Ejector-type heat exchangers in the air conditioning in transport

Abstract


In the modern world, the air conditioning systems have become the most widespread application and have become an everyday part of everyday life. However, due to the complexity of the construction during the designing of the air conditioning systems and the development of modern technologies, there are still many system’s assemblies that can be upgraded and improved. Along with such parameters as ergonomics and weight and size characteristics, a significant role is played by such parameters of the operation of the air conditioning systems as efficiency, reliability, resource. These parameters are particularly relevant in the context of miniaturization and work on a closed cycle in mobile transport vehicles (automotive, aircraft and ship equipment), since efficiency, mass and resource exert a determinative influence on the total cost of vehicles and the costs of its maintenance and operation. The main parameters that regulate the air conditioning systems are the temperature, flow rate and humidity of the supplied air. The article studies and compares the methods of primary cooling of hot air supplied to the helicopter's air conditioning systems, when the cabin is heated at low temperatures. Often this is done using air-to-air heat exchangers. In the materials of the article, it is proposed to consider the option of replacing one of such heat exchanger with an ejector-type heat exchanger, a description and comparison of the existing and proposed options for the modernization of the air conditioning system’s schemes, and estimate the acceptability of their implementation on the helicopter. Also, a comparative work was conducted to estimate the advantages and disadvantages of such a replacement. The primary estimated calculations of the change in the system’s parameters were implemented in the case of introduction of a replacement in all conventional load modes of a typical helicopter model. Specific features of the application of this replacement are given and additional innovations which are necessary for its implementation are pointed out. For calculations, the software complex ANSYS CFX, MathCAD, Solid Edge ST8 was used. In the course of the work, a construction and a method were revealed that provided the optimal parameters and method of implementation for the introduction of the ejector into the composition of the air conditioning system.

Full Text

Введение Применительно к наземным транспортным средствам (автомобилям, тракторам, сельскохозяйственным машинам) система кондиционирования воздуха (СКВ) достаточно хорошо отработана [1, 2]. Современный авиационный транспорт летает на высотах, климатические условия которых значительно отличаются от наземных. В большинстве случаев (при высоте полета более 4,5 км над уровнем моря) температура, давление и содержание кислорода в воздухе находятся на уровне, при котором человеческий организм не может длительно существовать и нормально функционировать без дополнительного защитного снаряжения. Причем условия забортной среды напрямую связаны с высотой относительно уровня моря. Для решения данной проблемы и упрощения работы человека (за счет отсутствия сковывающего защитного снаряжения) в большинстве современной авиационной техники применяются внутренняя (СКВ) и система автоматического регулирования давления (САРД) на борту самолета, призванные поддерживать нормальные условия микроклимата на борту [3]. Отдельно из многообразия авиационной техники можно выделить вертолеты. Из-за небольшой высоты полета САРД на них практически не применяется [4, 5], а к СКВ стали предъявляться более жесткие требования в связи с развитием новых перспективных технологий по освоению территорий с резко выраженным климатом (пустынная и арктическая местность) и применением специального бортового оборудования, такого как морские спасательные комплекты (МСК). В этих условиях традиционные обогреватели и охлаждающие контуры становятся неэффективными [6], и, как никогда, становится актуальным вопрос установки СКВ, схожей с устанавливаемой на модели авиационной техники, предназначенные для больших высот полета, и также значимым становится вопрос эффективности обогрева. Цель исследования Целью исследования является анализ работы теплосмесителей эжекторного типа при кондиционировании воздуха на транспорте. Описание системы В большинстве случаев СКВ представляет собой систему автоматического регулирования температуры на борту за счет подачи в кабину воздуха, отбираемого от компрессора двигателей. При этом необходимо учитывать, что после отбора от компрессора воздух имеет параметры, значительно превышающие нормальные условия [7]. Давление такого воздуха может доходить до 3 МПа, а температура достигать 600 °С. Поэтому принцип работы по автоматическому регулированию СКВ сводится к снижению/ограничению давления до приемлемого уровня, разделению отбираемого воздуха на два потока, охлаждению одного из потоков до низких температур и последующему смешению данных потоков в определенных пропорциях до получения требуемого температурного значения [8]. Пример подобной схемы потока воздуха и агрегатов, входящих в состав СКВ представлен на рис. 1 [9]. Открываются краны отбора воздуха (ЗРУ1 и ЗРУ2) в тракт СКВ, где при помощи крана-ограничителя расхода (ЗРУ3) и реле давления (РД2 и РД3) контролируется отбираемый расход. После этого высокотемпературный воздух проходит через первичный стальной воздухо-воздушный теплообменник (АТ1), охлаждаясь до приемлемого значения. Интенсивность и степень охлаждения определяются расходом продувочного воздуха, который в свою очередь регулируется изменением степени подсоса в эжектор (ЭЖ1) [10], путем открытия/закрытия заслонкой (ЗРУ5) тракта подсасывающего воздуха в линию эжектирования из общей магистрали подачи в СКВ. После всего теплый воздух подается в кабину через заслонку обогрева кабины (ЗРУ4), обдувая температурные датчики ДТ4-ДТ6. Исходя из их показателей автоматическими блоками управления и регулирования (БУР1 и БУР2) осуществляется изменение положения перекрытия ЗРУ4 и ЗРУ5 для выхода СКВ на требуемый режим обогрева [11]. Рис. 1. Стандартная схема СКВ с автоматическим регулированием Альтернативный нерегулируемый вариант Также существует ранее широко распространенный, а ныне все реже встречающийся вариант обогрева кабины в ручном режиме по тактильным ощущениям. Схема [12] его принципа работы представлена на рис. 2. Рис. 2. Схема обогрева в СКВ без автоматического регулирования При помощи включаемого по желанию экипажа напорного вентилятора (ЭВ) воздух циркулирует внутри кабины, продуваясь через теплообменник керосинового авиационного обогревателя (КО-50) и прогреваясь за счет теплообмена через тонкую стенку с трактом сгорания топлива, сжигаемого внутри обогревателя. Датчик температуры ДТ3 применяется экипажем для оценки температуры в кабине и избегания перегрева тракта КО-50 выше предельно допустимых температур. Условные обозначения в представленных схемах: АТ - воздухо-воздушный теплообменник; БУР - блок управления расходом воздуха; БУТ - блок управления температурой воздуха; В - вентилятор обдува датчиков; ДВ - компрессор двигателя; ДТ - датчик температуры; КО - обратный клапан; КР - регулятор избыточного давления; РД - датчики давления и перепада давления; ЗРУ - запорно-регулирующие устройства/заслонки; ЭЖ - эжектор подсоса воздуха; КО-50 - керосиновый обогреватель (состоит из камеры сгорания - КС и контура теплообмена - КТ). Агрегатами первичного изменения температуры воздуха в обоих рассмотренных случаях выступают воздухо-воздушные теплообменники (ВВТ). В ВВТ происходит контакт горячих и холодных потоков воздуха через теплопередающую стенку. При этом теплообменник испытывает износ вследствие циклических температурных нагрузок. Это приводит к необходимости изготовления ВВТ из более жаропрочных материалов, что в свою очередь приводит либо к значительному увеличению массы [7], либо удорожанию системы. Кроме того, в обоих вариантах довольно низкая энергетическая эффективность обогрева из-за сброса части полезного тепла в окружающую среду при теплообмене. Эти особенности были учтены в предлагаемом к рассмотрению варианте с заменой узла ВВТ на теплосмесительный эжектор при работе СКВ. Предлагаемый вариант При использовании традиционного первичного теплообменника возникает ряд недостатков, которые можно устранить заменой механизма первичного охлаждения. В качестве альтернативного варианта для выполнения данной функции предлагается применение теплосмесительного эжектора [10], установленного в тракт подачи воздуха от компрессора в СКВ. Охлаждение подаваемого воздуха в данном случае будет происходить не за счет теплообмена через стенку между средами, а за счет разбавления подаваемого горячего воздуха подмешиваемым забортным. Принципиальная схема работы данного технического решения представлена на рис. 3. Как и в базовом варианте, при включении СКВ происходит отбор воздуха от компрессоров двигателей при открытии кранов отбора ЗРУ1 и ЗРУ2. Отличие состоит в другой настройке режима работы регуляторов избыточного давления КР1 и КР2. При подаче в тракт СКВ блоком управления БУР1 учитывается температура подаваемого воздуха, за счет считывания параметров с датчиков температуры ДТ1 и ДТ2. Блоком БУР2 учитываются температурные параметры с датчиков ДТ4-ДТ6, установленных по периметру кабины. По контрольному датчику ДТ3 отслеживаются критические температуры, и, в случае необходимости, происходит перекрытие тракта подачи при помощи ЗРУ3 [12]. Основное регулирование температуры происходит за счет изменения пропорций поступающего в эжектор (ЭЖ1) горячего воздуха из тракта отбора и подсасываемого из кабины холодного воздуха, их перемешивание с выравниванием температуры и подача в грузовую кабину прогретого воздуха для обогрева последней до заданного температурного значения в автоматическом режиме. Рис. 3. Принципиальная схема предлагаемого варианта автоматического регулирования Расчетно-оценочная часть. За основу для компьютерных расчетов брались характеристики отбираемого от компрессора воздуха на примере двигателя вертолета Ми-8. По условиям расчета предполагалось, что потребители на борту получают воздух от СКВ в одинаковом количестве и с одинаковыми параметрами в обоих вариантах. Расчет выполнен в программе MathCAD [7]. В итоге при сравнении всех описанных выше способов кондиционирования был выделен ряд отличий, представленных в табл. 1. Таблица 1 Основные отличия между вариантами Особенности СКВ при реализации Варианты реализации СКВ Стандартный с ВВТ Обогрев в ручном режиме с КО-50 Предлагаемый вариант с эжектором Масса системы в сборе, кг 25…30 15 18…20 Расход воздуха отбираемого от компрессора, кг/ч 800…1200 отсутствует 150…250 Максимальные температурные перепады узла, 0С 350 500 250…270 Дополнительный расход топлива на обогрев, кг/ч 30…50 40…60 10…20 Предварительные выводы При первичной оценке предлагаемого варианта реализации СКВ можно выделить ряд преимуществ: · снижение массы узла СКВ, т.к. смесительная камера эжектора при аналогичных характеристиках имеет меньшую площадь поверхности, чем разветвленная поверхность контакта пластинчато-ребристого теплообменника; · снижение общей массы системы, за счет меньшего числа агрегатов СКВ, и сопоставимая масса с вариантом обогрева в ручном режиме, при сохранении возможности автоматического регулирование в отличии от последнего; · снижение влияния температурного износа, за счет меньшего перепада температур в эжекторе при смешении потоков, чем на границах теплопередающей стенки теплообменника; · уменьшение количества отбираемого от компрессора двигателей воздуха для обеспечения работы СКВ, и, как следствие, повышение стабильности его работы на всех режимах; · снижение перерасхода топлива на обогрев из-за увеличения эффективности передачи тепловой энергии при смешении потоков в эжекторе в отличие от теплопередачи через тонкую стенку теплообменника. В качестве главного недостатка можно отметить сложность поддержания правильного режима смешения потоков в эжекторе, приводящая к необходимости разработки дополнительных алгоритмов регулирования расхода подаваемого и подмешиваемого в эжектор потоков воздуха. Но данная проблема может быть нивелирована более тонкой настройкой рабочего режима регуляторов избыточного давления и внедрением специального ПО в блоки управления и автоматического регулирования [5]. Заключение По итогам сравнительных расчетов можно сделать вывод, что применение теплосмесителей является перспективным направлением в развитии СКВ авиационной техники. Среди главных преимуществ, выявленных уже в первичных расчетах, можно выделить уменьшение массогобаритных характеристик СКВ и меньшее падение давления в тракте двигателя при отборе. В перспективе данное решение способно повысить термо- и износостойкость на участках повышенных термических напряжений и снизить общие энергетические потери СКВ. Но для подтверждения данных преимуществ необходимо продолжение работы в данном направлении, изготовление прототипа эжектора под заданные расходы воздуха и проведение стендовых испытаний СКВ с предлагаемой модификацией.

About the authors

V. I Merkulov

Moscow Polytechnic University


Dr.Eng.

A. A Popov

Moscow Polytechnic University

Email: Constructor.Alex@yandex.ru

A. V Polikarpov

Moscow Polytechnic University


I. V Tishchenko

Bauman MSTU


Ph.D.

References

  1. Степанов И.С., Евграфов А.Н., Карунин А.Л., Ломакин В.В., Шарипов В.М. Автомобили и тракторы. Основы эргономики и дизайна / Под общ. ред. В.М. Шарипова. М.: МГТУ «МАМИ», 2002. 230 с.
  2. Шарипов В.М., Михайлов В.А., Шарипова Н.Н. Климатическая комфортабельность колесных и гусеничных машин. Saarbrücken: LAP LAMBERT Aсademic Publishing GmbH & Co. KG, 2011. 197 с.
  3. Воронин Г.И., Верба М.И. Кондиционирование воздуха на летательных аппаратах. М.: Машиностроение, 1965. 480 с.
  4. Антонова Н.В., Дубовин Л.Д., Шустров Ю.М. и др. Проектирование авиационных систем кондиционирования воздуха. М.: Машиностроение, 2006. 384 с.
  5. Щербаков А.В. Автоматическое регулирование авиационных систем кондиционирования воздуха. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э.Баумана, 2010. 290 с.
  6. Романков П.Г., Фролов В.Ф., Флисюк О.М. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии. СПб.: Химиздат, 2009. 544 с.
  7. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. М.: Наука, 1986. 414 с.
  8. Варгафтик Л. П., Филиппов А. А. Справочник по теплопроводности жидкостей и газов. М.: Энергоатомиздат, 1990. 352 с.
  9. ГОСТ 22270-76. Оборудование для кондиционирования воздуха, вентиляции и отопления. М.: Изд-во стандартов, 1976. 36 с.
  10. Александров В.Ю., Климовский К.К. Оптимальные эжекторы (теория и расчет). М.: Машиностроение, 2012. 136 с.
  11. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Наука, 1991. 600 с.
  12. ГОСТ 2.781-96. Обозначения условные графические. Аппараты гидравлические и пневматические, устройства управления и приборы контрольно-измерительные. М.: Изд-во стандартов, 1996. 123 с.

Statistics

Views

Abstract - 23

PDF (Russian) - 5

Cited-By


Article Metrics

Metrics Loading ...

Copyright (c) 2018 Merkulov V.I., Popov A.A., Polikarpov A.V., Tishchenko I.V.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies