Авиационное холодильное оборудование: принцип работы и применение воздушных циклов (ACM) в системах кондиционирования самолетов. Охлаждение без фреона.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Охлаждение летательных аппаратов
Aircraft refrigeration
Машина воздушного цикла (ACM) является холодильным блоком системы управления окружающей средой (ECS), используемой в герметизированных летательных аппаратах, оснащенных газотурбинными двигателями. Обычно на борту самолета устанавливаются два или три таких ACM. Каждый ACM и его компоненты часто называют блоком системы кондиционирования воздуха. Процесс охлаждения воздушным циклом использует воздух вместо вещества, изменяющего фазовое состояние, такого как фреон в газовом цикле. Конденсация или испарение хладагента не происходит, а охлажденный воздух, получаемый в результате процесса, используется непосредственно для вентиляции кабины или для охлаждения электронного оборудования.
An air cycle machine (ACM) is the refrigeration unit of the environmental control system (ECS) used in pressurized gas turbine powered aircraft. Normally an aircraft has two or three of these ACM. Each ACM and its components are often referred as an air conditioning pack. The air cycle cooling process uses air instead of a phase changing material such as Freon in the gas cycle. No condensation or evaporation of a refrigerant is involved, and the cooled air output from the process is used directly for cabin ventilation or for cooling electronic equipment.
История
Впервые машины с воздушным циклом были разработаны в 19 веке для обеспечения охлаждения на судах. Эта технология представляет собой обратный цикл Брэйтона (термодинамический цикл газотурбинного двигателя) и также известна как цикл Белла-Колемана или "цикл охлаждения по воздушному стандарту".
Air cycle machines were first developed in the 19th century for providing chilling on ships. The technique is a reverse Brayton cycle (the thermodynamic cycle of a gas turbine engine) and is also known as a Bell Coleman cycle or "Air Standard Refrigeration Cycle".
Технические детали
Обычное сжатие, охлаждение и расширение, наблюдаемое в любом цикле охлаждения, осуществляется в ACM центробежным компрессором, двумя воздушно-воздушными теплообменниками и турбиной расширения. Воздух от двигателей, вспомогательной силовой установки или наземного источника, температура которого может превышать 150 °C и давление, возможно, направляется в первичный теплообменник. В качестве охлаждающей жидкости в этом воздушно-воздушном теплообменнике используется наружный воздух при температуре и давлении окружающей среды. После охлаждения горячего воздуха он сжимается центробежным компрессором. Это сжатие нагревает воздух (максимальная температура воздуха в этой точке составляет около 250 °C), и он направляется во вторичный теплообменник, который снова использует наружный воздух в качестве охлаждающей жидкости. Предварительное охлаждение через первый теплообменник повышает эффективность ACM, поскольку снижает температуру воздуха, поступающего в компрессор, что требует меньше работы для сжатия заданной массы воздуха (энергия, необходимая для сжатия газа на заданное соотношение, возрастает с повышением температуры входящего газа). В этот момент температура сжатого охлажденного воздуха немного выше температуры наружного воздуха. Сжатый охлажденный воздух затем проходит через турбину расширения, которая извлекает тепло из воздуха при его расширении, охлаждая его ниже температуры окружающей среды (до −20 °C или −30 °C). ACM может производить воздух, охлажденный до температуры ниже 0 °C, даже когда температура наружного воздуха высока (например, когда воздушное судно стоит на земле в жарком климате). Энергия, извлеченная турбиной расширения, передается через вал для вращения центробежного компрессора и впускного вентилятора, который забирает наружный воздух для теплообменников во время работы на земле; в полете используется набегающий поток воздуха. Энергия для системы кондиционирования поступает от разницы давлений между входящим воздухом и охлажденным воздухом, выходящим из системы; типичные значения этой разницы составляют от около до около Liebherr Aerospace, Collins Aerospace и PBS Velka Bites.
The usual compression, cooling and expansion seen in any refrigeration cycle is accomplished in the ACM by a centrifugal compressor, two air to air heat exchangers and an expansion turbine. Bleed air from the engines, an auxiliary power unit, or a ground source, which can be in excess of 150 °C and at a pressure of perhaps , is directed into a primary heat exchanger. Outside air at ambient temperature and pressure is used as the coolant in this air to air heat exchanger. Once the hot air has been cooled, it is then compressed by the centrifugal compressor. This compression heats the air (the maximum air temperature at this point is about 250 °C) and it is sent to the secondary heat exchanger, which again uses outside air as the coolant. The pre cooling through the first heat exchanger increases the efficiency of the ACM because it lowers the temperature of the air entering the compressor, so that less work is required to compress a given air mass (the energy required to compress a gas by a given ratio rises as the temperature of the incoming gas rises). At this point, the temperature of the compressed cooled air is somewhat greater than the ambient temperature of the outside air. The compressed, cooled air then travels through the expansion turbine which extracts heat from the air as it expands, cooling it to below ambient temperature (down to −20 °C or −30 °C). It is possible for the ACM to produce air cooled to less than 0 °C even when outside air temperature is high (as might be experienced with the aircraft stationary on the ground in a hot climate). The work extracted by the expansion turbine is transmitted by a shaft to spin the pack's centrifugal compressor and an inlet fan which draws in the external air for the heat exchangers during ground running; ram air is used in flight. The power for the air conditioning pack comes from the reduction of the pressure of the incoming bleed air relative to that of the cooled air exiting the system; typical differentials are from about to about Liebherr Aerospace, Collins Aerospace, and PBS Velka Bites.