劉騰
(上海國際機(jī)場股份有限公司,上海200335)
飛機(jī)作為現(xiàn)代交通工具,其動力要求高,能耗大。其空調(diào)系統(tǒng)是飛機(jī)耗能較大的部分之一。飛機(jī)制冷系統(tǒng)為飛機(jī)座艙和設(shè)備艙提供低溫空氣,以保持適宜的溫濕度環(huán)境。
飛機(jī)自帶的制冷系統(tǒng)一般是空氣循環(huán)形式,該系統(tǒng)由壓縮空氣源、熱交換器和渦輪膨脹機(jī)等組成。壓縮空氣先經(jīng)過熱交換器,將壓縮熱傳給冷卻介質(zhì),然后流入渦輪膨脹并驅(qū)動渦輪旋轉(zhuǎn),帶動同軸的壓氣機(jī)或風(fēng)扇,將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械功,在膨脹渦輪出口得到冷卻用的低溫空氣,該系統(tǒng)用機(jī)艙內(nèi)的空氣作為制冷工質(zhì),換熱環(huán)節(jié)少,設(shè)備簡潔。空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)能耗高,其制冷能效比COP 不足,但是該系統(tǒng)簡潔,能量密度大,質(zhì)量輕,綜合性能好。
當(dāng)飛機(jī)處于上下旅客及等待時,由于飛機(jī)的渦輪噴氣發(fā)動機(jī)并沒有開動,需要開啟飛機(jī)自帶APU 帶動制冷系統(tǒng)。而在地面上增設(shè)飛機(jī)地面空調(diào),體積和質(zhì)量限制小,可以采用成熟高效的電力制冷方式,這樣就可以停開飛機(jī)自身的制冷設(shè)備,大大節(jié)省飛機(jī)燃料,提高經(jīng)濟(jì)效益,并可延長飛機(jī)自帶制冷系統(tǒng)的使用壽命,還可以保護(hù)機(jī)場空氣環(huán)境。
飛機(jī)地面空調(diào)通常采用蒸汽壓縮制冷循環(huán),其由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥等組成。循環(huán)制冷系統(tǒng)的增壓蒸汽先流過熱交換器,散出壓縮熱,然后流過蒸發(fā)器蒸發(fā)冷卻機(jī)艙和飛機(jī)設(shè)備冷卻用的低溫空氣,汽化后的蒸汽經(jīng)過壓縮機(jī)重新增壓,形成循環(huán)。蒸汽壓縮制冷系統(tǒng),其綜合能效比卻可達(dá)2.0~4.5,最高可達(dá)到5.0,這比空氣壓縮式制冷相比,能耗低,環(huán)境友好。飛機(jī)在地面的時間占整個航程的33%~50%,甚至更高,對于中短途航線來說意義更加重大?,F(xiàn)在,飛機(jī)地面空調(diào)迅速普及,成為飛機(jī)??繖C(jī)場時的主要制冷設(shè)備。
飛機(jī)地面空調(diào)是一臺以電能驅(qū)動,能夠自動提供一定流量、壓力、溫度和一定潔凈度的全新風(fēng)空氣處理器。機(jī)組采用吊裝式設(shè)計,吊裝于機(jī)場登機(jī)廊橋活動橋前部,能隨廊橋自由移動,具有制冷、制熱和換氣功能的空調(diào)設(shè)備。
據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)計算,僅以60t 的飛機(jī)地面專用空調(diào)機(jī)計算,每年可以節(jié)約航空燃油214t,折合標(biāo)準(zhǔn)煤314.9t(按航空煤油標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)1.471 4 計算),如果按年銷售300 臺計,每年可節(jié)約9.45×104t 標(biāo)準(zhǔn)煤。此外,每臺產(chǎn)品每年可減少飛機(jī)在地面時因燃燒航空燃油所產(chǎn)生的N2、NO、CO2、N2O、CO 等廢氣排放約1 200t,其社會效益和經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。因此,大力發(fā)展飛機(jī)地面專用空調(diào)機(jī),是構(gòu)建能源節(jié)約型社會的重大舉措。
飛機(jī)地面空調(diào)為空氣冷卻方式整體撬裝式,飛機(jī)地面空調(diào)的性能設(shè)計根據(jù)Q/SLJ 008—2009《飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組》的規(guī)定。
機(jī)組采用全封閉渦旋式制冷壓縮機(jī),具有效率高,噪聲低,振動小,可靠性高,壽命長等優(yōu)點;制冷系統(tǒng)采用雙系統(tǒng)或多系統(tǒng)組成,起動電流低,可以根據(jù)現(xiàn)場需求進(jìn)行能量調(diào)節(jié),自動調(diào)節(jié)機(jī)組輸出冷量,以此節(jié)省電能消耗。
風(fēng)冷蒸發(fā)器與冷凝器均為高效能內(nèi)螺紋銅管套鋁翅片,以此增強(qiáng)換熱器的換熱系數(shù)和換熱能力。兩器具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、換熱效率高的優(yōu)點。冷凝器采用波紋翅片,不容易積塵,保證換熱器的長期使用性能,并且維護(hù)方便。
機(jī)組選用高壓離心式送風(fēng)機(jī)及軸流冷凝風(fēng)機(jī),具有噪聲低、壓頭高、風(fēng)量大、效率高等優(yōu)點;軸流風(fēng)機(jī)電機(jī)的防護(hù)等級達(dá)到IP44 以上,可防塵、防濺水,運(yùn)行安全可靠。
機(jī)組電器控制系統(tǒng)采用PLC 電腦控制系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷的變化,自動地進(jìn)行加載或卸載調(diào)節(jié)機(jī)組制冷量的輸出,使冷量與實際冷熱負(fù)荷精確匹配,使壓縮機(jī)總是保持最高效率狀態(tài),高效節(jié)能;壓縮機(jī)設(shè)定開啟間隔時間,采用軟啟動措施,減少同時啟動對電氣系統(tǒng)的沖擊。
各級制冷系統(tǒng)采用蒸汽壓縮式制冷,采用高效節(jié)能內(nèi)螺紋管蒸發(fā)器與冷凝器,使機(jī)組在蒸發(fā)壓力高,冷凝壓力低的工況下制冷量大,高效節(jié)能,部分系列制冷系統(tǒng)能效比可達(dá)3.4。與空氣壓縮式制冷只有0.63 相比,達(dá)到同樣的制冷量只消耗不到12%的電能。
整體式鋼制空調(diào)箱具有密封性好,強(qiáng)度高,承壓高等特點,它的漏風(fēng)率可小于1%,最高承壓高達(dá)20kPa。它采用整體式鋼板焊接而成。為了對空調(diào)箱做絕熱處理,在空調(diào)箱的外表面貼2 層保溫海綿,使空調(diào)箱具有很好的保溫絕熱性能。根據(jù)本技術(shù)方案制作的箱體結(jié)構(gòu)的冷橋系數(shù)達(dá)到了歐洲空調(diào)箱體專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《BS EN 1886:2007 Ventilation for Buildings—Air Handling Units—Mechanical Performance》中TB2 級0.6<Kb≤0.75 的規(guī)定(Kb為防冷橋系數(shù));再加上使用剛度好、導(dǎo)熱系數(shù)小于0.0196W/(m·℃)的PE 及橡塑保溫材料,箱體的保溫性能、機(jī)械強(qiáng)度高,漏風(fēng)率小于1%。
換熱器的性能提升主要是翅片換熱強(qiáng)化。飛機(jī)地面空調(diào)的蒸發(fā)器和冷凝器為其核心部件,其換熱效果決定了壓縮制冷循環(huán)系統(tǒng)的冷量是否可以高效地輸出并運(yùn)送至機(jī)艙。因為空氣與制冷劑側(cè)的換熱系數(shù)相差為2 個數(shù)量級,因此,需要通過加強(qiáng)空氣側(cè)換熱能力的方式提升換熱量??諝鈧?cè)的換熱強(qiáng)化一般采用增加翅片的方式來增大空氣側(cè)換熱面積以強(qiáng)化換熱。通過這種方式來提升單位換熱管長度的換熱量,保證飛機(jī)地面空調(diào)的使用效果。
圖1 為具有代表性的4 種換熱器翅片拓展的方式,分別為平直形、開縫形、三角波紋形和正弦波紋形。通過計算和模擬飛機(jī)地面空調(diào)的工況(見表1)可知,平直形翅片拓展的方式核算出的換熱系數(shù)最高,是開縫形的3 倍,且高出三角波紋和正弦波紋1~2 個數(shù)量級,最利于飛機(jī)地面空調(diào)工況的需求[2]。
圖1 4 種換熱器的結(jié)構(gòu)形式
表1 飛機(jī)地面空調(diào)設(shè)備與飛機(jī)型號對應(yīng)表
飛機(jī)地面空調(diào)機(jī)組最后一級制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度一般在0℃以下,以保證較低的出風(fēng)溫度和較小的換熱器與機(jī)組占地面積,會不可避免地使得換熱器表面冰的形成。冰的導(dǎo)熱能力遠(yuǎn)低于金屬,會極大地影響換熱器的換熱效率。因此,在為空氣提供冷量的同時,也需要對凝結(jié)在換熱器表面的固態(tài)霜周期融化。合理的融霜方案是保證該機(jī)組能夠高效、節(jié)能、可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié),也是空調(diào)性能的重要保證。
空調(diào)的除霜方法有自然除霜法、淋水法、電熱融霜、熱氣旁通融霜和熱泵融霜等。其中,自然除霜法效率低,機(jī)組送風(fēng)溫度波動大。淋水融霜需要配備復(fù)雜的水路系統(tǒng),占地、安裝、使用和維護(hù)復(fù)雜,不方便。電加熱融霜需要額外的電加熱模塊,能耗高,且融霜時需要停機(jī)。熱泵融霜雖然高效、快速,但是機(jī)組設(shè)計時需要確保冷凝器與蒸發(fā)器可以交替使用和化霜,裝置規(guī)模增大。因此,較為現(xiàn)實的融霜方案為熱氣旁通融霜,通過改變進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑氣液比,調(diào)節(jié)蒸發(fā)溫度,以減少霜層的累加[3]。
機(jī)場APU 和飛機(jī)地面空調(diào)的使用費(fèi)用隨機(jī)型而改變。其中,APU 的合計費(fèi)用可以由消耗航油費(fèi)和APU 維護(hù)費(fèi)用組成。2 種方式的成本構(gòu)成和成本如表2 所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn),APU 的運(yùn)營費(fèi)用遠(yuǎn)高于飛機(jī)地面空調(diào)。表3 為某機(jī)場在一年內(nèi)的廊橋空調(diào)使用時間,可以此為基礎(chǔ)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析。
表2 APU 與飛機(jī)地面空調(diào)的運(yùn)營成本對比元/h
表3 某機(jī)場各機(jī)型機(jī)起降架次統(tǒng)計 架次
參考首都國際機(jī)場對于各類別機(jī)型的收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn),C 類機(jī)型國內(nèi)外航班的凈利潤分別為39 元/h 和459 元/h,D 類機(jī)型國內(nèi)外航班的凈利潤為-6 元/h 和414 元/h,E 類的機(jī)型國內(nèi)外航班的凈利潤分別為335 元/h 和723 元/h。相比APU 的成本價格,機(jī)場飛機(jī)地面空調(diào)的收費(fèi)較低,機(jī)場可以在賺取相應(yīng)利潤的同時,極大地降低航空公司在這方面的運(yùn)營成本。經(jīng)過核算通過以上標(biāo)準(zhǔn)收費(fèi),該機(jī)場在該年度的創(chuàng)收便可突破1 000 萬元[4]。