陸晶文 廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院實訓(xùn)基地 510403

淺析飛機空調(diào)系統(tǒng)

陸晶文 廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院實訓(xùn)基地 510403

介紹空調(diào)系統(tǒng)隨飛機制造技術(shù)的發(fā)展史，并通過介紹各階段飛機空調(diào)系統(tǒng)的制冷原理來探討未來飛機空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展方向。

制冷；空調(diào)；空氣循環(huán)；蒸發(fā)循環(huán)

1 引言

早在1909年8月法國的飛行員路易.布萊里奧成功飛躍英吉利海峽，由于當(dāng)時飛機的飛行高度不高，飛機的承載效率不高。因此在早期的航空中飛行員只能裹著厚厚的保暖服飛行，直至1936 年空調(diào)系統(tǒng)開始裝載在飛機上，飛行員們才能從極端的飛行環(huán)境中解脫出來。

2 空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的原因

由于空氣是有重量的，所以能產(chǎn)生壓力，地球引力的作用使空氣分布很不均勻，越接近地球表面空氣的密度也越大，所以大氣的壓力也越大，隨著高度的增加，大氣的壓力下降。低氣壓對人體本身也有危害，隨著大氣壓力的降低，人體會出現(xiàn)高空的胃腸脹氣、組織氣腫等高空減壓癥。壓力降低，體內(nèi)的氣體過飽和游離形成氣泡，阻礙血液流通并壓迫神經(jīng)，導(dǎo)致關(guān)節(jié)和頭部疼痛，若高度升至19200米時，大氣壓力為47mmHg，水的沸點為37攝氏度，這等于人體的體溫，如果人體暴露在該環(huán)境下，體內(nèi)的液體將會沸騰汽化導(dǎo)致皮膚水腫，人體溫度將降低至難以生存。高空環(huán)境的另外兩個因素是缺氧和低溫，平流層的溫度大致在-56.5攝氏度；飛行高度增加，大氣壓力減小，空氣密度減小，單位體積的空氣含氧量減小直接導(dǎo)致人體血液中的氧氣飽和度降低，從而導(dǎo)致高空缺氧。從六千米高度屬于嚴(yán)重缺氧高度，會發(fā)生身體代謝功能嚴(yán)重障礙；到七千米高度，人體的代償活動已不足以保證大腦皮層對氧的最低需要量，人大腦會迅速出現(xiàn)意識喪失，產(chǎn)生突然虛脫。從1903年萊特兄弟進行人類歷史上的首次成功的將飛機飛離地面幾米高，到今天的民航固定翼客機運行在10000米高空左右的對流層到平流層底部，乃至一些軍用飛機飛行在兩萬米的高空。為使駕駛員能夠生存并提高駕駛時的舒適度，空調(diào)系統(tǒng)在飛機上的運用隨著飛行速度、飛行高度的增加也在不斷革新。空調(diào)系統(tǒng)的作用:產(chǎn)生壓力、提供適宜的溫度、提供氧氣。

3 飛機制冷系統(tǒng)概述

飛機上使用的制冷系統(tǒng)有空氣循環(huán)和蒸發(fā)循環(huán)兩種基本類型:空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)是以空氣為制冷工質(zhì)，以逆布雷頓循環(huán)為基礎(chǔ)的；蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)是以在常溫下能發(fā)生相變的液態(tài)制冷劑為工質(zhì)，是建立在卡羅循環(huán)的基礎(chǔ)上的。空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)通過壓縮空氣在膨脹機中絕熱膨脹獲得低溫氣流實現(xiàn)制冷，其理想的工作過程包括等熵壓縮、等壓冷卻、等熵膨脹及等壓吸熱四個過程，與蒸發(fā)循環(huán)制冷的四個工作過程相近。兩者的區(qū)別在于:空氣制冷循環(huán)中空氣不發(fā)生相變，無法實現(xiàn)等溫吸熱；空氣的節(jié)流冷效應(yīng)很低，降壓制冷裝置是以膨脹機代替節(jié)流閥。

4 蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)

自從1877年德國慕尼黑工學(xué)院教授林德，發(fā)明設(shè)計出第一臺以氨為制冷工質(zhì)的制冷機以來，一百三十年來，其制冷技術(shù)原理與工藝方法一直沿革至今，所不同的只是改換了制冷工質(zhì)，由氨換成了氟里昂，目前又由氟里昂換成非氟制冷工質(zhì)。蒸發(fā)循環(huán)閉式系統(tǒng)由蒸發(fā)器、壓縮機、冷凝器、膨脹閥等組成，經(jīng)壓縮機壓縮后的高溫高壓的制冷劑以氣態(tài)進入冷凝器散熱降溫液化，成為高壓液體，根據(jù)蒸發(fā)器出口的溫度調(diào)節(jié)膨脹閥中的制冷劑的流量，使經(jīng)膨脹閥后得到的低壓液態(tài)的制冷劑進入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)吸收周圍空氣的熱量，變?yōu)榈蛪赫羝?，再進入壓縮機，往復(fù)循環(huán)。從而利用制冷劑狀態(tài)變化使蒸發(fā)器熱邊的空氣得到冷卻，冷凝器周圍空氣得到加熱，相當(dāng)于利用制冷劑做為載體將蒸發(fā)器周圍空氣中的熱量“搬運”到冷凝器周圍散掉。蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)的冷卻效率高，而且在地面頂級條件下有良好的冷卻能力，高空高速飛行時有良好的經(jīng)濟性，節(jié)省燃油。閉式系統(tǒng)只在少數(shù)民用機上使用，主要運用在高性能飛機的電子設(shè)備艙冷卻方面。

5 空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)

目前大型飛機上都是采用空氣循環(huán)系統(tǒng)制冷的，該系統(tǒng)由冷熱兩部分氣體管路組成，兩支管路的氣體都是來自發(fā)動機的壓氣機引氣，飛行員根據(jù)季節(jié)特點及航路中的不同需要，旋轉(zhuǎn)空調(diào)面板的溫度調(diào)節(jié)旋鈕到合適的位置，溫度控制器接到飛行員的輸入指令后，與接收到的管道溫度傳感器和客艙溫度傳感器進行比較，是加溫還是降溫，從而控制到達混合室的冷空氣和熱空氣的比例，得到滿足人體生理和工作需要的座艙空氣。熱通道較簡單，就是發(fā)動機引來氣體中的一部分，經(jīng)過調(diào)節(jié)活門直接到達輸送到混合腔的通路，各種空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)主要冷路的設(shè)計實現(xiàn)上，根據(jù)冷路系統(tǒng)中渦輪冷卻器的類型可將空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)分成三類:渦輪風(fēng)扇式、渦輪壓氣機式及渦輪壓氣機風(fēng)扇式。其中渦輪壓氣機風(fēng)扇式制冷系統(tǒng)是前兩者的組合，結(jié)合了前兩者的優(yōu)點。

5.1 空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的優(yōu)點

目前飛機上制冷主流采用的都是空氣制冷循環(huán)，其優(yōu)點在于:第一制冷工質(zhì)的環(huán)保和無變相變性?？諝馐翘烊坏墓べ|(zhì)，無毒無害，對環(huán)境沒有任何破壞作用，而且可以隨時實地自由獲取。制冷循環(huán)中空氣只起著傳遞能量的作用，無論是它的化學(xué)成分還是物理相態(tài)都不發(fā)生變化，這是區(qū)別于其他工質(zhì)作為制冷劑的制冷循環(huán)的最明顯的特征。采用節(jié)能的直接冷卻系統(tǒng)，空氣即使制冷劑又是載冷劑，供冷無需熱交換器，冷空氣直接進入需要冷卻的環(huán)境消除熱負(fù)荷，系統(tǒng)正壓。運用在航空上，就地取材，省去了單獨的壓縮機以渦輪噴氣發(fā)動機的壓氣機代替，同時也解決了客艙增壓及換氣的問題。第二制冷范圍寬，低溫下運行性能優(yōu)良?？諝庵评溲h(huán)可以滿足零攝氏度以上負(fù)一百四十度的要求，尤其在-72°C以下時其制冷性能比蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)好，而現(xiàn)代大型飛機運行時從地面到一萬米高空，溫度變化很大從而空氣制冷循環(huán)機較寬的溫度制冷范圍剛好滿足其要求。第三空氣制冷設(shè)備可靠性高、維護方便，空氣制冷裝置結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，安全性好，制冷劑可隨時隨地自由獲得補充，不必?fù)?dān)心泄露問題；另外空氣制冷循環(huán)裝置拆裝、移動方便，無需回收制冷劑，便于維護。

5.2 空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的原理

空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)由壓縮空氣源、熱交換器和渦輪膨脹機等組成。由發(fā)動機帶動的座艙增壓器或者直接由發(fā)動及引出的高溫高壓空氣先經(jīng)過熱交換器，將壓縮熱傳給冷卻介質(zhì)（熱交換器的冷卻介質(zhì)一般是機外環(huán)境空氣和燃油），然后流入渦輪中進行膨脹，并驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn)，帶動同軸的壓氣機或風(fēng)扇，將熱能轉(zhuǎn)化為機械功，空氣本身的溫度和壓力在渦輪出口得到大大降低，由此獲得滿足溫度和壓力要求的冷空氣，再與熱路空氣按一定的比例混合后就可以通向客艙提供舒適環(huán)境并增壓。為了達到較好的制冷效果，熱交換器外圍的冷卻空氣流動的越快，熱交換器中需要被冷卻的發(fā)動機壓氣機引氣的冷卻效率越高，將渦輪同軸相連的風(fēng)扇與熱交換器串聯(lián)在同一條沖壓空氣管道上，這樣通過渦輪將熱能轉(zhuǎn)化的機械功驅(qū)動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，加速了熱交換器周圍冷卻空氣的流動，就剛好達到提高冷卻效率的目的。渦輪風(fēng)扇式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)就是這樣滿足冷路制冷要求的，但由于飛機在高空高速飛行時比在地面及低速飛行時，渦輪風(fēng)扇式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)中的風(fēng)扇做功的負(fù)荷減小很多，使得高速飛行時渦輪轉(zhuǎn)數(shù)增加，容易產(chǎn)生超轉(zhuǎn)，影響制冷效果并減小渦輪的壽命，故要限制飛行高度。

在接觸面積相同的情況下，溫差越大、高溫物質(zhì)與低溫物質(zhì)之間的單位時間熱流量越大，散熱效果越明顯，渦輪壓氣機式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)應(yīng)運而生。與渦輪風(fēng)扇式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的不同在于，高溫高壓引氣經(jīng)過第一級熱交換器冷卻后，又進入壓氣機，渦輪同軸連接壓氣機對空氣做功后使其壓力和溫度均提高，然后空氣又流向二級熱交換器進行冷卻，故而渦輪壓氣機式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)又叫做渦輪升壓循環(huán)制冷系統(tǒng)。二級熱交換器冷卻與被冷卻氣體溫差加大，熱交換率增加，同時由于渦輪壓氣機式制冷系統(tǒng)的膨脹比比渦輪風(fēng)扇式的大，故其制冷能力也大。這樣較少的供氣量就能滿足相同的制冷效果，發(fā)動機油耗少，經(jīng)濟性好。但在飛機靜止在地面或低速運動時，熱交換器周圍缺乏沖壓空氣，就會使熱交換器外圍空氣的溫度升高，從而縮小溫度差導(dǎo)致熱交換律降低，影響制冷效果，因此在M D 82及MD90飛機空調(diào)系統(tǒng)中增加了一條與沖壓空氣管道風(fēng)扇通道并列通向熱交換器的風(fēng)扇通道。

該風(fēng)扇是由飛機機上電源驅(qū)動的，當(dāng)飛機停留在地面時，沖壓空氣管道閥門關(guān)閉，風(fēng)扇通道閥門打開，飛機電源向風(fēng)扇供電驅(qū)動空氣流過熱交換器周圍進行熱交換，達到較好制冷效果；當(dāng)飛機達到一定的速度，風(fēng)扇斷電，風(fēng)扇通道閥門關(guān)閉；沖壓空氣管道閥門打開，由飛機飛行時產(chǎn)生的沖壓空氣直接對熱交換器進行冷卻。這樣就保證了在任何情況下，流過熱交換器的冷卻氣流量保持穩(wěn)定，提高空調(diào)制冷效率。

渦輪壓氣機風(fēng)扇式制冷系統(tǒng)是渦輪壓氣機式和渦輪風(fēng)扇式制冷系統(tǒng)的結(jié)合，最大的特點是將渦輪、風(fēng)扇及壓氣機三者共軸，風(fēng)扇通道直接與渦輪壓氣機式制冷系統(tǒng)的兩級熱交換器的沖壓空氣管道相連，這樣高溫高壓空氣經(jīng)過一級熱交換器后再經(jīng)過渦輪膨脹，高壓空氣中的熱能就通過渦輪轉(zhuǎn)換成風(fēng)扇和壓氣機的機械功，并且由于是共軸，風(fēng)扇和壓氣機之間可以自動協(xié)調(diào)渦輪傳導(dǎo)的機械能的分配比，在地面時，由于風(fēng)扇的負(fù)荷增加，能從共軸上分配到較多的機械能用來驅(qū)動空氣流過熱交換器的表面，當(dāng)?shù)竭_一定飛行速度時，風(fēng)扇負(fù)荷減小，壓氣機從共軸上分配到更多的機械能用來提高引氣的壓力和溫度，形成溫度差，有利于熱量散出；同時風(fēng)扇分配的機械能減小，保證了其工作不超速。

6 總結(jié)

隨著航空制造業(yè)突飛猛進，飛機空調(diào)系統(tǒng)取得了飛速的發(fā)展，在空調(diào)系統(tǒng)除水等各個領(lǐng)域還需更上一層樓，復(fù)合材料的使用使飛機的承載比增加，發(fā)電機的可靠性及發(fā)電容量不斷提高，加上發(fā)動氣管路維護較困難，現(xiàn)在蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)正慢慢進入民航客機，如B787。航空空調(diào)系統(tǒng)必然要經(jīng)歷一次新的變革。

[1] 李敏華，巫江虹.空氣制冷技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展探討.制冷與空調(diào).2005，2（5）.

[2] 鄭連興，任仁良等.渦輪發(fā)動機飛機結(jié)構(gòu)與系統(tǒng).兵器工業(yè)出版社.2006.11

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.11.062