李 旭 ，雷金果，魏東濤

（空軍勤務(wù)學(xué)院 航空四站系，江蘇 徐州221000）

飛機(jī)地面空調(diào)車蒸發(fā)器幾種典型翅片強(qiáng)化換熱效果的仿真比較

李 旭 ，雷金果，魏東濤

（空軍勤務(wù)學(xué)院 航空四站系，江蘇 徐州221000）

為了提高飛機(jī)地面空調(diào)保障的保障效率，節(jié)省保障時(shí)間，對蒸發(fā)器的幾種典型翅片的強(qiáng)化換熱效果進(jìn)行了研究，以確定不同種類翅片換熱系數(shù)的大小，分析各種翅片的強(qiáng)化換熱效果強(qiáng)弱。為此，選取了平直形、開縫形、三角形波紋形和正弦波波紋形等4種典型形式的換熱器翅片，建立了4種翅片下的換熱系數(shù)計(jì)算模型，利用Simulink仿真工具建立了用于換熱系數(shù)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真計(jì)算與分析。研究結(jié)果表明：與其它3種形式的換熱器翅片相比，采用平直形翅片的飛機(jī)地面空調(diào)車蒸發(fā)器具有更高的換熱系數(shù)，在蒸發(fā)器換熱面積相同時(shí)，能夠產(chǎn)生更好的制冷換熱效果，進(jìn)而節(jié)約航空兵部隊(duì)和空軍場站的飛行保障時(shí)間，提高飛行保障效率。

飛機(jī)地面空調(diào)車；蒸發(fā)器；翅片；強(qiáng)化換熱；仿真

飛機(jī)地面空調(diào)車是當(dāng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)，需要地面通電檢查和維修飛機(jī)電子設(shè)備時(shí)，為飛機(jī)電子設(shè)備艙提供干燥、潔凈的空氣，用以控制飛機(jī)電子設(shè)備工作環(huán)境的一款飛機(jī)地面保障裝備[1]。因此，作為飛機(jī)地面空調(diào)車核心系統(tǒng)——制冷換熱系統(tǒng)的主要工作部件，蒸發(fā)器的制冷效果顯得格外重要。

通過在管外增加翅片，以增加空氣側(cè)的換熱面積，是強(qiáng)化蒸發(fā)器換熱效果最常用的手段之一[2]，飛機(jī)地面空調(diào)車蒸發(fā)器便采用在管外空氣側(cè)添加換熱翅片的方式來提高制冷系統(tǒng)的換熱效率。換熱器翅片主要有平直形、開縫形、三角形波紋形和正弦波波紋形等4種形式[3]，4種翅片結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 4種形式換熱翅片基本結(jié)構(gòu)圖

為了研究管外翅片對飛機(jī)地面空調(diào)車蒸發(fā)器制冷效果的影響，本文選取了平直形、開縫形、三角形波紋形和正弦波波紋形等4種典型的翅片，通過建模、仿真等手段，對4種翅片強(qiáng)化換熱的效果加以分析、研究，以明確飛機(jī)地面空調(diào)車蒸發(fā)器在不同翅片工況下制冷效果的優(yōu)劣。

1 計(jì)算模型的建立

飛機(jī)地面空調(diào)車蒸發(fā)器的作用是利用液態(tài)制冷劑在低溫下蒸發(fā)（沸騰），轉(zhuǎn)變?yōu)檎魵獠⑽毡焕鋮s介質(zhì)的熱量，達(dá)到制冷的目的[4]。因此，蒸發(fā)器是制冷系統(tǒng)中制取冷量和輸出冷量的設(shè)備。在熱泵型空調(diào)中，制熱時(shí)冷凝器和蒸發(fā)器剛好相反，即制冷時(shí)的冷凝器變成制熱時(shí)的蒸發(fā)器，這種轉(zhuǎn)換一般是通過電磁四通閥來完成的。

飛機(jī)地面空調(diào)車的蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是翅片式的蒸發(fā)器，由分流管、集氣管、8 mm的紫銅管和鋁制散熱片組成。制冷劑經(jīng)熱力膨脹閥節(jié)流后變成氣液混合物進(jìn)入蒸發(fā)器束管，吸收來自空氣的熱量，冷卻空氣，使空氣溫度降低，而工質(zhì)本身被加熱，加熱后的工質(zhì)返流到壓縮機(jī)，再次被壓縮，參與第二次循環(huán)，如此反復(fù)下去[5]。蒸發(fā)器內(nèi)部為換熱管，管內(nèi)屬于制冷劑通道，外界空氣通過換熱管管壁和制冷劑進(jìn)行對流換熱，空氣將熱量傳遞給制冷劑，制冷劑為空氣進(jìn)行制冷降溫。飛機(jī)地面空調(diào)車蒸發(fā)器換熱管結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中，d1表示換熱管管直徑；d2表示換熱管內(nèi)管外翅片高度；δ1表示翅片厚度；δ2表示翅片之間間隙的距離。

圖2 蒸發(fā)器圖

圖3 飛機(jī)地面空調(diào)車蒸發(fā)器換熱管結(jié)構(gòu)

通常在制冷系統(tǒng)的換熱器中，因?yàn)閾Q熱器空氣側(cè)的換熱面普遍采取擴(kuò)展受熱面的方式增加換熱面積，而空氣在擴(kuò)展受熱面中具體的流動(dòng)、換熱過程較為復(fù)雜，尤其是對蒸發(fā)器空氣側(cè)水蒸汽的受冷凝結(jié)或結(jié)霜過程、受熱面的凝結(jié)或結(jié)霜對流動(dòng)以及傳熱的影響、不同制冷劑相變過程的換熱系數(shù)計(jì)算等許多問題，無論是從機(jī)理認(rèn)識(shí)還是從數(shù)學(xué)描述方法，都是制冷研究正在探索的課題[6]。故而，在制冷系統(tǒng)的仿真過程中，往往只能借助相關(guān)經(jīng)驗(yàn)（或半經(jīng)驗(yàn)）的關(guān)系式以估算換熱器空氣側(cè)的換熱系數(shù)。本文采用李嫵[7]等人通過自己實(shí)驗(yàn)或總結(jié)前人研究成果得出的換熱綜合關(guān)聯(lián)式，如下式所示：

式中，Nu表示飛機(jī)地面空調(diào)車蒸發(fā)器的努塞爾數(shù)；Re表示蒸發(fā)器工作時(shí)，空氣的雷諾數(shù)；N表示蒸發(fā)器換熱管的管排數(shù)；s表示沿空氣流動(dòng)方向換熱管管間距；C1、C2、C3和 C4均為常數(shù)量，其值由翅片形式而定。參考文獻(xiàn)[7-8]，平直形、開縫形、三角形波紋形和正弦波波紋形等4種形式翅片的常量C1、C2、C3和C4值如表1所示。

表1 換熱器空氣側(cè)換熱關(guān)聯(lián)式中的常量值

又，根據(jù)努賽爾數(shù)Nu和雷諾數(shù)Re的定義式[9]，有

式（2）和式（3）中，α表示飛機(jī)地面空調(diào)車蒸發(fā)器空氣側(cè)換熱系數(shù)；λ表示蒸發(fā)器工作時(shí)，內(nèi)部空氣的熱導(dǎo)率；ρ表示空氣的平均密度；w表示空氣的流動(dòng)速度；μ表示空氣的動(dòng)力粘度，并且，

式中，v表示空氣的運(yùn)動(dòng)粘度。

聯(lián)立式（1）～（4），并移項(xiàng)，可得蒸發(fā)器空氣側(cè)換熱系數(shù)計(jì)算公式為

2 建模與仿真分析

2.1 仿真模型的建立

由式（4）可知，飛機(jī)地面空調(diào)車蒸發(fā)器空氣側(cè)換熱系數(shù)計(jì)算公式較為繁瑣，因此本文利用軟件MATLAB中的仿真工具Simulink設(shè)計(jì)換熱系數(shù)計(jì)算模型[10]，模型的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 飛機(jī)地面空調(diào)車蒸發(fā)器換熱系數(shù)計(jì)算仿真模型結(jié)構(gòu)

[11-13]，設(shè)置仿真模型中各參數(shù)值如下：λ=257 W/（m·K）；ρ=1.204 5 kg/m3；v=15.11×106m2/s；w=1 m/s；d1=9.52 × 10-3m；d2=22 × 10-3m；δ2=2× 10-3m；s=17× 10-3m；N=6.根據(jù)表 1中常數(shù)量C1、C2、C3和C4的值，依次計(jì)算平直形、開縫形、三角形波紋形和正弦波波紋形等4種形式翅片下的飛機(jī)地面空調(diào)車蒸發(fā)器的換熱系數(shù)。

2.2 仿真分析

利用如圖3的仿真模型，代入仿真參數(shù)加以計(jì)算，可得4種形式下?lián)Q熱系數(shù)如下表2所示。

表2 4種翅片形式下飛機(jī)地面空調(diào)車換熱系數(shù)

由表2可知：在平直形、開縫形、三角形波紋形和正弦波波紋形等4種形式翅片下，飛機(jī)地面空調(diào)車蒸發(fā)器的換熱系數(shù)依次減小。其中，平直形翅片可以使蒸發(fā)器換熱系數(shù)達(dá)到最大，而正弦波波紋形翅片下蒸發(fā)器換熱系數(shù)最小。

由此可推知：對于飛機(jī)地面空調(diào)車蒸發(fā)器而言，采用平直形翅片可使蒸發(fā)器換熱系數(shù)達(dá)到最大，能夠使得蒸發(fā)器換熱效果達(dá)到最優(yōu)，并節(jié)省飛機(jī)地面空調(diào)保障的時(shí)間，提高航空兵部隊(duì)和空軍場站的飛行保障效率。

3 結(jié)論

從本文的研究中可以發(fā)現(xiàn)：對于不同的翅片，蒸發(fā)器的換熱系數(shù)往往不同。與開縫形、三角形波紋形和正弦波波紋形等3種形式翅片相比，采用平直形翅片的蒸發(fā)器，其換熱系數(shù)較大。因此，當(dāng)蒸發(fā)器的換熱面積相同時(shí)，采用平直形翅片的蒸發(fā)器其制冷效果更好，能夠節(jié)省飛機(jī)地面空調(diào)保障時(shí)間，提高保障效率。所以，相較于其它3種形式的換熱器翅片，飛機(jī)地面空調(diào)車蒸發(fā)器更適合采用平直形翅片。

參考文獻(xiàn)：

[1]國防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì).GJB2643-96：飛機(jī)地面空調(diào)車通用規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1996.

[2]支 浩，湯慧萍，朱紀(jì)磊.換熱器的研究發(fā)展現(xiàn)狀[J].化工進(jìn)展，2009，28：338-342.

[3]許 偉.幾種典型翅片傳熱及阻力特性的數(shù)值研究與分析[D].北京：清華大學(xué)，2005.

[4]張 科，周志剛，吳兆林.飛機(jī)地面空調(diào)車的應(yīng)用與發(fā)展[J].低溫與超導(dǎo)，2009，37（8）：51-55.

[5]唐華杰，吳兆林，周志剛.飛機(jī)地面空調(diào)車和軍用飛機(jī)地面液體冷卻車的應(yīng)用及發(fā)展[J].流體機(jī)械，2006，34（2）：72-75.

[6]陳 紅.制冷系統(tǒng)換熱器建模與仿真方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2006.

[7]李 嫵，陶文銓，康海軍，等.整體式翅片管換熱器傳熱和阻力性能的實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1997，33（1）：81-86.

[8]丁國良，張春路.制冷空調(diào)裝置仿真與優(yōu)化[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[9]彭 燕.汽車空調(diào)換熱器分布參數(shù)模型及仿真研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2004.

[10]黃永安，馬 路，劉慧敏.MATLAB 7.0/Simulink 6.0建模仿真開發(fā)與高級(jí)工程應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[11]張?zhí)鞂O.傳熱學(xué)[M].北京：中國電力出版社，2006.

[12]邊春雷，周 俊.航空地面空調(diào)車[M].徐州：藍(lán)天出版社，2012.

[13]潘琢金，王麗偉，楊 華，等.飛機(jī)地面空調(diào)車溫度控制的仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2012，29（4）：68-71.

Simulation Comparison of Effect of Enhanced Heat Transferof Typical Fins of Evaporator in Aircraft Ground Air-conditioning Carts

LI Xu，LEI Jin-guo，WEI Dong-tao
（Department of Aviation Four Stations，Air Force Logistics College，Xuzhou Jiangsu 221000，China）

To enhance the effectiveness and save the time of the support of aircraft ground air-conditioning carts，a research on the effect of enhanced heat transfer of several typical fins of evaporators is carried on to make sure of numerical values of coefficients of heat transfer of different kinds of fins and to analyze their effect of enhanced heat transfer.Therefore，four typical fins including flat，slotted，triangle corrugated and sinusoidal corrugated are selected and a computational model of coefficients of heat transfer is built.What’s more，a mathematical model used for the compute of the coefficients is built based on Simulink.Also，a simulation calculation and analysis is carried on.The research result shows that，compared with the fins of the other three shapes，the flat fins can make the evaporators in aircraft ground air-conditioning carts achieve higher coefficient of heat transfer.When the evaporators’areas of heat transfer are same，the aircraft ground air-conditioning carts can bring better effect of refrigeration and heat transfer，further，save the support time of air units and air force stations and enhance the support effectiveness.

aircraft ground air-conditioning carts；evaporators；fin；enhanced heat transfer；simulation

TP391.9

A

1672-545X（2017）08-0034-03

2017-05-16

李 旭（1993-），男，江蘇宿遷人，在讀碩士研究生，研究方向：航空四站保障技術(shù)與信息化；雷金果（1963-），男，陜西富平人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，研究方向：航空四站保障；魏東濤（1985-），男，甘肅西峰人，講師，碩士研究生，研究方向：航空四站保障技術(shù)。