空氣循環機--不需要氟利昂的空調
2016年09月14日
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在炎熱的夏季，機場停機坪上的地面溫度可達40度（攝氏度）以上。飛機依靠空調系統保持適當的客艙溫度，使之保持在舒適的24度左右。以波音B777-200LR飛機為例，其客艙空間大約為520m?，相當於一間185平米左右的房間，要給這麼大而且有300多名乘客的客艙制冷至少需要功率20匹以上的空調。常見的家用空調主要是用壓氣機和雪種（氟利昂）來制冷，功率有限，這種制冷方式對飛機而言是不適用的，而且飛機的空調系統還有另外一項重要作用就是給客艙增壓。因此民用客機的上的空調系統采用一種特殊的制冷方式--空氣循環制冷。了解空氣循環制冷系統的工作原理，有助於我們更好的認識飛機的空調系統。
一、空氣循環機
飛機的空調組件主要通過空氣循環機制冷，在空中也可以使用沖壓空氣來冷卻引氣。空氣循環機使引氣溫度降低，而且整個過程不需要氟利昂來進行熱交換，氣體沒有蒸發與冷凝。引氣冷卻後可直接供客艙空調和電子設備冷卻使用。系統主要包括熱交換器、空氣循環機（包括渦輪和壓氣機）、水汽分離器等部分。
1.空調引氣
波音B777飛機的發動機或者輔助動力裝置APU，均可以為空調組件提供引氣。高能量的引氣不單可以用於空調系統，還可以用於飛機增壓，防冰等。但引氣不能直接為客艙空調所使用，因為這些氣體是高溫高壓氣體，地面壓力通常有28psi（1.9個大氣壓）溫度可達150°C。
2．冷卻步驟
引氣先進入熱交換器，進行初步的冷卻。冷卻後的引氣進入空氣循環機的離心壓氣機，氣體被壓縮溫度升高後，再次進入熱交換器降溫，隨後氣體進入渦輪室，在渦輪室氣體快速膨脹釋放能量同時還帶動渦輪轉動做功，渦輪軸另一端連著離心壓氣機，壓氣機葉片在其驅動下高速旋轉。通過以上環節可以使氣體溫度降到0°C甚至以下。B777飛機采用了離心壓氣機+二級渦輪的3輪升壓式空氣循環機。我們知道在渦輪室才是引氣真正冷卻的地方，在上述的基礎上再加上二級渦輪，冷卻效果要比一級渦輪更強，對能量利用效率也更高。（而波音B737或空客A320等窄體客機只需采用一級渦輪冷卻便足夠。）
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3．水汽分離
水汽分離器用於除去冷卻空氣中的水汽，由於空氣溫度迅速降低到露點以下，空氣中的水蒸氣已經凝結成小水滴氣體成為霧狀，通過分離器可以將水分離排放出機外。因為水汽容易在結成冰凝結在渦輪上，損傷渦輪，同時水汽還會腐蝕管道，和電子設備線路等，因此必須將過多的水汽分離。才能與較暖的調節空氣混合，輸出到空調管道。（這也是夏天飛機停在地面時的時候，空調出氣口常常冒出白煙的原因。其實這不是煙，只是被霧化的空氣。）
4．冷卻原理
冷卻過程背後的原理是我們所熟知的物理學定律。它遵循的是熱力學第一定律：ΔU＝Q＋W。
公式中ΔU為內能變化，Q為傳遞的熱量，W為所做的功。氣體膨脹帶動渦輪轉動對外界做功W為負（外界對系統做功則W為正），同時氣體向外傳遞熱量Q也為負，可得ΔU為負，氣體的內能減小，溫度降低（氣體的內能與溫度成正比關系）。在日常生活中常見的例子就是當我們用打氣筒給自行車打氣時，打氣筒內的氣體因為我們對其做功，溫度會增加，使得打氣筒變熱。與之相反如果讓氣體對外界做功，內能減少，溫度就會降低。
此外根據熱力學第二定律：孤立系統的熵不會減少。熱量總是從高溫物體傳到低溫物體，不可能作相反的傳遞而不引起其他的變化。其意義在於氣體不可能自發地降低溫度，因為這違背了熱力學定律。要使氣體溫度降低，也需要對它做功。離心壓氣的作用就在此，增大氣壓，才能使之在渦輪中進一步冷卻時效果更好。
二、不同階段的冷卻方式
當飛機在空中時，空調組件所需的能量來自沖壓空氣（飛機高速飛行時的相對氣流）。起飛和降落時沖壓空氣進氣活門完全打開以獲得最大的沖壓空氣。
圖3：沖壓空氣進氣口（進氣口帶有活門可以控制進氣量）
圖4：沖壓空氣排氣口（就像家用空調的室外機一樣排出熱氣。在冬天繞機檢查時，只要站在輪艙下面，就可以享受到免費的暖氣。）
巡航時，對空氣循環機的冷卻需求最小，因為高空中溫度低（可達零下），經過與外界空氣進行熱交換，可以使溫度降得足夠低。甚至不需要空氣循環機來冷卻了。而當飛機停在炎熱的地面機坪時，沒有了沖壓空氣，空調組件靠輔助動力裝置(APU)提供高壓引氣為動力。夏天溫度高時，空氣循環機在最大工作狀態以滿足在地面時的冷卻需求。當冬天溫度低時，只需通過調節溫度控制活門混入更多熱氣即可滿足溫度需求。
輔助動力裝置（APU）是一個獨立的渦輪發動機，通常位於飛機的尾錐部分。（圖：5）它既可以提供電力同時還可以提供引氣。常作為電力和引氣的備份系統。在其運轉時排氣口有高速氣流排出，會產生一定的噪音。許多機場都為飛機提供地面電源和空調引氣保障，減少、限制APU的使用，更加節能與環保。
圖5：APU的位置和排氣口
空調組件是飛機系統中的重要部分，保持適宜的客艙溫度，給飛機客艙增壓，都是通過空調系統來完成的。而空氣循環機又是空調組件的核心。采用空氣循環制冷系統的優點是：系統的重量輕、維護成本低、可靠性高，而且冷卻的空氣可以輸入客艙為之增壓，客艙的通風、增壓和溫度控制都可以通過同一系統來完成。滿足飛機客艙環境控制的需要，使高空飛行更加舒適、安全。
新聞來源：民航資源網
