[科普中国]-飞机制冷系统

简介

飞机制冷系统就是为冷却飞机座舱和设备舱提供低温空气的环境控制系统，该种系统设计既要满足舱内乘客的温度舒适性，又要增加电子设备的工作可靠性。

飞机上使用的制冷系统有空气循环和蒸发循环两种基本类型：空气循环制冷系统是以空气为制冷工质，以逆布雷顿循环为基础的；蒸发循环制冷系统是以在常温下能发生相变的液态制冷剂为工质，是建立在卡罗循环的基础上的。空气循环制冷系统通过压缩空气在膨胀机中绝热膨胀获得低温气流实现制冷，其理想的工作过程包括等熵压缩、等压冷却、等熵膨胀及等压吸热四个过程，与蒸发循环制冷的四个工作过程相近。两者的区别在于：空气制冷循环中空气不发生相变，无法实现等温吸热；空气的节流冷效应很低，降压制冷装置是以膨胀机代替节流阀。1

基本组成制冷系统主要由空调组件和组件温度控制系统等组成。空调组件冷却来自气源系统的热空气，并传送至下游的分配系统。组件温度控制系统控制组件出口温度，并防止空调组件内部超温或结冰。

蒸发循环制冷系统自从1877年德国慕尼黑工学院教授林德，发明设计出第一台以氨为制冷工质的制冷机以来，一百三十年来，其制冷技术原理与工艺方法一直沿革至今，所不同的只是改换了制冷工质，由氨换成了氟里昂，目前又由氟里昂换成非氟制冷工质。蒸发循环闭式系统由蒸发器、压缩机、冷凝器、膨胀阀等组成，经压缩机压缩后的高温高压的制冷剂以气态进入冷凝器散热降温液化，成为高压液体，根据蒸发器出口的温度调节膨胀阀中的制冷剂的流量，使经膨胀阀后得到的低压液态的制冷剂进入蒸发器，在蒸发器内吸收周围空气的热量，变为低压蒸汽，再进入压缩机，往复循环。从而利用制冷剂状态变化使蒸发器热边的空气得到冷却，冷凝器周围空气得到加热，相当于利用制冷剂做为载体将蒸发器周围空气中的热量“搬运”到冷凝器周围散掉。蒸发循环制冷系统的冷却效率高，而且在地面顶级条件下有良好的冷却能力，高空高速飞行时有良好的经济性，节省燃油。闭式系统只在少数民用机上使用，主要运用在高性能飞机的电子设备舱冷却方面。2

空气循环制冷系统简介目前大型飞机上都是采用空气循环系统制冷的，该系统由冷热两部分气体管路组成，两支管路的气体都是来自发动机的压气机引气，飞行员根据季节特点及航路中的不同需要，旋转空调面板的温度调节旋钮到合适的位置，温度控制器接到飞行员的输入指令后，与接收到的管道温度传感器和客舱温度传感器进行比较，是加温还是降温，从而控制到达混合室的冷空气和热空气的比例，得到满足人体生理和工作需要的座舱空气。热通道较简单，就是发动机引来气体中的一部分，经过调节活门直接到达输送到混合腔的通路，各种空气循环制冷系统主要冷路的设计实现上，根据冷路系统中涡轮冷却器的类型可将空气循环制冷系统分成三类：涡轮风扇式、涡轮压气机式及涡轮压气机风扇式。其中涡轮压气机风扇式制冷系统是前两者的组合，结合了前两者的优点。

优点目前飞机上制冷主流采用的都是空气制冷循环，其优点在于：第一制冷工质的环保和无变相变性。空气是天然的工质，无毒无害，对环境没有任何破坏作用，而且可以随时实地自由获取。制冷循环中空气只起着传递能量的作用，无论是它的化学成分还是物理相态都不发生变化，这是区别于其他工质作为制冷剂的制冷循环的最明显的特征。采用节能的直接冷却系统，空气即使制冷剂又是载冷剂，供冷无需热交换器，冷空气直接进入需要冷却的环境消除热负荷，系统正压。运用在航空上，就地取材，省去了单独的压缩机以涡轮喷气发动机的压气机代替，同时也解决了客舱增压及换气的问题。第二制冷范围宽，低温下运行性能优良。空气制冷循环可以满足零摄氏度以上负一百四十度的要求，尤其在－72°C以下时其制冷性能比蒸发循环系统好，而现代大型飞机运行时从地面到一万米高空，温度变化很大从而空气制冷循环机较宽的温度制冷范围刚好满足其要求。第三空气制冷设备可靠性高、维护方便，空气制冷装置结构简单，可靠性高，安全性好，制冷剂可随时随地自由获得补充，不必担心泄露问题；另外空气制冷循环装置拆装、移动方便，无需回收制冷剂，便于维护。

原理空气循环制冷系统由压缩空气源、热交换器和涡轮膨胀机等组成。由发动机带动的座舱增压器或者直接由发动及引出的高温高压空气先经过热交换器，将压缩热传给冷却介质（热交换器的冷却介质一般是机外环境空气和燃油），然后流入涡轮中进行膨胀，并驱动涡轮旋转，带动同轴的压气机或风扇，将热能转化为机械功，空气本身的温度和压力在涡轮出口得到大大降低，由此获得满足温度和压力要求的冷空气，再与热路空气按一定的比例混合后就可以通向客舱提供舒适环境并增压。为了达到较好的制冷效果，热交换器外围的冷却空气流动的越快，热交换器中需要被冷却的发动机压气机引气的冷却效率越高，将涡轮同轴相连的风扇与热交换器串联在同一条冲压空气管道上，这样通过涡轮将热能转化的机械功驱动风扇转动，加速了热交换器周围冷却空气的流动，就刚好达到提高冷却效率的目的。涡轮风扇式空气循环制冷系统就是这样满足冷路制冷要求的，但由于飞机在高空高速飞行时比在地面及低速飞行时，涡轮风扇式空气循环制冷系统中的风扇做功的负荷减小很多，使得高速飞行时涡轮转数增加，容易产生超转，影响制冷效果并减小涡轮的寿命，故要限制飞行高度。

三种制冷系统的比较在接触面积相同的情况下，温差越大、高温物质与低温物质之间的单位时间热流量越大，散热效果越明显，涡轮压气机式空气循环制冷系统应运而生。与涡轮风扇式空气循环制冷系统的不同在于，高温高压引气经过第一级热交换器冷却后，又进入压气机，涡轮同轴连接压气机对空气做功后使其压力和温度均提高，然后空气又流向二级热交换器进行冷却，故而涡轮压气机式空气循环制冷系统又叫做涡轮升压循环制冷系统。二级热交换器冷却与被冷却气体温差加大，热交换率增加，同时由于涡轮压气机式制冷系统的膨胀比比涡轮风扇式的大，故其制冷能力也大。这样较少的供气量就能满足相同的制冷效果，发动机油耗少，经济性好。但在飞机静止在地面或低速运动时，热交换器周围缺乏冲压空气，就会使热交换器外围空气的温度升高，从而缩小温度差导致热交换律降低，影响制冷效果，因此在MD82及MD90飞机空调系统中增加了一条与冲压空气管道风扇通道并列通向热交换器的风扇通道。

该风扇是由飞机机上电源驱动的，当飞机停留在地面时，冲压空气管道阀门关闭，风扇通道阀门打开，飞机电源向风扇供电驱动空气流过热交换器周围进行热交换，达到较好制冷效果；当飞机达到一定的速度，风扇断电，风扇通道阀门关闭；冲压空气管道阀门打开，由飞机飞行时产生的冲压空气直接对热交换器进行冷却。这样就保证了在任何情况下，流过热交换器的冷却气流量保持稳定，提高空调制冷效率。
涡轮压气机风扇式制冷系统是涡轮压气机式和涡轮风扇式制冷系统的结合，最大的特点是将涡轮、风扇及压气机三者共轴，风扇通道直接与涡轮压气机式制冷系统的两级热交换器的冲压空气管道相连，这样高温高压空气经过一级热交换器后再经过涡轮膨胀，高压空气中的热能就通过涡轮转换成风扇和压气机的机械功，并且由于是共轴，风扇和压气机之间可以自动协调涡轮传导的机械能的分配比，在地面时，由于风扇的负荷增加，能从共轴上分配到较多的机械能用来驱动空气流过热交换器的表面，当到达一定飞行速度时，风扇负荷减小，压气机从共轴上分配到更多的机械能用来提高引气的压力和温度，形成温度差，有利于热量散出；同时风扇分配的机械能减小，保证了其工作不超速。3