Эксергетический анализ воздушно-холодильных машин в составе авиационных систем кондиционирования воздуха тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат наук Иванова, Анастасия Павловна

• Иванова, Анастасия Павловна
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Иванова, Анастасия Павловна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ВОЗДУШНО-ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ И МЕТОДЫ ИХ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Краткий исторический обзор

1.2. Общая характеристика и классификация ВХМ

1.2.1. Теоретический цикл ВХМ

1.2.2. Теоретический цикл регенеративной ВХМ

1.2.3. Воздушно-холодильные машины с регенеративной осушкой влажного воздуха в составе авиационных систем кондиционирования воздуха

1.2.4. Воздушно-холодильные машины с применением ступенчатого сжатия

1.3. Основы эксергетического метода анализа обратных циклов

1.4. Общая методика определения эксергетического КПД термодинамических систем

1.5. Выводы и задачи исследования

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВХМ

2.1. Идеализированный цикл ВХМ

2.2. Эксергетическая модель цикла ВХМ

2.3. Влияние исходных параметров на эксергетический КПД ВХМ

2.4. Область существования цикла ВХМ

2.5. Цикл ВХМ с разделением работы

2.6. Влияние исходных параметров на эксергетический КПД цикла ВХМ с разделением работы

2.7. Область существования цикла и оптимальные условия реализации цикла ВХМ с разделением работы

2.8. Эксергетическая модель регенеративного цикла ВХМ с разделением работы в условиях сравнения I рода

2.9. Влияние исходных параметров на эксергетический регенеративного цикла ВХМ с разделением работы в условиях сравнения I рода

2.10. Эксергетический анализ регенеративного цикла ВХМ с разделением работы в условиях сравнения II рода

2.11. Эксергетическая модель регенеративного цикла ВХМ с разделением работы в условиях сравнения III рода

2.12 Эксергетическая модель цикла ВХМ ступенчатого сжатия

2.13. Область существования и оптимальные условия реализации циклов ВХМ ступенчатого сжатия с разделением работы

2.14. Сравнительная эффективность циклов ВХМ ступенчатого сжатия с разделением работы

2.15. Выводы

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ВХМ НА

ВЛАЖНОМ ВОЗДУХЕ

3.1. Эксергетическая модель действительного цикл ВХМ

3.2. Влияние потерь на эксергетический КПД

3.3. Эксергетический КПД действительного цикла ВХМ

3.4. Область существования действительного цикла. Определение оптимальных параметров действительного цикла ВХМ

3.5. Эксергетические потери в теплообменнике регенераторе

3.6. Эксергетическая модель ВХМ, учитывающая влажность воздуха

3.7. Выводы

ГЛАВА 4. ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЦИКЛОВ ВОЗДУШНО-

ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН В СОСТАВЕ АВИАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

4.1. Установка охлаждения воздуха в составе авиационной системы кондиционирования воздуха

4.2. Эксергетический КПД АВВХМ по схеме ТР+ГК и ГК+ТР

I . |Г.

„f fl

Ч Н'

• jtM

, V

j». »V1..,№

' > (М ,

i11 h,

Ii ч г

4.3. Влияние исходных параметров на эксергетический КПД циклов

АВВХМ по схеме ТР+ГК и ГК+ТР

4.4. Оценка эксергетической эффективности циклов АВВХМ по схеме ГК+ТР и ТР+ГК

4.5. Область существанвания цикла АВВХМ по схеме ТР+ГК

4.6. Область существования цикла по схеме ГК+ТР

4.7. Регенеративный цикл АВВХМ по схеме ТР+ТК+ГК

4.8. Эксергетический КПД цикла АВВХМ по схеме ТР+ТК+ГК

4.9. Влияние исходных параметров на эксергетический КПД цикла по схеме ТР+ТК+ГК

4.10. Условия существования цикла АВВХМ по схеме ТР+ТК+ГК

4.11. Выводы

ГЛАВА 5. ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ЦИКЛА АВИАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА

5.1. Цикл авиационной СКВ

5.2. Установка охлаждения воздуха

5.3. Теплоиспользующая система

5.4. Эксергетическая модель авиационной СКВ

5.5. Анализ влияния исходных параметров на эксергетический КПД СКВ

5.6. Эксергетический КПД ТИС

5.7. Эксергетический КПД У OB

5.8. Условия реализации авиационной СКВ

5.9. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Эксергетический анализ воздушно-холодильных машин в составе авиационных систем кондиционирования воздуха»

ВВЕДЕНИЕ

Воздушно-холодильные машины (ВХМ) обладают неоспоримыми преимуществами, которые состоят в том, что воздух является абсолютно экологически безопасным рабочим веществом и обладает относительно низкой стоимостью.

Особенность воздушно-холодильных машин связана с большим объемным расходом воздуха, в связи с этим в действительных холодильных машинах необходимо использовать технику имеющую меньшие массогабарит-ные характеристики т.е. турботехнику (турбокомпрессора и турбодетандеры).

В 1950е годы B.C. Мартыновским [49-55] были начаты первые многосторонние исследования ВХМ, им же был выполнен анализ причин необратимости цикла ВХМ предложены методики расчета реальных циклов. В дальнейшем развитие теории ВХМ получило в работах М.Г. Дубинского, A.B. Мельцера, H.H. Кошкина [45-47] и ряда других ученых. Тогда же были разработаны ВХМ серийного производства ТХМ-1,2,3.

В связи с тем, что турбокомпрессоры и турбодетандеры для работы на воздухе в промышленном масштабе не производились, для ВХМ адаптировались отработавшие летный ресурс турбодвигатели авиатехники, уровень шума которых превышал допустимый.

Однако эти холодильные машины были неконкурентоспособны с паро-компрессионными машинами (ПКХМ), вследствие того, что отношение работы сжатия к работе расширения в ПКХМ много меньше, в силу этого, ВХМ выпускались ограниченными сериями.

Исследования ВХМ в мире в 1950-1970 года не проводились. В связи с ограниченным применением ВХМ, начиная с 1970 годов, они были описаны в литературе в учебных целях.

С начала 1990х годов ВХМ стали объектом пристального внимания специалистов в мире [20, 22, 55, 79, 81, 82, 84,89].

Не смотря на то, что ВХМ могут быть конкурентно способны с ПКХМ в низкотемпературной области применения, что показано в работе E.H. Серовой [63], до сих пор практически единственным применением ВХМ является авиационная техника, где ВХМ используется в системах обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) экипажа и пассажиров. СОЖ состоит из двух основных элементов: гермокабины (ГК), обеспечивающей изоляцию от внешних атмосферных условий и системы кондиционирования воздуха (СКВ), обеспечивающей необходимые для нормальной жизнедеятельности параметры атмосферы в ГК.

Использование в авиационных СКВ ВХМ в качестве источника холода [22] обусловлено следующими причинами:

- возможность отбора воздуха от компрессора силовой установки (СУ);

- высокая эффективность процесса сжатия в турбокомпрессоре силовой установки и, соответственно, минимальные затраты работы на организацию этого процесса;

- высокая степень чистоты сжатого воздуха;

- возможность регулирования температуры воздуха, поступающего в ГК, простым смешением «горячего» и «холодного» потоков;

- отсутствие промежуточных теплоносителей, т.к. воздух является рабочим телом ВХМ и средой обитания в ГК.

Вопрос определения границ области целесообразного применения ВХМ до сих пор остается предметом дискуссии. Причина этого заключается в отсутствии методики комплексного термодинамического анализа с определением влияния основных элементов на ее эффективность.

Исследования, проводимые в 60х годах В. С. Мартыновским, и в настоящее время имеют огромную методическую ценность. В настоящее время комплексный подход к анализу циклов ВХМ, на основе первого начал термодинамика, т.е. посредством холодильного коэффициента представлен в работах [20, 22, 80].

* /

> -V. :< н

и -Ii-'

.1 'i<U

11 Ь

i I 11 1 II I > I «

I II 1

A f. ,

В 1958 3. Рант предложил расширить возможности второго закона термодинамики введением новой термодинамической функции - эксергии. Не смотря на то, что В. С. Мартыновский исследовал работу ВХМ на основе баланса энергетического, т.е. холодильного коэффициента, в его работах присутствовали элементы эксергетического анализа.

У. Гиббс в 1876 г, а за ним Ж. Гюи в 1889 г, впервые ввели функцию, определяющую работоспособность системы, взаимодействующей с окружающей средой, дающую оценку потерь работы по энтропии и температуре окружающей среды.

Эксергетическая теория развивается уже более 50 лет и наиболее полно освящена в работах В.М. Бродянского, Ф, Бошняковича, Я. Шаргута, В. Фратшера, П. Грассмана, Г.Бэра, A Bejan, М. Rosen, I. Dincer. Помимо основных работ в настоящее время эксергетическому методу анализа посвящено множество статей [17, 76, 77, 78, 83, 84, 85, 86, 87].

Актуальность работы. Одной из актуальных проблем современной авиационной техники является увеличение эффективности ВХМ в составе систем кондиционирования воздуха. Решение этой проблемы найдено в использовании нового поколения СКВ с применением ступенчатого сжатия и регенеративной осушки влажного воздуха.

В настоящее время наиболее перспективным, с точки зрения термодинамического анализа является эксергетический метод, основанный на термодинамической функции, учитывающей как свойства самой системы, так и окружающей среды. Эксергетический подход позволяет оценить степень совершенства системы, выявить наиболее слабое с точки зрения эффективности звено и наметить пути совершенствования процесса, определить теоретические значения энергетических потерь вследствие «производства энтропии» в различных узлах низкотемпературных и высокотемпературных установок.

К сожалению, на данное время в известной литературе практически отсутствуют результаты исследований посвященных методу эксергетического

анализа воздушно-холодильных машин в составе авиационных систем кондиционирования воздуха, исключением являются публикации [17, 75-78].

Для практической реализации СКВ, необходимы научно обоснованные методики эксергетического анализа, на основе которого возможно проводить расчет, проектирование и оптимизацию разрабатываемых систем

Целью диссертационной работы является разработка методики эксергетического анализа воздушно-холодильных машин в составе авиационных систем кондиционирования воздуха для проведения комплекса исследований и анализа их эффективности.

Задачи исследования:

- разработать методику эксергетического анализа применительно к реальным термодинамическим циклам авиационных воздушно-холодильных машин;

- исследовать на основе разработанной методики эксергетическую эффективность реальных циклов авиационных ВХМ;

- выполнить анализ эксергетической эффективности различных вариантов схемного построения АВВХМ, ВХМ и типовой авиационной системы кондиционирования воздуха;

- развить методику определения эксергетического КПД для ВХМ, работающей в условиях влажного воздуха.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые получены и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:

1) методика определения эксергетической эффективности реальных термодинамических циклов АВВХМ, отражающая условия протекания физико-технических процессов в агрегатах системы в различных условиях работы и различные варианты компоновки агрегатного состава;

2) результаты исследования эксергетической эффективности, определение области существования, оценка влияния исходных параметров и ха-

рактеристик агрегатного состава и их схемные построения на эксергетиче-скую эффективность реальных циклов АВВХМ;

3) сравнительный анализ эксергетической эффективности реальных термодинамических циклов АВВХМ и циклов ВХМ различных вариантов схемного построения; комплексный эксергетический анализ типовой СКВ;

4) методика определения эксергетического КПД ВХМ учитывающий влажностные параметры рабочего тела и аналитические закономерности для определения эксергетических потерь в элементах ВХМ.

Практическая значимость. Разработана методика, позволяющая определить эксергетическую эффективность реальных циклов АВВХМ, ВХМ и СКВ, провести анализ влияния исходных параметров, характеристик агрегатного состава и определить область существования их циклов, провести сравнительный анализ различных вариантов схемного построения АВВХМ и ВХМ, СКВ, определить потери в агрегатах системы ВХМ; учесть влияние влажностных параметров.

Полученные результаты могут быть использованы для определения эксергетической эффективности и сравнения существующих АВВХМ, ВХМ и СКВ, их усовершенствования и разработки перспективных схем АВВХМ; в учебных курсах по дисциплинам «Проектирование СКВ», «Термодинамический анализ обратных циклов», «Установки и системы низкотемпературной техники».

Достоверность полученных результатов и выводов. Сформулированные в диссертации научные положения, обоснованы полученными решениями и проведенными численными экспериментами, хорошо согласуются с

; имеющимися теоретическими работами в области термодинамического ана-

(

лиза циклов ВХМ

В первой главе приведены основные типы ВХМ, выполнен анализ современного состояния авиационных систем кондиционирования воздуха и перспектив их развития. Представлены типовые схемы современных авиаци-

онных СКВ. Представлены основные положения эксергетического метода анализа.

Во второй главе уточнена методика эксергетического анализа и разработана математическая модель основных типов ВХМ. Проведен эксергетиче-ский анализ ВХМ основных типов, определены области существования и оптимальные параметры работы ВМХ. Получены качественные и количественные зависимости влияния исходных параметров на эксергетический КПД циклов ВМХ основных типов. А также показан эффект применения регенерации в циклах ВХМ с разделением работы в условиях сравнения I, И, III рода. Проведен сравнительный анализ двух схем ВХМ ступенчатого сжатия с разделением работы.

В третьей главе разработана методика эксергетического анализа действительного цикла на примере нерегенеративной ВХМ и нерегенеративной ВХМ, работающей на влажном воздухе. Впервые получены аналитические зависимости для определения внутренних и внешних эксергетических потерь, применительно к нерегенеративным и регенеративным ВХМ. Получены аналитические зависимости и определены области существования действительного цикла нерегенеративной ВХМ по исходным параметрам. Установлено, что наличие капельной влаги в потоке рабочего воздуха приводит к уменьшению значений эксергетического КПД цикла ВХМ на 2-10 % и не влияет на его функциональную зависимость. Показано, что изменение относительной влажности воздуха от 0% до 100% влечет за собой уменьшение температуры за турбодетандером до 12 К.

В четвертой главе разработана методика эксергетического анализа регенеративных циклов основных типов АВВХМ. Разработаны эксергетиче-ские модели действительных циклов регенеративной АВВХМ по схеме ГК+ТР, ТР+ГК, ТР+ТК+ГК. Получены зависимости для эксергетического КПД регенеративного цикла АВВХМ ГК+ТР, ТР+ГК, ТР+ТК+ГК. Выполнен сравнительный анализ регенеративного цикла АВВХМ по схеме ГК+ТР и схеме ТР+ГК по условиям реализации цикла. Проведен анализ влияния ис-

ходных параметров на эксергетический КПД цикла по схеме ГК+ТР, ТР+ГК, ТР+ТК+ГК. Определены области существования циклов, предельные режимные параметры и схемные параметры для схем ГК+ТР, ТР+ГК, ТР+ТК+ГК.

В пятой главе предложена эксергетическая модель авиационной СКВ. Представлен действительный термодинамический цикл авиационной СКВ в общем виде. Получены аналитические зависимости для эксергетиче-ского КПД авиационной СКВ, ТИС и УОВ. Рассмотрены предельные условия существования авиационной СКВ. Проведено исследование влияния исходных параметров на эксергетическую эффективность цикла.

Личный вклад автора. Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором либо при его непосредственном участии. Автор диссертации участвовал в постановке задач, решаемых в диссертации. Автору принадлежит разработка методики расчета эксергетической эффективности, рассматриваемых систем и протекающих в них процессов, проведение численных экспериментов. Анализ и обсуждение полученных результатов проведен автором совместно с научным руководителем и соавторами по публикациям.

Апробация работы. Результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на 11 конференциях и семинарах, в том числе: на Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2009, 2012); Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона» (Новосибирск, 2009, 2011, 2012, 2013); Международная конференция «Авиация и космонавтика» (Москва, 2012); XVI Международной научной конференции «Решетневские чтения» (Красноярск, 2012); Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2012); Научно-практической конференции молодых специалистов и ученых «Перспективные технологии самолетостроения в России и мире» (Новосибирск, 2011); Всероссийской научно- технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации и авиастроения

России» (Уфа, 2013); в рамках научных сессий НГТУ и семинарах института теплофизики им С.С. Кутателадзе СО РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ: из них 2 в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы научные результаты на соискание ученой степени кандидата наук; 10 статей в сборниках трудов и материалах научных конференций; 2 в сборниках научных трудов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, списка использованных источников, включающего 89 наименований. Основной объем диссертации составляет 176 страниц, включая 82 рисунков и 2 таблицы.

Автор выражает благодарность всем сотрудникам кафедры Технической теплофизики и филиала кафедры при Институте теплофизики СО РАН за оказанную помощь в постановке данной работы, обсуждении и анализе полученных результатов.

ГЛАВА 1. ВОЗДУШНО-ХОЛОДИЛЬНЫЕ МАШИНЫ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Краткий исторический обзор

В настоящее время среди холодильных машин выделяют два класса -парокомпрессионные холодильные машины (ПКХМ) и газовые холодильные машины (ГХМ) [4, 11, 15, 16, 43, 45, 46, 48, 51, 55, 63, 67].

Воздушно-холодильные машины (ВХМ) были первыми практически реализованными техническими устройствами для получения искусственного холода. Первая холодильная машина была создана американским врачом Д. Гори [55, 63] область температур, получаемых в машине, была около 264269 К. В 1857 году немецкий инженер В. Сименс предложил регенерацию тепла в противоточном теплообменнике. В 1862 году была запатентована холодильная машина шотландского инженера А.Кирка, в которой также осуществлялся регенеративный теплообмен. Применение регенерации расширили область получаемых температур до 233 К.

В 1950 годы в нашей стране были выпущены серийные холодильные машины ТХМ-1,2,3 [45-47, 55, 50, 52], которые, однако выпускались ограниченными сериями и были некокурентноспособны с ПКХМ. В это же время за рубежом была разработана холодильная машина фирмы «Aicro Criogenics». И до 90х годов прошлого века интерес к ВХМ не проявлялся.

С точки зрения холодоснабжения в авиационных системах кондиционирования воздуха (СКВ) ПКХМ не нашли широкого применения не смотря на высокую термодинамическую эффективность, т.к необходимость дополнительных теплообменных устройств практически уменьшает взлетную массу. Кроме того, в аварийных ситуациях возможна утечка хладагента в кабин-ный воздух, что не соответствует санитарно-гигиеническим требованиям.

В настоящее время можно выделить несколько типов ВХМ: нерегенеративные ВХМ, нерегеративные ВХМ с разделением работы, регенеративные

Ж v

> Ц V I.

, », n f \) к

' W л

t J ' г

1 < M I

4U\V,

I <1

Г Ч)

<1 f -1 \

г t 1

I M 1%

Л*

ВХМ и ВХМ ступенчатого сжатия [20-22, 47, 48, 53, 54, 71, 72]. Все остальные ВХМ повторяют или комбинируют вышеуказанные ВХМ.

1.2. Общая характеристика и классификация ВХМ

Методом получения низкой температуры в ВХМ является расширение с получением внешней работы, т.е. детандирование. Кроме детандирования есть еще один принцип получения низкой температуры в ВХМ - вихревой эффект. В настоящей работе рассмотрены ВХМ, методом получения низкой температуры, которых является детандирование [2, 4, 8, 15, 43,45-48, 52].

1.2.1. Теоретический цикл ВХМ

Цикл простейшей ВХМ построен на двух изобарах двух изоэнтропах, в литературе этот цикл носит название цикл Брайтона [18, 35, 49, 55, 66, 67, 79, 80, 81, 82, 86, 87-89], поскольку рабочее тело в цикле не претерпевает фазовых изменений, а все процессы протекают в области перегретого пара.

Схема ВХМ, работающей по простейшему циклу (Брайтона) изображена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема и цикл простейшей ВХМ: К - компрессор, Т — турбодетандер, ТА - теплообменный аппарат.

Схема ВХМ состоит из турбодетандера (Т), теплообменника холодильной камеры (ХК), компрессора и атмосферного теплообменника (ТА).

Воздух с параметрами Гь Р\ (точка 1) выходит из охлаждаемого объекта (холодильной камеры), и направляется в компрессор (К), где адиабатно сжимается до давления Р2 при этом температура воздуха повышается с Т\ до Т2. В теплообменном аппарате (ТА) воздух изобарно охлаждается до Тъ=Тос=Тш (температуры горячего источника, как правило - температуры окружающей среды). Далее воздух поступает в турбодетандер (Т), где адиабатно расширяется до давления Р\ и температуры Т4. Затем воздух изобарно нагревается до температуры Т\-Тх- Таким образом, весь цикл ВХМ является обратимым.

Цикл реализуется в диапазоне температур источников 7ги, ^хи и давлений Рх, Р2 \ где Тос= ТШ=Т3 — температура окружающей среды, Р\ - давление окружающей среды, ТХи=Т\ - температура охлаждаемого объекта, Р2 - давление за компрессором.

Как показано в [9, 13, 18, 22, 32, 49, 63, 81, 84] большую роль играет выбор величины давления к=Рк/Рд, а также температурный диапазон источников. Таким образом, можно сделать вывод, что величина давления цикла и температурный диапазон является одной из функций оптимизации от исходных параметров при создании ВХМ.

1.2.2. Теоретический цикл регенеративной ВХМ

Регенеративная ВХМ отличается от нерегенеративной наличием теплообменника-регенератора, применение регенерации позволяет расширить температурный диапазон, в котором реализуется цикл. Идея совершенствования ВХМ посредством включения в схему противоточного теплообменно-го аппарата принадлежит Ч. Сименсу (Германия, 1857). Им же введен термин «регенеративный» теплообменник [55].

В нашей стране идею применения регенерации развивали B.C. Мартыновский и М.Г. Дубинский [13, 49-54]. В схеме регенеративного цикла вво-

дится регенеративный теплообмен между воздухом высокого давления перед детандером и воздухом низкого давления за холодильной камерой.

Разомкнутый цикл с тепломассообменом предложен H.H. Кошкиным[45-47]. В схеме такой ВХМ отсутствует промежуточный холодильник воздух поступает в компрессор непосредственно из атмосферы.

Принципиальная схема регенеративного цикла ВХМ представлена на рис. 1.2.

К - компрессор, Т - турбодетандер, ТА - теплообменный аппарат, ТР - теплообменник-регенератор.

Процесс регенеративного теплообмена происходит в регенеративном теплообменнике (ТР). В диаграмме цикла процесс охлаждения воздуха в регенераторе изображен участком изобары (3-4), а нагрев - участком изобары (6-1).

Отметим, что в работах [13, 18, 22, 28, 30, 33, 48, 49, 50, 52, 55, 83] показано - применение регенерации в ВХМ позволят расширить температурный диапазон, в котором реализуется цикл, при этом термодинамическая эффективность оцененная как холодильным коэффициентом, так и эксергетиче-ским КПД не увеличивается; в авиационных ВХМ регенерация служит, прежде всего, для осушки влажного воздуха [14, 19, 22> 23, 25, 26, 56, 64, 65, 7173].

1.2.3. Воздушно-холодильные машины с регенеративной осушкой влажного воздуха в составе авиационных систем кондиционирования воздуха

В 70-х годах появились патенты на схемы авиационных СКВ [20, 22,25, 28, 57, 58, 64, 73], позволяющие осуществлять осушку сжатого влажного воздуха путем его. охлаждения и конденсации водяного пара. Этот принцип основан на термодинамической особенности влажного воздуха, заключающейся в том, что с увеличением давления, влагоемкость воздуха уменьшается. Охлаждение воздуха в этих схемах осуществляется регенерацией холода, поэтому авиационные специалисты называют их «петлевыми схемами», а процесс осушки влажного воздуха можно назвать «вымораживанием» [20, 22, 25, 26, 28, 57, 58, 64, 73].

Применение петлевых схем позволило снять все ограничения на температурные режимы и фактически привело к появлению нового поколения СКВ. Для этих систем характерны очень низкие температуры воздуха за тур-бодетандером, (-60° С при работе на сухом воздухе и -30° С при работе на влажном воздухе). Это приводит к значительному увеличению удельной хо-лодопроизводительности и уменьшению расхода воздуха, отбираемого от компрессора силовой установки. Применение двухступенчатого сжатия позволяет уменьшить давление отбираемого от силовой установки воздуха, что также приводит к уменьшению приведенной взлетной массы системы [14, 20, 21,22,53,59,64,73]. .

Петлевые схемы СКВ применяются практически на всех современных зарубежных самолетах, таких как Боинг-757(767), А-ЗОО(ЗЮ). В нашей стране такая схема СКВ реализована на самолетах ТУ-204(214,334) и ИЛ-96. Разработка системы для самолетов ТУ выполнена в НПО «Наука», являющейся ведущей организацией в области авиационных систем кондиционирования воздуха [24, 57-59, 60].

Анализ петлевых схем показывает, что элементы регенеративного теплообмена и двухступенчатого сжатия относятся к подсистеме подготовки

«холодного» потока, т.е. к схеме АВВХМ. Поэтому теоретический анализ петлевых схем может быть выполнен только в рамках анализа регенеративных АВВХМ. В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе практически полностью отсутствует информация о проведении таких работ. Немногочисленными работами являются публикации Ю.М.Шустрова [71-73], Ю.В. Дьяченко [20-24], в которой анализируется петлевая схема с теплообменником-регенератором. Для проведения теоретического анализа петлевых схем необходимо развитие общей теории эксергетичсекого анализа ВХМ применительно к регенеративным циклам, циклам со ступенчатым сжатием и расширением. Ввиду специфических особенностей, отдельной задачей является представление цикла воздушно-холодильной машины в составе авиационных СКВ [20, 22].

Широкое применение ВХМ [22] в составе авиационных системах кондиционирования воздуха привело к появлению в 70-х годах прошлого столетия ряда технических предложений, направленных на практическую реализацию принципа регенеративной осушки атмосферного воздуха и увеличение их эффективности. Полная характеристика этих предложений рассмотрена в [20, 22, 69]. Одним из них является схема СКВ, заявленная в патенте США №3587243 (схема Келлера), рис. 1.3.

В этой схеме воздух высокого давления (ВВД) отбирается от компрессора силовой установки 1 и охлаждается в теплообменнике (ТО) 5 атмосферным воздухом. В авиационных системах кондиционирования воздуха турбо-детандер с нагрузочным устройством - вентилятором, называют турбохоло-дильной установкой (ТХУ). Вентилятор ТХУ 4 установлен в линии продувки теплообменника 5 атмосферным воздухом для обеспечения работоспособности при стоянке на земле.

При охлаждении сжатого воздуха в теплообменнике 5 возможна конденсация водяных паров, поэтому сконденсированная влага удаляется из потока влагоотделителем 10 и впрыскивается в поток продувочного атмосферного воздуха перед теплообменником 5.

ный клапан; 3 - заслонка; 4 - вентилятор ТХУ;

5 - атмосферный ТО; 6 - обводная линия; 7 - заслонка; 8 - блок управления температурой; 9 - датчик температуры; 10 - влагоотделитель;

11 - предохранительный клапан; 12 - теплообменник-конденсатор;

13 - влагоотделитель; 14 - турбина ТХУ; 15 - подогревающий ТО.

Далее частично осушенный воздух поступает в теплообменник-конденсатор (ТК) 12, где происходит его дальнейшее охлаждение холодным воздухом после расширения в турбине ТХУ 14. В процессе охлаждения происходит дальнейшая конденсация водяных паров, конденсат удаляется вла-гоотделителем 13 и впрыскивается в поток продувочного воздуха Т05. Таким образом, на турбину 14 поступает осушенный воздух и на выходе турбины можно поддерживать достаточно низкую отрицательную температуру без опасности интенсивного обмерзания проточной части.

Теплообменник-конденсатор 12 работает в жестких температурных условиях, при отрицательных температурах поверхности теплообмена возможно обмерзание каналов на линии высокого давления. Для исключения этого явления на выходе линии высокого давления поддерживается положительная температура порядка +(5-7) °С, что обеспечивается системой регулирования температуры, состоящей из датчика температуры 9, блока управления температурой (БУТ) 8 и управляемой заслонки 7. Заслонка 7 стоит в обводном канале 6 и, регулируя расход воздуха, поддерживает требуемую температуру на выходе теплообменника-конденсатора.

' гС^м!-;','"^/. ■ >М ■ . .... .. „ ,.■,•■■ . ■ , .

1 4II г^' ' и ' ' << >\ » | чЫ Л

В процессе охлаждения влажного воздуха высокого давления в ТО или ТК температура понижается до температуры «точки росы», когда начинается процесс конденсации водяных паров и при дальнейшем охлаждении влажный воздух остается насыщенным. Таким образом, после осушки воздуха в ТК, на входе в турбину ТХУ воздух содержит некоторое количество водяных паров (остаточная влага). Величину остаточной влаги можно определить, зная давление и температуру. Принимая давление Рк=0,5 МПа, минимальную температуру ¿=+5° С и парциальное давление насыщенного водяного пара при этой температуре Рн=920 Па получим, что влагосодержание будет составлять <#=1.14 грамм/кг сухого воздуха.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Иванова, Анастасия Павловна, 2013 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Авиационные Правила. Ч. 25. «Нормы летной годности самолетов транспортной авиации». М.: Летно-исследовательский институт им. М.М. Громова, 1994.-45 с.

2. Андрющенко А.И. Основы технической термодинамики реальных процессов. М.: Высшая школа, 1975. - 264 с.

3. Болгарский A.B. Влажный газ. М.: Госэнергоиздат, 1951. - 155 с.

4. Болгарский A.B. Термодинамика и теплопередача : Учебн. для вузов /

A.B. Болгарский, Г.А. Мухачев Г.А., Щукин В.К. - Изд. 2-е., перераб. и доп. - М.: Высшая школа, 1975. - 495 с.

5. Бондарев И.Т. Влияние влажности воздуха на процессы расширения в детандерах турбохолодильных машин / И.Т. Бондарев, В.М. Ярошенко // Холодильная техника. - 1976. - №9. - С. 14-17.

6. Бродянский В.М. Эксергетический метод термодинамического анализа. -М.: Энергия, 1973.-296 с.

7. Бродянский В.М Эксергетические основы трансформации тепла и процессов охлаждения / В.М. Бродянский, Е.Я. Соколов. - М.: Энергия, 1981. -320 с.

8. Бродянский В.М. Термодинамические основы криогенной техники /

B.М. Бродянский, A.M. Семёнов. - М.: Энергия, 1980. - 447 с.

9. Бродянский В.М. Эксергетический метод и его приложения / Фратшер В., Михалек К. -М.: Энергоатомиздат, 1988. - 288 с.

10. Бурцев С.И. Влажный воздух. Состав и свойства: Учеб. Пособие / С.И. Бурцев, Ю.Н. Цветков. - СПб.: СПбГАХПТ, 1998. - 146 с.

11. Бэр. Г.Д. Техническая термодинамика / Г.Д. Бэр. - М.: Энергия, 1977. -275 с.

12. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - Изд. 2-е., перераб. и доп. - М.: Наука, 1972. - 720 с.

13. Вопросы термодинамического анализа / под ред. В.М. Бродянского. -М.: Мир, 1965. -250 с.

14. Воронин Г.И. Сйстемы кондиционирования воздуха на летательных аппаратах. - М.: Машиностроение, 1973. - 444 с.

15. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. - М.: Машиностроение, 1972.-672 с.

16. ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры - Введ. 01.07.82. -М.: Изд-во стандартов, 1981. - 180 с.

17. Горбачев М. В. Эксергетический анализ действительных циклов авиационной СКВ // Научный вестник НГТУ. - 2011. - № 4 (45). - С. 69-80.

18. Гохштейн Д. П. Современные методы термодинамического анализа -М.: Энергия, 1969. - 368 с.

19. Доброленский Ю.П. Авиационное оборудование / Ю.П. Доброленский, Ю.А. Андриевский, Ю.Е. Воскресенский; под ред. Ю.П. Доброленского. -М.: Воениздат, 1989. - 248 с.

20. Дьяченко Ю.В. Термодинамика циклов авиационных систем кондиционирования воздуха / Ю.В. Дьяченко, М.В. Горбачев, H.H. Пащенко. - Новосибирск: Из-во НГТУ, 2011. — 240 с.

21. Дьяченко Ю.В. Исследование термодинамических циклов воздушно-холодильных машин: автореф. дис. ... докт. техн. наук.: 01.04.14 - Новосибирск, 2004. - 40 с.

22. Дьяченко Ю.В. Исследование термодинамических циклов воздушно-холодильных машин: монография. - Новосибирск: Изд-во НГТУ. - 404 с.

23. Дьяченко Ю.В. Регенеративные циклы воздушно-холодильных машин в составе авиационных систем кондиционирования воздуха машин // Научный вестник НГТУ. - 2004. - № 2 (16). С. 61-74.

24. Дьяченко Ю.В. Термодинамический анализ обратимого цикла воздушно-холодильной машины в составе авиационной системы кондиционирования воздуха // Авиакосмическое приборостроение. - 2003. - № 3. С. 35-41.

25. Дьяченко Ю.В. Системы жизнеобеспечения летательных аппаратов / Ю.В. Дьяченко, В.А. Спарин, A.B. Чичиндаев. - Новосибирск: Из-во НГТУ, 2003.-512 с.

26. Дьяченко Ю.В., Чичиндаев A.B. Особенности работы авиационных систем кондиционирования на влажном воздухе: Учеб. Пособие. - Новосибирск: НГТУ, 2002. - 83 с.

27. Иванова А. П., Дьяченко Ю.В., Горбачев М.В. Анализ циклов воздушно-холодильной машины ступенчатого сжатия с разделением работы // Энергетика и теплотехника: сб. науч. трудов / под ред. акад. РАН В. Е. Накоря-кова. - Новосибирск, Изд-во НГТУ, 2012. - Вып.17. - С. 153-168.

28. Иванова А. П. Регенеративные циклы воздушно-холодильной машины с неполным балансом энергии // Труды XIII Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. - С. 239-244.

29. Иванова А. П. Влияние влажности воздуха на эксергетический КПД детандера/ А. П. Иванова, В.А. Коростылев // Труды XIV Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013. - С. 202-205.

30. Иванова А. П. Регенеративные циклы воздушно-холодильных машин / А. П. Иванова, М. В. Горбачев // Труды XIII Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. - С. 244-248.

31. Иванова А. П. Термодинамический анализ цикла воздушно-холодильной машины ступенчатого сжатия / А. П. Иванова, М. В. Горбачев // Решетнев-ские чтения: материалы XVI Междунар. науч. конф., посвящ. памяти генер. конструктора ракет.-космич. систем акад. М. Ф. Решетнева (7-9 нояб. 2012, г. Красноярск): в 2 ч. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова; Сиб. гос. аэро-космич. ун-т. - Красноярск, 2012. -Ч. 1. - С. 98-99.

32. Иванова А. П. Эксергетнческий анализ ВХМ // Современные техника и технологии: XVIII Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. В 3 т. Т. 3 / Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета 2012. - С. 183-184.

33. Иванова А.П. Эксергетнческий анализ цикла регенеративной воздушно-холодильной машины с разделением работы. // Научный вестник НГТУ. -2012.-№3(48).-С. 109-118.

34. Иванова А. П. Анализ эффективности цикла воздушно-холодильной машины ступенчатого сжатия эксергетическим методом // Труды XII Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011. - С. 245-249.

35. Иванова А. П., Дьяченко Ю.В., Горбачев М.В. Анализ эффективности цикла ВХМ эксергетическим методом // Энергетика и теплотехника: сб. науч. трудов / под ред. Акад. РАН В.Е. Накорякова. — Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2011.-Вып. 16.-С. 169-180.

36. Иванова А. П. Эксергетнческий анализ циклов воздушно-холодильной машины с разделением работы // Тезисы докладов научно-практической конференции молодых специалистов и ученых «Перспективные технологии самолетостроения в России и мире». - Новосибирск: СибНИА. - 2011. -

37. Иванова А. П. Эксергетнческий КПД действительного цикла воздушно-холодильной машины с разделением работы // Труды X Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона». -Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2009 - С. 149-152.

38. Иванова А.П. Регенеративный цикл установки охлаждения воздуха // Проблемы и перспективы развития авиации и авиастроения в России: Всероссийская научно техническая конференция / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - Уфа: УГАТУ, 2013. - С. 153-157.

С. 22-23.

39. Иванова А. П., Дьяченко Ю.В., Горбачев М.В. Термодинамический анализ воздушно-холодильной машины и протекающих в ней процессов // Научный вестник НГТУ. - 2013. - № 3 (52). - С. 72-79.

40. Иванова А.П. Влияние необратимостей и исходных параметров на эксер-гетическую эффективность цикла ВХМ // Наука. Технологии. Инновации: Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 7-ми частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. - Часть 5. - С. 30-33.

41. Исаченко В.П. Теплопередача: Учебник для вузов / В.П.Исаченко, В.А. Осипова, A.C. Сукомел. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоиздат, 1981.-416с.

42. Кейс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники / Пер. с англ. В.Г. Баклановой; под ред. Ю.В. Петровского - М.: Машиностроение, 1962. - 224 с.

43. Кириллин В.А. Техническая термодинамика: Учебник для вузов /

B.А. Кириллин, В.В. Сычев, А.Е. Шейндлин. - 4-е изд., перераб. - М.: Энергоиздат, 1983. - 416 с.

44. Костенко Г.Н. Термодинамически объективная оценка эффективности тепловых процессов // Промышленная теплотехника. - 1983. - Т. 5, № 4. -

C. 70-75.

45. Кошкин H.H. Холодильные машины: Учебн. для втузов по специальности «Холодильные машины и установки» / H.H. Кошкин, И.А. Сакун, Е.М. Бамбушек и др.; Под общ. ред. И.А. Сакуна. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. - 510 с.

46. Кошкин H.H. Холодильные машины. - М.: Пищевая промышленность, 1973.-512 с.

47. Кошкин H.H., Стукаленко А.К., Бухарин H.H. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин. - Л.: Машиностроение, 1976. - 464 с.

48. Мазур Л.С. Техническая термодинамика и теплотехника. М.: ГЕОТАР-МЕД, 2003.-352 с.

49. Мартыновский B.C. Анализ действительных термодинамических циклов. М.: Энергия, 1972. - 216 с.

50. Мартыновский B.C. Термодинамические характеристики циклов тепловых и холодильных машин. М.: Госэнергоиздат, 1952. — 116 с.

51. Мартыновский B.C. Холодильные машины.М.: Пищепромиздат, 1955. -274 с.

52. Мартыновский B.C., Дубинский М.Г. Воздушные турбохолодильные машины с дополнительным охлаждением в регенераторе // Холодильная техника. - 1964. - №6. - С. 16-17.

53. Мартыновский B.C., Мельцер JI.3. Термодинамический анализ обратных циклов. Исследование по термодинамике. М.:Наука, 1973. - 134 с.

54. Мельцер J1.3. Методы термодинамической оценки теоретических и действительных циклов холодильных машин // Холодильная техника и технология. Киев. Техника. - 1968. - №6. - С. 27-32.

55. Морозюк Т.В. Теория холодильных машин и тепловых насосов. Одесса: Студия «Негоциант», 2006. - 712 с.

56. Никифоров Т.Н., Котылев Г.В. Конструкция самолетных агрегатов: Учебник для авиационных техникумов. М.: Машиностроение, 1989. - 248 с.

57. Отчет по НИР/НЭТИ. Обзор основных тепловых схем подсистем кондиционирования типа "Петля": Руководитель А.Н. Хозе. - № гос. per. У19763. -Новосибирск. 1985. - 195 с.

58. Отчет по НИР/НЭТИ. Разработка рекомендаций по обеспечению работоспособности установки кондиционирования объекта "204". Разработка предложений по модернизации установки кондиционирования воздуха объекта "204". Обобщение принципов создания СКВ типа "Петля". Руководитель А.Н.Хозе. - № гос. per. У31955. - Новосибирск. 1987. - 113 с.

59. Пащенко Н.И., Дьяченко Ю.В. Термодинамическая модель авиационной системы кондиционирования воздуха // Авиакосмическое приборостроение. -2008.-№12.-С. 31-37.

60. Прохоров В.И. Системы кондиционирования воздуха с воздушными холодильными машинами. М.: Стройиздат, 1980. - 160 с.

61. Прохоров В.И., Шилкопер С.М. Метод вычисления эксергии потока влажного воздуха // Холод, техника. - 1981. - № 9. - С. 37-41.

62. Прохоров В.И., Шилкопер С.М. Вычисление эксергии воды и льда в потоке влажного воздуха // Холод, техника. 1981. - № 12. - С. 28-32.

63. Серова E.H. Исследование путей совершенствования воздушно-холодильных машин и их сопоставление с парокомпрессионными в практических условиях использования: дис. ... канд. техн. наук: 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика / E.H. Серова; МЭИ. - М., 2000. - 177с.

64. Системы оборудования летательных аппаратов / под ред. A.M. Матвеен-ко A.M. и В.И. Бекасова. - М.: Машиностроение, 1995. - 496 с.

65. Старостин К.И. Математическое моделирование авиационных систем кондиционирования воздуха с учетом влажности // Вестник МАИ. - 2009. -Т. 16. №2. - С. 141-145.

66. Хейвуд Р.В. Анализ циклов в технической термодинамике. М.: Энергия, 1979.-280 с.

67. Холодильные машины / Под ред. A.B. Быкова. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1982. -224 с.

68. Хргиан А.Х. Физика Атмосферы. Л.: Гидрометеорологическое издание, 1969.-646 с.

69. Чичиндаев A.B. Тепломассообмен влажного воздуха в компактных пластинчато-ребристых теплообменниках: монография. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012.-297 с.

70. Шаргут Я., Петела Р. Эксергия. - М.: Энергия, 1968. - 248с.

71. Шустров Ю.М. Особенности авиационных систем кондиционирования воздуха с петлевой схемой влагоотделения // Авиационная промышленность. - 1995. -№ 6. - С. 37-43.

72. ШустровЮ.М. Проектирование авиационных систем кондиционирования воздуха: Учеб. пособие для студентов высших технических заведений / Н.В. Антонова, Л.Д. Дубровин, Е.Е. Егоров и др.; под ред. Ю.М. Шустрова. - М.: Машиностроение, 2006. - 384 с.

73. ШустровЮ.М., Булаевский М.И. Авиационные системы кондиционирования воздуха. М.: Машиностроение, 1978. - 160 с.

74. Эксергетические расчеты технических систем (справочное пособие) / ред. А.А. Долинский, В.М. Бродянский. - Киев: Наукова Думка. - 1991. -360 с.

75. A. Bejan, A. Alebrahim. Thermodynamic optimization of heat-transfer equipment configuration in an environmental control system / A. Bejan, A. Alebrahim // International journal of Energy research/ - 2001. - PP. 1127-1150.

76. A. Bejan The need for exergy analysis and thermodynamic optimization in aircraft development / A. Bejan, David L. Siems // Exergy. - 2001. - №1(1). -PP. 14-24.

77. A. Bejan Minimum power requirement for environmental control systems / A. Bejan, J.C. Ordonez//Energy. -2003. -№28(12). -PP.1183- 1202.

78. A. Bejan Integrative thermodynamic optimization of the environmental control systems of an aircraft / A. Bejan, V.C. Vargas Jose // Heat and Mass Transfer. - 2001. - №44(20). - PP. 3907-3917.

79. L. Chen Thermodynamic modeling for open combined regenerative Brayton and inverse Brayton cycles with regeneration before the inverse cycle / L.Chen, Z. Zhang, F.Sun // Entropy. - 2012. - №14. - PP. 58-73.

80. L. Chen Exergy analysis for combined regenerative Brayton and inverse Brayton cycles / L.Chen, Z. Zhang, F.Sun // Energy and Environmental. - 2012. -№3(5).-PP. 715-730.

81. L. Chen Thermodynamic optimization principle for open inverse Brayton cycle (refrigeration / heat pump cycle) / L.Chen, Z. Zhang, F.Sun // Scientia Iranica. - 2012. - №19(6). - PP. 1638-1652.

О

.'i i: '

■'A'?".

S t< I

, kj

V'.

. 1 4, 1 l> » ,

h i<

>' i \ ■ 'I >ч

82. L. Chen Cooling-load density optimization for a regenerated air refrigerator / L.Chen, Z. Zhang, F.Sun etc. // Applied Energy. - 2004. - № 78. - PP. 315 -328.

83. I. Dincer Exergy Energy, Environment and Sustainable Development (Second Edition) /1. Dincer, M. A. Rosen. - London.: Elsevier, 2012. - 576 p.

84. I. Dincer Unified approach to exergy efficiency, environmental impact and sustainable development for standard thermodynamic cycles / I. Dincer, Y. Hasely // Green Energy. - 2008. - № 5(1-2). - PP. 105-119.

85. J. Jilek Exergy efficiency of a counter flow air/air heat exchanger with vapour condensation / J. Jilek, J.H. Young // Heat and Mass Transfer. - 1993. - PP. 123130.

86. L. Shengjun Thermodynamic analysis of actual air cycle refrigeration system / L.Shengjun, Z.Zhenying, T. Lili // Systems Engineering Procedia. - 2011. - Volume l.-PP. 112-116.

87. Y. Ust Effect of regeneration on the thermo-ecological performance analysis and optimization of irreversible air refrigerators / Y. Ust // Heat Mass Transfer. -2010. - № 46. - PP. 469-478.

88. Y. Ust Perfomance analysis of an endoreversible Braysson cycle based on the ecological criterion / Y. Ust, T. Yilmaz // Turkish J. Eng. Sci. - 2005. - №29. -PP. 271-278.

89. Y. Ust Performance analysis and optimization of irreversible air refrigeration cycles based on ecological coefficient of performance criterion / Y. Ust // Applied Thermal Engineering. - 2009/ - № 29 (1). - PP. 47-55.