孫浩然，曾憲順，趙丹，丁國良，鄭威，李勇

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-錢學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，上海 200020）

0 引言

飛艇因其運(yùn)行費(fèi)用低、能夠長期定點(diǎn)滯空、維持特定高度等特點(diǎn)受到了廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代飛艇一般采用充放空氣、拋載重物等方式調(diào)節(jié)升降[1]。由于空氣可充放體積和載重物攜帶量的限制，一般飛艇調(diào)節(jié)升降的能力十分有限[2-3]。

文獻(xiàn)中已有大量關(guān)于提升飛艇升降調(diào)節(jié)能力的研究，但是目前大多數(shù)是研究充放空氣的傳統(tǒng)升降方式。Chen等[4]針對(duì)飛艇全過程的壓差控制進(jìn)行了研究，提出了飛艇的超壓控制方法；吳雷等人[5]提出一種以壓差控制為主、高度控制為輔的協(xié)調(diào)控制策略；張功學(xué)等[6]提出了一種雙副氣囊飛艇壓力控制系統(tǒng)，調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)外壓差保持在合理范圍內(nèi)。鄭威等[7]提出了一種基于氣液相變的可逆浮力調(diào)節(jié)方法，將氣液相變系統(tǒng)應(yīng)用到飛艇中，可改變傳統(tǒng)的充放空氣調(diào)節(jié)方式，利用相變系統(tǒng)對(duì)氣囊氣體進(jìn)行調(diào)節(jié)，便可以大范圍的改變氣體體積，從而提高飛艇升降調(diào)節(jié)能力。

將地面相變系統(tǒng)直接應(yīng)用到高空中，會(huì)存在系統(tǒng)相變效率降低、重量及功率無法滿足飛艇運(yùn)行要求的問題。高空環(huán)境中，氣囊內(nèi)的氣體處于低溫低壓的狀態(tài)，過低的吸氣壓力會(huì)導(dǎo)致相變系統(tǒng)中壓縮機(jī)的容積效率降低，稀薄的空氣會(huì)導(dǎo)致?lián)Q熱器的換熱效率降低，并且龐大復(fù)雜的液化設(shè)備可能會(huì)超過飛艇的負(fù)重能力。因此，為了將相變系統(tǒng)應(yīng)用于高空飛艇中，必須對(duì)相變系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，滿足高效輕量化的要求。

本文的目的是設(shè)計(jì)適用于飛艇高空運(yùn)行工況的高效輕量化氣液相變系統(tǒng)，提出系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并給出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

1 高空相變系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

1.1 總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)飛艇的自由升降，飛艇中的相變系統(tǒng)必須滿足三個(gè)要求：1）相變速率可調(diào)性好；2）系統(tǒng)重量輕；3）適用于高空大氣環(huán)境。

為了滿足相變速率可調(diào)性好的要求，在相變方式選擇上，系統(tǒng)采用蒸汽壓縮式相變方法。常用的氣液相變方式有蒸汽壓縮式、吸收式及吸附式。由于吸附式相變過程需要外部熱源進(jìn)行解吸，一般采用太陽能，在高空中受環(huán)境制約無法實(shí)現(xiàn)自主調(diào)節(jié)。吸收式相變系統(tǒng)的相變過程是通過濃稀溶液的不斷轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)的，隨著相變的進(jìn)行，液體濃度會(huì)發(fā)生改變，相變速率也會(huì)隨之變化，可調(diào)性差。而蒸汽壓縮式相變系統(tǒng)，汽化速率與液化速率可以通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和膨脹閥開度等方式進(jìn)行控制，受外部環(huán)境制約小，相變速率可調(diào)性好，并且設(shè)備簡單，適用于高空飛艇中。

為了滿足系統(tǒng)重量輕的要求，在循環(huán)設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)采用單一換熱器的設(shè)計(jì)形式。與傳統(tǒng)地面用氣液相變系統(tǒng)不同，飛艇運(yùn)行時(shí)工質(zhì)的液化過程與汽化過程不會(huì)同時(shí)發(fā)生，即系統(tǒng)的工作過程并非一個(gè)完整的循環(huán)，液化及汽化過程單獨(dú)進(jìn)行，因此，系統(tǒng)中可僅采用一個(gè)換熱器實(shí)現(xiàn)工質(zhì)的冷凝及蒸發(fā)。

為了適用于高空大氣環(huán)境，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，系統(tǒng)增設(shè)一個(gè)膨脹閥以控制蒸發(fā)壓力，防止冰堵現(xiàn)象的發(fā)生。由于在高空環(huán)境中，大氣的溫度壓力極低，如平流層溫度僅為217 K，壓力僅為5.5 kPa，導(dǎo)致氣囊內(nèi)工質(zhì)的壓力很低，過低的蒸發(fā)壓力可能導(dǎo)致工質(zhì)在換熱器內(nèi)出現(xiàn)氣固相變。為防止工質(zhì)變?yōu)楣滔?，系統(tǒng)在氣囊入口處增設(shè)電子膨脹閥以調(diào)節(jié)蒸發(fā)壓力，使其高于工質(zhì)的三相點(diǎn)壓力。

基于上述分析，相變系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案如圖1所示。相變系統(tǒng)由壓縮機(jī)、換熱器、風(fēng)機(jī)、儲(chǔ)液罐、電子膨脹閥、三通閥與電磁閥組成。

圖1 高空相變系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

相變系統(tǒng)的工作過程如下。對(duì)于液化過程，系統(tǒng)電磁閥A開啟、B閉合，三通閥A、B均接通bc兩路，氣囊內(nèi)氣體工質(zhì)經(jīng)過壓縮機(jī)壓縮、換熱器冷凝后儲(chǔ)存到液體儲(chǔ)罐中。對(duì)于汽化過程，系統(tǒng)電磁閥A閉合、B開啟，三通閥A、B均接通ab兩路，液體儲(chǔ)罐中的液體經(jīng)過電子膨脹閥節(jié)流、換熱器蒸發(fā)后存入飛艇氣囊中。

1.2 工質(zhì)類型選擇

為滿足相變系統(tǒng)高效輕量的要求，相變工質(zhì)應(yīng)具有比重小、相變效率高的特點(diǎn)。

從重量要求來看，氨在相變系統(tǒng)的常用工質(zhì)中比重最小，氨氣密度僅為相同狀態(tài)下空氣密度的59%，能夠?qū)崿F(xiàn)飛艇的漂浮，滿足飛艇運(yùn)行條件。

從相變效率來看，相對(duì)于其他工質(zhì)，氨氣在蒸汽壓縮系統(tǒng)中單位質(zhì)量流量相變效率最高。

因此，高空相變系統(tǒng)采用氨工質(zhì)。

1.3 部件類型選擇

壓縮機(jī)：為適應(yīng)高空低溫低壓的大氣環(huán)境，壓縮機(jī)應(yīng)滿足能夠在低吸氣壓力下正常運(yùn)行的要求。在高空中，氣囊內(nèi)工質(zhì)處于極低壓狀態(tài)，如在20 km的平流層中工質(zhì)壓力僅為5.5 kPa。若采用氨相變系統(tǒng)常用的活塞壓縮機(jī)，如此低的吸氣壓力使得活塞機(jī)的回氣壓力已形成超負(fù)壓工況，會(huì)導(dǎo)致容積效率的急劇下降[8]。而螺桿機(jī)的結(jié)構(gòu)對(duì)低壓吸氣工況的適應(yīng)性很強(qiáng)，能夠在大壓比的工況范圍內(nèi)仍然保持良好的容積效率[9]。因此，相變系統(tǒng)采用螺桿式壓縮機(jī)。

換熱器：為滿足系統(tǒng)高效輕量化的需求，換熱器應(yīng)具有相變效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、材質(zhì)輕的特點(diǎn)。相比于其他形式的換熱器，微通道換熱器在高效性和輕量化方面有著明顯的優(yōu)勢[10]。其使用的多孔扁管，換熱系數(shù)由于水力直徑的明顯減少會(huì)得到顯著地提高；同時(shí)，它空氣側(cè)的氣流組織更為合理，減小了迎風(fēng)阻力，能夠有效地降低風(fēng)扇的功耗。并且全鋁的結(jié)構(gòu)可以有效降低系統(tǒng)重量。因此，相變系統(tǒng)采用微通道換熱器。

風(fēng)機(jī)：為保證換熱器的換熱能力，風(fēng)機(jī)采用大流量的軸流式風(fēng)機(jī)。

節(jié)流機(jī)構(gòu)：為實(shí)現(xiàn)相變速率的良好調(diào)節(jié)，節(jié)流機(jī)構(gòu)采用穩(wěn)定精確的電子膨脹閥。

2 高空相變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2.1 設(shè)計(jì)思路

相變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅與相變技術(shù)指標(biāo)的要求有關(guān)，還與運(yùn)行工況的選取密切相關(guān)，例如當(dāng)換熱器的傳熱溫差改變時(shí)，所需的換熱面積也會(huì)相應(yīng)變化。因此，為了設(shè)計(jì)出最輕量的高空相變系統(tǒng)，首先應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)最佳運(yùn)行工況的設(shè)計(jì)，再根據(jù)運(yùn)行工況與相變技術(shù)指標(biāo)，進(jìn)行各部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。具體的設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 高空相變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路圖

2.2 最佳工況設(shè)計(jì)方法

對(duì)于相變系統(tǒng)，工況參數(shù)包括蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過熱度與過冷度。當(dāng)飛艇運(yùn)行工況確定時(shí)，系統(tǒng)過熱度可由氣囊內(nèi)氣體的溫度及壓力確定，過冷度可由空氣的溫度及冷凝壓力確定。因此，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)的工況參數(shù)僅為蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。

對(duì)于蒸發(fā)溫度的設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量取小值。因?yàn)槠^程的換熱量與蒸發(fā)溫度的選取無關(guān)，而換熱溫差隨著蒸發(fā)溫度的減小而增大，因此，汽化過程所需的換熱面積隨著蒸發(fā)溫度的減小而單調(diào)減小，蒸發(fā)溫度越低越好?？紤]到蒸發(fā)器內(nèi)存在壓降，為防止氨氣出現(xiàn)氣固相變，蒸發(fā)溫度應(yīng)略高于氨氣三相點(diǎn)溫度。

對(duì)于冷凝溫度的設(shè)計(jì)，應(yīng)考察在不同冷凝溫度下，系統(tǒng)重量的變化趨勢，找到使系統(tǒng)總重量最小的冷凝溫度。由于運(yùn)行工況的選取只影響換熱器的重量，故系統(tǒng)重量的變化趨勢可以通過換熱器的重量變化趨勢來反映。而換熱器的重量與換熱面積成正比，因此，只需考察換熱器的換熱面積的變化趨勢，使換熱器所需換熱面積最小的冷凝溫度即是最佳的冷凝溫度。

2.3 部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2.3.1 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)方法

對(duì)于壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)，需要求取壓縮機(jī)所需的理論輸氣量，再根據(jù)理論輸氣量選擇壓縮機(jī)的型號(hào)。

壓縮機(jī)所需的理論輸氣量可由下式計(jì)算[11]：

式中：

Vth——壓縮機(jī)理論輸氣量，m3/h；

mcom——壓縮機(jī)流量，kg/h；

vsuc——壓縮機(jī)吸氣口工質(zhì)比容，m3/kg；

λ——壓縮機(jī)輸氣系數(shù)；對(duì)于螺桿式壓縮機(jī)，λ一般為 0.85～0.95[9]。

壓縮機(jī)流量可由液化速率確定，吸氣工質(zhì)比容可由氣囊內(nèi)氣體狀態(tài)確定，輸氣系數(shù)可由壓縮機(jī)進(jìn)出口的工質(zhì)狀態(tài)確定。由此，壓縮機(jī)所需的理論輸氣量可以計(jì)算得出，之后便可以根據(jù)輸氣量選擇壓縮機(jī)的型號(hào)。

2.3.2 換熱器設(shè)計(jì)方法

對(duì)于換熱器的設(shè)計(jì)，需要求取換熱器的整體結(jié)構(gòu)尺寸。求取方法為首先計(jì)算換熱器的整體換熱系數(shù)，得出換熱器所需的換熱面積，然后根據(jù)換熱面積設(shè)計(jì)換熱器整體結(jié)構(gòu)。

換熱器的整體換熱系數(shù)可由下式計(jì)算：

式中：

KHX——換熱器整體換熱系數(shù)，W·m2/K；

Kref——制冷劑側(cè)換熱系數(shù)，W·m2/K；

Kair——空氣側(cè)換熱系數(shù)，W·m2/K；

Fi/Fo——管內(nèi)外側(cè)有效換熱面積之比。

空氣側(cè)和制冷劑側(cè)換熱系數(shù)已有關(guān)聯(lián)式[12-13]計(jì)算得出，管內(nèi)、外側(cè)有效換熱面積之比可由微通道換熱器常用的微觀尺寸確定。由此，換熱器的整體換熱系數(shù)可以計(jì)算得出，進(jìn)而可以計(jì)算換熱器所需的換熱面積。

換熱器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則為：對(duì)于換熱器流程的確定，為防止氣固相變，應(yīng)盡量減小換熱器內(nèi)的壓降，故應(yīng)使沿流動(dòng)方向的距離盡量縮小，因此，換熱器應(yīng)設(shè)計(jì)成一端進(jìn)，另一端出的形式；對(duì)于換熱器尺寸確定，當(dāng)換熱器的迎風(fēng)面接近正方形時(shí)，迎風(fēng)面的各個(gè)角落均可以充分吹風(fēng)，使換熱器的迎風(fēng)面得以充分利用，從而降低風(fēng)機(jī)的功耗，因此，在換熱器整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)使迎風(fēng)面接近正方形。根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，由換熱器所需的換熱面積便可以設(shè)計(jì)換熱器的整體結(jié)構(gòu)。

2.3.3 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)方法

對(duì)于風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)，需要求取換熱器所需風(fēng)量，再根據(jù)風(fēng)量需求進(jìn)行風(fēng)機(jī)的調(diào)研與選型。換熱器的風(fēng)量需求由其所需的風(fēng)速及迎風(fēng)面積確定。由于高空環(huán)境的空氣流速已達(dá)到10 m/s以上，風(fēng)速已滿足換熱器設(shè)計(jì)需求，故在設(shè)計(jì)中，重點(diǎn)考慮地面環(huán)境中換熱器所需要的風(fēng)量。根據(jù)所設(shè)計(jì)的換熱器結(jié)構(gòu)及地面工況下氨的相變換熱量，可以計(jì)算出地面環(huán)境中換熱器所需的換熱系數(shù)，從而反推出所需的風(fēng)速。根據(jù)風(fēng)速和換熱器迎風(fēng)面積，計(jì)算出風(fēng)機(jī)的風(fēng)量需求，便可以進(jìn)行風(fēng)機(jī)的調(diào)研與選型。

2.3.4 儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)方法

對(duì)于儲(chǔ)液罐的設(shè)計(jì)，需要計(jì)算儲(chǔ)液體積，并根據(jù)體積需求設(shè)計(jì)儲(chǔ)液罐的外形尺寸。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕量化，儲(chǔ)液罐材質(zhì)設(shè)計(jì)為鋁合金。

儲(chǔ)液體積可由下式計(jì)算：

式中：

Vl——儲(chǔ)液體積，m3；

ΔVg——?dú)饽殷w積變化，m3；

ρg——?dú)饽覂?nèi)氨氣密度，kg/m3；

ρl——儲(chǔ)液罐內(nèi)氨液密度，kg/m3；

3 高空相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例

為了進(jìn)一步明確高空相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，本文給出設(shè)計(jì)實(shí)例。相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求為適用于高空20 km，液化速率0.5 kg/min，汽化速率1 kg/min，儲(chǔ)液質(zhì)量520 kg。具體的設(shè)計(jì)過程詳述如下。

1) 最佳工況設(shè)計(jì)

對(duì)于蒸發(fā)溫度，由于氨氣凝固點(diǎn) 195.5 K，當(dāng)汽化速率為1 kg/min時(shí)，換熱器內(nèi)溫降約為4.5 K，為防止氨氣變?yōu)楣虘B(tài)，蒸發(fā)溫度設(shè)計(jì)為200 K。

對(duì)于冷凝溫度，通過反復(fù)試算，當(dāng)冷凝溫度為231 K時(shí)，換熱器所需的換熱面積為最小值，因此，冷凝溫度設(shè)計(jì)為231 K。

2) 壓縮機(jī)設(shè)計(jì)

由高空20 km工況可知，氣囊內(nèi)氨氣壓力約為6 kPa、溫度約為 217 K，此狀態(tài)下氨氣比容為17.6 m3/kg，即壓縮機(jī)吸氣口工質(zhì)比容為17.6 m3/kg。根據(jù)蒸發(fā)壓力及冷凝壓力，計(jì)算得壓縮機(jī)的輸氣系數(shù)約為 0.9。根據(jù)式(1)，壓縮機(jī)所需的輸氣量為587 m3/h。調(diào)研現(xiàn)有壓縮機(jī)產(chǎn)品可得，滿足此輸氣量需求的螺桿式壓縮機(jī)重量約為360 kg，功率約為4.7 kW。

3) 換熱器設(shè)計(jì)

根據(jù)式(2)，可計(jì)算得出液化過程和汽化過程的換熱器整體換熱系數(shù)，分別為 32.15 W/m2K和42.64 W/m2K。根據(jù)換熱系數(shù)及相變所需的換熱量，計(jì)算出液化過程和汽化過程所需的換熱面積分別為32.8 m2和33.03 m2。為同時(shí)滿足汽化速率和液化速率需求，換熱器的換熱面積應(yīng)設(shè)計(jì)為33.03 m2。根據(jù)換熱器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則，換熱器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：寬度30 mm、高度920 mm、長度903 mm，重量為7.3 kg。

4) 風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)

根據(jù)換熱面積及地面工況下的相變換熱量，計(jì)算得在地面工況下?lián)Q熱器所需的換熱系數(shù)為10.26 W/m2K，求得換熱器所需風(fēng)速為1.7 m/s。由于換熱器的迎風(fēng)面積為0.83 m2，因此，風(fēng)機(jī)需要提供的風(fēng)量為5084.3 m3/h。滿足此風(fēng)量需求的風(fēng)機(jī)重量約為5 kg，電動(dòng)機(jī)功率為0.75 kW。

5) 儲(chǔ)液罐設(shè)計(jì)

根據(jù)式(3)，可計(jì)算得出儲(chǔ)液罐中的氨液體積為0.71 m3，由此設(shè)計(jì)的儲(chǔ)液罐結(jié)構(gòu)為：直徑990 mm、高度990 mm、厚度2 mm，重量為18.65 kg。

對(duì)于閥門等輔助部件，可采用相變系統(tǒng)中常用的成熟產(chǎn)品。所設(shè)計(jì)的相變系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如表1所列。

由表 1中可以看出，相變系統(tǒng)總重量僅為393.55 kg，系統(tǒng)總功率僅為5.45 kW，滿足飛艇運(yùn)行需求。

表1 高空相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

4 高空相變系統(tǒng)與常規(guī)非相變系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

與采用常規(guī)空氣囊調(diào)節(jié)浮力的飛艇相比，采用高空相變系統(tǒng)的飛艇不足之處在于相變系統(tǒng)本身的自重減弱了負(fù)載能力，但是它有著常規(guī)飛艇無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，具體如下。

1) 氣液相變系統(tǒng)可以對(duì)飛艇凈浮力進(jìn)行按需調(diào)節(jié)，提高飛艇運(yùn)行的穩(wěn)定性。

常規(guī)飛艇的凈浮力會(huì)隨著高度的升高呈現(xiàn)下降趨勢，且受海拔高度制約，無法自主調(diào)節(jié)[14]。對(duì)于采用氣液相變系統(tǒng)的飛艇，由于相變系統(tǒng)可以自由調(diào)節(jié)氣囊內(nèi)氣體的量，從而對(duì)氣囊體積進(jìn)行按需調(diào)節(jié)，使飛艇的凈浮力為任意需求值。其浮力調(diào)節(jié)范圍由氣囊體積的可變范圍與氨氣充注量確定，不受海拔高度制約，使飛艇穩(wěn)定運(yùn)行。兩者的性能對(duì)比如圖3所示。

2) 氣液相變系統(tǒng)可以保持氣囊內(nèi)壓強(qiáng)的穩(wěn)定，提高飛艇的耐候性。

對(duì)于常規(guī)飛艇，高空環(huán)境氣象條件的晝夜變化會(huì)導(dǎo)致氣囊內(nèi)氣體的壓強(qiáng)發(fā)生劇烈變化，嚴(yán)重影響氣囊材料表面的應(yīng)力大小，在應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)可能會(huì)使蒙皮材料撕裂[1]。而對(duì)于采用氣液相變系統(tǒng)的飛艇，氣囊內(nèi)的壓力可以通過調(diào)節(jié)氣體的量進(jìn)行控制。當(dāng)外部氣象條件引起氣囊內(nèi)氣體比壓強(qiáng)增大或降低時(shí)，相應(yīng)地減少或增加氣囊內(nèi)氣體的量便可以保持氣囊內(nèi)壓強(qiáng)的穩(wěn)定，提高飛艇的耐候性。

圖3 凈浮力調(diào)節(jié)能力對(duì)比圖

5 結(jié)論

為了提高飛艇浮力調(diào)節(jié)能力，氣液相變系統(tǒng)被應(yīng)用于飛艇中。系統(tǒng)采用氨作為工質(zhì)、選擇螺桿式壓縮機(jī)、單一微通道換熱器、鋁合金儲(chǔ)液罐，從而實(shí)現(xiàn)了高空相變系統(tǒng)的高效化和輕量化。

本文給出了高空相變系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。根據(jù)此方法對(duì)液化速率為0.5 kg/min和汽化速率為1 kg/min相變系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果顯示系統(tǒng)的總重量僅為393.55 kg, 總功率僅為5.45 kW。

本文設(shè)計(jì)的氣液相變系統(tǒng)，可以對(duì)飛艇凈浮力進(jìn)行按需調(diào)節(jié)，提高飛艇運(yùn)行的穩(wěn)定性，并能提高飛艇的耐候性。

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