空气循环机:不需要氟利昂的飞机空调

  • 时间:2021-02-26 18:46
  • 作者:优发官网
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  民航资源网2016年9月13日消息:在炎热的夏季,机场停机坪上的地面温度可达40度(摄氏度)以上。飞机依靠空调系统保持适当的客舱温度,使之保持在舒适的24度左右。以波音B777-200LR飞机为例,其客舱空间大约为520m3,相当于一间185平米左右的房间,要给这么大而且有300多名乘客的客舱制冷至少需要功率20匹以上的空调。常见的家用空调主要是用压气机和雪种(氟利昂)来制冷,功率有限,这种制冷方式对飞机而言是不适用的,而且飞机的空调系统还有另外一项重要作用就是给客舱增压。因此民用客机的上的空调系统采用一种特殊的制冷方式——空气循环制冷。了解空气循环制冷系统的工作原理,有助于我们更好的认识飞机的空调系统。

  飞机的空调组件主要通过空气循环机制冷,在空中也可以使用冲压空气来冷却引气。空气循环机使引气温度降低,而且整个过程不需要氟利昂来进行热交换,气体没有蒸发与冷凝。引气冷却后可直接供客舱空调和电子设备冷却使用。系统主要包括热交换器、空气循环机(包括涡轮和压气机)、水汽分离器等部分。

  波音B777飞机的发动机或者辅助动力装置APU,均可以为空调组件提供引气。高能量的引气不单可以用于空调系统,还可以用于飞机增压,防冰等。但引气不能直接为客舱空调所使用,因为这些气体是高温高压气体,地面压力通常有28psi(1.9个大气压)温度可达150°C。

  引气先进入热交换器,进行初步的冷却。冷却后的引气进入空气循环机的离心压气机,气体被压缩温度升高后,再次进入热交换器降温,随后气体进入涡轮室,在涡轮室气体快速膨胀释放能量同时还带动涡轮转动做功,涡轮轴另一端连着离心压气机,压气机叶片在其驱动下高速旋转。通过以上环节可以使气体温度降到0°C甚至以下。B777飞机采用了离心压气机+二级涡轮的3轮升压式空气循环机。我们知道在涡轮室才是引气真正冷却的地方,在上述的基础上再加上二级涡轮,冷却效果要比一级涡轮更强,对能量利用效率也更高。(而波音B737空客A320等窄体客机只需采用一级涡轮冷却便足够。)

  水汽分离器用于除去冷却空气中的水汽,由于空气温度迅速降低到露点以下,空气中的水蒸气已经凝结成小水滴气体成为雾状,通过分离器可以将水分离排放出机外。因为水汽容易在结成冰凝结在涡轮上,损伤涡轮,同时水汽还会腐蚀管道,和电子设备线路等,因此必须将过多的水汽分离。才能与较暖的调节空气混合,输出到空调管道。(这也是夏天飞机停在地面时的时候,空调出气口常常冒出白烟的原因。其实这不是烟,只是被雾化的空气。)

  冷却过程背后的原理是我们所熟知的物理学定律。它遵循的是热力学第一定律:ΔU=Q+W。

  公式中ΔU为内能变化,Q为传递的热量,W为所做的功。气体膨胀带动涡轮转动对外界做功W为负(外界对系统做功则W为正),同时气体向外传递热量Q也为负,可得ΔU为负,气体的内能减小,温度降低(气体的内能与温度成正比关系)。在日常生活中常见的例子就是当我们用打气筒给自行车打气时,打气筒内的气体因为我们对其做功,温度会增加,使得打气筒变热。与之相反如果让气体对外界做功,内能减少,温度就会降低。

  此外根据热力学第二定律:孤立系统的熵不会减少。热量总是从高温物体传到低温物体,不可能作相反的传递而不引起其他的变化。其意义在于气体不可能自发地降低温度,因为这违背了热力学定律。要使气体温度降低,也需要对它做功。离心压气的作用就在此,增大气压,才能使之在涡轮中进一步冷却时效果更好。

  当飞机在空中时,空调组件所需的能量来自冲压空气(飞机高速飞行时的相对气流)。起飞和降落时冲压空气进气活门完全打开以获得最大的冲压空气。

  图4:冲压空气排气口(就像家用空调的室外机一样排出热气。在冬天绕机检查时,只要站在轮舱下面,就可以享受到免费的暖气。)

  巡航时,对空气循环机的冷却需求最小,因为高空中温度低(可达零下),经过与外界空气进行热交换,可以使温度降得足够低。甚至不需要空气循环机来冷却了。而当飞机停在炎热的地面机坪时,没有了冲压空气,空调组件靠辅助动力装置(APU)提供高压引气为动力。夏天温度高时,空气循环机在最大工作状态以满足在地面时的冷却需求。当冬天温度低时,只需通过调节温度控制活门混入更多热气即可满足温度需求。

  辅助动力装置(APU)是一个独立的涡轮发动机,通常位于飞机的尾锥部分。它既可以提供电力同时还可以提供引气。常作为电力和引气的备份系统。在其运转时排气口有高速气流排出,会产生一定的噪音。许多机场都为飞机提供地面电源和空调引气保障,减少、限制APU的使用,更加节能与环保。

  空调组件是飞机系统中的重要部分,保持适宜的客舱温度,给飞机客舱增压,都是通过空调系统来完成的。而空气循环机又是空调组件的核心。采用空气循环制冷系统的优点是:系统的重量轻、维护成本低、可靠性高,而且冷却的空气可以输入客舱为之增压,客舱的通风、增压和温度控制都可以通过同一系统来完成。满足飞机客舱环境控制的需要,使高空飞行更加舒适、安全。

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