Ejector-type heat exchangers in the air conditioning in transport

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

Supplementary files