鎖氣室通過(guò)過(guò)程分析

孫 碩 張化南

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

鎖氣室通過(guò)過(guò)程分析

孫 碩 張化南

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

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

集防系統(tǒng)；鎖氣室；建壓過(guò)程；稀釋過(guò)程

引 言

為應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的核生化安全挑戰(zhàn)，各海軍大國(guó)均在全力發(fā)展艦船集體防護(hù)系統(tǒng)，以加強(qiáng)對(duì)核生化威脅的應(yīng)對(duì)能力［1］。集體防護(hù)系統(tǒng)保持一定的超壓，以防止污染空氣進(jìn)入［2］，為維持集防區(qū)內(nèi)超壓并防止開(kāi)門(mén)過(guò)程引入污染物，需在集防區(qū)的周界建立鎖氣室以作為進(jìn)入和離開(kāi)集防區(qū)域的通道。

鎖氣室應(yīng)具有一定的通過(guò)能力，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成人員通過(guò)并消除該過(guò)程帶來(lái)的擾動(dòng)。鎖氣室的通過(guò)能力與鎖氣室的結(jié)構(gòu)尺寸、通風(fēng)量、開(kāi)門(mén)時(shí)間、外界環(huán)境等因素有關(guān)。為實(shí)現(xiàn)鎖氣室的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，需對(duì)鎖氣室的使用過(guò)程及上述因素對(duì)鎖氣室使用的影響有清晰的認(rèn)識(shí)。

本文分析鎖氣室使用過(guò)程，對(duì)鎖氣室建壓過(guò)程和污染物稀釋過(guò)程進(jìn)行理論分析，并針對(duì)典型鎖氣室通過(guò)時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

1 鎖氣室使用過(guò)程分析

鎖氣室分為3種類(lèi)型：Ⅰ型，全防護(hù)集防區(qū)與露天相接的鎖氣室；Ⅱ型，全防護(hù)集防區(qū)與有限防護(hù)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(gè)全防護(hù)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(gè)小的雙門(mén)隔艙，內(nèi)門(mén)開(kāi)向全防護(hù)集防區(qū)，外門(mén)開(kāi)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(hù)集防區(qū)的潔凈空氣，吹除由于外門(mén)開(kāi)啟進(jìn)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(dá)到設(shè)定值時(shí)閥門(mén)開(kāi)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(shí)，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(shí)，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(shí)現(xiàn)艙室保壓，鎖氣室的內(nèi)門(mén)和外門(mén)不能同時(shí)開(kāi)啟。定義每批次人員從集防區(qū)通過(guò)鎖氣室進(jìn)入外界環(huán)境為鎖氣室的一個(gè)使用周期。可將一個(gè)使用周期分為以下四個(gè)過(guò)程：

過(guò)程11 鎖氣室內(nèi)門(mén)開(kāi)啟，人員從集防區(qū)域進(jìn)入鎖氣室，鎖氣室內(nèi)門(mén)關(guān)閉。開(kāi)門(mén)時(shí)集防區(qū)空氣進(jìn)入鎖氣室，鎖氣室壓力升高。

過(guò)程22 鎖氣室外門(mén)開(kāi)啟，人員離開(kāi)鎖氣室進(jìn)入外界環(huán)境，鎖氣室外門(mén)關(guān)閉。期間鎖氣室內(nèi)空氣流出，超壓?jiǎn)适В形廴疚锴秩搿?/p>

過(guò)程3（建壓過(guò)程） 鎖氣室內(nèi)外門(mén)均關(guān)閉，集防區(qū)內(nèi)潔凈空氣通過(guò)內(nèi)壁的微壓差控制閥進(jìn)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(dá)到設(shè)定點(diǎn)后也會(huì)開(kāi)啟。

過(guò)程4（污染物稀釋過(guò)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(guò)程1和過(guò)程2所需的時(shí)間主要是開(kāi)門(mén)和關(guān)門(mén)時(shí)間，與人員的操作熟練程度有關(guān)，兩過(guò)程總計(jì)耗時(shí)一般小于60 s。

2 鎖氣室建壓過(guò)程分析

建壓過(guò)程從外門(mén)關(guān)閉時(shí)開(kāi)始，此時(shí)鎖氣室內(nèi)壓力為外界大氣壓。建壓過(guò)程分為兩個(gè)階段：第一階段，內(nèi)壁微壓差控制閥開(kāi)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(dá)到外壁微壓差控制閥的開(kāi)啟設(shè)定值后閥門(mén)開(kāi)啟，排氣量逐漸增加，同時(shí)內(nèi)壁閥門(mén)進(jìn)氣量逐漸減小，直至進(jìn)排氣量相等，艙室壓力穩(wěn)定。

為估計(jì)鎖氣室的建壓時(shí)間，可對(duì)建壓過(guò)程進(jìn)行如下簡(jiǎn)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(guò)程較短，因此可忽略建壓過(guò)程中的氣體泄漏，認(rèn)為氣體只從排氣閥排出；

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

（4）由于建壓過(guò)程很短，因此可認(rèn)為該期間溫度不變。

設(shè)外界大氣壓為標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)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(shí)間，s；Pi為集防區(qū)域氣體壓力，Pa。

通過(guò)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(shí)間的關(guān)系：

式中：C1為常數(shù)，通過(guò)初始狀態(tài)確定。

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

式中：C2為常數(shù)，通過(guò)第二階段的起始狀態(tài)確定。

通過(guò)式（8）可求得到達(dá)平衡壓力所需時(shí)間。假設(shè)外壁微壓差控制閥開(kāi)啟時(shí)鎖氣室超壓為150 Pa，對(duì)典型的鎖氣室［3］（長(zhǎng)1.2 m、寬1.2 m、高2.1 m、額定空氣流量713.6 m3/h）進(jìn)行計(jì)算，鎖氣室內(nèi)超壓與時(shí)間的關(guān)系如圖2所示。可以看出，建壓過(guò)程很短，經(jīng)過(guò)約0.055 s后艙室壓力即可達(dá)到穩(wěn)定。

圖2 建壓過(guò)程艙室壓力變化

3 鎖氣室污染物清除過(guò)程分析

當(dāng)建壓過(guò)程結(jié)束后，進(jìn)排氣保持動(dòng)態(tài)平衡，壓力穩(wěn)定。鎖氣室通過(guò)進(jìn)排氣，不斷對(duì)室內(nèi)空氣中的污染物進(jìn)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(guò)鎖氣室。

污染物的清除過(guò)程所需的時(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)［3］中介紹了換氣清除法對(duì)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(guò)式（9）計(jì)算得到的清除率與文獻(xiàn)［3］中的數(shù)據(jù)均列于下頁(yè)表1中。通過(guò)比較可知，公式計(jì)算值與文獻(xiàn)值吻合良好，可以用來(lái)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(lèi)有關(guān)。由于外門(mén)開(kāi)啟過(guò)程氣體流動(dòng)的復(fù)雜性，無(wú)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(shí)間。文獻(xiàn)［3］建議鎖氣室外門(mén)關(guān)閉后經(jīng)過(guò)7～9次換氣后再進(jìn)入集防區(qū)，根據(jù)式（9），經(jīng)過(guò)7次后污染物的清除率為99.909%，經(jīng)過(guò)9次換氣后污染物的清除率為99.988%。

4 鎖氣室的使用全過(guò)程分析

針對(duì)典型鎖氣室，在不同風(fēng)量下計(jì)算鎖氣室一個(gè)使用周期所需時(shí)間，并列于表2中。其中過(guò)程1和過(guò)程2所需時(shí)間定為60 s，過(guò)程4是以7次通風(fēng)換氣次數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算的。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析可知，污染物稀釋過(guò)程是通過(guò)鎖氣室時(shí)主要的耗時(shí)部分；隨著風(fēng)量的增大建壓過(guò)程和污染物稀釋過(guò)程的耗時(shí)均減小，可通過(guò)增大通風(fēng)量減少鎖氣室的通過(guò)時(shí)間；另外建壓過(guò)程時(shí)間很短，與過(guò)程1、過(guò)程2、過(guò)程4相比均不在一個(gè)量級(jí)，在考慮總時(shí)間時(shí)可將其忽略不計(jì)。

表2 不同風(fēng)量下各過(guò)程耗時(shí)

5 結(jié) 論

本文分析了鎖氣室使用的過(guò)程，建立了鎖氣室建壓過(guò)程壓力變化的理論模型，并對(duì)典型鎖氣室進(jìn)行計(jì)算，得到其艙內(nèi)超壓隨時(shí)間變化的規(guī)律；驗(yàn)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(duì)典型鎖氣室計(jì)算了不同通風(fēng)量下通過(guò)鎖氣室的各過(guò)程所需時(shí)間。研究表明鎖氣室建壓時(shí)間很短，在以通過(guò)時(shí)間為限制的鎖氣室流量設(shè)計(jì)中，只需考慮稀釋過(guò)程和開(kāi)關(guān)門(mén)過(guò)程。本文所建立的模型可為后續(xù)試驗(yàn)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(hù)［J］. 艦船科學(xué)技術(shù)，2011（7）：150-155.

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

［3］ 美國(guó)海軍海上系統(tǒng)司令部. 美國(guó)海軍艦船技術(shù)手冊(cè)［M］.欒勝利，居連元，劉書(shū)子，譯.北京：中國(guó)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(jì)。

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