Тепловой режим кабин и отсеков ЛА

Тепловое состояние оборудования или людей, находящихся на борту ЛА, определяется источниками выделения или поглощения тепла; видом теплообмена с окружающей средой (конвекция, теплоизлучение, теплопроводность, массообмен) и характеристиками теплоносителей. Очевидно, что полная характеристика теплового режима вентилируемых кабин и отсеков должна включать в себя всю совокупность перечисленных факторов.

Обычно задача упрощается, принимая во внимание существующие особенности и требования к СКВ. В частности, согласно действующим ЕНЛГС для самолетов гражданской авиации основной упор делается на поддержание температурного режима: температура в ГК должна быть 20±5°С; температура внутренней поверхности стенок кабины не должна отличаться от температуры воздуха более чем на 3...5°С, перепад температур воздуха по длине, ширине и высоте кабины не должен превосходить 2...3°С. Кроме того, температура воздуха в большинстве случаев является основным, если не единственным, параметром, регулируемым с помощью СКВ. Поэтому анализ всех тепловых воздействий, как правило, сосредотачивается только на тепловом балансе воздуха кабины (отсека).

Применительно к кабинам самолетов и вертолетов уравнение теплового баланса примет вид:

± Q _ст + Q _л + Q _oб + Q _ост + Q _с ± Q _скв = 0, (4.1)

где ± Q _ст – тепловые потоки от стенок (тепловые потоки принимаются положительными, если тепло подводится к воздуху);

Q _л – тепло выделяемое людьми (экипажем и пассажирами);

Q _об – тепловые потоки от оборудования, размещенного внутри кабины или отсека;

Q _ост – солнечное излучение, поступающее через остекленные участки стенок кабины (иллюминаторы, фонари и т.п.);

Q _с – лучистая энергия, поглощаемая поверхностью самолета от солнечного излучения;

Q _скв – тепловые потоки, поступающие от СКВ с вентилирующим воздухом.

Оценка составляющих компонентов уравнения теплового баланса (4.1) представлена ниже.

Расчет теплового потока Q _ст можно проводить по упрощенной формуле:

Q _ст = k_Т F (t _пог – t _к), (4.2)

где k_Т – коэффициент теплопередачи в Вт/(м^{2 о}С); F – площадь поверхности кабины, через которую подается теплота, t _к – температура воздуха в кабине, ºС; t _пог – температура пограничного слоя на поверхности самолета ^оС.

Температура пограничного слоя воздуха приближенно определяется из уравнения

t _пог = t_h + 0,86 , (4.3)

где t_h – температура (^оС) на высоте полета h;

V _ист. – истинная скорость полета м/с.

Теплота, выделяемая людьми, определяется тепло- и массообменом между телом человека и воздухом, находящимся в кабине. При этом предполагается, что самочувствие человека соответствует так называемому нормальному "тепловому" состоянию. Осредненно количество теплоты, выделяемое в атмосферу герметической кабины пассажирами и экипажем самолета, можно рассчитать по формуле:

Q _л.= q n, (4.4)

где q – тепловыделение одного человека (в обычных условиях принимается q = 419 кДж/ч или q = 116 Вт),

n – количество членов экипажа и пассажиров.

Количество теплоты, выделяемой бортовым оборудованием, оценивается по формуле:

Q _об. = Σ N_i (1 – η_i), (4.5)

где N_i – мощность единицы оборудования, Вт; η_i – КПД единицы оборудования.

Количество лучистой солнечной энергии, проходящей через остекленную поверхность площадью F, определяется по формуле:

Q _ост = I ₀ Σ D _{с i} F_i cosφ _i, (4.6)

где I ₀ – солнечная постоянная (осредненно принимается 1200 Вт/м²); D _{с i} – коэффициент пропускательной способности остекления; F_i – площадь рассматриваемого участка остекления; φ _i – угол падения между направлением солнечных лучей и нормалью к остекленной поверхности; i номер участка остекления.

Лучистая энергия, поглощаемая поверхностью самолета от солнечного излучения, определяется:

Q _c = А I ₀ Σ F_j cosφ _{i ,}(4.7)

где А – коэффициент поглотительной способности поверхности (для алюминиевых поверхностей принимается равной 0,2…0,5); F_j – площадь поверхности, поглощающая солнечную энергию.

Величина теплового потока от СКВ. Количество тепла, вносимого в кабину с подаваемым воздухом, определяется соотношением:

Q _скв = с_р m _к (t _вх – t _к), (4.8)

где t _вх – температура воздуха на входе в кабину;

t _к – температура воздуха в кабине;

с_р – удельная теплоемкость воздуха;

m _к – расход воздуха, подаваемого в кабину.

Теплоизоляция стенок кабин

Из всех слагаемых уравнения (4.1) наиболее существенным для потребной мощности СКВ является тепловой поток, поступающий или уходящий через стенки Q_ст (формула 4.2). Поэтому с целью уменьшения нагрузки на СКВ производится тепловая защита стенок кабин.

Тепловая защита стенок может осуществляться двумя способами: пассивным и активным методами.

Пассивный способ теплоизоляции – защита стенок с помощью слоя материала, имеющего низкий коэффициент теплопроводности. В качестве теплоизоляции (как и звукоизоляции) применяются капроновая вата и стекловата, распушенный асбест. Они формируются в виде матов и укладываются в ячейки между силовыми элементами, внешней работающей обшивкой фюзеляжа и внутренними декоративными панелями кабины.

Другой способ – активная теплозащита – заключается в том, что идущий через стенку тепловой поток частично передается какому-либо теплоносителю и вместе с ним уносится за пределы защищаемого объекта. Это так называемые панельные системы.

Отличительным признаком панельных систем является наличие проточных воздушных каналов в стенках кабины. Существуют различные конструктивные варианты панельных систем. Среди них можно выделить две группы, отличающиеся друг от друга способом подвода воздуха в кабину (рис. 4.2). В одном варианте воздух от распределительных коробов СКВ подается вначале в каналы панелей, а, пройдя их, поступает в кабину (см. рис. 4.2, а). В другом варианте воздух из распределительных коробов подается непосредственно в кабину, а выпускается через панели (см. рис. 4.2, б). Этот способ подачи обеспечивает одновременно индивидуальную вентиляцию с подводом воздуха к каждому пассажирскому креслу через насадки над сиденьями. Первая схема называется прямой панельной системой, вторая – обратной панельной системой.

Рис. 4.2. Способы подвода воздуха в ГК: а - прямая панельная система; б - обратная панельная система; 1 – обшивка; 2 – внешняя теплозвукоизоляция; 3 – воздушный канал; 4 – внутренняя теплозвукоизоляция

Незначительные на первый взгляд отличия между прямой и обратной панельными системами приводят к коренному изменению выполняемой ими роли. В итоге функция активной тепловой защиты оказывается присущей только обратным панельным системам. Действительно, в этом случае воздух, выходящий из кабины, протекает по каналам панелей, «перехватывает» часть теплового потока и сбрасывается через выпускные клапаны в атмосферу.

В прямых панельных системах все "перехваченное" тепло вместе с воздухом поступает в кабину. Вследствие этого по теплозащитным свойствам такие системы имеют даже худшие характеристики, чем тот слой теплоизоляции, который отделяет воздушный канал от наружной обшивки. Указанное ухудшение связано с увеличением коэффициента теплоотдачи от внутренней поверхности теплоизоляции, вызванным большими скоростями протекания воздуха по каналу по сравнению со скоростью, обуславливаемой естественной конвекцией. При этом возникает больший перепад температур. Данная особенность прямых панельных систем не должна рассматриваться как явный недостаток, поскольку она отражает лишь специфичность назначения систем подобного типа.

Используемый в них способ подвода воздуха обеспечивает более высокую температуру стенки по сравнению с температурой воздуха кабин на режиме обогрева либо более низкую - на режиме охлаждения. Такое соотношение между температурой стенок и воздуха субъективно воспринимается как благоприятное и увеличивает комфортность условий в кабине. Вполне естественно, что для этого требуются большие затраты энергии.

Способы обогрева кабин

Обогрев воздухом, отбираемым от компрессоров газотурбинных двигателей (ГТД). В случае применения в силовых установках самолетов ГТД (ТРД, ТВД и др.) решение задачи обогрева кабин не представляет сложности. При существующих степенях сжатия в компрессорах современных двигателей температура воздуха в них оказывается вполне достаточной для целей обогрева. Практически обогрев герметических кабин всех современных пассажирских и боевых самолетов осуществляется горячим воздухом, отбираемым от компрессоров ГТД.

Использование тепла выхлопных газов двигателей. В тех случаях, когда в силовых установках применяются поршневые двигатели, для обогрева кабин используется тепло выхлопных газов двигателей. Для этого на выхлопных трубопроводах устанавливаются специальные теплообменники (ТО), с помощью которых обеспечивается подогрев подаваемого в кабину воздуха. Конструктивно они должны быть выполнены так, чтобы исключить попадание выхлопных газов в кабину. Выхлопные газы имеют высокую температуру, доходящую до 800°С и более, и отличаются большой химической агрессивностью, поэтому ТО должны изготавливаться из жаро - и коррозионностойких сталей.

Применение специальных бензиновых или керосиновых обогревателей при определенных обстоятельствах оказывается целесообразным по условиям компоновки или другим мотивам. Данные обогреватели содержат специальные камеры сгорания, совмещенные с теплообменным устройством, в котором производится подогрев воздуха, идущего на вентиляцию кабины (например, вертолета Ми-8).

Такие обогреватели имеют сравнительно небольшую установочную массу и обладают достаточно высокой экономичностью в потреблении топлива. Так, при теплопроизводительности в 45 кВт, достаточной для обогрева кабины самолета Ту-134, расход топлива составляет примерно 5,5 кг/ч.

Электрообогрев является очень удобным способом получения тепла. Электрогенераторы тепла, представляющие собой электропечи сопротивления, применяются для обогрева герметичных и не герметичных кабин самолета. Электрообогреватели отличаются простотой конструкции и легкостью осуществления дистанционного управления и автоматизации работы. Нагревательные элементы вместе с осевым электроприводным вентилятором размещаются в корпусе. Однако, как правило, располагаемой мощности бортовых источников электроэнергии не хватает для обогрева всей кабины в целом. По этим соображениям чаще всего электрообогреватели используются для решения локальных задач.

Принципиальная схема электрообогревателя показана на рис. 4.3а.

Обогреватель представляет собой электропечь сопротивления и состоит из корпуса 1 цилиндрической формы, электровентилятора 2, термовыключателя 5,

Рис 4.3а. Схема электрообогревателя: 1 – корпус нагревателя, 2 –вентилятор, 3 –предохранительная сетка, 4 – нагревательные элементы; 5 – термовыключатель; 6 – выклюючатель управления; 7 – контактор; 8 – силовая электролиния управления контактором.

установленного на выходе из нагревательных элементов 4, и служащего для защиты обогревателя от перегрева, предохранительной сетки 3, подводящих клемм 8.

Электронагреватель рассчитан на несколько тепловых режимов работы, что обеспечивается наличием нескольких независимо работающих нагревательных элементов 4. Эти элементы могут включаться порознь или вместе. С подъемом на высоту увеличивается опасность перегрева обогревателя из-за уменьшения плотности воздуха и ухудшения теплообмена между воздухом и спиралями нагревательных элементов. Поэтому переключатель на определенной высоте отключает один из нагревательных элементов. Термовыключатель 5 выключает нагревательные элементы при нагреве биметаллической пластинки выключателя выше определенной температуры. Запуск электрообогревателя производится включением выключателя управления 6.