機載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)用冷凝器的優(yōu)化設(shè)計

楊冰潔 張行

摘 要：冷凝溫度和過冷度是影響冷凝器換熱效率的重要因素。本文對比分析了影響冷凝器換熱效率的因素，制定優(yōu)化設(shè)計方案，并通過工程試驗驗證其改進設(shè)計的有效性，為后續(xù)冷凝器優(yōu)化設(shè)計提供參考。工程試驗驗證結(jié)果表明，改進設(shè)計可以有效降低冷凝溫度，提高過冷度。

關(guān)鍵詞：機載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng);冷凝器;優(yōu)化設(shè)計

中圖分類號：TM617文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）14-0021-03

Abstract： Condensing temperature and subcooling are important factors that affect the heat exchange efficiency of the condenser. This paper compares and analyzes the factors that affect the heat exchange efficiency of the condenser， formulates an optimized design plan， and verifies the effectiveness of the improved design through engineering tests， and provides a reference for the subsequent optimized design of the condenser. Engineering test verification results show that the improved design can effectively reduce the condensation temperature and increase the degree of subcooling.

Keywords： airborne evaporative circulation system;condenser;optimal design

隨著飛機的發(fā)展，機載大功率電子設(shè)備冷卻的要求以及飛行員和乘員舒適性的要求都日益提高，環(huán)境控制系統(tǒng)已經(jīng)成為任何先進飛機必不可少的組成部分[1-2]。機載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)相比空氣循環(huán)系統(tǒng)具有制冷系數(shù)高、代償損失小、無發(fā)動機引氣等優(yōu)點，可以有效解決飛機地面停機及低空制冷問題，是飛機環(huán)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢[3]。

目前，國內(nèi)機載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)均以空氣為熱沉，冷凝器安裝空間十分有限，特別是新一代飛機對冷凝器的設(shè)計提出了高效化、小型化、輕量化的要求[4]。本文對影響冷凝器換熱效率的因素進行分析，提出冷凝器優(yōu)化設(shè)計方案并進行工程驗證，使得機載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)達到高效化、輕量化、小型化的要求。

1 冷凝器工作特性研究

冷凝器是機載蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)的重要組成部分。在冷凝風機的強制對流作用下，壓縮機排出的高溫高壓過熱制冷劑蒸汽通過金屬管壁和翅片放出熱量，經(jīng)過過熱、兩相和過冷三個階段，過熱氣態(tài)制冷劑冷凝成過冷液態(tài)制冷劑。

為了研究冷凝器各設(shè)計參數(shù)對系統(tǒng)效率的影響，本文選取某蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)用冷凝器作為研究對象，其設(shè)計工況為：制冷劑蒸發(fā)溫度[te]=0 ℃，過熱度[Δtsh]=10 ℃，冷凝溫度[tc]=65 ℃，過冷度[Δtsc]=5 ℃，制冷循環(huán)的總制冷量[Qe]=5.5 kW，使用的制冷劑為金冷HFC-134a。這種制冷劑的壓力（[p]）-比焓（[h]）圖如圖1所示。該制冷循環(huán)系統(tǒng)中，[h1]、[h2]、[h4]點的焓值分別為407.23、455.00、287.92 kJ/kg，壓縮機吸入蒸氣的比體積[V]為0.072 6 m3/kg[5]。

1.1 冷凝溫度的影響特性

為了研究冷凝溫度對系統(tǒng)效率的影響，假設(shè)兩種工況：工況A，將冷凝溫度由65 ℃降低到60 ℃;工況B，將冷凝溫度由65 ℃降低到55 ℃。

初始工況、工況A和工況B的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。由表1可以得出，當冷凝溫度為65 ℃時，制冷劑在冷凝器中的放熱量為167.08 kJ/kg，當冷凝溫度為60 ℃時，制冷劑在冷凝器中的放熱量為171.12 kJ/kg，提高2.42%，當冷凝溫度為55 ℃時，制冷劑在冷凝器中的放熱量為173 kJ/kg，提高3.54%;當冷凝溫度為65 ℃時，循環(huán)制冷系數(shù)為2.497 59，當冷凝溫度為60 ℃時，循環(huán)制冷系數(shù)為2.904 27，提高16.28%，當冷凝溫度為55 ℃時，循環(huán)制冷系數(shù)為3.580 35，提高43.35%。

1.2 過冷度的影響特性

為了研究過冷度對系統(tǒng)效率的影響，同樣假定兩種工況：工況C，將過冷度由5 ℃提高到10 ℃;工況D，將過冷度由5 ℃提高到15 ℃。

初始工況、工況C和工況D的系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。由表2可以得出，當過冷度為5 ℃時，制冷劑在冷凝器中的放熱量為167.08 kJ/kg，當過冷度為10 ℃時，制冷劑在冷凝器中的放熱量為175.12 kJ/kg，提高4.81%，當過冷度為15 ℃時，制冷劑在冷凝器中的放熱量為183 kJ/kg，提高9.53%;當過冷度為5 ℃時，循環(huán)制冷系數(shù)為2.497 59，當過冷度為10 ℃時，循環(huán)制冷系數(shù)為2.665 90，提高6.74%，當過冷度為15 ℃時，循環(huán)制冷系數(shù)為2.830 86，提高13.34%。

2 冷凝器的優(yōu)化設(shè)計

經(jīng)過上述研究，降低冷凝溫度和提高過冷度是提高系統(tǒng)效率的可行方法。降低冷凝溫度需要在設(shè)計冷凝器時加大冷凝器芯體的換熱面積，提高過冷度需要在設(shè)計冷凝器時加大過冷段的面積。下面以優(yōu)化前后的冷凝器為例，介紹冷凝器優(yōu)化設(shè)計方法及優(yōu)化后冷凝器改善效果。

2.1 優(yōu)化前冷凝器

原冷凝器由芯體、冷凝風機和儲液器組成。芯體采用平行流式結(jié)構(gòu)，主要由翅片和扁管組成。扁管是制冷劑的流通管道，制冷劑在流通的過程中通過管壁和翅片與外界空氣進行熱交換。為了提高熱交換面積，翅片選用百葉窗式翅片，扁管選用多孔扁管。

冷凝器主要技術(shù)參數(shù)如下：換熱性能方面，在環(huán)境溫度40 ℃±1 ℃、冷凝溫度65 ℃±1 ℃的條件下，換熱量為7.5 kW;外形尺寸為520 mm×210 mm×333 mm（長×寬×高）;質(zhì)量為8.9 kg。

2.2 優(yōu)化后冷凝器

為了滿足冷凝器的換熱量和過冷度的要求，同時又不增加冷凝器的體積，要對冷凝器進行優(yōu)化設(shè)計。其間主要采取兩大措施進行優(yōu)化。

一是為了滿足冷凝器的換熱量要求，采用兩級平行流芯體疊加技術(shù)，并采用兩級芯體串聯(lián)結(jié)構(gòu)，這樣可以在不增加冷凝器體積的情況下大大提高冷凝器的換熱面積。根據(jù)相關(guān)試驗數(shù)據(jù)，兩級冷凝器疊加后的換熱量相當于同等換熱面積的單級冷凝器換熱量的1.5倍。制冷劑在兩級芯體中的流程分布如圖2所示，因為制冷劑蒸氣在冷凝器中放熱，逐漸冷凝為液態(tài)制冷劑，所以根據(jù)制冷劑的冷凝過程，逐漸減少流程的流道，提高冷凝器的換熱效率。

二是為了提高冷凝器出口處液態(tài)制冷劑的過冷度，采用先進的過冷式平行流芯體，在芯體設(shè)計時增加過冷段，將儲液器出口的液態(tài)制冷劑再次導(dǎo)入芯體中進行過冷，提高液態(tài)制冷劑的過冷度，進一步提高系統(tǒng)的制冷系數(shù)。同時，儲液器與冷凝器采用一體化過冷設(shè)計，取消了儲液器和冷凝器之間的連接管路和儲液器支架，降低了產(chǎn)品的體積和質(zhì)量，如圖3、圖4所示。

優(yōu)化后冷凝器主要技術(shù)參數(shù)如下：換熱性能方面，在環(huán)境溫度40 ℃±1 ℃、冷凝溫度60 ℃±1 ℃的條件下，換熱量為7.5 kW;外形尺寸為530 mm×335 mm×144 mm（長×高×厚）;質(zhì)量為5.8 kg。

2.3 冷凝器優(yōu)化前后對比分析

雖然冷凝器優(yōu)化前后的換熱性能均為7.5 kW，但設(shè)計參數(shù)有很大差異，具體情況如表3所示。

優(yōu)化后冷凝器在設(shè)計時選擇冷凝溫度為60 ℃，比優(yōu)化前冷凝器的冷凝溫度降低了5 ℃，同時由于優(yōu)化后冷凝器采用了雙層芯體疊加技術(shù)、儲液器與芯體一體化過冷設(shè)計技術(shù)，冷凝器優(yōu)化后質(zhì)量降低了34.83%，體積減小了29.68%。

冷凝器優(yōu)化后進行了臺架性能試驗，試驗結(jié)果如表4所示。由于優(yōu)化后的冷凝器采用了兩層平行流芯體疊加技術(shù)，增大了芯體的風阻，為保證冷凝器的換熱性能，優(yōu)化后的冷凝器需要配備更大風量和壓頭的風機，在質(zhì)量、體積大大降低的同時，可以滿足換熱性能的要求，改進效果非常明顯。目前，優(yōu)化后的冷凝器已應(yīng)用于國內(nèi)飛機的蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)，并通過了試驗和試飛考核驗證。

3 結(jié)語

降低冷凝溫度和提高過冷度是提升冷凝器換熱效率的兩種方法。本文對此進行了理論研究，然后提出了冷凝器優(yōu)化設(shè)計方案。優(yōu)化后，冷凝器的質(zhì)量和體積大大降低，同時可以滿足換熱性能的要求?？傮w來看，冷凝器優(yōu)化設(shè)計順應(yīng)了新一代飛機對蒸發(fā)循環(huán)系統(tǒng)小型化、輕量化、高效化的要求，并得到了實際應(yīng)用。

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