除冰液快速加熱過程的傳熱學分析

王瀚藝

【摘 要】飛機除冰液換熱器是實現飛機除冰作業的主要設備之一，換熱器的換熱效果直接決定了飛機除冰的效率。根據飛機除冰作業標準要求，對一種新型飛機除冰液快速燃油換熱器進行了詳細的分析，對換熱管內的除冰液的加熱過程進行了傳熱分析，計算出了在滿足換熱器各個參數基礎上除冰液從換熱管出水口流出時的溫度，其次根據計算結果闡述了該設備的優缺點以及改良的可能性。在此基礎上，對已經設計出的換熱器進行了尺寸上的改良，減少了換熱管的半徑尺寸，計算出了設備最優尺寸，并分析了該改良方案的可行性。

【關鍵詞】飛機除冰液；換熱器的優化；傳熱學分析；改良可行性

【Abstract】Aircraft deicing fluid heater is one of the most important devices for deicing operation. According to the requirement of aircraft deicing operation standard， a new type of aircraft deicing fluid heater is talked by detail. The transfer process of the deicing fluids heating in the tube is analyzed. The temperature of the deicing fluid at the exit of the tube with original parameters is calculated. The numerical analysis， the advantage and disadvantage of the device are included in this paper. Whats more， some optimization is offered to make this device better by changing the radius of the heat exchange tube. The best size of the tube is calculated， and the practicability of the optimization is also talked.

【Key words】Aircraft Deicing Fluid； Heat exchanger； Thermodynamic Analysis； Possibility of optimization

0 前言

冬季由于溫度低的特點，尤其是在北方機場，路面以及飛機的表面很容易產生結冰，而積冰、積雪、積霜等會對飛行安全構成嚴重的隱患，不僅如此，地面結冰還可能會導致航班延誤，降低飛行效率[1]。因此，在飛機起飛之前必須要對飛機表面進行除冰處理。目前航空公司大多采用即熱式除冰液加熱方法進行飛機除冰[2]，從啟動加熱到除冰液所需溫度的時間只需要90秒。國內外學者大多對飛機空中除冰進行研究，主要研究的內容和方法有飛機空中積冰機理、空中除冰理論分析和數值模擬方法等。Farooq Saeed[3]研究了熱氣除冰的數學模型，給出了熱氣溫度、流速和噴嘴的形狀的優化參數。易賢[4]等基于Messingner的熱質平衡二維積冰模型，提出了一種考慮液態水溢流效應的三維結冰計算模型，并進行了相應的數值模擬和計算。本文主要對飛機地面除冰過程進行了研究，描述了除冰液在地面換熱器內加熱的詳細過程，基于傳熱學基本知識，對該過程進行了詳細分析。同時改良了換熱器，闡述了改良后的可行性。

1 數值計算

本文主要分析除冰液在快速加熱系統中流動，并在規定時間內加熱到規定溫度的傳熱學過程。所涉及到的公式推導如下所示。

1.1 熱傳導換熱：

2.3 對水加熱換熱

燃燒室產生的熱量最主要的目的是對換熱管中的水進行加熱，其加熱的過程主要滿足如下公式：

3 換熱器的傳熱分析及改良

研究主體為國內近期設計出的某型飛機除冰液快速換熱器，其能將除冰液從5攝氏度提升到70攝氏度，并保證加熱時間小于90秒。換熱器結構如圖1所示。其中，燃燒器選用的是德國百利公司BT180柴油燃燒器，每秒輸出的有效熱量為515Kcal。換熱管采用的是多排壁厚3mm的310S無縫不銹鋼管結構，換熱面積為2.167m2，外徑為20mm，整個爐壁是一個直徑為550mm，高為1290mm的圓柱體。出水口的出水流量為230L/min，水的初始溫度為5℃。水在管中不停地流動，同時伴隨著燃燒器內燃燒0號柴油的燃燒進行持續加熱，最終從換熱管出水口流出進而對飛機進行地面除冰作業。整個飛機除冰液在換熱器內的加熱過程應該滿足飛機除冰作業標準的要求。即在冬季飛機除冰過程中，將除冰液從5℃提升到70℃的加熱時間需要小于90秒。

3.1 換熱器的傳熱分析

零號柴油在燃燒室內燃燒90秒內產生的總熱量一共有三個去向。第一個去向，在不考慮燃燒室內換熱管對流換熱的情況下對換熱管進行熱傳導，這使得換熱管內壁溫度升高。第二個去向，熱量對換熱管內除冰液進行加熱，這是實驗的最終目的，除冰液溫度升高，使其達到所需要求。第三個去向是火焰向外輻射使得爐膛外部溫度升高，這一部分是實驗不需要的，屬于無用功。

經過計算可以得到，90秒內燃燒室通過燃燒零號柴油所產生的總熱量Q為4.28×108J，對換熱器熱傳導所消耗的熱量Q1為4.25×108J，火焰向外熱輻射所消耗的熱量Q3為1.47×106J，90秒內對除冰液加熱所產生的熱量Q2為1.63×106J，所對應的除冰液的末態溫度為106.3℃。

從得到的計算結果可以看出，除冰液的末態溫度已經超過了規定的出水口溫度70，因此該除冰液換熱器是符合要求的。該結果進一步也說明按照原參數設計出來的換熱器對于預期要求有一定富余，同時，溫度為106情況下液體已經開始沸騰，沸騰的同時產生氣泡，而過多堆積的氣泡則有可能將換熱器中的換熱管堵塞住，使得液體（除冰液）不能正常的由入水口流入到出水口，進而就不能順利的對飛機進行除冰，這樣反而會影響除冰進程。因此，對原有的換熱器進行優化是很有必要的。

3.2 換熱器尺寸優化

對于換熱器的優化，本文主要考慮改變換熱器的口徑尺寸，根據要求，換熱器需要在90秒內將換熱管內的除冰液從5℃加熱到70℃。根據推導的公式可以得到，在90秒內剛好從5℃加熱到70℃情況下，對換熱管熱傳導所消耗的熱流則是關于半徑R的表達：

經過計算可以得到：

90秒內燃燒室通過燃燒零號柴油所產生的總熱量Q為4.28×108J，對換熱器熱傳導所消耗的熱量Q1'為4.26×108J，對除冰液加熱所消耗的熱量Q2'為1.05×106J，火焰向外熱輻射所消耗的熱量Q3'為1.47×106J，在這種情況下優化后的換熱鋼管半徑變為9.56毫米。

從所得出的數據來看，在90秒內，經過零號柴油燃燒釋放出熱量，液體由最初的5度加熱到70攝氏度，已經達到了預想的要求，而鋼管半徑相較于最初設定變得更小，節省了爐膛的空間及原材料，這樣就減少了生產成本，從而也達到了優化的效果。

4 結論

本文主要對飛機除冰液的快速加熱過程進行了傳熱學的分析，并對換熱器進行了一定程度的改良，現總結如下：

（1）以某型飛機除冰液快速換熱器為基礎，對除冰液從進水口到出水口于90秒內加熱的整個過程進行了傳熱學分析，并且得出了相對應的除冰液在出水口時的溫度。經過計算發現按照原參數進行加熱，90秒后除冰液溫度已經達到沸點，真實情況是除冰液沸騰，進而阻塞換熱管，影響水從入水口到出水口的進程，使得除冰的效果不理想，所以需要改良。

（2）對該飛機除冰液快速換熱器進行了改良，改變了其換熱管半徑長度，使其達到加熱要求，并達到節約材料、節約成本的目的。減小換熱管的半徑，這一點容易實現，改良方法是可行的。

（3）飛機除冰液快速換熱器的改良不僅只有改變半徑的方法，還可以考慮改變換熱管排列方式、改變爐膛壁材料以減少熱量向外界的輻射等。

【參考文獻】

[1]陳斌，王立文.飛機除冰液底面除冰過程模型仿真與實驗.系統仿真學報.2012，3：556-560.

[2]王國慶，孫毅剛.即熱式飛機除冰車除冰液快速加熱系統研制.航空維修與工程，2004，5：37-39.

[3]Farooq saeed， Ion paraschivoiuy. The optimization Result of the Hot-air Based Anti-Icing System . AIAA 2003-0733， Reno， USA， USA： AIAA，2003.

[4]易賢，桂業偉，等.飛機三維積冰模型及其數值求解方法.航空學報.2010，31（11）：2152-2158.

[5]邢志偉，王立文.飛機整體集中除冰系統.中國：ZL200710058190.2.2009-05-20.

[6]孫帥，邢志偉，等.飛機除冰液快速換熱器設計.中國：TH457，2006.

[7]Pascal B. Transfert de chaleur. Paris： ISAE，2011.

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