)，其測(cè)量結(jié)果受溫度影響比較大，應(yīng)選擇在對(duì)溫度干擾較小的外界環(huán)境及時(shí)段進(jìn)行。動(dòng)態(tài)測(cè)量法比較直觀，但由于集防區(qū)的泄露量一般都控制得比較小，其準(zhǔn)確度取決于變頻風(fēng)機(jī)及空氣流量計(jì)的精度。

[1] 徐玉黨.室內(nèi)人工環(huán)境技術(shù)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2000.

[2] 華紹曾，楊學(xué)寧.實(shí)用流體阻力手冊(cè)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1985.

[3] 劉寶興.工程熱力學(xué)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2006.