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

Основные элементы СКВ, их устройство и принцип действия 141

На рис. 4.22, V показано телескопическое соединение труб, применяемое для соединения патрубков в кабинах при отсутствии избыточного давления в трубах.

На рис. 4.22, III представлена конструкция металлического сильфона с толщиной стенки 0,2...0,3 мм. Для применения та­ ких компенсаторов в воздухопроводах с давлением более 1 МПа между гофрами с наружной стороны устанавливаются опорные кольца, препятствующие деформации гофра внутренним дав­ лением.

На рис. 4.22, IV показан стык воздухопровода, выполненный при помощи резинового эластичного наконечника, обеспечиваю­ щий компенсацию несоосности в широких пределах. Крепле­ ние воздухопроводов к конструкции отсека обычно производят хомутом через кронштейн, как показано на рис. 4.22, X. Этот способ крепления обеспечивает фиксацию воздухопровода, а за счет изгиба кронштейна — линейное перемещение трубы при нагреве.

В сечениях I и X на рис. 4.22 показана теплоизоляция возду­ хопровода. Она обычно выполняется в виде чехлов, изготовлен­ ных из теплоизоляционного материала марки АТМЗ, покрытого тканью марки АЗТ или АНТМ. Трубы покрываются чехлами, стык прошивается стеклонитками, проклеивается накладкой и про­ шнуровывается стеклолентой.

ГЛУШИТЕЛИ ШУМА

Создание комфортных условий в кабинах экипажа и пасса­ жиров требует помимо всего прочего обеспечения защиты от шума.

Уровень шумов в незащищенных кабинах может достигать 125... 130 дБ, что вызывает болевые ощущения у человека, резко повышает утомляемость. Поэтому нормы предусматривают огра­ ничение уровня шума в кабинах до 90 дБ. Внешние источники шума — аэродинамические шумы, силовые установки, вибрации внешней обшивки фюзеляжа, внутренние агрегаты СКВ.

Защита кабин от внешних источников обеспечивается звуко­ изоляцией, которая одновременно является и теплоизоляцией ка­ бины.

Защита от шума, возникающего внутри СКВ, обеспечивается рациональным размещением источников шума вне кабин, обес­ печением малых скоростей движения воздуха (15...30 м/с) в воз­ духопроводах, размещенных в кабинах, установкой в воздухопро­ водах глушителей шума.

Глушители предотвращают распространение шума по возду­ хопроводам от ТХ, источников наддува. Основными методами глушения шума являются поглощение энергии акустических

142		Авиационные системы кондиционирования воздуха
1	2	3 4	Рис. 4.23. Цилиндрический
			глушитель шума:
			1 ,5 — фланцы; 2 — корпус; 3 —
			звукоизоляция; 4 — перфори­
			рованная труба

волн звукоизоляционным материалом и уменьшение шумов вза­ имным их ослаблением с помощью интерференции. В самолет­ ных СКВ применяются камерные и пластинчатые глушители. Простейший тип глушителя — цилиндрический (рис. 4.23) — представляет собой перфорированную трубу, покрытую с вне­ шней стороны звукоизоляционным материалом, поглощающим звуковые волны, и герметическим чехлом. Степень шума зависит от площади соприкосновения звукоизоляционного материала

своздухом, от толщины и физических свойств изоляции.

Сцелью уменьшения габаритов и повышения эффективности применяют многокамерные реактивные глушители, в которых глушение происходит не только звукопоглощением изоляцией,

атакже за счет отражения звуковых волн обратно к источнику, при этом происходит сложение волн и их затухание.

Сравнение акустических характеристик цилиндрического и многокамерного глушителей показывает, что при одинаковых га­ баритах многокамерные глушители более эффективны.

4.5. ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА НА РАБОТУ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ

Для современной авиации в основном характерны достаточно большие высоты полета, на которых влажность атмосферного воз­ духа относительно мала и ее влияние на работу и характеристики авиационных систем кондиционирования можно не принимать во внимание.

Однако на ряде режимов, в частности при полетах на малой высоте в летний период в районах с высокой относительной влаж­ ностью и высокой температурой окружающей среды, количество водяных паров в атмосфере может оказаться столь значительным (рис. 4.24), что становится неизбежной конденсация влаги в аг­ регатах систем охлаждения. Это может привести к существенному отличию параметров воздуха на входе в кабину от расчетных, а в некоторых случаях к поступлению в кабину тумана или снега.

Влияние влажности воздуха на работу систем кондиционирования 143

Рис. 4.24. Зависимость максимальной абсолютной влажности воздуха от высоты полета:

для стандартных атмосферных условий;-----

для повышенных на 22 °С температур

Очевидно, что для прогнозирования подобных явлений учет влаж­ ности совершенно необходим.

Другой задачей, в которой нельзя обойтись без учета свойств влажного воздуха, является расчет испарительных теплообмен­ ников с впрыском воды в продувочной линии, в результате ко­ торого влажность продувочного воздуха повышается, а темпера­ тура понижается за счет отвода тепла, идущего на испарение жид­ кости.

144 Авиационные системы кондиционирования воздуха

Еще одним примером проявления влажности можно считать конденсацию водяного пара из воздуха кабины в слое теплозвукоизоляции, примыкающем к наружной стенке фюзеляжа пасса­ жирского самолета. Испарение этого конденсата обычно затруд­ нено, и вода со временем может накапливаться в изоляционном слое, ухудшая его теплозащитные свойства, а иногда весьма за­ метно увеличивая его массу (в больших самолетах — на несколько сотен килограммов!). Для предотвращения указанных негативных последствий приходится принимать различные конструктивные меры, вплоть до установки специальных клапанов слива конден­ сата на нижней поверхности фюзеляжа.

Детальный анализ указанных ситуаций требует использования теории тепло- и массообмена, а также закономерностей термоди­ намики влажного воздуха.

Обычно предполагается, что влажный воздух подчиняется всем законам, справедливым для смесей идеальных газов. Наличие влаги в воздухе количественно может быть охарактеризовано раз­ личными показателями. К ним относятся: абсолютная влажность, относительная влажность, влагосодержание, парциальное давле­ ние водяного пара, температура точки росы, степень насыщения и некоторые другие.

Абсолютной влажностью еп называют количество (массу) во­ дяного пара, содержащегося в 1 м3 влажного воздуха. В соответ­ ствии с приведенным определением абсолютная влажность сов­ падает по величине с плотностью пара рпили с его концентрацией соп во влажном воздухе. При любой фиксированной температуре в парообразном состоянии может устойчиво находиться не более определенного количества влаги в единице объема. Это количес­ тво характеризует насыщенное состояние и соответствует макси­ мально возможной абсолютной влажности воздуха енп при рас­ сматриваемой температуре. Всякое дополнительное поступление пара в пространство, где находится насыщенный водяной пар, приводит к конденсации избытка воды.

Если количество пара в объеме меньше, чем могло бы быть в состоянии насыщения при данной температуре, то говорят, что пар находится в ненасыщенном (перегретом) состоянии. Для ха­ рактеристики такого состояния пользуются понятием относи­ тельной влажности. Относительная влажность ф паровоздушной смеси представляет собой отношение абсолютной влажности не­ насыщенного (перегретого) водяного пара еп к абсолютной влаж­ ности пара енп в состоянии насыщения при той же температуре. Обычно относительная влажность выражается в процентах, т. е.

Ф = (еп/еип) • 100 %.

(4.24)

Влияние влажности воздуха на работу систем кондиционирования 145

Влагосодержанием d влажного воздуха называют величину, показывающую, какая масса ти пара приходится на единицу мас­ сы тв сухого воздуха, содержащегося в смеси. Для того чтобы оперировать с более удобными цифрами, влагосодержание изме­ ряют количеством граммов водяного пара, приходящимся на 1 кг сухого воздуха:

d = (тп/т в) • 1000.

(4.25)

Рассматривая влажный воздух как смесь, состоящую из сухого воздуха и водяного пара, можно на основании закона Дальтона за­ писать

Р б= Р в+ Рп’

(4-26)

где рб — общее (барометрическое) давление смеси; рв — парци­ альное давление сухого воздуха; рп — парциальное давление во­ дяного пара.

Пользуясь уравнением Клапейрона—Менделеева для компо­ нентов смеси, можно найти

pBW = mB(R*/ цв) Т\	(4.27)
pnW = ти(В*/ми)Т,	(4.28)

где W — объем, занимаемый смесью; тв, тп — соответственно масса воздуха и масса пара; R* — универсальная газовая постоян­ ная, R* = 8314 ДжДмоль • К); цв, цп — молярные массы сухого воз­ духа и водяного пара; цв = 28,96 кг/моль; цп = 18,016 кг/моль; Т — абсолютная температура смеси.

Из уравнения (4.28) следует, что парциальное давление пара пропорционально абсолютной влажности воздуха. Действительно,

Рп = (mn/W ){R * /^)T = en(R*/»n)T,

(4.29)

так как еп = m J W (по определению), то для давления насыщен­ ного пара получаем

A,n = e„„(«*/V„)7’.

(4.30)

Отсюда следует, что относительная влажность воздуха может быть выражена не только через отношение абсолютных влаж­

146	Авиационные системы кондиционирования воздуха

ностей, но и через соответствующее отношение парциальных давлений:

Ф = (епп/еяп) ■100 % = (рпп/ряп) • 100 %,

(4.31)

где епп — абсолютная влажность перегретого пара.

Последнее соотношение в ряде случаев оказывается более удобным, так как давление насыщенного пара, как известно из термодинамики, является функцией только температуры. Уравне­ ние линии насыщения, т. е. зависимость парциального давления водяного пара на линии насыщения от температуры (или зависи­ мость температуры кипения воды от давления, что по существу то же самое) теоретически до настоящего времени не определено, и при расчетах пользуются либо специальными таблицами, либо приближенными аппроксимирующими формулами.

В частности, для интервала температур от 0 до 100 °С можно использовать следующее соотношение [57]:

(4.32)

где tH — температура, °С; рнп — парциальное давление насыщен­ ного водяного пара, мм рт. ст.

Через парциальное давление водяного пара может быть опре­ делена не только относительная влажность, но и влагосодержание. Действительно, используя уравнения (4.25), (4.27) и (4.28), можно найти

d =

• Ю00.

(4.33)

Подставив соответствующие значения молярных масс и выра­ зив рв через рб и рп, получим

j _ 18,016/7п	• 1000 =	6 2 2 - ^ -	(4.34)
28,96 рв		Рб-Ри

Из уравнения (4.34) легко следует обратная зависимость пар­ циального давления пара от влагосодержания

Влияние влажности воздуха на работу систем кондиционирования 147

Полученное соотношение показывает, что при постоянном влагосодержании парциальное давление пара изменяется пропор­ ционально изменению давления смеси.

По формуле (4.34) можно найти влагосодержание, насыщаю­ щее воздух при данном давлении и температуре:

= 622; п г г - -	<4'36)
Р б ^НП

Зависимость (4.36) показывает, что с увеличением давления смеси (при постоянной температуре) насыщающее влагосодер­ жание уменьшается (в отличие от абсолютной влажности насы­ щенного пара). Этим объясняется, в частности, почему при сжа­ тии влажного газа и последующем выравнивании его температу­ ры с температурой окружающей среды в некоторых случаях происходит конденсация влаги. Здесь же уместно отметить, что в самом процессе сжатия, если оно происходит без существенно­ го отвода тепла, конденсация влаги невозможна, так как в ре­ зультате адиабатного роста температуры давление насыщения возрастает быстрее, чем нарастает соответствующее парциальное давление водяного пара. И, напротив, при расширении газа (на­ пример, в турбохолодильнике) конденсация влаги является весь­ ма вероятной.

Степень насыщения ф является параметром, аналогичным от­ носительной влажности ф, только представляет собой отношение влагосодержаний перегретого и насыщенного пара при одних и тех же давлении и температуре:

V = -£«. • 100%	=	. 100% = 1 б - 1 н л % (4 37)
d m	Р « п ( Р ъ - Р п )	Р б - Р п

Как видно из зависимости (4.37), степень насыщения совпада­ ет с относительной влажностью в двух крайних точках (при 0 и 100 %) и характеризуется несколько меньшими, чем относи­ тельная влажность, цифрами внутри всей остальной части ин­ тервала.

Завершая характеристику перечисленных в начале параграфа показателей влажности воздуха, отметим, что температурой точки росы называют температуру, до которой требуется охладить влаж­ ный воздух, чтобы было достигнуто состояние насыщения и на­ чалась конденсация водяных паров.

Наличие среди вышеприведенных близких или похожих друг на друга показателей объясняется тем, что изучение свойств влаж­ ного воздуха исторически началось параллельно в физике, мете­

148	Авиационные системы кондиционирования воздуха

орологии, теплотехнике. При решении разнохарактерных задач могут использоваться различные показатели.

Плотность влажного воздуха меньше, чем плотность воздуха, не содержащего влаги, при одинаковых условиях по температуре и давлению

Рвл	W	+	Р\iPn
		R*T	R*T
		_	■
			1 юC L
		R*T

к

R*T	Рб~Рп) + ~ P n

f > 1 - М-п

V

Рвл	гр 1 - 0,378 —	_	0,378<П	(4.38)
		R *T ^	622 + d)

V

Сомножитель p^\x/R*T представляет собой не что иное, как плотность воздуха, не содержащего водяных паров, и, следова­ тельно, плотность влажного воздуха по сравнению с сухим возду­ хом действительно немного меньше (до 1 % в обычных и до 3 % в жарких климатических условиях). В частности, это является причиной испарения воды из водоемов и с других поверхностей, так как возникающая естественная конвекция обеспечивает пос­ тупление к ним свежих потоков воздуха взамен поднимающихся вверх увлажненных воздушных масс даже при отсутствии разно­ сти температур.

Удельная теплоемкость влажного воздуха сш обычно относится к единице массы сухой части воздуха

Свл = св + сп(4/1000),

(4.39)

где св — удельная теплоемкость сухого воздуха; сп — удельная теп­ лоемкость водяного пара.

Одной из наиболее важных характеристик влажного воздуха, очень широко используемой при расчетах, в особенности для про­ цессов, в которых происходят фазовые превращения, является эн­ тальпия. Именно изменение энтальпии оказывается эквивалент­ ным подведенному или отведенному в исследуемом процессе ко­ личеству тепла. Влажный воздух обладает энтальпией 1Ш, которая складывается из энтальпии сухого воздуха и энтальпии воды, на­

Влияние влажности воздуха на работу систем кондиционирования 149

ходящейся в воздухе во всех состояниях, с учетом теплоты фа­ зового перехода. Поскольку абсолютное значение энтальпии яв­ ляется величиной в достаточной степени условной (зависящей, в частности, от произвольно определяемой точки начала отсчета), и в расчетах используются лишь изменения энтальпии в тех или иных процессах, существуют незначительно отличающиеся друг от друга варианты математических выражений для определения ее величины. Так, может быть использовано выражение, предложен­ ное в работе [57]:

1= съТ + (2,009 + 1,8- 10~3T )d + 4,19* 1 0 ~ Ц (Т - 273,15) -

- (0,906 - 2,09 • lO~3T)dh

(4.40)

где Т — абсолютная температура влажного воздуха (всех его компо­ нентов), К; св — удельная теплоемкость сухого воздуха, кДж/(кг • К); d — влагосодержание (количество водяного пара, приходящееся на 1 кг сухого воздуха), г/кг сух. возд.; — количество воды в ка­ пельножидком состоянии, приходящееся на 1 кг сухого воздуха (иногда называемое водностью), г/кг сух. возд.; dt — количество льда, приходящееся на 1 кг сухого воздуха, г/кг сух. возд.

Несмотря на внешнюю простоту, уравнение (4.40) является существенно нелинейным и использование его в расчетах ока­ зывается возможным либо численными (с помощью ЭВМ), либо графоаналитическими методами с использованием специальных методик и диаграмм (/-^-диаграммы, либо психрометрические диаграммы).

При работе авиационных СКВ на влажном воздухе одно из ог­ раничений по их работе связано с проблемами предотвращения забивания снегом или льдом проходных сечений элементов сис­ темы, находящихся за турбохолодильником (влагоотделителей, глушителей шума, обратных клапанов, распределительных уст­ ройств и т. п.). Чтобы не допустить подобных ситуаций, приводя­ щих к отказу СКВ, на выходе из турбохолодильников поддержи­ вают температуру воздуха выше точки замерзания воды, т. е. выше 0°С (с некоторым запасом, определяемым величиной допуска на точность работы регулятора температуры). Данное обстоятель­ ство ограничивает располагаемый перепад температур Гкаб— 7скв>

используемый при охлаждении кабин, величиной порядка 20 °С, и требуемая холодопроизводительность СКВ обеспечивается уве­ личением расхода воздуха через систему иногда в количествах, превышающих потребности на вентиляцию.

Вместе с тем известно, что расход воздуха через СКВ является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на уста­ новочную массу системы и на затраты энергии (топлива), обес­

150	Авиационные системы кондиционирования воздуха

печивающие ее функционирование и транспортировку. Естест­ венное стремление снизить указанные затраты может быть реали­ зовано (при заданной холодопроизводительности) только за счет расширения перепада температур Т ^ —7скв> следовательно, лишь при переходе 7скв в отрицательную область по шкале Цельсия, что не приведет к отказу системы только в случае предваритель­ ной и достаточной по глубине осушки воздуха.

Требуемая осушка может быть достигнута различными метода­ ми, но в системах охлаждения воздушного цикла наиболее просто осуществим способ, базирующийся на свойстве повышения тем­ пературы точки росы при увеличении давления паровоздушной смеси. Указанное свойство следует из формул (4.36), (4.35) и (4.32). На рис. 4.25 показана зависимость температуры точки росы от давления при фиксированном влагосодержании влажного воз­ духа. Представлены пять графиков, имеющих вид монотонно воз­ растающих выпуклых кривых. Из графиков видно, что, например, для влагосодержания 20 г/кг сух. возд. температура точки росы при атмосферном давлении 0,1 МПа составляет 25 °С, а при дав-

т,°С

60

50

40

30

20

10

о

0,1 ОД 0,3 0,4 0,5 0,6 р, МПа

Рис. 4.25. Зависимость температуры точки росы от давления:

d — влагосодержание, г/кг сух. возд.; Т — температура точки росы, °С; р — давление, МПа