锁气室通过过程分析

孙 硕 张化南

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

锁气室通过过程分析

孙 硕 张化南

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

建立了锁气室建压过程的理论模型，分析了污染物稀释过程中乱流稀释公式的适用性，并据此对典型锁气室不同通风量下的通过时间进行计算。通过分析可知，通过时间随通风量增大而减小，计算时可忽略建压过程的耗时。

集防系统；锁气室；建压过程；稀释过程

引 言

为应对日益严峻的核生化安全挑战，各海军大国均在全力发展舰船集体防护系统，以加强对核生化威胁的应对能力［1］。集体防护系统保持一定的超压，以防止污染空气进入［2］，为维持集防区内超压并防止开门过程引入污染物，需在集防区的周界建立锁气室以作为进入和离开集防区域的通道。

锁气室应具有一定的通过能力，在规定的时间内完成人员通过并消除该过程带来的扰动。锁气室的通过能力与锁气室的结构尺寸、通风量、开门时间、外界环境等因素有关。为实现锁气室的设计和优化，需对锁气室的使用过程及上述因素对锁气室使用的影响有清晰的认识。

本文分析锁气室使用过程，对锁气室建压过程和污染物稀释过程进行理论分析，并针对典型锁气室通过时间进行计算。

1 锁气室使用过程分析

锁气室分为3种类型：Ⅰ型，全防护集防区与露天相接的锁气室；Ⅱ型，全防护集防区与有限防护集防区或其他未加压的内部区相连的锁气室；Ⅲ型，连接两个全防护集防区的锁气室。Ⅰ型锁气室直接连通外界环境，是三种锁气室中要求最为苛刻的。本文旨在研究Ⅰ型锁气室。

锁气室是一个小的双门隔舱，内门开向全防护集防区，外门开向外界环境。锁气室在内壁和外壁设微压差控制阀，利用全防护集防区的洁净空气，吹除由于外门开启进入的污染物。微压差控制阀可使相邻两空间保持一定的压差，控制阀内设弹簧，当压差达到设定值时阀门开启，空气从高压舱室流入低压舱室，压差越大空气流量越大。锁气室在稳定工况时，内壁和外壁微压差控制阀均保持一定流量。锁气室的具体结构如图1所示。

图1 锁气室结构示意图

正常使用时，集防区域与锁气室、锁气室与外界环境间保持一定的压力梯度。为实现舱室保压，锁气室的内门和外门不能同时开启。定义每批次人员从集防区通过锁气室进入外界环境为锁气室的一个使用周期。可将一个使用周期分为以下四个过程：

过程11 锁气室内门开启，人员从集防区域进入锁气室，锁气室内门关闭。开门时集防区空气进入锁气室，锁气室压力升高。

过程22 锁气室外门开启，人员离开锁气室进入外界环境，锁气室外门关闭。期间锁气室内空气流出，超压丧失，有污染物侵入。

过程3（建压过程） 锁气室内外门均关闭，集防区内洁净空气通过内壁的微压差控制阀进入锁气室，锁气室重新建立超压，期间当外壁微压差控制阀达到设定点后也会开启。

过程4（污染物稀释过程） 舱室压力保持稳定，洁净空气继续流通，吹除污染物至可接受的浓度范围。

过程1和过程2所需的时间主要是开门和关门时间，与人员的操作熟练程度有关，两过程总计耗时一般小于60 s。

2 锁气室建压过程分析

建压过程从外门关闭时开始，此时锁气室内压力为外界大气压。建压过程分为两个阶段：第一阶段，内壁微压差控制阀开启，外壁微压差控制阀关闭，锁气室内压力上升；第二阶段，锁气室与外界压差达到外壁微压差控制阀的开启设定值后阀门开启，排气量逐渐增加，同时内壁阀门进气量逐渐减小，直至进排气量相等，舱室压力稳定。

为估计锁气室的建压时间，可对建压过程进行如下简化：

（1）在常温常压下空气可视为理想气体；

（2）由于舱室气密性良好且建压过程较短，因此可忽略建压过程中的气体泄漏，认为气体只从排气阀排出；

（3）由于集防区域远大于锁气室，进入锁气室空气相对较少，因此可假定集防区域压力不变；

（4）由于建压过程很短，因此可认为该期间温度不变。

设外界大气压为标准大气压Po=101 325 Pa；锁气室与外界环境额定超压250 Pa；集防区域与外界环境的额定超压为500 Pa；内外壁微压差控制阀相同。 根据理想气体状态方程PV=MRgT 可推出：

式中：P为锁气室内气体压力，Pa；V 为锁气室内容积，m3；M为锁气室内气体质量，kg；Rg为空气的气体常数287 J/（kg·K）；T 为锁气室内气体温度，K。

由于锁气室与集防区域气流交换良好，认为锁气室与集防区域的温度相同。

根据质量守恒定律：

式中：qm为气体的质量流量，kg/s；qv为气体的体积流量，m3/s；t为时间，s；Pi为集防区域气体压力，Pa。

通过查阅微压差控制阀的样本，可看出在使用范围内，气体流量和压差近似满足线性关系，设为：

式中：a、b与控制阀的性能相关，将式（3）代入式（2）得：

可以得到第一阶段压力和时间的关系：

式中：C1为常数，通过初始状态确定。

当经锁气室内压力达到一定值PS1，外壁上的微压差控制阀开启。此时 ：

式中：C2为常数，通过第二阶段的起始状态确定。

通过式（8）可求得到达平衡压力所需时间。假设外壁微压差控制阀开启时锁气室超压为150 Pa，对典型的锁气室［3］（长1.2 m、宽1.2 m、高2.1 m、额定空气流量713.6 m3/h）进行计算，锁气室内超压与时间的关系如图2所示。可以看出，建压过程很短，经过约0.055 s后舱室压力即可达到稳定。

图2 建压过程舱室压力变化

3 锁气室污染物清除过程分析

当建压过程结束后，进排气保持动态平衡，压力稳定。锁气室通过进排气，不断对室内空气中的污染物进行稀释和清除。污染物浓度不断减小直至可接受的程度后允许下一批次的人员通过锁气室。

污染物的清除过程所需的时间与污染物初始浓度、污染物稀释规律以及污染物的可接受浓度有关。其中污染物的稀释规律与气体的流量、舱室的结构、污染物能否及时弥散等因素有关。空气洁净技术原理［4］介绍了乱流洁净室内污染物瞬稀释的规律：

式中：β为舱内污染物的瞬时浓度与初始浓度的比率；q为空气流量，m3/s。

该式是建立在污染物与洁净空气充分混合的基础上，其在舰船锁气室中的适用性尚需进行验证。文献［3］中介绍了换气清除法对于舱室内污染物的清除作用，并给出不同换气次数下的污染物清除率。

通过式（9）计算得到的清除率与文献［3］中的数据均列于下页表1中。通过比较可知，公式计算值与文献值吻合良好，可以用来描述锁气室内的污染物稀释规律。

表1 不同换气次数下污染物清除率

污染物的初始浓度由污染物的侵入量决定，而可接受浓度与污染物种类有关。由于外门开启过程气体流动的复杂性，无法得到侵入锁气室的污染物的量。所以即使给定污染物，也难以判断污染物浓度降低到可接受的范围所需的时间。文献［3］建议锁气室外门关闭后经过7～9次换气后再进入集防区，根据式（9），经过7次后污染物的清除率为99.909%，经过9次换气后污染物的清除率为99.988%。

4 锁气室的使用全过程分析

针对典型锁气室，在不同风量下计算锁气室一个使用周期所需时间，并列于表2中。其中过程1和过程2所需时间定为60 s，过程4是以7次通风换气次数为标准进行计算的。通过对计算结果进行分析可知，污染物稀释过程是通过锁气室时主要的耗时部分；随着风量的增大建压过程和污染物稀释过程的耗时均减小，可通过增大通风量减少锁气室的通过时间；另外建压过程时间很短，与过程1、过程2、过程4相比均不在一个量级，在考虑总时间时可将其忽略不计。

表2 不同风量下各过程耗时

5 结 论

本文分析了锁气室使用的过程，建立了锁气室建压过程压力变化的理论模型，并对典型锁气室进行计算，得到其舱内超压随时间变化的规律；验证了乱流洁净室内污染物稀释规律在舰船锁气室内的适用性；针对典型锁气室计算了不同通风量下通过锁气室的各过程所需时间。研究表明锁气室建压时间很短，在以通过时间为限制的锁气室流量设计中，只需考虑稀释过程和开关门过程。本文所建立的模型可为后续试验提供理论基础。

［1］ 刘虹，刘飞，王斌. 海上核化生安全威胁与水面舰艇集体防护［J］. 舰船科学技术，2011（7）：150-155.

［2］ 方勇. 舰船集体防护系统超压及其波动分析［J］. 舰船防化，2011（3）：48-51.

［3］ 美国海军海上系统司令部. 美国海军舰船技术手册［M］.栾胜利，居连元，刘书子，译.北京：中国船舶信息中心，2003.

［4］ 许钟麟. 空气洁净技术原理［M］. 第3版. 北京：科学出版社，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

孙 硕（1987-），男，硕士，助理工程师，研究方向：船舶空调冷藏设计。

张化南（1980-），男，高级工程师，研究方向：船舶空调冷藏设计。