高空飛艇氨相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)

曾憲順，孫浩然，丁國良*，鄭威，李勇

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，上海 200020）

高空飛艇氨相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)

曾憲順1，孫浩然1，丁國良*1，鄭威2，李勇2

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，上海 200020）

高空飛艇氨相變系統(tǒng)可提高飛艇升降調(diào)節(jié)能力。為了實(shí)現(xiàn)高空飛艇氨相變系統(tǒng)的快速設(shè)計(jì)，本文開發(fā)了高空飛艇氨相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件。該設(shè)計(jì)軟件中，通過直接調(diào)用物性計(jì)算軟件Refprop的子程序計(jì)算氨的物性，采用集總參數(shù)模型實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算，應(yīng)用VB編程語言在Microsoft Excel平臺上實(shí)現(xiàn)了計(jì)算程序編寫和軟件界面設(shè)計(jì)。該軟件可用于設(shè)計(jì)高空氨相變系統(tǒng)各部件結(jié)構(gòu)和計(jì)算系統(tǒng)中各工況點(diǎn)，能夠?yàn)楦呖诊w艇氨相變系統(tǒng)提供具體設(shè)計(jì)方案。

設(shè)計(jì)軟件；相變系統(tǒng)；高空飛艇；氨

0 引言

常見的飛艇一般使用氦來提供升力，飛艇的升降一般通過改變氣囊中的氣體量、拋掉壓艙物、利用艇體或翼面的氣動升力、改變推力方向等復(fù)雜方式實(shí)現(xiàn)[1]?；诎毕嘧兿到y(tǒng)的可逆浮力調(diào)節(jié)方法[2]可提高飛艇升降調(diào)節(jié)能力。相對于氦，氨在常溫下更容易液化和儲存。氨相變系統(tǒng)可以更大范圍地改變氣體體積，從而提高飛艇升降調(diào)節(jié)能力，并且氨相變過程可逆將使飛艇具有更好的操作性能和更久的工作時間[3]。

目前現(xiàn)有的氨相變系統(tǒng)只用于地面工況[4]，將地面的相變系統(tǒng)直接應(yīng)用到高空中，會存在系統(tǒng)相變效率降低、重量及功率無法滿足飛艇運(yùn)行要求的問題。高空環(huán)境中，氣囊內(nèi)氣體處于低溫低壓狀態(tài)，過低的吸氣壓力會導(dǎo)致相變系統(tǒng)中壓縮機(jī)的容積效率降低；稀薄的空氣會影響換熱器換熱；龐大復(fù)雜的液化設(shè)備可能會超出飛艇的負(fù)荷。因此，為了將氨相變系統(tǒng)應(yīng)用于高空飛艇，有必要重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)高空飛艇氣液相變系統(tǒng)的快速設(shè)計(jì)，獲得相變系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)方案，直接采用實(shí)驗(yàn)方法會帶來周期長、耗資大等問題。而利用軟件對飛艇的相變系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可大大縮短設(shè)計(jì)周期，節(jié)約資金投入[5]?，F(xiàn)有的與飛艇系統(tǒng)設(shè)計(jì)相關(guān)的軟件有清華大學(xué)航空學(xué)院開發(fā)的飛艇綜合設(shè)計(jì)與一體化分析軟件[6]，該軟件可用于快速概念設(shè)計(jì)、多層次氣動分析和發(fā)射過程的動力學(xué)仿真。該軟件并不適用于相變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因此有必要開發(fā)針對高空飛艇氨相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件。

本文的目的是開發(fā)適用于飛艇高空運(yùn)行工況的氣液相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，從而實(shí)現(xiàn)高空飛艇氣液相變系統(tǒng)的快速設(shè)計(jì)。

1 軟件設(shè)計(jì)思路

高空氨相變系統(tǒng)由壓縮機(jī)、換熱器、風(fēng)機(jī)、儲液罐、電子膨脹閥、三通閥和電磁閥組成。其工作原理如圖1所示。對于液化過程，系統(tǒng)電磁閥A開啟、B閉合，三通閥A、B均接通bc兩路，氣囊內(nèi)氣體工質(zhì)經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮、換熱器冷凝后儲存到液體儲罐中。對于汽化過程，系統(tǒng)電磁閥A閉合、B開啟，三通閥A、B均接通ab兩路，液體儲罐中的液體經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流、換熱器蒸發(fā)后存入飛艇氣囊中。

圖1 高空氨相變系統(tǒng)工作原理

本設(shè)計(jì)軟件的目標(biāo)是通過模擬高空氨相變系統(tǒng)工作過程，計(jì)算獲得各關(guān)鍵工況點(diǎn)的物性、各主要部件的結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)和系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)參數(shù)。具體設(shè)計(jì)計(jì)算包括工況計(jì)算、壓縮機(jī)設(shè)計(jì)及選型、換熱器設(shè)計(jì)、風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)及選型、儲液罐設(shè)計(jì)和系統(tǒng)整體計(jì)算。

相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算流程如圖2所示。設(shè)計(jì)軟件根據(jù)設(shè)計(jì)工況計(jì)算獲得氨物性，由氨物性及相變技術(shù)指標(biāo)建立各部件設(shè)計(jì)計(jì)算模塊。程序具體運(yùn)算過程為，根據(jù)液化速率需求、冷凝及蒸發(fā)溫度設(shè)計(jì)壓縮機(jī)，根據(jù)相變速率需求、冷凝及蒸發(fā)溫度設(shè)計(jì)換熱器，根據(jù)換熱器風(fēng)量需求設(shè)計(jì)風(fēng)機(jī)，根據(jù)液化量需求、冷凝溫度、過冷度設(shè)計(jì)儲液罐，程序最后輸出系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖2 相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算流程

根據(jù)軟件計(jì)算流程，高空飛艇相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件框架如圖3所示。設(shè)計(jì)軟件輸入模塊技術(shù)指標(biāo)輸入、設(shè)計(jì)工況輸入、大氣環(huán)境輸入和部件參數(shù)輸入；計(jì)算模塊完成氨物性的調(diào)用以及壓縮機(jī)、換熱器、儲液罐和風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算；輸出模塊輸出相變系統(tǒng)各工況點(diǎn)參數(shù)、各部件計(jì)算結(jié)果和系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果。

圖3 相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件框架示意圖

根據(jù)軟件的設(shè)計(jì)框架，設(shè)計(jì)軟件需要解決如下問題：

1）氨物性的快速程序調(diào)用；

2）各部件設(shè)計(jì)計(jì)算模塊的建立；

3）軟件界面和輸入輸出參數(shù)設(shè)計(jì)。

2 物性計(jì)算模塊調(diào)用

軟件中計(jì)算物性的方法有三種[7-9]：基于物性方程的通過VC++調(diào)用Fortran和Matlab程序的混合編程方法、利用VC++訪問SQLSever2000上的通用物性數(shù)據(jù)庫的方法和直接調(diào)用國際權(quán)威物性計(jì)算軟件Refprop(REference Fluid PROPerties)[10]的物性計(jì)算方法。相對其他方法而言，調(diào)用Refprop的物性計(jì)算方法不需要獲取物性方程或建立數(shù)據(jù)庫，具有簡單、快捷、方便等優(yōu)點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)軟件將國際權(quán)威物性計(jì)算軟件 Refprop直接引入到應(yīng)用程序來獲取氨的物性。在調(diào)用過程中，應(yīng)用程序采用VB編程語言在Microsoft Excel文件中使用表格的形式，給出了對應(yīng)氨各項(xiàng)物性參數(shù)的初始化方法，確定了獲取兩相區(qū)、過熱/過冷區(qū)物性參數(shù)時調(diào)用的子程序及其順序。

另一方面，為了避免參數(shù)傳遞帶來的麻煩，應(yīng)用程序以Fortran為平臺使用動態(tài)鏈接庫技術(shù)生成了適合于VB程序調(diào)用的DLL，并在VB開發(fā)環(huán)境中通過調(diào)用該DLL獲取物性。該方法具有快捷、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，可以有效獲取氨及其他工質(zhì)的物性。

氨物性計(jì)算與各部件設(shè)計(jì)計(jì)算的關(guān)系如圖4所示，設(shè)計(jì)軟件中，壓縮機(jī)、換熱器、風(fēng)機(jī)和儲液罐等模塊設(shè)計(jì)計(jì)算均需調(diào)用氨物性模塊。

圖4 物性函數(shù)調(diào)用示意圖

3 部件模型建立

3.1 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)

對于壓縮機(jī)設(shè)計(jì)，需要求取壓縮機(jī)所需的理論輸氣量及理論功率。根據(jù)理論輸氣量即可選擇壓縮機(jī)的型號，詳細(xì)介紹如下。

1）輸氣量計(jì)算

對于實(shí)際系統(tǒng)來講，壓縮機(jī)的需求輸氣量為：

式中：

qvn——所需輸氣量，m3/min；

qmc——工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/min；

v——壓縮機(jī)進(jìn)氣口的工質(zhì)比容，kJ/(kg·K)。

2）功率計(jì)算

壓縮機(jī)的理論功率為：

電效率為：

式中：

hout——壓縮機(jī)出口焓值，kJ/kg；

hin——壓縮機(jī)進(jìn)口焓值，kJ/kg；

ηel——電效率；

ηi——指示效率；

ηm——機(jī)械效率；

ηm0——電動機(jī)效率。

電動機(jī)的輸入功率，即壓縮機(jī)所消耗的電功率：

3.2 換熱器設(shè)計(jì)

換熱器設(shè)計(jì)需要求取換熱器的整體結(jié)構(gòu)尺寸。設(shè)計(jì)軟件根據(jù)換熱器換熱面積設(shè)計(jì)換熱器整體結(jié)構(gòu)。為了得到換熱器換熱面積，設(shè)計(jì)軟件需要計(jì)算換熱器整體換熱系數(shù)。換熱器整體換熱系數(shù)由制冷劑側(cè)換熱系數(shù)及空氣側(cè)換熱系數(shù)確定。

相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案所采用的換熱器為微通道換熱器。對于微通道換熱器，制冷劑側(cè)液化過程換熱系數(shù)可根據(jù)以下Bassi and Bansa關(guān)聯(lián)式l[11]計(jì)算：

式中：

Nu——努塞爾特?cái)?shù)；

Re——雷諾數(shù)；

Pr——普朗特?cái)?shù)；

制冷劑側(cè)氣化過程的換熱系數(shù)可采用以下Gungor and Winterton關(guān)聯(lián)式[11]進(jìn)行計(jì)算：

式中：

htp——流動氣化換熱系數(shù)；

E——單項(xiàng)對流換熱增強(qiáng)因子；

S——泡核沸騰抑制因子；

hcb——液相換熱系數(shù)；

hnb——泡核換熱系數(shù)。

空氣側(cè)換熱系數(shù)可采用WANG C C關(guān)聯(lián)式[12]進(jìn)行計(jì)算：

式中：

j——無量綱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)；

Re——雷諾數(shù)；

Pr——普朗特?cái)?shù)；

換熱器的設(shè)計(jì)計(jì)算流程圖如圖5所示。為了獲得換熱器面積，換熱器模塊程序通過迭代的方法確定換熱器的管數(shù)目，并通過比較液化過程和汽化過程換熱面積的大小最終確定換熱器面積。

圖5 換熱器設(shè)計(jì)計(jì)算流程

3.3 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

對于風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)，需要求取換熱器所需風(fēng)量，再根據(jù)風(fēng)量需求進(jìn)行風(fēng)機(jī)的選型。

由于高空環(huán)境風(fēng)速滿足換熱器設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)中以地面環(huán)境中換熱器所需要的風(fēng)量來確定風(fēng)機(jī)參數(shù)。根據(jù)所設(shè)計(jì)的換熱器結(jié)構(gòu)及地面工況下氨的相變換熱量，可以計(jì)算出地面環(huán)境中換熱器所需的換熱系數(shù)。同時，采用WANG C C關(guān)聯(lián)式[12]也可獲得地面環(huán)境下的換熱器換熱系數(shù)。將兩者進(jìn)行比較可實(shí)現(xiàn)對風(fēng)速的迭代。根據(jù)風(fēng)速和換熱器迎風(fēng)面積即可計(jì)算出風(fēng)機(jī)的風(fēng)量需求。

在地面環(huán)境中，根據(jù)空氣狀態(tài)參數(shù)計(jì)算冷凝工況下的換熱器所需的換熱系數(shù)約為：

式中：

qmc——冷凝過程的制冷劑流量；

h2——換熱器進(jìn)口焓值；

h3——換熱器出口焓值；

Fco——冷凝過程管外側(cè)面積；

Tref——制冷劑側(cè)溫度；

Tair——空氣側(cè)溫度。

風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算流程如圖6所示。風(fēng)機(jī)模塊程序通過比較由地面空氣狀態(tài)參數(shù)計(jì)算所得的換熱系數(shù)K1與由WANG C C關(guān)聯(lián)式[12]計(jì)算所得的換熱系數(shù)K2兩者的大小來進(jìn)行對迎風(fēng)風(fēng)速的迭代，當(dāng)K1接近K2時，所調(diào)整的風(fēng)速v即為理論迎風(fēng)風(fēng)速。

圖6 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算流程

3.4 儲液罐設(shè)計(jì)

儲液罐模塊設(shè)計(jì)計(jì)算主要是儲液罐體積的設(shè)計(jì)計(jì)算。計(jì)算過程相變系統(tǒng)中所有氨氣轉(zhuǎn)變成液氨的體積即為需要的儲液罐的體積。

液態(tài)氨的密度從氨物性模塊中獲取，質(zhì)量由用戶輸入，因此儲液罐的體積為：

式中：

ml——儲液罐內(nèi)氨液質(zhì)量，kg；ρl——儲液罐內(nèi)氨液密度，kg/m3。

4 軟件界面及輸入輸出參數(shù)設(shè)計(jì)

高空飛艇氣液相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件的界面菜單設(shè)計(jì)如圖7所示。

設(shè)計(jì)軟件輸入菜單“設(shè)計(jì)參數(shù)”包括技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計(jì)工況、大氣環(huán)境、部件參數(shù)輸入。設(shè)計(jì)軟件輸出菜單有工況參數(shù)、部件參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)。其中，“工況參數(shù)”菜單輸出相變系統(tǒng)工況參數(shù)，包括相變系統(tǒng)工況、相變系統(tǒng)流程圖、系統(tǒng)循環(huán)P-H圖；“部件參數(shù)”菜單輸出各部件參數(shù)，包括壓縮機(jī)參數(shù)、換熱器尺寸、儲液罐參數(shù)、風(fēng)機(jī)參數(shù)；“系統(tǒng)參數(shù)”菜單輸出系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果，包括設(shè)計(jì)部件、重量需求、功率需求。具體如圖8所示。

圖7 設(shè)計(jì)軟件菜單設(shè)計(jì)

圖8 設(shè)計(jì)軟件菜單

設(shè)計(jì)軟件輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì)如圖9所示。為了方便用戶的輸入，軟件將輸入?yún)?shù)分為技術(shù)指標(biāo)、設(shè)計(jì)工況、大氣環(huán)境、部件參數(shù)四類，同時添加相變系統(tǒng)流程圖輔助理解。部件參數(shù)輸入數(shù)據(jù)包括壓縮機(jī)、換熱器、閥門參數(shù)輸入，它們分別以按鈕的形式鏈接相應(yīng)子窗口，從而保證輸入界面的簡潔。

設(shè)計(jì)軟件輸出參數(shù)設(shè)計(jì)如圖 10所示。相變系統(tǒng)“工況參數(shù)”輸出以表格的形式呈現(xiàn)各工況點(diǎn)物性，并添加循環(huán)P-H圖。相變系統(tǒng)“部件參數(shù)”輸出與輸入對應(yīng)，部件輸出參數(shù)分為壓縮機(jī)參數(shù)、換熱器尺寸、儲液罐參數(shù)、風(fēng)機(jī)參數(shù)。

圖9 輸入?yún)?shù)設(shè)計(jì)

圖10 輸出參數(shù)設(shè)計(jì)

5 結(jié)論

本文介紹的高空飛艇氣液相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，將飛艇相變系統(tǒng)的工況參數(shù)、部件規(guī)格和系統(tǒng)性能集中到同一軟件環(huán)境中。設(shè)計(jì)軟件可根據(jù)各技術(shù)指標(biāo)和環(huán)境參數(shù)的輸入，計(jì)算輸出系統(tǒng)各工況的物性、各部件的結(jié)構(gòu)尺寸、系統(tǒng)的總重量及總功率等性能參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高空飛艇相變系統(tǒng)的快速設(shè)計(jì)。

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Development of Design Software for Ammonia Phase Transition System of High Altitude Airship

ZENG Xian-shun1,SUN Hao-ran1,DING Guo-liang*1,ZHENG Wei2,LI Yong2
(1-Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China;2- Qian Xuesen Laboratory of Space Technology,Shanghai 200020,China)

Ammonia phase transition systems of high altitude airship can be used to enhance the ability to regulate the buoyancy of the airships.For the purpose of rapidly designing ammonia phase transition system of the airships,the design software for ammonia phase transition systems of high altitude airship was developed.Using the design software,the physical properties of ammonia were calculated by calling subprogram of Refprop software,the design calculations of the components structure in the system were realized by lumped parameter models,the calculation program compiling and the user interfaces designing were realized by using Visual Basic based on the platform of Microsoft Excel.The software can be used for the design of components structure and the calculation of working condition,and can provide the design scheme for ammonia phase transition system of high altitude airship.

Design software;Phase transition system;High altitude airship;Ammonia

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.203

*丁國良（1966-），男，教授，博士。研究方向：制冷空調(diào)裝置的仿真與優(yōu)化。聯(lián)系地址：上海東川路800號上海交通大機(jī)動學(xué)院，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34206328。E-mail：glding@sjtu.edu.cn。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.11202225）；中國空間技術(shù)研究院CAST重點(diǎn)基金