飛機(jī)艙中空調(diào)系統(tǒng)的工作原理

凡是乘坐過飛機(jī)的人都會(huì)有這樣的感覺：皮膚干燥，非常容易口渴。這是何故呢?原來都是由于機(jī)艙中的空調(diào)使然。通常情況下，由于高空中的氣溫很低，常常可達(dá)到零下幾十?dāng)z氏度。然而令人們感到不可思議的是：在如此低的溫度下，飛機(jī)上的空調(diào)卻仍然在制冷。下面我們就談?wù)勥@個(gè)問題。

一、熱力學(xué)第一定律

對(duì)于一個(gè)物體，若它既沒有吸收熱量，也沒有放出熱量，那么外界對(duì)它做多少功，它的內(nèi)能就增加多少；如果它既沒有對(duì)外做功，也沒有其他物體對(duì)它做功，那么它從外界吸收多少熱量，它的內(nèi)能也就增加多少；若它既吸收了熱量，外界又對(duì)它做了功，那么物體內(nèi)能的增量就等于它吸收的熱量和外界對(duì)它做的功之和。

如果用△U表示物體內(nèi)能的增量，Q表示物體吸收的熱量，W表示外界對(duì)物體所做的功，則有△U=Q+W。上式表示出了物體內(nèi)能的變化量與功、熱量的定量關(guān)系，此即為熱力學(xué)第一定律。

二、高空中的氣溫變化規(guī)律

要了解高空中的氣溫變化規(guī)律，首先要弄清楚什么是氣團(tuán)。所謂氣團(tuán)是指溫度、濕度和其他許多物理性質(zhì)基本相同的大范圍的空氣團(tuán)。一般說來，氣團(tuán)所占的空間很大，其平均范圍在幾百到數(shù)千千米，豎直厚度可達(dá)幾千米至十幾千米。氣團(tuán)是大量的空氣長(zhǎng)時(shí)間停留在某一地區(qū)形成的。因此它的物理性質(zhì)主要是由該地區(qū)的地理環(huán)境和地表性質(zhì)所決定的。正是由于氣團(tuán)很大，所以其邊緣部分與外界的熱交換對(duì)整個(gè)氣團(tuán)沒有明顯的影響，即可以把熱力學(xué)第一定律中的Q認(rèn)為是零，因此氣團(tuán)內(nèi)能的增加(減少)就等于外界對(duì)它做功的多少(或它對(duì)外界做功的多少)，即△U=W。

由于陽光烤暖了大地，地表又使得低層的氣團(tuán)溫度升高，密度減小，因此會(huì)上升。低層的氣團(tuán)在上升的過程中又會(huì)不斷地膨脹，排擠周圍的空氣，從而會(huì)對(duì)外做功，內(nèi)能減小，溫度降低。正是由于這個(gè)原因，使得距地面越高的地方，空氣的溫度越低。對(duì)于干燥的空氣，大約每升高1 km，溫度約降低7℃左右。這樣，同學(xué)們也就不難推算出，對(duì)于萬米的高空來說，通常其氣溫大約在-50℃。

三、高空中的氣壓變化規(guī)律

大家都知道，某處的氣壓值應(yīng)等于該處單位面積上大氣柱的重力。又因大氣層有一定的高度范圍，因此對(duì)于高度越高的地方，壓在其上面的空氣柱也就越短，該處的大氣壓也就越低。這也就不難理解為什么大氣壓總是隨著高度的增加而減小。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，海平面的大氣壓約為1.013×10²kPa，而在5.5 km的高空，大氣壓約為50.5 kPa。

一般在低層大氣中，上升相同的高度氣壓降低的數(shù)值會(huì)大些，在高層空氣中大氣中，上升相同的高度氣壓降低的數(shù)值則會(huì)小些，這是因?yàn)榈蛯拥拇髿饷芏却蟆⒏邔拥拇髿饷芏刃〉木壒省?jù)測(cè)量，在近地大氣層中，每升高100 m，大氣壓平均降低約1.26 kPa，在高空則比該數(shù)值小些。空氣密度大的地方，大氣壓隨高度降低得快些；空氣密度小的地方，大氣壓隨高度降低得則慢些。

當(dāng)飛機(jī)在萬米以上的高空飛行時(shí)，大氣壓約為30 kPa，即大約只有海平面氣壓的30％左右，為了能讓乘客有一個(gè)舒適的環(huán)境，飛機(jī)在高空時(shí)必須使用空氣壓縮機(jī)把空氣從艙外不斷壓進(jìn)機(jī)艙。根據(jù)熱力學(xué)第一定律，外界對(duì)氣體做功，使物體的內(nèi)能增加，溫度升高。如果不使用空調(diào)的話，機(jī)艙內(nèi)的溫度就有可能達(dá)到50℃以上，在這樣的溫度環(huán)境中。人們是無法承受的。

三、機(jī)艙中空調(diào)的工作原理

由于高空中是低溫、低壓，乘客顯然是不能在如此“惡劣”的環(huán)境中旅行的，為此就必須有一套空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)對(duì)此進(jìn)行調(diào)節(jié)，以確保乘客安全和正常的旅行生活。供應(yīng)機(jī)艙的壓縮空氣就來自于飛機(jī)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)，外界空氣在流經(jīng)壓氣機(jī)的過程中，因其被加壓，會(huì)變得很熱。有一部分熱空氣被引出來供給機(jī)艙。這部分熱空氣首先由發(fā)動(dòng)機(jī)吊架上的熱交換器冷卻，然后流經(jīng)機(jī)翼中的管道，接著由客艙地板下面的空氣主調(diào)節(jié)裝置進(jìn)一步冷卻。冷卻后的空氣流入一個(gè)氣室，與幾乎等量的來自客艙經(jīng)過高度過濾的空氣相混合，混合后的空氣通過管道被引到客艙，從客艙頂部的出氣口流出，最后經(jīng)客艙兩側(cè)的地板格柵排出，或者在有些飛機(jī)上，經(jīng)倉(cāng)頂排氣口排出。排出的空氣從客艙地板下面流入機(jī)身底層。氣流連續(xù)不斷地循環(huán)，迅速稀釋氣味，同時(shí)維持適當(dāng)?shù)目团摐囟取？团摽諝庀到y(tǒng)使得客艙中的空氣循環(huán)是連續(xù)的，空氣在客艙中源源不斷地流進(jìn)和流出。

客艙有很高的空氣交換率，僅僅在兩三分鐘的時(shí)間內(nèi)，客艙內(nèi)的全部空氣就會(huì)被進(jìn)來的外界空氣和過濾空氣的混合氣體所替換(具體的時(shí)間間隔取決于飛機(jī)的大小)，每小時(shí)換氣20-30次。

通過上面的分析，大家不難得知，飛機(jī)在高空中飛行時(shí)，由于要進(jìn)行空氣交換，客艙空氣系統(tǒng)中空氣主要調(diào)節(jié)裝置(飛機(jī)空調(diào))的作用不是使空氣升溫，而是使空氣降溫。