Матвеенко А.М. (ред.) - Системы оборудования летательных аппаратов - 2005

Принципы охлаждения, используемые в авиационной технике 111

возможных состояний вещества, называемого применительно к рассматриваемой задаче рабочим телом.

Каждая точка характеризует всю совокупность параметров со­ стояния (давление, плотность, энтальпию и др.), которые, как по­ казано в термодинамике, являются однозначными функциями двух других параметров состояния (в данном случае — темпера­ туры и энтропии).

В исходном положении, характеризуемом точкой 7, рабочее тело (например, идеальный газ) имеет температуру, равную тем­ пературе окружающей среды. Воспринимать тепло от объекта ох­ лаждения с более низкой температурой Тк рабочее тело в состоя­ нии 1 неспособно. Чтобы понизить температуру рабочего тела до уровня Тк, осуществим его идеальное расширение. При идеаль­ ном расширении энтропия остается постоянной, а параметры (для идеального газа) изменяются по уравнению адиабаты

(4.17)

В состоянии, характеризуемом точкой 2, рабочее тело, будучи приведенным в тепловой контакт с объектом охлаждения, теоре­ тически способно воспринять от него заданное количество тепла Qx (потребная холодопроизводительность). В реальном процессе теплообмена для этого необходима разность температур между объектом охлаждения и рабочим телом. Однако существование конечного значения разности температур делает процесс тепло­ обмена необратимым, что противоречит требованию идеальности цикла. В то же время нулевая разность температур теоретически не препятствует теплообмену, только в реальных условиях тепло­ вые потоки, направленные навстречу друг другу, статически урав­ новешиваются. Для идеальной схемы можно допустить и неурав­ новешенную передачу тепла либо в одном, либо в другом направ­ лении в зависимости от требуемого хода процесса.

Передача тепла к рабочему телу при изотермических условиях будет приводить к возрастанию его энтропии в соответствии с из­ вестным из термодинамики соотношением dQ = TdS. Если холо­ допроизводительность системы Qx задана, то поглощение требу­ емого количества тепла приведет к изменению энтропии на AS = = Q J Тк. Заметим, что на диаграммах состояния обычно отобра­ жают экстенсивные параметры состояния — энтропию, энталь­ пию, объем и др. — в форме удельных величин, отнесенных к еди­ нице массы вещества. В соответствии с этим потребное измене­ ние энтропии Д S при заданной холодопроизводительности Qx будет зависеть от количества используемого в цикле рабочего тела.

112 Авиационные системы кондиционирования воздуха

На диаграмме наглядно воспроизводится графический эквива­ лент удельной холодопроизводительности системы в виде площа­ ди прямоугольника 2 — 3 — б — а, которая, как известно, равна произведению длины основания AS на высоту Тк. Для идеальных газов изобары на диаграмме состояния изображаются в виде вос­ ходящих вогнутых кривых. Это означает, что в точке 3 давление меньше, чем в точке 2, и, следовательно, линия 2 — 3 отображает процесс изотермического расширения рабочего тела.

Восприняв заданное количество тепла от объекта охлаждения, необходимо осуществить его передачу в окружающую среду. С этой целью из точки 3 начинается процесс идеального адиабат­ ного сжатия рабочего тела до достижения им температуры 7 ^ в точке 4. Теперь становится осуществимой обратимая передача тепла от рабочего тела в окружающую среду при нулевом перепаде температур аналогично процессу 2 — 3.

Если в процессе, начинающемся из точки 4, осуществить пе­ редачу только того тепла Qx, которое было воспринято рабочим телом от объекта охлаждения, то потребное изменение энтропии

^*^1 — Ос/Гокр

окажется меньше изменения энтропии AS в процессе, который показан линией 2 — 3 (так как Гокр > Тк), и процесс должен быть остановлен в точке Г, не совпадающей с точкой 1. Цикл окажется незавершенным. Чтобы вернуться в исходную точку 1 цикла, необходимо передать от рабочего тела в окружающую среду дополнительное количество тепла. Единственной воз­ можностью выполнения данного условия является использова­ ние для получения требуемого количества тепла дополнитель­ ного внешнего источника энергии.

Потребные затраты энергии от внешнего источника легко оп­ ределить по разности между количеством тепла, передаваемого от рабочего тела в окружающую среду в процессе, показанном ли­ нией 4 — 1, и количеством тепла, воспринимаемого рабочим те­ лом от объекта охлаждения в процессе, показанном линией 2—3.

N = T0KPA S - TKAS= (Токр - TK)AS.

Эти потребные затраты энергии наглядно представляются на диаграмме цикла площадью прямоугольника 1 — 2 — 3 — 4, рав­ ной произведению основания AS на высоту (7"окр — Тк).

Наряду с описанным «формальным» обоснованием потребнос­ ти затрат энергии для осуществления искусственного охлаждения можно дать и другую более «физичную» формулировку: затраты энергии в холодильном цикле требуются для переноса заданного количества тепла с низкого энергетического уровня, характеризу­

Принципы охлаждения, используемые в авиационной технике 113

емого температурой Тк, на более высокий энергетический уро­ вень, характеризуемый температурой !roKp.

Для полноты описания холодильного цикла Карно необходимо отметить, что процесс, показанный линией 4— 1, с учетом отме­ ченных выше свойств идеальных газов представляет собой этап изотермического сжатия рабочего тела, а дополнительная работа, подведенная к рабочему телу, определяется как разность между затратами на сжатие в процессах, показанных линией 3 — 4— 1, и работой, получаемой при расширении рабочего тела в процес­ сах, показанных линией 1— 2 — 3.

Для оценки относительного уровня холодопроизводительности системы на единицу затраченной энергии используют параметр,

называемый холодильным коэффициентом:
V =	=	T*AS	=	1______	(Л1о\
*	N	(T0KP- T K)AS		( Т ^ р / т у - Г	>

Из (4.18) следует, что удельные затраты энергии в идеальном холодильном процессе определяются только отношением темпе­ ратур Токр/Т к, что они возрастают при необходимости охлаждения объектов до более низких температур и что охлаждение до абсо­ лютного нуля технически недостижимо, так как требует бесконеч­ ных затрат энергии.

Холодильный коэффициент, представляющий собой отноше­ ние полезного эффекта — холодопроизводительности — к затра­ там энергии на охлаждение, по форме похож на коэффициент по­ лезного действия. Но при определении коэффициента полезного действия обычно исходят из того, что достигнутый энергетичес­ кий эффект получается непосредственно из затраченной энергии, в то время как в холодильном цикле энергия затрачивается только на перенос заданного количества тепла с одного энергетического уровня на другой. В частности, поэтому величина холодильного коэффициента может быть больше единицы (при 1 < 7 ^ /Тк < 2), даже принимать значение, равное бесконечности, что для коэф­ фициентов полезного действия в принципе невозможно.

Величиной, аналогичной КПД в холодильных процессах, яв­ ляется коэффициент г|х эффективности реальных систем охлаж­ дения, представляющий собой отношение холодильного коэффи­ циента tL p рассматриваемой системы к холодильному коэффи­ циенту К^ш цикла Карно:

Лх _ ^-Х.р/^-Х-ИД*

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:

■охлаждение в условиях, когда температура объекта ниже тем­ пературы среды, в которую передается тепло, возможно, но

114	Авиационные системы кондиционирования воздуха

требует специальных затрат энергии и применения специаль­ ного рабочего тела;

■для осуществления процессов, обеспечивающих изменения со­ стояния рабочего тела, требуемых при искусственном охлаж­ дении, необходимы соответствующие технические устройства (в схемах процессов, аналогичных циклу Карно, — расшири­ тель, компрессор, теплообменники).

РАЗНОВИДНОСТИ СИСТЕМ И МЕТОДОВ ОХЛАЖДЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКЕ ПРИ КОНДИЦИОНИРОВАНИИ ВОЗДУХА КАБИН

Авиационные системы охлаждения отличаются достаточным разнообразием схем и использованием агрегатов различных ти­ пов. Поэтому возможна классификация систем охлаждения по различным признакам. По мнению авторов [57], наиболее суще­ ственные черты систем определяются применяемым рабочим те­ лом и используемыми принципами охлаждения. Названные отли­ чия позволяют выделить следующие типы систем и методов ох­ лаждения.

Системы охлаждения с воздушным циклом отличаются тем, что

вкачестве рабочего тела в них используется воздух, идущий для наддува и вентиляции кабин. Вид и последовательность процес­ сов обработки воздуха в системе охлаждения принципиально те же, что и в холодильном цикле Карно: сжатие — передача тепла

вокружающую среду — расширение — поглощение тепла в ох­ лаждаемом объекте. Основной особенностью рассматриваемой

системы является то, что благодаря использованию «вентиляци­ онного воздуха» цикл удается «разомкнуть» и исключить из числа необходимых агрегатов один ТО, поскольку рабочее тело погло­ щает тепло непосредственно внутри объема кабины и затем вы­ брасывается в атмосферу.

Схема системы и диаграмма реализуемого в ней цикла показа­ ны на рис. 4.3. На схеме представлены агрегаты, наиболее часто используемые в авиационных системах с воздушным циклом ох­ лаждения: источник сжатого воздуха — компрессор (К) ВРД, воз- духо-воздушный теплообменник (ВВТ) и турбохолодильник (ТХ).

Как видно из рис. 4.3, б, диаграмма воздушного цикла охлаж­ дения существенно отличается по форме от идеального цикла Карно в силу того, что реальные процессы теплообмена в ВВТ и

вкабине происходят не по изотерме, а по изобаре. Действительно, если пренебречь гидравлическими потерями, то давление воздуха

вканалах ТО и внутри кабины можно считать постоянным. Кроме того, в реальных условиях теплообмен возможен лишь при нали­ чии конечной разности температур. Сравнение диаграммы воз­ душного цикла охлаждения с диаграммой цикла Карно, теорети-

Принципы охлаждения, используемые в авиационной технике 115

Рис. 4.3. Схема системы охлаждения воздушного цикла с ТХ (а) и диаграмма цикла (б):

В— вентилятор;

Т- турбина

чески необходимого для получения той же холодопроизводительности, показывает, что по энергетическим затратам воздушный цикл заметно уступает циклу Карно. Кроме того, следует иметь в виду, что в реальных системах энергетическая эффективность еще более понижается в результате различных потерь, в частности, особенно сильно, если энергия, отводимая от турбины ТХ, в даль­ нейшем не используется полностью.

Несмотря на указанный недостаток, системы охлаждения воз­ душного цикла находят очень широкое применение в современ­ ной авиационной технике. Практически все современные само­ леты оборудованы такими системами. Причиной тому служит их простота, малая масса, нечувствительность к небольшим утечкам рабочего тела, вполне приемлемая надежность и низкая стои­ мость эксплуатации, а также возможность отбора от компрессо­ ров двигателей требуемого количества воздуха с достаточным для работы системы давлением.

Возможны различные разновидности систем охлаждения воз­ душного цикла (перечисленные, например, в книге [14]). Рассмот­ рим еще лишь один пример такой системы, в которой нагрузкой тур­ бины Т служит компрессор Кь используемый для дополнительного сжатия воздуха перед турбиной (рис. 4.4). Применение дополни­ тельного компрессора позволяет при прочих равных условиях пони­ зить требуемую степень сжатия воздуха в компрессоре двигателя и, следовательно, уменьшить затраты, связанные с отбором воздуха вы­ сокого давления. Заметим, что применение двухступенчатого сжатия и охлаждения, как это видно из диаграммы, уменьшает теоретически требуемую работу цикла в связи с уменьшением степени перегрева воздуха после каждого сжатия. Однако это одновременно приводит к необходимости некоторого увеличения суммарной массы ТО.

Системы с компрессионно-испарительным циклом охлаждения.

Эти системы базируются на использовании в качестве рабочих тел

116	Авиационные системы кондиционирования воздуха

КИз атмосферы

/	I—	Скоростной
S '		напор

_	Н1
В атмосферу		В атмосферу	Ф
	у	Рис. 4.4. Схема системы охлаждения воздушно­
В атмосферу		го цикла с турбокомпрессором (а) и диаграмма
		цикла (б)

таких веществ, которые в ходе цикла претерпевают фазовые превра­ щения: переходят из жидкого состояния в парообразное и обратно.

Известно, что при постоянном давлении в процессе фазового пе­ рехода температура вещества сохраняется постоянной и при этом поглощается или выделяется определенное количество тепла. Ука­ занное обстоятельство соответствует на диаграмме состояния вещес­ тва совпадению изобар с изотермами в зоне влажного пара, что яв­ ляется очень важным, так как свойство веществ сохранять постоянс­ тво температуры во время испарения и конденсации позволяет осуществить холодильный цикл, близкий по форме к идеальному.

Действительно, реально возможными являются следующие про­ цессы.

1.Рабочее тело в жидком состоянии с небольшим содержанием

внем паровой фазы (рис. 4.5, б, точка I) подается в испаритель при

c o n s t

/«const

Перегретый

пар

Ватмо сферу

Влажный пар

S) s

Рис. 4.5. Схема системы охлаждения с компрес­ сионно-испарительным холодильником (а) и диаграмма цикла (б):

ИСП — испаритель; КОНД — конденсатор; КО —

укомпрессор основной; РВ — расширительный вен­

В атмосферу У

тиль; M — привод основного компрессора

Принципы охлаждения, используемые в авиационной технике 117

температуре чуть ниже температуры объекта и, испаряясь, погло­ щает тепло. На диаграмме это соответствует переходу в точку 2.

2. Образовавшийся пар засасывается в компрессор (КО) и сжи­ мается, температура его повышается до значения, несколько пре­ восходящего температуру окружающей среды (точка 2). Вследс­ твие потерь при сжатии энтропия рабочего тела в точке 3 может стать больше, чем в точке 2.

3.Сжатый пар поступает в конденсатор, где он передает тепло в окружающую среду и конденсируется, переходя в жидкое состояние.

4.Жидкость-конденсат направляется через расширительное устройство снова в испаритель, после чего все процессы повторя­ ются. Расширительное устройство для жидкости может представ­ лять собой простой дроссель, так как ввиду несжимаемости жид­ кости энергия ее расширения невелика и потери от замены ак­ тивного расширения дросселированием незначительны. Наличие потерь при расширении проявляется в возрастании энтропии ра­ бочего тела в точке 1 по сравнению с точкой 4.

На рис. 4.5, б видно, что диаграмма рассмотренного цикла до­ статочно близка к диаграмме теоретически необходимого цикла Карно. Это определяет относительно высокую эффективность компрессионно-испарительных систем охлаждения, и КПД до­ стигает у них примерно 80 %.

Возможный вариант схемы авиационной компрессионно-ис­ парительной системы охлаждения показан на рис. 4.5, а. В соб­ ственно компрессионно-испарительную систему входят четыре аг­ регата: испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный (регулирующий) вентиль. Представленный на схеме воздушный компрессор обеспечивает только наддув и вентиляцию кабины, а ВВТ — предварительное охлаждение сжатого воздуха. Естест­ венно, что степень сжатия воздушного компрессора и размеры ВВТ могут быть в данном случае намного меньше, чем в системах с воздушным циклом охлаждения. Привод основного компрессора КО системы может быть осуществлен от любого вспомогательного источника энергии, например, с помощью электродвигателя М.

В качестве рабочих тел в компрессионно-испарительных си­ стемах охлаждения использовали чаще всего фреоны, особенно­ стью которых являются широкий диапазон температур и давлений фазового перехода, малотоксичность и безопасность в пожарном отношении. Однако для предотвращения вредного воздействия на озоновый слой атмосферы принято решение заменить фреоны Другими веществами.

Высокий КПД компрессионно-испарительных систем, их срав­ нительная автономность, позволяющая обеспечить охлаждение кабины во время стоянки на земле, обусловливают в некоторых случаях целесообразность их применения на JIA. Пример: систе-

118	Авиационные системы кондиционирования воздуха

мы охлаждения вертолета Ми-8 и самолета Ан-2 (сельскохозяй­ ственный вариант). Однако такие системы имеют бблыную массу и стоимость в производстве и эксплуатации по сравнению с сис­ темами охлаждения воздушного цикла.

Использование аккумулированного холода является одним из на­ иболее рациональных дополнительных способов охлаждения в ави­ ации при относительно малой продолжительности функциониро­ вания системы. В качестве источника аккумулированного холода чаще всего используются либо специальные хладагенты, запасае­ мые на борту JIA, либо топливо основной силовой установки, пока температура его остается приемлемой для целей охлаждения.

В качестве хладагента наиболее широко применяется вода или водоспиртовые смеси, последние — в тех случаях, когда требуется обеспечить низкую температуру замерзания жидкости. Вода явля­ ется наиболее эффективным хладагентом, поскольку обладает са­ мой высокой (после водорода) удельной теплоемкостью и очень большой теплотой парообразования.

Использование топлива в качестве хладагента является также очень эффективным и находит применение на большинстве ско­ ростных самолетов (при М > 1,3), например на самолете Ту-144, поскольку даже во время сверхзвукового полета топливо прогре­ вается сравнительно медленно. Опыт эксплуатации современных скоростных самолетов показывает, что температура топлива в ба­ ках к концу полета редко поднимается выше 70 °С, что является вполне приемлемым для охлаждения.

Термоэлектрическое охлаждение базируется на эффекте, откры­ том в 1834 г. физиком Пельтье, и заключается в том, что при про­ пускании постоянного тока через электрическую цепь, составлен­ ную из двух разнородных проводников (рис. 4.6), один из спаев проводников охлаждается, а другой — нагревается, причем «горя­ чий» и «холодный» спаи меняются местами при изменении направ­ ления тока. Количество тепла, поглощаемого холодным спаем, пропорционально силе тока и зависит от материалов проводников (1 и 2); чем больше разность термоэлектрических коэффициентов проводников, тем больше получается степень охлаждения.

Однако, несмотря на простоту и надежность, термоэлектричес­ кое охлаждение в связи с малой энергетической эффективностью (КПД » 5 %) применяется пока только для локальных задач (тер­ мостабилизация отдельных электронных блоков, глубокое охлаж­ дение приемников инфракрасного излучения и т. п.).

7

Рис. 4.6. Термоэлектрическое охлаждение:

1, 2 — проводники

Основные элементы СКВ, их устройство и принцип действия

119

4 .4 . ОСНОВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ АВИАЦИОННЫХ СКВ,

ИХ УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Теплообменным аппаратом называется агрегат, в котором про­ исходит процесс передачи тепла от среды с большей температурой

ксреде с меньшей температурой.

ВСКВ применяются следующие типы ТО: ■ воздухо-воздушные (ВВТ);

■ топливовоздушные, в которых охлаждение воздуха происходит

спомощью топлива, подаваемого из баков в двигатели само­

лета (ТВТ);

■испарительные, в которых охлаждение горячего воздуха проис­ ходит в результате изменения агрегатного состояния хладоносителя (воды, водоспиртовых смесей, сжиженных газов и т. п.).

Анализ современных СКВ показывает, что масса теплообмен­ ников на некоторых самолетах достигает 30 % массы системы.

Авиационные ТО характеризуются максимальной интенси­ фикацией теплообмена, минимальными габаритными размерами и гидравлическим сопротивлением. Это отличие приводит к при­ менению в конструкции тонкостенных материалов и обязатель­ ному при этом усложнению технологии изготовления.

В зависимости от направления относительного движения теп­ лоносителей ТО бывают прямоточные, противоточные и пере­ крестноточные. В прямоточных ТО тепло- и хладоносители дви­ жутся параллельно друг другу, поэтому разность температур по длине теплопередающей поверхности уменьшается (один поток охлаждается, а другой — нагревается) и этот тип ТО наименее эф­ фективен. В противоточном ТО потоки движутся навстречу друг другу, при этом разность температур мало изменяется и теорети­ чески можно теплоноситель охладить до входной температуры хладоносителя. Однако осуществить конструкцию противоточного компактного авиационного ТО не всегда удается. Поэтому на практике применяют перекрестноточные многоходовые ТО. В перекрестноточном многоходовом ТО (при двух-трех ходах) Удается обеспечить практически ту же эффективность, что и в противоточном. Обобщенной характеристикой совершенства ТО является эффективность или температурный КПД теплообменни­ ка г), представляющий собой отношение количества переданного тепла Qк максимально возможному Qmax. Выразив Qи Qmax через принятые в теплотехнике водяные эквиваленты w = т*ср и тем­ пературы потоков, имеем

120 Авиационные системы кондиционирования воздуха

ц = Q	= ^ropC^ropi W 2 ) ^	(4 .1 9 )
^max	^miri ( ^гор 1 _ ^хол 1)

где индексы 1 и 2 относятся к входу и выходу соответственно го­ рячего (гор) и холодного (хол) теплоносителей; wmin — минималь­ ное из двух (по холодной или горячей линии) значений водяного эквивалента.

Эффективность ТО зависит от относительного движения теп­ лоносителей, отношения водяных эквивалентов и совершенства теплообменной поверхности, определяемой числом единиц пере­ носа тепла П, которое определяется как

П = - J — \ k j i F =	(4.20)
wmin	wmin

Современные ТО характеризуются значениями коэффициента теплопередачи Ат.ср = 75... 140 Вт/(м2 • К) [14]. Эффективность ТО равняется 0,5...0,95 и зависит в основном от его конструкции и со­ отношения водяных эквивалентов холодного и горячего потоков.

Одно и то же значение эффективности ТО может быть достиг­ нуто либо увеличением числа П, что приводит к увеличению пло­ щади теплообмена F, а следовательно, массы и объема ТО, либо увеличением расхода по холодной линии (водяного эквивалента и>хол), при этом установочная масса уменьшится, а стартовая будет увеличиваться.

Для авиационных теплообменников наиболее типичными яв­ ляются соотношения водяных эквивалентов wX0JI/w r0p = 2...3.

Выбор размеров ТО производится в каждом конкретном случае с учетом условий его компоновки на самолете.

По конструктивному оформлению теплопередающей поверх­ ности компактные ТО можно разделить на две группы — трубча­ тые и пластинчатые.

В трубчатых ТО горячий воздух высокого давления проходит внутри трубок, а хладоноситель — между трубок. На рис. 4.13 представлен общий вид трубчатого стального двухходового топ­ ливовоздушного теплообменника.

Большое распространение благодаря высокой интенсифика­ ции теплообмена, компактности и простоте изготовления полу­ чили пластинчато-ребристые ТО.

В пластинчато-ребрис­ тых ТО теплопередающая поверхность (рис. 4.7) состоит из плос­

ких листов, между которыми располагаются гофрированные листы. Гофры, соединяя листы в монолитную конструкцию, вы-