飛艇浮力調(diào)節(jié)的氣液相變系統(tǒng)設計

孫浩然，曾憲順，趙丹，丁國良，鄭威，李勇

（1-上海交通大學制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-錢學森空間技術實驗室，上海 200020）

0 引言

飛艇因其運行費用低、能夠長期定點滯空、維持特定高度等特點受到了廣泛應用?，F(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]。

文獻中已有大量關于提升飛艇升降調(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]針對飛艇全過程的壓差控制進行了研究，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)對氣囊氣體進行調(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)直接應用到高空中，會存在系統(tǒng)相變效率降低、重量及功率無法滿足飛艇運行要求的問題。高空環(huán)境中，氣囊內(nèi)的氣體處于低溫低壓的狀態(tài)，過低的吸氣壓力會導致相變系統(tǒng)中壓縮機的容積效率降低，稀薄的空氣會導致?lián)Q熱器的換熱效率降低，并且龐大復雜的液化設備可能會超過飛艇的負重能力。因此，為了將相變系統(tǒng)應用于高空飛艇中，必須對相變系統(tǒng)進行重新設計，滿足高效輕量化的要求。

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

1 高空相變系統(tǒng)總體設計方案

1.1 總體設計

為了實現(xiàn)飛艇的自由升降，飛艇中的相變系統(tǒng)必須滿足三個要求：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行解吸，一般采用太陽能，在高空中受環(huán)境制約無法實現(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)化實現(xiàn)的，隨著相變的進行，液體濃度會發(fā)生改變，相變速率也會隨之變化，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)壓縮機轉(zhuǎn)速和膨脹閥開度等方式進行控制，受外部環(huán)境制約小，相變速率可調(diào)性好，并且設備簡單，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)設計上，系統(tǒng)采用單一換熱器的設計形式。與傳統(tǒng)地面用氣液相變系統(tǒng)不同，飛艇運行時工質(zhì)的液化過程與汽化過程不會同時發(fā)生，即系統(tǒng)的工作過程并非一個完整的循環(huán)，液化及汽化過程單獨進行，因此，系統(tǒng)中可僅采用一個換熱器實現(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)構設計上，系統(tǒng)增設一個膨脹閥以控制蒸發(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，導致氣囊內(nèi)工質(zhì)的壓力很低，過低的蒸發(fā)壓力可能導致工質(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)的三相點壓力。

基于上述分析，相變系統(tǒng)的設計方案如圖1所示。相變系統(tǒng)由壓縮機、換熱器、風機、儲液罐、電子膨脹閥、三通閥與電磁閥組成。

圖1 高空相變系統(tǒng)總體設計方案

相變系統(tǒng)的工作過程如下。對于液化過程，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)過壓縮機壓縮、換熱器冷凝后儲存到液體儲罐中。對于汽化過程，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)應具有比重小、相變效率高的特點。

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，滿足飛艇運行條件。

從相變效率來看，相對于其他工質(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：為適應高空低溫低壓的大氣環(huán)境，壓縮機應滿足能夠在低吸氣壓力下正常運行的要求。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，如此低的吸氣壓力使得活塞機的回氣壓力已形成超負壓工況，會導致容積效率的急劇下降[8]。而螺桿機的結(jié)構對低壓吸氣工況的適應性很強，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。

換熱器：為滿足系統(tǒng)高效輕量化的需求，換熱器應具有相變效率高、結(jié)構緊湊、材質(zhì)輕的特點。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得到顯著地提高；同時，它空氣側(cè)的氣流組織更為合理，減小了迎風阻力，能夠有效地降低風扇的功耗。并且全鋁的結(jié)構可以有效降低系統(tǒng)重量。因此，相變系統(tǒng)采用微通道換熱器。

風機：為保證換熱器的換熱能力，風機采用大流量的軸流式風機。

節(jié)流機構：為實現(xiàn)相變速率的良好調(diào)節(jié)，節(jié)流機構采用穩(wěn)定精確的電子膨脹閥。

2 高空相變系統(tǒng)結(jié)構設計方法

2.1 設計思路

相變系統(tǒng)的結(jié)構設計不僅與相變技術指標的要求有關，還與運行工況的選取密切相關，例如當換熱器的傳熱溫差改變時，所需的換熱面積也會相應變化。因此，為了設計出最輕量的高空相變系統(tǒng)，首先應進行系統(tǒng)最佳運行工況的設計，再根據(jù)運行工況與相變技術指標，進行各部件的結(jié)構設計。具體的設計思路如圖2所示。

圖2 高空相變系統(tǒng)結(jié)構設計思路圖

2.2 最佳工況設計方法

對于相變系統(tǒng)，工況參數(shù)包括蒸發(fā)溫度、冷凝溫度、過熱度與過冷度。當飛艇運行工況確定時，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)化設計的工況參數(shù)僅為蒸發(fā)溫度和冷凝溫度。

對于蒸發(fā)溫度的設計，應盡量取小值。因為汽化過程的換熱量與蒸發(fā)溫度的選取無關，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)溫度應略高于氨氣三相點溫度。

對于冷凝溫度的設計，應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)構設計方法

2.3.1 壓縮機設計方法

對于壓縮機的設計，需要求取壓縮機所需的理論輸氣量，再根據(jù)理論輸氣量選擇壓縮機的型號。

壓縮機所需的理論輸氣量可由下式計算[11]：

式中：

Vth——壓縮機理論輸氣量，m3/h；

mcom——壓縮機流量，kg/h；

vsuc——壓縮機吸氣口工質(zhì)比容，m3/kg；

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

壓縮機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)可由壓縮機進出口的工質(zhì)狀態(tài)確定。由此，壓縮機所需的理論輸氣量可以計算得出，之后便可以根據(jù)輸氣量選擇壓縮機的型號。

2.3.2 換熱器設計方法

對于換熱器的設計，需要求取換熱器的整體結(jié)構尺寸。求取方法為首先計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)換熱面積設計換熱器整體結(jié)構。

換熱器的整體換熱系數(shù)可由下式計算：

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)已有關聯(lián)式[12-13]計算得出，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)可以計算得出，進而可以計算換熱器所需的換熱面積。

換熱器的整體結(jié)構設計原則為：對于換熱器流程的確定，為防止氣固相變，應盡量減小換熱器內(nèi)的壓降，故應使沿流動方向的距離盡量縮小，因此，換熱器應設計成一端進，另一端出的形式；對于換熱器尺寸確定，當換熱器的迎風面接近正方形時，迎風面的各個角落均可以充分吹風，使換熱器的迎風面得以充分利用，從而降低風機的功耗，因此，在換熱器整體結(jié)構的設計時，應使迎風面接近正方形。根據(jù)上述設計原則，由換熱器所需的換熱面積便可以設計換熱器的整體結(jié)構。

2.3.3 風機設計方法

對于風機的設計，需要求取換熱器所需風量，再根據(jù)風量需求進行風機的調(diào)研與選型。換熱器的風量需求由其所需的風速及迎風面積確定。由于高空環(huán)境的空氣流速已達到10 m/s以上，風速已滿足換熱器設計需求，故在設計中，重點考慮地面環(huán)境中換熱器所需要的風量。根據(jù)所設計的換熱器結(jié)構及地面工況下氨的相變換熱量，可以計算出地面環(huán)境中換熱器所需的換熱系數(shù)，從而反推出所需的風速。根據(jù)風速和換熱器迎風面積，計算出風機的風量需求，便可以進行風機的調(diào)研與選型。

2.3.4 儲液罐設計方法

對于儲液罐的設計，需要計算儲液體積，并根據(jù)體積需求設計儲液罐的外形尺寸。為了實現(xiàn)系統(tǒng)輕量化，儲液罐材質(zhì)設計為鋁合金。

儲液體積可由下式計算：

式中：

Vl——儲液體積，m3；

ΔVg——氣囊體積變化，m3；

ρg——氣囊內(nèi)氨氣密度，kg/m3；

ρl——儲液罐內(nèi)氨液密度，kg/m3；

3 高空相變系統(tǒng)設計實例

為了進一步明確高空相變系統(tǒng)設計方法，本文給出設計實例。相變系統(tǒng)設計要求為適用于高空20 km，液化速率0.5 kg/min，汽化速率1 kg/min，儲液質(zhì)量520 kg。具體的設計過程詳述如下。

1) 最佳工況設計

對于蒸發(fā)溫度，由于氨氣凝固點 195.5 K，當汽化速率為1 kg/min時，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)溫度設計為200 K。

對于冷凝溫度，通過反復試算，當冷凝溫度為231 K時，換熱器所需的換熱面積為最小值，因此，冷凝溫度設計為231 K。

2) 壓縮機設計

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，計算得壓縮機的輸氣系數(shù)約為 0.9。根據(jù)式(1)，壓縮機所需的輸氣量為587 m3/h。調(diào)研現(xiàn)有壓縮機產(chǎn)品可得，滿足此輸氣量需求的螺桿式壓縮機重量約為360 kg，功率約為4.7 kW。

3) 換熱器設計

根據(jù)式(2)，可計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。為同時滿足汽化速率和液化速率需求，換熱器的換熱面積應設計為33.03 m2。根據(jù)換熱器整體結(jié)構設計原則，換熱器整體結(jié)構設計為：寬度30 mm、高度920 mm、長度903 mm，重量為7.3 kg。

4) 風機設計

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

5) 儲液罐設計

根據(jù)式(3)，可計算得出儲液罐中的氨液體積為0.71 m3，由此設計的儲液罐結(jié)構為：直徑990 mm、高度990 mm、厚度2 mm，重量為18.65 kg。

對于閥門等輔助部件，可采用相變系統(tǒng)中常用的成熟產(chǎn)品。所設計的相變系統(tǒng)結(jié)構如表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，滿足飛艇運行需求。

表1 高空相變系統(tǒng)設計結(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載能力，但是它有著常規(guī)飛艇無法比擬的優(yōu)點，具體如下。

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

常規(guī)飛艇的凈浮力會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，從而對氣囊體積進行按需調(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)定運行。兩者的性能對比如圖3所示。

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

對于常規(guī)飛艇，高空環(huán)境氣象條件的晝夜變化會導致氣囊內(nèi)氣體的壓強發(fā)生劇烈變化，嚴重影響氣囊材料表面的應力大小，在應力達到峰值時可能會使蒙皮材料撕裂[1]。而對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)氣體的量進行控制。當外部氣象條件引起氣囊內(nèi)氣體比壓強增大或降低時，相應地減少或增加氣囊內(nèi)氣體的量便可以保持氣囊內(nèi)壓強的穩(wěn)定，提高飛艇的耐候性。

圖3 凈浮力調(diào)節(jié)能力對比圖

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)被應用于飛艇中。系統(tǒng)采用氨作為工質(zhì)、選擇螺桿式壓縮機、單一微通道換熱器、鋁合金儲液罐，從而實現(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)設計方法。根據(jù)此方法對液化速率為0.5 kg/min和汽化速率為1 kg/min相變系統(tǒng)進行設計，設計結(jié)果顯示系統(tǒng)的總重量僅為393.55 kg, 總功率僅為5.45 kW。

本文設計的氣液相變系統(tǒng)，可以對飛艇凈浮力進行按需調(diào)節(jié)，提高飛艇運行的穩(wěn)定性，并能提高飛艇的耐候性。

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