第7章 制冷系統(tǒng)

航空保障技術(shù)與工程課程安排：12-19周學(xué)時：32講師：劉磊第七章制冷系統(tǒng)飛機制冷系統(tǒng)為什么要著重考慮？制冷系統(tǒng)可以保證座艙和設(shè)備艙的冷卻，它的形式、組成和工作原理，往往代表空調(diào)系統(tǒng)的特征；由座艙增壓器或發(fā)動機壓氣機供出的增壓空氣具有很高的壓力和溫度，對座艙加溫比較方便，但是對高溫高壓空氣進行冷卻并保持座艙的環(huán)境往往比較復(fù)雜。本章主要介紹：空氣循環(huán)制冷、蒸發(fā)循環(huán)制冷、熱電制冷、渦流管制冷、半導(dǎo)體制冷。空氣循環(huán)制冷蒸發(fā)循環(huán)制冷熱電制冷渦流管制冷半導(dǎo)體制冷優(yōu)點系統(tǒng)質(zhì)量輕、尺寸小、可靠性高、檢修和維護工作量小，系統(tǒng)調(diào)節(jié)和控制方便，尤其冷卻工質(zhì)可同時輸入座艙作為增壓、通風(fēng)之用。旅客機上應(yīng)用，性能系數(shù)高、功率消耗較小，在下一代飛機的冷卻上有廣闊的應(yīng)用前景。對電子設(shè)備和機載設(shè)備的局部發(fā)熱去的冷卻，具有較大的潛力。缺點性能系數(shù)低（制冷效率低），經(jīng)濟性不好。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，質(zhì)量大。幾種制冷形式的比較：7.1空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)基本工作原理：空氣制冷系統(tǒng)利用高壓氣源供來的空氣，通過冷卻渦輪，在渦輪中膨脹作功，使空氣本身的溫度和壓力大大降低，為了消耗這部分功，渦輪可以帶動風(fēng)扇、壓氣機、泵或其他輔助裝置，使高壓空氣中的熱焓轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功，從而達到降溫或制冷的目的。

制冷：將熱量從低溫傳向高溫，人為的非通常的逆流過程，需要消耗功。

制冷系數(shù)COP：所傳走的熱量與所消耗的功之比。COP越高表明傳走相同的熱量所消耗的功愈小，經(jīng)濟性愈好，制冷效率高。

理想空氣制冷循環(huán)：系統(tǒng)基本組成：1.熱交換器原理：把熱量從一種載熱介質(zhì)傳遞給另一種載熱介質(zhì)。

加熱流體——加熱器；冷卻液體——散熱器/冷卻器類型：根據(jù)交換器中冷流和熱流的流動方式的不同分為逆流式，叉流式，

順流式，復(fù)合式構(gòu)造：間壁式，兩種熱介質(zhì)被一金屬換熱面隔開。清洗：清洗液清洗法，蒸汽清洗法，超聲波清洗法2.渦輪冷卻器原理：氣流經(jīng)過與機殼固定在一起的噴嘴環(huán)后，一部分壓力能轉(zhuǎn)換為氣體的動能，即環(huán)內(nèi)的氣體壓力降低，速度增加。自噴嘴環(huán)流出的氣體沖擊渦輪葉片使其高速旋轉(zhuǎn)，將氣體壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，同時氣體劇烈膨脹，溫度下降；渦輪軸另一端固定風(fēng)扇（或壓氣機）作為負(fù)載，消耗功率。渦輪冷卻器的分類

按照負(fù)載的不同，渦輪冷卻器分為三類：

渦輪風(fēng)扇式

渦輪壓氣機式

渦輪壓氣機風(fēng)扇式

空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)分類：按渦輪冷卻器類型的不同，分三類

1.渦輪通風(fēng)制冷系統(tǒng)(渦輪風(fēng)扇式)。組成熱交換器和高速渦輪等。工作原理由發(fā)動機壓氣機供出的高溫高壓空氣，經(jīng)過調(diào)節(jié)裝置后，通向熱交換器進行冷卻，并在冷卻渦輪里進一步膨脹冷卻后，供向座艙。通常在渦輪的驅(qū)動下，采用風(fēng)扇或壓氣機抽吸或引射熱交換器的冷卻空氣。優(yōu)點最簡單，質(zhì)量最輕

由于風(fēng)扇或引射器可以抽吸或引射冷卻空氣，使供向座艙的高溫高壓熱空氣得到冷卻，這樣飛機處于地面停機狀態(tài)，系統(tǒng)也有冷卻作用。缺點隨著飛行高度的增加，空氣密度下降，風(fēng)扇負(fù)荷減小，冷卻渦輪轉(zhuǎn)速增加，渦輪壽命收到影響，因此飛行高度受到限制。圖7-6(a)采用風(fēng)扇之一圖7-6(b)采用風(fēng)扇之二渦輪通風(fēng)制冷系統(tǒng)基本形式圖7-6(c)采用壓氣機渦輪通風(fēng)制冷系統(tǒng)基本形式2.升壓式制冷系統(tǒng)(渦輪壓氣機式)。組成初級熱交換器、次級熱交換器和渦輪壓氣機組件等。工作原理以沖壓空氣作為增壓源，由渦輪帶動壓氣機，使得渦輪進口壓力提高，膨脹比提高，可以獲得更大的渦輪溫降。優(yōu)點高空飛行時，發(fā)動機壓氣機出口壓力較低，升壓式可部分解決艙內(nèi)增壓問題；高速飛行時，升壓式比風(fēng)扇式渦輪膨脹比大，故制冷量大；在相同制冷條件下，升壓式的供氣壓力或引氣量較小，引起飛機性能的代償損失小，發(fā)動機耗油較小，經(jīng)濟性能好；

渦輪運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，轉(zhuǎn)速變化小，渦輪壽命較長。缺點飛機在地面停機狀態(tài)或起飛滑跑時，兩只熱交換器缺乏沖壓空氣，系統(tǒng)制冷能力小解決：1.采用由電機傳動或渦輪驅(qū)動的專用通風(fēng)機，地面停飛或起飛滑跑時，抽吸冷空氣；

2.采用從發(fā)動機壓氣機直接引起的引射器，引射冷卻空氣。圖7-5升壓式制冷系統(tǒng)的基本形式3.三輪式制冷系統(tǒng)(升壓式-渦輪通風(fēng)式組合制冷)。組成:將升壓式和渦輪通風(fēng)式組合起來。特點：1.冷卻空氣風(fēng)扇和升壓式壓氣機安裝在同一根軸上，由渦輪驅(qū)動。2.既有升壓式系統(tǒng)的優(yōu)點：供氣壓力小，節(jié)省功率；3.又有渦輪通風(fēng)式的優(yōu)點：可以地面制冷；4.由于升壓式壓氣機吸收了大部分的渦輪功率，故還可防治制冷裝置過速。圖7-10三輪式空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)4.空氣濕度對空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)性能的影響

在低空飛行、海平面飛行或停機狀態(tài)下，作為制冷工質(zhì)的空氣并非干空氣，在通過渦輪膨脹冷卻時，若渦輪出口溫度低于露點溫度，則空氣中的水蒸氣將要凝結(jié)為水或結(jié)冰，凝結(jié)過程中釋放出的大量的熱量將影響渦輪出口溫度。在濕空氣條件下，渦輪實際出口溫度降比干空氣條件下的渦輪溫度高。

解決：在制冷系統(tǒng)的渦輪出口處往往裝有水分離器，可以將渦輪所凝結(jié)的水大部分分離掉。（低壓除水）

缺點：會使制冷系統(tǒng)的制冷能力大為降低。圖7-8裝有水分離器的制冷系統(tǒng)5.高性能制冷系統(tǒng)(高壓除水制冷)制冷系統(tǒng)的的新要求：1.節(jié)約能源，節(jié)省燃油，減少系統(tǒng)引起的飛機性能代償損失；2.從內(nèi)外涵發(fā)動機的內(nèi)涵引氣，減少引氣量；3.為了更安全可靠低對電子設(shè)備進行冷卻，要求了冷卻空氣中沒有水分。解決：高壓除水（空調(diào)系統(tǒng)中，渦輪入口之前的稱為高壓，之后為低壓）

即在空氣供入渦輪之前，將其中的水蒸汽除去。

優(yōu)點：可以除去空氣中絕大部分水分，系統(tǒng)所需要的引氣量小，可提供干燥的低溫的空氣，不僅節(jié)省發(fā)動機功率，而且對保護電子設(shè)備非常有利。圖7-11基于升壓式的高壓除水系統(tǒng)在冷凝器中凝結(jié)出水分，并通過水分離器分離出來，或通過回?zé)崞髡舭l(fā)掉。高壓除水和低壓除水的比較高壓除水低壓除水除水位置渦輪前渦輪后除水機理裝在渦輪入口處的冷凝器中凝結(jié)出水分，并變?yōu)檩^大的水滴，其中絕大部分水分可以通過高壓水分離器分離，沒有被分離的水分通過回?zé)崞髡舭l(fā)。利用水分離器，將渦輪出口處的大部分水分分離出來，需要凝聚網(wǎng)袋收集水滴。

優(yōu)缺點除水效率高，渦輪出口溫度不受限制，可以很低，甚至-30~-40°C。除水效率低，流阻大，使渦輪出口反壓高；凝聚網(wǎng)袋易堵塞，需要經(jīng)常裝拆維修。6.空氣循環(huán)系統(tǒng)使用范圍的拓展升壓式和渦輪通風(fēng)式的局限：采用沖壓空氣作為冷源，使其應(yīng)用受到飛行速度和高度的限制。隨著飛行高度的進一步提高，由于氣動摩擦，座艙熱載荷增加，沖壓空氣的溫度也急劇增加，此時，采用沖壓空氣作為冷源的空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足系統(tǒng)的需求。

升壓式：飛行高度≤25km，馬赫數(shù)Ma≤1.0

渦輪通風(fēng)式：飛行高度≤11km，馬赫數(shù)Ma≤1.5~2.0

對于Ma為2~2.5的超音速飛機，可作為冷源的有：

燃油、開式蒸發(fā)系統(tǒng)、渦輪出口低溫空氣、

座艙排氣、閉式蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)。（1）以燃油作為冷源的系統(tǒng)

燃油的優(yōu)勢：溫度比沖壓空氣低，作為熱交換器的吸熱介質(zhì)，可以避免在高速飛行中，由于采用沖壓空氣而引發(fā)的嚴(yán)重的空氣阻力。燃油作為吸熱介質(zhì)，在進入發(fā)動機之前，將熱量帶走。燃油的劣勢：受發(fā)動機工況和飛行時間的影響，油箱中的燃油溫度將有所變化，這將導(dǎo)致燃油熱交換器的性能不穩(wěn)定。圖7.14采用空氣-燃油熱交換器的制冷系統(tǒng)空氣-燃油熱交換器密封的解決措施：（1）燃油和座艙空氣之間沒有共同的管壁，中間采用空氣隔離；（2）在所有飛行狀態(tài)下，燃油管內(nèi)的壓力低于座艙供氣管內(nèi)的壓力。燃油作為冷源的要求：

1.進入發(fā)動機的燃油溫度不允許超過其允許值，一般應(yīng)為120~150°C；

2.防止燃油泄漏到座艙空氣中去。

（2）采用水蒸發(fā)器的開式蒸發(fā)制冷系統(tǒng)水的優(yōu)勢：水的潛熱最大，可作為可消耗性制冷劑，這樣系統(tǒng)最輕，體積小。水的劣勢：水的沸點較高，在海平面為100°C，在應(yīng)用時，應(yīng)與冷卻渦輪結(jié)合使用，把水蒸發(fā)器安置在沖壓熱加熱器和渦輪之間。適用于短時間超聲速飛機，系統(tǒng)簡單；長時間超聲速飛行，攜帶的水質(zhì)量太大。水蒸發(fā)器的主要任務(wù)：

高空高速飛行時，水蒸發(fā)器系統(tǒng)工作，水沸騰，消耗制冷劑；

巡航飛行時，水蒸發(fā)器不工作，水不沸騰，不消耗制冷劑，所以水箱必須絕熱，以防結(jié)冰。

水的沸點的變化：

高度/km水的沸點/°C0100293.4486.7679.6873.11066.3高度/km水的沸點/°C1259.51452.71646.41840.32034.53010（3）再生式制冷系統(tǒng)

高速飛行時，沖壓空氣的溫度很高，且熱交換器的阻力很大，使飛機代償損失很大，影響飛機的性能。為了增強空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)的制冷能力，降低渦輪出口溫度，擴大使用范圍，可以用以下兩種形式的再生式系統(tǒng)。

①利用渦輪出口空氣作為冷源冷源：渦輪出口引10%的空氣②利用座艙排氣作為冷源優(yōu)點：座艙排氣溫度低，一般均排出機外而不利用，若利用這部分能量，它沒有沖壓阻力，可大幅度地減小飛機性能代償損失。缺點：再生式熱交換器的流比受座艙泄漏量的影響，并可能影響座艙壓力的穩(wěn)定和壓力的動態(tài)性能。7.2蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)基本原理：利用液態(tài)制冷劑的汽化過程吸收空氣中的熱量，在空氣進入座艙和設(shè)備艙之前，大幅度地降低空氣的溫度。特點：1.系統(tǒng)的冷卻效率高（性能系數(shù)COP高）；2.在地面停機狀態(tài)下，具有良好的冷卻能力；3.高空高速飛行時，節(jié)省燃油，經(jīng)濟性良好，但是系統(tǒng)的質(zhì)量較大。制冷劑的要求：1.蒸發(fā)壓力和冷凝壓力適中；2.制冷劑單位溶劑制冷能力強；3.臨界溫度不宜太低，易于常溫下液化，使制冷循環(huán)的工作區(qū)遠離臨界點；4.粘度小，以降低制冷劑的流動阻力；

導(dǎo)熱系數(shù)和放熱系數(shù)大，以提高蒸發(fā)器和冷凝器的傳熱效能；

絕熱系數(shù)小，以降低壓縮機的排氣溫度；5.無毒、無腐蝕性和不可燃性。曾經(jīng)使用氟利昂12,11,114，但是泄漏后對環(huán)境造成污染現(xiàn)在用環(huán)保類產(chǎn)品R134a利用制冷劑（氟利昂）狀態(tài)的變化完成熱量的轉(zhuǎn)移！

冷凝器

低壓液體熱膨脹閥高壓液體

高壓氣體壓縮機

低壓氣體冷空氣

蒸發(fā)器

鼓風(fēng)機熱空氣容器1.蒸發(fā)循環(huán)制冷的熱力過程閉式循環(huán)系統(tǒng)圖7-20蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)制冷劑蒸發(fā)，吸收熱量2.蒸發(fā)循環(huán)制冷系統(tǒng)方案（1）多級蒸發(fā)器工作系統(tǒng)

為了劃分不同的冷卻載荷，例如座艙冷卻和電子設(shè)備冷卻，需要并聯(lián)幾個蒸發(fā)器，當(dāng)蒸發(fā)器的蒸發(fā)溫度不同時，必須有各自獨立的反壓活門。圖7-23多級蒸發(fā)器工作系統(tǒng)（2）組合式制冷系統(tǒng)

用于壓縮比比較大的制冷系統(tǒng)

（3）串聯(lián)式制冷系統(tǒng)

用于冷源溫度較高的制冷系統(tǒng)

3.開式蒸發(fā)制冷系統(tǒng)利用制冷劑產(chǎn)生集態(tài)變換來吸收供入座艙空氣的熱量，制冷劑吸熱后，變?yōu)檎羝懦鰴C外。適用于續(xù)航時間短的超聲速飛機。圖7-29開式蒸發(fā)制冷系統(tǒng)常用的制冷劑：

水，氮，液氧，液氮和液態(tài)空氣7.3熱電制冷原理：又稱溫差制冷，利用與熱電偶相反的原理，用直流電在兩端連接處引起溫差。

當(dāng)電流通過一個熱電偶時，在其連接處可產(chǎn)生不同的溫度，并存在以下幾個效應(yīng)：1.塞貝克效應(yīng)2.焦耳效應(yīng)3.導(dǎo)熱效應(yīng)4.玻爾貼效應(yīng)5.湯姆遜效應(yīng)1.塞貝克效應(yīng)4.玻爾貼效應(yīng)熱電制冷系統(tǒng)：兩種不同的導(dǎo)體n和p構(gòu)成兩個連接處，選用合適的導(dǎo)體材料使ｐ具有正熱電能力，而ｎ具有負(fù)的熱電能力。冷連接點固定在一塊金屬班上或其他類型的熱交換表面上，置于空間或制冷物質(zhì)中；熱連接點置于氣體介質(zhì)表面，這些介質(zhì)可以將熱拍到大氣中。熱電制冷模型：Ｐ型和Ｎ型元件交替地安裝在熱交換器表面上。若熱源和冷源為空氣，為了改善換熱條件，可加裝肋片。7.4渦流管制冷是一種供氣從切向進入圓柱