高空臺(tái)大流量空氣降溫工藝改進(jìn)應(yīng)用

陳宏輝 王　成 莊春龍 王同慶 唐　軍

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高空臺(tái)大流量空氣降溫工藝改進(jìn)應(yīng)用

陳宏輝 王成 莊春龍 王同慶 唐軍

（中國(guó)燃?xì)鉁u輪研究院 綿陽(yáng) 621700）

介紹了某高空臺(tái)空氣降溫工藝的改進(jìn)應(yīng)用，通過(guò)增加冷水機(jī)組對(duì)空氣降溫工藝優(yōu)化改進(jìn)，用機(jī)組制取的低溫冷凍水噴淋降溫，替代原河水噴淋和載冷劑相結(jié)合的預(yù)降溫模式，并達(dá)到了更好的預(yù)降溫效果。通過(guò)改進(jìn)增加了系統(tǒng)降溫能力，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性、可靠性，還降低了系統(tǒng)運(yùn)行成本，取得了較好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

冷水機(jī)組；空氣降溫；噴淋塔；高空模擬

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)高空模擬試驗(yàn)中，為了比較真實(shí)模擬發(fā)動(dòng)機(jī)地面、高空狀態(tài)，需要模擬環(huán)境發(fā)生相應(yīng)的改變。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)高空模擬試驗(yàn)中，低溫試驗(yàn)占據(jù)了整個(gè)飛行包線近二分之一的部分，因此，在擁有高空模擬試車臺(tái)（簡(jiǎn)稱高空臺(tái)）的國(guó)家中，都建有一套提供低溫空氣的制冷系統(tǒng)。

我國(guó)高空臺(tái)某空氣降溫工藝采用壓縮空氣噴淋預(yù)降溫、載冷劑預(yù)冷、除濕、吸附干燥、深度降溫（透平膨脹機(jī)）處理，得到試驗(yàn)要求的不同溫度的低溫空氣。吸附干燥的目的是為了防止深度降溫后空氣中的水分結(jié)冰，其預(yù)降溫除濕的主要目的是為了降低空氣含濕量，從而延長(zhǎng)空氣干燥器的使用壽命。

1 改造前預(yù)降溫工藝及存在的不足

以前，壓縮空氣（40℃左右）預(yù)降溫除濕采用噴淋和載冷劑預(yù)冷相結(jié)合的方式，其中噴淋降溫（20℃左右）在噴淋塔中進(jìn)行，冷卻劑是澄清的河水；載冷劑預(yù)冷是利用深度降溫設(shè)備出口空氣的冷量來(lái)降溫（12℃左右），用無(wú)水乙醇作為載冷劑。預(yù)降溫后的空氣經(jīng)過(guò)氣水分離除去游離水，再經(jīng)過(guò)吸附干燥、除塵，最后進(jìn)入透平膨脹機(jī)深度降溫，得到工藝需要的低溫空氣，流程示意如圖1所示。

采用這種預(yù)降溫模式，存在有以下幾點(diǎn)不足：（1）載冷劑預(yù)冷利用深度降溫設(shè)備出口冷空氣進(jìn)行冷量交換，試驗(yàn)準(zhǔn)備期較長(zhǎng)，也降低了系統(tǒng)的降溫能力；加之多次換熱，其冷量損失較大，效率較低。（2）噴淋降溫采用澄清的河水，受環(huán)境溫度影響較大（夏季24℃，冬季8℃），隨著設(shè)備系統(tǒng)的不斷老化性能下降，夏季難以滿足大流量低溫空氣需求，加之雨季水質(zhì)較差，影響試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行安全，洪水季節(jié)沒(méi)法進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)行。（3）采用無(wú)水乙醇作為載冷劑，易燃易爆，加之儲(chǔ)量較大，增加了系統(tǒng)運(yùn)行的安全性風(fēng)險(xiǎn)。（4）空氣預(yù)降溫溫度較高 （12℃），含濕量較大，縮短了干燥器使用時(shí)間（吸附干燥器能力有限，水分達(dá)到飽和后必須對(duì)干燥劑進(jìn)行再生才具有吸附能力），從而影響單次試驗(yàn)時(shí)間。

圖1 改造前工藝流程示意圖

2 新增冷水機(jī)組改造方案

2.1 改造方案簡(jiǎn)述

鑒于空氣降溫系統(tǒng)夏季降溫能力不足的現(xiàn)狀，提出新增冷水機(jī)組輔助降溫的構(gòu)想，將噴淋降溫用水替換為冷水機(jī)組制取的3℃左右的低溫冷凍水，經(jīng)理論計(jì)算噴淋后的空氣溫度達(dá)到5℃左右，取消原有載冷劑系統(tǒng)和配套的換熱器等設(shè)備，其余流程不變，改造后的工藝流程示意如圖2所示。

圖2 改造后工藝流程示意圖

改造方案在充分利用原有設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，結(jié)合設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)有限的空間，冷凍水流程采用噴淋塔→水泵→冷水機(jī)組→噴淋塔之間閉循環(huán)模式，代替噴淋塔→水池→水泵→冷水機(jī)組→噴淋塔通用循環(huán)模式，取消通用流程中的循環(huán)水池及配套設(shè)備。冷水機(jī)組采用改進(jìn)設(shè)計(jì)后的大溫差機(jī)組，冷凍水設(shè)計(jì)進(jìn)水13℃，出水3℃，制冷量可以10%～100%無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。

2.2 相關(guān)計(jì)算過(guò)程

2.2.1 冷量需求

將70kg/s，40℃，450kPa（A）的空氣噴淋降溫到5℃，單位時(shí)間換熱量：

其中：為空氣流量，kg/s；1為噴淋塔單位質(zhì)量進(jìn)口空氣焓值，kJ/kg；2為噴淋塔單位質(zhì)量出口空氣焓值，kJ/kg；為單位質(zhì)量干空氣所含游離水帶走的冷量，游離水質(zhì)量取7.5g/kg干空氣。

2.2.2 冷凍水量計(jì)算

按照改進(jìn)設(shè)計(jì)后的大溫差機(jī)組，冷凍水設(shè)計(jì)進(jìn)水13℃，出水3℃，其設(shè)計(jì)工況流量為：

=/(C×Δ) （2）

其中：C為水的等壓比熱4.2kJ/kg·℃；Δ為冷凍水溫降10℃。

按式（2）計(jì)算，冷凍水正常流量為375t/h，鑒于冷凍水內(nèi)循環(huán)且沿程管道短，水泵流量選正常流量1.05倍約394t/h，查通用水泵產(chǎn)品樣本，對(duì)水泵流量進(jìn)行圓整，最終確定水泵流量為400t/h。

水泵選型流量比冷凍水正常需求流量大6.7%，將減小冷水機(jī)組進(jìn)、出水換熱溫差，而冷水機(jī)組通過(guò)設(shè)定出水溫度（3℃）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，加之系統(tǒng)總制冷量恒定，所以對(duì)空氣降溫效果基本不產(chǎn)生影響。

2.2.3 噴淋塔性能核算

為了保證改進(jìn)效果，必須對(duì)噴淋塔性能進(jìn)行核實(shí)，避免“液泛”現(xiàn)象發(fā)生，核算噴淋塔降溫效果。

（1）泛點(diǎn)速度核算

1）噴淋塔操作速度

2）噴淋塔泛點(diǎn)速度

式中，為重力加速度，9.81m/s2；為填料因子m-1；、為氣相及流液相重度，kg/m3；、為液、氣相質(zhì)量流量kg/h；為液相粘度CP（厘泊），水的粘度=1厘泊；為填料特性系數(shù),鮑爾環(huán)鞍形=0.176。

3）泛點(diǎn)速度核算

單臺(tái)（共2臺(tái)）噴淋塔直徑2.5m，原設(shè)計(jì)水流量80t/h，設(shè)計(jì)泛點(diǎn)速度1.87m/s；如果工藝改進(jìn)后單臺(tái)噴水量200t/h，按式（4）計(jì)算其泛點(diǎn)速度為1.47m/s。按式（3）計(jì)算其操作速度1.41m/s，改進(jìn)后操作速度是泛點(diǎn)速度的96%，通常設(shè)計(jì)要求操作速度為泛點(diǎn)速度65%—85%，必須減小噴水量，以滿足使用要求。按操作速度允許范圍的上限85%取值，反算噴水量要求，可得單臺(tái)噴水量允許值130t/h（總量260t/h），然而水泵流量400t/h，多余的水量我們采用旁路管分流至噴淋塔底部摻混，與噴淋后的熱水混合后再循環(huán)，分流水量通過(guò)閥門調(diào)節(jié)控制。

（2）噴淋塔降溫效果核算

按空氣參數(shù)、噴淋水參數(shù)、塔徑、填料高度、填料特性等參數(shù)進(jìn)行傳熱傳質(zhì)核算，噴淋塔性能滿足要求，能夠達(dá)到預(yù)期的降溫效果，具體計(jì)算過(guò)程較復(fù)雜，這里不作詳細(xì)說(shuō)明。

按噴淋水總量260t/h、3℃左右計(jì)算，要將70kg/s，40℃，450kPa（A）的空氣噴淋降溫到5℃，其噴淋水換熱溫差接近14；經(jīng)過(guò)查看以前使用記錄，噴淋塔進(jìn)、出口水溫差可達(dá)20℃，且進(jìn)口水溫越低，進(jìn)、出口溫差越大；出口空氣溫度通常比進(jìn)水溫度高1～2℃，這也間接說(shuō)明減小噴淋水量后，噴淋塔降溫性能可以達(dá)到預(yù)期要求，空氣降溫效果能夠滿足。

2.2.4 換熱效率核算

管道及設(shè)備放置于大氣中，溫度較低，忽略熱輻射影響，系統(tǒng)按對(duì)流換熱模型進(jìn)行計(jì)算。

（1）傳熱系數(shù)

=（5）

（2）冷量損失計(jì)算

=（） （6）

按式（5）、（6）分別對(duì)系統(tǒng)在冬季境溫度8℃、夏季環(huán)境溫度35℃計(jì)算損失冷量，分別約4kW、36kW，改造系統(tǒng)換熱效率分別為99.5、99.1%，高于冷量初算時(shí)換熱效率96%，滿足使用要求。雖然效率較高，但由于基數(shù)大，最大冷量損失已達(dá)36kW，所以有必要對(duì)管道及塔外壁進(jìn)行保冷處理。

3 改造實(shí)施效果及評(píng)價(jià)

空氣降溫工藝改造后，進(jìn)行了多次調(diào)試和試驗(yàn)運(yùn)行，達(dá)到了預(yù)期的效果。改造前后不同季節(jié)預(yù)降溫效果對(duì)比詳見表1，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)算，系統(tǒng)換熱效率在97～98%。表中單臺(tái)干燥器使用時(shí)間按吸濕總量不變計(jì)算，由于進(jìn)氣壓力、溫度相同，所以空氣飽和含濕量隨溫度高而增大，影響干燥器使用時(shí)間。

表1 改造前后預(yù)降溫效果比較

（1）從改造后效果來(lái)看，使用冷水機(jī)組之后，噴淋預(yù)降溫后的空氣溫度可以達(dá)到5℃左右，較改造前預(yù)降溫空氣12℃左右，其預(yù)降溫能力有很大程度提高，達(dá)到了預(yù)期的效果。經(jīng)過(guò)改造，提高了系統(tǒng)降溫能力，對(duì)于相同低溫供氣指標(biāo)要求，改造后整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)更低，緩解了大流低溫供氣要求和設(shè)備系統(tǒng)老化性能下降的矛盾。

（2）采用冷水機(jī)組制取的冷凍水噴淋預(yù)降溫，空氣溫度可穩(wěn)定在5℃左右，解決了整個(gè)系統(tǒng)降溫能力隨季節(jié)變化波動(dòng)較大的問(wèn)題。噴淋冷凍水水采用循環(huán)使用，與改造前一次性使用相比，緩解了夏季水質(zhì)差對(duì)設(shè)備造成的損壞。

（3）通過(guò)降低預(yù)降溫空氣溫度，從而減少了進(jìn)入干燥器飽和空氣的含濕量，延長(zhǎng)了干燥器的單次使用時(shí)間，提高了試驗(yàn)效率，節(jié)省了試驗(yàn)成本。

（4）冷水機(jī)組投入使用后，原有乙醇載冷劑系統(tǒng)可以取消，提高了設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。改造后的設(shè)備系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，降低了系統(tǒng)運(yùn)行操作難度，一定程度提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)過(guò)對(duì)空氣降溫工藝改造，還取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益，主要有以下幾方面：

（1）經(jīng)過(guò)計(jì)算分析，改進(jìn)方案冷凍水采用噴淋塔、水泵、大溫差冷水機(jī)組之間閉循環(huán)，減少了通用方案中循環(huán)水池等配套設(shè)備，可節(jié)省建設(shè)成本約5萬(wàn)元。

（2）改造后降低了空氣含濕量，延長(zhǎng)了空氣干燥器的使用時(shí)間，原來(lái)3次的試驗(yàn)內(nèi)容現(xiàn)在2次可完成，節(jié)省設(shè)備檢查準(zhǔn)備、待運(yùn)行的成本約8萬(wàn)/次，節(jié)省干燥器再生成本約2萬(wàn)/次；僅按每年運(yùn)行50次計(jì)算，可節(jié)省15次檢查準(zhǔn)備、待運(yùn)行和硅膠再生成本，（8+2）×15=150萬(wàn)/年。

5 結(jié)論

本項(xiàng)目針對(duì)高空臺(tái)空氣降溫工藝中存在的不足，利用當(dāng)前先進(jìn)的技術(shù)和成熟的工藝設(shè)備，在不改變主體設(shè)備的基礎(chǔ)上進(jìn)行工藝改進(jìn)優(yōu)化，采用噴淋塔→水泵→冷水機(jī)組→噴淋塔閉循環(huán)模式，并獲得了成功，達(dá)到了預(yù)期的降溫效果。通過(guò)對(duì)工藝的改進(jìn)，增加了系統(tǒng)降溫能力，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性、可靠性，還降低了系統(tǒng)操作難度和運(yùn)行成本，取得了較好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。冷水機(jī)組與噴淋塔相結(jié)合在高空臺(tái)降溫工藝中的成功應(yīng)用，也是國(guó)內(nèi)外高空臺(tái)降溫工藝的一次創(chuàng)新。

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Big Air Cooling Process to Improve in Aero-engine Simulated Altitude Test Facilities

Chen Honghui Wang Cheng Zhuang Chunlong Wang Tongqing Tang Jun

( China Gas Turbine Establishment, mianyang, 621700 )

This paper introduces the application and improvement of air cooling process in Aero-engine simulated Altitude test facilities, By increasing a water chiller to improve and optimize the air cooling process. Use the freezing water which the water chiller produces to spray cooling, Instead of the original precooling mode. Achieve a better precooling effect. By improving, the system cooling ability has increased.It not only has improved the stability, security, reliability of the system operation, but also reduced cost of the system running, and obtained good economic benefit.

water chiller; air cooling; spray tower; simulated Altitude

1671-6612（2017）03-292-04

TB69

B

陳宏輝（1983-10），男，本科，工程師，E-mail：victor_chh@qq.com

2016-11-29