Главная Обратная связь

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Вопрос № 1. Назначение, принципиальная схема и работа системы кондиционирования



Содержание группового занятия

 

Введение

 

Физические условия среды, в которой выполняется высотный полет современного маневренного самолета, не соответствуют физиологическим требованиям организма человека. Для создания на борту самолета необходимых для жизнедеятельности человека условий применяются специальные технические средства: герметические кабины (ГК), бортовые системы кондиционирования воздуха (СКВ) и индивидуальные системы обеспечения жизнедеятельности (ИСОЖ). Последние используются в качестве аварийных средств обеспечения жизнедеятельности человека в случае разгерметизации кабины, отказа СКВ, аварийного покидания самолета и, кроме того, на маневренных самолетах ИСОЖ работают не только в аварийных режимах, но и в штатном режиме полета, обеспечивая необходимые для жизнедеятельности летчика условия совместно с бортовыми системами жизнеобеспечения.

 

Вопрос № 1. Назначение, принципиальная схема и работа системы кондиционирования

 

СКВ предназначены для создания нормальных условий, необходимых для жизнедеятельности человека, а также для надежной работы оборудования при полете самолета в атмосфере.

Понятие "нормальные условия" для кабин и отсеков самолетов и вертолетов включает в себя значительное число параметров, основными из которых являются газовый состав (содержание кислорода, углекислого газа и паров воды в воздухе), давление и температура в ГК или отсеке.

Кроме обеспечения основных параметров необходимо поддерживать в определенных пределах температуру поверхности стенок, скорость изменения давления, характер циркуляции и скорость движения воздуха в кабине, уровень шума и др. Немаловажное значение имеет также очистка воздуха от аэрозольного, химического и других засорений, дезодорация, ионизация кабинного воздуха и т. д.

Поддержание всех параметров на заданном уровне можно обеспечить в ГК подачей воздуха или его компонентов с требуемым расходом и определенной температурой.

Для пассажирских самолетов парциальное давление кислорода обеспечивается поддержанием давления в кабине, соответствующего высоте h = 2400 м (Р > 75 кПа).



В ГК самолетов, на которых применяется специальное снаряжение, допустимая "высота в кабине" может достигать 7000...8000 м (Р ≥ 41...35,5 кПа) и ограничена из-за возможности появления "высотных болей" — аэроэмболизма.

Согласно ЕНЛГС на всех этапах полета должно обеспечиваться поддержание в кабинах самолетов установившейся температуры воздуха в пределах 17...25°С, а возможное снижение влажности воздуха не должно оказывать вредного воздействия на экипаж.

В соответствии со спецификой решаемых задач в СКВ выделяются две сравнительно обособленные подсистемы. Одна из них осуществляет регулирование давления воздуха в кабине, в другой производится тепловая и влажностная обработка, а также очистка подаваемого для вентиляции и терморегулирования кабины воздуха. Для большинства современных самолетов наддув кабины, т. е. создание в ней требуемого избыточного давления, осуществляется тем же воздухом, который подается на вентиляцию.

Тепловое состояние оборудования или людей, находящихся на борту ЛА, определяется одновременным воздействием нескольких факторов в соответствии с имеющими место формами теплообмена с окружающей средой: конвекцией, излучением, теплопроводностью и массообменом. Этими факторами в общем случае являются: температура воздуха, его подвижность, определяемая местными скоростями перемещения, его относительная влажность, а также температура поверхностей окружающих предметов. Естественно, что полная характеристика теплового режима вентилируемых кабин и отсеков должна включать в себя всю совокупность перечисленных показателей.



Обычно задачу упрощают, принимая во внимание существующие особенности и требования к СКВ. В частности, согласно действующим ЕНЛГС для самолетов гражданской авиации оптимальная относительная влажность воздуха в кабинах экипажа ограничена пределами от 40 до 60%, скорость движения воздуха не должна быть больше 0,4 м/с, температура внутренней поверхности стенок кабины не должна отличаться от температуры воздуха более чем на 3...5°С, перепад температур воздуха по длине, ширине и высоте кабины не должен превосходить 2...3°С. Из приведенных данных видно, что некоторые факторы, определяющие тепловой режим, могут рассматриваться как неизменные, а остальные связаны с температурой воздуха, заключенного в кабине. Кроме того, температура воздуха в большинстве случаев является основным, если не единственным, активно регулируемым с помощью СКВ параметром. Поэтому анализ всех тепловых воздействий, как правило, сосредотачивают только на воздухе кабины (отсека).

Естественным является стремление осуществлять кондиционирование с минимальными затратами энергии. Как показывают расчеты, из всех слагаемых уравнения наиболее существенным для потребной мощности СКВ является тепловой поток, поступающий или уходящий через стенки (при отсутствии теплоизоляции). Поэтому с целью уменьшения нагрузки на СКВ производится тепловая защита стенок кабин.

Снижение теплового потока через стенку при заданных условиях на ее границах может быть достигнуто двумя принципиально отличающимися способами.

Наиболее простой способ — теплоизоляция стенок с помощью слоя материала, имеющего низкий коэффициент теплопроводности. Такой способ получил название пассивной теплозащиты.

Второй способ — активная теплозащита — заключается в том, что идущий через стенку тепловой поток частично передается какому-либо теплоносителю и вместе с ним уносится за пределы защищаемого объекта. Примерами активной тепловой защиты могут служить заградительное охлаждение, использование уносимых теплозащитных покрытий и т. п. В самолетостроении в качестве одного из видов активной теплозащиты используются так называемые обратные панельные системы.

Отличительным признаком панельных систем является наличие проточных воздушных каналов в стенках кабины. Существуют различные конструктивные варианты панельных систем. Среди них, в частности, можно выделить две группы, отличающиеся друг от друга способом подвода воздуха в кабину (рис.1).

 

 

Рис. 1. Способы подвода воздуха в ГК: а - прямая панельная система; б – обратная панельная система; 1 – обшивка; 2- внешняя теплозвукоизоляция; 3 – воздушный канал; 4 – внутренняя теплозвукоизоляция.

 

В одном варианте воздух от распределительных коробов СКВ подается вначале в каналы панелей, а пройдя их, поступает в кабину (см. рис.1,а). В другом варианте воздух из распределительных коробов подается непосредственно в кабину, а выпускается через панели (см. рис.1,б). Первую схему называют прямой панельной системой, вторую — обратной панельной системой.

Незначительные на первый взгляд отличия между прямой и обратной панельными системами приводят к коренному изменению выполняемой ими роли: в итоге функция активной тепловой защиты оказывается присущей только обратным панельным системам. Действительно, в этом случае воздух, выходящий из кабины, протекает по каналам панелей, "перехватывает " часть теплового потока и сбрасывается через выпускные клапаны в атмосферу.

В прямых панельных системах все "перехваченное" тепло вместе с воздухом поступает в кабину. Вследствие этого по теплозащитным свойствам такие системы имеют даже худшие характеристики, чем тот слой теплоизоляции, который отделяет воздушный канал от наружной обшивки. Указанное ухудшение связано с увеличением коэффициента теплоотдачи от внутренней поверхности теплоизоляции, вызванным большими скоростями протекания воздуха по каналу по сравнению со скоростью, обуславливаемой естественной конвекцией. Данная особенность прямых панельных систем не случайна и не должна рассматриваться как явный недостаток, поскольку она отражает лишь специфичность назначения систем подобного типа.

Используемый в них способ подвода воздуха обеспечивает более высокую температуру стенки по сравнению с температурой воздуха кабин на режиме обогрева либо более низкую — на режиме охлаждения. Такое соотношение между температурой стенок и воздуха субъективно воспринимается как благоприятное и увеличивает комфортность условий в кабине. Вполне естественно, что для этого требуются большие затраты энергии.

Допустимые значения расхода воздуха через кабину ограничиваются существующими нормами на вентиляцию или необходимостью выполнения условия компенсации утечек, и с другой стороны допустимыми максимальными скоростями перемещения воздуха по кабине. Следует заметить, что с целью уменьшения энергетических и массовых затрат на кондиционирование расход воздуха желательно устанавливать по возможности меньшим.

Максимально допустимая температура подаваемого воздуха определяется теплостойкостью материалов кабины и системы, а также физиолого-гигиеническими нормами. Обычно она не превышает 80 °С. Минимальная температура выбирается такой, чтобы предотвратить образование на выходе из системы инея или тумана в результате конденсации или вымораживания влаги, содержащейся в воздухе, когда температура его становится ниже точки росы. С учетом указанных соображений минимальная температура назначается либо не ниже +3...+5°С, либо в системе предусматривается эффективная предварительная осушка воздуха.

Потребный расход от СКВ на режиме охлаждения, как правило, больше, чем на режиме обогрева.

Обогрев воздухом, отбираемым от компрессоров воздушно-реактивных двигателей (ВРД). В случае применения в силовых установках ЛА ВРД (ТРД, ТВД и др.) решение задачи обогрева кабин не представляет сложности, так как при существующих степенях сжатия в компрессорах температура воздуха в них оказывается вполне приемлемой для целей обогрева. Практически обогрев герметических кабин всех современных пассажирских и скоростных маневренных самолетов осуществляется горячим воздухом, отбираемым от компрессоров ВРД.

Использование тепла выхлопных газов двигателей силовой установки, в тех случаях, когда в силовых установках применяются поршневые двигатели, можно использовать для обогрева кабин тепло выхлопных газов двигателей (например, на самолете Ил-14). Для этого требуется установить на выхлопных трубопроводах специальные теплообменники (ТО).

Применение специальных бензиновых или керосиновых обогревателей. При определенных обстоятельствах это оказывается целесообразным по условиям компоновки или другим мотивам. Данные обогреватели содержат специальные камеры сгорания и теплообменные устройства, в которых производится подогрев воздуха, идущего на вентиляцию кабины; например вертолета Ми-8.

Бензиновые и керосиновые обогреватели имеют сравнительно небольшую установочную массу и обладают достаточно высокой экономичностью в потреблении топлива.

Электрообогрев является очень удобным методом получения тепла. Электрообогреватели отличаются простотой конструкции и легкостью осуществления дистанционного управления и автоматизации работы. Однако, как правило, располагаемой мощности бортовых источников электроэнергии не хватает для обогрева всей кабины в целом. Поэтому известны лишь единичные случаи электрообогрева полного пространства кабины, а чаще всего электрообогреватели используются для решения локальных задач.

Температура объекта (кабины, оборудования и т. п.) выше температуры окружающей среды. При данных условиях сущность задачи охлаждения сводится только к интенсификации процессов теплопередачи от объекта к среде, поскольку естественное направление теплового потока — из пространства с высокой температурой в сторону низкой — совпадает с требующимся. Возможные затраты энергии и массы, а также применение вспомогательных устройств связаны только с решением задачи интенсификации теплообмена.

Температура, которую требуется поддерживать в охлаждаемом объекте, ниже температуры окружающей среды (точнее среды, в которую предстоит передать тепло от объекта охлаждения). Отличие от предыдущего случая заключается в том, что при охлаждении необходимо передавать тепло с менее высокого на более высокий энергетический (температурный) уровень, т. е. в направлении, противоположном естественному.

Авиационные системы охлаждения отличаются достаточным разнообразием схем и использованием агрегатов самых различных типов. Поэтому возможна классификация систем охлаждения по различным признакам.

Системы охлаждения с воздушным циклом отличаются тем, что в качестве рабочего тела в них используется воздух, идущий для наддува и вентиляции кабин. Вид и последовательность процессов обработки воздуха в системе охлаждения принципиально те же, что и в холодильном цикле Карно: сжатие — передача тепла в окружающую среду — расширение — поглощение тепла в охлаждаемом объекте. Основной особенностью рассматриваемой системы является то, что благодаря использованию "вентиляционного воздуха" цикл удается "разомкнуть" и исключить из числа необходимых агрегатов один ТО, поскольку рабочее тело поглощает тепло непосредственно внутри объема кабины и затем выбрасывается в атмосферу.

Схема системы и диаграмма реализуемого в ней цикла показаны на рис.2.

 

Рис. 2. Схема системы охлаждения воздушного цикла с ТХ (а) и диаграмма цикла (б): В – вентилятор; Т – турбина.

 

На схеме представлены агрегаты, наиболее часто используемые в авиационных системах с воздушным циклом охлаждения: источник сжатого воздуха — компрессор (К) ВРД, воздухо-воздушный теплообменник (ВВТ) и турбохолодильник (ТХ).

Как видно из рис. 2.,, диаграмма воздушного цикла охлаждения существенно отличается по форме от идеального цикла Карно в силу того, что реальные процессы теплообмена в ВВТ и в кабине происходят не по изотерме, а по изобаре. Действительно, если пренебречь гидравлическими потерями, то давление воздуха в каналах ТО и внутри кабины можно считать постоянным. Кроме того, в реальных условиях теплообмен возможен лишь при наличии конечной разности температур. Сравнение диаграммы воздушного цикла охлаждения с диаграммой цикла Карно, теоретически необходимого для получения той же холодопроизводительности, показывает, что по энергетическим затратам воздушный цикл заметно уступает циклу Карно. Кроме того, следует иметь в виду, что в реальных системах энергетическая эффективность еще более понижается в результате различных потерь, в частности, особенно сильно, если энергия, отводимая от турбины ТХ, в дальнейшем не используется полностью.

Несмотря на указанный недостаток, системы охлаждения воздушного цикла находят очень широкое применение в современной авиационной технике. Практически все современные самолеты оборудованы такими системами. Причиной тому служит их простота, малая масса, нечувствительность к небольшим утечкам рабочего тела, вполне приемлемая надежность и низкая стоимость эксплуатации, а также возможность отбора от компрессоров двигателей требуемого количества воздуха с достаточным для работы системы давлением.

Возможны различные разновидности систем охлаждения воздушного цикла (перечисленные, например, в книге). Рассмотрим еще лишь один пример такой системы, в которой нагрузкой турбины Т служит компрессор К, используемый для дополнительного сжатия воздуха перед турбиной (рис.3).

 

 

Рис. 3. Схема системы охлаждения воздушного цикла с турбокомпрессором (а) и диаграммами цикла (б).

 

Применение дополнительного компрессора позволяет при прочих равных условиях понизить требуемую степень сжатия воздуха в компрессоре двигателя и, следовательно, уменьшить затраты, связанные с отбором воздуха высокого давления. Заметим, что применение двухступенчатого сжатия и охлаждения, как это видно из диаграммы, уменьшает теоретически требуемую работу цикла в связи с уменьшением степени перегрева воздуха после каждого сжатия. Однако это одновременно приводит к необходимости некоторого увеличения суммарной массы ТО.

Системы с компрессионно-испарительным циклом охлаждения. Эти системы базируются на использовании в качестве рабочих тел таких веществ, которые в ходе цикла претерпевают фазовые превращения: переходят из жидкого состояния в парообразное и обратно.

Известно, что в процессе фазового перехода температура вещества сохраняется постоянной и при этом поглощается или выделяется определенное количество тепла. Указанное обстоятельство соответствует на диаграмме состояния вещества совпадению изобар с изотермами в зоне влажного пара, что является очень важным, так как свойство веществ сохранять постоянство температуры во время испарения и конденсации позволяет осуществить холодильный цикл, близкий по характеру к идеальному.

Действительно, реально возможными являются следующие процессы.

Рабочее тело в жидком состоянии с небольшим содержанием в нем паровой фазы (рис. 4., б, точка 1) подается в испаритель при температуре чуть ниже температуры объекта и, испаряясь, поглощает тепло. На диаграмме это соответствует переходу в точку 2.

Образовавшийся пар засасывается в компрессор (КО) и сжимается, температура его повышается до значения, несколько превосходящего температуру окружающей среды (точка 3), Вследствие потерь при сжатии энтропия рабочего тела в точке 3 может стать больше, чем в точке 2.

Сжатый пар поступает в конденсатор, где он передает тепло в окружающую среду и конденсируется, переходя в жидкое состояние.

 

Рис. 4. Схема системы охлаждения с компрессионно-испарительным холодильником (а) и диаграмма цикла (б): ИСП – испаритель; КОНД – конденсатор; КО – компрессор основной; РВ – расширительный вентиль; М – привод основного компрессора.

 

Жидкость-конденсат направляется через расширительное устройство снова в испаритель, после чего все процессы повторяются. Расширительное устройство для жидкости может представлять собой простой дроссель, так как ввиду несжимаемости жидкости энергия ее расширения невелика и потери от замены активного расширения дросселированием незначительны. Наличие потерь при расширении проявляется в возрастании энтропии рабочего тела в точке 1 по сравнению с точкой 4.

На рис. 4.,б видно, что диаграмма рассмотренного цикла достаточна близка к диаграмме теоретически необходимого цикла Карно.

Это определяет относительно высокую эффективность компрессионно-испарительных систем охлаждения, и КПД достигает у них примерно 80 %.

Возможный вариант схемы авиационной компрессионно - испарительной системы охлаждения показан на рис. 4., а. В собственно компрессионно-испарительную систему входят четыре агрегата: испаритель, компрессор, конденсатор и расширительный (регулирующий) вентиль. Представленный на схеме воздушный компрессор обеспечивает только наддув и вентиляцию кабины, а ВВТ — предварительное охлаждение сжатого воздуха. Естественно, что степень сжатия воздушного компрессора и размеры ВВТ могут быть в данном случае намного меньше, чем в системах с воздушным циклом охлаждения. Привод основного компрессора системы может быть осуществлен от любого вспомогательного источника энергии, например с помощью электродвигателя.

В качестве рабочих тел в компрессионно-испарительных системах охлаждения использовали чаще всего фреоны, особенностью которых являются широкий диапазон температур и давлений фазового перехода, малотоксичность и безопасность в пожарном отношении. Однако для предотвращения вредного воздействия на озоновый слой атмосферы принято решение заменить фреоны другими веществами.

Высокий КПД компрессионно-испарительных систем, их сравнительная автономность, позволяющая обеспечить охлаждение кабины во время стоянки на земле, обуславливают в некоторых случаях целесообразность их применения на ЛА. Пример - системы охлаждения вертолета Ми-8. Однако такие системы имеют большую массу и стоимость в производстве и эксплуатации по сравнению с системами охлаждения воздушного цикла.

Использование аккумулированного холода является одним из наиболее рациональных дополнительных способов охлаждения в авиации при относительно малой продолжительности функционирования системы. В качестве источника аккумулированного холода чаще всего используются либо специальные хладагенты, запасаемые на борту ЛА, либо топливо основной силовой установки, пока температура его остается приемлемой для целей охлаждения.

В качестве хладагента наиболее широко применяется вода или водоспиртовые смеси, последние — в тех случаях, когда требуется обеспечить низкую температуру замерзания жидкости. Вода является наиболее эффективным хладагентом, поскольку обладает самой высокой (после водорода) удельной теплоемкостью и очень большой теплотой парообразования.

В воздухе, поступающем в ГК, при полете на малой высоте после его охлаждения в ТО и ТХ влага содержится в парообразном и капельном состоянии.

Капельная жидкость в одних случаях оседает на стенках трубопроводов, в блоках оборудования и может вызывать отказ аппаратуры, в других случаях создает в кабине туман, затрудняющий экипажу самолета пилотирование, или вызывает неприятные ощущения у пассажиров. Для удаления этой капельной влаги в СКВ устанавливаются влагоотделители.

Сложность применения механических влагоотделителей в СКВ заключается в малых размерах (до 10 мкм) капель влаги. Эти капли не отделяются центробежными силами и их необходимо коагулировать (укрупнять) до размеров 30...50 мкм.

На входе во влагоотделитель устанавливается коагулятор из мелкоячеистой сетки (фетр), в порах которого капли задерживаются. Так образуется пленка жидкости, и с нее затем воздушным потоком срываются укрупненные капли.

На рис. 5 показана схема такого типа влагоотделителя. Кроме описанной конструкции встречаются влагоотделители с вращающимся сепаратором, в которых отделение происходит вследствие прилипания капель воды к лопастям вращающегося сепаратора и образования пленки жидкости на поверхности, которая стекает затем в водосборник.

На больших высотах атмосферный воздух становится практически сухим. Длительные полеты вызывают неприятное ощущение сухости и приводят к заболеваниям гортани. Поэтому на некоторых самолетах в СКВ устанавливаются увлажнители воздуха. В увлажнителях воздуха парогенераторного типа вода в виде пара поступает в воздух. Электроувлажнители в СКВ применяются редко, так как при испарении воды в кипятильниках пар получает неприятный специфический запах.

 

 

Рис. 5. Схема влагоотделителя: 1 — входной фланец; 2 — коагулятор; 3 — закручивающий винт; 4 — сепарационный канал; 5 — водоловушка; 6 — возвратная трубка;

7 — выходной фланец; 8 — дренажный штуцер; 9 — кольцевой зазор; 10 — предохранительный клапан

 

Вывод: системы кондиционирования воздуха предназначены для поддержания давления и температуры в гермокабине на уровне, обеспечивающем нормальную деятельность экипажа.

 


Просмотров 1053

Эта страница нарушает авторские права

allrefrs.ru - 2020 год. Все права принадлежат их авторам!