淺析飛機空調系統

陸晶文 廣州民航職業技術學院實訓基地 510403

淺析飛機空調系統

陸晶文 廣州民航職業技術學院實訓基地 510403

介紹空調系統隨飛機制造技術的發展史，并通過介紹各階段飛機空調系統的制冷原理來探討未來飛機空調系統的發展方向。

制冷；空調；空氣循環；蒸發循環

1 引言

早在1909年8月法國的飛行員路易.布萊里奧成功飛躍英吉利海峽，由于當時飛機的飛行高度不高，飛機的承載效率不高。因此在早期的航空中飛行員只能裹著厚厚的保暖服飛行，直至1936 年空調系統開始裝載在飛機上，飛行員們才能從極端的飛行環境中解脫出來。

2 空調系統產生的原因

由于空氣是有重量的，所以能產生壓力，地球引力的作用使空氣分布很不均勻，越接近地球表面空氣的密度也越大，所以大氣的壓力也越大，隨著高度的增加，大氣的壓力下降。低氣壓對人體本身也有危害，隨著大氣壓力的降低，人體會出現高空的胃腸脹氣、組織氣腫等高空減壓癥。壓力降低，體內的氣體過飽和游離形成氣泡，阻礙血液流通并壓迫神經，導致關節和頭部疼痛，若高度升至19200米時，大氣壓力為47mmHg，水的沸點為37攝氏度，這等于人體的體溫，如果人體暴露在該環境下，體內的液體將會沸騰汽化導致皮膚水腫，人體溫度將降低至難以生存。高空環境的另外兩個因素是缺氧和低溫，平流層的溫度大致在-56.5攝氏度；飛行高度增加，大氣壓力減小，空氣密度減小，單位體積的空氣含氧量減小直接導致人體血液中的氧氣飽和度降低，從而導致高空缺氧。從六千米高度屬于嚴重缺氧高度，會發生身體代謝功能嚴重障礙；到七千米高度，人體的代償活動已不足以保證大腦皮層對氧的最低需要量，人大腦會迅速出現意識喪失，產生突然虛脫。從1903年萊特兄弟進行人類歷史上的首次成功的將飛機飛離地面幾米高，到今天的民航固定翼客機運行在10000米高空左右的對流層到平流層底部，乃至一些軍用飛機飛行在兩萬米的高空。為使駕駛員能夠生存并提高駕駛時的舒適度，空調系統在飛機上的運用隨著飛行速度、飛行高度的增加也在不斷革新。空調系統的作用:產生壓力、提供適宜的溫度、提供氧氣。

3 飛機制冷系統概述

飛機上使用的制冷系統有空氣循環和蒸發循環兩種基本類型:空氣循環制冷系統是以空氣為制冷工質，以逆布雷頓循環為基礎的；蒸發循環制冷系統是以在常溫下能發生相變的液態制冷劑為工質，是建立在卡羅循環的基礎上的。空氣循環制冷系統通過壓縮空氣在膨脹機中絕熱膨脹獲得低溫氣流實現制冷，其理想的工作過程包括等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹及等壓吸熱四個過程，與蒸發循環制冷的四個工作過程相近。兩者的區別在于:空氣制冷循環中空氣不發生相變，無法實現等溫吸熱；空氣的節流冷效應很低，降壓制冷裝置是以膨脹機代替節流閥。

4 蒸發循環制冷系統

自從1877年德國慕尼黑工學院教授林德，發明設計出第一臺以氨為制冷工質的制冷機以來，一百三十年來，其制冷技術原理與工藝方法一直沿革至今，所不同的只是改換了制冷工質，由氨換成了氟里昂，目前又由氟里昂換成非氟制冷工質。蒸發循環閉式系統由蒸發器、壓縮機、冷凝器、膨脹閥等組成，經壓縮機壓縮后的高溫高壓的制冷劑以氣態進入冷凝器散熱降溫液化，成為高壓液體，根據蒸發器出口的溫度調節膨脹閥中的制冷劑的流量，使經膨脹閥后得到的低壓液態的制冷劑進入蒸發器，在蒸發器內吸收周圍空氣的熱量，變為低壓蒸汽，再進入壓縮機，往復循環。從而利用制冷劑狀態變化使蒸發器熱邊的空氣得到冷卻，冷凝器周圍空氣得到加熱，相當于利用制冷劑做為載體將蒸發器周圍空氣中的熱量“搬運”到冷凝器周圍散掉。蒸發循環制冷系統的冷卻效率高，而且在地面頂級條件下有良好的冷卻能力，高空高速飛行時有良好的經濟性，節省燃油。閉式系統只在少數民用機上使用，主要運用在高性能飛機的電子設備艙冷卻方面。

5 空氣循環制冷系統

目前大型飛機上都是采用空氣循環系統制冷的，該系統由冷熱兩部分氣體管路組成，兩支管路的氣體都是來自發動機的壓氣機引氣，飛行員根據季節特點及航路中的不同需要，旋轉空調面板的溫度調節旋鈕到合適的位置，溫度控制器接到飛行員的輸入指令后，與接收到的管道溫度傳感器和客艙溫度傳感器進行比較，是加溫還是降溫，從而控制到達混合室的冷空氣和熱空氣的比例，得到滿足人體生理和工作需要的座艙空氣。熱通道較簡單，就是發動機引來氣體中的一部分，經過調節活門直接到達輸送到混合腔的通路，各種空氣循環制冷系統主要冷路的設計實現上，根據冷路系統中渦輪冷卻器的類型可將空氣循環制冷系統分成三類:渦輪風扇式、渦輪壓氣機式及渦輪壓氣機風扇式。其中渦輪壓氣機風扇式制冷系統是前兩者的組合，結合了前兩者的優點。

5.1 空氣循環制冷系統的優點

目前飛機上制冷主流采用的都是空氣制冷循環，其優點在于:第一制冷工質的環保和無變相變性。空氣是天然的工質，無毒無害，對環境沒有任何破壞作用，而且可以隨時實地自由獲取。制冷循環中空氣只起著傳遞能量的作用，無論是它的化學成分還是物理相態都不發生變化，這是區別于其他工質作為制冷劑的制冷循環的最明顯的特征。采用節能的直接冷卻系統，空氣即使制冷劑又是載冷劑，供冷無需熱交換器，冷空氣直接進入需要冷卻的環境消除熱負荷，系統正壓。運用在航空上，就地取材，省去了單獨的壓縮機以渦輪噴氣發動機的壓氣機代替，同時也解決了客艙增壓及換氣的問題。第二制冷范圍寬，低溫下運行性能優良。空氣制冷循環可以滿足零攝氏度以上負一百四十度的要求，尤其在-72°C以下時其制冷性能比蒸發循環系統好，而現代大型飛機運行時從地面到一萬米高空，溫度變化很大從而空氣制冷循環機較寬的溫度制冷范圍剛好滿足其要求。第三空氣制冷設備可靠性高、維護方便，空氣制冷裝置結構簡單，可靠性高，安全性好，制冷劑可隨時隨地自由獲得補充，不必擔心泄露問題；另外空氣制冷循環裝置拆裝、移動方便，無需回收制冷劑，便于維護。

5.2 空氣循環制冷系統的原理

空氣循環制冷系統由壓縮空氣源、熱交換器和渦輪膨脹機等組成。由發動機帶動的座艙增壓器或者直接由發動及引出的高溫高壓空氣先經過熱交換器，將壓縮熱傳給冷卻介質（熱交換器的冷卻介質一般是機外環境空氣和燃油），然后流入渦輪中進行膨脹，并驅動渦輪旋轉，帶動同軸的壓氣機或風扇，將熱能轉化為機械功，空氣本身的溫度和壓力在渦輪出口得到大大降低，由此獲得滿足溫度和壓力要求的冷空氣，再與熱路空氣按一定的比例混合后就可以通向客艙提供舒適環境并增壓。為了達到較好的制冷效果，熱交換器外圍的冷卻空氣流動的越快，熱交換器中需要被冷卻的發動機壓氣機引氣的冷卻效率越高，將渦輪同軸相連的風扇與熱交換器串聯在同一條沖壓空氣管道上，這樣通過渦輪將熱能轉化的機械功驅動風扇轉動，加速了熱交換器周圍冷卻空氣的流動，就剛好達到提高冷卻效率的目的。渦輪風扇式空氣循環制冷系統就是這樣滿足冷路制冷要求的，但由于飛機在高空高速飛行時比在地面及低速飛行時，渦輪風扇式空氣循環制冷系統中的風扇做功的負荷減小很多，使得高速飛行時渦輪轉數增加，容易產生超轉，影響制冷效果并減小渦輪的壽命，故要限制飛行高度。

在接觸面積相同的情況下，溫差越大、高溫物質與低溫物質之間的單位時間熱流量越大，散熱效果越明顯，渦輪壓氣機式空氣循環制冷系統應運而生。與渦輪風扇式空氣循環制冷系統的不同在于，高溫高壓引氣經過第一級熱交換器冷卻后，又進入壓氣機，渦輪同軸連接壓氣機對空氣做功后使其壓力和溫度均提高，然后空氣又流向二級熱交換器進行冷卻，故而渦輪壓氣機式空氣循環制冷系統又叫做渦輪升壓循環制冷系統。二級熱交換器冷卻與被冷卻氣體溫差加大，熱交換率增加，同時由于渦輪壓氣機式制冷系統的膨脹比比渦輪風扇式的大，故其制冷能力也大。這樣較少的供氣量就能滿足相同的制冷效果，發動機油耗少，經濟性好。但在飛機靜止在地面或低速運動時，熱交換器周圍缺乏沖壓空氣，就會使熱交換器外圍空氣的溫度升高，從而縮小溫度差導致熱交換律降低，影響制冷效果，因此在M D 82及MD90飛機空調系統中增加了一條與沖壓空氣管道風扇通道并列通向熱交換器的風扇通道。

該風扇是由飛機機上電源驅動的，當飛機停留在地面時，沖壓空氣管道閥門關閉，風扇通道閥門打開，飛機電源向風扇供電驅動空氣流過熱交換器周圍進行熱交換，達到較好制冷效果；當飛機達到一定的速度，風扇斷電，風扇通道閥門關閉；沖壓空氣管道閥門打開，由飛機飛行時產生的沖壓空氣直接對熱交換器進行冷卻。這樣就保證了在任何情況下，流過熱交換器的冷卻氣流量保持穩定，提高空調制冷效率。

渦輪壓氣機風扇式制冷系統是渦輪壓氣機式和渦輪風扇式制冷系統的結合，最大的特點是將渦輪、風扇及壓氣機三者共軸，風扇通道直接與渦輪壓氣機式制冷系統的兩級熱交換器的沖壓空氣管道相連，這樣高溫高壓空氣經過一級熱交換器后再經過渦輪膨脹，高壓空氣中的熱能就通過渦輪轉換成風扇和壓氣機的機械功，并且由于是共軸，風扇和壓氣機之間可以自動協調渦輪傳導的機械能的分配比，在地面時，由于風扇的負荷增加，能從共軸上分配到較多的機械能用來驅動空氣流過熱交換器的表面，當到達一定飛行速度時，風扇負荷減小，壓氣機從共軸上分配到更多的機械能用來提高引氣的壓力和溫度，形成溫度差，有利于熱量散出；同時風扇分配的機械能減小，保證了其工作不超速。

6 總結

隨著航空制造業突飛猛進，飛機空調系統取得了飛速的發展，在空調系統除水等各個領域還需更上一層樓，復合材料的使用使飛機的承載比增加，發電機的可靠性及發電容量不斷提高，加上發動氣管路維護較困難，現在蒸發循環制冷系統正慢慢進入民航客機，如B787。航空空調系統必然要經歷一次新的變革。

[1] 李敏華，巫江虹.空氣制冷技術的現狀及發展探討.制冷與空調.2005，2（5）.

[2] 鄭連興，任仁良等.渦輪發動機飛機結構與系統.兵器工業出版社.2006.11

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.11.062