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本文針對(duì)氣候?qū)嶒?yàn)室飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，室外超大流量高濕度空氣經(jīng)過(guò)低溫?fù)Q熱器出現(xiàn)的換熱器表面積大量結(jié)霜現(xiàn)象進(jìn)行研究，提出了一種能夠有效抑制換熱器結(jié)霜的換熱器組布置方案，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車試驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行，不因換熱器大量結(jié)冰引起的換熱效率快速降低而導(dǎo)致試驗(yàn)中止。

 

上期介紹了結(jié)霜厚度對(duì)換熱效率的影響和換熱器設(shè)計(jì)的原理及設(shè)計(jì)思路（http://www.bowken.cn/news/1921173.html），本期我們重點(diǎn)介紹換熱器的組成及具體參數(shù)確定。

 

2.氣候?qū)嶒?yàn)室發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車試驗(yàn)空氣補(bǔ)償系統(tǒng)之換熱器設(shè)計(jì)

 

2.2  換熱器組設(shè)計(jì)

 

2.2.1冷空氣補(bǔ)償技術(shù)要求

 

 空氣補(bǔ)償系統(tǒng)用于密閉的環(huán)境室內(nèi)，發(fā)動(dòng)機(jī)瞬態(tài)或穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)提供所需的滿足試驗(yàn)溫度的冷空氣，以維持環(huán)境室內(nèi)外的設(shè)計(jì)壓差并保證環(huán)境室內(nèi)恒定的溫度，從而保證發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車試驗(yàn)的持續(xù)性、有效性與安全性。要求：

 

a)   空氣補(bǔ)償量：總風(fēng)量最大400kg/s，每條風(fēng)道最大80kg/s；

 

b)   補(bǔ)償空氣溫度范圍：-55℃～0℃；

 

c)   壓降：≤2000Pa；

 

d)   空氣補(bǔ)償持續(xù)時(shí)間：8 h 3次，每次持續(xù)20 min。

 

2.2.2  換熱器換熱面積確定

 

由于室外空氣中不可避免地存在水分，蒸發(fā)溫度低于0℃時(shí)，換熱器管路和翅片上將十分容易結(jié)霜。一般熱泵機(jī)組換熱器表面霜層生長(zhǎng)可分為初始階段、減速生長(zhǎng)段及加速生長(zhǎng)段三個(gè)階段，三個(gè)階段的霜層形態(tài)并不相同。結(jié)霜初期先是形成霜粒，管壁表面粗糙度增大,使傳熱面積增大,氣流擾動(dòng)增強(qiáng)，傳熱系數(shù)呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)。隨著霜層逐漸增厚,熱阻隨之增大,傳熱系數(shù)開(kāi)始逐漸減小，導(dǎo)致?lián)Q熱效率快速降低。當(dāng)霜層厚度達(dá)到一定程度時(shí)，將帶來(lái)一系列的問(wèn)題。

 

據(jù)研究測(cè)量結(jié)果顯示，在一定的霜層范圍內(nèi)，霜層厚度每增加１ｍｍ可能導(dǎo)致蒸發(fā)溫度下降0.5℃(見(jiàn)圖4），而蒸發(fā)溫度的降低會(huì)使CＯP迅速下降。表明當(dāng)霜層厚度超過(guò)1mm時(shí)，換熱器的換熱效率急劇下降，故各級(jí)換熱器的結(jié)霜厚度在試驗(yàn)期間應(yīng)控制在1mm以內(nèi)。

圖4 蒸發(fā)溫度隨霜層厚度的變化情況

 

設(shè)定發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)試驗(yàn)空氣補(bǔ)償每個(gè)風(fēng)道最大補(bǔ)氣量M空氣=80㎏/s，最低處理空氣溫度為-55℃，外界空氣分別經(jīng)過(guò)四級(jí)換熱器逐級(jí)降溫，降溫處理后的空氣均為飽和空氣。

 

經(jīng)過(guò)一級(jí)換熱器將空氣溫度處理至+6℃，相對(duì)濕度為φ1=100%，根據(jù)空氣焓濕圖查得此時(shí)空氣的含濕量d1=5.87g/㎏。二級(jí)換熱器為結(jié)霜盤(pán)管，處理+6℃空氣到-10℃。-10℃空氣相對(duì)濕度φ2=100%，含濕量d2=1.62g/㎏。按發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車試驗(yàn)空氣補(bǔ)償單元最長(zhǎng)補(bǔ)氣時(shí)間t=20min計(jì)算,經(jīng)二級(jí)換熱器空氣中結(jié)霜水的質(zhì)量為:

 

M=M空氣 × t × (d1-d2)

 

M=408㎏

 

根據(jù)換熱器結(jié)霜厚度對(duì)換熱器換熱效率影響關(guān)系，當(dāng)結(jié)霜厚度超過(guò)1mm時(shí)，換熱器的換熱效率將急劇下降，最高可達(dá)25%。假設(shè)二級(jí)換熱器結(jié)霜盤(pán)管在20min補(bǔ)氣中表面結(jié)霜厚度均勻分布于盤(pán)管表面。由于換熱器結(jié)冰過(guò)程迎風(fēng)面的霜層厚度遠(yuǎn)大于被風(fēng)面（見(jiàn)圖6），故結(jié)冰厚度取δ≤0.5mm（留有50%的結(jié)霜厚度余量），可得出所需設(shè)計(jì)盤(pán)管的換熱總表面面積A，該溫度下霜的密度ρ=110㎏/m³，可得：

 

A=M / (δ×ρ)

 

A=7418 ㎡

 

2.2.3 中、低溫?fù)Q熱器結(jié)冰厚度校核

 

按照二級(jí)換熱器的換熱面積對(duì)中、低溫?fù)Q熱器的結(jié)冰厚度進(jìn)行校核。

 

三級(jí)（中溫）換熱器處理-10.3℃空氣到-25.8℃，-10.3℃空氣相對(duì)濕度φ=100%，含濕量d=1.62g/㎏，-25.8℃空氣相對(duì)濕度φ=100%，含濕量d=0.394g/㎏，得出結(jié)冰厚度d=0.125mm；

 

四級(jí)（低溫）換熱器處理-25.8℃空氣到-55.1℃，-55.1℃空氣相對(duì)濕度φ=100%，含濕量d=0.015g/㎏，計(jì)算可得：

 

四級(jí)換熱器的結(jié)冰厚度d=0.048mm。

 

由此看出，中、低溫?fù)Q熱器結(jié)霜（冰）厚度遠(yuǎn)小于0.5mm，不會(huì)影響換熱效率。

 

2.2.4  換熱器結(jié)霜試驗(yàn)

 

針對(duì)換熱器結(jié)霜形式、結(jié)霜時(shí)間、融霜方法搭建試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由試驗(yàn)箱、風(fēng)機(jī)、變頻器、加濕器、進(jìn)風(fēng)口均流網(wǎng)、空氣流量計(jì)、溫濕度傳感器、壓差變送器、流量計(jì)、數(shù)據(jù)采用系統(tǒng)等部件組成，詳見(jiàn)圖5。

圖5 換熱器結(jié)冰融霜試驗(yàn)平臺(tái)

 

換熱器布置在實(shí)驗(yàn)箱體內(nèi)，材質(zhì)為銅管鋁翅片，銅管外直徑16.6mm，翅片厚度0.3mm。共有三組，每組10排，尺寸是：24mm/3排 +12mm/3排+8mm/4排，迎風(fēng)面尺寸為1200mm×800mm。

 

試驗(yàn)過(guò)程：制冷系統(tǒng)及載冷載熱系統(tǒng)開(kāi)始工作，在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)空氣溫度達(dá)到-5℃時(shí)，開(kāi)始朝換熱器噴蒸汽進(jìn)行結(jié)冰，30min后，換熱器兩側(cè)壓差達(dá)到了300Pa，關(guān)閉風(fēng)機(jī)。稍后開(kāi)啟艙門(mén)，查看結(jié)冰狀態(tài)。見(jiàn)圖6。

a)迎風(fēng)面結(jié)霜狀態(tài)

b)背風(fēng)面結(jié)霜狀態(tài)

圖6  換熱器結(jié)霜狀態(tài)

試驗(yàn)結(jié)果：如圖6所示，第一排翅片已結(jié)滿了霜，第二排翅片結(jié)了很少量的霜，第三排翅片未見(jiàn)結(jié)霜。換熱器的迎風(fēng)面結(jié)霜明顯，霜質(zhì)松軟均勻，利用游標(biāo)卡尺測(cè)得迎風(fēng)面霜層厚度約0.9mm；背風(fēng)面也出現(xiàn)結(jié)霜現(xiàn)象，但是霜層厚度較薄。

 

由此得出變片距結(jié)霜換熱器能夠有效對(duì)來(lái)流空氣預(yù)除濕，提前結(jié)霜，從而降低后續(xù)主換熱器的結(jié)冰風(fēng)險(xiǎn)，保證換熱性能。

 

2.2.5 換熱器組設(shè)計(jì)

 

依據(jù)上述計(jì)算得到的空氣補(bǔ)償換熱器所需換熱面積，綜合考慮換熱器的工作環(huán)境和風(fēng)道內(nèi)

 

的安裝維護(hù)需求，對(duì)換熱器組各級(jí)換熱器參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。每級(jí)換熱器由4個(gè)相同的三層翅片管組成，材質(zhì)為鋼管鋁翅片，翅片厚度0.285mm；肋管材料為304鋼，外徑15mm。詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)試驗(yàn)空氣補(bǔ)償單元換熱器參數(shù)

結(jié)論

 

通過(guò)分析計(jì)算，設(shè)計(jì)了一種能夠有效抑制換熱器結(jié)霜的間接式制冷換熱器，可保證氣候?qū)嶒?yàn)室內(nèi)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)試驗(yàn)全過(guò)程始終維持高效換熱。該方案解決了試驗(yàn)時(shí)，由于室外大量的高濕度空氣經(jīng)過(guò)低溫?fù)Q熱器而導(dǎo)致?lián)Q熱器表面積大量結(jié)霜，可能出現(xiàn)的試驗(yàn)中止現(xiàn)象，從而可以滿足試驗(yàn)過(guò)程的連續(xù)性要求，為氣候?qū)嶒?yàn)室建設(shè)大冷量空氣補(bǔ)償系統(tǒng)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。