Термодинамика циклов авиационных систем кондиционирования воздуха

Ю.В. ДЬЯЧЕНКО, М.В. ГОРБАЧЕВ, Н.И. ПАЩЕНКО

ТЕРМОДИНАМИКА ЦИКЛОВ АВИАЦИОННЫХ СИСТЕМ КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА





НОВОСИБИРСК
2011

УДК 629.7.048.3:536.7
      Д 937

Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор А.В. Чичиндаев, д-р техн. наук, профессор Г. В. Ноздренко




       Дьяченко Ю.В.
Д 937 Термодинамика циклов авиационных систем кондиционирования воздуха : монография / Ю.В. Дьяченко, М.В. Горбачев, Н.И. Пащенко. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2011. - 240 с. (Серия «Монографии НГТУ я).
         ISBN978-5-7782-1727-0
         Рассмотрены вопросы анализа термодинамических циклов подсистем, входящих в состав авиационных систем кондиционирования воздуха.
         Разработаны методики определения термодинамической эффективности идеальных и реальных циклов СКВ в виде холодильных коэффициентов и коэффициентов теплоиспользования, определены области существования и оптимальные условия реализации циклов.
         Предложена система усовершенствованной авиационной воздушно-холодильной машины, проведен ее комплексный термодинамический анализ, выявлены преимущества предложенной схемы перед СКВ, установленной на самолете Ту-204.
         Монография предназначена для специалистов в области разработки и конструирования авиационных систем кондиционирования воздуха и холодильной техники, а также будет полезна студентам, магистрантам и аспирантам при изучении разделов термодинамики циклов и систем кондиционирования воздуха.



ISBN 978-5-7782-1727-0

УДК 629.7.048.3:536.7

                         © Дьяченко Ю.В., Горбачев М.В., Пащенко Н.И.,2011
                                                © Новосибирский государственный технический университет, 2011

Ministry ofEducation and Science of the Russian Federation
NOVOSIBIRSK STATE TECHNICAL UNIVERSITY



YU.V. D’YACHENKO, M.V. GORBACHEV, N.I. PASHCHENKO

THERMODYNAMICS
OF AIRCRAFT AIR CONDITIONING SYSTEM CYCLES






NOVOSIBIRSK
2011

UDC 629.7.048.3:536.7
      D 937


Reviewers:
Prof. A.V. Chichindaev, D.Sc.(Eng.); Prof. G.V. Nozdrenko, D.Sc. (Eng.),




       D’yachenko Yu. V.
D 937 Thermodynamics of Aircraft Air Conditioning System Cycles : monograph / Yu.V. D’yachenko. M.V. Gorbachev. N.I. Pashchenko. -Novosibirsk : NSTU publisher, 2011. - 240 pp. (“NSTU Monographs” series).
          ISBN978-5-7782-1727-0
          Thermodynamic cycles of subsystems of aircraft air conditional systems (ACS) are studied and analyzed.
          Calculation methods of thermodynamic efficiency of ideal and actual cycles of ACS as refrigerating and heat utilization factors have been developed. Domains of existence and optimal conditions for implementing the cycles have been found.
          A system of an improved aircraft air-refrigerating machine is proposed. Comprehensive thermodynamic analysis of the machine has been carried out and some advantages of the proposed system versus ACS installed on the Tu-204 aircraft have been revealed.
          The book is intended for specialists concerned with designing and developing aircraft air conditioning systems and refrigerating machines. It will also be of use for undergraduate, graduate and postgraduate students who study cycle thermodynamics and air conditioning systems.






UDC 629.7.048.3:536.7


                                        © Yu.V. D’yachenko, M.V. Gorbachev, N.I. Pashchenko, 2011
© Novosibirsk State Technical University, 2011


ISBN 978-5-7782-1727-0

            Список условных обозначений и сокращений



   Обозначения:
   dK - влагосодержание капельной влаги, кг/кг с.в.
   dᵤ - влагосодержание паровой влаги, кг/кг с.в.
   d - влагосодержание, кг/кг с.в.
   Н - высота полета, м
   R - газовая постоянная, Дж/(кг-град)
   Р - давление, Па
   ф - коэффициент оребрения
    Т - коэффициент сравнительной эффективности . .                          _ ,, 2    .
    а - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м -град) коэффициент теплоиспользования
    Ф - относительная влажность, %
    £, - отношение горячего воздуха к холодному
    р -плотность, кг/м³ к - показатель адиабаты L - полная работа, Дж ю - скорость, м/с
    Е - степень расширения п - степень рециркуляции л - степень сжатия
    К - степень термодинамического совершенства цикла ds = dK + dₙ - суммарное влагосодержание, кг/кг с.в.
    ц - тепловая эффективность, КПД, отношение рециркуляционного воздуха к холодному
   Q - тепловой поток, Вт
   I - удельная работа, Дж/кг

ср -удельная теплоемкость, Дж/(кг-град)                    
Г    - удельная теплота парообразования, Дж/кг            
S    - удельная энтропия, Дж/(кг-град)                    
У -  - удельный объем, м /кг                              
ч    - удельный тепловой поток, Дж/кг                     
£    - холодильный коэффициент                            
м    - число Маха                                         
1    - энтальпия, Дж/кг                                   
G    - массовый расход, кг/с                              
т, t - температура, К, °C                                 
     к -1   _ __ _     ......   .                         
М =  :--относительный показатель адиабаты                 
     к                                                    
     к -1 ,         , Л-4                             ,-гт
Z -  ----- 4,9776 -10 4 - константа, кг-град/Дж           
     2 kR                                                 
Индексы:                                                   
*    - заторможенный поток                                
max  - максимальный                                       
min  - минимальный                                        
атм  - атмосфера                                          
В    - вентилятор                                         
в    - верхний                                            
г    - горячий источник                                   
гор  - горячий                                            
д    - детандер, действительный                           
ид   - идеализированный                                   
идп  - идеализированный практический                      
идт  - идеализированный теоретический                     
инв  - инверсионный                                       
кр   - критическая                                        
Н    - нерегенеративный                                   
н    - нижний, насыщенный                                 
но   - необратимый                                        
НС   - нерегенеративный двухступенчатый                   
ОС   - окружающая среда                                   
об   - обратимый                                          
обп  - обратимый практический                             

Список условных обозначений и сокращений

9

обр  - обратный                      
обт  - обратимый теоретический       
опт  - оптимальное                   
охл  - охлаждение                    
ОЦК  - обратимый цикл Карно          
пер  - переходное                    
пр   - практический                  
пред - предельное                    
п    - промежуточное                 
р    - регенерация                   
рец  - рециркуляция                  
РР   - разделением работы            
ре   - регенеративный двухступенчатый
сж   - сжатие                        
Т    - турбина                       
т    - теоретический                 
X    - холодный источник             
ХОЛ  - холодный                      

ц - ЦИКЛ

Сокращения:
АВВХМ - авиационная воздушно-холодильная машина

АО   - атмосферный охладитель                
АТ   - атмосферный теплообменник             
ввд  - воздух высокого давления              
вд   - влагоотделитель                       
ВИД  - воздух низкого давления               
вхм  - воздушно-холодильная машина           
ГК   - гермокабина                           
к    - компрессор                            
квд  - конденсация на линии высокого давления
км   - компрессор ТХУ                        
кпд  - конденсация на линии низкого давления 
КП   - компрессор промежуточный              
ЛА   - летательный аппарат                   
оввд - отделение влаги на высоком давлении   
ПАО  - промежуточный атмосферный охладитель  
птк  - промежуточный турбокомпрессор         

САРД - система автоматического регулирования давления
   СКВ - система кондиционирования воздуха
   СОЖ - система обеспечения жизнедеятельности
   ТД - турбодетандер
   ТИС - теплоиспользующая система (теплоиспользующий цикл)
   ТК    - теплообменник-конденсатор
   ТКР - турбокомпрессор
   ТР    - теплообменник-регенератор
   ТХ - турбохолодильник
   ТХУ - турбохолодильная установка
   УАВВХМ -усовершенствованная авиационная воздушно-холодильная машина
   GP - управляющая заслонка

ПРЕДИСЛОВИЕ

   Одной из проблем современной авиационной техники является разработка систем кондиционирования воздуха (СКВ) с максимальной эффективностью и экономичностью. Для решения этой проблемы предложен ряд патентов и практически реализовано новое поколение систем кондиционирования воздуха, характерной особенностью которых является применение в схемных решениях ступенчатого сжатия и регенеративной осушки влажного воздуха. Однако теоретическое обоснование этих систем отсутствует.
   При практической реализации СКВ для получения максимальной эффективности необходимы научно обоснованные методики расчета, проектирования и оптимизации. Решение оптимизационных задач требует теоретического обоснования и модельных представлений о системе кондиционирования в целом и ее структурных элементов.
   Исторически сложилась ситуация, когда основной целью при разработке СКВ являлось обеспечение требуемых параметров воздуха в гермокабине (ГК) и высокой надежности работы системы. Поэтому при разработке СКВ используются в основном инженерные методики расчета и проектирования, целый ряд исходных параметров систем 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 развитие авиационных СКВ идет по пути совершенствования технических характеристик агрегатного состава.

В результате такой работы агрегаты современных систем имеют очень высокие технические характеристики. При этом термодинамическая эффективность цикла воздушно-холодильной машины (основной системы генерации холода на борту самолета) остается на слишком низком уровне, как правило, она не превышает 0,3...0,6. Уменьшение термодинамической эффективности компенсируется увеличением расхода рабочего воздуха. Именно поэтому в современных СКВ расходы воздуха значительно больше, чем нормативные значения на вентиляцию. Увеличение расхода отбираемого от компрессора силовой установки воздуха приводит к уменьшению тяги и дальности полета. В результате приведенная взлетная масса СКВ увеличивается, что эквивалентно уменьшению полезной загрузки самолета или уменьшению дальности полета.
   Увеличение термодинамической эффективности СКВ возможно только с помощью новых схемных построений и синтеза схемных решений. К сожалению, на данное время в известной литературе практически отсутствуют результаты исследований этих вопросов.
   Впервые метод комплексного термодинамического анализа циклов воздушно-холодильных машин (АВВХМ) в составе авиационных СКВ был разработан в научной школе «Теплофизика и теоретическая теплотехника» НГТУ в работах [36, 37]. Эта методика позволила разработать модели идеализированных и реальных циклов АВВХМ, определить области существования циклов и их термодинамическую эффективность, а также выполнить сравнительную оценку различных вариантов схемного построения.
   В настоящей монографии приведены результаты дальнейшего развития методики термодинамического анализа применительно ко всей СКВ в целом. В основе такого подхода положено представление СКВ как сложной теплоэнергетической системы, состоящей из двух сопряженных подсистем - генерации тепла и холода. Полученные в этих подсистемах потоки воздуха смешиваются и подаются на вентиляцию и наддув ГК. В основе работы подсистем лежат термодинамические циклы: в подсистеме генерации тепла - прямой цикл (теплоиспользующий), а в подсистеме генерации холода - об