Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Обзор современного состояния и анализ перспектив развития авиационных систем кондиционирования воздуха 16
1.1. Назначение авиационных систем кондиционирования воздуха и требования, предъявляемые к ним 16
1.2. Источники холодоснабжения авиационных систем кондицио нирования воздуха 18
1.2.1. Обратимые циклы воздушно-холодильных машин 19
1.2.2. Обратимые циклы регенеративных воздушно-холодильных машин 23
1.2.3. Обратимые циклы воздушно-холодильных машин со ступенчатым сжатием 25
1.3. Обзор схем систем кондиционирования воздуха 28
Выводы по главе 1 41
ГЛАВА II. Разработка и исследование термодинамической модели идеализированных циклов нерегенеротивной авиационной системы кондиционирования воздуха 43
2.1. Термодинамическая модель обратимого цикла воздушно-холодильной машины в составе нерегенеротивной авиационной системы кондиционирования воздуха 44
2.2. Термодинамическая модель идеализированного цикла тепло-использующей системы в составе нерегенеративной авиационной системы кондиционирования воздуха 48
2.3. Совместные процессы обратного и прямого циклов нерегенеративной системы кондиционирования воздуха 52
2.4. Анализ влияния исходных параметров на удельную работу прямого и обратного циклов нерегенеративной системы кон диционирования воздуха 54
2.5. Анализ оптимальных условий реализации термодинамического цикла нерегенеративной авиационной системы кондиционирования воздуха 57
2.6. Анализ области существования и предельных условий нерегенеративной авиационной системы кондиционирования воздуха 63
2.7. Термодинамическая эффективность нерегенератвной авиационной системы кондиционирования воздуха 81
2.8. Анализ влияния параметров на расход воздуха, отбираемого нерегенеративной системой кондиционирования воздуха от компрессора 86
Выводы по главе II 89
ГЛАВА III. Разработка термодинамической модели идеализированных циклов нерегенеративной авиационной системы кондициони рования воздуха ступенчатого сжатия 91
Выводы по главе III 98
ГЛАВА IV. Разработка термодинамической модели идеализированных циклов регенеративной авиационной системы кондициониро вания воздуха ступенчатого сжатия 99
4.1. Регенеративная система кондиционирования воздуха с двухступенчатым сжатием по схеме (ТР+ТК+ГК) 99
4.2. Термодинамическая модель обратимого цикла воздушно-холодильной машины в составе регенеративной авиационной системы кондиционирования воздуха с двухступенчатым сжатием 103
4.3. Термодинамическая модель идеализированного цикла тепло-использующей системы в составе авиационной системы кондиционирования воздуха с двухступенчатым сжатием 106
4.4. Совместные процессы обратного и прямого циклов регенеративной системы кондиционирования воздуха с двухступенчатым сжатием 108
Выводы по главе IV 112
ГЛАВА V. Сравнительный анализ идеализированных термодинамических циклов авиационных систем кондиционирования воздуха 113
5.1. Сравнительный анализ области существования авиационных систем кондиционирования воздуха 113
5.2. Влияние исходных параметров на термодинамическую эффективность прямого и обратного циклов авиационных систем кондиционирования воздуха 121
5.3. Сравнительный анализ термодинамической эффективности авиационных систем кондиционирования воздуха 126
5.4. Сравнительный анализ влияния параметров на расходные характеристики авиационных систем кондиционирования 130
Выводы по главе V 132
Заключение 134
Список использованных источников 136
Приложение 145
- Источники холодоснабжения авиационных систем кондицио нирования воздуха
- Совместные процессы обратного и прямого циклов нерегенеративной системы кондиционирования воздуха
- Термодинамическая эффективность нерегенератвной авиационной системы кондиционирования воздуха
- Термодинамическая модель обратимого цикла воздушно-холодильной машины в составе регенеративной авиационной системы кондиционирования воздуха с двухступенчатым сжатием
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из проблем современной авиационной техники является разработка систем кондиционирования воздуха (СКВ), имеющих максимальную эффективность и экономичность. Экономичность авиационных систем определяется приведенной взлетной массой, которая представляет сумму установочной массы и ее приращения, определяемого величиной отбираемого расхода воздуха и механической работы от силовой установки, увеличением аэродинамического сопротивления самолета воздухозаборниками системы и т.д. Применение систем кондиционирования, работающих по усовершенствованным циклам с оптимизированными параметрами, позволяет значительно уменьшить расход воздуха в «холодной» линии и отбор механической работы, уменьшить приведенную взлетную массу системы и увеличить полезную нагрузку, а также увеличить степень комфортности в гермокабине. Для решения этой проблемы все более широкое применение находит новое поколение СКВ, характерной особенностью которых является применение ступенчатого сжатия и регенеративная осушка влажного воздуха. При практической реализации этих систем, для получения максимальной эффективности необходимы научно обоснованные методики расчета, проектирования и оптимизации. Решение оптимизационных задач требует теоретического обоснования и модельных представлений о системе кондиционирования в целом и ее структурных элементов.
В настоящее время при разработке СКВ используются в основном инженерные методики расчета. В инженерной методике расчета целый ряд исходных параметров цикла задается на основе ранее разработанных аналогов или опыта и интуиции проектировщика. Кроме того, такая методика не опирается на физическую и математическую модели всей системы, поэтому не может определить оптимальные условия реализации. В настоящее время сложилась парадоксальная ситуация - высокий технический уровень агрегатного состава сочетается с полным отсутствием теоретического представления и анализа СКВ.
СКВ можно представить как сложную теплоэнергетическую систему, в которой сочетаются холодильный (обратный) и теплоиспользующий (прямой) циклы. Эти циклы можно представить как обратимые, т.е. идеальные для данных условий цикла, что в термодинамическом анализе циклов имеет очень важное значение. Представление обратимых циклов позволяет создать наиболее простую физическую и математическую модели цикла, строить на их основе реальный цикл и анализировать его, анализировать основные закономерности цикла и получать аналитические расчетные зависимости, определять оптимальные условия реализации цикла, оценивать влияние исходных параметров на термодинамическую эффективность и область существования цикла, т.е. оценивать степень совершенства реального цикла. Таким образом, полный термодинамический анализ циклов представляет собой комплекс частных задач. В настоящее время такой комплексный подход к анализу циклов СКВ отсутствует.
Цели и задачи исследования. Проведение комплексного термодинамического анализа идеализированных циклов авиационной СКВ. Для этого решаются следующие задачи:
разработка методики термодинамического анализа циклов СКВ;
разработка термодинамических моделей сопряженных циклов воздушно-холодильной машины (АВВХМ) и теплоиспользующей системы (ТИС) в составе СКВ;
разработка методики определения области существования циклов СКВ;
разработка методики оценки термодинамической эффективности циклов СКВ;
5) разработка методики оценки расхода рабочего воздуха в СКВ;
Научная значимость и новизна работы состоит в следующем:
1) предложена методика анализа СКВ как результат совместной работы идеализированных термодинамических циклов АВВХМ и ТИС с учетом их взаимосвязи, что позволяет более полно оценить термодинамическую эффективность СКВ в целом;
развита методика определения области существования циклов СКВ, дополнительно учитывающая влияние исходных параметров (атмосферных давления и температуры, скорости полета, давления за компрессором), а так же схемных решений циклов АВВХМ и ТИС;
предложена методика оценки термодинамической эффективности СКВ в целом, учитывающая совместную работу холодильного и теплового циклов;
выполнен комплексный термодинамический сравнительный анализ идеализированных циклов СКВ различных схем (нерегенеративной одноступенчатой, нерегенеративной двухступенчатой, регенеративной двухступенчатой по схеме «петля»), установлены области существования и термодинамические эффективности каждой из них.
Положения, выносимые на защиту:
термодинамические модели идеализированных циклов СКВ;
методика термодинамического анализа идеализированных циклов СКВ;
результаты термодинамического анализа идеализированных циклов СКВ.
Практическая ценность работы:
разработанные модели идеализированных термодинамических циклов СКВ позволяют сделать термодинамическую оценку степени совершенства реальных циклов СКВ;
установлено существование наиболее рациональных условий реализации циклов СКВ с точки зрения термодинамической эффективности;
разработана методика определения области существования циклов СКВ;
выполнен термодинамический анализ схемы СКВ используемой на современных зарубежных самолетах, таких как Боинг-757(767), А-ЗОО(ЗЮ), ТУ-204 (224, 334), и ИЛ-96-300;
полученные результаты могут быть использованы при разработке СКВ нового поколения.
Достоверность полученных результатов. В основе работы лежат известные законы и апробированные методы термодинамического анализа. Сформу-
лированные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации обоснованы численными данными и решениями, полученными в работе, и не противоречат известным положениям наук - термодинамики, механики жидкости и газа, математики; базируются на строго доказанных выводах о закономерностях процессов тепломассообмена, согласуются с имеющимися теоретическими работами в области термодинамики и теплопередачи.
Личный вклад. Автору принадлежит разработка методики термодинамического анализа систем кондиционирования, результаты и выводы. Им выполнены представление и анализ идеализированных циклов СКВ, проведение исследований и обработка данных численного моделирования, подготовка докладов и публикаций, выводы и заключения по работе. Постановка задачи принадлежит д.т.н. Ю.В. Дьяченко, который является научным руководителем работы.
Апробация работы. Содержание и основные результаты исследований диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона», НГТУ, Новосибирск, 2005, 2010; Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, НГТУ, 2009; на II Общероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодежь, техника космос», БГДУ, Санкт-Петербург, 2010.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 10 работ. Из них 1 научная статья в рецензируемом журнале, входящем в перечень, рекомендованный ВАК; 2 научные статьи в рецензируемых журналах; 3 статьи в сборниках научных трудов; 4 публикации в материалах научных Всероссийских конференций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и Приложения. Общий объем диссертации составляет 155 страниц, включая 72 рисунка и 1 таблицу. Список используемых источников содержит 88 наименований.
Работа выполнена при финансовой поддержке грантов:
1)РФФИ 05-08-33588 - «Моделирование и анализ авиационных систем кондиционирования воздуха»;
2) РФФИ 09-08-00321-а - «Исследование эффективности авиационных систем кондиционирования воздуха».
Источники холодоснабжения авиационных систем кондицио нирования воздуха
Воздух, подаваемый из СКВ в гермокабину, одновременно используется для создания в ней требуемого давления [28]. Источниками сжатого воздуха на самолетах служат компрессоры двигателей и вспомогательные силовые установки. Как правило, температура воздуха на выходе из компрессоров значительно выше минимально допустимого значения температуры воздуха на входе в кабину. Поэтому на самолетах с гермокабинами воздух специально не подогревается. В основном его нужно охлаждать, чтобы обеспечить требуемые значения температуры воздуха, поступающего как в систему обогрева, так и в систему вентиляции. Источниками холодоснабжения в авиационных СКВ служат пароком-прессионные холодильные машины (ПКХМ) или воздушные холодильной машины (ВХМ). Парокомпрессорные холодильные машины не нашли широкого применения несмотря на высокую термодинамическая эффективность ПКХМ, т.к. необходимость в дополнительных теплообменник устройствах практически не уменьшает установочный вес системы. Кроме того, в аварийных ситуациях имеется высокая вероятность попадания хладагентов в кабин-ный воздух, что недопустимо по санитарно-гигиеническим требованиям. В настоящей работе рассмотрены только СКВ с ВХМ. В настоящее время в качестве источников холода на борту используются воздушные холодильные машины [76]. Воздушные холодильные машины имеют ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с другими способами получения холода. Главными преимуществами являются: высокая экологическая чистота, простота и безопасность в эксплуатации, доступность рабочего тела.
Под холодильной машиной подразумевается комплекс агрегатов, обеспечивающих получение низких температур за счет механической энергии [66, 68, 80]. В существующих системах кондиционирования применяются воздушные и парокомпрессионные холодильные машины, а также термоэлектрические охладители воздуха. Тип холодильной машины выбирают в зависимости от назначения самолета и его тактико-технических данных. От правильного выбора типа и холодопроизводительности холодильной машины во многом зависит эконо мичность проектируемой системы кондиционирования воздуха. В настоящее время на самолетах с гермокабинами наибольшее распространение получили воздушные холодильные машины. Обратимый цикл ВХМ является классическим примером обратного цикла и представлен практически во всех учебниках и монографиях по термодинамике и теплотехнике [2, 6, 8, 12, 16, 17, 23, 30, 31, 33, 42, 67]. Схема и цикл воздушно-холодильной машины показаны на рис. 1.1. Воздух из охлаждаемого объема IV поступает в компрессор III с давлением Р0 и сжимается по адиабате (1-2) до давления Р. Сжатый горячий воздух охлаждается в теплообменнике II атмосферным воздухом в изобарном процессе (2-3), отдавая ему теплоту qr. Из теплообменника воздух поступает в турбину I, где в процессе (3-4) происходит его адиабатное расширение до давления Р0 с одновременно совершаемой полезной работой. Полученный холодный воздух с температурой Г4 направляется в охлаждаемый объем и в изобарном процессе (4-1) отводит из него теплоту qx, нагреваясь до температуры Тг. Компрессор забирает нагретый воздух из охлаждаемого объема, замыкая, таким образом, цикл. Совершенно очевидно, что цикл ВХМ в данных условиях является внешне необратимым, причиной этой необратимости является перегрев рабочего тела относительно температуры горячего источника (участок 2 -2) и переохлаждение относительно температуры холодного источника (участок 4 -4). В реальном цикле холодильной машины по сравнению с идеальным возрастают внешние потери от необратимых процессов теплопередачи в теп-лообменных аппаратах [3, 19, 20, 39].
Сжатие в компрессоре и расширение в турбине происходят не адиабатно, а политропно, заканчиваясь при более высоких температурах в точках. В результате работа сжатия возрастает, а работа расширения уменьшается, что приводит к снижению холодопроизво-дительности и экономичности холодильной машины. Для того чтобы цикл ВХМ был обратимым, предполагается, [22, 23, 34, 35, 36, 37, 40, 41, 44, 45, 46, 78, 82, 83, 85, 87], что теплообмен между рабочим телом и источниками происходит в теплообменных устройствах (II, IV на схеме рис. 1.1.(а), без конечной разности температур. Последнее условие выполняется, если теплоемкости и расходы теплоносителей одинаковы, движение осуществляется по противоточной схеме и коэффициент тепловой эффективности теплообменников равен единице (поверхность теплообмена бесконечно большая). Таким образом, горячий и холодный источники представляются источниками с переменной температурой, как поток идеального газа.
Для исключения внутренней необратимости рабочее тело также считается идеальным газом. Принятые допущения позволяют считать цикл ВХМ обратимым и анализировать его методами термодинамики обратимых процессов. Общий метод термодинамического анализа циклов предложен в работах B.C. Мартыновского [39, 40, 41, 44, 45]. В основе этого метода лежит сравнение рассматриваемого цикла с циклом-образцом, реализуемым в тех же условиях. Таким циклом-образцом является обратимый цикл. В работах B.C. Мартыновского получено выражение для холодильного коэффициента (при ср = const) в вид: Таким образом, холодильный коэффициент цикла зависит от отношения температур воздуха Т2/Т1 и соответствующих им давлений P2/Pi и тем выше, чем меньше отличаются температуры Т2 и Тг или давления P2VL PV Холодильный цикл обратимого цикла Карно, реализуемый в тех же условиях:
Совместные процессы обратного и прямого циклов нерегенеративной системы кондиционирования воздуха
Полученные зависимости (2.19) и (2.22) устанавливают связь между прямым и обратным циклами, являющимися сопряженными для СКВ. Представленная термодинамическая модель идеализированных циклов системы кондиционирования воздуха позволяет проводить комплексный термодинамический анализ СКВ, который включает в себя: - анализ влияния исходных параметров на работу циклов СКВ; - анализ оптимальных режимов работы циклов СКВ; - анализ области реализации циклов СКВ и влияние исходных параметров на предельные значения области; - анализ эффективности СКВ в целом; - анализ количества расхода воздуха, отбираемого СКВ от компрессора силовой установки. обратного циклов нерегенеративной системы кондиционирования воздуха Работу СКВ можно рассматривать как результат совместной работы прямого и обратного циклов. Полная работа сжатия холодного и горячего потоков:
Разделив левую и правую части уравнения (2.24) на Мхол, получим удельную работу цикла СКВ для получения 1 кг холодного воздуха: Аналогично, поделив левую и правую части уравнения (2.24) на М получим удельную работу цикла СКВ для получения 1 кг горячего воздуха: Зависимости (2.25) и (2.26) выраженные через исходные параметры приведены в (П. 1.2) и (П. 1.3), соответственно. Полученные уравнения выражают удельную работу прямого (2.26) и обратного (2.25) циклов СКВ. Так как эти зависимости выражены через коэффициент соотношения расходов горячего и холодного потоков , то с помощью (2.25) и (2.26) можно оценить влияние СКВ на приведенную взлетную 56 Влияние исходных параметров Т0, Р0, со, Рк на удельную работу цикла АВВХМ показано на рис. 2.6, расчет выполнен по зависимости (2.26). Как следует из приведенных на рисунке данных, в зависимости удельной работы цикла от Рк и Р0 имеется явно выраженный минимум. Следовательно, существует оптимальный режим работы АВВХМ по давлению Р0 и Рк, в котором удельная работа цикла будет минимальной. Следует отметить, что возникновение этого оптимума обусловлено взаимным влиянием параметров TQ, Р0, со, Рк. Увеличение атмосферной температуры Г0 приводит к смещению минимума в область более низких давлений Рк. Увеличение скорости полета приводит к смещению минимума в область более высоких давлений Р0. Зависимость работы цикла от температуры Т0 и скорости со носит монотонный характер. С увеличением Г0 и со работа цикла АВВХМ уменьшается. При определенном соотношении исходных параметров работа цикла выходит за область положительных значений, что соответствует предельным условиям реализации цикла АВВХМ. Влияние исходных параметров Т0, Р0, со, Рк на удельную работу цикла ТИС показано нарис. 2.7, расчет выполнен по зависимости (2.26). Численный анализ показал, что в зависимости работы прямого цикла имеется минимум только от давления Рк. Уменьшение атмосферной температуры Т0 приводит к смещению минимума в область более низких давлений
Как следует из приведенных на рисунке данных, влияние со носит неоднозначный характер, в зависимости от диапазона значений PQ. В области высоких значений давления атмосферного воздуха работа цикла уменьшается с ростом скорости, а в области небольших значений Р0 - увеличивается. Увеличение атмосферного давления Р0 и температуры атмосферного воздуха Т0 приводит к уменьшению величины удельной работы цикла ТИС. Данная методика анализа сопряженных циклов СКВ показывает, что существует сложный механизм влияния исходных параметров, имеются рациональные режимы работы циклов, и существуют предельные условия реализации циклов. Все эти вопросы требуют детального анализа и рассмотрены в следующих разделах работы. Выражение для полной работы нерегенеративной СКВ, затрачиваемой на ее реализацию. Из (2.14) и (2.15) и (2.24) путем математических выкладок получим: Зависимость (2.27) через исходные параметры приведена в (П.1.4). Из анализа зависимости (2.27) очевидно, что работа, затрачиваемая на реализацию СКВ, представляет собой удельную работу цикла АВВХМ с учетом рециркуляции. Таким образом, для анализа полной работы системы от исходных параметров ( Г0, Р0, Рк и со ) достаточно рассматривать удельные работы сопряженных циклов (прямого г и обратного х) в составе СКВ.
Анализ влияния исходных параметров на удельную работу циклов СКВ свидетельствует о том, что имеется два параметра, влияние которых характеризуется наличием минимума. В цикле АВВХМ этими параметрами являются давление цикла Рк, рис. 2.6(a), и давление атмосферного воздуха Р0, рис. 2.6(6), в цикле ТИС - давление цикла Рк, рис. 2.7(a). Для определения оптимальных условий существования циклов ТИС и АВВХМ выполним стандартную процедуру нахождения оптимума удельной работы циклов по зависимостям (2.25) и (2.26). Для определения условий минимума по давлению Р0 приравняем производную (2.29) нулю, решение этого уравнения относительно Р0 определяет выражение для оптимального давления атмосферного воздуха PQ1" , при котором удельная работа цикла АВВХМ минимальна. Из полученного выражения следует, что оптимальное давление атмосферного воздуха зависит от параметра атмосферы Т0, нормируемых параметров воздуха в гермокабине Гге, Р , режимных параметров Рк и ш, а так же степени рециркуляции л. Для проверки достоверности полученной зависимости для оптимального атмосферного давления на рис. 2.8. приведены результаты численного расчета удельной работы цикла АВВХМ по (2.25) и расчет оптимальных значений давления цикла по (2.30). Точки минимума выделены условными значками. Здесь же пунктирной линией обозначены оптимальные значения атмосферного давления, рассчитанные по (2.30). Как следует из приведенных данных, зависимость (2.30) точно описывает положение минимумов работы сжатия, что подтверждает ее достоверность.
Термодинамическая эффективность нерегенератвной авиационной системы кондиционирования воздуха
На данный момент агрегатный состав современных систем кондиционирования имеют очень высокие технические характеристики: адиабатный к.п.д. турбокомпрессора достигает значений 0,9-0,95; к.п.д. турбодетандера 0,95-0,98; тепловая эффективность теплообменных аппаратов 0,6-0,8. Однако оценка термодинамической эффективности возможна только для цикла АВВХМ [22, 23, 24, 25, 26] в составе СКВ, и остается на слишком низком уровне, как правило, она не превышает 0,3-0,6. Критерий оценки эффективности СКВ в целом на данный момент в имеющейся литературе отсутствует. Чтобы охарактеризовать термодинамическую эффективность системы кондиционирования воздуха введем понятие коэффициента эффективности СКВ, скв Под теоретическим коэффициентом термодинамической эффективности СКВ, Ч САЯ понимаем отношение полной холодо- и теплопроизводительно-сти циклов входящих в систему кондиционирования воздуха к полной работе, затраченной на реализацию СКВ: Зависимость (2.51) выраженная через исходные параметры показана в (П.1.5). Практический коэффициент термодинамической эффективности СКВ, Ч скв, это отношение полезной холодо- и теплопроизводительности циклов входящих в систему кондиционирования воздуха к полной работе, затраченной на реализацию цикла СКВ: Зависимость (2.52) через исходные параметры выражена в (П.1.6). Разработанная методика анализа эффективности СКВ позволяет с помощью коэффициента термодинамической эффективности СКВ, Ч скв определить степень совершенства системы кондиционирования воздуха и позволяет находить оптимальные условия реализации СКВ.
Рассмотрим влияние параметров со, Р0, Т0 и Рк на термодинамическую эффективность СКВ. На рис. 2.24 представлены поверхности зависимости коэффициента термодинамической эффективности СКВ от исходных параметров. Изменение скорости полета со неоднозначно влияет на термодинамическую эффективность авиационной СКВ. При «холодной» атмосфере с увеличением со, холодильный коэффициент цикла АВВХМ, ЕАВВХМ тепловой коэффициент цикла ТИС, є с, а так же коэффициент термодинамической эффективности СКВ Ч скв монотонно возрастают, рис. 2.25(a). При «горячей» атмосфере, рис. 2.26(6) зависимость коэффициента Р в имеет выраженный максимум. Наличие максимумов наблюдаются и в зависимостях Р в от параметров Т0, Рк, рис. 2.26 и 2.27(6). Существование таких максимумов, говорит о том, что существуют оптимальные режимы работы СКВ, при которых затра Интересен тот факт, что для достижения максимального значения коэффициента скв не всегДа необходимо увеличивать значения теплового и холодильного коэффициентов циклов СКВ одновременно. Например, на рис. 2.26(a) и 2.27(6) показано, что максимальное значение Ч"в достигается увеличением sT c и уменьшением є вхм до определенных значений. Как было сказано в гл.1, в авиационных СКВ часть вентиляционного воздуха на выходе из ГК возвращается через систему рециркуляции ( М ) и смешивается с условно называемым свежим воздухом, отбираемым от компрессоров двигателей. Отметим, что отбираемый от компрессоров воздух можно назвать свежим лишь достаточно условно, так как он может содержать вредные газовые примеси (продукты термического разложения горючесмазочных материалов, пары топлива и др.).
Расход рециркуляционного воздуха может составлять до 50% ("рец = 0,5 ) от суммарного расхода [1]. На рис. 5.16(6) приведены зависимости, иллюстрирующие влияние расхода рециркуляционного воздуха на термодинамическую эффективность СКВ. Анализ данных показывает, что с ростом коэффициента соотношения рециркуляционного воздуха к холодному Т термодинамическая эффективность СКВ увеличивается. Применение частичной рециркуляции кабинного воздуха обусловлено целью, сократить расход воздуха, отбираемого от компрессора силовой установки для нужд СКВ, снизить скорость воздуха на входе в кабину и перепад температур между подаваемым и кабинным воздухом, повышает эффективность системы. Уменьшение расхода воздуха позволит уменьшить приведенную взлетную массу самолета, а, следовательно, и стоимость СКВ [81, 82]. Из данных на рис. 2.28 следует, что увеличение расхода рециркуляционного воздуха увеличивает эффективность коэффициента . Существование оптимальных режимов работы СКВ приводит к уменьшению приведенной взлетной массы ЛА, следовательно к увеличению полезной нагрузки ЛА и дальности полета. Уменьшение термодинамической эффективности компенсируется увеличением расхода рабочего воздуха. Именно поэтому в современных СКВ расходы воздуха значительно больше, чем нормативные значения на вентиляцию. Обозначим расход воздуха, отбираемый от компрессора силовой установки в систему кондиционирования Мскв: -_&.(! + _ 0/ v xw ). (2.53) Л Т0{Рк/Р0)1Г АТ-Тб Зависимость (2.53), выраженная через исходные параметры приведена в П. 2.
Оптимизируя исходные параметры, можно значительно уменьшить расход воздуха Мскв и отбор механической работы, уменьшить приведенную взлетную массу системы и увеличить полезную нагрузку, а также увеличить степень комфортности в гермокабине. Проанализируем влияние исходных параметров на количество сжатого воздуха Мскв, отбираемого системой кондиционирования от компрессора силовой установки. На рис. 2.29, 2.30 представлены зависимости Мскв от параметров со, Р0, Т0, Рк и ц, рассчитанные по (2.53). Из представленных на рисунках данных, следует, что рост со, Рк, Т0, л и понижение Р0 приводит к уменьшению Мскв. Расход воздуха Мскв в Очевидно, чем больше разность температур между Мхол и Мгор, тем более интенсивно протекают процессы нагрева холодного воздуха и охлаждения горячего и тем меньше требуется расхода воздуха. Рост Рк приводит к тому, что температура воздуха Т2, рис. 2.5(6), отбираемая после первой ступени сжатия тоже увеличивается, а точки (3), (4) и (41), рис. 2.3(6) смещаются влево по изобаре, рис. 2.31(a), их температура понижается. Таким образом, разность температур Мхол и Мгор увеличивается, следовательно, уменьшается требуемый расход воздуха MQ Q . Рост скорости со и уменьшение Рй аналогично приводит к увеличению разницы Мхоя и Мгор
Термодинамическая модель обратимого цикла воздушно-холодильной машины в составе регенеративной авиационной системы кондиционирования воздуха с двухступенчатым сжатием
Термодинамическая модель цикла авиационной воздушно-холодильной машины составляется по её принципиальной схеме, и в общем случае представляет собой систему нелинейных уравнений, которые описывают процессы в моделируемом объекте и устанавливают связь между режимными и системными параметрами АВВХМ. Обратимый термодинамический цикл АВВХМ представлен на рис. 4.4 в P-v и T-s диаграммах [22]. Рассмотрим основные процессы, протекающие с рабочим телом в цикле АВВХМ. Процессы (1-а), (а-2) и (2-3) в рассматриваемом цикле протекают как и в нерегенеративном одноступенчатом цикле, (2.1), (2.2), (2.3), (2.4). В процессе (3-4) воздух сжимается в турбокомпрессоре ТХ до Р4 и Т4: Процесс (4-5) - охлаждение сжатого воздуха в основном теплообменнике 2, (рис. 4.4), Т5 = Т\ (2.4). Охлаждение воздуха в регенераторе-теплообменнике 3, процесс (5-6), а затем в теплообменнике-конденсаторе 4, процесс (6-7), описываются зависимостями степени охлаждения т)охл [8, 38], соответственно: где Г7, Г9 -температура охлаждающего потока на входе в ТО, Г6-температура охлаждаемого потока на выходе в ТО, рис. 4.2. Нагрев воздуха в регенераторе-теплообменнике 3, процесс (7-8), описывается уравнением степени регенерации (нагрева) тр [8, 38]: охлаждающего потока на входе в ТО, Т8 -температура охлаждающего потока на выходе в ТО, рис. 4.2 Процесс расширения (8-9) воздуха в турбодетандере: 6) Для расчетов принимаем цохлз = лОХЛ4 = лрз = rjp4 = 0,8. В процессе (10-12) происходит нагрев рабочего тела.
Температура Т12 фиксированная величина. По нормативным требованиям к авиационным системам обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) воздух, вентилирующий в гермокабине должен иметь максимальную температуру Г12 = 298 К. Нагрев рабочего тела в процессе (10-12) происходит в результате его смешения с горячим Мтор, участок (10-11), и с рециркуляционным Мрец, участок (11-6), потоками воздуха, участком (6-12) цикла отображается нагрев рабочего тела непосредственно в гермокабине. Процесс нагрева рабочего тела является изобарным и протекает при кабинном давлении Ргк. Тогда из уравнения для изобарного процесса: Процесс (12-13) — сброс воздуха из гермокабины в атмосферу через систему автоматического регулирования давления (САРД): Цикл АВВХМ является разомкнутым, но его можно условно замкнуть процессом изобарного нагрева в атмосфере (13-1). Из уравнения для изобарного процесса: Теоретический холодильный коэффициент [22, 23]: Практический холодильный коэффициент [22, Система нелинейных уравнений, состоящая из (2.1) - (2.4) и (4.1) -(4.11) представляет собой математическую модель обратимого цикла АВВХМ, которая при заданных параметрах позволяет рассчитать параметры узловых точек цикла, характеристики цикла и его термодинамическую эффективность. Поток в горячей линии формируется из воздуха, забираемого за вторичным теплообменником с температурой Т5, рис. 4.5.(6). Затем смешивается с холодным потоком Мхол, в схеме термодинамического цикла этот процесс отображается изобарным процессом охлаждения рабочего тела (5-11). Далее в процессе (П-б) происходит охлаждение полученного воздуха Мхол + Мг0 в результате его смешения с рециркуляционным М .
Термодинамические диаграммы цикла ТИС на рис. 4.5. отражают изменение параметров горячего потока в круговом цикле. Охлаждение рабочего тела непосредственно в гермокабине отображается участком (6-12) цикла. Процесс охлаждения воздуха в гермокабине является изобарным и протекает при кабинном давлении Ргк. Рассмотрим основные процессы, протекающие с рабочим телом в теп-лоиспользующем цикле. Процессы (1-а)-(4-5), рис. 4.5, протекают совместно с процессами цикла АВВХМ, рис. 4.4. В процессе дросселирования (5-51), рис. 4.5, происходит понижение давления воздуха, и его температура падает на величину AT, (2.11). Тогда температура потока горячего воздуха после дросселирования (точка (8) на рис. 2.5.): В процессе (51-11) происходит охлаждение горячего потока в результате его смешения с холодным Мхол. Процессы (11-6), (6-12), (12-13) также совпадают с процессами цикла АВВХМ, рис. 4.4. Теоретический тепловой коэффициент:
