Введение к работе
Актуальность чопе. Интепокппоо разштиз каловнсотной авиация (Hs4 ем) в нашэй стране я за рубшкои внзивает потребность в создаяня внсокогіфоктякшх оеоїйі копдмюониро-валял воздуха (СКВ), обеоточЕведях требуемые ком$ортшо ус* ловая па всех рахтаах волзта пра игашкальнше затратах ка кой» дщгояировапзо. Как праввго это яэтатааышо аппарата спєде« ального назначения (сшгатарЕпЗ, пазарзцЗ), характерной осо-'бопвостыо которнх яштстея то, что отпоезтвяьшз вреия сто» янки на зскяо я полото са пороходшас режимах (сшасішо, на»
' бор висота) у них знзяятольїй) бодазо, чом у традкцйопзнк
. больтагрузшас яассагпрешх садаязтов.
На даптоя зтапо ра^зжткя азагщкч ягшбояьвзв раснровтра* лойео шзугкет СКВ ъ позжушвіш ішкзя огяаядопяя (БШ) ж от» борон воздуха от соелодаях етупензі гшпрзесора двггатагя . жзтатаяьяого сшарата. Ош якавт шлно габзрззш ж сов. Однако создают СНВ о ЕШ s ягеодаз зЕококятасазої вогеззияяна
. дая ьаетгясогооЗ amcrat еттагпстасгсї вг eepsesrarfl ггатруд-иешм. Прездо воаго это огракячвшя по гесттайтау хкздога отбнравкюго на яуяяз Ш сз cksosoS устшаши, что us кгар» да позволеог об&спочивауь требуешэ гкяфртпиэ усжзетя во время рулежкз в взлета, Искшлегк» йвтоесшзэ гэдтожэшфога» НЕ9 во время стоянка саавлста,
В настоящее» врош поярісзз narosirrazsta») результати so* пользования гш летахаших ашзрзтах С-5А) егзтеа кяшгшгяи-ровакпя воздуха о пгракетрФгмягэгЯ жахзягшяЗ jssroji (ІШ). Система да>яггц2сн^522пзї гкзгшухзо ЕШ шэот егэдг-
. щж» првгэдувдетва .та ерззяшгэ О'(S3 є БШї сга ofessss? бо-
лее высокой аф^ектнвпостыо, что во ^оляот сшзять суммарные затрати на ЕощшшоалрованЕв} СКВ с ПШ обаспечнваот коїфорт-вне условия в кабине и салоне на всех реокнах долота в той часле л при длительной стояпко па заало с валето.
Широко о разштке СКВ с парокоипресспошой холодильной каликой сдергивается иа-за отсутствия надогшого регулятора подачи хладагента в испаритель, способного работать в условиях вибрации п перегрузок и отсутствия легкого н надежного отечественного компрессора холодопроЕЗВодательностью 5+15кВг.
Делъ рпботн. Осювной целью наследования является разработка альтерпатквного варианта СКВ о ПШ и создание дроссельного устройства для регулирования подачи хладагента в испарк-тель ИШ, обеспечивающего надежную работу ПХМ на все* рожицах полета сашлета.
Нетога исследования. В работа попользованы методы иате-«азтнческого іадалнровакзі процесса ко адиабатного дросселв-рованпя хладагента в кашглллрноы капало и спстеш кондицеоне-рованвя воздуха ЛА с парокошресежошой холодильной ыапвкэй в целой, а такЕО вкспервионталышо штоди прн исследовании работы ШЫ с разработаннші дроссадышм устроиспш.
Ргтчнпл ттовязна. Проводэн анализ работы СКВ ы выявлена основные причина онпхешз o*
Практическая ценность. Разработана методика параметриче-ского расчета СКВ на нестационарных реяпках работы. Разработано дроссельное устройство, обладающее шсокой надежностью п обеспвчкващее нормальную работу ІШ1 на всех резпшх полота Л.А. Работоспособность предложенного устройства проверена на экспериментальном стенда холодильной машины в широком диапазоне изменения температуры конденсации хладагента. Предложена методика расчета этого устройства.
Апробация, работ». Основные положения и результаты работы докладывались на научно-техническом совето АНПК "МІГ" им» А.И.Мякояна п на научно-техническом сешінаре ифедры "Криогенная кафедра п кондицконированпэ" ЇЛ7ГУ им. Н.Э.Баумана. По тетлэ дпссертацил опубликованы две статьи и получено авторское свидетельство.
Объем работа. Диссертационная работа с 45 рахунками галогена на 147 страницах.и состоит из введения, 4-х глав п выводов. Библиография содержит 62 папкеповашй работ.
В первой главе выполнен анализ литературных источников и сформулированы задачи исследования, содержится краткий обзор развития авиационных СКВ п описание основных циклов, используема в ІШХ»
Наибольшее распространение а авиации на сегодняшний день получили СКВ о воздушным циклои охяазденпя (ВЦ)}, а основной тенденцией их совершенствования является повышение термодинамической эффективности агрегатов в нее входящих и самого цик-
да СКВ в цолом. Влияние количеств*, и давления отбираемого от двигателя воздуха на тягу и ековомичность силовой установки, шесте с тем, одешталось как неизбежное зло. Однако, пр иекя-оше в наловысотной авиации турбо-виитовне двигатели ставят на первый план, ореди прочих ограничений на работу СКВ, тленно расход собираемого для СКВ воздуха высокого давления.
Этот факт, а такие анализ существующих схешшх решений
ааставляат рассматривать СКВ с ШМ в качестве ступени охлажде
ния, как наиболее перспективное направление в создатш СКВ для
иаловысотного JUA. .
Одной из характерних особенностей работы ШШ является относительная стабильность режимов охлаждения. Работ" so ступе-ин охлаждения в составе СКВ характеризуется резкими изизнеьяя-ын.тепловой нагрузки, что заставляв» рассматривать регулятор, обеспечивающий требуеюе заполдаюю испарителя ПШ, как один . из наиболее важных агрегатов свстош.
Обзор типов в конструкций регуляторов подачц хдадтента
в испаритель, коаодьеуюцих перегрев вара па выходе из испари-
геля в качестве регулируемого параметра показал, что ни один
из приманяешх в настоящее время в холодильной технике регуля
торов ко давность», отвечает требованиям возникащии при ис
пользовании в СКВ; .
Тердарогуллруицие 'вентили (ТРВ), прекрасно заревдиендова-вдао оебя в традиционных ІШ, ожазнвазтся иеспособиздш поддерживать постоянным значение ларограва пара на виходе из испарители, при разкоы ищзензшш їослашх нагрузок на наго, что приводит к Еорасчотшш рожшш работа ПХН. .
Огшчаэтся также воооотзатствао требований к надозиосга ТРВ & вздехностн реалью едщгстврвда: коаструкішй.
Прашшенно, в качества регуляторов, каптаияраих трубок,
обеспочнвавдпх шшіув герметичность холодильного контура,: сдер-яивается узостью диапазона теплових нагрузок на испаритель к температур сред охявадявчвге конденсатор.
Вместе о тем, широко гавестш факт заввсизяоотг гддраалнчо-ской характэристжи капиллярной трубка от подвода гяя отвода теплоты. Использование этого эффекта позволяет рассмотреть возможность создания на база капиллярной трубка эффективного рогулятора расхода хладагента в цикле ПШ. ОСзко вопросы расчета процес-а дросселзроваякя з капиллярном канала каходях c'soa реязппэ в работах Тонга,, Сутаржой, Мартляеляв, Ороота, Хьает-та г др. Однако, представленные з этех работах акалитическяе зависимости посят либо чясто эьзшричоскиЗ характер» либо резко ограничены областью применения получению: резу^татов.
Список работ s посвященных непосредственно^ анализу зз-адкабапюго процесса дросселкрованкя s аапдлляро» в состава USA, ограничивается одиястзєпнеиг исследованием Дэзвда» з jsorc*» ром произзодоск задор расхода ихадатзнта при различных степе-геп пореохдаядеиия капилляра,,
По результатам анализа ка^зриалов, црзведеЕннх з первой главе настоящей работы била иаставлеш задача иастоящего ис~ следования,
Іі Анализ прннцгпгаадьнш: ехеи СКВ с даяьэ рационального использования хододрпроиззодктаяьЕОСти цикла СЯВ„
2'і 5Ьучек2в рабочих процессов э агрегатах СКВ с ПШ 2& различных рехикаг полета^ .
3. Разработка а ксследовакнэ зксперЕКонтадьного образдг. дроссельного устройства подачи хладагента в испаритель, созаме-щапцего надежность капиллярной трубка н диапазон регулирования ТЕВ.
Во второй главе проведен теоретический анализ основных со~ ставлстцкх тепловых потерь цикла воздушной СКВ к анализ путей их снижения, приведено описанио разработанного дроссельного устройства и математическая модель рабочего процесса устройства, а такеє изложена методика определения параметров СКВ мало-высоткого сашлета с парокоьшросстокной холодильной машиной по профилю полета;
В основу анализа влияния отдельных параметров на работу система кондиционирования была пологена котодика терьюдинашче-ского анализа СКВ, разработанная проф. Сусловым Л.Д.
Применительно к СКВ с воздукшш циклом охлаждения полез
ную холодопронэводятельностъ могло определить ках:
о л - &р ~ZQi , уда
вр - холодопропзводательЕость полученная в дикло СКВ; 2. в і- - сукка теплових потерь.
"ZQi -< +3z *—*вп , где &л - отдельные струк-
турные составляющие тепловых потерь,
В традиционных СКВ с воздуикш: циклом охлаждения выделяется свош удельный весоы перше две составляйте.
Одна из них - $/ связана с внбросом воздуха дз кондиционируемых "объедав в атмосферу с параиотрамз существенно отличающимися от раракатров окружаадэй среды; Вторая основная составляющая теплових потерь связана с торвддзшаетчесжоЗ незф^ктизз-HocTbD способа регулирования теїшератда воздуха на входа в кондицаогшруемыо объема за счет с&оеєнея горячего и холодного потоков, В результата еналпза установлено, что потери 2вп прк эначиташшх отклонениях режаыов полета от расчетного їюгут составлять; 60-705S от располагаемой ховодопроЕзводательности, прачем г составляет до 805? ^й? в результате чего ка етвх 6
рокотах неоправданно завыявны затраты на копдапсиопаровалие.
Использование IffiJ поззоляот существенно снизить потерю холодонроизводоггольностд »г , за счет отбора воздуха от белое низкой ступени компрессора двигателя. Благодаря снишшто те?/пература п давление отбираемого воздуха удается сократить массу первичного воздухо-воздушного теплообменника (ВВТ) и расход продувочного (забортного) воздуха через ногоі
Приводопшо. в работе зависимости показывают, что отбор от более низкой ступени компрессора двигателя оказнвает позе-тгашоо влишшо на основные характеристики силовой установки -тягу и удолышй расход топлива и позволяет сократить затрата на шдащионпрованиэ.
Оптимальным условном работа испарителя ПХМ и саглэй холодильной нашпш в полом является поддоргшие постоянным {.в*2"} значение перегрева пара на выходе из испарителя. Для регулирования подачи хладагента в испаритель предлагаотся использовать дроссолыюэ устройство с основным и дополнительна! капялляряшга каналами а электронагревателем.
Прлпокп действгл такого регулятора основа, ?да хоропо известном свойство капшшгрішх каналов изменять расход в зави- . енздета от интенсивности охлаждения (подогрева) хладагента . з процессе дросселхдзогаяяя в капилляра» Поскольку источников холода с температурой значительно шко теглпературн конденсация па борту 1.А. пзг, so в разработанном дроссельном устройства для охяазденяя осйоееого потока хладагента, используется байгаснкЗ поток ssazpna, прздварзтеяьно сдросеелировавно-го в дополнительном кашгаялро. Регуапрованга расхода байпас-ного потока прогсходаг путем кзиесгппя шедамяп элейтроиагро-вателя, установленного в голдзэом воятазг с депелнительвш
каиилярон,
-". 7
Наиболее актуальной задачей : ;ж расчете такого типа регулятора является оаределонжв гидравляческого сопротивлений капилляра з зависимости от геплового потока подводимого v отводимого от капилляра»
При составлении математической модели процесса ноадиа-батного дросселирования бал нспольэошн метод элементарных балавсов. Исследуемый капилляр развивался на ZZ элементарных участков.
3 качестве допущений принимались следующие условия:
Г. В пределах каждого элементарного участка л 2" изменение градиента давленая незначительно.
2. Тепловой поток отводится рав)юмерно от всох участков
дроссельного канала.
3, Задержки вскипания не происходит.
На каждом участка проводится совместное решение уравнения потсрз давления и уравнения, определявшего количество подводимого Елв стеодиьюго на этом участке тепла. Посло заверюениЕ расчета Л -го участка его выходные параметры становятся входными для /2. * 1 участка.
Вычисление величины градиента давления на участках, харах-теркзуютхся чисто гидкостним родимом течения, проводили so формула Дарсн-Бейсбаха.
Для расчета потерь давления на участках, где имеет иесто паролодкостннй резшм течения использовались нолоаекия гоиогзн-ио& дадшш течения. Согласно этой иэделв в дркнявді доаущет-яц градиент давления для элементарного участка Л і?" иоаво представить в виде:
г я 8
В выражении I кроме искомой величины Л г длаэтся еіца перо-монная л , неоднозначно зависящая от тепловоЯ нагрузки и геометрия капилляра'»
Выражение для паросодерзсания на каждом участка канала можно представить в виде:
Х„-.6» 'J'." ****—. (2) , где
hn - энтальпия хладагента /(>) элементарного участка &2л
Л/,/7; fl^rt - энт'алыти хладагента
A"f,- учитывает изменение паросодерзсания вследствие отвода или подвода топла. Знак учитываот направление теплового потока.
Для случая равиомэрного распределения теплового потока по длшю капилляра изменение энтальпии Ahq, будет иметь линейный характер:
аЛ$ *Z(ha -6*,л) ТГ (3) , где
f}},/f і fa,0 - энтальпии хладагента на входа в участок с в
{пароялдкостноэ течение), на выходе из дроссельного канала соответствэлно.
Подставляя'2,3 в выражение I, окоячателыга получаем урав-яеяво для градиепта давления.
ftfhnH -htf}H ±(As./>*t ) 4? _ hr>-h,.»*(h.»-M$tuA
(4). В работе приводятся методика ларакотричоского расчета СКВ с шрояоиярвссногоюЗ холодильной ыавшвз в вида программно-го коїяшекса для IBM * совкооткиого компьютера.
Програмаша коіяілєео позволяот рассчитывать необходимее
параметры в узловых точках цикла по профилю полета Л.А., для различных схемных решэкий СКВ с ИШ,
Третья удава посвящена экспериментальному исследование .
дроссельного устройства. В ной сформулированы задачи экспери
мента, даны описания экспериментального стенда и опытного об
разца дроссельного устройства, приведены характеристики конт-
ролъно-кзмеритольной аппаратуры и произведена оцонка погрешно
сти измерений. Приведен анализ результатов экспериментального
исследования работы ПШ с опытным образцом дроссельного уст
ройства, . ;
Основной задачей экспериментального исследования являлась проверка адекватности разработанной математической модели предлагаемого устройства рагулировакия, а такге исследование заботы парокоипрессаоннок холодильной налганы с опытным образцом дроссельного устройства в шярокоа диапазоне входных параметров и получение рекою ,.;^аций для конструирования дроссельных устройств данного ranv,
Опытный образец (рис. I), разработанный для испытаний в лабораторных условкяхі консгруктивно состоит из двух частей: гашюобиешшка 3, влутрь которого шашдзна выполненная в виде зыоовнка, навлтого ла пустотелую втуллу б, основная капиллярная трубка I (Л/Е 5000 ш, Дю 3,06 ш} и дополнительной капиллярной трубки й ( ^<= 2500 мм, Ъ2- 1,5 к:л), усташвдеккоіі в тепловом контакта с'алектронагроватвлем 4. Изшнекпеи шщко-схи электронагревателя регулировался расход хладагента через дополнительный капилляр, подаваемый в тошюобигнвик для охлаждения основного потока.
Стенд, созданный для испытаний дроссельного устройства и
ргботакдиЗ со полкоцу пдкяу холодильной гашкин, нозролия весле-г
довать работу ШМ с опытным образцом дроссельного усіройства 10
Suc/tajw/пмл
/3 /гм&/еал70/>а
6 tcav/ysscccp
Рис, І. Схема опытного образца дроссельного устройства в широком диапазоне тешоратур ковдансащш ( &= 30+55С).
Стсад был оборудован необходаоЗ контрольио-іізморпталх-ной аппаратурой, позволявшей проводдть в полном комплексе контроль я уогнстравдю внутренних и внешних параметров. Замора температури хладагента в различие: точках холодильного контура производились хромаль-вопадввымя термопарами.
Результати- экопергиентальпого исследования в виде эадяся-иоотз расхода хладагента в цикле ІШ! я расхода хладона через доаолаетвлыай капилляр от мощности нагревателя представлены
ї'Дііссоргация.
ПакспгашшЗ расход хладона з цикле характеризует точка, 3 которой газднооть нагревателя дополнительного капилляра рав-sa 08г, Расход хладагента через даиолкательвна капилляр, по-даваекыЗ в теплообменник для охлаждения основного потока из этой рохяиэ наибольшей (в ошгнои образце он составляет 15# от расхода хладагента в"цикла). Интенсивность охдаздеяия ос-
новного потока такие максимальна, что обеспечивал накбояытф расход хладона через него.
Расход через дополнительный капилляр выбирается из условия исключения вскипания на всеЁ длило основного капилляра. Во время эксперимента на наиболее тяжелом режиме ( к = 55С), это условие в опытном образце не соблвдалось.
При увеличении мощности электронагревателя до 150*200 Вт величина паройвдкостного участка течения в дополнительном капилляре непрерывно возрастает, что приводит к сокращению расхода черз~ него. Одновременно с этим снижается интенсивность охлаждения штока в основном капилляра в уменьшается расход хладагента через последний.
При мощности электронагревателя свышо 150*200 Вт кос-.едкий обеспечивает полное выпаривание байласного потока хладагента з г теплообменник подайся лорегретне пары хладагента. Наступление этого розыма характеризовалось повывенаем температуры хладагента на выходе из дозолнительного капилляра. Пра атом массовой расход хладагента чероз дополнительный капилляр as превышает 8% от общего расхода.'
Как показали испытания замена ТРВ на исследуемое дроссель-: ное устройство практически не отразилось на работе НШ. Во всем.диапазоне изменения- температур конденсации дроссельное устройство обеспечивало додачу требуемого количества хладагента в испаритель.
Было проведено сравнение расчетных и экспериментальных значений расходов хладагента чораз нагреваемые и охдаздаеша* капиллярные канака. Расхождения расчетных и экспериментальных даигах не превышают 10%. Следовательно, допущения о гомогенной модели точения «шрожидкостиой смеси в капиллярно ~ канале
lie приводят к значительной величина опибдя, л гомогенная модель дает результати о точностьп, удондотворянцей требованиям инженерной практики.
Результаты теоретического и экспериментального исследования позволяли дать рекомепдапш по проектированию, расчету и определения конструктивных параметров дроссельного устройства о основним и дополнзтальшм дроссельным каналами,-
Четвертая глава посвящена исследованию работа СКВ мало-висотного самолета о парркомпресспоннйй холодильной ыашиной.
В раздела рассмотрены различные схекныэ решения СКВ о ПИ, разработанной в качестве альтернативной СКВ с ВШ) для одного из создаваемого в настоящее время маловнеотного самодэ-та специального назначения, В разработанной СКВ воздух, отбирается от 3-й ступени пятиступенчатого осевого коипрэссора двигателя, затем последовательно охлаядаётся в воздухо-воздув-Еои теплообменнике и пепаритоле ПХУ. Воздух, отбираемый от компрессора двигателя, и хладаговт в конденсаторе охлаадавт-ся потоком забортного воздуха. Показано, что отбор воздуха от более низкой ступени котарессора двигателя Л.А. позволяет сократить потериэ тягн в расхода топлива на 1,2$.
«
Значительное ваинаниа уделяется вопросу проектирования анпара'-эв ЕШ. Выбор завшеяврго зпачання теггнературного напора з испарлтодз на расчетном решшо полета приводит к крайне низкой тешэрятура кипения хладагента з испарителе, что при отклонении резака полота от расчетного способно создать условия, при которых теїяіература кипеиш в испарителе снизится нзет 0С,
Нашій температуркой напор приводит к увеличения габаритов а кассп испарителя. В разделэ дана рекошндапдц по набору
тешературншс напоров для пошритоля и копдонсатора и рассмотрены технические моры, направленные на предогвращенне снижения значения температуры кипения ниже минимально допустимого уровня, что исключает обледенение испарителя.
В раздело приведеш массово-габаритные характеристики СКВ с JXM проектируемого самолета и их сравнение с аналогичными характеристиками СКВ с ВШ.
Сравнительный анализ СКВ с ВЦО и СКВ с ШМ показал, что последние имеют массу » в 2 раза больше, чем системы конди-ционироврчия с воздушным циклом охлаждения.
Однако отказ от использования турбохолодильника и отбор воздуха от 3-й ступени компрессора двигателя полностью компенсирует увеличение веса СКВ. Причем отбор воздуха от более низкой ступени компрессора двигателя оказывает более сильное (позитивное) влияние па характеристики силовой установки, чем' увеличение вдвое массы СКВ о ЯШ.
Обобщение материалов, накопленных в процессе анализа расчетных данных, полученных в результате моделирования СКВ с использованием разработанного программного комплекса,позволило У то ^шть рациональную область применения СКВ с ШЫ. Последняя наиболее перспективна для летательных аппаратов, в которых строго, ограничен отбор воздуха на нужды СКВ. Как правило, это летательны? аппараты шдошсотнои авиации с ТВД. СКВ с ПХЫ может также применяться в качестве ступени охлаждения рециркуляционного потока воздуха из кондиционируемых объемов на больших пассажирских самолетах. Это позволяет долучать более низкую температуру подаваемого в кондиционируемые объемы воздуха и снизить потребный перепад давлений, срабатываем-й в последнем, т.єі отбор воздуха можно осуществлять от более КИЗК0І
ступени кошрэссора двигателя Л.А.
В разделе рассштроны таюка вопроси, посвященные вопросам выбора фреонового компрессора для ПВ), входящей в состав СКВ каловисотного самолета.
Выводи
-
Применение ІШ1 в СКВ маловысотного самолота позволя-от сократить потерн тягл двигателей и расхода топлива на 1,2%, одновременно о этап достигается снихенио температуры отбирае-шго в СКВ воздуха в 1,5 раза к его давления в 2 раза. В разработанной СКВ напболео полно (до 7й%) используется холод, полукепки в цикле. СКВ с П2М позволяет обеспечить надежное кон-дацповлрованиа во врсия взлета, посадка, стоянки и ру.чекки, что особеїшо вахію для самолетов специального назначения.
-
Предложенное дроссельное устройство обладаот высокой надеаностьп н в сочетании с друта лзвестіши устройствами обеспечивает юрмальнуо работу ІКМ на всех режимах полета,-
-
Работоспособность предлагаемого дроссельного устройства проворена при испытаниях опытного образца ПХМ при различных &наче)шях температури конденсации. При изменении кющности нагревателя от 0 до 150 Вт расход хладагента в цикле снижался
э 1,5 раза.
f Использование гоїюгоішой гздродешамэтеской модели при расчета процесса дросселирования с подводом а отводом тепла обэспвчгзцет достаточную) для практган степень точности. Расхождение расчэтше и экспер^гоктадыш: даник но проклваот 10*.
5, Разработана программа для анализа систоаі кондиционирования воздуха с парокошіресспопноЗ холодильной малиной на псстадиопарпнх резгмах работа.
6. Результаты исследования используются при расчетах
и проектировании СКВ маловысотной авиации на АНПК "МИГ" им.
А. И. Микояна, а также для дальнейшего совершенствования ра
боты ПХЫ. - -. '