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風機安裝與維護
直升機排熱器用風機全壓的確定及方案的設計制冷劑的演變及展望
摘要:根據直升機排熱器用風機的特點,從氣動性能和重量兩個方面考慮,建立了通風機結構參數與全壓、重量的關系,給出了工程設計參數全壓的確定方法以及整體方案的設計,并針對具體的排熱器,給出了全壓的計算結果和結構方案。
1引言
軸流式通風機的設計通常是根據已知的全壓p、流量Q和大氣狀態,根據氣動性能來考慮設計風機的結構參數。直升機排熱器用風機不同于上述情況。首先通風機的全壓未給定,而是已知工程流量、大氣狀態、排熱器流阻、排熱器的連接尺寸、以及通風機的空間允許尺寸和重量要求;其次由于此通風機是用在直升機上的,所以通風機的重量指標非常關鍵,設計的結構參數必須滿足給定的重量要求。本文主要針對在給定排熱器的流阻、流量及風機的空間限制尺寸后,來探討確定通風機全壓的方法,并進行結構方案的設計。
2通風機全壓的確定
2.1通風機全壓
直升機排熱工程的結構如圖1所示。其中排熱器及電機的尺寸和擴壓器的長度l2已經給定,虛線所示空間為風機的限制尺寸。設所有殼體壁厚為,由于電機通過緊配合方式固定于內套筒上,因此由電機外徑D確定出的通風機的輪轂直徑為
D=D+2(1)
通過比較不同尺寸的集流器、擴壓器及風機外徑Dt所對應的工程損失的大小,來確定風機的全壓。
1.集流器2.電機3.整流罩4.葉輪5.后導葉6.擴壓器7.整流體8.排熱器
圖1排熱工程簡圖
2.1.1集流器
圖2集流器示意圖圖3擴壓器示意圖
選取光滑的圓弧形,以減少由于流道變小而產生的局部損失。如圖2,其尺寸可取r/D≥0.25;d=(1.2~1.4)D;l=(0.2~0.4)D由于空間尺寸的限制,各值均取下限。
進口處氣流平均速度:V1=(2)
集流器損失:=1V1(3)
式中Q-——氣流流量,m/s
——氣流密度,kg/m
1——局部損失系數,當r/D≥0.2時=0.03
由此可見集流器損失為D的函數。
2.1.2擴壓器
擴壓器示意圖如圖2。擴壓器出口與排熱器相連,因此其出口截面尺寸已定,長為A,寬為B。又由于本文中擴壓器的長度l2已經給定,對于不同的葉輪外徑D,其擴壓比、當量擴壓角不同,產生的損失也就不同?紤]到此通風機的重量要求及其空間限制尺寸,D的取值不能太大,因此其當量擴壓角會很大,損失的計算不同于一般的擴壓器,按局部損失來計算。
進口處氣流平均速度:V2=(4)
擴壓器損失:(5)
式中2——-局部損失系數
文獻[2]給出了漸擴變徑管道局部損失系數的取值情況,如表1。
表1損失系數變化關系
A1/A2(。)16203045609012018020.180.220.250.290.310.320.330.3040.360.430.500.560.610.630.630.6360.420.470.580.680.720.760.760.75≥100.420.490.590.700.800.870.850.86
表中A1、A2為進出口處氣流截面積,為當量擴壓角。其中
tg()=(6)
按式(6)計算出當量擴壓角,然后根據表1進行線性插值,求出不同葉輪外徑Dt所對應的局部損失系數2,繼而計算出擴壓器的損失。
2.1.3風機全壓
通風機的全壓等于整個工程的總損失與排熱器出口動壓損失之和。
即p=1+2+3+Vd2&n
1.前言
制冷劑必須具備一定的特性,包括熱力學性質(即沸點、蒸發與冷凝壓力、單位容積制冷量、循環效率、壓縮終了溫度等)、安全性(毒性、燃燒性和爆炸性)、腐蝕性與潤滑油的溶解性、水溶性、充注量、導熱系數等。
臭氧層的破壞和全球氣候變化是當今全球面臨的兩大主要環境問題。因此,在開發制冷劑時除考慮以上性質外,還需遵循兩個重要的選擇原則(1)ODP值,即臭氧層破壞潛能;(2)GWP值,即溫室效應能力。
制冷劑本身所必須具備的特性和所要遵循的原則決定了制冷劑的發展方向和演變過程。同時,正因為這樣,決定了尋找理想的或者環保的制冷劑之路是非常困難和漫長的。為此,本文回顧了制冷劑的發展歷史,探討了未來發展趨勢。
2.制冷劑的發展史
從時間上看,制冷劑的發展經歷了三個階段。第一階段是十九世紀的早期制冷劑;第二階段是二十世紀時代的CFC與HCFC類制冷劑;第三階段是二十一世紀的綠色環保制冷劑。
2.1早期制冷劑
1805年,OliverEvans最早提出了在封閉循環中,使用揮發性流體的思路,用以將水冷凍成冰。具體描述為,在真空下將乙醚蒸發,并將蒸汽泵到水冷式換熱器,冷凝后再利用。1824年,RichardTrevithick首先提出了空氣制冷循環設想,但未建成此裝置。1834年,JacobPerkins則第一次開發了蒸氣壓縮制冷循環,并獲得了英國專利(6662號)[1]。在他所設計的蒸氣壓縮制冷設備中使用二乙醚(乙基醚)作為制冷劑。
隨著JacobPerkins所發明的蒸氣壓縮式制冷設備正式投入使用,從十九世紀三十年代開始陸續開發了一些早期實用的制冷劑。[2]
JacobPerkins的助手JohnHegel對這套設備進行了改造并且換了一種特殊的制冷劑-—生橡膠,那是天然橡膠分解蒸餾后得到的揮發性溶液。19世紀,天然橡膠只能從印度進口。因此,乙醚、甲醚作為主要制冷劑的地位延續到19世紀60年代才逐漸被氨所取代。
氨/水作為制冷劑是1869年首次應用于美國新奧爾良一家釀造廠的冷凍設備中,設計者是兩位法國人。最初沒有氨氣來源,只能使用氨水,而水份易對制冷工程造成損害,故早期的制冷設備不得不采用一些臨時性的應急手段,如用生石灰或氫氧化鈉對氨/水制冷劑進行干燥處理。直到1876年,由克利夫蘭的麥克米蘭公司推出了直接適于制冷設備應用的氨/水制冷劑。繼氨/水之后又推出了二氧化碳、氯甲烷等早期制冷劑,詳見表1。[2]
表1 早期的制冷劑
時間制冷劑化學式
1830caoutchoucine
二乙醚(乙基醚)CH3-CH2-O-CH2-CH3
1840s甲基乙醚(R-E170)CH3-O-CH3
1850水/硫酸H2O/H2SO4
1856酒精CH3-CH2-OH
1859氨/水NH3/H2O
1866粗汽油
CO2CO2
1860s氨(R-717)NH3
甲基胺(R-630)CH3(NH2)
乙基胺(R-631)CH3-CH2(NH2)
1870甲基酸鹽(R-611)HCOOCH3
1875二氧化硫(R-764)SO2
1878甲基氯化物,氯甲烷(R-40)CH3Cl
1870s氯乙烷(R-160)CH3-CH2Cl
1891硫酸與碳氫化合物H2SO4,C4H10,C5H12,(CH3)2CH-CH3
1900s溴乙烷(R-160Bl)CH3-CH2Br
1912四氯化碳CCl4
水蒸氣(R718)H2O
1920S異丁烷(R-600a)(CH3)2CH-CH3
丙烷(R-290)CH3-CH2-CH3
1922二氯乙烷異構體(R-1130)CHCl=CHCl
1923汽油HCs
1925三氯乙烷(R-1120)CHCl=CCl2
1926二氯甲烷(R-30)CH2Cl2
多數早期的制冷劑是可燃的或有毒的,或兩者兼而有之,而且有些還有很強的反應性。
2.2第二階段―制冷劑CFC和HCFC
CFC和HCFC制冷劑的發現和開發,源于1928年有人給ThomasMidgley爵士的一個電話。當時他已開發了用四乙化鉛改進正辛烷汽油的性能。電話中說,“制冷工業需要一種新制冷劑,而且希望這種制冷劑很易獲得!
于是他與其助手AlbertL.H.和RobertR.M從當時的物性表中搜尋具有合適沸點的化合物,條件是有好的穩定性,無毒和不燃。當時出版的四氟化碳沸點,引導他們的注意力集中到了有機氟化物。氟本身有毒,但他們認識到含氟的化合物可以是無毒的。當他們意識到當時出版的四氟化碳沸點數據有誤后,他們就轉向了元素周期表,并且很快地從元素周期表中刪除了不理想的揮發物元素,然后又刪除了會導致不穩定、有毒化合物的那些元素以及低沸點的惰性氣體元素。最后只剩下8種元素,即C,N,O,S,H,F,C1,和Br。他們將元素周期表的“行”與“列”組合后,發現元素F位于這8個元素的“行”與“列”的交點。他們進而作了三種有趣的觀察并發現:第一,這幾種元素從左到右,可燃性下降;第二,從底下的重元素到頂部的輕元素,毒性下降;第三,當時眾所周知的制冷劑無非是除F元素以外的7種元素的組合,唯獨沒有含F元素的。于是,他們確定了元素F這個目標。他們通過碳氫化合物氟化或氯化,并說明了化合物成分將如何影響可燃性和毒性。1931年,使得CFC-12(R-12)商業化。隨后,1932年CFC-11(R-11)也被商業化。于是,出于安全性的考慮,一些CFC和HCFC制冷劑陸續得到了開發,逐漸替代了已使用100年之久的那些早期制冷劑(除NH3外),而成為二十世紀制冷劑的主要潮流,在制冷空調和熱泵工程中得到了廣泛應用。到目前為止,CFC擁有量大約為1.14×106t,在世界各國的分布情況見圖1。
圖1CFC在世界各國及地區的分布情況
2.3第三階段———HFC和天然制冷劑(1990s—)
MolinaM.J.和RowlandF.S.指出,CFC類物質會產生改變自然界臭氧生長和消亡平衡的氯,從而造成對臭氧層的破壞。[3]其中,氯元素與臭氧的反應示意圖2所示。[4]真正會破壞臭氧層動態平衡的是那些含有氯的氣體逸散至同溫層中所致,[5]這才是問題的關鍵。由此引發了人們對由于人造化合物中含有氯元素而引起的臭氧層變薄的關注。《蒙特利爾議定書》及其修正案對發達國家和發展中國家分別要求和規定了CFC和HCFC制冷劑的淘汰進程。表2列出了一些替代方案。[6]CFC和HCFC制冷劑的替代成為近年來國際性的熱門話題。
圖2氯元素與臭氧的反應過程
表2幾種常用制冷劑的替代方案
制冷用途 原制冷劑 制冷劑替代物
家用和樓宇空調工程 。龋茫疲-22 。龋疲没旌现评鋭
大型離心式冷水機組 CFC-11
。茫疲-12,R500
HCFC-22 。龋茫疲-123
HFC—134a
。龋疲没旌现评鋭
低溫冷凍冷藏機組和冷庫 。茫疲-12
。502,HCFC-22 。龋疲谩134a
。龋茫疲-22,HFC或HCFC混合制冷劑
冰箱冷柜、汽車空調 。茫疲-12 。龋疲谩134a
HC及其混合物制冷劑
。龋茫疲没旌现评鋭
國際上,為了應對環保要求的挑戰,在尋找、開發替代制冷劑的過程中,逐漸形成了下列兩種基本思路和兩種替代路線,即:
1)仍以元素周期表中的“F”元素為中心,在剔除了CI和Br元素后,開發了以F,H,C元素組成的化合物,即HFCs制冷劑,如HFC-134a、HFC-32、HFC-152a、HFC-143a、HFC-125等及其混合物R407C和R410A等。但除HFC-152a、HFC-32外,其他HFC制冷劑的GWP值都在1000以上,而被《京都協議書》(1997)列為“溫室氣體”,需控制它們的排放量。
2)以元素周期表中的C、H、N、O等元素組成的天然工質為對象,重新回到了
1引言
軸流式通風機的設計通常是根據已知的全壓p、流量Q和大氣狀態,根據氣動性能來考慮設計風機的結構參數。直升機排熱器用風機不同于上述情況。首先通風機的全壓未給定,而是已知工程流量、大氣狀態、排熱器流阻、排熱器的連接尺寸、以及通風機的空間允許尺寸和重量要求;其次由于此通風機是用在直升機上的,所以通風機的重量指標非常關鍵,設計的結構參數必須滿足給定的重量要求。本文主要針對在給定排熱器的流阻、流量及風機的空間限制尺寸后,來探討確定通風機全壓的方法,并進行結構方案的設計。
2通風機全壓的確定
2.1通風機全壓
直升機排熱工程的結構如圖1所示。其中排熱器及電機的尺寸和擴壓器的長度l2已經給定,虛線所示空間為風機的限制尺寸。設所有殼體壁厚為,由于電機通過緊配合方式固定于內套筒上,因此由電機外徑D確定出的通風機的輪轂直徑為
D=D+2(1)
通過比較不同尺寸的集流器、擴壓器及風機外徑Dt所對應的工程損失的大小,來確定風機的全壓。
1.集流器2.電機3.整流罩4.葉輪5.后導葉6.擴壓器7.整流體8.排熱器
圖1排熱工程簡圖
2.1.1集流器
圖2集流器示意圖圖3擴壓器示意圖
選取光滑的圓弧形,以減少由于流道變小而產生的局部損失。如圖2,其尺寸可取r/D≥0.25;d=(1.2~1.4)D;l=(0.2~0.4)D由于空間尺寸的限制,各值均取下限。
進口處氣流平均速度:V1=(2)
集流器損失:=1V1(3)
式中Q-——氣流流量,m/s
——氣流密度,kg/m
1——局部損失系數,當r/D≥0.2時=0.03
由此可見集流器損失為D的函數。
2.1.2擴壓器
擴壓器示意圖如圖2。擴壓器出口與排熱器相連,因此其出口截面尺寸已定,長為A,寬為B。又由于本文中擴壓器的長度l2已經給定,對于不同的葉輪外徑D,其擴壓比、當量擴壓角不同,產生的損失也就不同?紤]到此通風機的重量要求及其空間限制尺寸,D的取值不能太大,因此其當量擴壓角會很大,損失的計算不同于一般的擴壓器,按局部損失來計算。
進口處氣流平均速度:V2=(4)
擴壓器損失:(5)
式中2——-局部損失系數
文獻[2]給出了漸擴變徑管道局部損失系數的取值情況,如表1。
表1損失系數變化關系
A1/A2(。)16203045609012018020.180.220.250.290.310.320.330.3040.360.430.500.560.610.630.630.6360.420.470.580.680.720.760.760.75≥100.420.490.590.700.800.870.850.86
表中A1、A2為進出口處氣流截面積,為當量擴壓角。其中
tg()=(6)
按式(6)計算出當量擴壓角,然后根據表1進行線性插值,求出不同葉輪外徑Dt所對應的局部損失系數2,繼而計算出擴壓器的損失。
2.1.3風機全壓
通風機的全壓等于整個工程的總損失與排熱器出口動壓損失之和。
即p=1+2+3+Vd2&n
1.前言
制冷劑必須具備一定的特性,包括熱力學性質(即沸點、蒸發與冷凝壓力、單位容積制冷量、循環效率、壓縮終了溫度等)、安全性(毒性、燃燒性和爆炸性)、腐蝕性與潤滑油的溶解性、水溶性、充注量、導熱系數等。
臭氧層的破壞和全球氣候變化是當今全球面臨的兩大主要環境問題。因此,在開發制冷劑時除考慮以上性質外,還需遵循兩個重要的選擇原則(1)ODP值,即臭氧層破壞潛能;(2)GWP值,即溫室效應能力。
制冷劑本身所必須具備的特性和所要遵循的原則決定了制冷劑的發展方向和演變過程。同時,正因為這樣,決定了尋找理想的或者環保的制冷劑之路是非常困難和漫長的。為此,本文回顧了制冷劑的發展歷史,探討了未來發展趨勢。
2.制冷劑的發展史
從時間上看,制冷劑的發展經歷了三個階段。第一階段是十九世紀的早期制冷劑;第二階段是二十世紀時代的CFC與HCFC類制冷劑;第三階段是二十一世紀的綠色環保制冷劑。
2.1早期制冷劑
1805年,OliverEvans最早提出了在封閉循環中,使用揮發性流體的思路,用以將水冷凍成冰。具體描述為,在真空下將乙醚蒸發,并將蒸汽泵到水冷式換熱器,冷凝后再利用。1824年,RichardTrevithick首先提出了空氣制冷循環設想,但未建成此裝置。1834年,JacobPerkins則第一次開發了蒸氣壓縮制冷循環,并獲得了英國專利(6662號)[1]。在他所設計的蒸氣壓縮制冷設備中使用二乙醚(乙基醚)作為制冷劑。
隨著JacobPerkins所發明的蒸氣壓縮式制冷設備正式投入使用,從十九世紀三十年代開始陸續開發了一些早期實用的制冷劑。[2]
JacobPerkins的助手JohnHegel對這套設備進行了改造并且換了一種特殊的制冷劑-—生橡膠,那是天然橡膠分解蒸餾后得到的揮發性溶液。19世紀,天然橡膠只能從印度進口。因此,乙醚、甲醚作為主要制冷劑的地位延續到19世紀60年代才逐漸被氨所取代。
氨/水作為制冷劑是1869年首次應用于美國新奧爾良一家釀造廠的冷凍設備中,設計者是兩位法國人。最初沒有氨氣來源,只能使用氨水,而水份易對制冷工程造成損害,故早期的制冷設備不得不采用一些臨時性的應急手段,如用生石灰或氫氧化鈉對氨/水制冷劑進行干燥處理。直到1876年,由克利夫蘭的麥克米蘭公司推出了直接適于制冷設備應用的氨/水制冷劑。繼氨/水之后又推出了二氧化碳、氯甲烷等早期制冷劑,詳見表1。[2]
表1 早期的制冷劑
時間制冷劑化學式
1830caoutchoucine
二乙醚(乙基醚)CH3-CH2-O-CH2-CH3
1840s甲基乙醚(R-E170)CH3-O-CH3
1850水/硫酸H2O/H2SO4
1856酒精CH3-CH2-OH
1859氨/水NH3/H2O
1866粗汽油
CO2CO2
1860s氨(R-717)NH3
甲基胺(R-630)CH3(NH2)
乙基胺(R-631)CH3-CH2(NH2)
1870甲基酸鹽(R-611)HCOOCH3
1875二氧化硫(R-764)SO2
1878甲基氯化物,氯甲烷(R-40)CH3Cl
1870s氯乙烷(R-160)CH3-CH2Cl
1891硫酸與碳氫化合物H2SO4,C4H10,C5H12,(CH3)2CH-CH3
1900s溴乙烷(R-160Bl)CH3-CH2Br
1912四氯化碳CCl4
水蒸氣(R718)H2O
1920S異丁烷(R-600a)(CH3)2CH-CH3
丙烷(R-290)CH3-CH2-CH3
1922二氯乙烷異構體(R-1130)CHCl=CHCl
1923汽油HCs
1925三氯乙烷(R-1120)CHCl=CCl2
1926二氯甲烷(R-30)CH2Cl2
多數早期的制冷劑是可燃的或有毒的,或兩者兼而有之,而且有些還有很強的反應性。
2.2第二階段―制冷劑CFC和HCFC
CFC和HCFC制冷劑的發現和開發,源于1928年有人給ThomasMidgley爵士的一個電話。當時他已開發了用四乙化鉛改進正辛烷汽油的性能。電話中說,“制冷工業需要一種新制冷劑,而且希望這種制冷劑很易獲得!
于是他與其助手AlbertL.H.和RobertR.M從當時的物性表中搜尋具有合適沸點的化合物,條件是有好的穩定性,無毒和不燃。當時出版的四氟化碳沸點,引導他們的注意力集中到了有機氟化物。氟本身有毒,但他們認識到含氟的化合物可以是無毒的。當他們意識到當時出版的四氟化碳沸點數據有誤后,他們就轉向了元素周期表,并且很快地從元素周期表中刪除了不理想的揮發物元素,然后又刪除了會導致不穩定、有毒化合物的那些元素以及低沸點的惰性氣體元素。最后只剩下8種元素,即C,N,O,S,H,F,C1,和Br。他們將元素周期表的“行”與“列”組合后,發現元素F位于這8個元素的“行”與“列”的交點。他們進而作了三種有趣的觀察并發現:第一,這幾種元素從左到右,可燃性下降;第二,從底下的重元素到頂部的輕元素,毒性下降;第三,當時眾所周知的制冷劑無非是除F元素以外的7種元素的組合,唯獨沒有含F元素的。于是,他們確定了元素F這個目標。他們通過碳氫化合物氟化或氯化,并說明了化合物成分將如何影響可燃性和毒性。1931年,使得CFC-12(R-12)商業化。隨后,1932年CFC-11(R-11)也被商業化。于是,出于安全性的考慮,一些CFC和HCFC制冷劑陸續得到了開發,逐漸替代了已使用100年之久的那些早期制冷劑(除NH3外),而成為二十世紀制冷劑的主要潮流,在制冷空調和熱泵工程中得到了廣泛應用。到目前為止,CFC擁有量大約為1.14×106t,在世界各國的分布情況見圖1。
圖1CFC在世界各國及地區的分布情況
2.3第三階段———HFC和天然制冷劑(1990s—)
MolinaM.J.和RowlandF.S.指出,CFC類物質會產生改變自然界臭氧生長和消亡平衡的氯,從而造成對臭氧層的破壞。[3]其中,氯元素與臭氧的反應示意圖2所示。[4]真正會破壞臭氧層動態平衡的是那些含有氯的氣體逸散至同溫層中所致,[5]這才是問題的關鍵。由此引發了人們對由于人造化合物中含有氯元素而引起的臭氧層變薄的關注。《蒙特利爾議定書》及其修正案對發達國家和發展中國家分別要求和規定了CFC和HCFC制冷劑的淘汰進程。表2列出了一些替代方案。[6]CFC和HCFC制冷劑的替代成為近年來國際性的熱門話題。
圖2氯元素與臭氧的反應過程
表2幾種常用制冷劑的替代方案
制冷用途 原制冷劑 制冷劑替代物
家用和樓宇空調工程 。龋茫疲-22 。龋疲没旌现评鋭
大型離心式冷水機組 CFC-11
。茫疲-12,R500
HCFC-22 。龋茫疲-123
HFC—134a
。龋疲没旌现评鋭
低溫冷凍冷藏機組和冷庫 。茫疲-12
。502,HCFC-22 。龋疲谩134a
。龋茫疲-22,HFC或HCFC混合制冷劑
冰箱冷柜、汽車空調 。茫疲-12 。龋疲谩134a
HC及其混合物制冷劑
。龋茫疲没旌现评鋭
國際上,為了應對環保要求的挑戰,在尋找、開發替代制冷劑的過程中,逐漸形成了下列兩種基本思路和兩種替代路線,即:
1)仍以元素周期表中的“F”元素為中心,在剔除了CI和Br元素后,開發了以F,H,C元素組成的化合物,即HFCs制冷劑,如HFC-134a、HFC-32、HFC-152a、HFC-143a、HFC-125等及其混合物R407C和R410A等。但除HFC-152a、HFC-32外,其他HFC制冷劑的GWP值都在1000以上,而被《京都協議書》(1997)列為“溫室氣體”,需控制它們的排放量。
2)以元素周期表中的C、H、N、O等元素組成的天然工質為對象,重新回到了
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