集體防護系統泄漏量分析

(中國艦船研究設計中心，武漢 430064)

集體防護系統正常運行的必要條件之一就是需要在集體防護區內建立超壓，而超壓的建立必須嚴格控制防護區氣密周界的泄露量。集體防護系統設計時，需要對防護區的泄露量進行預估，確保經濾毒處理的進風量能對防護區的泄露進行彌補，建立穩定超壓。在建造過程中，需嚴格按照氣密原則工藝進行施工，并在建造完成后，對泄露量進行測量，保證泄露量控制在規定范圍內。在施工嚴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留一定的余量。因此，可采用氣密門、氣密蓋的最大泄露量對集體防護區的最大泄露量進行預估。

1 氣密門、氣密蓋的泄露量

對于氣密門或艙口蓋，艙壁兩側壓差為Δp時，就會有氣流通過該縫隙[1]：

V∝Δpk

(1)

式中：V——通過縫隙的空氣流速,m/s;

k——紊流系數，對艙門及梯口蓋，一般可取k=0.65;

不同的雷諾數Re決定不同的流動狀態。當流動處于自模紊流狀態時，處于阻力平方區，適用于那些流速較高的孔口出流，此時k=0.5；當流動處于層流狀態，流動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，流道斷面細小而復雜的滲流[2]。

對于門窗縫隙的空氣泄漏來說，其流動狀態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，取決于門窗的氣密性;

L——縫隙的長度,m;

Fd——當量孔口面積,m3/(h·Pak)，

Fd=αL。

2 集體防護區最大泄漏量的估算

根據美國海軍通用規范(94)，在增壓壓力為500 Pa時，氣密門的泄漏量不應超過50 ft3/min(84 m3/h)。按照氣密門的一般規格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α為

參照該泄漏系數值，根據式(2)，估算集體防護區的氣密門、氣密艙蓋等設備的泄漏量。

分別計算出各氣密設備的泄漏量后，可以得到集體防護區的泄漏量Q。

Q=∑Qi

(3)

3 集體防護區泄漏量的試驗測量方法

3.1 靜態測量法

靜態測量法是將集體防護區密閉后，向防護區內充氣至一定壓力，在規定的時間后，通過壓力下降的數值來衡量集體防護區的泄漏量。

設壓力允許下降x%，則在規定時間后，防護區內的壓力值為

p2=p1-p1x%

(4)

3.1.1 溫度變化對測量的影響

采用靜態測量法對集體防護區進行密閉性試驗時，由于需要靜置較長的時間，在此期間，由于外界環境的變化，如太陽輻射、大氣溫度的變化等，集體防護區的溫度也會產生變化。下面將分析溫度變化對測量產生的影響。

設試驗開始時，密閉區的壓力為p1，溫度為T1，空氣質量為m1；試驗結束時密閉區的壓力為p2，溫度為T2，空氣質量為m2；Δp=p2-p1，ΔT=T2-T1。根據理想氣體定律有[3]

(5)

(6)

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

可見，在測量過程中，溫度的變化對測量結果的變化影響很大，屬必然誤差，另外考慮到偶然誤差的影響，最終壓力測定應滿足

(7)

其中，由于存在誤差，每次的測量結果都會不一樣，在一定范圍內波動，M表示測量精度。

3.1.2 壓力下降值和泄漏量之間的關系

在任意時間間隔dτ內，集體防護區內壓力p下降了dp，根據理想氣體定律，有

Vdp=RTdm

(8)

式中：V——集體防護區容積；

R——氣體常數；

T——集體防護區內溫度;

dm——在dτ時間內集體防護區內減少的空氣質量，也就是空氣泄漏量。

根據式(1)，其泄漏的空氣體積dV為

dV=Fdpkdτ

(9)

根據理想氣體定律，在壓力p下，dV對應的dm為

(10)

將式(10)代入式(8)，有

(11)

(12)

式中：p1——試驗前的增壓壓力,Pa；

p2——試驗后的增壓壓力,Pa；

τ——規定的試驗時間,h。

得到Fd，根據式(2)就可以算出集體防護區在增壓設定值下的泄漏量。

3.2 動態測量法

動態測量法是通過可調速風機向密閉區內充氣，在規定的超壓值下，通過測量風機的進氣流量來計算其泄露量。測量儀器由小流量高壓頭的變頻風機、微壓計、空氣流量計等組成。

調節風機轉速，使集體防護系統壓力穩定在規定的超壓值p上，此時測出風機的流量Q就是集體防護區在超壓p下的泄露量。

4 結束語

集體防護系統泄露量的估算與測量是系統設計與施工中的重要環節之一。通過以上分析，使用靜態測量法時，其測量結果受溫度影響比較大，應選擇在對溫度干擾較小的外界環境及時段進行。動態測量法比較直觀，但由于集防區的泄露量一般都控制得比較小，其準確度取決于變頻風機及空氣流量計的精度。

[1] 徐玉黨.室內人工環境技術[M].武漢:華中科技大學出版社,2000.

[2] 華紹曾，楊學寧.實用流體阻力手冊[M].北京:國防工業出版社,1985.

[3] 劉寶興.工程熱力學[M].北京: 機械工業出版社,2006.