1、1第 1199O年2月兵 工 学 报ACTA ARMAMENtARII1Feb 1990新型军用车辆空调设备王浚 李敏【北京航空舡天大学(摘要 为军用车辆乘员创造一个合适的工作环境， 不倪只是一个舒适的问题，更主要的是可以提高幕员的战斗能力。在车辆乘员所在的软小空闻里仅采肝强迫通风并不能满足要求。本文培出三种可行的变客式制冷机军用车辆空调方案， 夼绍了流程热力计算程序和计算结果， 并在技术经济方面与英国宇航动力公司的涡轮空气制冷机方案和蒸汽压缩武制冷机方案作了比较。关键饲空调 军用车辆车辆1 前言军用车辆操作室中的环境温度， 能直接影响乘员的作战能力。以传统的强迫通风方式不能满足军车中的温度要
2、求。图11所示的实验结果表明， 必须采用新的空调方式，才能使现代军用车辆 综台性能 得以提高。由于军用车辆使用条件特殊， 采用蒸汽压缩制冷机会带来一些问题。英国宇航动力公司企图将涡轮式空气制冷机用到军车上，并研制成了样机， 但由于存在涡轮效率低，转速高、功率输入困难且耗功大、体积大等问题， 未能推广使用。7O年代中期在美国发展起来的变容式制冷机具有制冷系数高、重量轻、体积小、运行费用低、设备简单、维护方便、转速低和功率输入容易等优点， 故适台在野外和军车特殊条件下使用。它的问世引超人们注意并己进行了多方面理论研究和许多顿域的应用性研究 1973年美国陆军机动设备研究和发展司令部与ROVAC公司
3、订立合同资助其进行变容式制冷机用于机动车辆的研究。本文介绍三种可行的变客式制冷机流程，列出计算框图与热负荷各为87275W6978W的计算结果，并与涡轮式及蒸汽压缩式制玲机方案相比较。2 变容式制冷机的空调流程方案 21 半封闭式直接冷却渡程图21示出藏程原理， 来自乘员舱的空气为，在 处喷入雾化水然后进入压缩器被压缩 由于水蒸发吸热，使排气温度降低、压缩功减少。在处进入中冷器， 拎却后使部分水蒸汽冷凝成水并收集起来。饱和的湿空气在点进入膨胀器， 由于膨胀后的温空气要降温，故部分蒸气会凝结成水或冰，放出潜热，使空气膨张加剧，增大了回收的膨胀功。 点为含冰粒或水滴的低温空气 该热力循环是以千空气
4、为工质的逆Brayton循环和工质为相变成分水的逆Rankine循环的组合循环，故它的制冷系数比涡轮式高。可将收集水喷到中玲器的冷边， 以提高系统的降温性能。通过调温阎改变玲、热流量的流比来调节舱温。调温阀受温控器控制，乘员可用温度选择器选择舱温，经过NBC (核子一细菌一化学)过滤器来补充部分新鲜空气， 以保持舱内空气符合卫生标准， 也可使全部空气均由NBC流过，卿流程变成直通式系统22 闭式干空气掏接冷却流程图22示出流程原理， 与前一流程的主要差别是热力循环自身封闭，通过负载热交挽器和舱内再循环空气进行热交换J压缩嚣入口气压可超过大气压力采用于空气做工质 28 闭式湿空气间接冷却流程图2
5、3示出其流程原理， 该流程基本和图22所示流程相同， 只是增加了喷水装置， 使工质变成谓台工质， 此点又与图21流程相似。 变窑式压缩 膨胀器是三种流程的核心部件， 图24示出其绪构原理。5 流程计算方法 。本文仅介绍半封闭式直接冷却流程的计算方法，另两种流程的计算方法与之类似。81 计算公式 011 压缩(在压缩器中)第 1 如 新型军用车辆空诵设备 3I1 旨MI g0 暑do 冀0 _暑君 暑 口 i畦嚣嚣露鞘矧 畦篇井 N匝兵 工 学 报 000年2胄图22 阳式干空气间接降却流程 22 Scheme showing dosed-loop idirect cooling Ie with
6、 d ait“图23 闭式湿空气间接降却流程Fig2-3 Sehemshowing ck seal-loop indirect,oolig cycle with wet ajf摊员柏 强度传甚器 囊照拈 曩t，第 1 船 新型军用车辆空词设备图24 压靖一膨胀器的横截脚F 2| Cross-seetlon of a compreess-expander由予喷水使计算复杂，但存在以下暮系t(a)压缩器进日喷水为等培过程， 经推导得下式 04T+ k + s=1004 ：+ + (3 )(b)认为工质在压缩器中是等熵压缩， 殚J有一 n + sl 生 =S-RI1n + (32)012 在中玲器中
7、为等压降温利用中玲器比参数 的关系， 可得出T。=Tl ( l-T；f) (33)当中玲器中凝水较多时， 可将部分凝水喷到中玲器冷边， 使其冷边流体入I=I温度不等于环境温度 ，其具体数值受喷入水的培值影响，由等拾关系可跫出下式 +( h。 =1004 + + f，堑 1 000 (、 34)当C：点处为不饱和湿空气时，将(34)式改为(34) 式。4T +idoo +( ： ) 。 一1004 ： +( !：； - 垡 ：。(34)在以上关系式中，共有四个独立未知数， 、T。、T 和Ti。而其它未知数是非独0 兵 工 学 报 1990年2月立的， 其要知道其相应温度就可求得。求这四个独立未知
8、数采用试凑方法，步骤如下a 先设出 “ 据(34)式求出对应 ，的 b据(33)式求出Tc 再据(32)式求出 ：，d、再据求出的 ， ；， 查找出相应的其它非独立参数， 并代入(31)式，检查等号两边是否相等， 若不精足要求，需重设 重复以上计算直到满足(31)式为止。至此，确定出了 、，点的有关参数及 值。荐由下式就可求出压缩功Lo=( 一 ) 一 (kJkg3 (35)013 膨胀(在膨胀器中)认为是等熵膨胀， 存在以下关系一月 lnPs-+ sa一一 一 。1nP + st，t+ ! (3 6)使用上式应注意以下几点：a 当湿空气在 点饱和对，d。应取饱和含湿量d S 应取饱和水蒸气熵
9、S当 点不饱和时，d。取实际含湿量，S 取过热水蒸气的熵进行计算|b当 Ooc时，S。取饱和水的熵计算， 当 O-c时，S。 应取为冰的墒SIfJc 式中S；、 、S 、Sm，S。 ， ，等均需据温度查找相应的数表得出。由于 是待求数，故与 有关的参数也均需等求出 后才能得出， 显然 不能由(36)式直接解出， 需用试凑法求解，其方法是据 。值求出等式左侧值，设一个 值求出等式右侧值，比较等式两侧数值， 直到满意为止， 这时的 。值为所求值据 、 可求得其蛤值，并由下式求出膨胀功L一(。一) CkJkS3 (37)此外进有。gI一 一 CkJkg)=一 Ckzmln)N=G -L) CkW3(
10、38)(39)(31O)(311)82 计算机程序821 两个关键问题采用计算枫计算必须解决以下两个问题(a)如何据 击查找相应图表?(b)如何试凑求解?下面分述之t(a)据 值击查找相应图表采用将图表上一定薄周数据拟合关系式的方法(有的关系式取自参考资料)，编成lll，第 期 新型军用车辆空诃设倍子程序。计有l aP 。一0bc一1853261n(T700603 l0(器) (bar)d = 622 PP P+2735)一046151nP -3Cgkg)58289 kJkgKd f当200K T270K时，s：一0 44446+0004 2889(T+2735) kJbgK)【当270K T
11、370K 时，(3 l 2“Jc313)r3 4)(315)S：；075082+00031 6(T+2735) kJkgK (3+1 5)e S，=20404tn(T+2735)一1266959 kJkgK (3 6jf h。=1004(T+2735) kJK) (3 17jg f当0 T 30l S =(089233210 +034783410 )-41868 CkJkg。CJ (3】8)当30 60。CJ S 一(00106+0，31410 T)4】868 kJkg。O， (3，I8)当60 100 CS =(00288+0284110 T)41868 CkJkg。CJ (318)h 当一
12、I6 T0，一250189301+L84938T kJkg (319)当0 T IO0口o =2500795+17543T fkJkgJ (31 9)t 当一16 T 00“Chi=一(3333206 ) (kJkgJ (320)j 当0 T100-Chw=(0590910 +1000245455 )41868 (kJkgJ (321)(b)试凑求解在计算中有三处需试凑求解a 设一个 ：， 变 试凑求出相应 l，b变 求出相应 的c通过试凑确定 o在各处试凑中每变化一个 值， 均要求出相应的h h、 hs SOS S 、及只值。如用手工计算是很麻烦的。利用计算机求根可解决。本程序采用弦截法求解
13、。表31 子程序名称T丑b31 Subroutines子程序名 作 用 子程序名 作 用从 囊 1 飙 器r 一CZ CC隶 CZF l 4EE FFBBDDGGHH兵 工 学 报 l9 年2胃0 22 程序说明及计算框图为使程序清晰、主程序简单， 本程序广泛采用子程序段， 如表31所示。由于篇幅所限， 本文仅示出主程序框图。圉25 主程序框图F 25 M,mz p 。gr蛆bI。吐dil。即懂第上期 新型军用车辆空调设备 0820 计算结果按“北大西洋公约组织空军地面设施用材 料的气候条件 ，分别对87275w 及6976W 热负荷进行计算。三种流程的压力比均分别按 一3、 一4计算， 下列
14、表中仅列出一种 的结果，表32 丰封闭直接垮却流程Tab3： Semi-losed Io。p direct cooling c kTI：52 =0 867 TI：433c 。=124 Tl：58 。= O g83 l=101bar pl _。 b i口 =81 6kUkg 1=10Iba l 5 ：72 87kJ，kg l=23 l =64 q =65zkJkg当OD；87275W 当OD=8727 5WTi=21334 r2=72一 O0=8727 5W Ti=76-c G。=7 183kgmin pl 404bar Gaz6414kg 2=4 0bar G = B g，皿z=4039bar
15、 dz=68 7 gkg =9 N=10kW d2=571 gkg m矗 9 WTa=709c 当O0：6978W 7a 30“C I 7 kw T = 4 当Od=6978W 3：4-01bar l O0 69TSW a=4 01b吕r= 01bar G =5r min G ；6 d2kgmit ： 砧kW以 傀I G_5_13k 也=96 gkg N=7 9kW n =一2O 6 n ； 一4Oc arin n =一3B。C=108ha =108bar=5s3kW z1 08bar表33 闭武干空气间接睁静流程Tab sI Cl0sed loop indect cooltag cych w
16、ith dry air 状盎 T =H 5“C ，i=拈3 c r 38 c T，=445 TI=35 Tl；30 C= 0 997 = 101 a； 1-01-=196bar =19ar I：196bar53 8kkg 53klkgT2=1B78-c =5 44kJkg Ti=154 6uc T2；147 7oC 当口c=g727 5 当0D=87275W2=58eb甜 当口0；s7z75W 2=5 ghar W =5，88hat G=98$kgmi=Gd=062kgmln G。；9?4kgn =65 8 3=5 4 Ts=49“0 N ；86W ：B 75kW：5 85bar 3=5 g5
17、 l【 N =B6,1W t；58hur 当0口 6978W当00=6978kW 当0=69 8kW G =7 9kgmitT： 一9 G_=77kgmin T = 一18 6 N ；6 9kW n =一228 N =6 9kW N = 7 kW=2 眈bar 4=22bar ；： 0卫br兵 工 学 报 1990年2胃表34 闭式湿空气间接垮却流程Tab 34 Cicsedoop indirect eoollng c”k with wet air=52 C TI。=1目6 Ti：43 3。C ：223 i=38 CT t 1477l一42C Tl： 35oc Tl。30 C 目 =658kJ
18、kg ： 21kJkg 。=61 8kJkg l 196br 1 9Bbar p1：196h酣d1tlB 4 Bkg 当00=872 5W dl 10 目gk 当00=8 275 dl=8 gkg 当 ；8727， 5WT2=75。C G。=797 h gra in Tt：72 W T2 0。C G_t 8 47kgmin 2=5 88bar N ： 46kW ：5B8b G ；726kg2=588bar =6 2kWd2=43B g g 啦：38 l gkg 血=34 8 gk2N =3 9kW 当q0 6978WT=5d Gd：636kE in Ts d 6 c 当口0 89 8W T3：
19、41 G =678kgm3=585bar Ps=585bar ps： 5gSbarIds=164 gkg 3 kw ds=10 9 gtkg。 G_=5 8kgm|n ds=8 4 gkg N = 5 kWN =312kWT4=0C T= 一l2屯 T= 一2l-c=202b8 4：202bar =202bar4 比较与结论表41列出半封闭式、闭式干空气和闭式湿空气兰种变容式制玲空调方案的重嚣和功率消耗估算结果。表42列出制冷鼍为87275W 时变容式和涡轮式方案的技术经济性指标的估算结果。表43给出三种方案的比较(各项指标均 涡轮式为1O)。圈4。l示出三种方案“综合 成本的比较。表41 三
20、种流程的重量和功率Tab 1 W eight and power conmmption of e 3 schemes comlmrad斑 翟 l 半封闭式 l 闭式千空气 l 闭式星空气 、 塑 w】 872 5 6们8 、 8 2 5 8975 87275 69 8压缩一膨胀器k苦 21 17 135 15 l2中蹲器 ) 19 l5 16 13 21负载热变按器旺g l 一 10 B l0 B，捌晶阁kg) O O温度拄毒I器kg 085 o85 L 0 85中狰嚣风扇Ckg3 3 3O 30负载 变换嚣凡扇k薯】 30 30管道(kg 5 45 5总计k l 451 55 l 466 5
21、21 531琦事清耗娃W j i0 8 O5 8 5 6 2第1 期 新型军用车辆空谓设备表42 变容式与涡轮式的性能比较Tab 2 Comparison of perforrance itemsposltlve dlsplacement r s turbine vers Jo=涡轮式空降方案 变窖矗制睁方寨理 目发动机驱动 隶压马选驱动 (芈封闭式)目022 Z6主机重k (包括升压式涡车奁) (包括升压式龋轮) 7中抟器重k 19 5 19 5 19主机体积长宽高m 300 x 270380 太干300 x 2703曲 2日6x 296x驼0(不包括 压式媚轮) (不包括升压式祸转)牛 器
22、体积m0】 0 022 0 022 0n21i功卑消耗(kW) 1875197S 3i 25一32 92 10 2制冷系敷(不考虑风扇耗功) 046，一O51 O醐 0 31 086表43 变客武与涡轮式、蒸汽压缩式比较Tab43 Comparison 0f chief charate rlst Jcs positive displncement，terbineand vapor-cornpresslou versio s流程方案 功率情耗 重 量 悻 复杂程度 维护和后勤慑雄变窖式 0 54 O 66 0 97 10 简便祸铑式 1O 10 10 1 O 简便燕汽压缩式 0 39 29 3
23、65 1铋 复杂饕镬血蜡ty图4 1 三种方案的 端台 成本比较F 4 1 Overall cost comparison of the three schemes由以上比较可得出以下结论：r a)蒸气压缩式制冷方案的功率消耗最少，但体积、重虽、复杂程度和维护使甩上不如其它两种方案。变容式方案的功耗、重遁及体积指标都明显优于涡轮式方案；(b)蒸气压缩式制冷方案的初始投资最低， 变容式利其接近， 涡轮式最高12 兵 工 学 报 l990年2月(e)随着使用年限增长， 由于运行费用会使“综台 成本增高 蒸气压缩式增长最快， 液压马达驱动的锅轮式次之， 变容式增长最慢。可以看到 变容式制冷方案是一种
24、具有明显优越性的方案。参考文献1) Edwards，T C。A T Air Conditioning Refrlgerefion and Heat Pump Cw e， AD，0S162310 7；2 MidMo，L L ，The U辅of fl Posltlve Dsplaeement Air Cycle Machine in a Closed P EnvlrosmentGontral System，ASME79_EMAS一63 British Ae柙卵a Dynamics Groop，A Typical Air Cych Envir0nmentaContral Symtem for 如Ar
25、moured vEhide。Techaleal Proposal， 429， 1979【 王筏， 李敏， 程尔颦， 氇音工质制争机碌理和设计计算， 北京航空学院学报， U2)，l0g25 王注， 变窖式混台工质髑冲帆 一种新型的翩冲机， 低温工程， ($， 1981。 A NEW TYPE OF AIR C0NDlT10NER F0R USE lNMlLITARY VEHlCLESW g 1 n M in(Bei j沁Univereity of Aeronautioe and Aronautle*)AbstractIt i s necessary to provide a suitable w
26、orking envlroment for crew membersworking within the limited space inside a combat vehiclet not only for the pro-vision of a comfortable working condition，but first of all for all enhancementof COmbat effectiveness of the crewmembers Conventional air conditionersoften cannot fulfill these functi0ns
27、and requirementsThe paper presents threefeasible schemes of the positive displacement refrigeration type for air COnditioningarmoured vehiclesBe sides their schemes， flow charts for computationand the results of thermalcalculations of the heat cycles are givenA eomparisonwith similar schems that of the tu rbo-type air refrigeration of theBritish A erospace Dynamics Group and that of the conventional vapar-compresslonrefrigeration are tlien given， regarding their technical and economlcalaspectsKey wa rds air conditioning， military vehicle， motor vehicle_
