機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)用冷凝器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊冰潔 張行

摘 要：冷凝溫度和過(guò)冷度是影響冷凝器換熱效率的重要因素。本文對(duì)比分析了影響冷凝器換熱效率的因素，制定優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)工程試驗(yàn)驗(yàn)證其改進(jìn)設(shè)計(jì)的有效性，為后續(xù)冷凝器優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。工程試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果表明，改進(jìn)設(shè)計(jì)可以有效降低冷凝溫度，提高過(guò)冷度。

關(guān)鍵詞：機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng);冷凝器;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM617文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）14-0021-03

Abstract： Condensing temperature and subcooling are important factors that affect the heat exchange efficiency of the condenser. This paper compares and analyzes the factors that affect the heat exchange efficiency of the condenser， formulates an optimized design plan， and verifies the effectiveness of the improved design through engineering tests， and provides a reference for the subsequent optimized design of the condenser. Engineering test verification results show that the improved design can effectively reduce the condensation temperature and increase the degree of subcooling.

Keywords： airborne evaporative circulation system;condenser;optimal design

隨著飛機(jī)的發(fā)展，機(jī)載大功率電子設(shè)備冷卻的要求以及飛行員和乘員舒適性的要求都日益提高，環(huán)境控制系統(tǒng)已經(jīng)成為任何先進(jìn)飛機(jī)必不可少的組成部分[1-2]。機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)相比空氣循環(huán)系統(tǒng)具有制冷系數(shù)高、代償損失小、無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)引氣等優(yōu)點(diǎn)，可以有效解決飛機(jī)地面停機(jī)及低空制冷問(wèn)題，是飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)[3]。

目前，國(guó)內(nèi)機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)均以空氣為熱沉，冷凝器安裝空間十分有限，特別是新一代飛機(jī)對(duì)冷凝器的設(shè)計(jì)提出了高效化、小型化、輕量化的要求[4]。本文對(duì)影響冷凝器換熱效率的因素進(jìn)行分析，提出冷凝器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案并進(jìn)行工程驗(yàn)證，使得機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)達(dá)到高效化、輕量化、小型化的要求。

1 冷凝器工作特性研究

冷凝器是機(jī)載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分。在冷凝風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制對(duì)流作用下，壓縮機(jī)排出的高溫高壓過(guò)熱制冷劑蒸汽通過(guò)金屬管壁和翅片放出熱量，經(jīng)過(guò)過(guò)熱、兩相和過(guò)冷三個(gè)階段，過(guò)熱氣態(tài)制冷劑冷凝成過(guò)冷液態(tài)制冷劑。

為了研究冷凝器各設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)效率的影響，本文選取某蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)用冷凝器作為研究對(duì)象，其設(shè)計(jì)工況為：制冷劑蒸發(fā)溫度[te]=0 ℃，過(guò)熱度[Δtsh]=10 ℃，冷凝溫度[tc]=65 ℃，過(guò)冷度[Δtsc]=5 ℃，制冷循環(huán)的總制冷量[Qe]=5.5 kW，使用的制冷劑為金冷HFC-134a。這種制冷劑的壓力（[p]）-比焓（[h]）圖如圖1所示。該制冷循環(huán)系統(tǒng)中，[h1]、[h2]、[h4]點(diǎn)的焓值分別為407.23、455.00、287.92 kJ/kg，壓縮機(jī)吸入蒸氣的比體積[V]為0.072 6 m3/kg[5]。

1.1 冷凝溫度的影響特性

為了研究冷凝溫度對(duì)系統(tǒng)效率的影響，假設(shè)兩種工況：工況A，將冷凝溫度由65 ℃降低到60 ℃;工況B，將冷凝溫度由65 ℃降低到55 ℃。

初始工況、工況A和工況B的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。由表1可以得出，當(dāng)冷凝溫度為65 ℃時(shí)，制冷劑在冷凝器中的放熱量為167.08 kJ/kg，當(dāng)冷凝溫度為60 ℃時(shí)，制冷劑在冷凝器中的放熱量為171.12 kJ/kg，提高2.42%，當(dāng)冷凝溫度為55 ℃時(shí)，制冷劑在冷凝器中的放熱量為173 kJ/kg，提高3.54%;當(dāng)冷凝溫度為65 ℃時(shí)，循環(huán)制冷系數(shù)為2.497 59，當(dāng)冷凝溫度為60 ℃時(shí)，循環(huán)制冷系數(shù)為2.904 27，提高16.28%，當(dāng)冷凝溫度為55 ℃時(shí)，循環(huán)制冷系數(shù)為3.580 35，提高43.35%。

1.2 過(guò)冷度的影響特性

為了研究過(guò)冷度對(duì)系統(tǒng)效率的影響，同樣假定兩種工況：工況C，將過(guò)冷度由5 ℃提高到10 ℃;工況D，將過(guò)冷度由5 ℃提高到15 ℃。

初始工況、工況C和工況D的系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。由表2可以得出，當(dāng)過(guò)冷度為5 ℃時(shí)，制冷劑在冷凝器中的放熱量為167.08 kJ/kg，當(dāng)過(guò)冷度為10 ℃時(shí)，制冷劑在冷凝器中的放熱量為175.12 kJ/kg，提高4.81%，當(dāng)過(guò)冷度為15 ℃時(shí)，制冷劑在冷凝器中的放熱量為183 kJ/kg，提高9.53%;當(dāng)過(guò)冷度為5 ℃時(shí)，循環(huán)制冷系數(shù)為2.497 59，當(dāng)過(guò)冷度為10 ℃時(shí)，循環(huán)制冷系數(shù)為2.665 90，提高6.74%，當(dāng)過(guò)冷度為15 ℃時(shí)，循環(huán)制冷系數(shù)為2.830 86，提高13.34%。

2 冷凝器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)上述研究，降低冷凝溫度和提高過(guò)冷度是提高系統(tǒng)效率的可行方法。降低冷凝溫度需要在設(shè)計(jì)冷凝器時(shí)加大冷凝器芯體的換熱面積，提高過(guò)冷度需要在設(shè)計(jì)冷凝器時(shí)加大過(guò)冷段的面積。下面以?xún)?yōu)化前后的冷凝器為例，介紹冷凝器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及優(yōu)化后冷凝器改善效果。

2.1 優(yōu)化前冷凝器

原冷凝器由芯體、冷凝風(fēng)機(jī)和儲(chǔ)液器組成。芯體采用平行流式結(jié)構(gòu)，主要由翅片和扁管組成。扁管是制冷劑的流通管道，制冷劑在流通的過(guò)程中通過(guò)管壁和翅片與外界空氣進(jìn)行熱交換。為了提高熱交換面積，翅片選用百葉窗式翅片，扁管選用多孔扁管。

冷凝器主要技術(shù)參數(shù)如下：換熱性能方面，在環(huán)境溫度40 ℃±1 ℃、冷凝溫度65 ℃±1 ℃的條件下，換熱量為7.5 kW;外形尺寸為520 mm×210 mm×333 mm（長(zhǎng)×寬×高）;質(zhì)量為8.9 kg。

2.2 優(yōu)化后冷凝器

為了滿足冷凝器的換熱量和過(guò)冷度的要求，同時(shí)又不增加冷凝器的體積，要對(duì)冷凝器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其間主要采取兩大措施進(jìn)行優(yōu)化。

一是為了滿足冷凝器的換熱量要求，采用兩級(jí)平行流芯體疊加技術(shù)，并采用兩級(jí)芯體串聯(lián)結(jié)構(gòu)，這樣可以在不增加冷凝器體積的情況下大大提高冷凝器的換熱面積。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩級(jí)冷凝器疊加后的換熱量相當(dāng)于同等換熱面積的單級(jí)冷凝器換熱量的1.5倍。制冷劑在兩級(jí)芯體中的流程分布如圖2所示，因?yàn)橹评鋭┱魵庠诶淠髦蟹艧幔饾u冷凝為液態(tài)制冷劑，所以根據(jù)制冷劑的冷凝過(guò)程，逐漸減少流程的流道，提高冷凝器的換熱效率。

二是為了提高冷凝器出口處液態(tài)制冷劑的過(guò)冷度，采用先進(jìn)的過(guò)冷式平行流芯體，在芯體設(shè)計(jì)時(shí)增加過(guò)冷段，將儲(chǔ)液器出口的液態(tài)制冷劑再次導(dǎo)入芯體中進(jìn)行過(guò)冷，提高液態(tài)制冷劑的過(guò)冷度，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的制冷系數(shù)。同時(shí)，儲(chǔ)液器與冷凝器采用一體化過(guò)冷設(shè)計(jì)，取消了儲(chǔ)液器和冷凝器之間的連接管路和儲(chǔ)液器支架，降低了產(chǎn)品的體積和質(zhì)量，如圖3、圖4所示。

優(yōu)化后冷凝器主要技術(shù)參數(shù)如下：換熱性能方面，在環(huán)境溫度40 ℃±1 ℃、冷凝溫度60 ℃±1 ℃的條件下，換熱量為7.5 kW;外形尺寸為530 mm×335 mm×144 mm（長(zhǎng)×高×厚）;質(zhì)量為5.8 kg。

2.3 冷凝器優(yōu)化前后對(duì)比分析

雖然冷凝器優(yōu)化前后的換熱性能均為7.5 kW，但設(shè)計(jì)參數(shù)有很大差異，具體情況如表3所示。

優(yōu)化后冷凝器在設(shè)計(jì)時(shí)選擇冷凝溫度為60 ℃，比優(yōu)化前冷凝器的冷凝溫度降低了5 ℃，同時(shí)由于優(yōu)化后冷凝器采用了雙層芯體疊加技術(shù)、儲(chǔ)液器與芯體一體化過(guò)冷設(shè)計(jì)技術(shù)，冷凝器優(yōu)化后質(zhì)量降低了34.83%，體積減小了29.68%。

冷凝器優(yōu)化后進(jìn)行了臺(tái)架性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。由于優(yōu)化后的冷凝器采用了兩層平行流芯體疊加技術(shù)，增大了芯體的風(fēng)阻，為保證冷凝器的換熱性能，優(yōu)化后的冷凝器需要配備更大風(fēng)量和壓頭的風(fēng)機(jī)，在質(zhì)量、體積大大降低的同時(shí)，可以滿足換熱性能的要求，改進(jìn)效果非常明顯。目前，優(yōu)化后的冷凝器已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)飛機(jī)的蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)，并通過(guò)了試驗(yàn)和試飛考核驗(yàn)證。

3 結(jié)語(yǔ)

降低冷凝溫度和提高過(guò)冷度是提升冷凝器換熱效率的兩種方法。本文對(duì)此進(jìn)行了理論研究，然后提出了冷凝器優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化后，冷凝器的質(zhì)量和體積大大降低，同時(shí)可以滿足換熱性能的要求。總體來(lái)看，冷凝器優(yōu)化設(shè)計(jì)順應(yīng)了新一代飛機(jī)對(duì)蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)小型化、輕量化、高效化的要求，并得到了實(shí)際應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]夏亮，林貴平.蒸發(fā)制冷技術(shù)在直升機(jī)上的應(yīng)用[J].直升機(jī)技術(shù)，2009（1）：21-23.

[2]黃文捷.直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)性能分析與研究[J].直升機(jī)技術(shù)，2002（1）：22-24.

[3]崔利，薛浩.直升機(jī)環(huán)控系統(tǒng)對(duì)比與展望[J].裝備環(huán)境工程，2010（3）：62-65.

[4]吳曉麗，張興娟，袁修干.直升機(jī)蒸氣循環(huán)制冷系統(tǒng)技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2004（6）：57-59.

[5]闕雄才，陳江平，姚國(guó)琦，等.汽車(chē)空調(diào)實(shí)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：25-26.