除冰液快速加熱過程的傳熱學(xué)分析

王瀚藝

【摘 要】飛機(jī)除冰液換熱器是實(shí)現(xiàn)飛機(jī)除冰作業(yè)的主要設(shè)備之一，換熱器的換熱效果直接決定了飛機(jī)除冰的效率。根據(jù)飛機(jī)除冰作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)一種新型飛機(jī)除冰液快速燃油換熱器進(jìn)行了詳細(xì)的分析，對(duì)換熱管內(nèi)的除冰液的加熱過程進(jìn)行了傳熱分析，計(jì)算出了在滿足換熱器各個(gè)參數(shù)基礎(chǔ)上除冰液從換熱管出水口流出時(shí)的溫度，其次根據(jù)計(jì)算結(jié)果闡述了該設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)以及改良的可能性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)出的換熱器進(jìn)行了尺寸上的改良，減少了換熱管的半徑尺寸，計(jì)算出了設(shè)備最優(yōu)尺寸，并分析了該改良方案的可行性。

【關(guān)鍵詞】飛機(jī)除冰液；換熱器的優(yōu)化；傳熱學(xué)分析；改良可行性

【Abstract】Aircraft deicing fluid heater is one of the most important devices for deicing operation. According to the requirement of aircraft deicing operation standard， a new type of aircraft deicing fluid heater is talked by detail. The transfer process of the deicing fluids heating in the tube is analyzed. The temperature of the deicing fluid at the exit of the tube with original parameters is calculated. The numerical analysis， the advantage and disadvantage of the device are included in this paper. Whats more， some optimization is offered to make this device better by changing the radius of the heat exchange tube. The best size of the tube is calculated， and the practicability of the optimization is also talked.

【Key words】Aircraft Deicing Fluid； Heat exchanger； Thermodynamic Analysis； Possibility of optimization

0 前言

冬季由于溫度低的特點(diǎn)，尤其是在北方機(jī)場(chǎng)，路面以及飛機(jī)的表面很容易產(chǎn)生結(jié)冰，而積冰、積雪、積霜等會(huì)對(duì)飛行安全構(gòu)成嚴(yán)重的隱患，不僅如此，地面結(jié)冰還可能會(huì)導(dǎo)致航班延誤，降低飛行效率[1]。因此，在飛機(jī)起飛之前必須要對(duì)飛機(jī)表面進(jìn)行除冰處理。目前航空公司大多采用即熱式除冰液加熱方法進(jìn)行飛機(jī)除冰[2]，從啟動(dòng)加熱到除冰液所需溫度的時(shí)間只需要90秒。國內(nèi)外學(xué)者大多對(duì)飛機(jī)空中除冰進(jìn)行研究，主要研究的內(nèi)容和方法有飛機(jī)空中積冰機(jī)理、空中除冰理論分析和數(shù)值模擬方法等。Farooq Saeed[3]研究了熱氣除冰的數(shù)學(xué)模型，給出了熱氣溫度、流速和噴嘴的形狀的優(yōu)化參數(shù)。易賢[4]等基于Messingner的熱質(zhì)平衡二維積冰模型，提出了一種考慮液態(tài)水溢流效應(yīng)的三維結(jié)冰計(jì)算模型，并進(jìn)行了相應(yīng)的數(shù)值模擬和計(jì)算。本文主要對(duì)飛機(jī)地面除冰過程進(jìn)行了研究，描述了除冰液在地面換熱器內(nèi)加熱的詳細(xì)過程，基于傳熱學(xué)基本知識(shí)，對(duì)該過程進(jìn)行了詳細(xì)分析。同時(shí)改良了換熱器，闡述了改良后的可行性。

1 數(shù)值計(jì)算

本文主要分析除冰液在快速加熱系統(tǒng)中流動(dòng)，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)加熱到規(guī)定溫度的傳熱學(xué)過程。所涉及到的公式推導(dǎo)如下所示。

1.1 熱傳導(dǎo)換熱：

2.3 對(duì)水加熱換熱

燃燒室產(chǎn)生的熱量最主要的目的是對(duì)換熱管中的水進(jìn)行加熱，其加熱的過程主要滿足如下公式：

3 換熱器的傳熱分析及改良

研究主體為國內(nèi)近期設(shè)計(jì)出的某型飛機(jī)除冰液快速換熱器，其能將除冰液從5攝氏度提升到70攝氏度，并保證加熱時(shí)間小于90秒。換熱器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，燃燒器選用的是德國百利公司BT180柴油燃燒器，每秒輸出的有效熱量為515Kcal。換熱管采用的是多排壁厚3mm的310S無縫不銹鋼管結(jié)構(gòu)，換熱面積為2.167m2，外徑為20mm，整個(gè)爐壁是一個(gè)直徑為550mm，高為1290mm的圓柱體。出水口的出水流量為230L/min，水的初始溫度為5℃。水在管中不停地流動(dòng)，同時(shí)伴隨著燃燒器內(nèi)燃燒0號(hào)柴油的燃燒進(jìn)行持續(xù)加熱，最終從換熱管出水口流出進(jìn)而對(duì)飛機(jī)進(jìn)行地面除冰作業(yè)。整個(gè)飛機(jī)除冰液在換熱器內(nèi)的加熱過程應(yīng)該滿足飛機(jī)除冰作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。即在冬季飛機(jī)除冰過程中，將除冰液從5℃提升到70℃的加熱時(shí)間需要小于90秒。

3.1 換熱器的傳熱分析

零號(hào)柴油在燃燒室內(nèi)燃燒90秒內(nèi)產(chǎn)生的總熱量一共有三個(gè)去向。第一個(gè)去向，在不考慮燃燒室內(nèi)換熱管對(duì)流換熱的情況下對(duì)換熱管進(jìn)行熱傳導(dǎo)，這使得換熱管內(nèi)壁溫度升高。第二個(gè)去向，熱量對(duì)換熱管內(nèi)除冰液進(jìn)行加熱，這是實(shí)驗(yàn)的最終目的，除冰液溫度升高，使其達(dá)到所需要求。第三個(gè)去向是火焰向外輻射使得爐膛外部溫度升高，這一部分是實(shí)驗(yàn)不需要的，屬于無用功。

經(jīng)過計(jì)算可以得到，90秒內(nèi)燃燒室通過燃燒零號(hào)柴油所產(chǎn)生的總熱量Q為4.28×108J，對(duì)換熱器熱傳導(dǎo)所消耗的熱量Q1為4.25×108J，火焰向外熱輻射所消耗的熱量Q3為1.47×106J，90秒內(nèi)對(duì)除冰液加熱所產(chǎn)生的熱量Q2為1.63×106J，所對(duì)應(yīng)的除冰液的末態(tài)溫度為106.3℃。

從得到的計(jì)算結(jié)果可以看出，除冰液的末態(tài)溫度已經(jīng)超過了規(guī)定的出水口溫度70，因此該除冰液換熱器是符合要求的。該結(jié)果進(jìn)一步也說明按照原參數(shù)設(shè)計(jì)出來的換熱器對(duì)于預(yù)期要求有一定富余，同時(shí)，溫度為106情況下液體已經(jīng)開始沸騰，沸騰的同時(shí)產(chǎn)生氣泡，而過多堆積的氣泡則有可能將換熱器中的換熱管堵塞住，使得液體（除冰液）不能正常的由入水口流入到出水口，進(jìn)而就不能順利的對(duì)飛機(jī)進(jìn)行除冰，這樣反而會(huì)影響除冰進(jìn)程。因此，對(duì)原有的換熱器進(jìn)行優(yōu)化是很有必要的。

3.2 換熱器尺寸優(yōu)化

對(duì)于換熱器的優(yōu)化，本文主要考慮改變換熱器的口徑尺寸，根據(jù)要求，換熱器需要在90秒內(nèi)將換熱管內(nèi)的除冰液從5℃加熱到70℃。根據(jù)推導(dǎo)的公式可以得到，在90秒內(nèi)剛好從5℃加熱到70℃情況下，對(duì)換熱管熱傳導(dǎo)所消耗的熱流則是關(guān)于半徑R的表達(dá)：

經(jīng)過計(jì)算可以得到：

90秒內(nèi)燃燒室通過燃燒零號(hào)柴油所產(chǎn)生的總熱量Q為4.28×108J，對(duì)換熱器熱傳導(dǎo)所消耗的熱量Q1'為4.26×108J，對(duì)除冰液加熱所消耗的熱量Q2'為1.05×106J，火焰向外熱輻射所消耗的熱量Q3'為1.47×106J，在這種情況下優(yōu)化后的換熱鋼管半徑變?yōu)?.56毫米。

從所得出的數(shù)據(jù)來看，在90秒內(nèi)，經(jīng)過零號(hào)柴油燃燒釋放出熱量，液體由最初的5度加熱到70攝氏度，已經(jīng)達(dá)到了預(yù)想的要求，而鋼管半徑相較于最初設(shè)定變得更小，節(jié)省了爐膛的空間及原材料，這樣就減少了生產(chǎn)成本，從而也達(dá)到了優(yōu)化的效果。

4 結(jié)論

本文主要對(duì)飛機(jī)除冰液的快速加熱過程進(jìn)行了傳熱學(xué)的分析，并對(duì)換熱器進(jìn)行了一定程度的改良，現(xiàn)總結(jié)如下：

（1）以某型飛機(jī)除冰液快速換熱器為基礎(chǔ)，對(duì)除冰液從進(jìn)水口到出水口于90秒內(nèi)加熱的整個(gè)過程進(jìn)行了傳熱學(xué)分析，并且得出了相對(duì)應(yīng)的除冰液在出水口時(shí)的溫度。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)按照原參數(shù)進(jìn)行加熱，90秒后除冰液溫度已經(jīng)達(dá)到沸點(diǎn)，真實(shí)情況是除冰液沸騰，進(jìn)而阻塞換熱管，影響水從入水口到出水口的進(jìn)程，使得除冰的效果不理想，所以需要改良。

（2）對(duì)該飛機(jī)除冰液快速換熱器進(jìn)行了改良，改變了其換熱管半徑長度，使其達(dá)到加熱要求，并達(dá)到節(jié)約材料、節(jié)約成本的目的。減小換熱管的半徑，這一點(diǎn)容易實(shí)現(xiàn)，改良方法是可行的。

（3）飛機(jī)除冰液快速換熱器的改良不僅只有改變半徑的方法，還可以考慮改變換熱管排列方式、改變爐膛壁材料以減少熱量向外界的輻射等。

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