基于內(nèi)冷除濕的航空地面空調(diào)保障裝備空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔永奇，鄧 建，張文一，王 輝

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系，江蘇 徐州 221000)

基于內(nèi)冷除濕的航空地面空調(diào)保障裝備空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

龔永奇，鄧 建，張文一，王 輝

(空軍勤務(wù)學(xué)院航空四站系，江蘇 徐州 221000)

針對當(dāng)前航空地面空調(diào)保障裝備除濕效率低、系統(tǒng)能耗大等問題，設(shè)計(jì)了一種新型航空地面空調(diào)保障裝備的空調(diào)系統(tǒng)——基于內(nèi)冷除濕的空調(diào)系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式空調(diào)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明：基于內(nèi)冷除濕的空調(diào)系統(tǒng)具有更高的能效比，可更好地進(jìn)行飛行保障。

航空地面空調(diào)保障裝備； 空調(diào)系統(tǒng)； 內(nèi)冷除濕

航空地面空調(diào)保障裝備是在飛機(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)電子設(shè)備艙提供干燥潔凈的冷風(fēng)、熱風(fēng)或通風(fēng)，用來控制飛機(jī)電子設(shè)備工作環(huán)境條件的保障裝備[1]。航空地面空調(diào)保障裝備也在地面為飛機(jī)客艙、駕駛艙提供空調(diào)氣源。在我國北方干燥地區(qū)，航空地面空調(diào)保障裝備主要的負(fù)荷是對輸出風(fēng)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；而在我國南方潮濕地區(qū)，航空地面空調(diào)保障裝備主要的負(fù)荷是對輸出風(fēng)溫度和濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)[2]。

航空地面空調(diào)保障裝備主要是指航空地面空調(diào)車，當(dāng)前航空地面空調(diào)車的空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛的是蒸氣壓縮式制冷循環(huán)，其具有傳熱效率高、技術(shù)成熟和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。但是由于蒸氣壓縮式空調(diào)系統(tǒng)是過冷除濕，制冷機(jī)不得不降低蒸發(fā)溫度，因而制冷機(jī)的效率也隨之降低，在夏季潮濕地區(qū)往往會出現(xiàn)除濕達(dá)不到要求，以及向飛機(jī)設(shè)備艙通風(fēng)時(shí)出現(xiàn)水滴等問題。針對以上問題，筆者設(shè)計(jì)一種基于內(nèi)冷除濕的航空地面空調(diào)保障裝備空調(diào)系統(tǒng)，既可實(shí)現(xiàn)溫濕度獨(dú)立控制，又可利用冷凝熱實(shí)現(xiàn)吸附劑再生，能夠節(jié)約飛行保障時(shí)間和提高航空地面空調(diào)保障裝備的保障效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)冷除濕系統(tǒng)是一種新型的除濕系統(tǒng)，是在熱泵系統(tǒng)上進(jìn)行的改進(jìn)，主要區(qū)別是用表面涂覆了固體吸附劑的除濕換熱器取代傳統(tǒng)的換熱器。其內(nèi)冷除濕的本質(zhì)是：附著在換熱器的吸附劑在吸收空氣中的水蒸氣時(shí)，產(chǎn)生的吸附熱被蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑帶走，降低了吸附劑的吸附溫度，提高了吸附劑的吸附量，實(shí)現(xiàn)了高性能除濕。

1.1 基本原理和系統(tǒng)組成

基于內(nèi)冷除濕的空調(diào)系統(tǒng)是利用熱濕獨(dú)立控制的原理，由內(nèi)冷除濕系統(tǒng)去除空氣中的濕度，同時(shí)利用冷凝器釋放的熱量來實(shí)現(xiàn)吸附劑的再生[3]，然后利用蒸氣壓縮系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對空氣溫度的調(diào)節(jié)，其基本原理如圖1所示。

圖1 基于內(nèi)冷除濕的空調(diào)系統(tǒng)基本原理

該系統(tǒng)是由內(nèi)冷除濕系統(tǒng)和蒸氣壓縮系統(tǒng)耦合而成，其中：內(nèi)冷除濕系統(tǒng)主要由2個(gè)除濕換熱器、變頻熱泵空調(diào)(含壓縮機(jī)、壓縮機(jī)控制單元、四通換向閥)、節(jié)流元件、2個(gè)離心式風(fēng)機(jī)、風(fēng)閥、四通換向閥和S7-200型可編程控制器組成；蒸氣壓縮系統(tǒng)主要由2組蒸氣壓縮制冷循環(huán)組成。

1.2 吸附劑和制冷劑的選取

在選取吸附劑時(shí)，既要考慮除濕材料的吸附能力，也要考慮除濕材料的再生能力。一般而言，除濕材料的吸附量越大、再生溫度越低，除濕材料就越好。由于該系統(tǒng)選用的固體吸附劑是涂覆在換熱器上，需要考慮除濕材料的傳熱能力，因此選用硅膠+硅溶液+氯化鋰溶液+固化硫化石墨作為吸附劑[4-5]。同時(shí)，該系統(tǒng)選用對環(huán)境無污染的R134A作為制冷劑。

1.3 空氣處理過程

航空地面空調(diào)保障裝備為全新風(fēng)系統(tǒng)，其冷凝除濕及內(nèi)冷除濕過程的焓濕圖如圖2所示。

傳統(tǒng)的航空地面空調(diào)保障裝備冷凝除濕空氣處理過程：環(huán)境空氣狀態(tài)點(diǎn)A經(jīng)過預(yù)冷處理，降溫減濕到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)B，經(jīng)過鼓風(fēng)機(jī)中的增壓升溫過程到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)C，然后再次被冷凝除濕至狀態(tài)點(diǎn)D，使該狀態(tài)下的空氣含濕量滿足送風(fēng)指標(biāo)要求(≤8 g/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)E。

圖2 航空地面空調(diào)保障裝備冷凝除濕與內(nèi)冷除濕過程的焓濕圖

新型的航空地面空調(diào)保障裝備內(nèi)冷除濕空氣處理過程：環(huán)境空氣狀態(tài)點(diǎn)A進(jìn)入除濕換熱器后，先經(jīng)過冷卻除濕到達(dá)狀態(tài)點(diǎn)F，然后經(jīng)過降溫到達(dá)送風(fēng)溫度狀態(tài)點(diǎn)E。

1.4 運(yùn)行模式

航空地面空調(diào)保障裝備主要實(shí)現(xiàn)冷風(fēng)、熱風(fēng)和通風(fēng)3種功能。飛機(jī)起飛前，根據(jù)機(jī)務(wù)的要求，給飛機(jī)電子設(shè)備艙和飛機(jī)駕駛艙提供溫度可控的干燥潔凈空調(diào)氣。

圖3為基于內(nèi)冷除濕的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式。在冷風(fēng)工況中，系統(tǒng)順時(shí)針運(yùn)行時(shí)，如圖3(a)所示，戶外空氣通過低溫的蒸發(fā)器側(cè)，空氣中水蒸氣被蒸發(fā)器表面的吸附劑吸附，同時(shí)制冷劑蒸發(fā)吸熱，帶走除濕過程中產(chǎn)生的吸附熱，高溫、潮濕的空氣被處理成為干燥風(fēng)，然后經(jīng)過蒸氣壓縮式空調(diào)系統(tǒng)的蒸發(fā)器降低溫度，以達(dá)到符合規(guī)定的送風(fēng)溫度；另一側(cè)的戶外空氣通過高溫冷凝器釋放的冷凝熱解析飽和的吸附劑，使上一循環(huán)中吸附的水分排放到大氣中。然后經(jīng)過設(shè)定的循環(huán)切換時(shí)間，通過切換制冷劑側(cè)的四通換向閥和離心風(fēng)機(jī)風(fēng)向，使該系統(tǒng)逆時(shí)針運(yùn)行，如圖3(b)所示，此時(shí)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。按照這種方式往復(fù)運(yùn)動，從而向飛機(jī)設(shè)備艙內(nèi)不斷提供干冷的新風(fēng)[6]。

在熱風(fēng)工況中，空氣的除濕過程與供冷風(fēng)工況一樣，在溫度控制過程中，利用蒸氣壓縮式空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行加熱，達(dá)到設(shè)定的通風(fēng)溫度。

圖3 基于內(nèi)冷除濕的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式

1.5 運(yùn)行控制方式

基于內(nèi)冷除濕的空調(diào)系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式下閥門的控制情況如表1所示。

表1 不同運(yùn)行模式下閥門的控制情況

筆者設(shè)定四通換向閥和風(fēng)道的切換時(shí)間，通過改變制冷劑的流向，使蒸發(fā)器與冷凝器循環(huán)切換，附著在蒸發(fā)器上的吸附劑對送風(fēng)空氣中的水蒸氣進(jìn)行吸附，附著在冷凝器上的飽和吸附劑進(jìn)行再生，從而循環(huán)實(shí)現(xiàn)吸附劑的吸附和再生。

送風(fēng)空氣中溫、濕度的控制以西門子公司的S7-200型可編程控制器為核心，利用其EM231模擬量輸入模塊和PID控制模塊實(shí)現(xiàn)溫、濕度的數(shù)據(jù)采集和運(yùn)行控制，使空調(diào)系統(tǒng)輸出符合要求的飛機(jī)空調(diào)氣[7-8]。

2 系統(tǒng)性能分析

通過設(shè)定航空地面空調(diào)保障裝備的風(fēng)量，機(jī)場環(huán)境含濕量dn與飛機(jī)需要的空調(diào)氣源含濕量ds存在如下關(guān)系：

ω=G(dn-ds)。

(1)

式中：ω為空調(diào)系統(tǒng)需要的除濕量；G為新風(fēng)量。

航空地面空調(diào)保障裝備送風(fēng)溫度ts的范圍為10～50 ℃，含濕量ds≤8 g/kg，其承擔(dān)的潛熱負(fù)荷為

QH=ω(2 500-2.35ts)，

(2)

其顯熱負(fù)荷為

QHS=cρG(tn-ts)，

(3)

式中：cρ為空氣比定壓熱容；tn為戶外空氣溫度。

由于航空地面空調(diào)保障裝備利用風(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與流量G的平方成正比，即

ΔP1=SflowG2/ρa(bǔ)2，

(4)

(5)

式中：Sflow為管路阻抗；ρa(bǔ)為空氣密度；ξ為局部阻力系數(shù)；l為管路長度；d為管路直徑；g為重力加速度；λ為管路摩擦阻力系數(shù)，采用莫迪公式計(jì)算，即

(6)

其中，Δ為管路的絕對粗糙度；Re為管內(nèi)空氣的雷諾數(shù)。

離心風(fēng)機(jī)的耗電功率為

WF=(ΔP+ΔP1)G/(ηFρa(bǔ))，

(7)

式中：ΔP為換熱器前后的壓差；ηF為風(fēng)機(jī)機(jī)械效率。

空調(diào)系統(tǒng)的性能系數(shù)(Coefficient Of Perfor-mance，COP)C表示空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的能效比，其值越大，空調(diào)系統(tǒng)的能效比越大，其計(jì)算公式為

C=(QH+QHS)/(WS+WF)，

(8)

式中：WS為航空地面空調(diào)保障裝備壓縮機(jī)耗電功率。

筆者設(shè)計(jì)的除濕換熱器的除濕面積為8 m2，該系統(tǒng)除濕劑循環(huán)除濕量能夠達(dá)到0.15 kg/kg，平均除濕量為12 g/kg。在夏季機(jī)場溫度35 ℃、相對濕度60%的工況下，航空地面空調(diào)保障裝備送風(fēng)狀態(tài)按經(jīng)驗(yàn)設(shè)定為20 ℃，8 g/kg干空氣，風(fēng)機(jī)效率為0.75，空氣密度為1.29 kg/m3，內(nèi)冷除濕與冷凝除濕的系統(tǒng)能耗對比如表2所示。

表2 內(nèi)冷除濕與冷凝除濕的系統(tǒng)能耗對比

從表2可以看出：內(nèi)冷除濕系統(tǒng)與冷凝除濕系統(tǒng)的顯熱負(fù)荷差別不大，而內(nèi)冷除濕系統(tǒng)的潛熱負(fù)荷遠(yuǎn)小于冷凝除濕系統(tǒng)，因此內(nèi)冷除濕系統(tǒng)比冷凝除濕系統(tǒng)的除濕效率更高，這是由空調(diào)系統(tǒng)不同的蒸發(fā)側(cè)溫度造成的。

圖4為不同蒸發(fā)側(cè)溫度Te下空調(diào)系統(tǒng)的理想COP，可以看出：空調(diào)系統(tǒng)的理想COP隨冷凝側(cè)溫度的增加而減小，隨蒸發(fā)側(cè)溫度的增加而增大?；趦?nèi)冷除濕的航空地面空調(diào)保障裝備是高蒸發(fā)溫度除濕，一般為15～16 ℃;而傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式航空地面空調(diào)保障裝備是冷凝除濕，其蒸發(fā)器溫度是露點(diǎn)溫度，一般為5～6 ℃。由于蒸發(fā)側(cè)溫度為15～16 ℃的空調(diào)系統(tǒng)COP遠(yuǎn)大于蒸發(fā)側(cè)溫度為5～6 ℃的COP，因此基于內(nèi)冷除濕的航空地面空調(diào)保障裝備空調(diào)系統(tǒng)的能效比遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式航空地面空調(diào)保障裝備空調(diào)系統(tǒng)。

圖4 不同蒸發(fā)側(cè)溫度Te下空調(diào)系統(tǒng)的理想COP

3 結(jié)論

針對傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式航空地面空調(diào)保障裝備空調(diào)系統(tǒng)的弊端，筆者設(shè)計(jì)了一種基于內(nèi)冷除濕的航空地面空調(diào)保障裝備空調(diào)系統(tǒng)，其具有如下特點(diǎn)：

1)實(shí)現(xiàn)了溫、濕度控制，系統(tǒng)除濕效率高。傳統(tǒng)的蒸氣壓縮式制冷循環(huán)是冷凝除濕，其除濕效率低，而基于內(nèi)冷除濕的航空地面空調(diào)保障裝備空調(diào)系統(tǒng)利用熱濕獨(dú)立控制原理，循環(huán)利用換熱器表面的固體吸附劑除濕，不僅可實(shí)現(xiàn)溫、濕度分開控制，而且也提高了除濕效率。

2)提高了蒸發(fā)器溫度和系統(tǒng)的能效比?；趦?nèi)冷除濕的航空地面空調(diào)保障裝備空調(diào)系統(tǒng)由于制冷劑在低溫環(huán)境吸收外來空氣的水蒸氣，可實(shí)現(xiàn)內(nèi)冷固體除濕過程，使蒸發(fā)側(cè)的溫度提高5～10 ℃，同時(shí)也有效降低了吸附劑再生溫度，從而降低了冷凝側(cè)溫度，顯著地提高了系統(tǒng)的能效比。

3)通過除濕蒸發(fā)器和冷凝器的切換，以及處理空氣風(fēng)道的切換，循環(huán)的冷凝廢熱可為除濕再生提供穩(wěn)定的熱源，實(shí)現(xiàn)了廢熱利用，同時(shí)該系統(tǒng)采用環(huán)境友好型制冷劑，不會對環(huán)境造成污染。

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(責(zé)任編輯: 尚彩娟)

Design of Air Conditioning System of Aircraft Air Conditioning Support Equipment Based on Inner-cooling Dehumidification

GONG Yong-qi,DENG Jian,ZHANG Wen-yi,WANG Hui

(Department of Aviation Four Stations,Air Force Logistics College,Xuzhou 221000,China)

Aiming at low dehumidification efficiency and high system energy consumption of aircraft air conditioning support equipment,the authors design a new air conditioning system of aircraft air conditioning support equipment named inner-cooling dehumidification air conditioning system.Compared with the traditional vapor compression air conditioning system,the flight process can be better supported by this system,and this system has higher energy efficiency ratio.

aircraft air conditioning support equipment; air conditioning system; inner-cooling dehumidification

1672-1497(2017)01-0074-04

2016-11-12

龔永奇(1992-)，男，碩士研究生。

V351.3; TU831.7

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.016