蒸气压缩式飞机空调车除湿的改进研究

龚永奇，邓 建，刘慎洋

1 前言

飞机空调车是在飞机发动机停机状态下，在地面通电检查和维修飞机电子设备时，给飞机设备舱提供干燥而洁净的给定温度和湿度的冷、热空气，用来控制飞机电子仪器工作环境的保障设备。随着大型飞机电子设备的数量越来越多，功率越来越大，飞机空调车在飞行保障过程中发挥着越来越重要的作用［1，2］。

目前蒸气压缩式飞机空调车应用广泛。在处理空气显热方面，蒸气压缩式制冷循环具有传热效率高、结构简单等优点。但是在处理空气潜热方面，蒸气压缩空调系统是冷凝除湿，其蒸发温度往往低于露点温度，因而蒸气压缩制冷循环的除湿效率比较低；同时由于除湿不彻底，通冷风过程中时常会出现水滴等问题。本文针对蒸气压缩式飞机空调车存在的除湿问题，提出一种基于热泵的固体除湿系统，并对其除湿性能进行改进。

2 基于热泵的固体除湿系统的工作原理

2.1 系统结构

基于热泵的固体除湿系统是在传统的蒸气压缩式空调基础上进行的改进，主要区别是表面涂覆了固体吸附剂的除湿换热器取代传统的除湿装置，同时将蒸发温度提高到15 ℃以上［3］，如图1所示。基于热泵的固体除湿系统主要是由2个除湿换热器、热泵空调、节流元件、2个离心式风机、四通换向阀组成。

图1 基于热泵的固体除湿系统示意

在飞机空调车冷风工况中，机场处的空气通过低温的蒸发器侧，多余的水分被蒸发器表面的除湿剂吸附，同时低温的制冷剂带走除湿过程中产生的吸附热，然后送入飞机设备舱。另一侧的户外新风通过高温的冷凝器释放的冷凝热加热吸湿剂，使上一循环中吸附的水分被解析，被排放到大气中［4］。通过制冷剂侧四通换向阀和空气侧风阀的切换，使2个除湿换热器的角色发生互换，完成一个完整的循环周期，并按照这种方式往复与运动，从而向飞机设备舱内不断提供符合要求的新风。

2.2 空气处理过程

蒸气压缩式飞机空调车为全新风系统，以降温除湿为例，其通冷风过程及新型的固体吸附除湿过程如图2所示。过程1表示固体除湿空调处理空气过程，环境空气状态位于空气处理示意图的最上方W状态点，进入除湿换热器进行冷却除湿达到F状态点，然后经过降温达到送风温度状态点S。过程2表示蒸气压缩式空调车处理空气过程，环境空气W经过预冷处理，降温减湿到达B状态点；状态B点到C点为空气在风机中的升温过程；然后C点空气再次被冷却去湿至D点，使得该状态下的空气含湿量满足指标要求（≤8g/kg干空气）；最后根据送风温度要求，等湿加热至状态点 S［5］。

图2 空气处理过程的焓湿图

3 空调系统能耗理论分析

假设飞机空调车的风量G以及飞机设备舱内热湿比ε已知，对于过程1来说，所需要的制冷剂负荷主要用来处理新风负荷Qfa和由于在吸附水蒸气过程中会放出比冷凝热更多的吸附热Qxf。另外空调系统在除湿蒸发器和除湿冷凝器功能切换过程中因为热惯性带来的冷量损失相当于总制冷量来说一般较小，因此可以忽略不计［6,7］。

新风空气的绝对湿度可以用近似公式计算：

式中 H——空气相对湿度

B——大气压，Pa，取 B=101325Pa

T0——开尔文温度，K

湿空气的比焓h计算式：

送风状态点的空气状态为：

式中 ts，tw——送风空气和环境空气的温度，℃

ds，dw—— 送风空气和环境空气含湿量，g/kg干空气

3.1 过程1能耗

过程1所需的总制冷量为：

式中 iw，is—— 环境空气和送风空气的焓值，kW/kg

Lxf——吸附剂吸附水蒸气的吸附热，kW

L ——水蒸气冷凝时的气化潜热，kW

由于飞机空调车利用风管输送风，风管中有阻力，当飞机空调气在风管内流动时由于管内的摩擦阻力和局部阻力产生压降，通过风管的压降ΔP1与通过的风量G的平方成正比，即：

式中 Sflow——管路阻抗

ρa——空气密度，kg/m3

ξ——局部阻力系数

l——管路长度，m

d ——管路直径，m

离心风机的耗电功率WF为：

式中 ΔP——换热器前后的压差，Pa

ηF——风机机械效率

空调系统总耗能W1：

3.2 过程2能耗

对于过程2来说，露点的状态参数为：

式中 PL——水蒸气分压力，kPa

tL——空气的露点温度，℃

iL——空气露点时的焓值，kW/kg

空调系统的负荷为：

空调系统总耗能为：

其中需要说明的是，对于送风过程中，空调系统密封性良好，风量没有损失。采用R134a制冷剂的压缩机的COP变化不大，可近似取为定值［8］。

4 结果与讨论

本文选择3种不同的飞机设备舱内热湿比（5000，7000，10000）、3种不同的天气情况（（40℃，70%）、（35℃，60%）、（30℃，40%）），计算飞机空调车空调系统在不同的送风温差下的整体系统性能水平。其中，设定的飞机设备舱状态为（25℃，50%），制冷剂为R134a，送风压差为1000Pa、风机效率为 0.6。

图3所示为户外天气为（35℃，70%），飞机空调车空调系统在飞机设备舱内热湿比分别为5000，7000，10000时，飞机空调车的空调系统的功耗随着送风温差的不同而变化的情况。从图3中可以看出，随着送风温差的增大，系统能耗也随之而增大；同时热湿比越大，在相同送风温差的条件下其功耗越小。

图3 不同热湿比条件下过程1的总功耗随送风温差的变化

图4 所示为是舱内热湿比为5000时，飞机空调车空调系统在（40℃，70%）、（35℃，60%）、（30℃，40%）3种不同室外天气条件下，整个空调系统的能耗随天气不同而变化的情况。户外天气温度越高、湿度越大则整个系统的功耗越高。

图4 不同户外天气条件下过程1的总能耗随送风温差的变化

户外天气为（35℃，70%），吸附剂为硅胶时，基于热泵的固体除湿系统在舱内热湿比分别为5000，7000和10000时，整个空调系统的功耗随着送风温差的变化如图5所示。从图5中可以看出，随着热湿比的增大，除湿系统功耗逐渐减少；随着送风温差的增大，除湿系统功耗逐渐增大。

图5 不同热湿比条件下过程2的总功耗随送风温差的变化

图6所示为ε为5000，吸附剂为硅胶时，基于热泵的固体除湿系统在（40℃，70%）、（35℃，60%）、（30℃，40%）3种不同户外天气条件下，整个除湿系统的功耗随着天气不同而变化的情况。从图6中可看出，系统功耗随着户外温湿度的增加而增加，随着送风温差的降低而增加。飞机地面需要的空调气源有严格的要求，即送风含湿量小于等于8g/kg干空气。从图7可看出基于热泵的空调系统在舱内热湿比为5000时，不同送风温差的送风含湿量均满足送风要求。

图6 不同户外天气条件下过程2的总能耗随送风温差的变化

图7 不同送风温差条件下送风空气的含湿量随送风温差的变化

比较图3和图5可以发现，基于热泵的固体除湿系统能耗比冷凝除湿系统的能耗更小，而且舱内热湿比越小，即湿度越大，两者能耗的差别越大，节能效果越明显。当舱内热湿比为5000时，固体吸附除湿的最低能耗为30 kW，而冷凝除湿系统最低能耗为35 kW。因此，此时固体吸附除湿相对与冷凝除湿节能约14%。比较图4和图6可以发现，在同样的天气条件下，固体吸附除湿系统的功耗比冷凝除湿系统的能耗更小。

5 结论

（1）采用基于热泵的固体除湿系统相比传统的冷凝除湿能耗更低，而且舱内的热湿比越小或者户外天气的湿度越大，系统能耗越低。当舱内热湿比为5000时，在满足送风要求的条件下，基于热泵的固体除湿系统的最低能耗为30 kW，而冷凝除湿系统最低能耗为35 kW。因此，此时该系统相对于冷凝除湿节能约14%。

（2）基于热泵的固体除湿系统的能耗随着送风温差的增大而减少，而且相同送风温差下，固体吸附除湿系统的能耗更小。

（3）在相同的天气条件下，基于热泵的固体除湿系统的能耗比冷凝除湿系统的能耗更小，而且户外天气湿度越大，其节能效果越明显。

［1］ 国防科学技术委员会.GJB2643-96：飞机地面空调车通用规范［S］.北京：中国标准出版社，1996.

［2］ 朱日春.国外飞机空调车现状和发展趋势［J］.四川工兵学报,2012,33(10):66-69.

［3］ 刘宝霞,范斌.飞机地面保障设备的发展趋势［J］.沈阳航空工业学院学报,2000, 17(2):84-86.

［4］ 张科,周志钢,吴兆林.飞机地面空调车的应用与发展［J］.低温与超导,2009, 37(8):52-55.

［5］ 唐华杰,吴兆林,周志刚.飞机地面空调车和军用飞机地面液体冷却车的应用和发展［J］.流体机械,2006,34(2):73-75.

［6］ 涂耀东,江宇,葛天舒,等.新型固体除湿空调能耗影响因素分析［J］.化工学报, 2014,65(S2):223-227.

［7］ 黄溢.一种新型热湿独立控制系统实验及模拟研究［D］.上海：上海交通大学,2014.

［8］ 江宇,黄溢.新型热湿独立控制空调系统的实验研究［J］.化工学报,2014, 65(S2):188-194.