民用飛機(jī)干燥系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)

郭天鵬 孫學(xué)德 汪光文 / GUO Tianpeng SUN Xuede WANG Guangwen(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)(Shanghai Aircraft Design & Research Institute, Shanghai 201210)

民用飛機(jī)干燥系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)

郭天鵬 孫學(xué)德 汪光文 / GUO Tianpeng SUN Xuede WANG Guangwen
(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海 201210)
(Shanghai Aircraft Design & Research Institute, Shanghai 201210)

以建模和計(jì)算分析為手段，完成民用飛機(jī)干燥系統(tǒng)的需求分析和方案設(shè)計(jì)。首先建立民用飛機(jī)客艙橫截面的幾何模型和傳熱模型；基于飽和含濕量和溫度之間的關(guān)系分析客艙頂部干燥控制需求；比較干燥控制需求和民用飛機(jī)典型巡航工況下的相關(guān)參數(shù)確定干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；最后將設(shè)計(jì)方案與實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行比照，實(shí)際應(yīng)用和設(shè)計(jì)方案吻合較好，說(shuō)明了設(shè)計(jì)過(guò)程的合理性。

民用飛機(jī)；干燥系統(tǒng)；分析設(shè)計(jì)；濕度

0 引言

隨著民航運(yùn)輸業(yè)的快速發(fā)展和民用飛機(jī)主制造商之間競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，民用飛機(jī)環(huán)境控制和經(jīng)濟(jì)性顯得越來(lái)越重要。其中后者又與飛機(jī)的實(shí)際重量尤其是實(shí)際重量中的有效商載息息相關(guān)。

經(jīng)調(diào)研表明，隨著飛機(jī)運(yùn)行時(shí)間的增加，客艙中的冷凝水，尤其是絕熱隔聲層中冷凝水會(huì)不斷增加，根據(jù)飛行環(huán)境、飛機(jī)容積等的不同干線客機(jī)增重會(huì)達(dá)到200kg ～ 600kg，極大地影響了飛機(jī)的實(shí)際重量和有效商載。

同時(shí)，冷凝水的滲出還直接影響乘客的環(huán)境感受，同時(shí)可能對(duì)電氣系統(tǒng)造成間隙性短路，甚至腐蝕結(jié)構(gòu)和電氣，對(duì)飛機(jī)安全性、維修性等造成影響。

國(guó)內(nèi)外對(duì)溫濕度的研究較多，但主要是針對(duì)人體的舒適性感受，針對(duì)干燥方面的理論研究則比較少。

因?yàn)槿狈ο嚓P(guān)研究，目前民用飛機(jī)上干燥系統(tǒng)尚不是必裝，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中上述問(wèn)題不斷出現(xiàn)，迫使包括A320、波音737等系列在內(nèi)的很多客機(jī)都進(jìn)行了干燥系統(tǒng)的加裝改裝，這種應(yīng)用在遠(yuǎn)程寬體客機(jī)上則更加廣泛。目前為止，所有在役客機(jī)的干燥系統(tǒng)均采用轉(zhuǎn)輪除濕。據(jù)了解，相關(guān)公司并沒(méi)有理論計(jì)算和模擬仿真，國(guó)內(nèi)外也沒(méi)有對(duì)干燥系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的相關(guān)研究。

轉(zhuǎn)輪除濕干燥系統(tǒng)主要利用來(lái)自三角區(qū)的廢氣，經(jīng)干燥處理后通向客艙頂部區(qū)域，對(duì)絕熱隔聲層及區(qū)域內(nèi)設(shè)備進(jìn)行干燥，如圖1所示。

本文根據(jù)某民用飛機(jī)干燥系統(tǒng)需求分析和方案設(shè)計(jì)，通過(guò)建模和分析計(jì)算建立一般民用飛機(jī)干燥系統(tǒng)的需求分析和方案設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)調(diào)研現(xiàn)有機(jī)型設(shè)計(jì)結(jié)果對(duì)模型和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證，確定設(shè)計(jì)的合理性。

1 客艙頂部幾何和傳熱模型

1.1 幾何模型

為了完成計(jì)算首先建立客艙頂部區(qū)域的簡(jiǎn)易模型,如圖1所示。

首先確定關(guān)鍵的幾何參數(shù)，參考簡(jiǎn)化后的一般民用客機(jī)正圓機(jī)身典型剖面初步設(shè)計(jì)方案，以確定客艙頂部?jī)?nèi)壁板的等效長(zhǎng)度Leff，Sonfloor為設(shè)計(jì)橫截面地板以上的面積，Scabin為客艙等效橫截面積，Scrown為客艙頂部等效橫截面積，Vcabin為客艙容積，R為聲明的客艙半徑：

在簡(jiǎn)化模型中，將頂部區(qū)域與客艙實(shí)際區(qū)域以平面隔開(kāi)，以及兩者的橫截面分界線為橫截面的圓形中的一條弦，假設(shè)寬度為wide，弦對(duì)應(yīng)的圓心角為ω,Scrown可以通過(guò)弦的兩個(gè)端點(diǎn)對(duì)應(yīng)的圓心角的扇形和三角形面積做差得到，并同時(shí)通過(guò)測(cè)量弦長(zhǎng)wide得到對(duì)應(yīng)的圓心角ω。

絕熱隔聲層將客艙頂部分成1∶X的比例區(qū)域，亦即：

絕熱隔聲層從外到內(nèi)兩層的厚度d1和d2為已知量(只有一層的情況下則一個(gè)參數(shù)為0)，材料導(dǎo)熱系數(shù)分別為αdamp1與αdamp2亦可以查詢得到；同樣也包括比熱cdamp，材料密度ρdamp等。

計(jì)算可得絕熱隔聲層外層到蒙皮內(nèi)壁的空氣厚度Lout和Linside(絕熱隔聲層內(nèi)側(cè)到內(nèi)壁板的空氣厚度)。

因此有客艙頂部有效體積：

V=

1.2 傳熱模型建立

從蒙皮內(nèi)壁開(kāi)始到客艙壁板的熱模型可以簡(jiǎn)化為圖2所示。

圖2 從蒙皮到客艙內(nèi)壁的傳熱示意圖

圖中T表示溫度(下標(biāo)表位置，1,2,3,4分別表示絕熱隔聲層外層外側(cè)、外層內(nèi)側(cè)、內(nèi)層外側(cè)和內(nèi)層內(nèi)側(cè))，R表示熱阻。

對(duì)于各個(gè)截面的溫度計(jì)算基于能流的平衡：

Qoverall=Qskin?damp1=Qdamp1=Qdamp2

考察從蒙皮到客艙的能流：

外層絕熱隔聲層的能流：

內(nèi)層絕熱隔聲層的能流：

內(nèi)外絕熱隔聲層相貼，因此外層絕熱隔聲層內(nèi)壁溫度等于內(nèi)層絕熱隔聲層外部溫度T2=T3：

從蒙皮到外層絕熱隔聲層的能流：

從內(nèi)層絕熱隔聲層到客艙壁板的能流：

通過(guò)客艙壁板的能流：

H為頂部對(duì)流換熱系數(shù)。

計(jì)算可知，在不加裝干燥裝置的情況下有：

客艙典型設(shè)計(jì)溫度Tcabin為已知量。

飛機(jī)蒙皮溫度的計(jì)算尤為重要。

本文所述嚴(yán)酷情況指從地面熱天飛到空中冷天即最可能造成冷凝水析出的工況，冷天最低溫度由飛機(jī)設(shè)計(jì)溫度包線決定，為已知量。

h為海拔高度，Ma典型巡航速度均為飛機(jī)設(shè)計(jì)值，由此可以推導(dǎo)出飛機(jī)蒙皮溫度Tskin，并確定在不加裝干燥裝置的情況下，巡航穩(wěn)態(tài)的內(nèi)壁亦即絕熱隔聲層內(nèi)外的溫度。

1.3 含濕模型

對(duì)于飽和水蒸氣分壓力有pp,q(pa)

其中Td(℃)為干球溫度[1]；

更進(jìn)一步，客艙頂部的含濕量主要來(lái)源于兩個(gè)部分：第一是原常溫空氣在冷卻過(guò)程中形成的飽和濕空氣的含濕量(樂(lè)觀假設(shè)其他形態(tài)的水可以被帶走，這種估計(jì)是合適的，因?yàn)榫头€(wěn)態(tài)而言這部分除以時(shí)間相比是很小的)，其次是客艙氣體向頂部區(qū)域的滲入中攜帶的水分：

又外層空氣質(zhì)量小于內(nèi)層空氣，且由飽和水蒸氣分壓力計(jì)算式可知外層空氣飽和濕度遠(yuǎn)小于內(nèi)層空氣，因此含濕主要是內(nèi)層空氣含濕：

mH2Oairsat?mairinside·HAsat(Tairinside)

HAsat可以計(jì)算得到，

θ為內(nèi)層空氣與外層空氣的體積比例，由圖1可知：

其中,hcpcs為巡航階段座艙壓力高度，為飛機(jī)設(shè)計(jì)值。

mH2Oground=mairground·HAsat(Tgound)·HRground

因?yàn)?，結(jié)合溫度估算出的內(nèi)壁溫度，比較巡航狀態(tài)可容納的氣相水和區(qū)域中地面浸潤(rùn)后的含水量即可判斷是否有水析出，從而確定干燥系統(tǒng)加裝是否必要。

2 干燥裝置的的權(quán)衡設(shè)計(jì)

假設(shè)(大型商用飛機(jī)也確實(shí)如此)有水析出，則有必要也建議進(jìn)行干燥系統(tǒng)的加裝。

考慮客艙水分向上的散失：

其中：ζ水蒸氣回收系數(shù)；nn旅客數(shù)；np空勤人員數(shù)；qn旅客蒸發(fā)，qp空勤人員蒸發(fā)。[2]

干燥系統(tǒng)從其作用過(guò)程分析，干空氣應(yīng)該具備兩方面的作用：第一，利用干空氣的不飽和性對(duì)已經(jīng)凝結(jié)的水分進(jìn)行除濕，把凝結(jié)水帶走；第二，在特定的絕對(duì)濕度情況下，利用干空氣將客艙向頂部散失的水分帶走，保證不產(chǎn)生結(jié)露。

2.1基于除去既有凝結(jié)水的計(jì)算

在此需求中，干燥系統(tǒng)應(yīng)該具備將上述中由于空中溫度的降低所產(chǎn)生的冷凝水全部帶走的能力：

因此有除濕需求：

ΔmH2O=mH2Oground-mH2Ocruise

(25)

τ為典型巡航時(shí)間。

2.2基于保證客艙散失水分不產(chǎn)生結(jié)露的計(jì)算

保證客艙散失水分不產(chǎn)生結(jié)露的目的在于在已經(jīng)不存在冷凝水的前提下，保證頂部區(qū)域(絕熱隔聲層)不產(chǎn)生新的冷凝水。

干燥空氣并不改變空間內(nèi)的溫度分布，換言之干燥機(jī)理不是通過(guò)溫升增大頂部區(qū)域空氣的含濕能力。

由上文分析可知，巡航狀態(tài)下客艙頂部區(qū)域全部水分以氣相存在，濕度為飽和濕度狀態(tài)；又外層空氣溫度很低，濕度很小，因此即使是飛機(jī)蒙皮的凝結(jié)水也會(huì)最終在絕熱隔聲層上，因此假設(shè)干燥是通過(guò)保溫達(dá)到的，高溫的干燥空氣應(yīng)該具備將絕熱隔聲層中和內(nèi)層空氣加溫到Tbut的能力，亦即有換熱關(guān)系：

Q為相應(yīng)下標(biāo)的熱量：

τunqiueQmtCair(Tgenerator)ΔTairgenerator=∑mdampi

CdampiΔTdampi+mairheatcair(T)ΔTairinside

τunique為單位時(shí)間，用于達(dá)到量綱的平衡。

i為1，2或inside。

外層空氣密度和體積均遠(yuǎn)小于內(nèi)層，兩層絕熱隔聲層的相關(guān)參數(shù)在本文中僅傳熱系數(shù)不同，基于保溫的計(jì)算中又不涉及相關(guān)參數(shù)，因此有：

τuniqueQmtCair(Tgenerator)(Tgenerator-Tbutgenerator)

+mairheatcair(Tairinside)(Tbutairinside-Tairinside)

τuniqueQmt?mairheat?

因此有：

ΔTi?1,i=內(nèi)層空氣，絕熱隔聲層

因此在除濕的基礎(chǔ)上進(jìn)行保溫只是狹義的保溫，亦即保證客艙滲入的水分在進(jìn)入絕熱隔聲層前仍然有足夠的高溫(高于露點(diǎn)溫度)氣體將其帶走：

以最嚴(yán)酷情況進(jìn)行估計(jì)，即帶走濕氣的空氣最終都是在絕熱隔聲層內(nèi)層附近將水分帶走的，該溫度應(yīng)該：

Tbutreal≥T4, 且

進(jìn)一步得到HAsat(Tbutreal)

帶走水量和滲入水量的平衡有：

mairheageneratortHAsat(Tbutreal)=QmtHAsat(Tbutreal)

聯(lián)立可得Qmt。

2.3 干燥空氣總需求量的計(jì)算

3 算例驗(yàn)證

為驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，本文根據(jù)實(shí)際參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算過(guò)程如下：

假設(shè)某大型客機(jī)全經(jīng)濟(jì)艙布局440人，空勤人員客艙11人，駕駛艙3人，蒸發(fā)量分別為0.065和0.165kg/(h·人)。

客艙長(zhǎng)度Leff=48 500mm；客艙容積Vcabin=537.75m3；飛機(jī)上內(nèi)壁半徑R=2 960mm，從外到內(nèi)絕熱隔聲層厚度分別為50.8mm和12.7mm，絕熱隔聲層材料為A級(jí)材料：

比熱cdamp=0.19cal/(g·℃)

密度ρdamp=6.73kg/m3

經(jīng)計(jì)算客艙頂部有效面積約,2.5612m2，目前假設(shè)為85%，可得客艙頂部空氣總體積為105.585m3。

飛機(jī)UA值假設(shè)為840W/K，H一般為13W/(m2·℃)左右，客艙溫度選擇艙典型設(shè)計(jì)溫度Tcabin=24℃=297.15K，海平面大氣溫度T0=288.15K=15℃，平均溫度直減率α=0.006 5℃/m=0.006 5K/m，空中冷天最低溫度Tamb=-70℃=203.15K，典型設(shè)計(jì)巡航高度hcruise=43 000ft=13 106.4m，典型巡航速度Ma=0.85。

根據(jù)溫度計(jì)算模型有：

Tskin=229.57K=-43.58℃

Tinsidewall=291.80K=18.65℃

T4?280.14K=6.99℃

T1?234.23=-38.91℃

各層溫度的差值也證明了絕熱隔聲層是客艙頂部的主要熱阻。

一些基本的物理量：ρ0= 1.225kg/m3；g ≈ 9.81m/s2；R ≈ 287J/kg/K，hcpcs為巡航階段座艙壓力高度，取hcpcs=6 000ft=1 828.8m，地面熱天的考慮以標(biāo)準(zhǔn)海平面溫度+23℃和濕度45%進(jìn)行計(jì)算。飛機(jī)過(guò)站時(shí)間在35～60min之間，典型過(guò)站時(shí)間56.4min，假設(shè)(可以)將飛機(jī)完全浸潤(rùn)通過(guò)含濕模型，比較巡航狀態(tài)可容納的氣相水和區(qū)域中地面浸潤(rùn)后的含水量，有：

因此即便不考慮乘客水分向空中的散失，同時(shí)假設(shè)內(nèi)層空氣溫度都以壁面溫度計(jì)，如果不加裝干燥裝置，飛機(jī)在巡航狀態(tài)也會(huì)不斷在內(nèi)層空氣中析出冷凝水。

事實(shí)上，通過(guò)計(jì)算可知，同上文工況，即使地面濕度20%的熱天也會(huì)造成冷凝水的析出，因此干燥裝置的加裝是十分必要的。

基于除去既有凝結(jié)水的計(jì)算中，正常情況下單位時(shí)間內(nèi)的單位時(shí)間內(nèi)的干燥空氣量遠(yuǎn)小于頂部空氣總量，且前者密度小于后者密度，因此除濕過(guò)程不考慮其對(duì)溫度的影響(事實(shí)上也幾乎沒(méi)有影響，2.2節(jié)中ΔTi?1的分析也證明了該論斷的準(zhǔn)確性，HAsat(T)中的T依然取Tinsidewall為即保證巡航階段頂層空氣最大含濕能力最樂(lè)觀估計(jì)，HAgenerator為經(jīng)過(guò)處理的干燥空氣，濕度遠(yuǎn)小于HAsat(T)，因此

HAset(T)?

聯(lián)立可得Qex：

Qex=0.002 82kg/s

換算成體積流量為2.757 4l/s

基于保證客艙散失水分不產(chǎn)生結(jié)露的計(jì)算中，對(duì)干燥空氣有：Tgenerator<110℃,入口溫度，出口溫降后小于60℃。

查詢干空氣的主要物理參數(shù)表可知cair在110℃時(shí)約為1.024kJ/(kg*K)：

以最嚴(yán)酷情況進(jìn)行估計(jì)，即帶走濕氣的空氣最終都是在絕熱隔聲層內(nèi)層附近將水分帶走的，該溫度應(yīng)該：

Tbutreal≥T4,且

因此此處?。?/p>

Tbutreal?7℃

HAsat(Tbutreal)=0.006 203 8kg/kg

聯(lián)立有：

Qmt=0.136 2kg/s

換算成體積流量為152.50l/s

Qtotal=Qex+Qmt=176.258 4 l/s

附注，該流量重新帶入模型可得：

ΔTi?1

同樣計(jì)算過(guò)程還得出，對(duì)于大型商用客機(jī)Qex?Qmt,干燥系統(tǒng)干空氣量。

目前在役機(jī)型使用的干燥系統(tǒng)均使用轉(zhuǎn)輪除濕型干燥組件，該干燥組件聲明流量約90l/s。

即算例中的大型客機(jī)需要加裝兩套干燥系統(tǒng)，該算例中各參數(shù)選擇與現(xiàn)役某型寬體客機(jī)極為近似，該型號(hào)客機(jī)干燥系統(tǒng)作為選裝件，但是所有架次均有加裝，加裝數(shù)量?jī)商住?/p>

4 結(jié)論

本文利用建模計(jì)算方法對(duì)客機(jī)干燥系統(tǒng)加裝與否的必要性進(jìn)行探討，并通過(guò)現(xiàn)有機(jī)型的調(diào)查得出模型的有效性，得出如下結(jié)論：

1)為了避免客艙頂部產(chǎn)生凝結(jié)水影響飛機(jī)運(yùn)行重量等，大型客機(jī)需要加裝干燥系統(tǒng)。

2)即干燥系統(tǒng)更多的是用于防止客艙散失的水分在客艙頂部的凝結(jié)。

[1] 沈維道，蔣智敏，童鈞耕合編.工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2003.

[2] 壽榮中，何慧姍編著.飛機(jī)環(huán)境控制[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[3]SAE-ARP85E,AirConditioningSystemsforSubsonicAirplanes[S]. 2006.06.

Design of Dehumidification System
for Civil Aircraft

Based on modeling and analysis, this paper applies for achieving requirement analysis and proposal design for dehumidification system of civil aircraft. Firstly, geological and thermal transfer models are set up based on cabin vertical section. Secondly, relationship between saturated humidity and temperature is analyzed to capture dehumidification requirement. Thirdly, comparing requirement and relative parameters on typical aircraft cruise condition, dehumidification system design is proposed. Lastly, the quantities of components applied on real aircraft, analysis and design rationality is demonstrated.

civil aircraft; dehumidification system; analytical design; humidity

10.19416/j.cnki.1674-9804.2017.02.016

V216.5

A

郭天鵬 男，碩士，工程師。主要研究方向：民用飛機(jī)濕度控制系統(tǒng)、民機(jī)噪聲等；E-mail：guotianpeng@comac.cc

孫學(xué)德 男，碩士，高工。主要研究方向：民機(jī)噪聲、民機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、低壓管路、濕度控制等；E-mail：sunxuede@comac.cc

汪光文 男，博士，高工。主要研究方向：民用飛機(jī)空調(diào)系統(tǒng)、座艙舒適性、通風(fēng)系統(tǒng)等；E-mail：wangguangwen@comac.cc