高空飛艇氨相變系統設計軟件的開發

曾憲順，孫浩然，丁國良*，鄭威，李勇

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-錢學森空間技術實驗室，上海 200020）

高空飛艇氨相變系統設計軟件的開發

曾憲順1，孫浩然1，丁國良*1，鄭威2，李勇2

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-錢學森空間技術實驗室，上海 200020）

高空飛艇氨相變系統可提高飛艇升降調節能力。為了實現高空飛艇氨相變系統的快速設計，本文開發了高空飛艇氨相變系統設計軟件。該設計軟件中，通過直接調用物性計算軟件Refprop的子程序計算氨的物性，采用集總參數模型實現系統中各部件結構的設計計算，應用VB編程語言在Microsoft Excel平臺上實現了計算程序編寫和軟件界面設計。該軟件可用于設計高空氨相變系統各部件結構和計算系統中各工況點，能夠為高空飛艇氨相變系統提供具體設計方案。

設計軟件；相變系統；高空飛艇；氨

0 引言

常見的飛艇一般使用氦來提供升力，飛艇的升降一般通過改變氣囊中的氣體量、拋掉壓艙物、利用艇體或翼面的氣動升力、改變推力方向等復雜方式實現[1]。基于氨相變系統的可逆浮力調節方法[2]可提高飛艇升降調節能力。相對于氦，氨在常溫下更容易液化和儲存。氨相變系統可以更大范圍地改變氣體體積，從而提高飛艇升降調節能力，并且氨相變過程可逆將使飛艇具有更好的操作性能和更久的工作時間[3]。

目前現有的氨相變系統只用于地面工況[4]，將地面的相變系統直接應用到高空中，會存在系統相變效率降低、重量及功率無法滿足飛艇運行要求的問題。高空環境中，氣囊內氣體處于低溫低壓狀態，過低的吸氣壓力會導致相變系統中壓縮機的容積效率降低；稀薄的空氣會影響換熱器換熱；龐大復雜的液化設備可能會超出飛艇的負荷。因此，為了將氨相變系統應用于高空飛艇，有必要重新設計系統。

為了實現高空飛艇氣液相變系統的快速設計，獲得相變系統具體設計方案，直接采用實驗方法會帶來周期長、耗資大等問題。而利用軟件對飛艇的相變系統進行優化設計，可大大縮短設計周期，節約資金投入[5]。現有的與飛艇系統設計相關的軟件有清華大學航空學院開發的飛艇綜合設計與一體化分析軟件[6]，該軟件可用于快速概念設計、多層次氣動分析和發射過程的動力學仿真。該軟件并不適用于相變系統的設計，因此有必要開發針對高空飛艇氨相變系統設計的軟件。

本文的目的是開發適用于飛艇高空運行工況的氣液相變系統設計軟件，從而實現高空飛艇氣液相變系統的快速設計。

1 軟件設計思路

高空氨相變系統由壓縮機、換熱器、風機、儲液罐、電子膨脹閥、三通閥和電磁閥組成。其工作原理如圖1所示。對于液化過程，系統電磁閥A開啟、B閉合，三通閥A、B均接通bc兩路，氣囊內氣體工質經過壓縮機壓縮、換熱器冷凝后儲存到液體儲罐中。對于汽化過程，系統電磁閥A閉合、B開啟，三通閥A、B均接通ab兩路，液體儲罐中的液體經過電子膨脹閥節流、換熱器蒸發后存入飛艇氣囊中。

圖1 高空氨相變系統工作原理

本設計軟件的目標是通過模擬高空氨相變系統工作過程，計算獲得各關鍵工況點的物性、各主要部件的結構及尺寸參數和系統整體設計參數。具體設計計算包括工況計算、壓縮機設計及選型、換熱器設計、風機設計及選型、儲液罐設計和系統整體計算。

相變系統設計軟件計算流程如圖2所示。設計軟件根據設計工況計算獲得氨物性，由氨物性及相變技術指標建立各部件設計計算模塊。程序具體運算過程為，根據液化速率需求、冷凝及蒸發溫度設計壓縮機，根據相變速率需求、冷凝及蒸發溫度設計換熱器，根據換熱器風量需求設計風機，根據液化量需求、冷凝溫度、過冷度設計儲液罐，程序最后輸出系統設計結果。

圖2 相變系統設計軟件計算流程

根據軟件計算流程，高空飛艇相變系統設計軟件框架如圖3所示。設計軟件輸入模塊技術指標輸入、設計工況輸入、大氣環境輸入和部件參數輸入；計算模塊完成氨物性的調用以及壓縮機、換熱器、儲液罐和風機設計計算；輸出模塊輸出相變系統各工況點參數、各部件計算結果和系統計算結果。

圖3 相變系統設計軟件框架示意圖

根據軟件的設計框架，設計軟件需要解決如下問題：

1）氨物性的快速程序調用；

2）各部件設計計算模塊的建立；

3）軟件界面和輸入輸出參數設計。

2 物性計算模塊調用

軟件中計算物性的方法有三種[7-9]：基于物性方程的通過VC++調用Fortran和Matlab程序的混合編程方法、利用VC++訪問SQLSever2000上的通用物性數據庫的方法和直接調用國際權威物性計算軟件Refprop(REference Fluid PROPerties)[10]的物性計算方法。相對其他方法而言，調用Refprop的物性計算方法不需要獲取物性方程或建立數據庫，具有簡單、快捷、方便等優點。

本設計軟件將國際權威物性計算軟件 Refprop直接引入到應用程序來獲取氨的物性。在調用過程中，應用程序采用VB編程語言在Microsoft Excel文件中使用表格的形式，給出了對應氨各項物性參數的初始化方法，確定了獲取兩相區、過熱/過冷區物性參數時調用的子程序及其順序。

另一方面，為了避免參數傳遞帶來的麻煩，應用程序以Fortran為平臺使用動態鏈接庫技術生成了適合于VB程序調用的DLL，并在VB開發環境中通過調用該DLL獲取物性。該方法具有快捷、準確的優點，可以有效獲取氨及其他工質的物性。

氨物性計算與各部件設計計算的關系如圖4所示，設計軟件中，壓縮機、換熱器、風機和儲液罐等模塊設計計算均需調用氨物性模塊。

圖4 物性函數調用示意圖

3 部件模型建立

3.1 壓縮機設計

對于壓縮機設計，需要求取壓縮機所需的理論輸氣量及理論功率。根據理論輸氣量即可選擇壓縮機的型號，詳細介紹如下。

1）輸氣量計算

對于實際系統來講，壓縮機的需求輸氣量為：

式中：

qvn——所需輸氣量，m3/min；

qmc——工質的質量流量，kg/min；

v——壓縮機進氣口的工質比容，kJ/(kg·K)。

2）功率計算

壓縮機的理論功率為：

電效率為：

式中：

hout——壓縮機出口焓值，kJ/kg；

hin——壓縮機進口焓值，kJ/kg；

ηel——電效率；

ηi——指示效率；

ηm——機械效率；

ηm0——電動機效率。

電動機的輸入功率，即壓縮機所消耗的電功率：

3.2 換熱器設計

換熱器設計需要求取換熱器的整體結構尺寸。設計軟件根據換熱器換熱面積設計換熱器整體結構。為了得到換熱器換熱面積，設計軟件需要計算換熱器整體換熱系數。換熱器整體換熱系數由制冷劑側換熱系數及空氣側換熱系數確定。

相變系統設計方案所采用的換熱器為微通道換熱器。對于微通道換熱器，制冷劑側液化過程換熱系數可根據以下Bassi and Bansa關聯式l[11]計算：

式中：

Nu——努塞爾特數；

Re——雷諾數；

Pr——普朗特數；

制冷劑側氣化過程的換熱系數可采用以下Gungor and Winterton關聯式[11]進行計算：

式中：

htp——流動氣化換熱系數；

E——單項對流換熱增強因子；

S——泡核沸騰抑制因子；

hcb——液相換熱系數；

hnb——泡核換熱系數。

空氣側換熱系數可采用WANG C C關聯式[12]進行計算：

式中：

j——無量綱表面傳熱系數；

Re——雷諾數；

Pr——普朗特數；

換熱器的設計計算流程圖如圖5所示。為了獲得換熱器面積，換熱器模塊程序通過迭代的方法確定換熱器的管數目，并通過比較液化過程和汽化過程換熱面積的大小最終確定換熱器面積。

圖5 換熱器設計計算流程

3.3 風機設計

對于風機設計，需要求取換熱器所需風量，再根據風量需求進行風機的選型。

由于高空環境風速滿足換熱器設計要求，設計中以地面環境中換熱器所需要的風量來確定風機參數。根據所設計的換熱器結構及地面工況下氨的相變換熱量，可以計算出地面環境中換熱器所需的換熱系數。同時，采用WANG C C關聯式[12]也可獲得地面環境下的換熱器換熱系數。將兩者進行比較可實現對風速的迭代。根據風速和換熱器迎風面積即可計算出風機的風量需求。

在地面環境中，根據空氣狀態參數計算冷凝工況下的換熱器所需的換熱系數約為：

式中：

qmc——冷凝過程的制冷劑流量；

h2——換熱器進口焓值；

h3——換熱器出口焓值；

Fco——冷凝過程管外側面積；

Tref——制冷劑側溫度；

Tair——空氣側溫度。

風機設計計算流程如圖6所示。風機模塊程序通過比較由地面空氣狀態參數計算所得的換熱系數K1與由WANG C C關聯式[12]計算所得的換熱系數K2兩者的大小來進行對迎風風速的迭代，當K1接近K2時，所調整的風速v即為理論迎風風速。

圖6 風機設計計算流程

3.4 儲液罐設計

儲液罐模塊設計計算主要是儲液罐體積的設計計算。計算過程相變系統中所有氨氣轉變成液氨的體積即為需要的儲液罐的體積。

液態氨的密度從氨物性模塊中獲取，質量由用戶輸入，因此儲液罐的體積為：

式中：

ml——儲液罐內氨液質量，kg；ρl——儲液罐內氨液密度，kg/m3。

4 軟件界面及輸入輸出參數設計

高空飛艇氣液相變系統設計軟件的界面菜單設計如圖7所示。

設計軟件輸入菜單“設計參數”包括技術指標、設計工況、大氣環境、部件參數輸入。設計軟件輸出菜單有工況參數、部件參數、系統參數。其中，“工況參數”菜單輸出相變系統工況參數，包括相變系統工況、相變系統流程圖、系統循環P-H圖；“部件參數”菜單輸出各部件參數，包括壓縮機參數、換熱器尺寸、儲液罐參數、風機參數；“系統參數”菜單輸出系統計算結果，包括設計部件、重量需求、功率需求。具體如圖8所示。

圖7 設計軟件菜單設計

圖8 設計軟件菜單

設計軟件輸入參數設計如圖9所示。為了方便用戶的輸入，軟件將輸入參數分為技術指標、設計工況、大氣環境、部件參數四類，同時添加相變系統流程圖輔助理解。部件參數輸入數據包括壓縮機、換熱器、閥門參數輸入，它們分別以按鈕的形式鏈接相應子窗口，從而保證輸入界面的簡潔。

設計軟件輸出參數設計如圖 10所示。相變系統“工況參數”輸出以表格的形式呈現各工況點物性，并添加循環P-H圖。相變系統“部件參數”輸出與輸入對應，部件輸出參數分為壓縮機參數、換熱器尺寸、儲液罐參數、風機參數。

圖9 輸入參數設計

圖10 輸出參數設計

5 結論

本文介紹的高空飛艇氣液相變系統設計軟件，將飛艇相變系統的工況參數、部件規格和系統性能集中到同一軟件環境中。設計軟件可根據各技術指標和環境參數的輸入，計算輸出系統各工況的物性、各部件的結構尺寸、系統的總重量及總功率等性能參數，進而實現高空飛艇相變系統的快速設計。

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Development of Design Software for Ammonia Phase Transition System of High Altitude Airship

ZENG Xian-shun1,SUN Hao-ran1,DING Guo-liang*1,ZHENG Wei2,LI Yong2
(1-Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China;2- Qian Xuesen Laboratory of Space Technology,Shanghai 200020,China)

Ammonia phase transition systems of high altitude airship can be used to enhance the ability to regulate the buoyancy of the airships.For the purpose of rapidly designing ammonia phase transition system of the airships,the design software for ammonia phase transition systems of high altitude airship was developed.Using the design software,the physical properties of ammonia were calculated by calling subprogram of Refprop software,the design calculations of the components structure in the system were realized by lumped parameter models,the calculation program compiling and the user interfaces designing were realized by using Visual Basic based on the platform of Microsoft Excel.The software can be used for the design of components structure and the calculation of working condition,and can provide the design scheme for ammonia phase transition system of high altitude airship.

Design software;Phase transition system;High altitude airship;Ammonia

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.203

*丁國良（1966-），男，教授，博士。研究方向：制冷空調裝置的仿真與優化。聯系地址：上海東川路800號上海交通大機動學院，郵編：200240。聯系電話：021-34206328。E-mail：glding@sjtu.edu.cn。

國家自然科學基金項目（No.11202225）；中國空間技術研究院CAST重點基金