同樣是空調，大飛機上的和你家的不一樣

同樣是空調，大飛機上的和你家的不一樣

1、飛機上為什麼需要空調

空調系統是飛機上特別是大型民用飛機上一個非常重要的系統。飛機在平流層飛行，應用海拔氣壓修正計算經驗公式：

計算飛機在10000米海拔高度下的氣壓為26.43kpa。

對於溫度，一般來說海拔每升高100米，溫度降低0.6攝氏度，假設地面溫度20攝氏度，那麼在10000米的高度下其溫度約為零下40攝氏度也就是-40℃。

高海拔的山常年積雪

在這種海拔高度下其氣壓和溫度都很難保證人類的生存。

為此，飛機空調系統被設計出來為了給乘客，機組，設備提供適宜的壓力和溫度，以保證各項工作的正常運行。

空調系統的功能表述

對於一般客機來說，其客艙一般是保持在一定海拔高度的壓力的，這個高度一般小於8000ft，即使實際飛行高度在30000ft，其客艙氣壓也是小於8000ft的。

若是由於某種原因造成客艙壓力降低，氧氣面罩就會自動脫落，供給一定時間的氧氣以供飛機下降到合適的高度。所以，當你看到氧氣面罩掉落的時候，請第一時間帶上它。

2、

飛機上的空調形式

一般的小型飛機是沒有空調的，當然某些型號的直升機（直升機其實不是飛機）會有與汽車空調相似的壓縮機提供製冷功能。

對於現代大型客機，由於其巡航海拔很高，因此其外界具有很低的環境溫度，而且其渦輪風扇發動機可提供足夠的氣源。

因此在地面上看起來效率低，能耗大的空氣循環製冷在大型飛機上得到了很好的應用。

對於飛機的空調系統，利用發動機引出來的高壓空氣做動力源，同時使用外界低溫空氣做冷卻介質，只需增加有限的透平膨脹機構和附屬設備，就可以最小化的實現飛機的環境控制。

（透平：又稱渦輪，為流體介質中蘊有的能量轉換成機械功的機器）

下面僅以目前常見的波音737-800型飛機空調部分做例子，簡要的，定性的分析飛機空調系統的製冷方式。

B737-800空調氣路圖

準確的說，飛機上的空調是將發動機引出的熱空氣轉換成冷空氣，然後製造出的冷空氣再與發動機引出的熱空氣在一個叫mix manifold的地方進行比例混合，從而形成可用的空調氣。

一架飛機有兩台發動機，因而也就有兩套空調設備，二者基本對稱，下面僅以右側為例。

圖中通過顏色標識出了空氣在氣路中的溫度，紅色代表高溫，深藍色代表低溫，淺藍色，則是溫度在兩者之間，但仍屬於冷空氣範疇。

發動機引出的高溫氣體經過一個S彎，又一個S彎，溫度有了明顯的降低，這兩個S彎是空調PACK中的兩級熱交換器。

其中兩級熱交換器之間空氣會被壓縮一次，這也是為什麼第二級熱交換器進口溫度會高一些的原因。

熱交換器

經過熱交換器的熱空氣與外界環境中的空氣進行熱交換，其過程是外界空氣通過機腹的衝壓空氣通道進入熱交換器冷路通道。

也就是圖中方形口上有很多散熱片的地方，帶走通過熱路通道熱空氣的熱量，簡單的說，就是用空氣冷卻空氣，二者不相互接觸。

衝壓空氣口位置B737-800

然後，經過熱交換器的空氣，沿著管路繼續往左走，經過一個由下往上走的叫做「再加熱器」的S型彎管設備。

從「再加熱器」出來後，繼續往上走，再次進入一個S型彎管的設備，這個叫做「冷凝器」。

從「冷凝器」出口出來的氣體分為兩路，再次橫向進入下方的S型彎管設備「再加熱器」。冷凝器和再加熱器目的是為乾燥空氣，避免空氣中水汽結冰而損壞系統。

這個時候，在「再加熱器」中的縱向與橫向的兩股氣流，實際上是有溫差的。從顏色上可以看出，縱向的氣流溫度要高於橫向的氣流。因此，「再加熱器」的再加熱就是指對橫向進入的氣流進行溫度的提升，為下一步進入一個叫做ACM的設備做準備。

ACM叫做空氣循環機，737-800飛機的ACM是3輪結構，有壓氣機渦輪，透平渦輪和風扇輪組成。

ACM的主要部件

經過再加熱的氣流向右進入ACM的透平渦輪中，此時空氣對透平渦輪做功，該過程是定熵膨脹的過程，因此空氣溫度會急劇降低。從圖中可以明顯看出，氣體的顏色變化顯著。

溫度很低的空氣，橫向流進位於圖中上部的S型彎管設備—冷凝器。這時，低溫空氣充當冷媒，對縱向流經的氣流經行冷卻。

目的就是使空氣中的水分析出，使得後續橫向進入「再加熱器」的氣流是低溫、乾燥的空氣流。

而這，是為了防止進入ACM的空氣中含有大量水分，在對渦輪做功降溫後，會有結冰現象，造成對ACM的損傷，要知道，ACM最大轉速可以達到60000rpm以上。

以上就是整個熱空氣被加工成冷空氣的大致過程。過程之後氣體是如何混合分配及如何控制溫度的，這裡暫不討論。

3

飛機上空調製冷原理

以上定性的分析了737-800飛機空調系統製造冷氣的過程，下面簡單討論一下這個過程涉及的一些熱力學原理。

1、為什麼不直接利用外界冷氣而是這麼麻煩把熱氣變冷。

根據理想氣體狀態方程：

其中P是壓力，V是體積，m是質量，R是氣體常數，T是溫度

外界氣體壓力低，溫度低，當我們需要一定質量的空氣時（理想氣體忽略體積變化），需要將其加壓到標準大氣壓下，此時的溫度會升的比較高，因此該種方式不行。

2、737-800空調系統熱力學過程

從上文中可以大致得出飛機空調製造冷氣經歷了如下過程：

壓氣機壓縮，熱交換器冷卻，透平渦輪膨脹，最後得出冷氣，如果在算上冷氣製冷可視為冷氣吸熱的過程，那麼整個737-800飛機製冷過程便可視作布雷頓循環的逆向過程，稱作逆布雷頓循環。

逆布雷頓循環理想的工作過程包括：等熵壓縮，等壓冷卻，等熵膨脹和等壓吸熱四個過程，這與蒸氣壓縮式製冷循環工作過程相近，但不同在於空氣循環製冷也就是飛機空調製冷不存在相變的發生。

布雷頓循環壓力體積，熵溫圖

從上圖中可以看出，整個循環製冷的過程順序為4-3，3-2，2-1，1-4。

4-3是ACM壓氣機對經過初級熱交換器冷卻的發動機引氣進行等熵壓縮，此時空氣溫度上升，壓力上升；然後經過次級熱交換器的二次熱傳遞，進行3-2的過程，即等壓冷卻，此時空氣壓力不變，溫度降低；然後空氣進入ACM渦輪部分，進行2-1的過程，對渦輪做功，等熵膨脹，氣體壓力溫度均大幅下降，此時PACK組件使命已經完成，冷空氣被成功製造出來。

1-4是冷空氣製冷吸熱的過程，其與上述三個過程一起構成一個完整的逆布雷頓循環。

當然，以上分析僅是定性的將空氣視為理想氣體的循環過程，目的是為讓讀者便於理解整個737-800飛機空調系統製冷的熱力學過程。

4

總結

大型客機因其特殊的工作環境決定了其製冷方式只能採用空氣循環製冷。隨著技術的發展，空氣循環製冷正在被更多的領域採用，如最新型進藏列車由於工作環境同樣是高海拔和低溫低壓環境，因此也採用了相同原理的系統。

當然，空氣循環製冷只是在特殊條件下的相對合理的一種製冷解決方案，我們日常大多數人接觸不到此種製冷方式，與一般空調蒸氣壓縮製冷方式相比二者各有優勢，因此不能簡單的說孰優孰劣。

文章來源：大飛機愛好者

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