飛機地面空調車蒸發器幾種典型翅片強化換熱效果的仿真比較

李 旭 ，雷金果，魏東濤

（空軍勤務學院 航空四站系，江蘇 徐州221000）

飛機地面空調車蒸發器幾種典型翅片強化換熱效果的仿真比較

李 旭 ，雷金果，魏東濤

（空軍勤務學院 航空四站系，江蘇 徐州221000）

為了提高飛機地面空調保障的保障效率，節省保障時間，對蒸發器的幾種典型翅片的強化換熱效果進行了研究，以確定不同種類翅片換熱系數的大小，分析各種翅片的強化換熱效果強弱。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計算模型，利用Simulink仿真工具建立了用于換熱系數計算的數學模型，并進行了仿真計算與分析。研究結果表明：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地面空調車蒸發器具有更高的換熱系數，在蒸發器換熱面積相同時，能夠產生更好的制冷換熱效果，進而節約航空兵部隊和空軍場站的飛行保障時間，提高飛行保障效率。

飛機地面空調車；蒸發器；翅片；強化換熱；仿真

飛機地面空調車是當飛機發動機停機，需要地面通電檢查和維修飛機電子設備時，為飛機電子設備艙提供干燥、潔凈的空氣，用以控制飛機電子設備工作環境的一款飛機地面保障裝備[1]。因此，作為飛機地面空調車核心系統——制冷換熱系統的主要工作部件，蒸發器的制冷效果顯得格外重要。

通過在管外增加翅片，以增加空氣側的換熱面積，是強化蒸發器換熱效果最常用的手段之一[2]，飛機地面空調車蒸發器便采用在管外空氣側添加換熱翅片的方式來提高制冷系統的換熱效率。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種翅片結構如圖1所示。

圖1 4種形式換熱翅片基本結構圖

為了研究管外翅片對飛機地面空調車蒸發器制冷效果的影響，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種翅片強化換熱的效果加以分析、研究，以明確飛機地面空調車蒸發器在不同翅片工況下制冷效果的優劣。

1 計算模型的建立

飛機地面空調車蒸發器的作用是利用液態制冷劑在低溫下蒸發（沸騰），轉變為蒸氣并吸收被冷卻介質的熱量，達到制冷的目的[4]。因此，蒸發器是制冷系統中制取冷量和輸出冷量的設備。在熱泵型空調中，制熱時冷凝器和蒸發器剛好相反，即制冷時的冷凝器變成制熱時的蒸發器，這種轉換一般是通過電磁四通閥來完成的。

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

圖2 蒸發器圖

圖3 飛機地面空調車蒸發器換熱管結構

通常在制冷系統的換熱器中，因為換熱器空氣側的換熱面普遍采取擴展受熱面的方式增加換熱面積，而空氣在擴展受熱面中具體的流動、換熱過程較為復雜，尤其是對蒸發器空氣側水蒸汽的受冷凝結或結霜過程、受熱面的凝結或結霜對流動以及傳熱的影響、不同制冷劑相變過程的換熱系數計算等許多問題，無論是從機理認識還是從數學描述方法，都是制冷研究正在探索的課題[6]。故而，在制冷系統的仿真過程中，往往只能借助相關經驗（或半經驗）的關系式以估算換熱器空氣側的換熱系數。本文采用李嫵[7]等人通過自己實驗或總結前人研究成果得出的換熱綜合關聯式，如下式所示：

式中，Nu表示飛機地面空調車蒸發器的努塞爾數；Re表示蒸發器工作時，空氣的雷諾數；N表示蒸發器換熱管的管排數；s表示沿空氣流動方向換熱管管間距；C1、C2、C3和 C4均為常數量，其值由翅片形式而定。參考文獻[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 換熱器空氣側換熱關聯式中的常量值

又，根據努賽爾數Nu和雷諾數Re的定義式[9]，有

式（2）和式（3）中，α表示飛機地面空調車蒸發器空氣側換熱系數；λ表示蒸發器工作時，內部空氣的熱導率；ρ表示空氣的平均密度；w表示空氣的流動速度；μ表示空氣的動力粘度，并且，

式中，v表示空氣的運動粘度。

聯立式（1）～（4），并移項，可得蒸發器空氣側換熱系數計算公式為

2 建模與仿真分析

2.1 仿真模型的建立

由式（4）可知，飛機地面空調車蒸發器空氣側換熱系數計算公式較為繁瑣，因此本文利用軟件MATLAB中的仿真工具Simulink設計換熱系數計算模型[10]，模型的具體結構如圖4所示。

圖4 飛機地面空調車蒸發器換熱系數計算仿真模型結構

[11-13]，設置仿真模型中各參數值如下：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.根據表 1中常數量C1、C2、C3和C4的值，依次計算平直形、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地面空調車蒸發器的換熱系數。

2.2 仿真分析

利用如圖3的仿真模型，代入仿真參數加以計算，可得4種形式下換熱系數如下表2所示。

表2 4種翅片形式下飛機地面空調車換熱系數

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，飛機地面空調車蒸發器的換熱系數依次減小。其中，平直形翅片可以使蒸發器換熱系數達到最大，而正弦波波紋形翅片下蒸發器換熱系數最小。

由此可推知：對于飛機地面空調車蒸發器而言，采用平直形翅片可使蒸發器換熱系數達到最大，能夠使得蒸發器換熱效果達到最優，并節省飛機地面空調保障的時間，提高航空兵部隊和空軍場站的飛行保障效率。

3 結論

從本文的研究中可以發現：對于不同的翅片，蒸發器的換熱系數往往不同。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器，其換熱系數較大。因此，當蒸發器的換熱面積相同時，采用平直形翅片的蒸發器其制冷效果更好，能夠節省飛機地面空調保障時間，提高保障效率。所以，相較于其它3種形式的換熱器翅片，飛機地面空調車蒸發器更適合采用平直形翅片。

參考文獻：

[1]國防科學技術工業委員會.GJB2643-96：飛機地面空調車通用規范[S].北京：中國標準出版社，1996.

[2]支 浩，湯慧萍，朱紀磊.換熱器的研究發展現狀[J].化工進展，2009，28：338-342.

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

[4]張 科，周志剛，吳兆林.飛機地面空調車的應用與發展[J].低溫與超導，2009，37（8）：51-55.

[5]唐華杰，吳兆林，周志剛.飛機地面空調車和軍用飛機地面液體冷卻車的應用及發展[J].流體機械，2006，34（2）：72-75.

[6]陳 紅.制冷系統換熱器建模與仿真方法研究[D].重慶：重慶大學，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驗研究[J].機械工程學報，1997，33（1）：81-86.

[8]丁國良，張春路.制冷空調裝置仿真與優化[M].北京：科學出版社，2001.

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

[10]黃永安，馬 路，劉慧敏.MATLAB 7.0/Simulink 6.0建模仿真開發與高級工程應用[M].北京：清華大學出版社，2005.

[11]張天孫.傳熱學[M].北京：中國電力出版社，2006.

[12]邊春雷，周 俊.航空地面空調車[M].徐州：藍天出版社，2012.

[13]潘琢金，王麗偉，楊 華，等.飛機地面空調車溫度控制的仿真研究[J].計算機仿真，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：航空四站保障技術與信息化；雷金果（1963-），男，陜西富平人，教授，碩士研究生導師，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。