主戰(zhàn)坦克空氣制冷空調(diào)系統(tǒng)

張科華，張釗，劉煜，茅逸凡，張龍翔，鄭人通

（南京工程學院能源與動力工程學院，南京211167）

0 引言

現(xiàn)階段的裝甲車空調(diào)系統(tǒng)主要有4種[1]：第1種是汽化物循環(huán)制冷空調(diào)，其制冷劑為R12，由于坦克工作環(huán)境復雜，機動條件較為惡劣，易導致空調(diào)發(fā)生氟泄漏，并且在野外工作環(huán)境中，后勤充氟很難做到伴隨保障。從目前GKN-Sankey公司生產(chǎn)并已投入使用的情況來看，暴露出了以上問題，總體使用情況并不理想，有停產(chǎn)趨勢。氟利昂的禁用問題也是限制該類空調(diào)發(fā)展的重要原因之一。第2種是變?nèi)菔娇諝庵评淇照{(diào)，還存在重要部件的技術性問題, 如變?nèi)菔綁嚎s機中軸承疲勞性問題和潤滑系統(tǒng)等問題，美國等技術發(fā)達國家現(xiàn)在也處于研究階段[2-3]。第3種是余熱式空調(diào)制冷裝置，該裝置需要保持水平狀態(tài)才可正常運行，而且制冷負荷小、溫降小、體積較大，不適應坦克工作特點，至今未見在裝甲車方面推廣使用的報道[4]；第4種是渦輪式空氣制冷空調(diào)。英國NGL公司充分挖掘飛機空調(diào)的技術，成功研制了渦輪式空氣制冷空調(diào)裝置,經(jīng)試驗后取得了理想效果。美國正在服役的M1主戰(zhàn)坦克和俄羅斯的T-80坦克均采用了渦輪制冷系統(tǒng)，可有效降低坦克內(nèi)部溫度。渦輪式空氣制冷系統(tǒng)在一定制冷容量下,比一般的汽化物循環(huán)系統(tǒng)更可靠，占用空間更小，耗能更少，維修量更小，而且其性能受環(huán)境溫濕度的影響較小[1]。對渦輪式空氣制冷空調(diào)的進一步研究，有望在我國主戰(zhàn)坦克和重型裝甲上應用，具有現(xiàn)實軍事價值。本文通過對艙內(nèi)微環(huán)境的研究，得到艙內(nèi)冷負荷計算方法，為我國主戰(zhàn)坦克新型空調(diào)系統(tǒng)的設計積累技術經(jīng)驗，有效改善戰(zhàn)斗人員所在的艙內(nèi)環(huán)境，為我國國防事業(yè)貢獻力量。

1 坦克結構

坦克基本結構組成主要包括車體、動力裝置、傳動裝置、行動裝置、操縱裝置、火控系統(tǒng)、電氣設備和通信設備。此外，坦克還配有三防（防核武器、防生物武器、防化學武器）、滅火、潛渡，以及其他輔助裝置等，坦克具備上述基本組成部分后，就具有了火力、機動性和防護三大性能。坦克結構如圖1所示。

圖1 坦克結構簡圖

空調(diào)系統(tǒng)的設計，主要涉及動力艙及乘員艙，通過動力艙的壓氣機與渦輪膨脹器共軸聯(lián)動，可實現(xiàn)空氣的壓縮膨脹制冷。坦克動力艙平面簡圖如圖2所示。

圖2 坦克動力艙平面簡圖

2 制冷原理

渦輪制冷相當于逆向布雷頓循環(huán)。從柴油機取部分空氣或?qū)h(huán)境空氣送入壓縮機中壓縮，氣體密度增大，溫度升高，然后送入中冷器，使空氣溫度降到與成員艙內(nèi)溫度相同。由于被吸入空氣壓強增大，比體積增大，將氣體釋放出來的時候，氣體要膨脹（膨脹制冷），由熱力學第一定律，熱量等于膨脹功加熱力學能變化量。膨脹一瞬間近似認為是絕熱的，熱量等于0，膨脹功大于0，則熱力學能下降。空氣可視為理想氣體，熱力學能與溫度近似成正比，由此，溫度會降低[5]。

3 成員艙內(nèi)熱力計算

坦克空調(diào)制冷系統(tǒng)的設計，涉及坦克乘員艙內(nèi)冷負荷分析與艙外氣象參數(shù)的確定。根據(jù)我國坦克工作特點：地理分區(qū)有五大戰(zhàn)區(qū)，氣候布局包括溫帶大陸性氣候（冬寒夏熱，干旱少雨）、溫帶季風氣候（冬寒冷干燥，夏高溫多雨）、高原山地氣候（氣溫隨高度而降低）、亞熱帶季風氣候（冬溫低少雨，夏高溫多雨）及部分熱帶季風氣候（雨季集中，旱雨季分明）地區(qū)。乘員艙外空氣參數(shù)差距大，因此從夏季和冬季的極限工況考慮，設計出的空調(diào)系統(tǒng)可滿足全天候、全地域要求。

3.1 成員艙內(nèi)熱源散熱引起的冷負荷分析

主要包括坦克發(fā)動機等設備散熱（顯熱為主）、照明散熱、人體散熱、附加實彈射擊時產(chǎn)生的大量熱（潛熱為主）。因此，需采用相應的冷負荷系數(shù)，系數(shù)取值依據(jù)為《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》GB 50736-2012，取值與實際存在一定差異。

1）設備散熱形成的冷負荷。坦克乘員艙內(nèi)安裝有電臺、車內(nèi)通話器、火炮電傳動器等設備，在坦克工作期間存在不同程度的使用，會散出部分熱量形成艙內(nèi)冷負荷。

2）發(fā)動機傳入艙內(nèi)的熱量。在渦輪增壓中冷發(fā)動機中，增壓后的空氣要流經(jīng)中冷器降溫，因此要損失一部分熱量，一部分熱量再由發(fā)動機室的前擋板經(jīng)熱對流和熱傳導傳遞到艙內(nèi)（實際上是包含熱輻射在內(nèi)的復合傳熱）。

3）照明設備散熱。

4）發(fā)射彈藥時的散熱。發(fā)射炮彈時，炮膛內(nèi)瞬時溫度可達300 ℃以上[7]，同時產(chǎn)生的膛壓高達247 MPa[8]。炮管抽煙裝置的特殊設計，會將發(fā)射炮彈時產(chǎn)生的火藥煙霧和大量熱量及時抽走，以免火藥煙霧進入炮塔內(nèi)部影響乘員的呼吸，以及間歇發(fā)射炮彈時產(chǎn)生冷熱變化影響主炮射擊精準度，故留下的發(fā)射熱量會急劇減少。只有對艙內(nèi)部分的炮管加熱熱量會通過炮管外壁與艙內(nèi)空氣進行對流換熱，而不發(fā)射炮彈時，該部分熱量為0，不產(chǎn)生瞬時冷負荷；發(fā)射炮彈時產(chǎn)生的瞬時冷負荷需要大量的實驗模擬，以及不同彈種更換和不同裝藥量下的數(shù)據(jù)擬合方可精確計算。本研究通過對系統(tǒng)設計時的裕度設計加以補償，故該部分熱量不再具體量化與匯總。

5）人體散熱形成的冷負荷。

6）太陽輻射形成的冷負荷。由于坦克車體主要采用復合裝甲制造，沒有保溫措施且乘員艙空間密閉狹小，故太陽輻射對艙內(nèi)溫度影響較大。參考民用車中太陽輻射熱對車室內(nèi)熱負荷的比重，據(jù)統(tǒng)計約占整個車室內(nèi)冷負荷的50%以上[9]。因此太陽輻射形成的冷負荷大于坦克乘員艙內(nèi)總冷負荷的50%。

7）縫隙侵入空氣帶入熱量形成的冷負荷。

上述計算結果如表1所示。

表1 乘員艙內(nèi)熱源散熱引起的冷負荷匯總

3.2 成員艙外空氣計算參數(shù)的確定

根據(jù)戰(zhàn)區(qū)分布，查《民用建筑供暖通風與空氣調(diào)節(jié)設計規(guī)范》GB 50736-2012選取代表地區(qū)的室外氣象參數(shù)如表2所示。

表2 各戰(zhàn)區(qū)代表地區(qū)室外氣象參數(shù)

4 制冷系統(tǒng)設計

由于坦克車體主要采用復合裝甲制造，沒有保溫措施且乘員艙空間密閉狹小，太陽直射時艙內(nèi)溫度易聚集升高，當艙外溫度環(huán)境溫度為32 ℃時，艙內(nèi)溫度常達到45℃，駕駛員處高達53 ℃，加上乘員呼吸和汗液的蒸發(fā)，艙內(nèi)很快處于高溫高濕狀態(tài)，乘員很難長時間連續(xù)工作[10]。如果對整車進行制冷，制冷效果會很不理想，且會增加坦克的功率損耗。所以應針對乘員艙微環(huán)境進行合理的空氣調(diào)節(jié)，這樣既可以減小制冷系統(tǒng)能耗，又可以實現(xiàn)對乘員艙微環(huán)境降溫降濕，達到改善坦克乘員工作環(huán)境的目的，能有效提高坦克野外持續(xù)作戰(zhàn)能力。

根據(jù)我國坦克工作地域特點，制冷系統(tǒng)設計采用極限工況下的空氣參數(shù)，如表3所示。

表3 極限工況下的空氣參數(shù)

由于坦克工作時絕大部分時間處于運動狀態(tài)，且相對密閉，故風速基本滿足要求。查濕空氣含濕圖得:

夏季艙內(nèi)空氣焓值為67.25 kJ/kg (tR=27 ℃, φ=70%)；艙外焓值為158.64 kJ/kg(to=42.1 ℃, φ=83%)；

新風負荷為Q=ma·(ho-hR)=1.2×(11/3600) ×3×(158.64-67.25)=1.005 kW=1005 W；

由匯總表計算得出，坦克乘員艙在夏季極限工況下的最大冷負荷值為5520.34 W。

渦輪膨脹器是渦輪式空氣制冷空調(diào)系統(tǒng)的核心部件。制冷系統(tǒng)部分高溫高壓的空氣從發(fā)動機中取出后，經(jīng)中冷器預冷后與經(jīng)熱交換器預冷的環(huán)境空氣在渦輪膨脹器混合。通過渦輪增壓膨脹器增壓吸入，渦輪膨脹器與壓氣機共軸聯(lián)動，對降溫后的空氣進一步絕熱等熵膨脹，將空氣的焓變轉(zhuǎn)化為機械功輸出，可進行膨脹功回收。同時產(chǎn)生降溫降壓，進一步冷卻空氣，再經(jīng)過低壓除水器，除去空氣中的水分，保證低含濕量的冷空氣進入濾毒器中過濾消毒，然后送入乘員艙內(nèi)的微環(huán)境，對空氣進行調(diào)節(jié)，達到制冷目的。

運用EES軟件對渦輪壓縮空氣制冷進行模擬計算，假設空氣為理想氣體[11]，計算流程如圖3所示。過程如下：

輸入已知參數(shù)：G渦輪、G空氣、Tsi、Pi、D、Te、Thc、Po、Tc、η渦輪；需要計算的參數(shù)：πt、πc、To、Do、Qt、Qs、COP。相關計算公式如下：

1）壓縮機的單位容積耗功量Wv。

Wv=N0/qv。

式中：N0為額定功率；qv為容積流量Qt。

2）渦輪單位質(zhì)量制冷量。Qt=hti-hto。

式中：hti為進口溫度下的比焓；hto為出口溫度下的比焓。

3）系統(tǒng)單位質(zhì)量制冷量Qs。

Qs=hto-hci。

式中，hci為壓氣機進口溫度下的比焓。

4）系統(tǒng)COP。

COP=Qs/Wm。

式中，Wm為壓縮機單位耗功。5）壓氣機壓比πc。

πc=pco/pci。

式中：pco為壓氣機出口壓力；pci為壓氣機進口壓力。

6）渦輪膨脹比πt。

πt=pti/pto。

式中：pti為渦輪進口壓力；pto為渦輪出口壓力。

圖3 計算流程

經(jīng)模擬計算，初步設計的渦輪空氣制冷系統(tǒng)能夠滿足負荷和設計要求。系統(tǒng)相關參數(shù)如表4所示。

渦輪空氣制冷系統(tǒng)示意圖如圖4所示。

表4 系統(tǒng)相關參數(shù)

4 結語

1)我國坦克工作環(huán)境差異大，但在極限工況下設計出的空調(diào)系統(tǒng)可以滿足坦克部隊全天候、全地域作戰(zhàn)及訓練的要求。

圖4 渦輪空氣制冷系統(tǒng)示意圖

2)坦克結構特點直接導致不可能實現(xiàn)全車制冷，只能對以乘員艙為主的微環(huán)境進行局部空氣調(diào)節(jié)。

3)我國現(xiàn)有主戰(zhàn)坦克發(fā)動機體積較大，發(fā)展體積更小、功耗更小、更高增速比的發(fā)動機，將對提高坦克部隊在野外極端條件下連續(xù)作戰(zhàn)的能力具有重要意義。