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飞机除冰液快速换热器设计点击：2092 日期：[ 2014-04-26 21:35:52 ] |
| 飞机除冰液快速换热器设计 孙帅 王立文 (中国民航大学特种设备研究基地,天津300300) 摘要:根据飞机除冰作业标准的要求,提出采用燃油加热方式实现飞机除冰液的快速加热。通过理论分析,计算出换热器的必备燃油率和容积需求,根据计算结果给出飞机除冰液快速燃油换热器的基本结构。并对换热器的换热面积、换热管强度和换热效率进行理论计算和校核。最后通过试验验证所设计换热器的有效性。 关键词:飞机除冰液;换热器;必备燃油率;结构设计 中图分类号: TH457 文献标识码: A 文章编号: 1001-3881 (2010) 8-059-2 在冬季飞机除冰过程中,需要将飞机除冰液加热到一定温度(>70℃)后喷洒到飞机表面,对除冰车来说其最大工作流量为230 L/min。最新的飞机除冰设备一般为即热式工作方式,这种工作方式的除冰设备对换热器的基本要求是在最大流量条件下,将除冰液从5℃提升到70℃的加热时间小于90 s。因此,除冰液换热器的加热能力和性能稳定性是影响飞机除冰设备性能和质量的关键技术之一。考虑到换热器上述工况、加热功率及移动式作业需要,采用燃油加热方式实现除冰液的快速加热。作者对飞机除冰液快速燃油换热器进行分析研究。 1 燃油换热器基本参数计算 1·1 除冰液换热器的技术性能指标 (1)锅炉出水量: 230 L/min (2)锅炉入水口温度:≥5℃ (3)锅炉出水口温度:≥70℃ (4)升温时间:≤90 s (5)水管内压力:≤1·3MPa 1·2 除冰液换热器必备燃油率计算 根据除冰液的基本性能要求,为保证换热器的性能,需要的有效燃油率为: η=q*Δt*Q1*Qs*/Qc(1) 式中:q为换热器每秒出液量(L/s); Δt为换热器出液口和进液口温差(℃); Q1为1 L除冰液升温1℃所需的热量(kJ); Qs为换热器每秒需要的有效热量(kJ/s); Qc为0号柴油标准燃烧值(kJ/kg); η为有效燃油率(kg/s)。 根据式(1),可计算出换热器的有效燃油率为:0·026 2 kg/s或94·216 kg/h[1]。 设换热器效率为0·8,则换热器所需要的必备燃油率为: 0·032 7 kg/s或117·77 kg/h。 1·3 换热器容积计算 根据燃烧器选择结果,换热器燃烧器单位燃油率为0·05 kg/s,根据标准燃烧图[1]估算, 0·05 kg 0号柴油充分燃烧所需要的自然空气量Cr为0·545 m3,则燃烧时间为: 式中:vr为0号柴油充分雾化均匀分散于自然空气中容积燃烧速度,根据标准>5 m3/s[1]。 根据上述给定值, 0·05 kg 0号柴油燃烧时间为0·109 s。 依据上述分析,当换热器实际容积大于0·545m3时, 0·05 kg 0号柴油可在1 s内燃尽。因此,在实际设计中,要求换热器容积大于0·545 m3。 2·换热器结构设计 飞机除冰液快速加热系统由供油系统、燃烧系统、配风系统、热交换系统和控制系统5部分组成。供油系统的作用是将燃料以喷雾或燃油蒸汽的形式提供到燃烧室中。燃烧系统是燃油和空气混合及燃烧的场所。配风系统的作用是为换热器提供燃烧所需的空气,使空气进入燃烧室时有一定的紊流度和速度,并且配合燃烧室的形状、燃烧方式来优化组织燃烧,保证燃烧的稳定性和完全性。换热系统的作用是将燃烧产生的热量传递到换热介质中去。换热介质将热量传递到应用场合。控制系统的功能是控制换热器的点火熄火过程,实现换热器的过热保护,并控制加热场合、燃烧室及换热介质的温度水平[2-3]。而换热器结构是影响除冰液热交换的核心部件,也是加热系统设计的核心内容。 换热器基本结构如图1所示。由导热盘、换热管、导热柱、燃烧室及烟道等组成整体结构,基于小容积强化换热的思想,以满足加热时间的需求。加热体部分采用多排壁厚3 mm的310S无缝不锈钢管结构,按一定规则进行排列和焊接。 3·换热器换热能力校核 3·1 换热面积校核 导热介质热流方程为[1]: 式中:F为传热面积(m2); Q为热交换流量(kJ/h); δ为导热介质厚度(m); λ为导热介质导热系数(kJ/m·h·℃); Δt为导热介质两边温差(℃)。 根据文献[4], 3mm厚310S不锈钢管传热量为10 712·905 6 kJ/s·m2, 3 mm厚纯水传热量为14 255·306 4 kJ/s·m2。根据燃烧器的有效燃油率和换热器性能指标要求,燃烧器每秒输出的有效热量应为2 154·76 kJ,导热体内外温差按600℃计算,则换热器所需的最小换热面积为1·5m2。根据换热器实际图纸计算,换热器换热面积为2·167 m2,满足换热面积需求。 3·2 换热管强度校核 不锈钢管冷态时的屈服强度为250 N/mm2。假定在300℃时取10%。那么壁厚3mm外径20mm的钢管能承受400 N。而管内水压假定为2MPa时产生的张力仅为310 N,满足强度要求。 3·3 换热能力校核 根据设计图纸,完成要求静态传热的理论计算时间为5·8 s,在动态热传导过程中水的流动使热量流速提高5~10倍。加上钢管的热容量估计锅炉将在10 s之内能完成要求的传导热量。水垢的导热系数比钢小两个数量级,水垢每增加0·01 mm时传导时间将增加1 s。燃烧器的储备能量将补充向空间散发的热量,能够满足换热器加热时间的要求。 4 试验结果 4·1 试验条件 试验介质纯水;试验基础水温27℃;供水流量230 L/min (最大)。 4 ·2 燃烧器选择 根据换热器的燃油率需求,选择德国百利公司BT180柴油燃烧器,基本性能指标为: 最大燃油率180 L/h;燃油标准0号柴油;点火方式为电子点火。 根据上述指标,燃烧器最大燃油率为180 kg/h或0·05 kg/s,大于燃烧器的必备燃油率。因此所选燃烧器能够满足设计中的热能需要。 4·3 试验结果 试验系统原理如图2所示,实际试验平台如图3所示。图4为燃烧器工作后换热器炉膛温升曲线,可以看出,在燃烧器稳定燃烧后,炉膛温度可稳定在200℃左右。图5为换热器出口温度曲线,该试验以纯水代替飞机除冰液进行加热试验,试验出口水流量为230 L/min,根据图3,出口温度到达预定温度(70℃)的上升时间约为74 s。水基础温度偏高是温度上升时间小于设计时间的根本原因。此外,该温升试验在换热器内液体最大通流量条件下进行,会影响到出口温度的温升时间。而实际除冰设备在工作时,平均工作流量一般保持在120 L/min左右,因此系统还具有一定的换热裕度。 5·结论 根据飞机除冰作业的需求,设计了飞机除冰液快速换热器,对换热器的有效燃油率和容积进行了理论计算,给出了换热器的结构。对换热器的换热面积、换热管结构强度以及换热效率等方面进行了理论校核。实际试验结果表明,该换热器能够满足飞机除冰液快速加热的需求。 参考文献: 【1】张勇,赵重文.国内外汽车燃油加热器技术比较与发展[J].客车技术与研究, 2001, 23(6): 89-91. 【2】刘海涛.车用燃油加热器的优化设计与研究[D].济南:山东大学, 2005. 5. 【3】赵钦新,惠世恩.燃油燃气锅炉[M].西安:西安交通大学出版社, 2005. 5: 10-13. 【4】机械设计手册编委会.机械设计手册[M].北京:机械工业出版社, 2004. 9: 220-225. |
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