舰船核生化防护区二氧化碳体积分数分析
2013-01-11,
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(1.中国舰船研究设计中心,武汉 430064;2.海军装备部驻426厂军事代表室,辽宁 大连 116005)
在核生化环境中,为了减缓或避免化学毒气、生物战剂等进入舱内对人员造成伤害,必须采取的重要措施之一就是对舰船进行密闭。传统的密闭方式的防护能力是有限的,现代舰船可以通过集体防护系统达到完全防护,但由于条件限制,难以在所有区域实现集体防护,部分区域仍采用密闭方式。与密闭方式下舱内与外界隔绝不同,集体防护系统将外界空气通过滤毒装置过滤后,送入防护区内,并保持一定的压力。无论采取上述哪种防护措施,虽然可以减少或避免空气中核、生、化沾染物的威胁,但是会导致空气中CO2体积分数的增加,对舰员的健康产生重要影响。因此,人体的CO2暴露水平是核生化防护条件下需要考虑和控制的重要指标之一。
1 CO2设计生理指标和允许体积分数标准
对于CO2允许体积分数,不同的标准和规范有着不同的要求。这些差异主要是由人们对CO2的品质需求和人体的CO2暴露水平造成的。
1.1 对CO2体积分数的品质需求
根据舰船不同的条件,对CO2体积分数的品质要求可以分为三种不同的标准:舒适性标准、工效性标准和生存性标准。
平时,舰船是舰员长期生活和工作的平台,对CO2体积分数的需求采取的是舒适性标准,是要求最高的参数标准。在这个标准下,舰员长期生活和工作,不应产生任何刺激效应和远期危害,而且还不应引起精神上的不愉快。常规的空调通风系统应满足这一标准的要求。
战时,舰船的主要目标是保持战斗力,对CO2体积分数的需求采取的是工效性标准,这个标准处于舒适性标准和生存性标准之间,主要是为了保证舰员的工作效率,在战斗中能准确地作出判断、迅速地作出反应。集体防护系统应满足这一标准的要求。
另外,在环境条件限制或集体防护系统的某个区域遭到破坏的情况下,出于保护生命力考虑,对CO2体积分数的需求可以采取生存性标准,这是要求最低的参数标准,在一定的时间内,保证舰员的生命不受到威胁。这时CO2体积分数允许值主要取决于舰员的体质、活动状态以及其它环境参数的变化等。个体防护应该满足这一标准的要求。
1.2 人体的CO2暴露水平
人体的CO2暴露水平是对人体所在环境中CO2的体积分数与持续作用时间的综合评价,与人体对CO2体积分数的承受极限和持续的暴露时间是密切相关的。除了舒适性标准外,应在考虑防护区内所允许的CO2体积分数时,还要充分考虑其持续作用的时间。
2 防护区内CO2体积分数分析模型
防护区的容积为V,舰内人员数量为n,单个舰员在单位时间内散发的CO2的量为m,防护区的CO2起始体积分数为C1。根据质量守恒定律,在任何一个微小的时间间隔dt内,防护区得到的CO2的量(即舰内人员的呼吸产生的CO2的量和增压风机带入的CO2的量)与从防护区内排出的CO2的量之差应等于整个防护区内增加的CO2的量,由此可建立微分方程[1]
GC0dt+nmdt-GCdt=VdC
(1)
式中:G——通风量,m3/h;
C0——外界新鲜空气中CO2体积分数,%;
C——在某一时刻防护区内空气中CO2体积分数,%;
n——防护区内舰员人数;
m——单个舰员单位时间内呼吸产生的CO2体积,m3/(h·人);
V——防护区容积,m3;
dt——某一段无限小的时间间隔,h;
dC——在dt时间内防护区内CO2体积分数的增加,%。
对式(1)进行变换:
(2)
下面分别就G=0和G>0两种情况对式(2)进行讨论。
2.1 G=0时,防护区采用传统密闭方式
对式(2)进行变换
如果在t时间内,防护区内空气中CO2体积分数从C1变化到C2,那么
得到
(3)
根据式(3),可以得到防护区达到规定的体积分数所需要的时间。
(4)
根据式(4),可以求出任一时刻内防护区内CO2体积分数。
从上述分析可以看出,在密闭条件下,防护区内的CO2体积分数按线性比例增加。
2.2 G>0时,防护区采用集体防护方式
对式(2)进行变换,由于常数的微分为零,式(2)可改写为
如果在t时间内,防护区内空气中CO2体积分数从C1变化到C2,那么
即
(5)
(6)
由式(6),可以求出在规定时间t内,达到要求的体积分数C2,所需要的通风换气量。
由式(5),可求出通风量一定时,任意时刻内CO2体积分数C2
(7)
(8)
从上述分析可以看出:防护区内CO2体积分数按指数规律增加,并收敛于C2,其收敛速度取决于G/V,即换气次数大小。
如果集体防护区CO2体积分数处于稳定状态时的允许体积分数为C2,根据式(8),则集体防护区所需的最小通风换气量按式(9)计算。
(9)
3 结论
在核、生、化防护条件下,如果防护区采取密闭措施,CO2体积分数随时间呈线性增长,而且在该防护措施下,防护区内人员还必须佩戴防毒面具。由于防毒面具和佩戴者面部之间总存在被称之为“几何有害空间”的容积[3],人员戴上面具进行呼吸时,呼出的一部分废气积累在几何有害空间内,吸气时,同新鲜空气混合在一起被吸入肺部,实际上人体吸入的CO2体积分数比防护区内CO2体积分数更高。个体防护下的舰员所吸入的CO2体积分数只能到达生存性标准。
在核、生、化防护条件下,如果防护区采取集体防护措施,CO2体积分数随时间呈指数增长并收敛,收敛的速度取决于防护区的换气次数。在防护区内,人员不需要采取个体防护措施,CO2体积分数可以满足工效性标准,不仅能够保障其生存需要,还能够满足作战和生活的需要,提高了舰船的生命力和战斗力。
[1] 王汉青.通风工程[M].北京:机械工业出版社,2007.
[2] D J CROOME, ROBERTS B M.建筑物空气调节与通风[M].陈在康,译.北京:中国建筑工业出版社,1982.
[3] 兵种部防化编研室.核生化防护大辞典[M].上海:上海辞书出版社,2000.