Список условных обозначений и сокращений
Обозначения:
8 - холодильный коэффициент цикла воздушно-холодильной машины;
ср - удельная теплоемкость, ^Ж/Кг х г д',
T,t - температура, °К)°С;
Т* - температура заторможенного потока, ° К; Р - давление, Па; со - скорость, м/с;
v- удельный объем, мъ /кг;
F - поверхность, м2;
М - (с индексом) массовый расход, кг/с;
d - влагосодержание (паровой фазы), кг I кг.с.в.;
dK- влагосодержание (капельной влаги), кг/кг.с.в.;
'^ Ч - удельный тепловой поток, Док/кг;
Q - тепловой поток, Вт; ? - удельная работа, Дж I кг; А?- потери работы, Дж/ кг; s - удельная энтропия, Дж/кг х град; к - показатель адиабаты;
А:-коэффициент теплопередачи, Вм/ 2 ;
/ м град
Г|- тепловая эффективность теплообменника;
К - степень термодинамического совершенства цикла; Ч' - коэффициент распределения работы;
0 - отношение минимальной температуры горячего источника к , максимальной температуре горячего;
Л - коэффициент сравнительной эффективности; W - тепловой эквивалент, Вт/град;
7 R - газовая постоянная, Дж I кг х град;
rv к — \ , л„„,. ,л-4 кг у. град
Z =------= 4,9776 х 10 4 константа,--------—;
2kR Дж
M - число Маха.
Индексы:
Г- горячий источник; Д - детандер; А"-компрессор; Г- теоретический; П - практический; У - усовершенствованный; X - холодный источник; д - дополнительный; к-канал;
о - атмосферный параметр состояния; оцк - обратимый цикл Карно; р - регенеративный; т -теплообменник; ц- цикл;
атм- атмосфера; гор - горячий; инв - инверсия; пр - предельное; опт- оптимальное;
оптт- оптимальное по теоретическому холодильному коэффициенту; оптп- оптимальное по практическому холодильному коэффициенту; об - обратимый цикл; обт - обратимый теоретический; '** обп- обратимый практический;
обтс- обратимый теоретический ступенчатого сжатия; обпс - обратимый практический ступенчатого сжатия;
8
обтр- обратимый теоретический регенеративный; обпр- обратимый практический регенеративный;
обтрс- обратимый теоретический регенеративный ступенчатого сжатия; обпрс - обратимый практический регенеративный ступенчатого сжатия; рец- рециркуляционный; рр - разделением работы; сок- сжатие; хол - холодный; max- максимум;
Сокращения:
АВВХМ - воздушно-холодильная машина в составе авиационной системы
кондиционирования воздуха; АО -атмосферный охладитель; ВХМ - воздушно-холодильная машина; ГК - гермокабина;
КВД -конденсация на высоком давлении; КНД -конденсация на низком давлении; ПАО- промежуточный атмосферный охладитель; ЛТК - промежуточный турбокомпрессор; САРД -система автоматического регулирования давления; СОЖ -система обеспечения жизнедеятельности; СКВ -система кондиционирования воздуха; ТД -турбодетандер; ТКР -турбокомпрессор; ТК -теплообменник-конденсатор; ТР -теплообменник-регенератор; ТХУ-турбохолодильная установка; ХК - теплообменник холодильной камеры.
9 Введение
Воздушно-холодильные машины (ВХМ) имеют ряд неоспоримых пре- имуществ по сравнению с другими способами получения холода. Главными преимуществами являются: высокая экологическая чистота, простота и безопасность в эксплуатации, доступность рабочего тела. Основным недостатком ВХМ является низкая термодинамическая эффективность.
В настоящее время ВХМ находят применение в тех случаях, когда использование других способов получения холода недопустимо или нецелесообразно. Они используются в качестве источника холода в хранилищах крови и ее компонентов, в климатических камерах испытательных стендов тепловых двигателей, в технологических установках, где рабочей средой является воздух и ряде других случаев.
Однако имеется область техники, в которой ВХМ является единственно приемлемым способом получения холода. Этой областью 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.
Система кондиционирования воздуха поддерживает в объеме ГК требуемый уровень давления и температуру воздуха, кратность обмена воздуха и состав воздуха по содержанию углекислого газа и водяных паров. Для обеспечения требуемого температурного режима в СКВ формируются "горячий" и "холодный" потоки воздуха. "Горячий" поток формируется отбором воздуха от компрессора силовой установки (турбореактивного двигателя). "Холодный" поток формируется в воздушно-холодильной машине, являющейся подсистемой СКВ. Смешение этих потоков позволяет поддержи- вать требуемый уровень температуры в ГК на всех режимах полета.
Использование в авиационных СКВ воздушно-холодильной машины в качестве источника холода определяется следующими причинами:
10
- возможность отбора сжатого воздуха от компрессора силовой установки;
- 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.
Теоретическое обоснование обратимого цикла ВХМ было выполнено в работах B.C. Мартыновского в начале 50-х годов прошлого века. Им же был выполнен анализ причин необратимости реального цикла, предложен регенеративный цикл и предложена методика расчета реальных циклов. Дальнейшее развитие теория ВХМ получила в работах М.Г. Дубинского, А.В. Мель-цера, Н.Н. Кошкина и ряда других ученых. Все эти работы выполнены в 50-70-х годах прошлого века. Этот период времени характеризуется повышенным интересом к ВХМ, и именно тогда в нашей стране был разработан ряд воздушно-холодильных машин для серийного производства типа ТХМ-1, ТХМ-2, ТХМ-3. Однако эти холодильные машины были неконкурентноспособны с парокомпрессионными машинами, выпускались ограниченными сериями. Поэтому интерес к воздушно-холодильным машинам упал и теория ВХМ, методы термодинамического анализа циклов не получили дальнейшего развития.
Следует отметить, что в термодинамическом анализе циклов очень большое значение имеет представление обратимого, т.е. идеального для данных условий цикла. Представление обратимого цикла позволяет создать наиболее простую физическую и математическую модели цикла, разрабатывать на их основе реальный цикл, анализировать основные закономерности цикла и получать аналитические расчетные зависимости, определять оптимальные условия реализации цикла, оценивать влияние исходных параметров на термодинамическую эффективность и область существования цикла. Таким образом, полный термодинамический анализ циклов представляет собой ком-
и
плекс частных задач. В настоящее время такой комплексный подход к анализу циклов ВХМ отсутствует.
В авиационной технике применение воздушно-холодильной машины в ¦* составе СКВ (АВВХМ) началось с эпохи реактивной авиации. Однако дли-
тельное время основным требованием к АВВХМ являлось не термодинамическое совершенство, а безотказность в работе всей системы, высокая надежность агрегатов, небольшой установочный вес и габариты и т.д. Поэтому развитие СКВ и АВВХМ шло по пути совершенствования агрегатного состава, (силовой установки, турбохолодильной установки, теплообменной аппаратуры и т.д.). В результате этой работы агрегаты современных систем имеют очень высокие технические характеристики: кпд турбокомпрессора достигает значения 0,9-0,95; кпд турбодетандера 0,95-0,98; тепловая эффективность те-плообменных аппаратов 0,75-0,85. Однако термодинамическая эффективность цикла АВВХМ остается на слишком низком уровне, как правило, она не превышает 0,5-0,7.
Основной причиной этого является наличие в атмосферном воздухе водяных паров. В процессе адиабатного расширения и охлаждения воздуха в турбодетандере происходит конденсация водяных паров, и - при отрицательных температурах - кристаллизация конденсата и обмерзание проточной части системы. Интенсивность процессов обмерзания достаточно высока и может привести к полному загромождению проточной части магистралей, агрегатов и выходу системы из строя. Для исключения этих явлений в СКВ поддерживалась на выходе турбодетандера положительная температура +5°С.
В результате этого ограничения резко уменьшалась удельная холодо-производительность системы и термодинамическая эффективность цикла АВВХМ. Уменьшение удельной холодопроизводительности можно компенсировать только увеличением расхода воздуха "холодного" потока. Именно поэтому в СКВ такого типа расходы воздуха значительно больше, чем нормативные значения на вентиляцию ГК [108]. Увеличение расхода отбираемо-(¦ го от компрессора силовой установки воздуха приводит к уменьшению тяги
и уменьшению дальности полета. В результате приведенная взлетная масса
12
системы кондиционирования воздуха увеличивается, что эквивалентно уменьшению полезной нагрузки летательного аппарата (ЛА).
В 70-х годах появились патенты на схемы СКВ [104], 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".
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 по-зволяет уменьшить и давление отбираемого от силовой установки воздуха, что также приводит к уменьшению приведенной взлетной массы системы.
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 (224, 334) и ИЛ-96. Разработка системы для самолетов ТУ выполнена в НПО "Наука", являющейся ведущей организацией в области авиационных систем кондиционирования воздуха.
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 регенератив- ных АВВХМ. В настоящее время в отечественной и зарубежной литературе полностью отсутствует информация о проведении таких работ. Единственной работой является публикация Ю.М. Шустрова [108], в которой анализи-
13
руется петлевая схема с теплообменником-регенератором. Для проведения теоретического анализа петлевых схем необходимо развитие общей теории 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.
При разработке СКВ используются только инженерные методики расчета и проектирования, и в них не выделен расчет и анализ АВВХМ. В инженерной методике расчета целый ряд исходных параметров цикла задается на основе ранее разработанных аналогов или опыта и интуиции проектировщика. Кроме того, такая методика не опирается на физическую и математическую модели всей системы, поэтому не может определить оптимальные условия реализации. В настоящее время сложилась парадоксальная ситуация -высокий технический уровень агрегатного состава сочетается с полным отсутствием теоретического представления и анализа АВВХМ.
Практическая реализация системы осушки влажного воздуха в регенеративных АВВХМ обозначила еще целый ряд научно-технических проблем. Наиболее важной из них является обеспечение работоспособности системы в условиях возможного обмерзания низкотемпературных зон. По физическим условиям охлаждение сжатого влажного воздуха можно выполнить до температуры + (5 -l)° С. При этом влажный воздух является насыщенным и в нем присутствует остаточная паровая влага. В процессе расширения в турбо-детандере остаточная паровая влага конденсируется и кристаллизуется.
Результаты экспериментальных исследований [2, 88] свидетельствуют о том, что в выходном патрубке турбохолодильника остаточная влага существует в виде образований снега и переохлажденной мелкодисперсной капельной влаги. Капли имеют размеры в несколько микрон и представляют из себя искусственный туман. В условиях низких отрицательных температур потока и отрицательных температур поверхности теплообмена теплообмен- ника-конденсатора наиболее крупные капли оседают на поверхность и кристаллизуются. Несмотря на относительно небольшое содержание остаточной влаги, при больших расходах потока воздуха происходит интенсивное обмер-
14
зание поверхности теплообмена. В результате происходит резкое увеличение давления в выходном патрубке турбохолодильника и работоспособность всей системы нарушается.
Для решения проблемы обмерзания низкотемпературных зон необходимо проведение комплекса исследований и разработка методик теплового расчета теплообменных аппаратов, работающих в условиях совместно протекающих процессов тепломассообмена. В настоящее время в отечественном авиастроении эта проблема полностью не решена.
Атмосферный воздух находит очень широкое применение в современной технике как рабочее тело или технологическая среда. В процессах обработки воздуха атмосферная паровая влага может конденсироваться в капельную, а капельная - кристаллизоваться. Это приводит к коррозии магистралей и элементов пневмосистем, нарушению технологических условий, сбою в . работе систем управления, отказам в работе элементов систем пневмоавтоматики.
В настоящее время эти проблемы решаются путем использования абсорбционных методов осушки воздуха. Однако этот метод имеет ряд недостатков: необходимость периодической регенерации абсорбента, необходимость очистки воздуха от капель воды и масла, частиц пыли и грязи, значительные весо-габаритные характеристики и т.д. Поэтому этот метод не нашел широкого применения.
Более перспективным способом осушки влажного воздуха является "вымораживание" водяного пара, точнее, охлаждение сжатого воздуха до температуры, при которой происходит конденсация водяного пара. Сконденсированная влага сепарируется из потока, а источником холода может быть атмосферный воздух или холодильная машина. В воздушно-холодильных машинах этот способ может быть использован без дополнительных затрат энергии.
Актуальность работы. В 1986 году на международной конференции был принят Протокол по веществам, разрушающим озонный слой, который вступил в силу с 1 января 1989 г. Протоколом установлены группы озоноак-тивных веществ, в том числе хладагентов, производство и потребление кото-
15
рых должны контролироваться и регулироваться в каждой стране. Полное вступление в силу всех ограничений, несомненно, приведет к уменьшению области применения ПКХМ и парка этих машин. В связи с этим весьма актуальным является разработка альтернативных способов получения холода.
В ряду альтернативных способов особое место должны занять воздушно-холодильные машины. Однако, для этого необходима разработка нового поколения ВХМ, работающих по усовершенствованным циклам (регенеративным, регенеративно-осушительным, со ступенчатым сжатием и расширением и их комбинации). Это позволит значительно увеличить термодинамическую эффективность цикла и сделать ВХМ вполне конкурентноспособной по отношению к ПКХМ. Такие воздушно-холодильные машины найдут область применения в современной технике и промышленности.
В современной авиационной технике актуальной является проблема увеличения термодинамической эффективности воздушно-холодильных машин в составе систем кондиционирования воздуха. Экономичность авиационных систем определяется приведенной взлетной массой, которая представляет сумму установочной массы и ее приращения, определяемого величиной отбираемого расхода воздуха и механической работы от силовой установки, увеличением аэродинамического сопротивления самолета воздухозаборниками системы и т.д. Применение воздушно-холодильных машин, работающих по усовершенствованным циклам с оптимизированными параметрами, позволяет значительно уменьшить расход воздуха в "холодной" линии и отбор механической работы, уменьшить приведенную взлетную массу системы и увеличить полезную нагрузку, а также увеличить степень комфортности в гермокабине.
Эта проблема является составной частью общей проблемы систем кондиционирования воздуха — обеспечение максимальной эффективности и экономичности системы. Для решения этой проблемы необходимы научно обоснованные методики расчета, проектирования и оптимизации систем. Решение оптимизационных задач требует теоретического обоснования и модельных представлений о системе кондиционирования в целом и ее структурных элементов.
16
Принцип "вымораживания" паровой влаги из атмосферного воздуха имеет вполне самостоятельное значение для промышленных и транспортных пневмосистем. Трудно оценить убытки от коррозии металлов, уменьшения ресурса и выхода из строя элементов пневмоавтоматики и исполнительных устройств, обусловленных конденсацией и кристаллизацией паровой влаги из атмосферного воздуха. Однако они могут быть существенно уменьшены при использовании систем осушки методом "вымораживания" паровой влаги. При использовании атмосферного холода энергопотребление таких систем осушки можно свести к минимуму.
В современной промышленности широкое применение находят ожи-женные компоненты атмосферного воздуха. Производят такие компоненты в криогенных ожижительных установках, работающих по циклам Линде, Клода и Хейландта [23]. Теоретические основы процессов охлаждения воздуха в этих циклах полностью аналогичны процессам ВХМ. Методы термодинамического анализа, предложенные в данной работе, могут быть использованы для разработки моделей и анализа ожижительных циклов. В результате такого анализа можно аналитически установить основные закономерности и оптимальные параметры ожижительных циклов.
Целью работы была разработка теоретического обоснования и экспериментальное исследование регенеративных систем осушки влажного воздуха воздушно-холодильных машин в составе авиационных систем кондиционирования воздуха. В соответствии с общей целью были поставлены следующие конкретные задачи:
-развитие общей теории воздушно-холодильных машин, в том числе теории регенерации, ступенчатого сжатия, регенеративной осушки влажного воздуха;
-разработка методик комплексного термодинамического анализа обратимых циклов воздушно-холодильных машин и системного представления циклов; -разработка термодинамических циклов класса воздушно-холодильных машин в составе авиационных систем кондиционирования воздуха;
17
-проведение комплексного термодинамического анализа обратимых циклов воздушно-холодильных машин в составе авиационных систем кондиционирования воздуха;
-проведение экспериментальных исследований работы воздушно-холодильных машин на влажном воздухе, разработка физических моделей процессов тепломассообмена;
-изучение условий обеспечения работоспособности регенеративной системы осушки воздуха в условиях обмерзания.
Для решения поставленных задач был разработан метод комплексного анализа обратимых термодинамических циклов воздушно-холодильных машин. Использование этого метода предполагает создание математической модели на основе схемного построения и термодинамического цикла этой схемы. Математическая модель представляет собой систему уравнений, описывающих термодинамическую эффективность цикла и процессы цикла. Анализ математической модели позволяет получить новые данные по области существования цикла, влиянию исходных параметров, оптимизации цикла и т.д.
Для оценки достоверности и систематизации полученных результатов разработан метод системного представления термодинамических циклов. Использование этого метода позволило свести все многообразие термодинамических циклов в единую, взаимосвязанную систему путем приведения более сложных циклов к более простым, а в итоге к четырем базовым типам циклов.
Для решения задач экспериментальных исследований использован метод натурных теплофизических исследований. В диссертации получены следующие новые научные результаты:
• развита общая теория воздушно-холодильных машин;
• разработано теоретическое обоснование и представлен обратимый цикл воздушно-холодильной машины в составе авиационных систем кондиционирования воздуха; |
