Термодинамический анализ циклов систем кондиционирования воздуха

Авиационные системы кондиционирования воздуха (СКВ) предназначены для создания в объеме гермокабины нормируемых параметров воздуха f давления, температуры, относительной влажности, чистоты, скорости движения) на определенном уровне с целью создания комфортных условий для экипажа и пассажиров в полете и на земле, а так же обеспечения необходимых режимов работы охлаждаемого бортового радиоэлектронного оборудования. Работа такой системы требует отбора воздуха от компрессора силовой установки, затраты механической энергии на сжатие воздуха, что приводит к увеличению приведенной взлетной массы летательного аппарата JIA. Для уменьшения приведенной взлетной массы JIA необходимо разработка оптимальных режимов работы системы.

Для обеспечения требуемого температурного режима в СКВ формируются горячий и холодный потоки воздуха. Смешение этих потоков позволяет поддерживать требуемый уровень температуры в ГК на всех режимах полета. Таким образом, функционально в авиационной СКВ можно выделить две основные теплоэнергетические системы: систему генерации холода и систему генерации тепла. В основе работы этих систем лежат термодинамические циклы. Работа первой системы основана на обратном термодинамическом цикле — цикле воздушно-холодильной машины (АВВХМ). Работа второй системы — на прямом термодинамическом цикле — цикле теплоиспользующей системы (ТИС). Работу СКВ можно рассматривать как результат совместной работы этих циклов.

Следует отметить, что в термодинамическом анализе циклов важное значение имеет представление обратимого, т. е. идеального для данных условий цикла. Представление идеального цикла позволяет создать наиболее простую физическую и математическую модели цикла, строить на их основе реальный цикл и анализировать его, анализировать основные закономерности цикла и получать аналитические расчетные зависимости, определять оптимальные условия реализации цикла, оценивать влияние исходных параметров на термодинамическую эффективность и определять область существования цикла. Таким образом, полный термодинамический анализ циклов представляет собой комплекс частных задач. В настоящее время такой комплексный подход к анализу циклов СКВ отсутствует.

Представив циклы идеальными, термодинамическую модель СКВ можно рассматривать как идеализированную. Идеализированная модель СКВ является предельным случаем реальной СКВ. Поэтому на основании идеализированной модели можно разработать модель реальной системы, которая включает в себя систему уравнений, описывающих процессы в моделируемом объекте. Сравнивая эффективность реальной СКВ с идеализированной, можно определить степень совершенства первой.

Актуальность работы.

Одной из проблем современной авиационной техники является разработка систем кондиционирования воздуха, имеющих максимальную эффективность и экономичность. Для решения этой проблемы все более широкое применение находит новое поколение СКВ, характерной особенностью которых является применение ступенчатого сжатия и регенеративная осушка влажного воздуха. При практической реализации этих систем, 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.

При разработке СКВ используются в основном инженерные методики расчета и проектирования и в них не выделен расчет и анализ циклов воздушно-холодильной машины и теплоиспользующей системы в составе СКВ. В инженерной методике расчета целый ряд исходных параметров цикла 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 сложилась парадоксальная ситуация — высокий технический уровень агрегатного состава сочетается с отсутствием теоретического представления и комплексного анализа СКВ.

Из вышесказанного следует актуальность темы диссертации, посвященной разработке методики комплексного анализа идеализированных циклов СКВ.

В данной работе сделана попытка разработки идеализированной термодинамической модели СКВ и предложен метод комплексного термодинамического анализа системы. Авиационная СКВ рассматривается как сложная теплоэнергетическая система, состоящая из двух сопряженных подсистемгенерации тепла (прямой цикл) и холода (обратный цикл).

Цели и задачи исследования. Проведение комплексного термодинамического анализа идеализированных циклов авиационной СКВ. Для этого решаются следующие задачи:

1) разработка методики термодинамического анализа циклов СКВ;

2) разработка термодинамических моделей сопряженных циклов воздушно-холодильной машины (АВВХМ) и теплоиспользующей системы (ТИС) в составе СКВ;

3) разработка методики определения области существования циклов СКВ;

4) разработка методики оценки термодинамической эффективности циклов СКВ;

5) разработка методики оценки расхода рабочего воздуха в СКВ;

Научная значимость и новизна работы состоит в следующем:

1) предложена методика анализа СКВ как результат совместной работы идеализированных термодинамических циклов АВВХМ и ТИС с учетом их взаимосвязи, что позволяет более полно оценить термодинамическую эффективность СКВ в целомо.

2) развита методика определения области существования циклов СКВ, дополнительно учитывающая влияние исходных параметров (атмосферных давления и температуры, скорости полета, давления за компрессором), а так же схемных решений циклов АВВХМ и ТИС;

3) предложена методика оценки термодинамической эффективности СКВ в целом, учитывающая совместную работу холодильного и теплового циклов;

4) выполнен комплексный термодинамический сравнительный анализ идеализированных циклов СКВ различных схем (нерегенеративной одноступенчатой, нерегенеративной двухступенчатой, регенеративной двухступенчатой по схеме «петля»), установлены области существования и термодинамические эффективности каждой из них.

Положения, выносимые на защиту:

1) термодинамические модели идеализированных циклов основных схем СКВ как сочетание прямого и обратного циклов;

2) метод комплексного термодинамического анализа идеализированной СКВ;

3) результаты комплексного термодинамического анализа идеализированной СКВ.

Практическая ценность работы:

1) разработанные термодинамические модели идеализированных циклов СКВ позволяют сделать термодинамическую оценку степени совершенства реальных циклов СКВ;

2) установлено существование наиболее рациональных условий реализации циклов СКВ с точки зрения термодинамической эффективности;

3) разработана методика определения области существования циклов СКВ;

4) выполнен термодинамический анализ циклов СКВ используемых на современных самолетах, таких как Боинг-757(767), А-ЗОО (ЗЮ), ТУ-204(224,334), и ИЛ-96−300;

5) полученные результаты могут быть использованы при разработке СКВ нового поколения.

Достоверность полученных результатов. В основе работы лежат известные законы и апробированные методы термодинамического анализа. Сформулированные в диссертации научные положения, выводы и рекомендации обоснованы численными данными и решениями, полученными в работе, и не противоречат известным положениям наук — термодинамики, механики жидкости и газа, математикибазируются на строго доказанных выводах о закономерностях процессов тепломассообмена, согласуются с имеющимися теоретическими работами в области термодинамики и теплопередачи.

В первой главе выполнен анализ современного состояния авиационных систем кондиционирования воздуха и перспектив их развития. Рассмотрены теоретические циклы воздушно-холодильных машин, в составе авиационных систем кондиционирования воздуха. Представлены некоторые схемы современных авиационных СКВ.

Во второй главе разработаны идеализированные физическая и математическая модели прямого (ТИС) и обратного (АВВХМ) циклов в составе нерегенеративной авиационной системы кондиционирования воздуха. Получены зависимости термодинамической эффективности этих циклов. Выполнен анализ области существования СКВ в зависимости от исходных параметров, а так же выполнен анализ влияния параметров на термодинамическую эффективность СКВ.

В третьей главе разработаны физическая и математическая модели прямого (ТИС) и обратного (АВВХМ) циклов в составе нерегенеративной авиационной системы кондиционирования воздуха с двухступенчатым сжатием.

Получены зависимости термодинамической эффективности циклов ТИС, АВВХМ и СКВ в целом. Получена система неравенств, определяющая область реализации СКВ данной схемы. Установлена зависимость влияния исходных параметров на количество воздуха, отбираемого СКВ от компрессора силовой установки.

В четвертой главе разработаны физическая и математическая модели прямого (ТИС) и обратного (АВВХМ) циклов в составе регенеративной авиационной системы кондиционирования воздуха с двухступенчатым сжатием. Получены критерии оценки термодинамической эффективности циклов ТИС, АВВХМ и СКВ в целом.

В пятой главе проведен сравнительный анализ циклов СКВ различных схем по области их реализации, термодинамической эффективности, количества воздуха, отбираемого СКВ от компрессора силовой установки. Установлено, что область существования «петлевой» схемы меньше, чем у циклов нерегенеративного типа, а так же определено, что количество воздуха отбираемого в систему кондиционирования воздуха от компрессора зависит от того, на каком этапе в СКВ производится деление воздуха на горячий и холодный потоки.

Личный вклад. Автору принадлежит разработка методики термодинамического анализа систем кондиционирования, результаты и выводы. Им выполнены представление и анализ идеализированных циклов СКВ, проведение исследований и обработка данных численного моделирования, подготовка докладов и публикаций, выводы и заключения по работе, постановка задачи принадлежит Ю. В. Дьяченко, который является научным руководителем автора работы.

Апробация работы. Содержание и основные результаты исследований диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Наука. Промышленность. Оборона», НГТУ, Новосибирск, 2005, 2010; Всероссийской научной конференции молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, НГТУ, 2009; на II Общероссийской молодежной научно-технической конференции «Молодежь, Техника, Космос», БГДУ, Санкт-Петербург, 2010.

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 10 работ. Из них 1 научная статья в рецензируемом журнале, входящем в перечень, рекомендованный ВАК- 2 научные статьи в рецензируемых журналах- 3 статьи в сборниках научных трудов- 4 публикации в материалах научных Всероссийских конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и Приложения. Общий объем диссертации составляет 155 страниц, включая 72 рисунка и 1 таблицу.

Список используемых источников

содержит 88 наименований.

Выводы по главе 5.

1. С помощью предложенного метода комплексного анализа выполнен сравнительный анализ области реализации нерегенеративных схем СКВ с одной и двумя ступенями сжатия. Теоретически обоснованно: регенерация в цикле АВВХМ и уменьшение температуры рабочего воздуха в цикле ТИС приводит к уменьшению области реализации циклов СКВ по исходным параметрам. Численный анализ показал, что на высоте Н — 10 км при «горячей» атмосфере применение петли в цикле АВВХМ уменьшает предельную скорость полета до 25%, а верхний предел атмосферной температуры до 10%.

2. Проведен сравнительный анализ влияния исходных параметров на термодинамическую эффективность циклов АВВХМ и ТИС в составе СКВ различных схем. Установлено, на высоте Н = 10 км при «горячей» атмосфере для применение «петли» в цикле АВВХМ уменьшает холодильный коэффициент на 10%, а понижение температуры, при которой формируются холодный и горячий потоки, на 1 град, уменьшает тепловой коэффициент цикла ТИС на 4%. Данные факторы отрицательно влияют на термодинамическую эффективность СКВ в целом. Установлено существования оптимальных режимов работы СКВ с точки зрения термодинамической эффективности.

3. Проведен сравнительный анализ влияния исходных параметров на расходные характеристики СКВ. Установлено, что количество воздуха, Мскв, отбираемого систему кондиционирования воздуха от компрессора зависит от того, на каком этапе в СКВ производится деление воздуха на горячий и холодный потоки. Теоретически обосновано то, что деление на более раннем этапе приводит к уменьшению Мскв.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе разработан метод комплексного термодинамического анализа авиационных систем кондиционирования воздуха различных схем.

На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработана методика анализа авиационной СКВ как сложной теплоэнергетической системы, состоящей из подсистем генерации тепла (прямой цикл) и холода (обратный цикл). Условиями сопряжения этих циклов приняты введенные коэффициенты соотношения расходов горячего, холодного и рециркуляционного воздуха. Данная методика позволила получить новые данные по внутренним связям системы, влиянию исходных параметров и проведению комплексного термодинамического анализа циклов СКВ.

2. Разработаны термодинамические модели идеализированных циклов авиационных СКВ:

— нерегенеративной схемы с одноступенчатым сжатием, применяемой на реактивных самолетах первого поколения — ТУ-104, ТУ-134, ТУ-154, ИЛ-62, ИЛ-86;

— нерегенеративной схемы с двухступенчатым сжатием,.

— регенеративной схемы с двухступенчатым сжатием, применяемой на самолете ТУ-204 и его аналогах — ТУ-214, ТУ-334, Боинг-757(767), А-300(310).

3. Развита методика численного определения области реализации идеализированных циклов СКВ на основе разработанных термодинамических моделей. Предложенная методика позволила исследовать механизмы формирования предельных условий.

4. Выполнен комплексный термодинамический анализ идеализированных циклов авиационной системы кондиционирования воздуха типовых схем нерегенеративной одноступенчатой, нерегенеративной двухступенчатой, регенеративной двухступенчатой по схеме «петля»), определены области существования и термодинамические эффективности СКВ каждой из них. Проведена их сравнительная оценка. Теоретически установлено: регенерация в цикле АВВХМ и уменьшение температуры рабочего воздуха в цикле ТИС приводит к уменьшению области реализации циклов СКВ по исходным параметрам: на высоте Н = 10 км при «горячей» атмосфере наличие петли в цикле АВВХМ уменьшает предельную скорость полета до 25%, а верхний предел атмосферной температуры до 10%. применение «петли» в цикле АВВХМ и понижение температуры, при которой формируются холодный и горячий потоки, уменьшает холодильный и тепловой коэффициенты: на высоте Н = 10 км при «горячей» атмосфере уменьшение холодильного коэффициента составляет 10%, понижение температуры рабочего воздуха в цикле ТИС на 1 градус приводит к уменьшению теплового коэффициента на 4%. Определено существование оптимальных условий реализации циклов АВВХМ и ТИС по удельной работе и выполнен анализ этих условий. Получены аналитические зависимости для оптимального давления цикла и оптимального давления атмосферы.

— термодинамическая эффективность регенеративной СКВ ниже, чем нерегенеративных за счет наличия «петли» в цикле АВВХМ. Определено существование рациональных условий реализации циклов СКВ с точки зрения термодинамики.

— увеличение температуры рабочего воздуха в цикле ТИС приводит к уменьшению требуемого для СКВ расхода воздуха, а наличие «петли» в цикле АВВХМ — к его увеличению.