CN101590913A - 采用环路热管的民机防冰除冰方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用环路热管的民机防冰除冰方法，包括以下几步，步骤一：确定民机需要防冰除冰部件结冰防护范围、计算防冰除冰部件所需的最大防冰除冰热载荷Q。步骤二：安装换热装置确定防冰除冰的热源。步骤三：选择环路热管确定其数量。步骤四：环路热管冷凝器及蒸发器在民机上的安装和布置。本发明提高民机的热量利用率，减少从发动机压气机的引气，提高发动机的可用推力，减少用于民机防冰、除冰及引气冷却的一些结构部件的重量，提高民机的飞行性能及民机关注的经济性。

Description

采用环路热管的民机防冰除冰方法
技术领域
本发明属于民机的防冰除冰技术领域，具体涉及一种采用环路热管的民机防冰除冰方法。
背景技术
飞机在结冰气象条件下飞行时，容易发生结冰现象，结冰一直是飞机失事的主要起因之一。常见的需要采取防冰与除冰技术的飞机部位主要有风挡、空速管、螺旋桨、直升机旋翼，机翼、尾翼、发动机进气道前缘及进气部件。
一般来说，对于待保护表面积较大、防冰要求较高的机翼、发动机进气道前缘等部件，常采用气热防冰技术；对待保护表面积较小、防冰要求较低的尾翼、螺旋桨等部件，可采用电热周期除冰技术；对不允许结冰而且耗电功率不大的风挡、空速管等部件，则多采用电热防冰技术。电脉冲除冰技术兴起于六十年代末，由于***有重量较轻、耗电功率小、除冰效果良好等特点，许多现代飞机上依然使用该技术。当前飞机上使用最为广泛是热力防冰技术，现代民航客机大多采用涡扇式发动机压气机的引气直接用于大翼或水平安定面前缘及发动机整流罩的热防冰。然而这种防冰除冰方法所使用过的热空气排到大气中，造成了热量的大量浪费，热量利用率较低。而且热空气由于从发动机压气机引气，造成了发动机的可用推力的减小，降低了飞机的飞行性能。
环路热管是一种高效的两相传热装置，它利用蒸发器1内的毛细芯产生的毛细力驱动回路运行，利用工质的蒸发和冷凝来传递热量，能够在小温差、长距离的情况下传递大量的热量，图1为环路热管结构示意图，图1中的箭头表示环路热管内部工质的流动方向，环路热管由蒸发器1、蒸汽管线2、储液器3、液体管线4、冷凝器5五个部分组成。蒸发器1是环路热管的核心部件，实现从热源吸收热量和提供工质循环所需毛细动力这两项主要功能。它主要包括蒸发器管壳、主毛细芯和液体引管，主毛细芯外侧的轴向槽道称为蒸汽槽道，毛细芯内侧为液体干道，主毛细芯是蒸发器1的核心部件，提供工质循环的动力，提供液体蒸发界面以及实现液体供给，同时起着阻隔芯外产生的蒸气进入储液器3的作用。主毛细芯一般是使用微米量级的粉末通过烧结等工艺成型，形成微米量级的孔径。蒸发器1产生的蒸汽经过蒸汽管线2进入冷凝器5，在冷凝器5放出热量冷凝成液体。蒸汽管线2和液体管线4一般为光滑内壁的柔性细管，起到连接蒸发器1和冷凝器5的作用。工质在光管内流动阻力小，且管线易弯曲、便于安装。储液器3对于环路热管具有两点重要作用：其一，保证启动时能对主毛细芯进行有效供液；其二，适应运行中蒸发器1上热载荷变化引起的***气液分布变化。
现有的热空气加热方式是将发动机的引气直接送往用于防冰、除冰的部件进行加热，使用之后的空气排到了大气中。在飞机上，空调***所用的空气来自于发动机引气，这部分引气本身需要冷却，而现在民机上是通过多级换热器完成引气冷却，将热量以废热的形式排到大气中。
发明内容
本发明的目的是解决现有民机防冰除冰技术的不足，提供一种采用环路热管采集民机上废热进行民机防冰除冰的方法，将环路热管技术应用到民机防冰除冰领域，该方法可以大大提高民机的热量利用率，减少从发动机压气机的引气，提高发动机的可用推力，提高民机的飞行性能，尤其是提高民机的经济性。
本发明提供的采用环路热管的民机防冰除冰方法，具体包括以下步骤：
步骤一：确定民机需要防冰除冰部件结冰防护范围、计算防冰除冰部件所需的最大防冰除冰热载荷Q；
步骤二：安装换热装置确定防冰除冰的热源；
所述换热装置安装在高温引气到达空调***之前的发动机短舱或者安装在机身内，具体安装位置根据环路热管传热的最大功率、最大传输距离及换热装置的尺寸确定；
将民机上送往空调***的高温引气中的热量作为热源，通过换热装置将高温引气热量对流换热给环路热管上的蒸发器；
步骤三：选择环路热管确定其数量；
根据步骤一确定的防冰除冰所需的总热载荷Q及步骤二确定的换热装置的位置选择环路热管，要求所选择的环路热管能够将所需热量从换热装置的位置传输到防冰除冰部件的位置；
选择环路热管主要有以下几个方面：
(1)环路热管的工作温度要求在100℃以上；
(2)环路热管的蒸汽管线及液体管线的长度要求大于或者等于步骤二中换热装置的位置与民机防冰除冰部件的路线长度；
(3)环路热管的尺寸参数以及数量要根据防冰除冰所需的总热量、高温引气的参数及安装空间的限制综合考虑，进行选择；单个环路热管的传热量为q，若Q＞q，则环路热管的数量为大于或等于Q/q；若Q≤q，则环路热管数量为1；
步骤四：环路热管冷凝器及蒸发器在民机上的安装和布置；
环路热管的冷凝器作为散热端，将环路热管的冷凝器与防除冰部件内表面结合，通过管壁导热实现给防冰除冰部件提供热量；冷凝管的分布按照步骤一中计算的防除冰所需的热载荷Q进行布置，若所需要的防除冰热载荷Q大，则冷凝管布置的多些密些，反之则布置少些疏些；
环路热管的蒸发器作为热量采集端，安装在步骤二中的换热装置内，通过与送往空调***的高温引气对流换热来完成防除冰部件所需总热量的采集。
本发明的优点在于：
(1)提高民机的热量利用率，能成功实现废热的利用，给民机防冰除冰的同时实现了给送往空调***的引气降温的目的；
(2)减少从发动机压气机的引气；
(3)提高发动机的可用推力；
(4)减少用于民机防冰、除冰及引气冷却的一些结构部件的重量；
(5)提高民机的飞行性能及民机关注的经济性。
附图说明
图1是本发明中使用的现有技术的环路热管的结构示意图；
图2是本发明的方法流程图；
图3是本发明冷凝器与民机进气道前缘连接示意图。
图中：
1-蒸发器    2-蒸汽管线    3-储液器            4-液体管线
5-冷凝器    6-绝缘材料    7-高导热系数材料    8-进气口前缘蒙皮
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
一种采用环路热管的民机防冰除冰方法，流程如图2所示，具体包括以下步骤：
步骤一：确定民机需要防冰除冰部件结冰防护范围、计算防冰除冰部件所需的最大防冰除冰热载荷Q。
所述的民机需要防冰除冰部件为机翼、发动机进气道等，所述的防冰除冰部件所需的热载荷可通过以下方法得到，对防冰除冰部件周围的流场和水滴撞击特性进行分析计算，通过分析高度、速度、攻角等对防冰除冰部件水滴撞击特性的影响，确定了设计状态点。然后计算在设计状态点下防冰除冰部件的水滴撞击特性，并据此确定出防冰除冰部件的结冰防护范围，进而进行防冰除冰部件在设计状态点下的防冰热载荷的计算，得到防冰除冰部件所需的最大防冰除冰热载荷Q。
步骤二：安装换热装置确定防冰除冰的热源。
根据步骤一计算的民机需要防冰除冰部件所需的防冰除冰最大热载荷Q，选择能够提供这部分热量的热源。本发明所提出的方法是将民机上送往空调***的高温引气中的热量作为热源，将换热装置安装在高温引气到达空调***之前，通过换热装置将高温气体热量对流换热给环路热管上的蒸发器1。因为民机上送往空调***的空气是来自发动机的高温引气，而现在民机利用冲压空气给这部分引气降温，大量的将热量以废热的形式排到大气环境中。本发明的防冰除冰方法就是利用该部分的热量进行民机相关部件的防冰除冰，实现该部分废热的利用。
所述的换热装置具体安装在高温引气到达空调***之前的发动机短舱或者民机机身内，根据环路热管传热的最大功率、最大传输距离及换热装置的尺寸确定，例如，环路热管最大功率越大，需要的环路热管数量越少，换热装置的体积越小，所占据的安装空间越小，否则，占据的安装空间越大；若环路热管传热的最大传输距离大于或者等于防冰除冰部件到发动机机身的距离，则将换热装置安装在民机机身内，否则，将换热装置安装在发动机短舱内部；若换热装置的尺寸小于或者等于发动机短舱内部安装空间，则将换热装置安装在发动机短舱内部，否则，将换热装置安装在民机机身内。
步骤三：选择环路热管确定其数量；
根据步骤一确定的防冰除冰所需的总热载荷Q及步骤二确定的换热装置的位置选择环路热管，要求所选择的环路热管能够将所需热量从换热装置的位置传输到防冰除冰部件的位置。
选择环路热管主要有以下几个方面：
(1)环路热管的工作温度要求在100℃以上；
(2)环路热管的蒸汽管线2及液体管线4的长度要求大于或者等于步骤二中换热装置的位置与民机防冰除冰部件的路线长度；
(3)环路热管的尺寸参数以及数量要根据防冰除冰所需的总热量、高温引气的参数及安装空间的限制综合考虑，进行选择。单个环路热管的传热量为q，若Q＞q，则环路热管的数量为大于或者等于Q/q；若Q≤q，则环路热管数量为1。
步骤四：环路热管在民机上的安装，主要是环路热管冷凝器5及蒸发器1的安装和布置。
环路热管的冷凝器5(也叫冷凝管)作为散热端，是通过其内部的气体工质的液化冷凝过程释放热量。要将这些热量用于民机的防冰除冰，是将环路热管的冷凝器5与防冰除冰部件内表面结合，通过管壁导热来实现。冷凝器5的分布按照步骤一中计算的防冰除冰所需的热载荷Q分布状况布置，若所需要的最大防冰除冰热载荷Q大，则冷凝器5布置的多些密些，反之则布置少些疏些。
环路热管的蒸发器1作为热量采集端，安装在步骤二中的换热装置内，通过与送往空调***的高温引气对流换热来完成防除冰部件所需总热量的采集。
本发明采用环路热管进行民机部件防冰除冰的工作流程如下：
(1)安装在换热装置中的蒸发器1与送往空调***的发动机高温引气进行对流换热获取热量，将来自储液器3中的液体汽化成热蒸汽；
(2)热蒸汽工质沿蒸汽管线2流动到与防冰除冰部件结合的冷凝器5，热蒸汽冷凝放出热量，热量通过管壁导热传导到与之结合的防冰除冰部位加热该部件达到防冰除冰的目的。
(3)热蒸汽工质冷凝成液体后，沿液体管线4回流到储液器3，开始新的循环，源源不断为民机的防冰除冰部件提供所需的热量，并达到给该部分引气降温的目的。
下面结合实施例进一步说明：
实施例：民机的防冰除冰部件为发动机进气道前缘时：
本发明具体包括以下步骤：
步骤一：确定民机发动机进气道前缘在最严酷结冰条件下的结冰防护范围以及所需的热载荷Q；
步骤二：安装换热装置确定防冰除冰的热源；
发动机进气道前缘防冰的热源是送往空调***的发动机高温引气，因此换热装置应该安装在引气到达空调***之前，可以考虑将换热装置安装在发动机短舱，也可以将其安装在机身内。具体安装位置主要受到环路热管本身的发展和制造水平的影响，例如环路热管传热的最大功率、最大传输距离及其尺寸参数。取热的方法是将高温引气与环路热管的蒸发器1对流换热，使得蒸发器1内部的液体工质汽化将热量带走。
步骤三：选择环路热管确定其数量；
根据步骤一、步骤二确定的发动机进气道前缘的防冰热载荷总量Q、防护范围以及换热装置的安装位置选择环路热管，确定环路热管的内部工质为水、蒸发器1管壳材料为不锈钢，毛细芯为烧结镍芯，蒸汽管线2、液体管线4及冷凝器5材质为铝材。在环路热管工质以及管材的选取方面不作限制，例如：工质可以选取其他类型的工质，只要求其工作温度在100℃以上即可，而蒸发器1管材的材质只要求与管内工质相容即可。若选择的环路热管的单管传热量为q，若Q＞q，则环路热管的数量为大于或等于Q/q；若Q≤q，则环路热管数量为1。
步骤四：环路热管冷凝器5及蒸发器1在民机上的安装和布置。
环路热管的冷凝器5作为散热端，内部工质冷凝放热要通过管壁导热进行进气道前缘的加热。冷凝器5盘绕在发动机进气道前缘的防冰腔内，将冷凝器5管壁与发动机进气道内表面结合(可以焊接也可以通过其他方式)，为了防止热量损失采取了图3中的所示结合方案。绝热材料6将冷凝器5包裹固定在进气口前缘蒙皮8上，绝缘材料6与冷凝器5之间的空隙填充高导热系数材料7，保证冷凝器5所释放的热量全部传到进气道前缘的防冰除冰区域。在实际使用中不对绝热材料6及高导热系数材料7做限制，只要能满足要求的功能即可。冷凝器5的分布按照步骤一中计算的防冰除冰所需的热载荷Q分布状况布置，若所需要的防冰除冰热载荷Q大，则冷凝管5布置的多些密些，反之则布置少些疏些。对于作为热量采集端的环路热管的蒸发器1，如步骤二所述，是通过与送往空调***的高温引气对流换热来完成热量的采集，进而将这部分输送到发动机进气道前缘。
至此，民机进气道前缘的环路热管防冰***搭建完成。该***完成后，环路热管从送往民机空调***的发动机引气中不断吸收热量，提供给发动机进气道前缘，即达到了进气道前缘防冰的目的，也达到了给引气降温的目的。

Claims (3)

1、采用环路热管的民机防冰除冰方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：确定民机需要防冰除冰部件结冰防护范围、计算防冰除冰部件所需的最大防冰除冰热载荷Q；
步骤二：安装换热装置确定防冰除冰的热源；
所述换热装置安装在高温引气到达空调***之前的发动机短舱或者安装在机身内，具体安装位置根据环路热管传热的最大功率、最大传输距离及换热装置的尺寸确定；
将民机上送往空调***的高温引气中的热量作为热源，通过换热装置将高温引气热量对流换热给环路热管上的蒸发器；
步骤三：选择环路热管确定其数量；
根据步骤一确定的防冰除冰所需的总热载荷Q及步骤二确定的换热装置的位置选择环路热管，要求所选择的环路热管能够将所需热量从换热装置的位置传输到防冰除冰部件的位置；
选择环路热管主要有以下几个方面：
(1)环路热管的工作温度要求在100℃以上；
(2)环路热管的蒸汽管线及液体管线的长度要求大于或者等于步骤二中换热装置的位置与民机防冰除冰部件的路线长度；
(3)环路热管的尺寸参数以及数量要根据防冰除冰所需的总热量、高温引气的参数及安装空间的限制综合考虑，进行选择；单个环路热管的传热量为q，若Q＞q，则环路热管的数量为大于或等于Q/q；若Q≤q，则环路热管数量为1；
步骤四：环路热管冷凝器及蒸发器在民机上的安装和布置；
环路热管的冷凝器作为散热端，将环路热管的冷凝器与防除冰部件内表面结合，通过管壁导热实现给防冰除冰部件提供热量；冷凝管的分布按照步骤一中计算的防除冰所需的热载荷Q进行布置，若所需要的防除冰热载荷Q大，则冷凝管布置的多些密些，反之则布置少些疏些；
环路热管的蒸发器作为热量采集端，安装在步骤二中的换热装置内，通过与送往空调***的高温引气对流换热来完成防除冰部件所需总热量的采集。
2、根据权利要求1所述的采用环路热管的民机防冰除冰方法，其特征在于：所述的步骤一所述的防冰除冰部件所需的热载荷Q通过以下方法得到：对防冰除冰部件周围的流场和水滴撞击特性进行分析计算，通过分析高度、速度、攻角对防冰除冰部件水滴撞击特性的影响，确定设计状态点；然后计算在设计状态点下防冰除冰部件的水滴撞击特性，并据此确定出防冰除冰部件的结冰防护范围，进而进行防冰除冰部件在设计状态点下的防冰热载荷的计算，得到防冰除冰部件所需的最大防冰除冰热载荷Q。
3、根据权利要求1所述的采用环路热管的民机防冰除冰方法，其特征在于：所述的步骤二中换热装置具体安装位置根据环路热管传热的最大功率、最大传输距离及换热装置的尺寸确定，具体为：
环路热管最大功率越大，需要的环路热管数量越少，换热装置的体积越小，所占据的安装空间越小，否则，占据的安装空间越大；若环路热管传热的最大传输距离大于或者等于防冰除冰部件到发动机机身的距离，则将换热装置安装在民机机身内，否则，将换热装置安装在发动机短舱内部；若换热装置的尺寸小于或者等于发动机短舱内部安装空间，则将换热装置安装在发动机短舱内部，否则，将换热装置安装在民机机身内。
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