直升机排热器用风机全压的确定及方案的设计制冷剂的演变及展望

摘要：根据直升机排热器用风机的特点，从气动性能和重量两个方面考虑，建立了通风机结构参数与全压、重量的关系，给出了工程设计参数全压的确定方法以及整体方案的设计，并针对具体的排热器，给出了全压的计算结果和结构方案。
1引言
轴流式通风机的设计通常是根据已知的全压p、流量Q和大气状态，根据气动性能来考虑设计风机的结构参数。直升机排热器用风机不同于上述情况。首先通风机的全压未给定，而是已知工程流量、大气状态、排热器流阻、排热器的连接尺寸、以及通风机的空间允许尺寸和重量要求；其次由于此通风机是用在直升机上的，所以通风机的重量指标非常关键，设计的结构参数必须满足给定的重量要求。本文主要针对在给定排热器的流阻、流量及风机的空间限制尺寸后，来探讨确定通风机全压的方法，并进行结构方案的设计。
2通风机全压的确定
2.1通风机全压
直升机排热工程的结构如图1所示。其中排热器及电机的尺寸和扩压器的长度l2已经给定，虚线所示空间为风机的限制尺寸。设所有壳体壁厚为，由于电机通过紧配合方式固定于内套筒上，因此由电机外径D确定出的通风机的轮毂直径为
D＝D＋2(1)
通过比较不同尺寸的集流器、扩压器及风机外径Dt所对应的工程损失的大小，来确定风机的全压。
1.集流器2.电机3.整流罩4.叶轮5.后导叶6.扩压器7.整流体8.排热器
图1排热工程简图

2.1.1集流器

图2集流器示意图图3扩压器示意图
选取光滑的圆弧形，以减少由于流道变小而产生的局部损失。如图2，其尺寸可取r/D≥0.25;d=(1.2～1.4)D;l=(0.2～0.4)D由于空间尺寸的限制，各值均取下限。
进口处气流平均速度：V1=(2)
集流器损失：=1V1(3)
式中Q-——气流流量，m/s
——气流密度，kg/m
1——局部损失系数,当r/D≥0.2时＝0.03
由此可见集流器损失为D的函数。
2.1.2扩压器
扩压器示意图如图2。扩压器出口与排热器相连，因此其出口截面尺寸已定，长为A，宽为B。又由于本文中扩压器的长度l2已经给定，对于不同的叶轮外径D，其扩压比、当量扩压角不同，产生的损失也就不同。考虑到此通风机的重量要求及其空间限制尺寸，D的取值不能太大，因此其当量扩压角会很大，损失的计算不同于一般的扩压器，按局部损失来计算。
进口处气流平均速度：V2=(4)
扩压器损失:(5)
式中2——-局部损失系数
文献[2]给出了渐扩变径管道局部损失系数的取值情况，如表1。
表1损失系数变化关系
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为进出口处气流截面积，为当量扩压角。其中
tg()=(6)
按式(6)计算出当量扩压角，然后根据表1进行线性插值，求出不同叶轮外径Dt所对应的局部损失系数2，继而计算出扩压器的损失。
2.1.3风机全压
通风机的全压等于整个工程的总损失与排热器出口动压损失之和。
即p=1+2＋3＋Vd2&n


1.前言
　　制冷剂必须具备一定的特性,包括热力学性质(即沸点、蒸发与冷凝压力、单位容积制冷量、循环效率、压缩终了温度等)、安全性(毒性、燃烧性和爆炸性)、腐蚀性与润滑油的溶解性、水溶性、充注量、导热系数等。
　　臭氧层的破坏和全球气候变化是当今全球面临的两大主要环境问题。因此，在开发制冷剂时除考虑以上性质外,还需遵循两个重要的选择原则(1)ＯＤＰ值,即臭氧层破坏潜能;(2)ＧＷＰ值,即温室效应能力。
　　制冷剂本身所必须具备的特性和所要遵循的原则决定了制冷剂的发展方向和演变过程。同时，正因为这样，决定了寻找理想的或者环保的制冷剂之路是非常困难和漫长的。为此,本文回顾了制冷剂的发展历史,探讨了未来发展趋势。
　　2.制冷剂的发展史
　　从时间上看，制冷剂的发展经历了三个阶段。第一阶段是十九世纪的早期制冷剂；第二阶段是二十世纪时代的ＣＦＣ与ＨＣＦＣ类制冷剂；第三阶段是二十一世纪的绿色环保制冷剂。
　　2.1早期制冷剂
　　1805年,OliverEvans最早提出了在封闭循环中,使用挥发性流体的思路,用以将水冷冻成冰。具体描述为,在真空下将乙醚蒸发,并将蒸汽泵到水冷式换热器,冷凝后再利用。1824年,RichardTrevithick首先提出了空气制冷循环设想,但未建成此装置。1834年,JacobPerkins则第一次开发了蒸气压缩制冷循环,并获得了英国专利（6662号）[1]。在他所设计的蒸气压缩制冷设备中使用二乙醚(乙基醚)作为制冷剂。
　　随着JacobPerkins所发明的蒸气压缩式制冷设备正式投入使用,从十九世纪三十年代开始陆续开发了一些早期实用的制冷剂。[2]
　　JacobPerkins的助手JohnHegel对这套设备进行了改造并且换了一种特殊的制冷剂－—生橡胶，那是天然橡胶分解蒸馏后得到的挥发性溶液。19世纪，天然橡胶只能从印度进口。因此，乙醚、甲醚作为主要制冷剂的地位延续到19世纪60年代才逐渐被氨所取代。
　　氨/水作为制冷剂是1869年首次应用于美国新奥尔良一家酿造厂的冷冻设备中，设计者是两位法国人。最初没有氨气来源，只能使用氨水，而水份易对制冷工程造成损害，故早期的制冷设备不得不采用一些临时性的应急手段，如用生石灰或氢氧化钠对氨/水制冷剂进行干燥处理。直到1876年，由克利夫兰的麦克米兰公司推出了直接适于制冷设备应用的氨/水制冷剂。继氨/水之后又推出了二氧化碳、氯甲烷等早期制冷剂，详见表1。[2]
　　表1　早期的制冷剂
时间制冷剂化学式
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甲基酸盐(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硫酸与碳氢化合物Ｈ2ＳＯ4,Ｃ4Ｈ10,Ｃ5Ｈ12,(ＣＨ3)2ＣＨ-ＣＨ3
1900ｓ溴乙烷(Ｒ-160Ｂｌ)ＣＨ3-ＣＨ2Ｂｒ
1912四氯化碳CCl4
水蒸气(Ｒ718)Ｈ2Ｏ
1920Ｓ异丁烷(Ｒ-600ａ)(ＣＨ3)2ＣＨ-ＣＨ3
丙烷(Ｒ-290)ＣＨ3-ＣＨ2-ＣＨ3
1922二氯乙烷异构体(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

多数早期的制冷剂是可燃的或有毒的,或两者兼而有之,而且有些还有很强的反应性。
　　2.2第二阶段―制冷剂CFC和HCFC
　　CFC和HCFC制冷剂的发现和开发,源于1928年有人给ThomasMidgley爵士的一个电话。当时他已开发了用四乙化铅改进正辛烷汽油的性能。电话中说,“制冷工业需要一种新制冷剂,而且希望这种制冷剂很易获得。”
　　于是他与其助手AlbertL.H.和RobertR.M从当时的物性表中搜寻具有合适沸点的化合物,条件是有好的稳定性,无毒和不燃。当时出版的四氟化碳沸点,引导他们的注意力集中到了有机氟化物。氟本身有毒,但他们认识到含氟的化合物可以是无毒的。当他们意识到当时出版的四氟化碳沸点数据有误后,他们就转向了元素周期表,并且很快地从元素周期表中删除了不理想的挥发物元素,然后又删除了会导致不稳定、有毒化合物的那些元素以及低沸点的惰性气体元素。最后只剩下8种元素,即Ｃ,Ｎ,Ｏ,Ｓ,Ｈ,Ｆ,Ｃ1,和Br。他们将元素周期表的“行”与“列”组合后,发现元素Ｆ位于这8个元素的“行”与“列”的交点。他们进而作了三种有趣的观察并发现:第一,这几种元素从左到右,可燃性下降;第二,从底下的重元素到顶部的轻元素,毒性下降;第三,当时众所周知的制冷剂无非是除Ｆ元素以外的7种元素的组合,唯独没有含Ｆ元素的。于是,他们确定了元素Ｆ这个目标。他们通过碳氢化合物氟化或氯化,并说明了化合物成分将如何影响可燃性和毒性。1931年，使得ＣＦＣ-12(Ｒ-12)商业化。随后，1932年ＣＦＣ-11(Ｒ-11)也被商业化。于是,出于安全性的考虑,一些ＣＦＣ和ＨＣＦＣ制冷剂陆续得到了开发,逐渐替代了已使用100年之久的那些早期制冷剂(除ＮＨ3外),而成为二十世纪制冷剂的主要潮流,在制冷空调和热泵工程中得到了广泛应用。到目前为止，CFC拥有量大约为1.14×106t，在世界各国的分布情况见图1。

　　图1CFC在世界各国及地区的分布情况
　　2.3第三阶段———ＨＦＣ和天然制冷剂(1990ｓ—)
　　MolinaM.J.和RowlandF.S.指出,ＣＦＣ类物质会产生改变自然界臭氧生长和消亡平衡的氯,从而造成对臭氧层的破坏。[3]其中，氯元素与臭氧的反应示意图2所示。[4]真正会破坏臭氧层动态平衡的是那些含有氯的气体逸散至同温层中所致，[5]这才是问题的关键。由此引发了人们对由于人造化合物中含有氯元素而引起的臭氧层变薄的关注。《蒙特利尔议定书》及其修正案对发达国家和发展中国家分别要求和规定了ＣＦＣ和ＨＣＦＣ制冷剂的淘汰进程。表2列出了一些替代方案。[6]ＣＦＣ和ＨＣＦＣ制冷剂的替代成为近年来国际性的热门话题。

图2氯元素与臭氧的反应过程
　　表2几种常用制冷剂的替代方案

　　制冷用途　　原制冷剂　　制冷剂替代物
　　家用和楼宇空调工程　　ＨＣＦＣ-22　　ＨＦＣ混合制冷剂
　　大型离心式冷水机组　　ＣＦＣ-11
　　ＣＦＣ-12,Ｒ500
　　ＨＣＦＣ-22　　ＨＣＦＣ-123
　　ＨＦＣ—134ａ
　　ＨＦＣ混合制冷剂
　　低温冷冻冷藏机组和冷库　　ＣＦＣ-12
　　Ｒ502,ＨＣＦＣ-22　　ＨＦＣ—134ａ
　　ＨＣＦＣ-22,ＨＦＣ或ＨＣＦＣ混合制冷剂
　　冰箱冷柜、汽车空调　　ＣＦＣ-12　　ＨＦＣ—134ａ
　　ＨＣ及其混合物制冷剂
　　ＨＣＦＣ混合制冷剂

　　国际上,为了应对环保要求的挑战,在寻找、开发替代制冷剂的过程中,逐渐形成了下列两种基本思路和两种替代路线,即:
　　1)仍以元素周期表中的“Ｆ”元素为中心,在剔除了ＣＩ和Ｂｒ元素后,开发了以Ｆ,Ｈ,Ｃ元素组成的化合物,即ＨＦＣｓ制冷剂,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制冷剂的ＧＷＰ值都在1000以上,而被《京都协议书》(1997)列为“温室气体”,需控制它们的排放量。
　　2)以元素周期表中的Ｃ、Ｈ、Ｎ、Ｏ等元素组成的天然工质为对象,重新回到了