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直升機(jī)排熱器用風(fēng)機(jī)全壓的確定及方案的設(shè)計制冷劑的演變及展望

摘要：根據(jù)直升機(jī)排熱器用風(fēng)機(jī)的特點，從氣動性能和重量兩個方面考慮，建立了通風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)與全壓、重量的關(guān)系，給出了工程設(shè)計參數(shù)全壓的確定方法以及整體方案的設(shè)計，并針對具體的排熱器，給出了全壓的計算結(jié)果和結(jié)構(gòu)方案。
1引言
軸流式通風(fēng)機(jī)的設(shè)計通常是根據(jù)已知的全壓p、流量Q和大氣狀態(tài)，根據(jù)氣動性能來考慮設(shè)計風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。直升機(jī)排熱器用風(fēng)機(jī)不同于上述情況。首先通風(fēng)機(jī)的全壓未給定，而是已知工程流量、大氣狀態(tài)、排熱器流阻、排熱器的連接尺寸、以及通風(fēng)機(jī)的空間允許尺寸和重量要求；其次由于此通風(fēng)機(jī)是用在直升機(jī)上的，所以通風(fēng)機(jī)的重量指標(biāo)非常關(guān)鍵，設(shè)計的結(jié)構(gòu)參數(shù)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(fēng)機(jī)的空間限制尺寸后，來探討確定通風(fēng)機(jī)全壓的方法，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計。
2通風(fēng)機(jī)全壓的確定
2.1通風(fēng)機(jī)全壓
直升機(jī)排熱工程的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中排熱器及電機(jī)的尺寸和擴(kuò)壓器的長度l2已經(jīng)給定，虛線所示空間為風(fēng)機(jī)的限制尺寸。設(shè)所有殼體壁厚為，由于電機(jī)通過緊配合方式固定于內(nèi)套筒上，因此由電機(jī)外徑D確定出的通風(fēng)機(jī)的輪轂直徑為
D＝D＋2(1)
通過比較不同尺寸的集流器、擴(kuò)壓器及風(fēng)機(jī)外徑Dt所對應(yīng)的工程損失的大小，來確定風(fēng)機(jī)的全壓。
1.集流器2.電機(jī)3.整流罩4.葉輪5.后導(dǎo)葉6.擴(kuò)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(kuò)壓器示意圖
選取光滑的圓弧形，以減少由于流道變小而產(chǎn)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(jìn)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(shù),當(dāng)r/D≥0.2時＝0.03
由此可見集流器損失為D的函數(shù)。
2.1.2擴(kuò)壓器
擴(kuò)壓器示意圖如圖2。擴(kuò)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(kuò)壓器的長度l2已經(jīng)給定，對于不同的葉輪外徑D，其擴(kuò)壓比、當(dāng)量擴(kuò)壓角不同，產(chǎn)生的損失也就不同�？紤]到此通風(fēng)機(jī)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(dāng)量擴(kuò)壓角會很大，損失的計算不同于一般的擴(kuò)壓器，按局部損失來計算。
進(jìn)口處氣流平均速度：V2=(4)
擴(kuò)壓器損失:(5)
式中2——-局部損失系數(shù)
文獻(xiàn)[2]給出了漸擴(kuò)變徑管道局部損失系數(shù)的取值情況，如表1。
表1損失系數(shù)變化關(guān)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(jìn)出口處氣流截面積，為當(dāng)量擴(kuò)壓角。其中
tg()=(6)
按式(6)計算出當(dāng)量擴(kuò)壓角，然后根據(jù)表1進(jìn)行線性插值，求出不同葉輪外徑Dt所對應(yīng)的局部損失系數(shù)2，繼而計算出擴(kuò)壓器的損失。
2.1.3風(fēng)機(jī)全壓
通風(fēng)機(jī)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(xué)性質(zhì)(即沸點、蒸發(fā)與冷凝壓力、單位容積制冷量、循環(huán)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(dǎo)熱系數(shù)等。
　　臭氧層的破壞和全球氣候變化是當(dāng)今全球面臨的兩大主要環(huán)境問題。因此，在開發(fā)制冷劑時除考慮以上性質(zhì)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(yīng)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(fā)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(huán)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(fā)展歷史,探討了未來發(fā)展趨勢。
　　2.制冷劑的發(fā)展史
　　從時間上看，制冷劑的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段。第一階段是十九世紀(jì)的早期制冷劑；第二階段是二十世紀(jì)時代的ＣＦＣ與ＨＣＦＣ類制冷劑；第三階段是二十一世紀(jì)的綠色環(huán)保制冷劑。
　　2.1早期制冷劑
　　1805年,OliverEvans最早提出了在封閉循環(huán)中,使用揮發(fā)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(fā),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(huán)設(shè)想,但未建成此裝置。1834年,JacobPerkins則第一次開發(fā)了蒸氣壓縮制冷循環(huán),并獲得了英國專利（6662號）[1]。在他所設(shè)計的蒸氣壓縮制冷設(shè)備中使用二乙醚(乙基醚)作為制冷劑。
　　隨著JacobPerkins所發(fā)明的蒸氣壓縮式制冷設(shè)備正式投入使用,從十九世紀(jì)三十年代開始陸續(xù)開發(fā)了一些早期實用的制冷劑。[2]
　　JacobPerkins的助手JohnHegel對這套設(shè)備進(jìn)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(fā)性溶液。19世紀(jì)，天然橡膠只能從印度進(jìn)口。因此，乙醚、甲醚作為主要制冷劑的地位延續(xù)到19世紀(jì)60年代才逐漸被氨所取代。
　　氨/水作為制冷劑是1869年首次應(yīng)用于美國新奧爾良一家釀造廠的冷凍設(shè)備中，設(shè)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(shè)備不得不采用一些臨時性的應(yīng)急手段，如用生石灰或氫氧化鈉對氨/水制冷劑進(jìn)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(shè)備應(yīng)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(xué)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?xì)浠衔铮?ＳＯ4,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(gòu)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(shù)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(qiáng)的反應(yīng)性。
　　2.2第二階段―制冷劑CFC和HCFC
　　CFC和HCFC制冷劑的發(fā)現(xiàn)和開發(fā),源于1928年有人給ThomasMidgley爵士的一個電話。當(dāng)時他已開發(fā)了用四乙化鉛改進(jìn)正辛烷汽油的性能。電話中說,“制冷工業(yè)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(dāng)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(wěn)定性,無毒和不燃。當(dāng)時出版的四氟化碳沸點,引導(dǎo)他們的注意力集中到了有機(jī)氟化物。氟本身有毒,但他們認(rèn)識到含氟的化合物可以是無毒的。當(dāng)他們意識到當(dāng)時出版的四氟化碳沸點數(shù)據(jù)有誤后,他們就轉(zhuǎn)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(fā)物元素,然后又刪除了會導(dǎo)致不穩(wěn)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(fā)現(xiàn)元素Ｆ位于這8個元素的“行”與“列”的交點。他們進(jìn)而作了三種有趣的觀察并發(fā)現(xiàn):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(dāng)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(biāo)。他們通過碳?xì)浠衔锓蚵然?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(yè)化。隨后，1932年ＣＦＣ-11(Ｒ-11)也被商業(yè)化。于是,出于安全性的考慮,一些ＣＦＣ和ＨＣＦＣ制冷劑陸續(xù)得到了開發(fā),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(jì)制冷劑的主要潮流,在制冷空調(diào)和熱泵工程中得到了廣泛應(yīng)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(qū)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(zhì)會產(chǎn)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(yīng)示意圖2所示。[4]真正會破壞臭氧層動態(tài)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(guān)鍵。由此引發(fā)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(guān)注�！睹商乩麪栕h定書》及其修正案對發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家分別要求和規(guī)定了ＣＦＣ和ＨＣＦＣ制冷劑的淘汰進(jìn)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(yīng)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(diào)工程　�。龋茫疲�-22　�。龋疲没旌现评鋭�
　　大型離心式冷水機(jī)組　　ＣＦＣ-11
　�。茫疲�-12,Ｒ500
　　ＨＣＦＣ-22　�。龋茫疲�-123
　�。龋疲谩�134ａ
　�。龋疲没旌现评鋭�
　　低溫冷凍冷藏機(jī)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(diào)　�。茫疲�-12　�。龋疲谩�134ａ
　�。龋眉捌浠旌衔镏评鋭�
　�。龋茫疲没旌现评鋭�

　　國際上,為了應(yīng)對環(huán)保要求的挑戰(zhàn),在尋找、開發(fā)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(fā)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(xié)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(zhì)為對象,重新回到了

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