基于内冷除湿的航空地面空调保障装备空调系统设计

龚永奇，邓 建，张文一，王 辉

(空军勤务学院航空四站系，江苏 徐州 221000)

基于内冷除湿的航空地面空调保障装备空调系统设计

龚永奇，邓 建，张文一，王 辉

(空军勤务学院航空四站系，江苏 徐州 221000)

针对当前航空地面空调保障装备除湿效率低、系统能耗大等问题，设计了一种新型航空地面空调保障装备的空调系统——基于内冷除湿的空调系统，并将该系统与传统的蒸气压缩式空调系统的性能进行了对比分析，结果表明：基于内冷除湿的空调系统具有更高的能效比，可更好地进行飞行保障。

航空地面空调保障装备； 空调系统； 内冷除湿

航空地面空调保障装备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，给飞机电子设备舱提供干燥洁净的冷风、热风或通风，用来控制飞机电子设备工作环境条件的保障装备[1]。航空地面空调保障装备也在地面为飞机客舱、驾驶舱提供空调气源。在我国北方干燥地区，航空地面空调保障装备主要的负荷是对输出风温度进行调节；而在我国南方潮湿地区，航空地面空调保障装备主要的负荷是对输出风温度和湿度进行调节[2]。

航空地面空调保障装备主要是指航空地面空调车，当前航空地面空调车的空调系统应用较为广泛的是蒸气压缩式制冷循环，其具有传热效率高、技术成熟和使用方便等优点。但是由于蒸气压缩式空调系统是过冷除湿，制冷机不得不降低蒸发温度，因而制冷机的效率也随之降低，在夏季潮湿地区往往会出现除湿达不到要求，以及向飞机设备舱通风时出现水滴等问题。针对以上问题，笔者设计一种基于内冷除湿的航空地面空调保障装备空调系统，既可实现温湿度独立控制，又可利用冷凝热实现吸附剂再生，能够节约飞行保障时间和提高航空地面空调保障装备的保障效率。

1 系统设计

内冷除湿系统是一种新型的除湿系统，是在热泵系统上进行的改进，主要区别是用表面涂覆了固体吸附剂的除湿换热器取代传统的换热器。其内冷除湿的本质是：附着在换热器的吸附剂在吸收空气中的水蒸气时，产生的吸附热被蒸发器内制冷剂带走，降低了吸附剂的吸附温度，提高了吸附剂的吸附量，实现了高性能除湿。

1.1 基本原理和系统组成

基于内冷除湿的空调系统是利用热湿独立控制的原理，由内冷除湿系统去除空气中的湿度，同时利用冷凝器释放的热量来实现吸附剂的再生[3]，然后利用蒸气压缩系统实现对空气温度的调节，其基本原理如图1所示。

图1 基于内冷除湿的空调系统基本原理

该系统是由内冷除湿系统和蒸气压缩系统耦合而成，其中：内冷除湿系统主要由2个除湿换热器、变频热泵空调(含压缩机、压缩机控制单元、四通换向阀)、节流元件、2个离心式风机、风阀、四通换向阀和S7-200型可编程控制器组成；蒸气压缩系统主要由2组蒸气压缩制冷循环组成。

1.2 吸附剂和制冷剂的选取

在选取吸附剂时，既要考虑除湿材料的吸附能力，也要考虑除湿材料的再生能力。一般而言，除湿材料的吸附量越大、再生温度越低，除湿材料就越好。由于该系统选用的固体吸附剂是涂覆在换热器上，需要考虑除湿材料的传热能力，因此选用硅胶+硅溶液+氯化锂溶液+固化硫化石墨作为吸附剂[4-5]。同时，该系统选用对环境无污染的R134A作为制冷剂。

1.3 空气处理过程

航空地面空调保障装备为全新风系统，其冷凝除湿及内冷除湿过程的焓湿图如图2所示。

传统的航空地面空调保障装备冷凝除湿空气处理过程：环境空气状态点A经过预冷处理，降温减湿到达状态点B，经过鼓风机中的增压升温过程到达状态点C，然后再次被冷凝除湿至状态点D，使该状态下的空气含湿量满足送风指标要求(≤8 g/kg干空气),最后根据送风温度要求，等湿加热至状态点E。

图2 航空地面空调保障装备冷凝除湿与内冷除湿过程的焓湿图

新型的航空地面空调保障装备内冷除湿空气处理过程：环境空气状态点A进入除湿换热器后，先经过冷却除湿到达状态点F，然后经过降温到达送风温度状态点E。

1.4 运行模式

航空地面空调保障装备主要实现冷风、热风和通风3种功能。飞机起飞前，根据机务的要求，给飞机电子设备舱和飞机驾驶舱提供温度可控的干燥洁净空调气。

图3为基于内冷除湿的空调系统运行模式。在冷风工况中，系统顺时针运行时，如图3(a)所示，户外空气通过低温的蒸发器侧，空气中水蒸气被蒸发器表面的吸附剂吸附，同时制冷剂蒸发吸热，带走除湿过程中产生的吸附热，高温、潮湿的空气被处理成为干燥风，然后经过蒸气压缩式空调系统的蒸发器降低温度，以达到符合规定的送风温度；另一侧的户外空气通过高温冷凝器释放的冷凝热解析饱和的吸附剂，使上一循环中吸附的水分排放到大气中。然后经过设定的循环切换时间，通过切换制冷剂侧的四通换向阀和离心风机风向，使该系统逆时针运行，如图3(b)所示，此时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。按照这种方式往复运动，从而向飞机设备舱内不断提供干冷的新风[6]。

在热风工况中，空气的除湿过程与供冷风工况一样，在温度控制过程中，利用蒸气压缩式空调系统进行加热，达到设定的通风温度。

图3 基于内冷除湿的空调系统运行模式

1.5 运行控制方式

基于内冷除湿的空调系统在不同运行模式下阀门的控制情况如表1所示。

表1 不同运行模式下阀门的控制情况

笔者设定四通换向阀和风道的切换时间，通过改变制冷剂的流向，使蒸发器与冷凝器循环切换，附着在蒸发器上的吸附剂对送风空气中的水蒸气进行吸附，附着在冷凝器上的饱和吸附剂进行再生，从而循环实现吸附剂的吸附和再生。

送风空气中温、湿度的控制以西门子公司的S7-200型可编程控制器为核心，利用其EM231模拟量输入模块和PID控制模块实现温、湿度的数据采集和运行控制，使空调系统输出符合要求的飞机空调气[7-8]。

2 系统性能分析

通过设定航空地面空调保障装备的风量，机场环境含湿量dn与飞机需要的空调气源含湿量ds存在如下关系：

ω=G(dn-ds)。

(1)

式中：ω为空调系统需要的除湿量；G为新风量。

航空地面空调保障装备送风温度ts的范围为10～50 ℃，含湿量ds≤8 g/kg，其承担的潜热负荷为

QH=ω(2 500-2.35ts)，

(2)

其显热负荷为

QHS=cρG(tn-ts)，

(3)

式中：cρ为空气比定压热容；tn为户外空气温度。

由于航空地面空调保障装备利用风管输送风，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与流量G的平方成正比，即

ΔP1=SflowG2/ρa2，

(4)

(5)

式中：Sflow为管路阻抗；ρa为空气密度；ξ为局部阻力系数；l为管路长度；d为管路直径；g为重力加速度；λ为管路摩擦阻力系数，采用莫迪公式计算，即

(6)

其中，Δ为管路的绝对粗糙度；Re为管内空气的雷诺数。

离心风机的耗电功率为

WF=(ΔP+ΔP1)G/(ηFρa)，

(7)

式中：ΔP为换热器前后的压差；ηF为风机机械效率。

空调系统的性能系数(Coefficient Of Perfor-mance，COP)C表示空调系统运行的能效比，其值越大，空调系统的能效比越大，其计算公式为

C=(QH+QHS)/(WS+WF)，

(8)

式中：WS为航空地面空调保障装备压缩机耗电功率。

笔者设计的除湿换热器的除湿面积为8 m2，该系统除湿剂循环除湿量能够达到0.15 kg/kg，平均除湿量为12 g/kg。在夏季机场温度35 ℃、相对湿度60%的工况下，航空地面空调保障装备送风状态按经验设定为20 ℃，8 g/kg干空气，风机效率为0.75，空气密度为1.29 kg/m3，内冷除湿与冷凝除湿的系统能耗对比如表2所示。

表2 内冷除湿与冷凝除湿的系统能耗对比

从表2可以看出：内冷除湿系统与冷凝除湿系统的显热负荷差别不大，而内冷除湿系统的潜热负荷远小于冷凝除湿系统，因此内冷除湿系统比冷凝除湿系统的除湿效率更高，这是由空调系统不同的蒸发侧温度造成的。

图4为不同蒸发侧温度Te下空调系统的理想COP，可以看出：空调系统的理想COP随冷凝侧温度的增加而减小，随蒸发侧温度的增加而增大。基于内冷除湿的航空地面空调保障装备是高蒸发温度除湿，一般为15～16 ℃;而传统的蒸气压缩式航空地面空调保障装备是冷凝除湿，其蒸发器温度是露点温度，一般为5～6 ℃。由于蒸发侧温度为15～16 ℃的空调系统COP远大于蒸发侧温度为5～6 ℃的COP，因此基于内冷除湿的航空地面空调保障装备空调系统的能效比远大于传统的蒸气压缩式航空地面空调保障装备空调系统。

图4 不同蒸发侧温度Te下空调系统的理想COP

3 结论

针对传统的蒸气压缩式航空地面空调保障装备空调系统的弊端，笔者设计了一种基于内冷除湿的航空地面空调保障装备空调系统，其具有如下特点：

1)实现了温、湿度控制，系统除湿效率高。传统的蒸气压缩式制冷循环是冷凝除湿，其除湿效率低，而基于内冷除湿的航空地面空调保障装备空调系统利用热湿独立控制原理，循环利用换热器表面的固体吸附剂除湿，不仅可实现温、湿度分开控制，而且也提高了除湿效率。

2)提高了蒸发器温度和系统的能效比。基于内冷除湿的航空地面空调保障装备空调系统由于制冷剂在低温环境吸收外来空气的水蒸气，可实现内冷固体除湿过程，使蒸发侧的温度提高5～10 ℃，同时也有效降低了吸附剂再生温度，从而降低了冷凝侧温度，显著地提高了系统的能效比。

3)通过除湿蒸发器和冷凝器的切换，以及处理空气风道的切换，循环的冷凝废热可为除湿再生提供稳定的热源，实现了废热利用，同时该系统采用环境友好型制冷剂，不会对环境造成污染。

[1] 朱日春.国外航空地面空调保障装备现状和发展趋势[J].四川兵工学报,2012,33(10):66-69.

[2] 马宏权,龙惟定.高湿地区温湿度独立控制系统应用分析[J].暖通空调,2009,39(2):64-69.

[3] 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.

[4] 郑旭,王如竹,王丽伟,等.复合除湿剂导热系数及动态除湿性能研究[J].工程热物理报,2014,35(10):2010-2014.

[5] ZHENG X,GE T S,WANG R Z.Recent progress on desiccant materials for aolid desiccant cooling systems[J].Energy,2014,74(27):280-294.

[6] ZHANG T,LIU X H,JIANG Y.Development of temperature and humidity independent control (THIC) air-conditioning system in China：a review[J].Renewable and sustainable energy reviews,2014,29(17):793-803.

[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.

(责任编辑: 尚彩娟)

Design of Air Conditioning System of Aircraft Air Conditioning Support Equipment Based on Inner-cooling Dehumidification

GONG Yong-qi,DENG Jian,ZHANG Wen-yi,WANG Hui

(Department of Aviation Four Stations,Air Force Logistics College,Xuzhou 221000,China)

Aiming at low dehumidification efficiency and high system energy consumption of aircraft air conditioning support equipment,the authors design a new air conditioning system of aircraft air conditioning support equipment named inner-cooling dehumidification air conditioning system.Compared with the traditional vapor compression air conditioning system,the flight process can be better supported by this system,and this system has higher energy efficiency ratio.

aircraft air conditioning support equipment; air conditioning system; inner-cooling dehumidification

1672-1497(2017)01-0074-04

2016-11-12

龚永奇(1992-)，男，硕士研究生。

V351.3; TU831.7

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2017.01.016