飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)能耗分析

龔永奇，鄧 建，劉慎洋

(空軍勤務(wù)學(xué)院 航空四站系，江蘇 徐州 221000)

?

● 車輛工程 Vehicle Engineering

飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)能耗分析

龔永奇，鄧 建，劉慎洋

(空軍勤務(wù)學(xué)院 航空四站系，江蘇 徐州 221000)

為提高飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)制冷效率，研究不同環(huán)境因素對飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響，分析飛機(jī)空調(diào)車送風(fēng)能耗的影響因素，對在已知環(huán)境空氣狀態(tài)的條件下，飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)的能耗進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明，系統(tǒng)能耗隨著送風(fēng)溫差的增大而增大，隨著艙內(nèi)熱濕比的增大而減少。由于飛機(jī)空調(diào)車送風(fēng)空氣含濕量有嚴(yán)格要求，針對不同的環(huán)境條件，在滿足送風(fēng)要求的前提下，提高艙內(nèi)熱濕比，降低系統(tǒng)送風(fēng)溫差，實(shí)現(xiàn)安全高效的空調(diào)保障。

飛機(jī)空調(diào)車；空調(diào)系統(tǒng)；能耗

飛機(jī)空調(diào)車是在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，在地面通電檢查和維修飛機(jī)電子設(shè)備時(shí)，給飛機(jī)設(shè)備艙提供干燥而潔凈的給定溫度和濕度的冷、熱空氣，用來控制飛機(jī)電子儀器工作環(huán)境的保障設(shè)備。隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展，通信、雷達(dá)和慣導(dǎo)等大功率電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用到民航飛機(jī)和軍用戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)載設(shè)備中，在提升了飛機(jī)自動(dòng)化程度的同時(shí)，也突顯出飛機(jī)空調(diào)車對飛行保障的重要性[1-2]。

隨著飛機(jī)空調(diào)車的頻繁使用，飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)的高能耗逐漸引起人們的關(guān)注。高能耗不僅會降低系統(tǒng)效率，而且也制約了飛行保障的效率。飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)狀態(tài)往往影響著系統(tǒng)能耗。本文通過討論不同因素對能耗的影響，在滿足送風(fēng)要求的前提下，尋找低耗能的送風(fēng)狀態(tài)。

1 空調(diào)系統(tǒng)理論分析

本文研究飛機(jī)空調(diào)車的空調(diào)系統(tǒng)主要是蒸氣壓縮式空調(diào)系統(tǒng)，它由兩級空調(diào)系統(tǒng)組成。其工作原理是利用制冷工質(zhì)在一定的低壓條件下在蒸發(fā)器內(nèi)氣化，由液態(tài)變成氣態(tài)，伴隨著吸收氣化潛熱而得以制冷。為了達(dá)到連續(xù)制冷，又把氣化后的制冷工質(zhì)送回壓縮機(jī)內(nèi)提高壓力，在冷凝器內(nèi)等壓冷凝為液態(tài)，周而復(fù)始形成制冷循環(huán)。在這個(gè)過程中，工質(zhì)由液態(tài)變成氣態(tài)產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)則產(chǎn)生放熱現(xiàn)象。冷量的獲得是工質(zhì)連續(xù)不斷地產(chǎn)生氣液相變而獲得的[3]。其工作原理如圖1所示。

圖1 蒸氣壓縮循環(huán)空調(diào)車的工作原理

飛機(jī)空調(diào)車為全新風(fēng)系統(tǒng)，夏季通風(fēng)焓濕圖如圖2所示，環(huán)境空氣狀態(tài)位于空氣處理示意圖的最上方A狀態(tài)點(diǎn)，經(jīng)過預(yù)冷處理，降溫減濕到達(dá)B狀態(tài)點(diǎn)；狀態(tài)B點(diǎn)到C點(diǎn)為空氣在風(fēng)機(jī)中的升溫過程；然后C點(diǎn)空氣再次被冷卻去濕至露點(diǎn)L點(diǎn)，使得該狀態(tài)下的空氣含濕量滿足指標(biāo)要求(8 g/kg干空氣)；最后根據(jù)送風(fēng)溫度要求，等濕加熱至狀態(tài)點(diǎn)S。

圖2 飛機(jī)空調(diào)車空氣處理過程的焓濕圖

飛機(jī)在地面空調(diào)保障前，飛機(jī)設(shè)備艙門需要打開進(jìn)行維修檢查，理論上可認(rèn)為環(huán)境狀態(tài)與飛機(jī)設(shè)備艙內(nèi)的空氣狀態(tài)是一致的，飛機(jī)設(shè)備艙的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)S與環(huán)境狀態(tài)點(diǎn)A、艙內(nèi)負(fù)荷Q、送風(fēng)量G和送風(fēng)時(shí)間t有關(guān)，即

S(hS,dS)=f(hA，dA，G，Q，W，t)

(1)

式中：hS為飛機(jī)空調(diào)車送風(fēng)溫度范圍，℃；dS為飛機(jī)空調(diào)車送風(fēng)含濕量范圍，g/kg；hA為環(huán)境狀態(tài)的比焓，kJ/kg；dA為環(huán)境狀態(tài)的含濕量，g/kg；G為送風(fēng)量，kg/min；W為系統(tǒng)的總耗能；t為通風(fēng)時(shí)間，min[4-5]。

從式(1)可知，飛機(jī)空調(diào)車送風(fēng)狀態(tài)與很多因素都有關(guān)聯(lián)，飛機(jī)空調(diào)車的送風(fēng)狀態(tài)影響著飛行保障的質(zhì)量和速度，也影響著空調(diào)系統(tǒng)的能耗。在實(shí)際保障過程中，艙內(nèi)空氣的溫度和相對濕度并不要求精確到某一個(gè)點(diǎn)上，因此飛機(jī)空調(diào)車的送風(fēng)狀態(tài)是一個(gè)區(qū)間(S1)。在夏季和冬季時(shí)候，天氣狀態(tài)A以及送風(fēng)區(qū)域S1相差較大，達(dá)到飛機(jī)設(shè)備艙理想環(huán)境狀態(tài)也需要較長時(shí)間，飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)的能耗大大增加。因此，應(yīng)合理確定飛機(jī)空調(diào)車的送風(fēng)狀態(tài)，在滿足送風(fēng)要求的前提下，降低空調(diào)系統(tǒng)的能耗[6]。

2 飛機(jī)空調(diào)車送風(fēng)能耗計(jì)算

新風(fēng)空氣的絕對濕度可以用近似公式計(jì)算：

d=0.621 88 P0·H/(Pb-P0·H)

(2)

lnPb=23．196-3 816．44/(T0-46．13)

(3)

式中：H為空氣相對濕度；P0為大氣壓，101 325Pa；T0為開爾文溫度。

濕空氣的比焓值由以下公式計(jì)算得到：

h=1．005T0+(2 500+1．84T0)d

(4)

送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)的空氣狀態(tài)為

dS=dA-Δd

(5)

Δd=Δt(1.005+1.86dA)/(ε-2 501)

(6)

式中：dS為送風(fēng)空氣濕度，g/kg干空氣；Δt為送風(fēng)溫差，℃；ε為回風(fēng)比。

由于蒸氣壓縮循環(huán)是冷凝除濕，因此其露點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)為

dS=0．622PL/(B-PL)

(7)

式中：PL為水蒸汽分壓力，kPa；B為大氣壓力，取101.325kPa。

lnPL=23．196-3 816．44/(tL+273．15-46．13)

(8)

hL=1．005tL+dS(2 501+1．86tL)

(9)

式中：hL為露點(diǎn)狀態(tài)的比焓值，kJ/kg；tL為露點(diǎn)溫度。

由于飛機(jī)空調(diào)車?yán)蔑L(fēng)管輸送風(fēng)，風(fēng)管中有阻力，當(dāng)飛機(jī)空調(diào)氣在風(fēng)管內(nèi)流動(dòng)時(shí)由于管內(nèi)的摩擦阻力和局部阻力產(chǎn)生壓降，通過風(fēng)管的壓降(ΔP1)與通過的流量(G)的平方成正比，即

【本刊2018年10月綜合報(bào)道】 近期，美國唯一核電在建項(xiàng)目的估計(jì)造價(jià)再次上升，但該項(xiàng)目業(yè)主仍決定繼續(xù)推進(jìn)該項(xiàng)目，繼續(xù)在沃格特勒建設(shè)兩臺AP1000機(jī)組。

ΔP1=SflowG/ρa(bǔ)

(10)

Sflow=8(λl/d+∑ξ)/(gπ2d4)

(11)

式中：Sflow為管路阻抗；ρa(bǔ)為空氣密度，m3/h；ξ為局部阻力系數(shù)；l為管路長度，m；d為管路直徑，m。

離心風(fēng)機(jī)的耗電功率為

WF=(ΔP+ΔP1)G/ηFρa(bǔ)

(12)

式中：ΔP為換熱器前后的壓差，Pa；ηF為風(fēng)機(jī)機(jī)械效率。

空調(diào)系統(tǒng)的全熱負(fù)荷為

Q=G(hA-hL)

(13)

式中hA為環(huán)境空氣狀態(tài)的比焓值，kJ/kg。

系統(tǒng)的總能耗為

W=Q/COP+WF

(14)

式中COP為壓縮機(jī)的制冷系數(shù)。

3 結(jié)果與討論

為了更加明確飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)的能耗影響因素，本文在已知艙內(nèi)空氣狀態(tài)的條件下，分別選擇3種不同的飛機(jī)設(shè)備艙內(nèi)熱濕比(5 000、7 000、10 000)、3種夏季高濕的天氣情況(40 ℃、70%；35 ℃、60%；30 ℃、40%)為例，計(jì)算飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)在不同的送風(fēng)溫差下的整體系統(tǒng)性能水平。本文設(shè)定飛機(jī)空調(diào)車的制冷劑為R134a，送風(fēng)壓差為1 000 Pa、風(fēng)機(jī)效率為0.75。

如圖3所示為以常見環(huán)境天氣(26 ℃、50%)為例，飛機(jī)空調(diào)車通風(fēng)保障時(shí)，飛機(jī)設(shè)備艙內(nèi)空氣熱濕比分別為5 000、7 000、10 000時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)空氣的含濕量隨著送風(fēng)溫差的增大而降低，同時(shí)艙內(nèi)熱濕比越大，同一送風(fēng)溫差條件下，其送風(fēng)空氣的含濕量越高。由于飛機(jī)空調(diào)車送風(fēng)空氣的含濕量要小于等于8 g/kg干空氣，故艙內(nèi)的熱濕比太大，在夏季的時(shí)候會因艙內(nèi)空氣的含濕量過大，而析出水分，對飛機(jī)設(shè)備艙的電子設(shè)備造成腐蝕。

圖4所示為在圖3相同條件下，飛機(jī)空調(diào)車的空調(diào)系統(tǒng)的功耗隨著送風(fēng)溫差的不同而變化的情況。從圖4中可以看出，隨著送風(fēng)溫差的增大，系統(tǒng)能耗也隨之而增大；同時(shí)熱濕比越大，在相同送風(fēng)溫差的條件下其功耗越小。

圖3 不同熱濕比條件下送風(fēng)空氣的含濕量

圖4 不同熱濕比條件下空調(diào)系統(tǒng)的總能耗

比較圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn)，艙內(nèi)熱濕比越高，系統(tǒng)的能耗越小，但送風(fēng)空氣的含濕量越大。飛機(jī)空調(diào)車對送風(fēng)空氣的含濕量有嚴(yán)格要求(8 g/kg干空氣)，否則會因?yàn)樵O(shè)備艙內(nèi)空氣的含濕量過大而析出水分。因此要降低系統(tǒng)的能耗，必須在滿足送風(fēng)空氣含濕量的前提下，提高艙內(nèi)熱濕比。

圖5所示為艙內(nèi)熱濕比為5 000時(shí)，飛機(jī)空調(diào)車在3種(40 ℃、70%；35 ℃、60%；30 ℃、40%)夏季高濕條件下，空調(diào)系統(tǒng)隨天氣不同而變化的情況。從圖5中可以看出環(huán)境溫度越高、濕度越大，則系統(tǒng)的能耗越高，而且系統(tǒng)能耗隨著送風(fēng)溫差的增大而增大。

圖6所示為在不同天氣條件下，飛機(jī)空調(diào)車的送風(fēng)含濕量隨送風(fēng)溫差變化的情況。不同的環(huán)境條件下，需要不同的送風(fēng)溫差才能滿足送風(fēng)要求。從圖6中可以看出，在夏季高濕環(huán)境中如40 ℃、70%時(shí)，6～16 ℃的送風(fēng)溫差達(dá)不到送風(fēng)含濕量要求，而在30 ℃、40%的環(huán)境條件下，可以滿足送風(fēng)要求。因此需要根據(jù)機(jī)場的環(huán)境狀態(tài)確定合適的送風(fēng)溫差。

圖5 不同天氣條件下空調(diào)系統(tǒng)的總功耗

圖6 不同天氣條件下空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)含濕量

比較圖5和圖6可以發(fā)現(xiàn)，在不同的環(huán)境條件下，首先可以確定合理的送風(fēng)溫差，滿足送風(fēng)要求，同時(shí)尋求剛好滿足送風(fēng)含濕量要求的送風(fēng)溫差，即找到送風(fēng)含濕量為8 g/kg干空氣的送風(fēng)溫差，其系統(tǒng)能耗最小。以30 ℃、40%環(huán)境條件為例，6～16 ℃的送風(fēng)溫差可以滿足送風(fēng)含濕量要求(8 g/kg干空氣)，其中送風(fēng)溫差為6 ℃時(shí)，送風(fēng)含濕量為8 g/kg干空氣，而6 ℃比16 ℃的送風(fēng)溫差系統(tǒng)能耗減少5.06 kW/h，約占系統(tǒng)能耗的15.7%，因此，選擇6 ℃的送風(fēng)溫差，其系統(tǒng)能耗在該環(huán)境條件下降到最小。

4 結(jié) 論

本文首先對蒸氣壓縮式飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)對濕空氣的處理過程進(jìn)行理論分析，為了進(jìn)一步研究飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)的能耗水平，又分別研究了在不同的飛機(jī)設(shè)備艙內(nèi)熱濕比、不同的天氣條件及不同的送風(fēng)溫差的條件下，飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)的能耗，可得出以下結(jié)論：

(1)蒸氣壓縮式飛機(jī)空調(diào)車空調(diào)系統(tǒng)是冷凝除濕空調(diào)系統(tǒng)，其能耗隨著送風(fēng)溫差的增大而增大，隨著熱濕比的增大而減少；送風(fēng)空氣的含濕量隨著熱濕比的增大而增大，隨著送風(fēng)溫差的增大而減少。

(2)由于飛機(jī)空調(diào)車對送風(fēng)空氣的含濕量有嚴(yán)格的要求，通風(fēng)保障過程中，應(yīng)根據(jù)不同的環(huán)境條件，選擇送風(fēng)含濕量為8 g/kg干空氣時(shí)的送風(fēng)溫差，其系統(tǒng)能耗可降為最低。

(3)在滿足送風(fēng)要求的前提下，飛機(jī)空調(diào)車可提高艙內(nèi)的熱濕比，降低送風(fēng)溫差，實(shí)現(xiàn)低能耗的空調(diào)保障。

[1] 朱日春.國外飛機(jī)空調(diào)車現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].四川兵工學(xué)報(bào),2012,33(10):66-69.

[2] 張科,周志剛,吳兆林.飛機(jī)地面空調(diào)車的應(yīng)用與發(fā)展[J].制冷技術(shù),2009,37(8):52-55.

[3] 唐華杰,吳兆林,周志剛.飛機(jī)地面空調(diào)車和軍用飛機(jī)地面液體冷卻車的應(yīng)用及發(fā)展[J].流體機(jī)械,2006,34(2):72-75.

[4] 繆小平,江豐,隋魯彥,等.基于送風(fēng)狀態(tài)的地下工程空調(diào)節(jié)能運(yùn)行管理研究[J].暖通空調(diào),2012,42(9):13-18.

[5] MORTENSEN D K, WALKER L S, SHERMAN M H. Optimization of occupancy based demand controlled ventilation in residences[J]. Internal Journal Ventilation, 2011,10(1):49-60.

[6] 李莉,陶求華.居住建筑空調(diào)能耗模擬及夏季室內(nèi)溫度設(shè)定[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2008,27(6):78-80.

[7] 涂耀東,江宇,葛天舒,等.新型固體吸附除濕空調(diào)能耗影響因素分析[J].化工學(xué)報(bào),2014,65(2):223-227.

(編輯：張峰)

Energy Consumption of Air-conditioning System in Aircraft Conditioner

GONG Yongqi, DENG Jian, LIU Shenyang

(Department of Aviation Four Stations, Air Force Logistics College, Xuzhou 221000, China)

To improve the refrigeration efficiency of air-conditioning system in aircraft conditioner and study the impact of different environment on energy consumption of air-conditioning system in aircraft conditioner, the paper analyzes the factors which affect energy consumption of aircraft conditioner, and calculates and analyzes the energy consumption of air-conditioning system in given environment and air condition. The result shows that the energy consumption increases with the increase of air supply temperature difference and decreases with the increase of heat-humidity ratio in the cabin. Considering the strict requirement of moisture content of air supply in aircraft conditioner, we should raise heat-humidity ratio in the cabin and reduce air supply temperature difference to achieve safe and efficient air conditioning according to different environment.Keywords: aircraft conditioner; air-conditioning system; energy consumption

2016-09-18；

2016-11-23．

龔永奇(1992—)，男，碩士研究生．

10．16807/j.cnki.12-1372/e.2017.03.011

TB657.5

A

1674-2192(2017)03- 0043- 04