蒸氣壓縮式飛機(jī)空調(diào)車除濕的改進(jìn)研究

龔永奇，鄧 建，劉慎洋

1 前言

飛機(jī)空調(diào)車是在飛機(jī)發(fā)動機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，在地面通電檢查和維修飛機(jī)電子設(shè)備時(shí)，給飛機(jī)設(shè)備艙提供干燥而潔凈的給定溫度和濕度的冷、熱空氣，用來控制飛機(jī)電子儀器工作環(huán)境的保障設(shè)備。隨著大型飛機(jī)電子設(shè)備的數(shù)量越來越多，功率越來越大，飛機(jī)空調(diào)車在飛行保障過程中發(fā)揮著越來越重要的作用［1，2］。

目前蒸氣壓縮式飛機(jī)空調(diào)車應(yīng)用廣泛。在處理空氣顯熱方面，蒸氣壓縮式制冷循環(huán)具有傳熱效率高、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。但是在處理空氣潛熱方面，蒸氣壓縮空調(diào)系統(tǒng)是冷凝除濕，其蒸發(fā)溫度往往低于露點(diǎn)溫度，因而蒸氣壓縮制冷循環(huán)的除濕效率比較低；同時(shí)由于除濕不徹底，通冷風(fēng)過程中時(shí)常會出現(xiàn)水滴等問題。本文針對蒸氣壓縮式飛機(jī)空調(diào)車存在的除濕問題，提出一種基于熱泵的固體除濕系統(tǒng)，并對其除濕性能進(jìn)行改進(jìn)。

2 基于熱泵的固體除濕系統(tǒng)的工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于熱泵的固體除濕系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式空調(diào)基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，主要區(qū)別是表面涂覆了固體吸附劑的除濕換熱器取代傳統(tǒng)的除濕裝置，同時(shí)將蒸發(fā)溫度提高到15 ℃以上［3］，如圖1所示?；跓岜玫墓腆w除濕系統(tǒng)主要是由2個(gè)除濕換熱器、熱泵空調(diào)、節(jié)流元件、2個(gè)離心式風(fēng)機(jī)、四通換向閥組成。

圖1 基于熱泵的固體除濕系統(tǒng)示意

在飛機(jī)空調(diào)車?yán)滹L(fēng)工況中，機(jī)場處的空氣通過低溫的蒸發(fā)器側(cè)，多余的水分被蒸發(fā)器表面的除濕劑吸附，同時(shí)低溫的制冷劑帶走除濕過程中產(chǎn)生的吸附熱，然后送入飛機(jī)設(shè)備艙。另一側(cè)的戶外新風(fēng)通過高溫的冷凝器釋放的冷凝熱加熱吸濕劑，使上一循環(huán)中吸附的水分被解析，被排放到大氣中［4］。通過制冷劑側(cè)四通換向閥和空氣側(cè)風(fēng)閥的切換，使2個(gè)除濕換熱器的角色發(fā)生互換，完成一個(gè)完整的循環(huán)周期，并按照這種方式往復(fù)與運(yùn)動，從而向飛機(jī)設(shè)備艙內(nèi)不斷提供符合要求的新風(fēng)。

2.2 空氣處理過程

蒸氣壓縮式飛機(jī)空調(diào)車為全新風(fēng)系統(tǒng)，以降溫除濕為例，其通冷風(fēng)過程及新型的固體吸附除濕過程如圖2所示。過程1表示固體除濕空調(diào)處理空氣過程，環(huán)境空氣狀態(tài)位于空氣處理示意圖的最上方W狀態(tài)點(diǎn)，進(jìn)入除濕換熱器進(jìn)行冷卻除濕達(dá)到F狀態(tài)點(diǎn)，然后經(jīng)過降溫達(dá)到送風(fēng)溫度狀態(tài)點(diǎn)S。過程2表示蒸氣壓縮式空調(diào)車處理空氣過程，環(huán)境空氣W經(jīng)過預(yù)冷處理，降溫減濕到達(dá)B狀態(tài)點(diǎn)；狀態(tài)B點(diǎn)到C點(diǎn)為空氣在風(fēng)機(jī)中的升溫過程；然后C點(diǎn)空氣再次被冷卻去濕至D點(diǎn)，使得該狀態(tài)下的空氣含濕量滿足指標(biāo)要求（≤8g/kg干空氣）；最后根據(jù)送風(fēng)溫度要求，等濕加熱至狀態(tài)點(diǎn) S［5］。

圖2 空氣處理過程的焓濕圖

3 空調(diào)系統(tǒng)能耗理論分析

假設(shè)飛機(jī)空調(diào)車的風(fēng)量G以及飛機(jī)設(shè)備艙內(nèi)熱濕比ε已知，對于過程1來說，所需要的制冷劑負(fù)荷主要用來處理新風(fēng)負(fù)荷Qfa和由于在吸附水蒸氣過程中會放出比冷凝熱更多的吸附熱Qxf。另外空調(diào)系統(tǒng)在除濕蒸發(fā)器和除濕冷凝器功能切換過程中因?yàn)闊釕T性帶來的冷量損失相當(dāng)于總制冷量來說一般較小，因此可以忽略不計(jì)［6,7］。

新風(fēng)空氣的絕對濕度可以用近似公式計(jì)算：

式中 H——空氣相對濕度

B——大氣壓，Pa，取 B=101325Pa

T0——開爾文溫度，K

濕空氣的比焓h計(jì)算式：

送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的空氣狀態(tài)為：

式中 ts，tw——送風(fēng)空氣和環(huán)境空氣的溫度，℃

ds，dw—— 送風(fēng)空氣和環(huán)境空氣含濕量，g/kg干空氣

3.1 過程1能耗

過程1所需的總制冷量為：

式中 iw，is—— 環(huán)境空氣和送風(fēng)空氣的焓值，kW/kg

Lxf——吸附劑吸附水蒸氣的吸附熱，kW

L ——水蒸氣冷凝時(shí)的氣化潛熱，kW

由于飛機(jī)空調(diào)車?yán)蔑L(fēng)管輸送風(fēng)，風(fēng)管中有阻力，當(dāng)飛機(jī)空調(diào)氣在風(fēng)管內(nèi)流動時(shí)由于管內(nèi)的摩擦阻力和局部阻力產(chǎn)生壓降，通過風(fēng)管的壓降ΔP1與通過的風(fēng)量G的平方成正比，即：

式中 Sflow——管路阻抗

ρa(bǔ)——空氣密度，kg/m3

ξ——局部阻力系數(shù)

l——管路長度，m

d ——管路直徑，m

離心風(fēng)機(jī)的耗電功率WF為：

式中 ΔP——換熱器前后的壓差，Pa

ηF——風(fēng)機(jī)機(jī)械效率

空調(diào)系統(tǒng)總耗能W1：

3.2 過程2能耗

對于過程2來說，露點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)為：

式中 PL——水蒸氣分壓力，kPa

tL——空氣的露點(diǎn)溫度，℃

iL——空氣露點(diǎn)時(shí)的焓值，kW/kg

空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷為：

空調(diào)系統(tǒng)總耗能為：

其中需要說明的是，對于送風(fēng)過程中，空調(diào)系統(tǒng)密封性良好，風(fēng)量沒有損失。采用R134a制冷劑的壓縮機(jī)的COP變化不大，可近似取為定值［8］。

4 結(jié)果與討論

本文選擇3種不同的飛機(jī)設(shè)備艙內(nèi)熱濕比（5000，7000，10000）、3種不同的天氣情況（（40℃，70%）、（35℃，60%）、（30℃，40%）），計(jì)算飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)在不同的送風(fēng)溫差下的整體系統(tǒng)性能水平。其中，設(shè)定的飛機(jī)設(shè)備艙狀態(tài)為（25℃，50%），制冷劑為R134a，送風(fēng)壓差為1000Pa、風(fēng)機(jī)效率為 0.6。

圖3所示為戶外天氣為（35℃，70%），飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)在飛機(jī)設(shè)備艙內(nèi)熱濕比分別為5000，7000，10000時(shí)，飛機(jī)空調(diào)車的空調(diào)系統(tǒng)的功耗隨著送風(fēng)溫差的不同而變化的情況。從圖3中可以看出，隨著送風(fēng)溫差的增大，系統(tǒng)能耗也隨之而增大；同時(shí)熱濕比越大，在相同送風(fēng)溫差的條件下其功耗越小。

圖3 不同熱濕比條件下過程1的總功耗隨送風(fēng)溫差的變化

圖4 所示為是艙內(nèi)熱濕比為5000時(shí)，飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)在（40℃，70%）、（35℃，60%）、（30℃，40%）3種不同室外天氣條件下，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能耗隨天氣不同而變化的情況。戶外天氣溫度越高、濕度越大則整個(gè)系統(tǒng)的功耗越高。

圖4 不同戶外天氣條件下過程1的總能耗隨送風(fēng)溫差的變化

戶外天氣為（35℃，70%），吸附劑為硅膠時(shí)，基于熱泵的固體除濕系統(tǒng)在艙內(nèi)熱濕比分別為5000，7000和10000時(shí)，整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的功耗隨著送風(fēng)溫差的變化如圖5所示。從圖5中可以看出，隨著熱濕比的增大，除濕系統(tǒng)功耗逐漸減少；隨著送風(fēng)溫差的增大，除濕系統(tǒng)功耗逐漸增大。

圖5 不同熱濕比條件下過程2的總功耗隨送風(fēng)溫差的變化

圖6所示為ε為5000，吸附劑為硅膠時(shí)，基于熱泵的固體除濕系統(tǒng)在（40℃，70%）、（35℃，60%）、（30℃，40%）3種不同戶外天氣條件下，整個(gè)除濕系統(tǒng)的功耗隨著天氣不同而變化的情況。從圖6中可看出，系統(tǒng)功耗隨著戶外溫濕度的增加而增加，隨著送風(fēng)溫差的降低而增加。飛機(jī)地面需要的空調(diào)氣源有嚴(yán)格的要求，即送風(fēng)含濕量小于等于8g/kg干空氣。從圖7可看出基于熱泵的空調(diào)系統(tǒng)在艙內(nèi)熱濕比為5000時(shí)，不同送風(fēng)溫差的送風(fēng)含濕量均滿足送風(fēng)要求。

圖6 不同戶外天氣條件下過程2的總能耗隨送風(fēng)溫差的變化

圖7 不同送風(fēng)溫差條件下送風(fēng)空氣的含濕量隨送風(fēng)溫差的變化

比較圖3和圖5可以發(fā)現(xiàn)，基于熱泵的固體除濕系統(tǒng)能耗比冷凝除濕系統(tǒng)的能耗更小，而且艙內(nèi)熱濕比越小，即濕度越大，兩者能耗的差別越大，節(jié)能效果越明顯。當(dāng)艙內(nèi)熱濕比為5000時(shí)，固體吸附除濕的最低能耗為30 kW，而冷凝除濕系統(tǒng)最低能耗為35 kW。因此，此時(shí)固體吸附除濕相對與冷凝除濕節(jié)能約14%。比較圖4和圖6可以發(fā)現(xiàn)，在同樣的天氣條件下，固體吸附除濕系統(tǒng)的功耗比冷凝除濕系統(tǒng)的能耗更小。

5 結(jié)論

（1）采用基于熱泵的固體除濕系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的冷凝除濕能耗更低，而且艙內(nèi)的熱濕比越小或者戶外天氣的濕度越大，系統(tǒng)能耗越低。當(dāng)艙內(nèi)熱濕比為5000時(shí)，在滿足送風(fēng)要求的條件下，基于熱泵的固體除濕系統(tǒng)的最低能耗為30 kW，而冷凝除濕系統(tǒng)最低能耗為35 kW。因此，此時(shí)該系統(tǒng)相對于冷凝除濕節(jié)能約14%。

（2）基于熱泵的固體除濕系統(tǒng)的能耗隨著送風(fēng)溫差的增大而減少，而且相同送風(fēng)溫差下，固體吸附除濕系統(tǒng)的能耗更小。

（3）在相同的天氣條件下，基于熱泵的固體除濕系統(tǒng)的能耗比冷凝除濕系統(tǒng)的能耗更小，而且戶外天氣濕度越大，其節(jié)能效果越明顯。

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