机载蒸发循环系统用冷凝器的优化设计

杨冰洁 张行

摘 要：冷凝温度和过冷度是影响冷凝器换热效率的重要因素。本文对比分析了影響冷凝器换热效率的因素，制定优化设计方案，并通过工程试验验证其改进设计的有效性，为后续冷凝器优化设计提供参考。工程试验验证结果表明，改进设计可以有效降低冷凝温度，提高过冷度。

关键词：机载蒸发循环系统;冷凝器;优化设计

中图分类号：TM617文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）14-0021-03

Abstract： Condensing temperature and subcooling are important factors that affect the heat exchange efficiency of the condenser. This paper compares and analyzes the factors that affect the heat exchange efficiency of the condenser， formulates an optimized design plan， and verifies the effectiveness of the improved design through engineering tests， and provides a reference for the subsequent optimized design of the condenser. Engineering test verification results show that the improved design can effectively reduce the condensation temperature and increase the degree of subcooling.

Keywords： airborne evaporative circulation system;condenser;optimal design

随着飞机的发展，机载大功率电子设备冷却的要求以及飞行员和乘员舒适性的要求都日益提高，环境控制系统已经成为任何先进飞机必不可少的组成部分[1-2]。机载蒸发循环系统相比空气循环系统具有制冷系数高、代偿损失小、无发动机引气等优点，可以有效解决飞机地面停机及低空制冷问题，是飞机环控系统的发展趋势[3]。

目前，国内机载蒸发循环系统均以空气为热沉，冷凝器安装空间十分有限，特别是新一代飞机对冷凝器的设计提出了高效化、小型化、轻量化的要求[4]。本文对影响冷凝器换热效率的因素进行分析，提出冷凝器优化设计方案并进行工程验证，使得机载蒸发循环系统达到高效化、轻量化、小型化的要求。

1 冷凝器工作特性研究

冷凝器是机载蒸发循环系统的重要组成部分。在冷凝风机的强制对流作用下，压缩机排出的高温高压过热制冷剂蒸汽通过金属管壁和翅片放出热量，经过过热、两相和过冷三个阶段，过热气态制冷剂冷凝成过冷液态制冷剂。

为了研究冷凝器各设计参数对系统效率的影响，本文选取某蒸发循环系统用冷凝器作为研究对象，其设计工况为：制冷剂蒸发温度[te]=0 ℃，过热度[Δtsh]=10 ℃，冷凝温度[tc]=65 ℃，过冷度[Δtsc]=5 ℃，制冷循环的总制冷量[Qe]=5.5 kW，使用的制冷剂为金冷HFC-134a。这种制冷剂的压力（[p]）-比焓（[h]）图如图1所示。该制冷循环系统中，[h1]、[h2]、[h4]点的焓值分别为407.23、455.00、287.92 kJ/kg，压缩机吸入蒸气的比体积[V]为0.072 6 m3/kg[5]。

1.1 冷凝温度的影响特性

为了研究冷凝温度对系统效率的影响，假设两种工况：工况A，将冷凝温度由65 ℃降低到60 ℃;工况B，将冷凝温度由65 ℃降低到55 ℃。

初始工况、工况A和工况B的系统参数如表1所示。由表1可以得出，当冷凝温度为65 ℃时，制冷剂在冷凝器中的放热量为167.08 kJ/kg，当冷凝温度为60 ℃时，制冷剂在冷凝器中的放热量为171.12 kJ/kg，提高2.42%，当冷凝温度为55 ℃时，制冷剂在冷凝器中的放热量为173 kJ/kg，提高3.54%;当冷凝温度为65 ℃时，循环制冷系数为2.497 59，当冷凝温度为60 ℃时，循环制冷系数为2.904 27，提高16.28%，当冷凝温度为55 ℃时，循环制冷系数为3.580 35，提高43.35%。

1.2 过冷度的影响特性

为了研究过冷度对系统效率的影响，同样假定两种工况：工况C，将过冷度由5 ℃提高到10 ℃;工况D，将过冷度由5 ℃提高到15 ℃。

初始工况、工况C和工况D的系统参数如表2所示。由表2可以得出，当过冷度为5 ℃时，制冷剂在冷凝器中的放热量为167.08 kJ/kg，当过冷度为10 ℃时，制冷剂在冷凝器中的放热量为175.12 kJ/kg，提高4.81%，当过冷度为15 ℃时，制冷剂在冷凝器中的放热量为183 kJ/kg，提高9.53%;当过冷度为5 ℃时，循环制冷系数为2.497 59，当过冷度为10 ℃时，循环制冷系数为2.665 90，提高6.74%，当过冷度为15 ℃时，循环制冷系数为2.830 86，提高13.34%。

2 冷凝器的优化设计

经过上述研究，降低冷凝温度和提高过冷度是提高系统效率的可行方法。降低冷凝温度需要在设计冷凝器时加大冷凝器芯体的换热面积，提高过冷度需要在设计冷凝器时加大过冷段的面积。下面以优化前后的冷凝器为例，介绍冷凝器优化设计方法及优化后冷凝器改善效果。

2.1 优化前冷凝器

原冷凝器由芯体、冷凝风机和储液器组成。芯体采用平行流式结构，主要由翅片和扁管组成。扁管是制冷剂的流通管道，制冷剂在流通的过程中通过管壁和翅片与外界空气进行热交换。为了提高热交换面积，翅片选用百叶窗式翅片，扁管选用多孔扁管。

冷凝器主要技术参数如下：换热性能方面，在环境温度40 ℃±1 ℃、冷凝温度65 ℃±1 ℃的条件下，换热量为7.5 kW;外形尺寸为520 mm×210 mm×333 mm（长×宽×高）;质量为8.9 kg。

2.2 优化后冷凝器

为了满足冷凝器的换热量和过冷度的要求，同时又不增加冷凝器的体积，要对冷凝器进行优化设计。其间主要采取两大措施进行优化。

一是为了满足冷凝器的换热量要求，采用两级平行流芯体叠加技术，并采用两级芯体串联结构，这样可以在不增加冷凝器体积的情况下大大提高冷凝器的换热面积。根据相关试验数据，两级冷凝器叠加后的换热量相当于同等换热面积的单级冷凝器换热量的1.5倍。制冷剂在两级芯体中的流程分布如图2所示，因为制冷剂蒸气在冷凝器中放热，逐渐冷凝为液态制冷剂，所以根据制冷剂的冷凝过程，逐渐减少流程的流道，提高冷凝器的换热效率。

二是为了提高冷凝器出口处液态制冷剂的过冷度，采用先进的过冷式平行流芯体，在芯体设计时增加过冷段，将储液器出口的液态制冷剂再次导入芯体中进行过冷，提高液态制冷剂的过冷度，进一步提高系統的制冷系数。同时，储液器与冷凝器采用一体化过冷设计，取消了储液器和冷凝器之间的连接管路和储液器支架，降低了产品的体积和质量，如图3、图4所示。

优化后冷凝器主要技术参数如下：换热性能方面，在环境温度40 ℃±1 ℃、冷凝温度60 ℃±1 ℃的条件下，换热量为7.5 kW;外形尺寸为530 mm×335 mm×144 mm（长×高×厚）;质量为5.8 kg。

2.3 冷凝器优化前后对比分析

虽然冷凝器优化前后的换热性能均为7.5 kW，但设计参数有很大差异，具体情况如表3所示。

优化后冷凝器在设计时选择冷凝温度为60 ℃，比优化前冷凝器的冷凝温度降低了5 ℃，同时由于优化后冷凝器采用了双层芯体叠加技术、储液器与芯体一体化过冷设计技术，冷凝器优化后质量降低了34.83%，体积减小了29.68%。

冷凝器优化后进行了台架性能试验，试验结果如表4所示。由于优化后的冷凝器采用了两层平行流芯体叠加技术，增大了芯体的风阻，为保证冷凝器的换热性能，优化后的冷凝器需要配备更大风量和压头的风机，在质量、体积大大降低的同时，可以满足换热性能的要求，改进效果非常明显。目前，优化后的冷凝器已应用于国内飞机的蒸发循环系统，并通过了试验和试飞考核验证。

3 结语

降低冷凝温度和提高过冷度是提升冷凝器换热效率的两种方法。本文对此进行了理论研究，然后提出了冷凝器优化设计方案。优化后，冷凝器的质量和体积大大降低，同时可以满足换热性能的要求。总体来看，冷凝器优化设计顺应了新一代飞机对蒸发循环系统小型化、轻量化、高效化的要求，并得到了实际应用。

参考文献：

[1]夏亮，林贵平.蒸发制冷技术在直升机上的应用[J].直升机技术，2009（1）：21-23.

[2]黄文捷.直升机环控系统性能分析与研究[J].直升机技术，2002（1）：22-24.

[3]崔利，薛浩.直升机环控系统对比与展望[J].装备环境工程，2010（3）：62-65.

[4]吴晓丽，张兴娟，袁修干.直升机蒸气循环制冷系统技术现状与展望[J].中国安全科学学报，2004（6）：57-59.

[5]阙雄才，陈江平，姚国琦，等.汽车空调实用技术[M].北京：机械工业出版社，2003：25-26.