基于內冷除濕的航空地面空調保障裝備空調系統設計

龔永奇，鄧 建，張文一，王 輝

(空軍勤務學院航空四站系，江蘇 徐州 221000)

基于內冷除濕的航空地面空調保障裝備空調系統設計

龔永奇，鄧 建，張文一，王 輝

(空軍勤務學院航空四站系，江蘇 徐州 221000)

針對當前航空地面空調保障裝備除濕效率低、系統能耗大等問題，設計了一種新型航空地面空調保障裝備的空調系統——基于內冷除濕的空調系統，并將該系統與傳統的蒸氣壓縮式空調系統的性能進行了對比分析，結果表明：基于內冷除濕的空調系統具有更高的能效比，可更好地進行飛行保障。

航空地面空調保障裝備； 空調系統； 內冷除濕

航空地面空調保障裝備是在飛機發動機停機狀態下，在地面通電檢查和維修飛機電子設備時，給飛機電子設備艙提供干燥潔凈的冷風、熱風或通風，用來控制飛機電子設備工作環境條件的保障裝備[1]。航空地面空調保障裝備也在地面為飛機客艙、駕駛艙提供空調氣源。在我國北方干燥地區，航空地面空調保障裝備主要的負荷是對輸出風溫度進行調節；而在我國南方潮濕地區，航空地面空調保障裝備主要的負荷是對輸出風溫度和濕度進行調節[2]。

航空地面空調保障裝備主要是指航空地面空調車，當前航空地面空調車的空調系統應用較為廣泛的是蒸氣壓縮式制冷循環，其具有傳熱效率高、技術成熟和使用方便等優點。但是由于蒸氣壓縮式空調系統是過冷除濕，制冷機不得不降低蒸發溫度，因而制冷機的效率也隨之降低，在夏季潮濕地區往往會出現除濕達不到要求，以及向飛機設備艙通風時出現水滴等問題。針對以上問題，筆者設計一種基于內冷除濕的航空地面空調保障裝備空調系統，既可實現溫濕度獨立控制，又可利用冷凝熱實現吸附劑再生，能夠節約飛行保障時間和提高航空地面空調保障裝備的保障效率。

1 系統設計

內冷除濕系統是一種新型的除濕系統，是在熱泵系統上進行的改進，主要區別是用表面涂覆了固體吸附劑的除濕換熱器取代傳統的換熱器。其內冷除濕的本質是：附著在換熱器的吸附劑在吸收空氣中的水蒸氣時，產生的吸附熱被蒸發器內制冷劑帶走，降低了吸附劑的吸附溫度，提高了吸附劑的吸附量，實現了高性能除濕。

1.1 基本原理和系統組成

基于內冷除濕的空調系統是利用熱濕獨立控制的原理，由內冷除濕系統去除空氣中的濕度，同時利用冷凝器釋放的熱量來實現吸附劑的再生[3]，然后利用蒸氣壓縮系統實現對空氣溫度的調節，其基本原理如圖1所示。

圖1 基于內冷除濕的空調系統基本原理

該系統是由內冷除濕系統和蒸氣壓縮系統耦合而成，其中：內冷除濕系統主要由2個除濕換熱器、變頻熱泵空調(含壓縮機、壓縮機控制單元、四通換向閥)、節流元件、2個離心式風機、風閥、四通換向閥和S7-200型可編程控制器組成；蒸氣壓縮系統主要由2組蒸氣壓縮制冷循環組成。

1.2 吸附劑和制冷劑的選取

在選取吸附劑時，既要考慮除濕材料的吸附能力，也要考慮除濕材料的再生能力。一般而言，除濕材料的吸附量越大、再生溫度越低，除濕材料就越好。由于該系統選用的固體吸附劑是涂覆在換熱器上，需要考慮除濕材料的傳熱能力，因此選用硅膠+硅溶液+氯化鋰溶液+固化硫化石墨作為吸附劑[4-5]。同時，該系統選用對環境無污染的R134A作為制冷劑。

1.3 空氣處理過程

航空地面空調保障裝備為全新風系統，其冷凝除濕及內冷除濕過程的焓濕圖如圖2所示。

傳統的航空地面空調保障裝備冷凝除濕空氣處理過程：環境空氣狀態點A經過預冷處理，降溫減濕到達狀態點B，經過鼓風機中的增壓升溫過程到達狀態點C，然后再次被冷凝除濕至狀態點D，使該狀態下的空氣含濕量滿足送風指標要求(≤8 g/kg干空氣),最后根據送風溫度要求，等濕加熱至狀態點E。

圖2 航空地面空調保障裝備冷凝除濕與內冷除濕過程的焓濕圖

新型的航空地面空調保障裝備內冷除濕空氣處理過程：環境空氣狀態點A進入除濕換熱器后，先經過冷卻除濕到達狀態點F，然后經過降溫到達送風溫度狀態點E。

1.4 運行模式

航空地面空調保障裝備主要實現冷風、熱風和通風3種功能。飛機起飛前，根據機務的要求，給飛機電子設備艙和飛機駕駛艙提供溫度可控的干燥潔凈空調氣。

圖3為基于內冷除濕的空調系統運行模式。在冷風工況中，系統順時針運行時，如圖3(a)所示，戶外空氣通過低溫的蒸發器側，空氣中水蒸氣被蒸發器表面的吸附劑吸附，同時制冷劑蒸發吸熱，帶走除濕過程中產生的吸附熱，高溫、潮濕的空氣被處理成為干燥風，然后經過蒸氣壓縮式空調系統的蒸發器降低溫度，以達到符合規定的送風溫度；另一側的戶外空氣通過高溫冷凝器釋放的冷凝熱解析飽和的吸附劑，使上一循環中吸附的水分排放到大氣中。然后經過設定的循環切換時間，通過切換制冷劑側的四通換向閥和離心風機風向，使該系統逆時針運行，如圖3(b)所示，此時2個除濕換熱器的角色發生互換，完成一個完整的循環周期。按照這種方式往復運動，從而向飛機設備艙內不斷提供干冷的新風[6]。

在熱風工況中，空氣的除濕過程與供冷風工況一樣，在溫度控制過程中，利用蒸氣壓縮式空調系統進行加熱，達到設定的通風溫度。

圖3 基于內冷除濕的空調系統運行模式

1.5 運行控制方式

基于內冷除濕的空調系統在不同運行模式下閥門的控制情況如表1所示。

表1 不同運行模式下閥門的控制情況

筆者設定四通換向閥和風道的切換時間，通過改變制冷劑的流向，使蒸發器與冷凝器循環切換，附著在蒸發器上的吸附劑對送風空氣中的水蒸氣進行吸附，附著在冷凝器上的飽和吸附劑進行再生，從而循環實現吸附劑的吸附和再生。

送風空氣中溫、濕度的控制以西門子公司的S7-200型可編程控制器為核心，利用其EM231模擬量輸入模塊和PID控制模塊實現溫、濕度的數據采集和運行控制，使空調系統輸出符合要求的飛機空調氣[7-8]。

2 系統性能分析

通過設定航空地面空調保障裝備的風量，機場環境含濕量dn與飛機需要的空調氣源含濕量ds存在如下關系：

ω=G(dn-ds)。

(1)

式中：ω為空調系統需要的除濕量；G為新風量。

航空地面空調保障裝備送風溫度ts的范圍為10～50 ℃，含濕量ds≤8 g/kg，其承擔的潛熱負荷為

QH=ω(2 500-2.35ts)，

(2)

其顯熱負荷為

QHS=cρG(tn-ts)，

(3)

式中：cρ為空氣比定壓熱容；tn為戶外空氣溫度。

由于航空地面空調保障裝備利用風管輸送風，風管中有阻力，當飛機空調氣在風管內流動時，由于管內的摩擦阻力和局部阻力產生壓降，通過風管的壓降ΔP1與流量G的平方成正比，即

ΔP1=SflowG2/ρa2，

(4)

(5)

式中：Sflow為管路阻抗；ρa為空氣密度；ξ為局部阻力系數；l為管路長度；d為管路直徑；g為重力加速度；λ為管路摩擦阻力系數，采用莫迪公式計算，即

(6)

其中，Δ為管路的絕對粗糙度；Re為管內空氣的雷諾數。

離心風機的耗電功率為

WF=(ΔP+ΔP1)G/(ηFρa)，

(7)

式中：ΔP為換熱器前后的壓差；ηF為風機機械效率。

空調系統的性能系數(Coefficient Of Perfor-mance，COP)C表示空調系統運行的能效比，其值越大，空調系統的能效比越大，其計算公式為

C=(QH+QHS)/(WS+WF)，

(8)

式中：WS為航空地面空調保障裝備壓縮機耗電功率。

筆者設計的除濕換熱器的除濕面積為8 m2，該系統除濕劑循環除濕量能夠達到0.15 kg/kg，平均除濕量為12 g/kg。在夏季機場溫度35 ℃、相對濕度60%的工況下，航空地面空調保障裝備送風狀態按經驗設定為20 ℃，8 g/kg干空氣，風機效率為0.75，空氣密度為1.29 kg/m3，內冷除濕與冷凝除濕的系統能耗對比如表2所示。

表2 內冷除濕與冷凝除濕的系統能耗對比

從表2可以看出：內冷除濕系統與冷凝除濕系統的顯熱負荷差別不大，而內冷除濕系統的潛熱負荷遠小于冷凝除濕系統，因此內冷除濕系統比冷凝除濕系統的除濕效率更高，這是由空調系統不同的蒸發側溫度造成的。

圖4為不同蒸發側溫度Te下空調系統的理想COP，可以看出：空調系統的理想COP隨冷凝側溫度的增加而減小，隨蒸發側溫度的增加而增大?；趦壤涑凉竦暮娇盏孛婵照{保障裝備是高蒸發溫度除濕，一般為15～16 ℃;而傳統的蒸氣壓縮式航空地面空調保障裝備是冷凝除濕，其蒸發器溫度是露點溫度，一般為5～6 ℃。由于蒸發側溫度為15～16 ℃的空調系統COP遠大于蒸發側溫度為5～6 ℃的COP，因此基于內冷除濕的航空地面空調保障裝備空調系統的能效比遠大于傳統的蒸氣壓縮式航空地面空調保障裝備空調系統。

圖4 不同蒸發側溫度Te下空調系統的理想COP

3 結論

針對傳統的蒸氣壓縮式航空地面空調保障裝備空調系統的弊端，筆者設計了一種基于內冷除濕的航空地面空調保障裝備空調系統，其具有如下特點：

1)實現了溫、濕度控制，系統除濕效率高。傳統的蒸氣壓縮式制冷循環是冷凝除濕，其除濕效率低，而基于內冷除濕的航空地面空調保障裝備空調系統利用熱濕獨立控制原理，循環利用換熱器表面的固體吸附劑除濕，不僅可實現溫、濕度分開控制，而且也提高了除濕效率。

2)提高了蒸發器溫度和系統的能效比?；趦壤涑凉竦暮娇盏孛婵照{保障裝備空調系統由于制冷劑在低溫環境吸收外來空氣的水蒸氣，可實現內冷固體除濕過程，使蒸發側的溫度提高5～10 ℃，同時也有效降低了吸附劑再生溫度，從而降低了冷凝側溫度，顯著地提高了系統的能效比。

3)通過除濕蒸發器和冷凝器的切換，以及處理空氣風道的切換，循環的冷凝廢熱可為除濕再生提供穩定的熱源，實現了廢熱利用，同時該系統采用環境友好型制冷劑，不會對環境造成污染。

[1] 朱日春.國外航空地面空調保障裝備現狀和發展趨勢[J].四川兵工學報,2012,33(10):66-69.

[2] 馬宏權,龍惟定.高濕地區溫濕度獨立控制系統應用分析[J].暖通空調,2009,39(2):64-69.

[3] 涂耀東,江宇,葛天舒,等.新型固體除濕空調能耗影響因素分析[J].化工學報,2014,65(S2):223-227.

[4] 鄭旭,王如竹,王麗偉,等.復合除濕劑導熱系數及動態除濕性能研究[J].工程熱物理報,2014,35(10):2010-2014.

[5] ZHENG X,GE T S,WANG R Z.Recent progress on desiccant materials for aolid desiccant cooling systems[J].Energy,2014,74(27):280-294.

[6] ZHANG T,LIU X H,JIANG Y.Development of temperature and humidity independent control (THIC) air-conditioning system in China：a review[J].Renewable and sustainable energy reviews,2014,29(17):793-803.

[7] 黃溢.一種新型熱濕獨立控制系統實驗及模擬研究[D].上海：上海交通大學,2014.

[8] 江宇,黃溢.新型熱濕獨立控制空調系統的實驗研究[J].化工學報,2014,65(S2):188-194.

(責任編輯: 尚彩娟)

Design of Air Conditioning System of Aircraft Air Conditioning Support Equipment Based on Inner-cooling Dehumidification

GONG Yong-qi,DENG Jian,ZHANG Wen-yi,WANG Hui

(Department of Aviation Four Stations,Air Force Logistics College,Xuzhou 221000,China)

Aiming at low dehumidification efficiency and high system energy consumption of aircraft air conditioning support equipment,the authors design a new air conditioning system of aircraft air conditioning support equipment named inner-cooling dehumidification air conditioning system.Compared with the traditional vapor compression air conditioning system,the flight process can be better supported by this system,and this system has higher energy efficiency ratio.

aircraft air conditioning support equipment; air conditioning system; inner-cooling dehumidification

1672-1497(2017)01-0074-04

2016-11-12

龔永奇(1992-)，男，碩士研究生。

V351.3; TU831.7

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.016