高空飞艇氨相变系统设计软件的开发

曾宪顺，孙浩然，丁国良*，郑威，李勇

（1-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240；2-钱学森空间技术实验室，上海 200020）

高空飞艇氨相变系统设计软件的开发

曾宪顺1，孙浩然1，丁国良*1，郑威2，李勇2

（1-上海交通大学制冷与低温工程研究所，上海 200240；2-钱学森空间技术实验室，上海 200020）

高空飞艇氨相变系统可提高飞艇升降调节能力。为了实现高空飞艇氨相变系统的快速设计，本文开发了高空飞艇氨相变系统设计软件。该设计软件中，通过直接调用物性计算软件Refprop的子程序计算氨的物性，采用集总参数模型实现系统中各部件结构的设计计算，应用VB编程语言在Microsoft Excel平台上实现了计算程序编写和软件界面设计。该软件可用于设计高空氨相变系统各部件结构和计算系统中各工况点，能够为高空飞艇氨相变系统提供具体设计方案。

设计软件；相变系统；高空飞艇；氨

0 引言

常见的飞艇一般使用氦来提供升力，飞艇的升降一般通过改变气囊中的气体量、抛掉压舱物、利用艇体或翼面的气动升力、改变推力方向等复杂方式实现[1]。基于氨相变系统的可逆浮力调节方法[2]可提高飞艇升降调节能力。相对于氦，氨在常温下更容易液化和储存。氨相变系统可以更大范围地改变气体体积，从而提高飞艇升降调节能力，并且氨相变过程可逆将使飞艇具有更好的操作性能和更久的工作时间[3]。

目前现有的氨相变系统只用于地面工况[4]，将地面的相变系统直接应用到高空中，会存在系统相变效率降低、重量及功率无法满足飞艇运行要求的问题。高空环境中，气囊内气体处于低温低压状态，过低的吸气压力会导致相变系统中压缩机的容积效率降低；稀薄的空气会影响换热器换热；庞大复杂的液化设备可能会超出飞艇的负荷。因此，为了将氨相变系统应用于高空飞艇，有必要重新设计系统。

为了实现高空飞艇气液相变系统的快速设计，获得相变系统具体设计方案，直接采用实验方法会带来周期长、耗资大等问题。而利用软件对飞艇的相变系统进行优化设计，可大大缩短设计周期，节约资金投入[5]。现有的与飞艇系统设计相关的软件有清华大学航空学院开发的飞艇综合设计与一体化分析软件[6]，该软件可用于快速概念设计、多层次气动分析和发射过程的动力学仿真。该软件并不适用于相变系统的设计，因此有必要开发针对高空飞艇氨相变系统设计的软件。

本文的目的是开发适用于飞艇高空运行工况的气液相变系统设计软件，从而实现高空飞艇气液相变系统的快速设计。

1 软件设计思路

高空氨相变系统由压缩机、换热器、风机、储液罐、电子膨胀阀、三通阀和电磁阀组成。其工作原理如图1所示。对于液化过程，系统电磁阀A开启、B闭合，三通阀A、B均接通bc两路，气囊内气体工质经过压缩机压缩、换热器冷凝后储存到液体储罐中。对于汽化过程，系统电磁阀A闭合、B开启，三通阀A、B均接通ab两路，液体储罐中的液体经过电子膨胀阀节流、换热器蒸发后存入飞艇气囊中。

图1 高空氨相变系统工作原理

本设计软件的目标是通过模拟高空氨相变系统工作过程，计算获得各关键工况点的物性、各主要部件的结构及尺寸参数和系统整体设计参数。具体设计计算包括工况计算、压缩机设计及选型、换热器设计、风机设计及选型、储液罐设计和系统整体计算。

相变系统设计软件计算流程如图2所示。设计软件根据设计工况计算获得氨物性，由氨物性及相变技术指标建立各部件设计计算模块。程序具体运算过程为，根据液化速率需求、冷凝及蒸发温度设计压缩机，根据相变速率需求、冷凝及蒸发温度设计换热器，根据换热器风量需求设计风机，根据液化量需求、冷凝温度、过冷度设计储液罐，程序最后输出系统设计结果。

图2 相变系统设计软件计算流程

根据软件计算流程，高空飞艇相变系统设计软件框架如图3所示。设计软件输入模块技术指标输入、设计工况输入、大气环境输入和部件参数输入；计算模块完成氨物性的调用以及压缩机、换热器、储液罐和风机设计计算；输出模块输出相变系统各工况点参数、各部件计算结果和系统计算结果。

图3 相变系统设计软件框架示意图

根据软件的设计框架，设计软件需要解决如下问题：

1）氨物性的快速程序调用；

2）各部件设计计算模块的建立；

3）软件界面和输入输出参数设计。

2 物性计算模块调用

软件中计算物性的方法有三种[7-9]：基于物性方程的通过VC++调用Fortran和Matlab程序的混合编程方法、利用VC++访问SQLSever2000上的通用物性数据库的方法和直接调用国际权威物性计算软件Refprop(REference Fluid PROPerties)[10]的物性计算方法。相对其他方法而言，调用Refprop的物性计算方法不需要获取物性方程或建立数据库，具有简单、快捷、方便等优点。

本设计软件将国际权威物性计算软件 Refprop直接引入到应用程序来获取氨的物性。在调用过程中，应用程序采用VB编程语言在Microsoft Excel文件中使用表格的形式，给出了对应氨各项物性参数的初始化方法，确定了获取两相区、过热/过冷区物性参数时调用的子程序及其顺序。

另一方面，为了避免参数传递带来的麻烦，应用程序以Fortran为平台使用动态链接库技术生成了适合于VB程序调用的DLL，并在VB开发环境中通过调用该DLL获取物性。该方法具有快捷、准确的优点，可以有效获取氨及其他工质的物性。

氨物性计算与各部件设计计算的关系如图4所示，设计软件中，压缩机、换热器、风机和储液罐等模块设计计算均需调用氨物性模块。

图4 物性函数调用示意图

3 部件模型建立

3.1 压缩机设计

对于压缩机设计，需要求取压缩机所需的理论输气量及理论功率。根据理论输气量即可选择压缩机的型号，详细介绍如下。

1）输气量计算

对于实际系统来讲，压缩机的需求输气量为：

式中：

qvn——所需输气量，m3/min；

qmc——工质的质量流量，kg/min；

v——压缩机进气口的工质比容，kJ/(kg·K)。

2）功率计算

压缩机的理论功率为：

电效率为：

式中：

hout——压缩机出口焓值，kJ/kg；

hin——压缩机进口焓值，kJ/kg；

ηel——电效率；

ηi——指示效率；

ηm——机械效率；

ηm0——电动机效率。

电动机的输入功率，即压缩机所消耗的电功率：

3.2 换热器设计

换热器设计需要求取换热器的整体结构尺寸。设计软件根据换热器换热面积设计换热器整体结构。为了得到换热器换热面积，设计软件需要计算换热器整体换热系数。换热器整体换热系数由制冷剂侧换热系数及空气侧换热系数确定。

相变系统设计方案所采用的换热器为微通道换热器。对于微通道换热器，制冷剂侧液化过程换热系数可根据以下Bassi and Bansa关联式l[11]计算：

式中：

Nu——努塞尔特数；

Re——雷诺数；

Pr——普朗特数；

制冷剂侧气化过程的换热系数可采用以下Gungor and Winterton关联式[11]进行计算：

式中：

htp——流动气化换热系数；

E——单项对流换热增强因子；

S——泡核沸腾抑制因子；

hcb——液相换热系数；

hnb——泡核换热系数。

空气侧换热系数可采用WANG C C关联式[12]进行计算：

式中：

j——无量纲表面传热系数；

Re——雷诺数；

Pr——普朗特数；

换热器的设计计算流程图如图5所示。为了获得换热器面积，换热器模块程序通过迭代的方法确定换热器的管数目，并通过比较液化过程和汽化过程换热面积的大小最终确定换热器面积。

图5 换热器设计计算流程

3.3 风机设计

对于风机设计，需要求取换热器所需风量，再根据风量需求进行风机的选型。

由于高空环境风速满足换热器设计要求，设计中以地面环境中换热器所需要的风量来确定风机参数。根据所设计的换热器结构及地面工况下氨的相变换热量，可以计算出地面环境中换热器所需的换热系数。同时，采用WANG C C关联式[12]也可获得地面环境下的换热器换热系数。将两者进行比较可实现对风速的迭代。根据风速和换热器迎风面积即可计算出风机的风量需求。

在地面环境中，根据空气状态参数计算冷凝工况下的换热器所需的换热系数约为：

式中：

qmc——冷凝过程的制冷剂流量；

h2——换热器进口焓值；

h3——换热器出口焓值；

Fco——冷凝过程管外侧面积；

Tref——制冷剂侧温度；

Tair——空气侧温度。

风机设计计算流程如图6所示。风机模块程序通过比较由地面空气状态参数计算所得的换热系数K1与由WANG C C关联式[12]计算所得的换热系数K2两者的大小来进行对迎风风速的迭代，当K1接近K2时，所调整的风速v即为理论迎风风速。

图6 风机设计计算流程

3.4 储液罐设计

储液罐模块设计计算主要是储液罐体积的设计计算。计算过程相变系统中所有氨气转变成液氨的体积即为需要的储液罐的体积。

液态氨的密度从氨物性模块中获取，质量由用户输入，因此储液罐的体积为：

式中：

ml——储液罐内氨液质量，kg；ρl——储液罐内氨液密度，kg/m3。

4 软件界面及输入输出参数设计

高空飞艇气液相变系统设计软件的界面菜单设计如图7所示。

设计软件输入菜单“设计参数”包括技术指标、设计工况、大气环境、部件参数输入。设计软件输出菜单有工况参数、部件参数、系统参数。其中，“工况参数”菜单输出相变系统工况参数，包括相变系统工况、相变系统流程图、系统循环P-H图；“部件参数”菜单输出各部件参数，包括压缩机参数、换热器尺寸、储液罐参数、风机参数；“系统参数”菜单输出系统计算结果，包括设计部件、重量需求、功率需求。具体如图8所示。

图7 设计软件菜单设计

图8 设计软件菜单

设计软件输入参数设计如图9所示。为了方便用户的输入，软件将输入参数分为技术指标、设计工况、大气环境、部件参数四类，同时添加相变系统流程图辅助理解。部件参数输入数据包括压缩机、换热器、阀门参数输入，它们分别以按钮的形式链接相应子窗口，从而保证输入界面的简洁。

设计软件输出参数设计如图 10所示。相变系统“工况参数”输出以表格的形式呈现各工况点物性，并添加循环P-H图。相变系统“部件参数”输出与输入对应，部件输出参数分为压缩机参数、换热器尺寸、储液罐参数、风机参数。

图9 输入参数设计

图10 输出参数设计

5 结论

本文介绍的高空飞艇气液相变系统设计软件，将飞艇相变系统的工况参数、部件规格和系统性能集中到同一软件环境中。设计软件可根据各技术指标和环境参数的输入，计算输出系统各工况的物性、各部件的结构尺寸、系统的总重量及总功率等性能参数，进而实现高空飞艇相变系统的快速设计。

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Development of Design Software for Ammonia Phase Transition System of High Altitude Airship

ZENG Xian-shun1,SUN Hao-ran1,DING Guo-liang*1,ZHENG Wei2,LI Yong2
(1-Institute of Refrigeration and Cryogenics Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China;2- Qian Xuesen Laboratory of Space Technology,Shanghai 200020,China)

Ammonia phase transition systems of high altitude airship can be used to enhance the ability to regulate the buoyancy of the airships.For the purpose of rapidly designing ammonia phase transition system of the airships,the design software for ammonia phase transition systems of high altitude airship was developed.Using the design software,the physical properties of ammonia were calculated by calling subprogram of Refprop software,the design calculations of the components structure in the system were realized by lumped parameter models,the calculation program compiling and the user interfaces designing were realized by using Visual Basic based on the platform of Microsoft Excel.The software can be used for the design of components structure and the calculation of working condition,and can provide the design scheme for ammonia phase transition system of high altitude airship.

Design software;Phase transition system;High altitude airship;Ammonia

10.3969/j.issn.2095-4468.2014.06.203

*丁国良（1966-），男，教授，博士。研究方向：制冷空调装置的仿真与优化。联系地址：上海东川路800号上海交通大机动学院，邮编：200240。联系电话：021-34206328。E-mail：glding@sjtu.edu.cn。

国家自然科学基金项目（No.11202225）；中国空间技术研究院CAST重点基金