舰船集体防护系统增压建立时间分析

(中国舰船研究设计中心，武汉 430064)

集体防护区的增压建立时间是集体防护区设计的重要参数之一。在舰船遭受核生化威胁或者袭击后，特别是在没有采取防备措施的条件下，希望能在杀伤性物质侵入舰船之前，以最短的响应时间建立起有效的集体防护系统，保护舰员生命及舰船战斗力。

1 舰船集体防护区内增压建立时间的影响因素

影响集体防护区内增压建立的时间因素主要有滤毒增压风机的流量，防护区的泄漏量,防护空间和增压压力的大小,等。

1.1 滤毒增压风机流量

在核生化防护状态下，外界空气进入集体防护区的惟一途径是通过滤毒装置的增压风机，所以增压风机的流量是决定集体防护区增压建立时间的重要因素。增压风机的流量要求能够保持集体防护区的压力并且弥补该压力下集体防护区的泄漏量。

1.2 防护区的泄漏量

影响集体防护区的空气泄漏量的因素很多，有施工工艺、气密设备的气密性、防护区内外压差等。

由于施工工艺所导致的结构缺陷，因其存在不确定性，所以即使是同一船型，也可能产生较大的差别。

气密设备的气密性也是影响泄漏量的重要因素，主要的气密设备有气密门、气密舱盖、气密阀、气密电缆通舱件、泄放阀等。上层建筑中以及密封不当的进出口附件的缝隙会不断扩大，而且这一问题会随着舰船的老化而日趋严重。

2 舰船集体防护区增压建立时间分析

建立模型，需要对其影响因素进行简化处理。

1)根据空气的热力学性质，在常温常压下的空气可以视为理想气体。

2)由于气流组织的不同，集体防护区内不同的舱室增压建立的时间也略有不同，本计算将忽略这种差别，将整个集体防护区作为一个整体。

3)在增压建立的过程中，风机的进风量和泄漏量会随时间变化而变化，本文中的进风量和泄漏量值指的是压力建立过程中的平均值。

图1为集体防护区增压建立时间的物理模型。

图1 集体防护区增压过程示意

根据质量守恒定律，集体防护区在达到规定的压力时，从外界进入集体防护区内的空气质量m0应等于集体防护区内增加的空气质量Δm和泄漏的空气质量m1之和。即：

m0=Δm+m1

(1)

设集体防护区压力建立的时间为t，根据理想气体状态方程pV=mRT，分别有[1]

p0G0t=3 600m0RT0
ΔpV=ΔmRT1
p2G1t=3 600m1RT1

由此得到

(2)

(3)

(4)

规定防护区的泄漏率k=G1/G0，则有

G1=kG0

(5)

将式(2)、(3)、(4)、(5)代入式(1)，得到

(6)

(7)

式中：t——集体防护区增压建立的时间，s；

p0——外界空气压力,Pa；

T0——外界空气温度,K；

T1——集体防护区内空气温度,K；

V——集体防护区内增加的空气体积,m3；

Δp——集体防护区的增压压力,Pa；

G0——增压风机在压力建立时间内的平均进风量,m3/h；

k——集体防护区泄漏率,m3/h。

根据式(7)，可以求出空调工况下集体防护区增压建立的时间。

对通风工况而言，可以看成是式(7)的一种特例，即T0=T1，对式(7)简化，得到

(8)

根据式(7)，如果在通风条件下，且没有泄漏的理想情况下，有

(9)

3 结论

根据式(7)和集体防护系统的相关设计参数，可以对集体防护系统的增压时间进行计算。在各进出口和调节门都进入加压操作以后，2 min内可以恢复和稳定防护区的压力[2]，本文的计算结果与文献数据基本一致。

由于舰船在平时处于空调通风状态，集体防护系统的周界处于非密闭条件下，如果在没有采取戒备措施下遭受核生化突然袭击，此时建立有效集体防护系统的时间除了上面计算的2 min外，还应包括系统周界上气密设备，如气密蝶阀、气密门等的关闭时间。

[1] 刘宝兴.工程热力学[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2] U.S army corps of engineers. Design of collective protection shelters to resist chemical，biological，and radiological(CBR)agents，appendix B[R]. Engineer Technical Letter 1110-3-498. 24 February 1999.