Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Воздушно-холодильные машины и методы их исследования 13
1.1. Краткий исторический обзор 13
1.2. Общая характеристика и классификация ВХМ 14
1.2.1. Теоретический цикл ВХМ 14
1.2.2. Теоретический цикл регенеративной ВХМ 15
1.2.3. Воздушно-холодильные машины с регенеративной осушкой влажного воздуха в составе авиационных систем кондиционирования воздуха 17
1.2.4. Воздушно-холодильные машины с применением ступенчатого сжатия 24
1.3. Основы эксергетического метода анализа обратных циклов 25
1.4. Общая методика определения эксергетического КПД термодинамических систем 29
1.5. Выводы и задачи исследования 33
Глава 2. Методика эксергетического анализа ВХМ 35
2.1. Идеализированный цикл ВХМ 35
2.2. Эксергетическая модель цикла ВХМ 38
2.3. Влияние исходных параметров на эксергетический КПД ВХМ 41
2.4. Область существования цикла ВХМ 43
2.5. Цикл ВХМ с разделением работы 44
2.6. Влияние исходных параметров на эксергетический КПД цикла ВХМ с разделением работы 46
2.7. Область существования цикла и оптимальные условия реализации цикла ВХМ с разделением работы 49
2.8. Эксергетическая модель регенеративного цикла ВХМ с разделением работы в условиях сравнения I рода 52
2.9. Влияние исходных параметров на эксергетический регенеративного цикла ВХМ с разделением работы в условиях сравнения I рода 55
2.10. Эксергетический анализ регенеративного цикла ВХМ с разделением работы в условиях сравнения II рода 60
2.11. Эксергетическая модель регенеративного цикла ВХМ с разделением работы в условиях сравнения III рода 61
2.12 Эксергетическая модель цикла ВХМ ступенчатого сжатия 64
2.13. Область существования и оптимальные условия реализации циклов ВХМ ступенчатого сжатия с разделением работы 70
2.14. Сравнительная эффективность циклов ВХМ ступенчатого сжатия с разделением работы 75
2.15. Выводы 77
Глава 3. Методика эксергетического анализа ВХМ на влажном воздухе 78
3.1. Эксергетическая модель действительного цикл ВХМ 78
3.2. Влияние потерь на эксергетический КПД 80
3.3. Эксергетический КПД действительного цикла ВХМ 86
3.4. Область существования действительного цикла. Определение оптимальных параметров действительного цикла ВХМ 88
3.5. Эксергетические потери в теплообменнике регенераторе 92
3.6. Эксергетическая модель ВХМ, учитывающая влажность воздуха 93
3.7. Выводы 103
Глава 4. Эксергетический анализ циклов воздушно-холодильных машин в составе авиационной системы кондиционирования воздуха 105
4.1. Установка охлаждения воздуха в составе авиационной системы кондиционирования воздуха 105
4.2. Эксергетический КПД АВВХМ по схеме ТР+ГК и ГК+ТР 108
4.3. Влияние исходных параметров на эксергетический КПД циклов АВВХМ по схеме ТР+ГК и ГК+ТР 111
4.4. Оценка эксергетической эффективности циклов АВВХМ по схеме ГК+ТР и ТР+ГК 115
4.5. Область существанвания цикла АВВХМ по схеме ТР+ГК 117
4.6. Область существования цикла по схеме ГК+ТР 121
4.7. Регенеративный цикл АВВХМ по схеме ТР+ТК+ГК 124
4.8. Эксергетический КПД цикла АВВХМ по схеме ТР+ТК+ГК 126
4.9. Влияние исходных параметров на эксергетический КПД цикла по схеме ТР+ТК+ГК 128
4.10. Условия существования цикла АВВХМ по схеме ТР+ТК+ГК 130
4.11. Выводы 134
Глава 5. Эксергетический анализ цикла авиационной системы кондиционирования воздуха 136
5.1. Цикл авиационной СКВ 136
5.2. Установка охлаждения воздуха 138
5.3. Теплоиспользующая система 140
5.4. Эксергетическая модель авиационной СКВ 141
5.5. Анализ влияния исходных параметров на эксергетический КПД СКВ 146
5.6. Эксергетический КПД ТИС 154
5.7. Эксергетический КПД УОВ 157
5.8. Условия реализации авиационной СКВ 159
5.9. Выводы 162
Заключение 163
Список использованных источников 166
Приложение 175
- Воздушно-холодильные машины с регенеративной осушкой влажного воздуха в составе авиационных систем кондиционирования воздуха
- Эксергетическая модель цикла ВХМ ступенчатого сжатия
- Эксергетическая модель ВХМ, учитывающая влажность воздуха
- Анализ влияния исходных параметров на эксергетический КПД СКВ
Введение к работе
Актуальность работы. Для энергопреобразующих систем актуальным является их экологическая безопасность, в холодильной технике наиболее соответствующие данному требованию являются воздушно-холодильные машины.
Кроме того, имеется область техники, где применение воздушно-холодильных машин (ВХМ), как способа получения холода, является единственно возможным - системы обеспечения жизнедеятельности в авиационной технике, являющиеся одной из наиболее энергоемких систем. Вследствие низкой холодопроизводительности ВХМ необходимо увеличивать расход воздуха, отбираемого от силовой установки (СУ), при этом расход воздуха на вентиляцию гермокабины (ГК) превышает нормативные значения в 1,5-2 раза, что приводит к уменьшению тяги двигателя. Вместе с тем, температура и давление воздуха, отбираемого от СУ, существенно выше требуемых для системы кондиционирования воздуха (СКВ) значений.
Одной из проблем современной авиационной техники является разработка СКВ для уменьшения приведенной взлетной массы системы. Решение этой проблемы для современных СКВ найдено в применении ступенчатого сжатия и регенерации.
В настоящее время анализ ВХМ, входящих в состав авиационных систем кондиционирования воздуха (АВВХМ), проведен посредством холодильного коэффициента в работах Ю.В. Дьяченко, М. В. Горбачева, L. Chen, Z. Jingquan, и на основе эксергетического метода анализа в работах A. Bejan.
Наиболее перспективным, вследствие своей универсальности, является эк-сергетический метод анализа, учитывающий как свойства самой системы, так и окружающей среды. Эксергетический подход позволяет характеризовать способность энергии какого-либо вида к преобразованию в другие формы или работу, выявить степень термодинамической необратимости процессов (потери), и количественно установить, где теряется качество энергии (и, как следствие, существует потенциал энергосбережения).
Поэтому для практической реализации СКВ актуальна разработка методики эксергетического анализа, учитывающей неидеальность термодинамических процессов, протекающих в структурных элементах воздушно-холодильных машин авиационного назначения, взаимного расположения этих элементов и составления на основе этого инженерной методики расчета.
Целью диссертационной работы является разработка методики эксергетического анализа воздушно-холодильных машин в составе авиационных систем кондиционирования воздуха для проведения комплекса исследований и анализа их эффективности.
Задачи исследования:
- разработать методику эксергетического анализа применительно к реальным термодинамическим циклам авиационных воздушно-холодильных машин, учитывающую изменение атмосферных параметров, изменение давления в ГК, неидеальность процессов, протекающих в агрегатах системы в различных условиях работы, и варианты схемного построения АВВХМ;
исследовать на основе разработанной методики эксергетическую эффективность реальных циклов авиационных ВХМ, определить области рациональных значений параметров, влияющих на эксергетическую эффективность циклов АВВХМ, и область их существования;
выполнить анализ эксергетической эффективности различных вариантов схемного построения АВВХМ, ВХМ и типовой авиационной системы кондиционирования воздуха;
развить методику определения эксергетического КПД для ВХМ, работающей в условиях влажного воздуха и получить аналитические закономерности для эксергетических потерь в ее агрегатах.
На защиту выносятся следующие положения, составляющие научную новизну работы:
-
методика определения эксергетической эффективности реальных термодинамических циклов АВВХМ, отражающая условия протекания физико-технических процессов в агрегатах системы в различных условиях работы и различные варианты компоновки агрегатного состава;
-
результаты исследования эксергетической эффективности: определение области существования, оценка влияния исходных параметров и характеристик агрегатного состава и их схемного построения на эксергетическую эффективность реальных циклов АВВХМ;
-
сравнительный анализ эксергетической эффективности реальных термодинамических циклов АВВХМ и циклов ВХМ различных вариантов схемного построения; комплексный эксергетический анализ типовой СКВ;
-
методика определения эксергетического КПД ВХМ, учитывающая влаж-ностные параметры рабочего тела, и аналитические закономерности для определения эксергетических потерь в элементах ВХМ.
Практическая значимость. Разработана методика, позволяющая определить эксергетическую эффективность реальных циклов АВВХМ, ВХМ и СКВ, провести анализ влияния исходных параметров, характеристик агрегатного состава и определить область существования их циклов, провести сравнительный анализ различных вариантов схемного построения АВВХМ и ВХМ, СКВ, определить потери в агрегатах системы ВХМ; учесть влияние влажностных параметров.
Полученные результаты могут быть использованы для определения эксергетической эффективности и сравнения существующих АВВХМ, ВХМ и СКВ, их усовершенствования и разработки перспективных схем АВВХМ; в учебных курсах по дисциплинам «Проектирование СКВ», «Термодинамический анализ обратных циклов», «Установки и системы низкотемпературной техники».
Достоверность полученных результатов и выводов. Сформулированные в диссертации научные положения обоснованы полученными решениями и проведенными численными экспериментами, хорошо согласуются с имеющимися теоретическими работами в области термодинамического анализа циклов ВХМ.
Личный вклад автора. Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором либо при его непосредственном участии. Автор диссертации участвовал в постановке задач, решаемых в диссертации. Автору принад-
лежит разработка методики расчета эксергетической эффективности рассматриваемых систем и протекающих в них процессов, проведение численных экспериментов. Анализ и обсуждение полученных результатов проведен автором совместно с научным руководителем и соавторами по публикациям.
Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на 11 конференциях и семинарах, в том числе: на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2009, 2012); Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона» (Новосибирск, 2009, 2011, 2012, 2013); Международная конференция «Авиация и космонавтика» (Москва, 2012); XVI Международной научной конференции «Решетневские чтения» (Красноярск, 2012); Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2012); Научно-практической конференции молодых специалистов и ученых «Перспективные технологии самолетостроения в России и мире» (Новосибирск, 2011); Всероссийской научно- технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации и авиастроения России» (Уфа, 2013); в рамках научных сессий НГТУ и семинарах института теплофизики им С.С. Кутателадзе СО РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ: из них 2 в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы научные результаты на соискание ученой степени кандидата наук; 10 статей в сборниках трудов и материалах научных конференций; 2 в сборнике научных трудов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, включающего 89 наименований, и приложения. Основной объем диссертации составляет 176 страниц, включая 82 рисунков и 2 таблицы.
Воздушно-холодильные машины с регенеративной осушкой влажного воздуха в составе авиационных систем кондиционирования воздуха
В 70-х годах появились патенты на схемы авиационных СКВ [20, 22,25, 28, 57, 58, 64, 73], позволяющие осуществлять осушку сжатого влажного воздуха путем его. охлаждения и конденсации водяного пара. Этот принцип основан на термодинамической особенности влажного воздуха, заключающейся в том, что с увеличением давления, влагоемкость воздуха уменьшается. Охлаждение воздуха в этих схемах осуществляется регенерацией холода, поэтому авиационные специалисты называют их «петлевыми схемами», а процесс осушки влажного воздуха можно назвать «вымораживанием» [20, 22, 25, 26, 28, 57, 58, 64, 73].
Применение петлевых схем позволило снять все ограничения на температурные режимы и фактически привело к появлению нового поколения СКВ. Для этих систем характерны очень низкие температуры воздуха за тур-бодетандером, (-60 С при работе на сухом воздухе и -30 С при работе на влажном воздухе). Это приводит к значительному увеличению удельной хо-лодопроизводительности и уменьшению расхода воздуха, отбираемого от компрессора силовой установки. Применение двухступенчатого сжатия позволяет уменьшить давление отбираемого от силовой установки воздуха, что также приводит к уменьшению приведенной взлетной массы системы [14, 20, 21,22,53,59,64,73]. .
Петлевые схемы СКВ применяются практически на всех современных зарубежных самолетах, таких как Боинг-757(767), А-ЗОО(ЗЮ). В нашей стране такая схема СКВ реализована на самолетах ТУ-204(214,334) и ИЛ-96. Разработка системы для самолетов ТУ выполнена в НПО «Наука», являющейся ведущей организацией в области авиационных систем кондиционирования воздуха [24, 57-59, 60].
Анализ петлевых схем показывает, что элементы регенеративного теплообмена и двухступенчатого сжатия относятся к подсистеме подготовки «холодного» потока, т.е. к схеме АВВХМ. Поэтому теоретический анализ петлевых схем может быть выполнен только в рамках анализа регенеративных АВВХМ. В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе практически полностью отсутствует информация о проведении таких работ. Немногочисленными работами являются публикации Ю.М.Шустрова [71-73], Ю.В. Дьяченко [20-24], в которой анализируется петлевая схема с теплообменником-регенератором. Для проведения теоретического анализа петлевых схем необходимо развитие общей теории эксергетичсекого анализа ВХМ применительно к регенеративным циклам, циклам со ступенчатым сжатием и расширением. Ввиду специфических особенностей, отдельной задачей является представление цикла воздушно-холодильной машины в составе авиационных СКВ [20, 22].
Широкое применение ВХМ [22] в составе авиационных системах кондиционирования воздуха привело к появлению в 70-х годах прошлого столетия ряда технических предложений, направленных на практическую реализацию принципа регенеративной осушки атмосферного воздуха и увеличение их эффективности. Полная характеристика этих предложений рассмотрена в [20, 22, 69]. Одним из них является схема СКВ, заявленная в патенте США №3587243 (схема Келлера), рис. 1.3.
В этой схеме воздух высокого давления (ВВД) отбирается от компрессора силовой установки 1 и охлаждается в теплообменнике (ТО) 5 атмосферным воздухом. В авиационных системах кондиционирования воздуха турбо-детандер с нагрузочным устройством - вентилятором, называют турбохоло-дильной установкой (ТХУ). Вентилятор ТХУ 4 установлен в линии продувки теплообменника 5 атмосферным воздухом для обеспечения работоспособности при стоянке на земле.
При охлаждении сжатого воздуха в теплообменнике 5 возможна конденсация водяных паров, поэтому сконденсированная влага удаляется из потока влагоотделителем 10 и впрыскивается в поток продувочного атмосферного воздуха перед теплообменником 5.
Далее частично осушенный воздух поступает в теплообменник-конденсатор (ТК) 12, где происходит его дальнейшее охлаждение холодным воздухом после расширения в турбине ТХУ 14. В процессе охлаждения происходит дальнейшая конденсация водяных паров, конденсат удаляется вла-гоотделителем 13 и впрыскивается в поток продувочного воздуха Т05. Таким образом, на турбину 14 поступает осушенный воздух и на выходе турбины можно поддерживать достаточно низкую отрицательную температуру без опасности интенсивного обмерзания проточной части.
Теплообменник-конденсатор 12 работает в жестких температурных условиях, при отрицательных температурах поверхности теплообмена возможно обмерзание каналов на линии высокого давления. Для исключения этого явления на выходе линии высокого давления поддерживается положительная температура порядка +(5-7) С, что обеспечивается системой регулирования температуры, состоящей из датчика температуры 9, блока управления температурой (БУТ) 8 и управляемой заслонки 7. Заслонка 7. стоит в обводном канале 6 и, регулируя расход воздуха, поддерживает требуемую температуру на выходе теплообменника-конденсатора.
В процессе охлаждения влажного воздуха высокого давления в ТО или ТК температура понижается до температуры «точки росы», когда начинается процесс конденсации водяных паров и при дальнейшем охлаждении влажный воздух остается насыщенным. Таким образом, после осушки воздуха в ТК, на входе в турбину ТХУ воздух содержит некоторое количество водяных паров (остаточная влага). Величину остаточной влаги можно определить, зная давление и температуру. Принимая давление Рк=0,5 МПа, минимальную температуру =+5 С и парциальное давление насыщенного водяного пара при этой температуре Рн=920 Па получим, что влагосодержание будет составлять с/=1.14 грамм/кг сухого воздуха.
Учитывая, что в условиях повышенной влажности на малых высотах влагосодержание атмосферного воздуха может составлять 4ТМ=(25-30) г/кг с. в., степень осушки воздуха является достаточно глубокой. В процессе адиабатного расширения в турбине происходит понижение температуры и давления воздуха, поэтому остаточная паровая влага конденсируется, создавая опасность обмерзания теплообменной поверхности ТК.
После нагрева и испарения сконденсированной остаточной влаги в «холодном» тракте ТК воздух поступает гермокабину. Требуемый уровень температуры на входе в ГК обеспечивается подогревом воздуха в теплообменнике 15.
Анализируя эту схему, можно отметить, что, исключая обводную линию 6 и линию аварийного сброса 11, она представляет собой одноступенчатую регенеративную АВВХМ. Для систематизации схемных построений АВВХМ в работе Ю.В. Дьяченко [22, 24] использовано взаимное расположение потребителя холода (ГК) и регенеративного теплообменника (ТР). А рассматриваемая СКВ классифицирована как содержащая АВВХМ по схеме (ТР+ГК). Отличительной особенностью является отсутствие рециркуляции воздуха в ГК, однако его аналогом является подогрев воздуха в теплообменнике 15.
Другая схема СКВ, заявленная в патенте США №4334411 (схема Пэй-на), рис. 1.4.
В этой схеме воздух высокого давления (ВВД) отбирается от компрессора силовой установки 1 и охлаждается сначала в предварительном теплообменнике 2, а затем в теплообменнике-конденсаторе 4. Охлаждение ВВД в теплообменнике-конденсаторе происходит воздухом низкого давления (ВНД) из гермокабины 10, поступающим по линии 5.
Сконденсированная в теплообменнике-конденсаторе паровая влага удаляется из потока влагоотделителем 6 и впрыскивается в поток продувочного воздуха 5, где происходит ее испарение и понижение температуры продувочного воздуха. Воздух низкого давления из теплообменника-конденсатора сбрасывается в атмосферу через систему автоматического регулирования давления. Осушенный воздух поступает в турбину 7 и после расширения с сопловое устройство эжектора 8. Эжектор предназначен для создания рециркуляции кабинного воздуха.
Эксергетическая модель цикла ВХМ ступенчатого сжатия
Для любой энергетической системы целесообразно уменьшать затраченную для ее реализации энергию. Одним из возможных вариантов применительно к ВМХ, является ступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением.
Ниже рассмотрены два варианта реализации цикла ступенчатого сжатия ВХМ с разделением работы.
Схемы и T-s диаграмма циклов представлены на рис. 2.20. На рис. 2.20 а конструктивная особенность реализации схемы цикла ступенчатого сжатия ВХМ с разделением работы, заключается в том, что отсутствует связь между валом основного компрессора и турбодетандера, в дальнейшем цикл 1; на рис. 2.20 б отсутствует механическая связь между валом детандера и промежуточного компрессора, в дальнейшем цикл 2. Принятые допущения, для цикла ВХМ с разделением работы, остаются справедливыми.
Здесь цикл (1-2-3-4-1) - исходный цикл одноступенчатого сжатия ВХМ, (1-2 -3 -4 -3-4-1) цикл холодильной машины двухступенчатого сжатия. Процесс (1-2) первая ступень сжатия рабочего тела в К, (3 -4 ) - промежуточная ступень сжатия в П; процессы (2 -3 ) и (4 -3) - соответственно, охлаждение после первой ступени в АО и после промежуточного сжатия в ПАО. Рабочее тело охлаждается до температуры горячего источника в процессе (2 -3 ), следовательно, Тъ =Т3 =ТГ.
С целью оценки применения ступенчатого сжатия предположим, что исходный цикл одноступенчатого сжатия и цикл двухступенчатого сжатия Тг и Тх и при одинаковых давлениях Рк, Рт.
Полезный эффект цикла ВХМ ступенчатого сжатия будет определен выражением (2.16).
Имея ввиду, что Т\=Тх, Ту=Ту=Тт, и, выражая температуру Тт, Ть,Т$ через уравнения соответствующих адиабатных процессов (3 -4 , 1-2 , 3-4)
Затраченная эксергия цикла 1 будет определена работой основного компрессора /к, если /т /п, где, /п - работа промежуточного компрессора, /т - работа детандера.
Полученное выражение полностью определено, если заданы температуры источников, параметры исходного цикла РК, Рт и величина промежуточного давления.
На рис. 2.21 представлена зависимость эксергетического КПД цикла 1 рассчитанная по зависимости (2.59).
Как следует из приведенных данных на рис. 2.21 а, эксергетическая эффективность цикла 1 возрастает при снижении степени сжатия в первой ступени (при фиксированном значении РК). Причиной этого является уменьшение потерь эксергии в АО, так как уменьшается тепловой поток отводимый в окружающую среду (процесс охлаждения). При этом полезный эффект, не зависит от степени сжатия в промежуточном компрессоре, а затраченная эксергия, будет тем меньше, чем меньше степень сжатия в промежуточном компрессоре.
Влияние давления цикла (PYJPJ) выражается в том, что при постоянном значении промежуточного давления? увеличение Рк приводит к росту полезного эффекта, при этом подведенная эксергия остается неизменной, и как следствие, эксергетический КПД возрастает. Возрастание полезного эффекта является следствием того, что увеличение Рк приводит к увеличению общей степени сжатия цикла, при этом температура за турбодетандером снижается, и, как следствие, возрастает удельная холодопроизводительность при неизменной эксергетической температурной функции [27, 31, 34, 37].
Подставляя выражение (2.61) и (2.16) в выражение (1.9), эксергетиче-ский КПД. для цикла 2 Г)2
Полученное выражение полностью определено, если заданы 0, Рк, Pj\, РЦ. ПО (2.62), построены графики зависимости эксергетического КПД цикла 2, представленные на рис. 2.23, сплошными линиями отображены рабочие области, соответствующие условию /т /к.
Как видно из рис. 2.23, с увеличением отношения давлений цикла эк-сергетический КПД цикла 2 убывает, вследствие того что, подведенная эксергия возрастает интенсивнее полученной, что отражено на рис. 2.22.
При этом, чем больше степень сжатия промежуточного компрессора, тем выше эксергетическая эффективность цикла, вследствие того, что затраченная эксергия уменьшается.
При увеличении степени сжатия промежуточного компрессора, подведенная эксергия уменьшается, при постоянном значении полезного эффекта, вследствие этого возрастает эксергетический КПД цикла 2. Локальный максимум по @, обусловлен тем, что при увеличении отношения температур источников, удельная холодопроизводительность убывает, а эксергетическая температурная функция возрастает, вследствие этого полезный эффект цикла 2 имеет максимальное значение, при постоянстве подведенной эксергии.
Эксергетическая модель ВХМ, учитывающая влажность воздуха
Большинство наземных холодильных машин работает на влажном воздухе, авиационные СКВ работают на влажном воздухе, как правило, кратковременно в режиме взлета и посадки.
Влажный воздух представляет собой смесь сухого воздуха и водяного пара - таково классическое определение, представленное во многих учебниках [3, 4, 10, 12, 41, 60], однако оно не является общим, так как в состав влажного воздуха могут входить не только водяной пар, но вода и находящиеся во взвешенном состоянии кристаллы льда.
На основании того, что влажный воздух представляет собой гетерогенную смесь в [7, 9], представлено следующее выражение для вычисления эксергии смеси.
На основании зависимости (3.33) построены номограммы для определения эксергии влажного воздуха. Уточненные аналитические зависимости для определения эксергии влажного воздуха, включающие себя не только паровую и капельную влагу, но и лед предложены в [60-62], эти же зависимости представлены в [10, 85], и представлены ниже:
Не смотря на то, что выражения для эксергии влажного воздуха представлены во многих источниках [8-10, 60-62, 70, 85], вопрос о ее количественном содержании при фазовых превращениях в процессах остается открытым, так как значения d, CIQ зависят от вида процесса.
Эксергия влажного воздуха рассчитанного по зависимости (3.37) хорошо коррелируется с данными представленными в [5, 61].
Схема рассматриваемой ВХМ, и ее T-s диаграмма, аналогична изображенной на рис.2.3 а,б, за исключением того, что процессы сжатия и расширения протекают с потерями.
На процессы, протекающие в рассматриваемой ВХМ, наложены следующие допущения: процессы теплообмена в АО и ХК являются изобарными и протекают при конечной разности температур. Процессы сжатия и расширения протекают с необратимыми потерями, поэтому сопровождается увеличением энтропии, что учтено адиабатным КПД компрессора гк и тур-бодетандера гт, расположенных на одном валу. Теплоемкость компонентов смеси не зависит от температуры.
Для построения модели, определяющей эксергетическую эффективность ВХМ, работающей на влажном воздухе необходимо определить такие параметры как влагосодержание, относительная влажность, парциальное давления компонентов и т.д, а теплоемкость компонентов смеси не является функцией температуры.
Выражение (3.39) выбрано вследствие наилучшей корреляции с таблицами насыщенного пара.
Парциальное давление компонента определяется, известным выражением:
Рассмотрим значение термомеханической эксергии в узловых токах. На входе в компрессор точка 1 эксергия однозначно определяется выражениями (3.34), (3.38)-(3.40), при этом относительная влажность в точке 1, является исходным параметром.
Далее влажный воздух поступает в компрессор, где возрастает давление и температура (3.1), вместе с тем растет давления насыщения (3.35), а относительная влажность не превышает своего максимального значения, что означает отсутствие фазового перехода. И эксергия, в каждой точке процесса сжатия, однозначно определяется выражениями ((3.34), (3.38)-(3.40).
Далее воздух охлаждает в АО, где возможно наличие фазового перехода пар - жидкость, который может быть оценен следующим образом: если в соответствии с выражением (3.39) относительная влажность не превышает 100% , эксергия влажного воздуха вычисляется по выражению (3.34), при превышении при достижении абсолютной влажности происходит конденсация паровой влаги AdB2-3 значение которой можно оценить следующим вы ражением
Ниже на рис. 3.7 представлен численный расчет (3.42), (3.43) зависимости влагосодержания и конденсировавшейся влаги на АО от степени сжатия.
Как видно из рис. 3.7 при достижении определенной степени сжатия, парциальное давление насыщенных паров превышает давление насыщения и происходит конденсация паровой влаги. Очевидно, что конденсация паровой влаги происходит тем быстрее, чем больше влагосодержание воздуха.
Далее воздух поступает в турбодетандер, где происходит выпадения влаги: количество влаги, претерпевшей фазовый переход, в процессе расширения определяется значением влагосодержания в начале и максимальным влагосодержанием в конце процесса расширения; выражение для определения выпавшей влаги выглядит следующим образом:
Для описания процесса расширения в детандере принято, что изменение температуры определено степенью расширения потока воздуха. Влага, претерпевающая фазовые превращения Л івз-4 выделяет некоторое количество тепла, результатом чего является «перегрев» рабочего тела, и температура рабочего тела на выходе из детандера увеличивается на величину AT; тогда температура на выходе из детандера
Зависимость (3.45), с учетом (3.46) представляют собой трансцендентное уравнение, решение которого получено методом бисекции, при этом погрешность вычислений не превышает 0,5%.
На рис. 3.8 представлен график зависимости температуры на выходе из детандера Т2 и температура «перегрева» от степени сжатия.
С ростом л уменьшается температура на выходе из детандера, при этом до достижения параметров насыщения «перегрев» на детандере увеличивается.
Результаты численного расчета выражения (3.45) представлены на рис. 3.9 [29]. Отметим, что результаты численного расчета имеют удовлетворительную корреляцию с представленными данными [5].
Из рис. 3.9 видно, что для рабочего тела с заданной относительной влажностью существует степень расширения, соответствующая максимальному влаговыпадению в детандере: при этой % давление и температура рабочего тела достигает параметров насыщения, что означает начало фазового перехода.
Рис. 3 9. Зависимость величины влаговыпадения от степени расширения: а) при изменении относительной влажности; б) при изменении температура на входе в компрессор: Г0=293,15 К; Р0=Ю1325 Па; ср0=0,8. к=Рк/Рд, гт=0,85.
С увеличением температуры рабочего тела на входе в турбодетандер данный оптимум смещается в область более высоких степеней расширения.
На выходе из детандера капельная влага состоит из капельной влаги, образовавшейся в процессе расширения Ас/вз-4 (3.45) и капельной влаги выпавшей в процессе охлаждения в АО Ас/в2-з (3.42). А эксергия влажного воздуха за детандером выражением (3.37). На рис.З.Ю представлен график изменения влаго-содержания и выпадения конденсата в процессе расширения (3-4).
До определенной степени сжатия влагосодержание поступающего в детандер влажного воздуха не изменяется, при достижении температуры насыщения паровая влага начинает интенсивно высаждаться, в рассматриваемом примере это соответствует степени сжатия 71 1.8, процесс высаждения паровой влаги протекает до я=4 далее величина выпавшей капельной остается постоянным. Начиная с ля=7,6 начинается процесс конденсации паровой влаги в АО, которая увеличивает составляющую капельной влаги в детандере и соответственно уменьшает влагосодержание паровой влаги.
Далее рабочее тело направляется в ХК, где испаряется капельная влага, так как в процессе нагрева рабочего тела температура увеличивается; при достижении температуры насыщения влага, присутствующая в виде капельной влаги переходит в паровую; и при достижении температуры насыщения вся капельная влага переход в пар и фазовые переходы прекращаются.
Анализ влияния исходных параметров на эксергетический КПД СКВ
В соответствии с выражением (5.22) основными факторами, влияющими на эксергетический КПД являются h, w, Рк, графики зависимости которых представлены на рис. 5.6.
С ростом скорости полета параметры заторможенного потока увеличиваются, что сопровождается более интенсивным увеличением потребляемой авиационной СКВ эксергии, нежели рост полезного эффект (эксергетическои производительности).
В силу нормируемости температуры на входе и выходе в ГК, тепловой поток, отбираемый в ГК, является постоянной величиной, и на эксергию данного теплового потока влияет только эксергетическая температурная функция. Которая, как известно, увеличивается с ростом температурного диапазона, в котором реализуются совместные циклы УОВ и ТИС (рис. 5.7 а), следствием чего является увеличение полезного эффекта авиационной СКВ.
Исходя из графика (рис. 5.7 б), увеличение полезного эффекта с набором высоты является малой величиной в сравнении с ростом затраченной эксергии.
В свою очередь схемные параметры т]пъ ЛАО ЛПАО ЧТК ЛТР влияют лишь на численное значение эксергетического КПД авиационной СКВ (рис. 5.8.)
В соответствии с [1] параметры среды в ГК самолета на входе и выходе из воздухораспределительной системы являются стандартизованными, и учитывая выводы относительно полезного эффекта авиационной СКВ, представляется интересным распределение температур в узловых точкам по трактам системы; а также характер изменения температур и распределения их от схемных параметров установки.
Ниже, на рис. 5.9, 5.10 представлены графики зависимости температур первой ступени: Г3, Т4,Т5,Тв от тепловой эффективности ПАТ, AT, ПТ.
Для того, чтобы исключить влияние режимных факторов полета вышеперечисленные температуры отнесены к температуре Гг.
При выключении из схемы ПТ (лгп О) температура принимает значение отбираемой температуры от ступени компрессора СУ. При этом если поверхность теплообмена ПТ бесконечно большая т.е. Лггг температура за ПТ принимает значение температуры заторможенного потока.
Охлаждение рабочего тела в ПАО (Г6), АО (74,) и ПТ (Т3) ограничено температурой заторможенного потока. Исходя из рис. 5.9 а, можно сказать, что с ростом тепловой эффективности ПАО, ПТ, АО процессы теплообмена протекают интенсивнее, однако в определенных диапазонах значений тепловой эффективности предыдущий по схеме теплообменник охлаждает рабочее тело по горячему тракту боле глубоко, и таким образом, последующий теплообменник охлаждает воздух на меньшую величину.
Аналогичные заключения можно сделать и о характере зависимостей Т5, Т6 от конструктивно обусловленной эффективности процессов передачи тепла (т.е. величины тепловой эффективности теплообменных аппаратов СКВ), что отражено на рис. 5.10 б, в. При этом Щт, ЛПАЪ ЛАТ— 1 температуры Г3, Т4, Т6- Т .
Представленные графики отражают характер влияния тепловой эффективности ТР и ТК на изменение температур.
Полученная ранее система уравнений (4.34-3.38) позволяет провести более подробный анализ влияния тепловой эффективности ТР и ТК на температуры промежуточных точек цикла.
Для этого на рис. 5.12, 5.13 представлен пример численного расчета по (4.34-3.38), учитывая изменение нумерации точек, зависимости температур Т7, 7g, Т% T\Q, Т\\ от Т)ТР (5.12), чтк(5.13). С целью исключения влияния режимных факторов полета вышеперечисленные температуры отнесены к температуре Те.
Из приведенных данных следует, что при Гтр— 0, л.Тк— 0 температуры Г7, Г8, Т9,—»Г6, Гю— Тп, что соответствует условиям трансформирования рассматриваемого регенеративного цикла УОВ в нерегенеративный цикл рассмотренный в [17].
Зависимости на рис. 5.12 при тепловой эффективности теплообменника конденсатора Лтк=0 соответствуют регенеративному циклу ВХМ по схеме
Увеличение тепловой эффективности ТР приводит к уменьшению температуры в процессе регенеративного теплообмена Г7 и расширения в турбо-детандере Ти; значения температур Г8, Г9, Т\0 возрастают, что объясняется увеличением регенеративного теплового потока #ТР В авиационной СКВ при TJTP 0, Л-П О влияние тепловой эффективности имеет более сложный характер. В области 0 г)тк 0,547 увеличение тепловой эффективности т\ТР сопровождается более интенсивным понижением температуры Г8, нежели в области 0,547 г)тк 1- Граница этих областей имеет точечный характер, при которых Г8 не зависит от величины тепловой эффективности ТР, и сохраняет постоянное значение.
Характер изменения температурного напора между теплоносителями в ТР и ТК являются причиной возникновения этих эффектов.
Анализируя поведение температур в промежуточных точках (Гб-Гю), можно сделать, вывод о существовании «петлевого эффекта». В подобных схемах соединения теплообменных аппаратов возможны ситуации, при которых тепловой поток, отобранный от горячего источника в предшествующем теплообменном аппарате приводит к перераспределению температурного напора в последующем теплообменном аппарате, следствием чего является повышение температуры на выходе холодной линии последующего теплооб-менного аппарата. При этом точка изменения характера температуры определена тепловой эффективностью теплообменных аппаратов входящих в петлевую схему.
