高空台大流量空气降温工艺改进应用

陈宏辉 王　成 庄春龙 王同庆 唐　军



高空台大流量空气降温工艺改进应用

陈宏辉 王成 庄春龙 王同庆 唐军

（中国燃气涡轮研究院 绵阳 621700）

介绍了某高空台空气降温工艺的改进应用，通过增加冷水机组对空气降温工艺优化改进，用机组制取的低温冷冻水喷淋降温，替代原河水喷淋和载冷剂相结合的预降温模式，并达到了更好的预降温效果。通过改进增加了系统降温能力，提高了系统运行的稳定性、安全性、可靠性，还降低了系统运行成本，取得了较好的经济社会效益。

冷水机组；空气降温；喷淋塔；高空模拟

0 引言

航空发动机高空模拟试验中，为了比较真实模拟发动机地面、高空状态，需要模拟环境发生相应的改变。在航空发动机的整个高空模拟试验中，低温试验占据了整个飞行包线近二分之一的部分，因此，在拥有高空模拟试车台（简称高空台）的国家中，都建有一套提供低温空气的制冷系统。

我国高空台某空气降温工艺采用压缩空气喷淋预降温、载冷剂预冷、除湿、吸附干燥、深度降温（透平膨胀机）处理，得到试验要求的不同温度的低温空气。吸附干燥的目的是为了防止深度降温后空气中的水分结冰，其预降温除湿的主要目的是为了降低空气含湿量，从而延长空气干燥器的使用寿命。

1 改造前预降温工艺及存在的不足

以前，压缩空气（40℃左右）预降温除湿采用喷淋和载冷剂预冷相结合的方式，其中喷淋降温（20℃左右）在喷淋塔中进行，冷却剂是澄清的河水；载冷剂预冷是利用深度降温设备出口空气的冷量来降温（12℃左右），用无水乙醇作为载冷剂。预降温后的空气经过气水分离除去游离水，再经过吸附干燥、除尘，最后进入透平膨胀机深度降温，得到工艺需要的低温空气，流程示意如图1所示。

采用这种预降温模式，存在有以下几点不足：（1）载冷剂预冷利用深度降温设备出口冷空气进行冷量交换，试验准备期较长，也降低了系统的降温能力；加之多次换热，其冷量损失较大，效率较低。（2）喷淋降温采用澄清的河水，受环境温度影响较大（夏季24℃，冬季8℃），随着设备系统的不断老化性能下降，夏季难以满足大流量低温空气需求，加之雨季水质较差，影响试验设备运行安全，洪水季节没法进行试验运行。（3）采用无水乙醇作为载冷剂，易燃易爆，加之储量较大，增加了系统运行的安全性风险。（4）空气预降温温度较高 （12℃），含湿量较大，缩短了干燥器使用时间（吸附干燥器能力有限，水分达到饱和后必须对干燥剂进行再生才具有吸附能力），从而影响单次试验时间。

图1 改造前工艺流程示意图

2 新增冷水机组改造方案

2.1 改造方案简述

鉴于空气降温系统夏季降温能力不足的现状，提出新增冷水机组辅助降温的构想，将喷淋降温用水替换为冷水机组制取的3℃左右的低温冷冻水，经理论计算喷淋后的空气温度达到5℃左右，取消原有载冷剂系统和配套的换热器等设备，其余流程不变，改造后的工艺流程示意如图2所示。

图2 改造后工艺流程示意图

改造方案在充分利用原有设备的基础上进行，经过分析计算，结合设备现场有限的空间，冷冻水流程采用喷淋塔→水泵→冷水机组→喷淋塔之间闭循环模式，代替喷淋塔→水池→水泵→冷水机组→喷淋塔通用循环模式，取消通用流程中的循环水池及配套设备。冷水机组采用改进设计后的大温差机组，冷冻水设计进水13℃，出水3℃，制冷量可以10%～100%无级调节。

2.2 相关计算过程

2.2.1 冷量需求

将70kg/s，40℃，450kPa（A）的空气喷淋降温到5℃，单位时间换热量：

其中：为空气流量，kg/s；1为喷淋塔单位质量进口空气焓值，kJ/kg；2为喷淋塔单位质量出口空气焓值，kJ/kg；为单位质量干空气所含游离水带走的冷量，游离水质量取7.5g/kg干空气。

2.2.2 冷冻水量计算

按照改进设计后的大温差机组，冷冻水设计进水13℃，出水3℃，其设计工况流量为：

=/(C×Δ) （2）

其中：C为水的等压比热4.2kJ/kg·℃；Δ为冷冻水温降10℃。

按式（2）计算，冷冻水正常流量为375t/h，鉴于冷冻水内循环且沿程管道短，水泵流量选正常流量1.05倍约394t/h，查通用水泵产品样本，对水泵流量进行圆整，最终确定水泵流量为400t/h。

水泵选型流量比冷冻水正常需求流量大6.7%，将减小冷水机组进、出水换热温差，而冷水机组通过设定出水温度（3℃）实现自动控制，加之系统总制冷量恒定，所以对空气降温效果基本不产生影响。

2.2.3 喷淋塔性能核算

为了保证改进效果，必须对喷淋塔性能进行核实，避免“液泛”现象发生，核算喷淋塔降温效果。

（1）泛点速度核算

1）喷淋塔操作速度

2）喷淋塔泛点速度

式中，为重力加速度，9.81m/s2；为填料因子m-1；、为气相及流液相重度，kg/m3；、为液、气相质量流量kg/h；为液相粘度CP（厘泊），水的粘度=1厘泊；为填料特性系数,鲍尔环鞍形=0.176。

3）泛点速度核算

单台（共2台）喷淋塔直径2.5m，原设计水流量80t/h，设计泛点速度1.87m/s；如果工艺改进后单台喷水量200t/h，按式（4）计算其泛点速度为1.47m/s。按式（3）计算其操作速度1.41m/s，改进后操作速度是泛点速度的96%，通常设计要求操作速度为泛点速度65%—85%，必须减小喷水量，以满足使用要求。按操作速度允许范围的上限85%取值，反算喷水量要求，可得单台喷水量允许值130t/h（总量260t/h），然而水泵流量400t/h，多余的水量我们采用旁路管分流至喷淋塔底部掺混，与喷淋后的热水混合后再循环，分流水量通过阀门调节控制。

（2）喷淋塔降温效果核算

按空气参数、喷淋水参数、塔径、填料高度、填料特性等参数进行传热传质核算，喷淋塔性能满足要求，能够达到预期的降温效果，具体计算过程较复杂，这里不作详细说明。

按喷淋水总量260t/h、3℃左右计算，要将70kg/s，40℃，450kPa（A）的空气喷淋降温到5℃，其喷淋水换热温差接近14；经过查看以前使用记录，喷淋塔进、出口水温差可达20℃，且进口水温越低，进、出口温差越大；出口空气温度通常比进水温度高1～2℃，这也间接说明减小喷淋水量后，喷淋塔降温性能可以达到预期要求，空气降温效果能够满足。

2.2.4 换热效率核算

管道及设备放置于大气中，温度较低，忽略热辐射影响，系统按对流换热模型进行计算。

（1）传热系数

=（5）

（2）冷量损失计算

=（） （6）

按式（5）、（6）分别对系统在冬季境温度8℃、夏季环境温度35℃计算损失冷量，分别约4kW、36kW，改造系统换热效率分别为99.5、99.1%，高于冷量初算时换热效率96%，满足使用要求。虽然效率较高，但由于基数大，最大冷量损失已达36kW，所以有必要对管道及塔外壁进行保冷处理。

3 改造实施效果及评价

空气降温工艺改造后，进行了多次调试和试验运行，达到了预期的效果。改造前后不同季节预降温效果对比详见表1，通过对试验实测数据验算，系统换热效率在97～98%。表中单台干燥器使用时间按吸湿总量不变计算，由于进气压力、温度相同，所以空气饱和含湿量随温度高而增大，影响干燥器使用时间。

表1 改造前后预降温效果比较

（1）从改造后效果来看，使用冷水机组之后，喷淋预降温后的空气温度可以达到5℃左右，较改造前预降温空气12℃左右，其预降温能力有很大程度提高，达到了预期的效果。经过改造，提高了系统降温能力，对于相同低温供气指标要求，改造后整个设备系统运行状态更低，缓解了大流低温供气要求和设备系统老化性能下降的矛盾。

（2）采用冷水机组制取的冷冻水喷淋预降温，空气温度可稳定在5℃左右，解决了整个系统降温能力随季节变化波动较大的问题。喷淋冷冻水水采用循环使用，与改造前一次性使用相比，缓解了夏季水质差对设备造成的损坏。

（3）通过降低预降温空气温度，从而减少了进入干燥器饱和空气的含湿量，延长了干燥器的单次使用时间，提高了试验效率，节省了试验成本。

（4）冷水机组投入使用后，原有乙醇载冷剂系统可以取消，提高了设备系统运行的安全性。改造后的设备系统相对简单，降低了系统运行操作难度，一定程度提高了系统运行的稳定性和可靠性。

4 经济性分析

经过对空气降温工艺改造，还取得了较好的经济效益，主要有以下几方面：

（1）经过计算分析，改进方案冷冻水采用喷淋塔、水泵、大温差冷水机组之间闭循环，减少了通用方案中循环水池等配套设备，可节省建设成本约5万元。

（2）改造后降低了空气含湿量，延长了空气干燥器的使用时间，原来3次的试验内容现在2次可完成，节省设备检查准备、待运行的成本约8万/次，节省干燥器再生成本约2万/次；仅按每年运行50次计算，可节省15次检查准备、待运行和硅胶再生成本，（8+2）×15=150万/年。

5 结论

本项目针对高空台空气降温工艺中存在的不足，利用当前先进的技术和成熟的工艺设备，在不改变主体设备的基础上进行工艺改进优化，采用喷淋塔→水泵→冷水机组→喷淋塔闭循环模式，并获得了成功，达到了预期的降温效果。通过对工艺的改进，增加了系统降温能力，提高了系统运行的稳定性、安全性、可靠性，还降低了系统操作难度和运行成本，取得了较好的经济社会效益。冷水机组与喷淋塔相结合在高空台降温工艺中的成功应用，也是国内外高空台降温工艺的一次创新。

[1] 弗兰克.传热和传质基本原理[M].葛新石（译）.北京:化学工业出版社,2007:35-53.

[2] 卢士勋,杨万枫.制冷技术及工程运用[M].上海:上海交通大学出版社,2010:103-140.

[3] 钱颂文,朱冬生.管式换热强化换热技术[M].北京:化学工业出版社,2003:93-110.

[4] 彦启森,石文星.空气调节用制冷技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2007:147-155.

[5] 杜鹤龄.航空发动机高空模拟[M].北京:国防工业出版社,2002:23-70,286-321.

[6] 路秀林,王者相.塔设备[M]. 北京:化学工业出版社,2003:352-375.

[7] 俞晓梅.塔器[M].北京:化学工业出版社,2010:233- 246,279-295.

[8] 周世玉,崔文智.冷机辅助复合式地源热泵运行特性探析[J].制冷与空调,2015,132(5):513.

Big Air Cooling Process to Improve in Aero-engine Simulated Altitude Test Facilities

Chen Honghui Wang Cheng Zhuang Chunlong Wang Tongqing Tang Jun

( China Gas Turbine Establishment, mianyang, 621700 )

This paper introduces the application and improvement of air cooling process in Aero-engine simulated Altitude test facilities, By increasing a water chiller to improve and optimize the air cooling process. Use the freezing water which the water chiller produces to spray cooling, Instead of the original precooling mode. Achieve a better precooling effect. By improving, the system cooling ability has increased.It not only has improved the stability, security, reliability of the system operation, but also reduced cost of the system running, and obtained good economic benefit.

water chiller; air cooling; spray tower; simulated Altitude

1671-6612（2017）03-292-04

TB69

B

陈宏辉（1983-10），男，本科，工程师，E-mail：victor_chh@qq.com

2016-11-29