鎖氣室通過過程分析

孫 碩 張化南

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

鎖氣室通過過程分析

孫 碩 張化南

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海 200011）

建立了鎖氣室建壓過程的理論模型，分析了污染物稀釋過程中亂流稀釋公式的適用性，并據(jù)此對典型鎖氣室不同通風(fēng)量下的通過時間進行計算。通過分析可知，通過時間隨通風(fēng)量增大而減小，計算時可忽略建壓過程的耗時。

集防系統(tǒng)；鎖氣室；建壓過程；稀釋過程

引 言

為應(yīng)對日益嚴峻的核生化安全挑戰(zhàn)，各海軍大國均在全力發(fā)展艦船集體防護系統(tǒng)，以加強對核生化威脅的應(yīng)對能力［1］。集體防護系統(tǒng)保持一定的超壓，以防止污染空氣進入［2］，為維持集防區(qū)內(nèi)超壓并防止開門過程引入污染物，需在集防區(qū)的周界建立鎖氣室以作為進入和離開集防區(qū)域的通道。

鎖氣室應(yīng)具有一定的通過能力，在規(guī)定的時間內(nèi)完成人員通過并消除該過程帶來的擾動。鎖氣室的通過能力與鎖氣室的結(jié)構(gòu)尺寸、通風(fēng)量、開門時間、外界環(huán)境等因素有關(guān)。為實現(xiàn)鎖氣室的設(shè)計和優(yōu)化，需對鎖氣室的使用過程及上述因素對鎖氣室使用的影響有清晰的認識。

本文分析鎖氣室使用過程，對鎖氣室建壓過程和污染物稀釋過程進行理論分析，并針對典型鎖氣室通過時間進行計算。

1 鎖氣室使用過程分析

鎖氣室分為3種類型：Ⅰ型，全防護集防區(qū)與露天相接的鎖氣室；Ⅱ型，全防護集防區(qū)與有限防護集防區(qū)或其他未加壓的內(nèi)部區(qū)相連的鎖氣室；Ⅲ型，連接兩個全防護集防區(qū)的鎖氣室。Ⅰ型鎖氣室直接連通外界環(huán)境，是三種鎖氣室中要求最為苛刻的。本文旨在研究Ⅰ型鎖氣室。

鎖氣室是一個小的雙門隔艙，內(nèi)門開向全防護集防區(qū)，外門開向外界環(huán)境。鎖氣室在內(nèi)壁和外壁設(shè)微壓差控制閥，利用全防護集防區(qū)的潔凈空氣，吹除由于外門開啟進入的污染物。微壓差控制閥可使相鄰兩空間保持一定的壓差，控制閥內(nèi)設(shè)彈簧，當(dāng)壓差達到設(shè)定值時閥門開啟，空氣從高壓艙室流入低壓艙室，壓差越大空氣流量越大。鎖氣室在穩(wěn)定工況時，內(nèi)壁和外壁微壓差控制閥均保持一定流量。鎖氣室的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鎖氣室結(jié)構(gòu)示意圖

正常使用時，集防區(qū)域與鎖氣室、鎖氣室與外界環(huán)境間保持一定的壓力梯度。為實現(xiàn)艙室保壓，鎖氣室的內(nèi)門和外門不能同時開啟。定義每批次人員從集防區(qū)通過鎖氣室進入外界環(huán)境為鎖氣室的一個使用周期?？蓪⒁粋€使用周期分為以下四個過程：

過程11 鎖氣室內(nèi)門開啟，人員從集防區(qū)域進入鎖氣室，鎖氣室內(nèi)門關(guān)閉。開門時集防區(qū)空氣進入鎖氣室，鎖氣室壓力升高。

過程22 鎖氣室外門開啟，人員離開鎖氣室進入外界環(huán)境，鎖氣室外門關(guān)閉。期間鎖氣室內(nèi)空氣流出，超壓喪失，有污染物侵入。

過程3（建壓過程） 鎖氣室內(nèi)外門均關(guān)閉，集防區(qū)內(nèi)潔凈空氣通過內(nèi)壁的微壓差控制閥進入鎖氣室，鎖氣室重新建立超壓，期間當(dāng)外壁微壓差控制閥達到設(shè)定點后也會開啟。

過程4（污染物稀釋過程） 艙室壓力保持穩(wěn)定，潔凈空氣繼續(xù)流通，吹除污染物至可接受的濃度范圍。

過程1和過程2所需的時間主要是開門和關(guān)門時間，與人員的操作熟練程度有關(guān)，兩過程總計耗時一般小于60 s。

2 鎖氣室建壓過程分析

建壓過程從外門關(guān)閉時開始，此時鎖氣室內(nèi)壓力為外界大氣壓。建壓過程分為兩個階段：第一階段，內(nèi)壁微壓差控制閥開啟，外壁微壓差控制閥關(guān)閉，鎖氣室內(nèi)壓力上升；第二階段，鎖氣室與外界壓差達到外壁微壓差控制閥的開啟設(shè)定值后閥門開啟，排氣量逐漸增加，同時內(nèi)壁閥門進氣量逐漸減小，直至進排氣量相等，艙室壓力穩(wěn)定。

為估計鎖氣室的建壓時間，可對建壓過程進行如下簡化：

（1）在常溫常壓下空氣可視為理想氣體；

（2）由于艙室氣密性良好且建壓過程較短，因此可忽略建壓過程中的氣體泄漏，認為氣體只從排氣閥排出；

（3）由于集防區(qū)域遠大于鎖氣室，進入鎖氣室空氣相對較少，因此可假定集防區(qū)域壓力不變；

（4）由于建壓過程很短，因此可認為該期間溫度不變。

設(shè)外界大氣壓為標準大氣壓Po=101 325 Pa；鎖氣室與外界環(huán)境額定超壓250 Pa；集防區(qū)域與外界環(huán)境的額定超壓為500 Pa；內(nèi)外壁微壓差控制閥相同。 根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=MRgT 可推出：

式中：P為鎖氣室內(nèi)氣體壓力，Pa；V 為鎖氣室內(nèi)容積，m3；M為鎖氣室內(nèi)氣體質(zhì)量，kg；Rg為空氣的氣體常數(shù)287 J/（kg·K）；T 為鎖氣室內(nèi)氣體溫度，K。

由于鎖氣室與集防區(qū)域氣流交換良好，認為鎖氣室與集防區(qū)域的溫度相同。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律：

式中：qm為氣體的質(zhì)量流量，kg/s；qv為氣體的體積流量，m3/s；t為時間，s；Pi為集防區(qū)域氣體壓力，Pa。

通過查閱微壓差控制閥的樣本，可看出在使用范圍內(nèi)，氣體流量和壓差近似滿足線性關(guān)系，設(shè)為：

式中：a、b與控制閥的性能相關(guān)，將式（3）代入式（2）得：

可以得到第一階段壓力和時間的關(guān)系：

式中：C1為常數(shù)，通過初始狀態(tài)確定。

當(dāng)經(jīng)鎖氣室內(nèi)壓力達到一定值PS1，外壁上的微壓差控制閥開啟。此時 ：

式中：C2為常數(shù)，通過第二階段的起始狀態(tài)確定。

通過式（8）可求得到達平衡壓力所需時間。假設(shè)外壁微壓差控制閥開啟時鎖氣室超壓為150 Pa，對典型的鎖氣室［3］（長1.2 m、寬1.2 m、高2.1 m、額定空氣流量713.6 m3/h）進行計算，鎖氣室內(nèi)超壓與時間的關(guān)系如圖2所示?？梢钥闯?，建壓過程很短，經(jīng)過約0.055 s后艙室壓力即可達到穩(wěn)定。

圖2 建壓過程艙室壓力變化

3 鎖氣室污染物清除過程分析

當(dāng)建壓過程結(jié)束后，進排氣保持動態(tài)平衡，壓力穩(wěn)定。鎖氣室通過進排氣，不斷對室內(nèi)空氣中的污染物進行稀釋和清除。污染物濃度不斷減小直至可接受的程度后允許下一批次的人員通過鎖氣室。

污染物的清除過程所需的時間與污染物初始濃度、污染物稀釋規(guī)律以及污染物的可接受濃度有關(guān)。其中污染物的稀釋規(guī)律與氣體的流量、艙室的結(jié)構(gòu)、污染物能否及時彌散等因素有關(guān)。空氣潔凈技術(shù)原理［4］介紹了亂流潔凈室內(nèi)污染物瞬稀釋的規(guī)律：

式中：β為艙內(nèi)污染物的瞬時濃度與初始濃度的比率；q為空氣流量，m3/s。

該式是建立在污染物與潔凈空氣充分混合的基礎(chǔ)上，其在艦船鎖氣室中的適用性尚需進行驗證。文獻［3］中介紹了換氣清除法對于艙室內(nèi)污染物的清除作用，并給出不同換氣次數(shù)下的污染物清除率。

通過式（9）計算得到的清除率與文獻［3］中的數(shù)據(jù)均列于下頁表1中。通過比較可知，公式計算值與文獻值吻合良好，可以用來描述鎖氣室內(nèi)的污染物稀釋規(guī)律。

表1 不同換氣次數(shù)下污染物清除率

污染物的初始濃度由污染物的侵入量決定，而可接受濃度與污染物種類有關(guān)。由于外門開啟過程氣體流動的復(fù)雜性，無法得到侵入鎖氣室的污染物的量。所以即使給定污染物，也難以判斷污染物濃度降低到可接受的范圍所需的時間。文獻［3］建議鎖氣室外門關(guān)閉后經(jīng)過7～9次換氣后再進入集防區(qū)，根據(jù)式（9），經(jīng)過7次后污染物的清除率為99.909%，經(jīng)過9次換氣后污染物的清除率為99.988%。

4 鎖氣室的使用全過程分析

針對典型鎖氣室，在不同風(fēng)量下計算鎖氣室一個使用周期所需時間，并列于表2中。其中過程1和過程2所需時間定為60 s，過程4是以7次通風(fēng)換氣次數(shù)為標準進行計算的。通過對計算結(jié)果進行分析可知，污染物稀釋過程是通過鎖氣室時主要的耗時部分；隨著風(fēng)量的增大建壓過程和污染物稀釋過程的耗時均減小，可通過增大通風(fēng)量減少鎖氣室的通過時間；另外建壓過程時間很短，與過程1、過程2、過程4相比均不在一個量級，在考慮總時間時可將其忽略不計。

表2 不同風(fēng)量下各過程耗時

5 結(jié) 論

本文分析了鎖氣室使用的過程，建立了鎖氣室建壓過程壓力變化的理論模型，并對典型鎖氣室進行計算，得到其艙內(nèi)超壓隨時間變化的規(guī)律；驗證了亂流潔凈室內(nèi)污染物稀釋規(guī)律在艦船鎖氣室內(nèi)的適用性；針對典型鎖氣室計算了不同通風(fēng)量下通過鎖氣室的各過程所需時間。研究表明鎖氣室建壓時間很短，在以通過時間為限制的鎖氣室流量設(shè)計中，只需考慮稀釋過程和開關(guān)門過程。本文所建立的模型可為后續(xù)試驗提供理論基礎(chǔ)。

［1］ 劉虹，劉飛，王斌. 海上核化生安全威脅與水面艦艇集體防護［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)，2011（7）：150-155.

［2］ 方勇. 艦船集體防護系統(tǒng)超壓及其波動分析［J］. 艦船防化，2011（3）：48-51.

［3］ 美國海軍海上系統(tǒng)司令部. 美國海軍艦船技術(shù)手冊［M］.欒勝利，居連元，劉書子，譯.北京：中國船舶信息中心，2003.

［4］ 許鐘麟. 空氣潔凈技術(shù)原理［M］. 第3版. 北京：科學(xué)出版社，2003.

On passage process through airlock

SUN Shuo ZHANG Hua-nan
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

A theoretical model of the pressing process of an airlock is built up， and the application of the dilution formula for turbulent fl ow is analyzed during the pollution dilution process. Then， the passage time with diff erent ventilation rate is calculated for a typical airlock. The analysis of the results show that the passage time will reduce with the increasing ventilation rate， and the time of pressing process can be omitted during the calculation.

collective protection system； airlock； pressing process； dilution process

U664.86

A

1001-9855（2015）06-0057-04

2015-04-14；

2015-06-10

孫 碩（1987-），男，碩士，助理工程師，研究方向：船舶空調(diào)冷藏設(shè)計。

張化南（1980-），男，高級工程師，研究方向：船舶空調(diào)冷藏設(shè)計。