大型氣候環境實驗室空氣處理系統方案探討

劉海燕,馬建軍,張惠

(中國飛機強度研究所,西安710065)

大型氣候環境實驗室空氣處理系統方案探討

劉海燕,馬建軍,張惠

(中國飛機強度研究所,西安710065)

目的探討適用于大型氣候環境實驗室的空氣處理系統方案。方法從大型氣候環境實驗室空氣處理系統的功能出發,探討循環風系統、新風系統和空氣補償系統方案,并對各系統的工作流程和優劣進行分析,在此基礎上提出優化的集成空氣處理系統方案。結果循環風系統采用串聯風道比并聯風道能更好地保證極限溫濕度指標和均勻性指標,循環風系統與空氣補償系統集成方案優于兩個個獨立系統方案、具備可行性。結論該空氣處理系統方案適用于大型氣候環境實驗室。

氣候環境實驗室;空氣處理;循環風系統;新風系統;空氣補償系統

汽車、高鐵、飛機等大型裝備和各種機載設備等都是在標準大氣環境下制造的,然而在實際使用過程中經常遭遇高溫、低溫、濕熱、日照、降雨、降霧、凍雨、大風、降雪等氣候環境。這些裝備能否在各種自然氣候環境下正常工作需要通過氣候環境適應性試驗來驗證[1—2]。室內進行氣候環境試驗成本低、周期短、環境條件可控、可再現氣候故障,而且有利于查找誘因,能高效地為改進設計提供可靠依據,因此在室內進行裝備氣候試驗成為主流[3]。

1947年,美國建成了體量約100 000 m3的大型氣候環境實驗室[4],主要針對飛機氣候環境試驗。先后有400多架飛機在該實驗室中完成了氣候試驗。俄羅斯、英國、韓國等國也先后建立了可用于裝甲車、飛機等大型裝備的氣候環境試驗的大型氣候環境實驗室[5]。近幾年來,隨著裝備氣候環境適應性試驗需求的急劇增大和環境試驗技術及環境模擬能力的發展,我國也建設了一些體量在1000 m3量級,適用于汽車、火車等氣候試驗的氣候環境實驗室[6]。現有的實驗室遠不能滿足飛機氣候環境試驗的需求,因此,建設能夠滿足ARJ-21飛機、C919大型客機以及未來航空器發展需求的大型氣候環境實驗室勢在必行[7]。

飛機氣候環境實驗室應具備模擬高溫、低溫、濕熱、日照、降雨、降霧、凍雨、大風、降雪等自然氣候環境的功能,并能在這些環境下驗證發動機啟動/開車性能。由于實現這些功能的基礎是實驗室的溫度和濕度,因此對溫度和濕度進行調節的空氣處理系統成為實驗室各功能系統中的重點[8—10]。文中通過對空氣處理系統進行綜合分析和優化,提出適用于大型氣候環境實驗室的空氣處理系統方案,期望能夠對大型氣候環境實驗室空氣處理系統的設計提供借鑒。

1 大型氣候環境實驗室空氣處理系統簡介

大型氣候環境實驗室指能夠對汽車、裝甲車、飛機等大型裝備進行室內氣候環境試驗的實驗室。大型氣候環境實驗室的空氣處理系統是指將實驗室的空氣處理到目標溫度和濕度,并能夠提供目標壓力的系統,包括循環風系統(AHU)[11]、新風系統(FMAU)和空氣補償系統[12](JMAU)。

循環風處理系統的主要功能是調節實驗室內的溫度和濕度,主要由風機、換熱器、加濕和除濕設備組成。

新風系統的主要功能是為實驗室提供新風以保證實驗室內壓、新風除濕和預降溫,主要由過濾器、風機、表冷換熱器、除濕轉輪和深冷換熱器等組成。

空氣補償系統的主要功能是補償汽車、飛機等裝備在進行啟動/開車試驗時消耗的室內空氣,主要由過濾器、降噪裝置、風機、換熱器等組成。

對于體量在1000 m3量級的汽車環境實驗室,因為新風系統和空氣補償系統較小,通常與循環風處理系統集成設計,設計技術比較成熟?？諝馓幚硐到y通常布置于實驗室的側面或屋頂,如圖1和圖2所示。

圖1 空氣處理系統在實驗室側面Fig.1 The air handling system-side elevation

圖2 空氣處理系統在實驗室頂部Fig.2 The handling system at the top of the facility

對于體量在100 000 m3量級的飛機氣候環境實驗室,由于空氣處理系統非常龐大,用于汽車環境實驗室的空氣處理系統設計形式已不適用。現有的飛機氣候環境試驗室的空氣處理系統均按照3個獨立的功能系統設計,基本方案如圖3所示。

圖3 飛機氣候環境實驗室空氣處理系統Fig.3 The general figure of the air handling system in the airplane climatic environmental laboratory

空氣處理流程:室內空氣經回風管道與經新風系統處理的室外空氣在風機前端混合后進入循環風處理系統,調節溫度和濕度后進入送風管道,最后由旋流器將空氣合理地分布在室內空間以實現設置的溫度和濕度要求。在發動機啟動/開車試驗時,空氣補償系統將室外空氣處理到目標溫度,通過艙體上的開口送入實驗室。

2 空氣處理系統方案及分析

2.1 循環風系統

循環風系統用于調溫、調濕。依據室內-55～74℃的溫度范圍要求和±2℃的溫度均勻度要求[14],按照4℃送風溫差,處理后循環風的極限低溫為-59℃、極限高溫為78℃[15]。室內的濕度范圍為10%～95%。實驗室調節濕度的方法是在循環風出口用蒸汽加濕,用新風和結冰換熱器除濕。如何調節溫度是本節探討的主要內容。

2.1.1循環風量

設計循環風系統,首先要確定循環風量?？傃h風量˙v(m3/s)依據公式(1)和(2)計算[15]。公式(1)中的Q是氣候實驗室設計的基礎參數,在實驗室結構確定的情況下,Q隨試驗工況在寬范圍內變化,˙v也隨Q變化。為了滿足所有工況需求,按照最大循環風量設計循環風系統。

式中:Q為冷/熱負荷,kW;C為空氣比熱容, kJ/(kg·℃);為空氣質量流量,kg/s;為空氣體積流量,m3/s;ΔT=t1-t2,℃;t1為回風溫度,℃;t2為進風溫度,℃;ρ為空氣密度,kg/m3。

2.1.2循環風道設計

根據循環風的溫度范圍,循環風道的設計有2種形式,一種是并聯形式,一種是串聯形式。這兩種形式的循環風道各有優劣。

2.1.2.1 并聯循環風道

并聯循環風道是指每個循環風道由2個通道組成,2個通道并聯,如圖4所示。以某一送風溫度(比如-25℃)為切換點,其中一個通道用于實現中高溫(≥-25℃),另一個通道用于實現低溫(＜-25℃)。新風均由風機前的負壓區進入循環風道。

圖4 并聯循環風道Fig.4 The air cycling ducts in parallel

圖4 中高溫通道布置2個換熱器HX-1和HX-2,HX-1和HX-2使用同一種載冷劑A,載冷劑A可以載冷也可以載熱;低溫通道布置2個換熱器HX-3和HX-4,HX-3和HX-4使用同一種載冷劑B,載冷劑B僅用于載冷。HX-1和HX-3的主要功能是除濕,HX-2的主要功能是中溫制冷或加熱,HX-4的主要功能是低溫制冷。

并聯風道有3種工作模式:

1)送風溫度≥-25℃時,中高溫通道工作,低溫通道關閉。

2)送風溫度＜-25℃時,2個通道接力工作,即中高溫通道將空氣處理到-25℃后,切換到低溫通道,繼續處理到目標溫度。

3)當室內冷量需求大,1個通道風量不足以提供所需的冷量時,需要2個通道同時工作。此時2個通道將分流的空氣處理到不同溫度,在穩壓箱摻混后,達到目標送風溫度和送風量。摻混后的空氣溫度以2個通道的質量流量為加權系數計算。

并聯風道優點:由于中高溫通道換熱器中的載冷劑A不經受低溫環境,低溫通道換熱器中的載冷劑B不經受高溫環境,因此載冷劑A和B的耐溫范圍要求降低。高溫通道和低溫通道建筑結構需要承受的溫度范圍相對減小,結構選材和設計難度降低。

并聯風道缺點:與串聯風道比較,在同等風量下,需要的建筑空間增大1倍;控制難度大;中高溫通道和低溫通道同時工作時,風機并聯運行效率降低;需要有足夠大的穩壓箱保證處理后空氣能均勻分配到各進風管道。

2.1.2.2 串聯循環風道

串聯循環風道指用于加熱和制冷的換熱器按照一定的順序布置在同一個風道內,每個風道可以將空氣處理到送風溫度范圍(-59～78℃)內的任意一個目標值,每個風道的空氣流量為˙v/n。為了方便調整風量,可以將風道設計成2個完全相同的通道,每個通道的最大空氣流量為˙v/2n。如圖5所示。

圖5 串聯循環風道Fig.5 The air cycling ducts in series

串聯循環風道工作模式:

1)在實驗室進行高溫試驗時,HX-1A(B)和HX-2A(B)工作,此時載冷劑A用作載熱。

2)在實驗室進行低溫試驗且溫度≥-25℃時, HX-1A(B)和HX-2A(B)工作,此時載冷劑A用作載冷,HX-1A(B)用于除濕,HX-2A(B)用于制冷。

3)在實驗室進行低溫試驗且-55℃≤溫度＜-25℃時,HX-1A(B),HX-2A(B),HX-3A(B)工作,此時載冷劑A和載冷劑B均用作載冷,HX-1 (B)用于除濕,HX-2(B)和HX-3(B)用于制冷。

串聯風道優點分析:

1)能夠在同一個通道中將空氣處理到全溫度范圍內的任一個目標溫度。

2)在風量為˙v/2時,可以單通道運行,另一個通道作為備用通道。

3)同一個風道中的兩個通道選用同功率風機,并聯運行時不存在效率衰減問題。

4)與并聯風道比較,在同等風量下,需要的建筑空間減小。

5)各風道的循環風獨立與送風管道對接,室內溫度控制靈活性更高。

串聯風道缺點分析:

1)要求載冷劑A在最低送風溫度下不能結冰、載冷劑B在最高送風溫度下不能氣化。如果選不到滿足要求的載冷劑,則需要在高溫試驗時排空載冷劑B,在低溫試驗時排空載冷劑A。

2)風道建筑結構需要承受的溫度范圍大,結構選材和設計難度高。

2.2 新風系統

新風系統的最大流量按照最大泄漏量設計,最低露點溫度按照實驗室最低溫設計。新風系統與自動泄壓口(如圖3所示)協調運行實現室內微正壓,通過風機變頻調節風量。新風由循環風處理系統中風機前的回風管道并入循環風道。新風出口溫度和濕度決定新風系統中各設備的運行狀態。新風系統的基本構成和工作流程如圖6所示。

新風系統的工作模式:在高溫試驗的升溫過程中,由于室內壓力會隨溫度的升高而升高,不需要補充新風,因此此時該系統處于關閉狀態;在實驗室的降溫過程和低溫試驗過程中,該系統始終處于工作狀態,處理后新風的溫度和濕度取決于實驗室的溫度和濕度要求,也決定了FHX1、除濕轉輪、FHX2、FHX3以及再生蒸汽系統的工作狀態。

圖6 新風系統的工作流程Fig.6 The process of the fresh air system

由于同時滿足低露點溫度和大風量的新風系統投資成本高、施工難度大,而大型氣候實驗室新風系統又面臨此問題,因此,合理地解決這兩個問題是大型氣候實驗室新風系統的設計重點。

2.3 空氣補償系統

空氣補償系統的功能是發動機在-55～55℃溫度范圍內進行啟動/開車試驗時,補償消耗的空氣。空氣補償系統的最大流量按照發動機開車的最大空氣消耗量設計。

該系統由空氣過濾器、風機、消聲器、加熱換熱器、制冷換熱器等組成。其中JHX-1,JHX-2,JHX-3使用同一種載冷劑A,可以蓄冷也可以蓄熱;JHX-4使用低溫載冷劑B,載冷劑B用于蓄冷。載熱劑A和載熱劑B需要提前存儲,溫度和存儲量根據實驗需求計算。儲存的載冷劑的溫度與補償空氣溫度取5℃溫差。高溫補氣時,載冷/載熱劑的溫度高于室內空氣5℃,低溫補氣時,載冷/載熱劑的溫度低于室內空氣5℃。JMAU的空氣處理流程如圖7所示。

圖7 JMAU的空氣處理流程Fig.7 The air handling process of JMAU

空氣補償系統的工作模式:-10℃≤補償空氣溫度≤20℃時,JHX-1和JHX-2工作;-25℃≤補償空氣溫度＜-10℃或20℃＜補償空氣溫度≤55℃時,JHX-1,JHX-2和JHX-3工作;-25℃＜補償空氣溫度≤55℃時,JHX-1,JHX-2,JHX-3和JHX-4全部工作。

為了充分利用載冷劑A中的冷/熱量并提高換熱效率,載冷劑A采用逆流再利用的方式是合理、可行的。例如,-25℃補償空氣時,出JHX-3的載冷劑和由載冷劑儲罐供給的載冷劑混合后再進入JHX-2換熱,依此類推,通過調節兩路載冷劑的流量比例控制混合載冷劑進入各換熱器的溫度。

圖3中補償空氣需要從實驗室艙壁上的2個大型門洞進入實驗室,并需要設置門。門的密封、開啟方式等都是較難解決的問題,也會引起成本增高,這是現有的飛機氣候環境實驗室空氣補償系統的最大弊端。在現有的飛機氣候環境室中,美國McKinley實驗室的補償空氣入口在實驗室頂部,韓國ADD實驗室的補償空氣入口在實驗室側壁。

3 空氣處理系統的優化

空氣處理系統的優化主要包括3個方面:循環風道采用串聯形式,每個風道與1個送風管道對接;循環風系統與空氣補償系統集成;新風系統采用“1+ 2”形式。優化的空氣處理系統如圖8和圖9所示。

圖8 優化的空氣處理系統總圖(平面)Fig.8 The general layout plan of the optimized air handling system

圖9 循環風與補償空氣系統集成Fig.9 The integration of the air cycling system and JMAU

3.1 循環風系統優選

循環風道選用串聯形式,每個風道由2個相同的全功能通道組成。每個風道與一個送風管道對接和一個回風管道形成一個獨立的循環風系統。除了文中2.1.2節論述的優勢之外,還可以對實驗室分區控溫、控濕。另外,采用此方式也便于將循環風系統與空氣補償系統集成。

3.2 循環風系統與空氣補償系統集成

如圖9所示,利用循環風道將補償空氣送入實驗室內實現兩個系統的集成。集成的優勢有以下幾個方面:

1)避免了為空氣補償系統在實驗室艙壁上設置大門以及由此引起門的密封、開啟等問題。

2)可以將補償空氣總量分配到多個空氣補償風道,降低了空氣補償系統的設備規模,使風機選型和換熱器設計及制造難度降低。

3)空氣補償系統和循環風系統公用風機,可以將風機數量減少一半,大大地降低了設備成本。

在認識到集成設計的優勢的同時,也應該注意由此帶來的問題,并在具體設計中予以解決。為了減少風機數量,兩個系統集成時將風機移到了結合處(如圖9所示)。這樣使得循環風道和空氣補償風道在工作時處于負壓狀態,為了防止室外空氣進入循環風道和空氣補償風道,在結構設計時,應重視密封設計。

3.3 新風系統優化

大型氣候實驗室的體量大決定了正壓狀態下的空氣泄漏量大,而大的泄漏量需要大的新風補償量。為了降低設備成本并兼顧系統運行的經濟性和靈活性,從兩方面進行優化設計:

1)風量設計。將新風系統設計成露點溫度相同的2套,其中一套系統按照最大新風需求量的1/ 3設計,另一套系統按照最大新風需求量的2/3設計,即采用“1+2”形式設計。

2)露點溫度設計。雖然實驗室的最低溫度為-55℃,但經過計算可以得出,在新風的最低露點溫度為-40℃時,制冷換熱器上的結霜不影響換熱效果。在此情況下,將新風最低露點溫度按照-40℃設計,可以大幅度節省設備成本。

4 結語

通過對大型氣候環境實驗室幾種空氣處理系統方案的綜合對比分析,提出采用“1+2”形式設計新風系統,采用串聯循環風系統與空氣補償系統集成的空氣處理方案。該方案可以通過循環風道全溫度范圍送風和室內分區控溫更好地保證溫濕度指標。通過新風系統的優化和循環風系統與空氣補償系統的集成大幅降低投資成本和運行成本。同時,也避免了空氣補償系統獨立送風帶來的一系列問題。經過初步論證,認為該方案在大型氣候環境實驗室是合理可行的。

參考文獻:

[1] 王浚,黃本誠,萬才大,等.環境模擬技術[M].北京:國防工業出版社,1996:5. WANG Jun,HUANG Ben-cheng,WAN Cai-da,et al.Environment Simulation Methods[M].Beijing:National Defence Industry Press,1996:5.

[2] 胥澤奇,張世艷,宣衛芳.裝備環境適應性評價[J].裝備環境工程,2012,9(1):54—59. XU Ze-qi,ZHANG Shi-yan,XUAN Wei-fang.Environmental Worthiness Evaluation of Equipment[J].Equipment Environment Engineering,2012,9(1):54—59.

[3] 王浚.我國環境模擬技術現狀與發展[J].航空制造技術,2004(8):49—52. WANG Jun.Present Status and Development of Environment Simulation Technology in China[J].Aeronautical Manufacturing Technology,2004(8):49—52.

[4] DRAKE C W.Environment Test Capabilities of the Air Force McKinley Climatic Laboratory[R].New York:A-merican Institute of Aeronautics and Astronautics Inc, 1985.

[5] ELFSTROM M G,LEE J,LARRICK C J.Design and Operation of the ADD Environmental Test Facility[C]// 26th International Congress of the Aeronautical Sciences, 2008.(余不詳)

[6] 池耀田.城軌車輛的試驗設施[J].環境試驗,2011 (10):6—11. CHI Yao-tian.Testing Facilities for Mass Transit Vehicle. Environmental Testing,2011(10):6—11.

[7] 唐虎,李喜明.飛機氣候試驗[J].裝備環境工程, 2012,9(1):60—65. TANG Hu,LI Xi-ming.Climatic Test of Aircraft[J].E-quipment Environment Engineering,2012,9(1):60—65.

[8] 馬建軍,孫俠生,李喜明.環境實驗室溫度均勻性的數值分析研究[J].裝備環境工程.2014,11(1):48—53. MA Jian-jun,SUN Xia-sheng,LI Xi-ming.Numerical A-nalysis of Temperature Uniformity for Climatic Test Chamber[J].Equipment Environment Engineering,2014,11 (1):48—53.

[9] 馬廣順,馬振庫,趙云峰.大型低溫環境試驗室制冷系統設計[J].裝備環境工程,2013,10(2):96—98. MA Guang-shun,MA Zhen-ku,ZHAO Yun-feng.Design of Refrigeration System for Large Environmental Test Chamber[J].Equipment Environment Engineering,2013, 10(2):96—98.

[10]孫來燕,黃本誠,成致祥,等.大型空間環境試驗設備中的低溫技術[J].低溫工程,1999(4):218—223. SUN Lai-yan,HUANG Ben-cheng,CHENG Zhi-xiang,et al.CryoneticsIn Large Space Simulators[J].Cryogenics, 1999(4):218—223.

[11]鄭毅穗,顧澤波,駱毅.環境試驗室用節能型空氣處理機組的研制[J].環境技術,2011(6):52—55. ZHENG Yi-sui,GU Ze-bo,LUO Yi.Development of Energy Saving Air Handling Unit for Environmental Lab[J]. Environmental Technology,2011(6):52—55.

[12]DOT/FAA/AR-06/60,Propeller Icing Tunnel Test on a Full-Scale Turboprop Engine[S].

[13]GJB 150A—2009,軍用裝備實驗室環境試驗方法[S]. GJB 150A—2009,Military Equipment Laboratory Test Method[S].

[14] MIL-STD-810F,Department of Defense Test Method Standard[S].

[15]HAZIM B A.建筑通風[M].李先庭,趙彬,譯.北京:機械工業出版社,2011. HAZIM B A.Ventilation of Buildings[M].LI Xian-tin, ZHAO Bin,Translated.Beijing:China Machine Press, 2011.

Discussion on Design of the Air Handing System in Large Climatic Environmental Test Laboratory

LIU Hai-yan,MA Jian-jun,ZHANG Hui
(Aircraft Strength Research Institute of China,Xi＇an 710065,China)

Objective To investigate the scheme of the air handling system which is suitable for the large climatic environmental test facility.Methods The scheme of the air cycling system,the fresh air system and the air compensation system was discussed based on the functions of the air handling system in large climatic environmental test laboratory.The working process as well as the advantages and disadvantages of each system were analyzed.An optimized integrated air handling system scheme was put forward based on the analysis.Results The air cycling system adopting the ducts in series could better ensure the limit temperature and humidity as well as the uniformity indices of the facility.The integration of the air cycling system with the air compensation system was better than the two independent systems,and was feasible.Conclusion The scheme of the air handling system put forward in this paper was suitable for the large climatic environmental facility.

climatic environmental test laboratory;air handling;air cycling system;fresh air system;air compensation system

10.7643/issn.1672-9242.2014.05.021

P463.4

:A

1672-9242(2014)05-0107-07

2014-08-24;

2014-09-04

Received:2014-08-24;Revised:2014-09-04

劉海燕(1968—),男,陜西戶縣人,碩士,高級工程師,主要研究方向為飛機結構環境強度。

Biography:LIU Hai-yan(1968—),Male,from Huxian,Shaanxi,Master,Senior engineer,Research focus:the environmental intensity of plane structure.