集体防护系统泄漏量分析

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

集体防护系统正常运行的必要条件之一就是需要在集体防护区内建立超压，而超压的建立必须严格控制防护区气密周界的泄露量。集体防护系统设计时，需要对防护区的泄露量进行预估，确保经滤毒处理的进风量能对防护区的泄露进行弥补，建立稳定超压。在建造过程中，需严格按照气密原则工艺进行施工，并在建造完成后，对泄露量进行测量，保证泄露量控制在规定范围内。在施工严格按气密工艺施工条件下，气密门、气密盖是气密周界上的主要泄露设备，并且考虑到使用过程中的磨损与老化，其允许的泄露量上需预留一定的余量。因此，可采用气密门、气密盖的最大泄露量对集体防护区的最大泄露量进行预估。

1 气密门、气密盖的泄露量

对于气密门或舱口盖，舱壁两侧压差为Δp时，就会有气流通过该缝隙[1]：

V∝Δpk

(1)

式中：V——通过缝隙的空气流速,m/s;

k——紊流系数，对舱门及梯口盖，一般可取k=0.65;

不同的雷诺数Re决定不同的流动状态。当流动处于自模紊流状态时，处于阻力平方区，适用于那些流速较高的孔口出流，此时k=0.5；当流动处于层流状态，流动阻力是由与速度一次方成正比的粘性力引起的，适用流速缓慢，流道断面细小而复杂的渗流[2]。

对于门窗缝隙的空气泄漏来说，其流动状态多介于孔口出流和渗流之间。一般取k=0.65。

通过门、舱口盖的空气泄漏量为

Q=3 600VF=αLΔpk=FdΔpk

(2)

式中：Q——通过缝隙的空气量，m3/h;

F——缝隙的面积,m2;

α——泄漏系数，取决于门窗的气密性;

L——缝隙的长度,m;

Fd——当量孔口面积,m3/(h·Pak)，

Fd=αL。

2 集体防护区最大泄漏量的估算

根据美国海军通用规范(94)，在增压压力为500 Pa时，气密门的泄漏量不应超过50 ft3/min(84 m3/h)。按照气密门的一般规格650 mm×1 650 mm，即气密周界为4.6 m。那么气密门的最大泄漏系数α为

参照该泄漏系数值，根据式(2)，估算集体防护区的气密门、气密舱盖等设备的泄漏量。

分别计算出各气密设备的泄漏量后，可以得到集体防护区的泄漏量Q。

Q=∑Qi

(3)

3 集体防护区泄漏量的试验测量方法

3.1 静态测量法

静态测量法是将集体防护区密闭后，向防护区内充气至一定压力，在规定的时间后，通过压力下降的数值来衡量集体防护区的泄漏量。

设压力允许下降x%，则在规定时间后，防护区内的压力值为

p2=p1-p1x%

(4)

3.1.1 温度变化对测量的影响

采用静态测量法对集体防护区进行密闭性试验时，由于需要静置较长的时间，在此期间，由于外界环境的变化，如太阳辐射、大气温度的变化等，集体防护区的温度也会产生变化。下面将分析温度变化对测量产生的影响。

设试验开始时，密闭区的压力为p1，温度为T1，空气质量为m1；试验结束时密闭区的压力为p2，温度为T2，空气质量为m2；Δp=p2-p1，ΔT=T2-T1。根据理想气体定律有[3]

(5)

(6)

取p1=1.01×105Pa，T1=288 K(15 ℃)，假设试验过程中温度下降0.5 ℃，则

可见，在测量过程中，温度的变化对测量结果的变化影响很大，属必然误差，另外考虑到偶然误差的影响，最终压力测定应满足

(7)

其中，由于存在误差，每次的测量结果都会不一样，在一定范围内波动，M表示测量精度。

3.1.2 压力下降值和泄漏量之间的关系

在任意时间间隔dτ内，集体防护区内压力p下降了dp，根据理想气体定律，有

Vdp=RTdm

(8)

式中：V——集体防护区容积；

R——气体常数；

T——集体防护区内温度;

dm——在dτ时间内集体防护区内减少的空气质量，也就是空气泄漏量。

根据式(1)，其泄漏的空气体积dV为

dV=Fdpkdτ

(9)

根据理想气体定律，在压力p下，dV对应的dm为

(10)

将式(10)代入式(8)，有

(11)

(12)

式中：p1——试验前的增压压力,Pa；

p2——试验后的增压压力,Pa；

τ——规定的试验时间,h。

得到Fd，根据式(2)就可以算出集体防护区在增压设定值下的泄漏量。

3.2 动态测量法

动态测量法是通过可调速风机向密闭区内充气，在规定的超压值下，通过测量风机的进气流量来计算其泄露量。测量仪器由小流量高压头的变频风机、微压计、空气流量计等组成。

调节风机转速，使集体防护系统压力稳定在规定的超压值p上，此时测出风机的流量Q就是集体防护区在超压p下的泄露量。

4 结束语

集体防护系统泄露量的估算与测量是系统设计与施工中的重要环节之一。通过以上分析，使用静态测量法时，其测量结果受温度影响比较大，应选择在对温度干扰较小的外界环境及时段进行。动态测量法比较直观，但由于集防区的泄露量一般都控制得比较小，其准确度取决于变频风机及空气流量计的精度。

[1] 徐玉党.室内人工环境技术[M].武汉:华中科技大学出版社,2000.

[2] 华绍曾，杨学宁.实用流体阻力手册[M].北京:国防工业出版社,1985.

[3] 刘宝兴.工程热力学[M].北京: 机械工业出版社,2006.