主戰坦克空氣制冷空調系統

張科華，張釗，劉煜，茅逸凡，張龍翔，鄭人通

（南京工程學院能源與動力工程學院，南京211167）

0 引言

現階段的裝甲車空調系統主要有4種[1]：第1種是汽化物循環制冷空調，其制冷劑為R12，由于坦克工作環境復雜，機動條件較為惡劣，易導致空調發生氟泄漏，并且在野外工作環境中，后勤充氟很難做到伴隨保障。從目前GKN-Sankey公司生產并已投入使用的情況來看，暴露出了以上問題，總體使用情況并不理想，有停產趨勢。氟利昂的禁用問題也是限制該類空調發展的重要原因之一。第2種是變容式空氣制冷空調，還存在重要部件的技術性問題, 如變容式壓縮機中軸承疲勞性問題和潤滑系統等問題，美國等技術發達國家現在也處于研究階段[2-3]。第3種是余熱式空調制冷裝置，該裝置需要保持水平狀態才可正常運行，而且制冷負荷小、溫降小、體積較大，不適應坦克工作特點，至今未見在裝甲車方面推廣使用的報道[4]；第4種是渦輪式空氣制冷空調。英國NGL公司充分挖掘飛機空調的技術，成功研制了渦輪式空氣制冷空調裝置,經試驗后取得了理想效果。美國正在服役的M1主戰坦克和俄羅斯的T-80坦克均采用了渦輪制冷系統，可有效降低坦克內部溫度。渦輪式空氣制冷系統在一定制冷容量下,比一般的汽化物循環系統更可靠，占用空間更小，耗能更少，維修量更小，而且其性能受環境溫濕度的影響較小[1]。對渦輪式空氣制冷空調的進一步研究，有望在我國主戰坦克和重型裝甲上應用，具有現實軍事價值。本文通過對艙內微環境的研究，得到艙內冷負荷計算方法，為我國主戰坦克新型空調系統的設計積累技術經驗，有效改善戰斗人員所在的艙內環境，為我國國防事業貢獻力量。

1 坦克結構

坦克基本結構組成主要包括車體、動力裝置、傳動裝置、行動裝置、操縱裝置、火控系統、電氣設備和通信設備。此外，坦克還配有三防（防核武器、防生物武器、防化學武器）、滅火、潛渡，以及其他輔助裝置等，坦克具備上述基本組成部分后，就具有了火力、機動性和防護三大性能。坦克結構如圖1所示。

圖1 坦克結構簡圖

空調系統的設計，主要涉及動力艙及乘員艙，通過動力艙的壓氣機與渦輪膨脹器共軸聯動，可實現空氣的壓縮膨脹制冷。坦克動力艙平面簡圖如圖2所示。

圖2 坦克動力艙平面簡圖

2 制冷原理

渦輪制冷相當于逆向布雷頓循環。從柴油機取部分空氣或將環境空氣送入壓縮機中壓縮，氣體密度增大，溫度升高，然后送入中冷器，使空氣溫度降到與成員艙內溫度相同。由于被吸入空氣壓強增大，比體積增大，將氣體釋放出來的時候，氣體要膨脹（膨脹制冷），由熱力學第一定律，熱量等于膨脹功加熱力學能變化量。膨脹一瞬間近似認為是絕熱的，熱量等于0，膨脹功大于0，則熱力學能下降。空氣可視為理想氣體，熱力學能與溫度近似成正比，由此，溫度會降低[5]。

3 成員艙內熱力計算

坦克空調制冷系統的設計，涉及坦克乘員艙內冷負荷分析與艙外氣象參數的確定。根據我國坦克工作特點：地理分區有五大戰區，氣候布局包括溫帶大陸性氣候（冬寒夏熱，干旱少雨）、溫帶季風氣候（冬寒冷干燥，夏高溫多雨）、高原山地氣候（氣溫隨高度而降低）、亞熱帶季風氣候（冬溫低少雨，夏高溫多雨）及部分熱帶季風氣候（雨季集中，旱雨季分明）地區。乘員艙外空氣參數差距大，因此從夏季和冬季的極限工況考慮，設計出的空調系統可滿足全天候、全地域要求。

3.1 成員艙內熱源散熱引起的冷負荷分析

主要包括坦克發動機等設備散熱（顯熱為主）、照明散熱、人體散熱、附加實彈射擊時產生的大量熱（潛熱為主）。因此，需采用相應的冷負荷系數，系數取值依據為《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB 50736-2012，取值與實際存在一定差異。

1）設備散熱形成的冷負荷。坦克乘員艙內安裝有電臺、車內通話器、火炮電傳動器等設備，在坦克工作期間存在不同程度的使用，會散出部分熱量形成艙內冷負荷。

2）發動機傳入艙內的熱量。在渦輪增壓中冷發動機中，增壓后的空氣要流經中冷器降溫，因此要損失一部分熱量，一部分熱量再由發動機室的前擋板經熱對流和熱傳導傳遞到艙內（實際上是包含熱輻射在內的復合傳熱）。

3）照明設備散熱。

4）發射彈藥時的散熱。發射炮彈時，炮膛內瞬時溫度可達300 ℃以上[7]，同時產生的膛壓高達247 MPa[8]。炮管抽煙裝置的特殊設計，會將發射炮彈時產生的火藥煙霧和大量熱量及時抽走，以免火藥煙霧進入炮塔內部影響乘員的呼吸，以及間歇發射炮彈時產生冷熱變化影響主炮射擊精準度，故留下的發射熱量會急劇減少。只有對艙內部分的炮管加熱熱量會通過炮管外壁與艙內空氣進行對流換熱，而不發射炮彈時，該部分熱量為0，不產生瞬時冷負荷；發射炮彈時產生的瞬時冷負荷需要大量的實驗模擬，以及不同彈種更換和不同裝藥量下的數據擬合方可精確計算。本研究通過對系統設計時的裕度設計加以補償，故該部分熱量不再具體量化與匯總。

5）人體散熱形成的冷負荷。

6）太陽輻射形成的冷負荷。由于坦克車體主要采用復合裝甲制造，沒有保溫措施且乘員艙空間密閉狹小，故太陽輻射對艙內溫度影響較大。參考民用車中太陽輻射熱對車室內熱負荷的比重，據統計約占整個車室內冷負荷的50%以上[9]。因此太陽輻射形成的冷負荷大于坦克乘員艙內總冷負荷的50%。

7）縫隙侵入空氣帶入熱量形成的冷負荷。

上述計算結果如表1所示。

表1 乘員艙內熱源散熱引起的冷負荷匯總

3.2 成員艙外空氣計算參數的確定

根據戰區分布，查《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB 50736-2012選取代表地區的室外氣象參數如表2所示。

表2 各戰區代表地區室外氣象參數

4 制冷系統設計

由于坦克車體主要采用復合裝甲制造，沒有保溫措施且乘員艙空間密閉狹小，太陽直射時艙內溫度易聚集升高，當艙外溫度環境溫度為32 ℃時，艙內溫度常達到45℃，駕駛員處高達53 ℃，加上乘員呼吸和汗液的蒸發，艙內很快處于高溫高濕狀態，乘員很難長時間連續工作[10]。如果對整車進行制冷，制冷效果會很不理想，且會增加坦克的功率損耗。所以應針對乘員艙微環境進行合理的空氣調節，這樣既可以減小制冷系統能耗，又可以實現對乘員艙微環境降溫降濕，達到改善坦克乘員工作環境的目的，能有效提高坦克野外持續作戰能力。

根據我國坦克工作地域特點，制冷系統設計采用極限工況下的空氣參數，如表3所示。

表3 極限工況下的空氣參數

由于坦克工作時絕大部分時間處于運動狀態，且相對密閉，故風速基本滿足要求。查濕空氣含濕圖得:

夏季艙內空氣焓值為67.25 kJ/kg (tR=27 ℃, φ=70%)；艙外焓值為158.64 kJ/kg(to=42.1 ℃, φ=83%)；

新風負荷為Q=ma·(ho-hR)=1.2×(11/3600) ×3×(158.64-67.25)=1.005 kW=1005 W；

由匯總表計算得出，坦克乘員艙在夏季極限工況下的最大冷負荷值為5520.34 W。

渦輪膨脹器是渦輪式空氣制冷空調系統的核心部件。制冷系統部分高溫高壓的空氣從發動機中取出后，經中冷器預冷后與經熱交換器預冷的環境空氣在渦輪膨脹器混合。通過渦輪增壓膨脹器增壓吸入，渦輪膨脹器與壓氣機共軸聯動，對降溫后的空氣進一步絕熱等熵膨脹，將空氣的焓變轉化為機械功輸出，可進行膨脹功回收。同時產生降溫降壓，進一步冷卻空氣，再經過低壓除水器，除去空氣中的水分，保證低含濕量的冷空氣進入濾毒器中過濾消毒，然后送入乘員艙內的微環境，對空氣進行調節，達到制冷目的。

運用EES軟件對渦輪壓縮空氣制冷進行模擬計算，假設空氣為理想氣體[11]，計算流程如圖3所示。過程如下：

輸入已知參數：G渦輪、G空氣、Tsi、Pi、D、Te、Thc、Po、Tc、η渦輪；需要計算的參數：πt、πc、To、Do、Qt、Qs、COP。相關計算公式如下：

1）壓縮機的單位容積耗功量Wv。

Wv=N0/qv。

式中：N0為額定功率；qv為容積流量Qt。

2）渦輪單位質量制冷量。Qt=hti-hto。

式中：hti為進口溫度下的比焓；hto為出口溫度下的比焓。

3）系統單位質量制冷量Qs。

Qs=hto-hci。

式中，hci為壓氣機進口溫度下的比焓。

4）系統COP。

COP=Qs/Wm。

式中，Wm為壓縮機單位耗功。5）壓氣機壓比πc。

πc=pco/pci。

式中：pco為壓氣機出口壓力；pci為壓氣機進口壓力。

6）渦輪膨脹比πt。

πt=pti/pto。

式中：pti為渦輪進口壓力；pto為渦輪出口壓力。

圖3 計算流程

經模擬計算，初步設計的渦輪空氣制冷系統能夠滿足負荷和設計要求。系統相關參數如表4所示。

渦輪空氣制冷系統示意圖如圖4所示。

表4 系統相關參數

4 結語

1)我國坦克工作環境差異大，但在極限工況下設計出的空調系統可以滿足坦克部隊全天候、全地域作戰及訓練的要求。

圖4 渦輪空氣制冷系統示意圖

2)坦克結構特點直接導致不可能實現全車制冷，只能對以乘員艙為主的微環境進行局部空氣調節。

3)我國現有主戰坦克發動機體積較大，發展體積更小、功耗更小、更高增速比的發動機，將對提高坦克部隊在野外極端條件下連續作戰的能力具有重要意義。