一种利用开式逆布雷顿循环的坦克装甲车辆空气膨胀制冷系统及方法
阅读说明：本技术 一种利用开式逆布雷顿循环的坦克装甲车辆空气膨胀制冷系统及方法 (Tank armored vehicle air expansion refrigeration system and method utilizing open type inverse Brayton cycle ) 是由 谷操 李源浩 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用开式逆布雷顿循环的坦克装甲车辆空气膨胀制冷系统及方法。其中,制冷技术利用开式逆布雷顿循环原理,开式逆布雷顿循环包括一级压气机、二级压气机、换热器、透平膨胀机,在一级压气机前可集成安装过滤装置,二级压气机利用透平膨胀机的输出功同轴带动,经过一级、二级压气机的部分高压气体驱动透平膨胀端叶轮转动输出机械功并获得低温,冷空气直接与热空气进行热量交换,另一部分高压气体通过换热器放热后进入透平膨胀机。一级、二级压气机的压缩比根据预设的总压缩比设计匹配,并且满足约束条件。本发明简化部件结构、缩小空间尺寸,提升了坦克装甲车辆的制冷性能。(The invention discloses an air expansion refrigeration system and method for an armored tank vehicle by utilizing an open type inverse Brayton cycle. The refrigeration technology utilizes the open type reverse Brayton cycle principle, the open type reverse Brayton cycle comprises a primary compressor, a secondary compressor, a heat exchanger and a turbo expander, a filtering device can be integrally installed in front of the primary compressor, the secondary compressor is coaxially driven by the output power of the turbo expander, part of high-pressure gas passing through the primary compressor and the secondary compressor drives a turbine expansion end impeller to rotate to output mechanical power and obtain low temperature, cold air directly exchanges heat with hot air, and the other part of high-pressure gas enters the turbo expander after releasing heat through the heat exchanger. The compression ratios of the primary compressor and the secondary compressor are matched according to the preset total compression ratio design, and the constraint condition is met. The tank armored vehicle has the advantages of simplifying the component structure, reducing the space size and improving the refrigeration performance of the tank armored vehicle.)
技术领域
本发明涉及制冷领域，尤其涉及坦克装甲车辆空气膨胀制冷技术。
背景技术
为满足全域作战的需求，坦克装甲车辆必须在全地域范围均应具有良好的机动性和环境适应性。由于野外气候和行驶条件复杂多变，工作外界环境温度范围-43℃～50℃，装甲结构表面一般为钢或铝制结构，导热系数比较大，外届气候极易影响坦克装甲车辆乘员舱内的作业环境；发动机传动部件、舱内电子设备等在工作状态下、枪炮射击及弹药燃烧均会产生大量热量及产生有毒有害气体，同时车内空间小、空气流通差，以及噪声、振动等因素，使得乘员舱环境恶劣，其中夏季舱内高温是尤其严峻的问题之一。
目前坦克装甲车辆上采用的制冷技术主要是利用空气膨胀来实现降温，即利用逆布雷顿循环原理。传统逆布雷顿循环采用空气作为工质，通过压缩机等熵压缩，流经冷却器冷却，回热器降温，利用透平膨胀机内等熵绝热膨胀并对外做功，依此获得低温气流来制冷。但由于工质空气在相同工况下压比较大，传热交换温差增加，不可逆损失增加，需要定期补充工质，另一方面，系统耗功较多，效率偏低，不符合坦克装甲车辆部件高效、可靠的指标要求。
发明内容
为了解决现有坦克装甲车辆制冷方法中耗功多、效率低、需要定期补充工质的问题，本发明提供一种坦克装甲车辆空气膨胀制冷方法。结合对坦克装甲车辆实际情况的分析，并根据在前期研究工作中的体会基础上，本发明利用开式逆布雷顿循环在坦克装甲车辆上实现空气膨胀制冷技术方案。所述方案将装甲车内热空气膨胀降温后同时充当制冷剂及载冷剂，直接将冷空气循环送入车内消除热负荷，同时加入二级压缩机，利用透平膨胀机的输出功同轴带动，提升透平膨胀机能量利用率，进而提高系统效率。
本发明的技术方案如下：
一种利用开式逆布雷顿循环的坦克装甲车辆空气膨胀制冷系统，其中，所述开式逆布雷顿循环包括过滤装置(NBC)、一级压气机、二级压气机、换热器、透平膨胀机。图1为开式逆布雷顿循环系统原理图，所述过滤装置(NBC)过滤空气中杂质；所述一级压气机依靠供电运行，将坦克装甲车内热空气压缩后并驱动空气单向流动，温度由T1升至T2；所述二级压气机利用透平膨胀机的输出功同轴带动，进一步压缩热空气，温度由T2升至T3；所述换热器将空气定压冷却，降低温度，温度由T3降至T4；所述透平膨胀机利用部分二次压缩后气体驱动，并将气体通过膨胀降温，温度由T4降至T5；降温后冷气体进入装甲车辆内，与热气体完成热量交换，最终完成开式逆布雷顿循环制冷。图2为系统热力学状态参数图，横坐标表示熵，纵坐标表示气温，图中的1、2、3、4、5分别表示图1中对应位置的温度，图2直观展示了本发明所述系统的一个完整制冷过程。
所述的换热器根据吸热量Q1进行选择，吸热量Q1的计算方法如下：
其中，CP为加热气体比热；
所述的一级压气机的压缩比π1和二级压气机的压缩比π2根据预设的总压缩比π＝π1π2设计匹配，并且所述的一级压气机的压缩比π1、二级压气机的压缩比π2满足如下约束条件：
k为绝热压缩系数，ηc为一级压气机效率，ηt为膨胀机效率。
以下详细说明具体推导过程
一级压气机将空气压缩到一定的温度、压力并驱动空气单向流动，为绝热压缩过程，在此过程中空气的温度压力升高体积流速增加，需要消耗外界的输入功，涉及热力学公式为：
式中WC1为一级压气机内消耗功，CP为压缩气体比热，T1为坦克装甲车辆内热空气温度、T2为经过一级压气机后空气温度，ηc为压气机效率。
式中P1为坦克装甲车辆内热空气压力、P2为经过一级压气机压缩后空气压力，k为绝热压缩系数。
二级压气机利用透平膨胀机的输出功同轴带动，进一步压缩空气，为绝热压缩过程，涉及热力学公式为：
Wc2＝Cp(T3-T2)＝WT×ηt (3)
式中Wc2为透平膨胀机带动二级压气机消耗功，CP为压缩气体比热，T3为经过二级压气机后空气温度、T2为经过一级压气机后空气温度为温度，WT为膨胀机输出功,ηt为膨胀机效率。
式中P3为经过二级压气机压缩后空气压力、P2为经过一级压气机压缩后空气压力。
换热器将压缩后气体进行热量交换，降低膨胀前气体温度，为定压放热过程，涉及热力学公式为：
Q1＝Cp(T3-T4) (5)
式中Q1为吸热量，CP为加热气体比热，T3为经过二级压气机后空气温度、T4为经过换热器定压冷却后空气温度。
经换热器排出的低温高压气体经透平膨胀机膨胀做功，为绝热膨胀过程，涉及热力学公式为：
WT＝Cp(T4-T5) (6)
式中Wt2为膨胀机输出功，CP为压缩气体比热，T4为经过换热器定压冷却后空气温度、T5为经过透平膨胀机制冷后冷空气温度。
式中P4为经过换热器后空气压力、P5为经过透平膨胀机膨胀后空气压力。
热量交换空气压力不发生变化，P5＝P1，换热器处为定压放热，P4＝P3。
透平膨胀机出口的低温气体与压缩前气体热量交换为定压放热过程，即制冷过程，涉及热力学公式为：
Q2＝Cp(T1-T5) (8)
式中Q2为吸热量，CP为加热气体比热，T1为坦克装甲车辆内热空气温度、T5为经过透平膨胀机制冷后冷空气温度。
所述空气膨胀技术制冷系数：
COP＝Q2/(WC1-WC2) (9)
一级压缩比：
π1＝P2/P1 (10)
二级压缩比：
π2＝P3/P2 (11)
总压缩比：
π＝P3/P1 ＝π1π2 (12)
根据(1)-(12)，(9)中空气膨胀技术制冷系数最终拟合为：
由上式可知，对于该膨胀制冷过程设计的关键就是合理匹配一、二压缩比，以保证能获得制冷效果及较高的制冷系数(即制冷效率)，当制冷系数大于1时，表明所匹配的一、二压缩比能够满足坦克装甲车辆制冷需求。
本发明所提供的坦克装甲车辆空气膨胀制冷技术结构简单，只有压气机、透平膨胀机、换热器和少量连接管路，仅一级压气机需要依靠供电运行，其余部件通过压缩气体做功实现运行。结合开式逆布雷顿循环理论，设计合理压缩比的压气机及满足需求的换热器，便能实现坦克装甲车辆空气膨胀制冷。
本发明利用开式逆布雷顿循环理论，在实现减少部件数量、简化部件结构、缩小空间尺寸的同时为乘员舱提供足够清新的低于高温环境的冷空气(凉风)，保证乘员获得较为舒适的体感，并能置换乘员舱中的热空气降低舱内温度。因此与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所提供一种利用开式逆布雷顿循环的坦克装甲车空气膨胀制冷技术。所涉及的压气机、换热器、透平膨胀机等为坦克装甲车辆常规性能优良部件，并已装备于现代坦克装甲车辆。本发明从结构设计的角度开辟了一条独具特色的途径，将通风过滤超压(NBC)和空气膨胀制冷进行系统集成设计，压气机的进口端集成安装过滤装置，因此如果能给乘员舱提供足够清新的低于高温环境的冷空气(凉风)，就会保证乘员获得较为舒适的体感，并能置换乘员舱中的热空气降低舱内温度。另一方面，空气膨胀制冷设计时需保证风量足够(应满足军标中炎热气候时的需求)、出口温度低于大气环境温度10～20℃(按照军标功效保证要求)即可，因此不必考虑除湿防结冰问题，这有利于减小系统体积重量。本发明提供的空气膨胀制冷技术，提升了坦克装甲车辆的压缩气体能量利用率，进而提高了车辆制冷的性能。
与传统逆布雷顿循环相比，开式逆布雷顿循环空气膨胀制冷技术部件少、可靠性高、耐冲击振动等恶劣工况、体积重量小、不需要添加工质，以及容易和通风过滤超压(NBC)系统集成等特点，非常适合应用在坦克装甲车辆上。
附图说明
图1是本发明所述开式逆布雷顿循环系统原理图。
图2是本发明所述开式逆布雷顿循环系统热力学状态参数图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，并不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所用实施例，都属于本发明的保护范围。
结合附图，本发明的开式逆布雷顿循环包括一级压气机、二级压气机、换热器、透平膨胀机等，在一级压气机前可集成安装过滤装置(NBC)，二级压气机利用透平膨胀机的输出功同轴带动，经过一级、二级压气机的部分高压气体驱动透平膨胀端叶轮转动输出机械功并获得低温，冷空气直接与热空气进行热量交换，另一部分高压气体通过换热器降温后进入透平膨胀机。
对某坦克装甲车辆进行制冷，初始状态下，车内热空气温度T1为35℃，透平膨胀机输出冷空气的目标温度T5为15℃。本发明需要选择合适的换热器和一级压气机、二级压气机。本发明所述系统利用开式逆布雷顿循环进行制冷，开式逆布雷顿循环包括过滤装置(NBC)、一级压气机、二级压气机、换热器、透平膨胀机。一级压气机依靠供电运行，效率为0.6；二级压气机利用透平膨胀机的输出功同轴带动，效率为0.6，进一步压缩热空气；换热器将空气定压冷却，降低温度；透平膨胀机利用部分二次压缩后气体驱动，效率为0.6，并将气体通过膨胀降温，最终冷空气温度需降低至15℃；降温后冷气体进入装甲车辆内，与热气体完成热量交换，最终完成开式逆布雷顿循环制冷。一、二级压气机总压缩比按照1.5计算，k取1.4，依此匹配一、二级压气机压缩比，以保证能获得制冷效果及较高的制冷系数(即制冷效率)。
具体计算过程如下：
将温度进行变换，
T1＝35+273＝308K，T5＝15+273＝288K
热量交换空气压力不发生变化，P5＝P1，换热器处为定压放热，P4＝P3。
计算换热器的吸热量Q1，
Q1＝Cp(T3-T4)
其中，
故Q1＝Cp(T3-T4)＝20.1kW；
也可以直接根据公式进行计算。
根据总压缩比为1.5设计匹配一级压缩比为π1＝1.2，二级压缩比为π2＝1.25，接下来代入约束条件，得到
从以上计算过程分析，按照环境温度35℃计算，坦克装甲车辆配备常规尺寸换热器有能力将空气温度从T3降至T4，换热量约为20kW，在实际设计时可根据不同车辆的乘载员不同，参考相应国军标的通风量要求设计选取合适尺寸换热器。同时设计匹配一级压缩比为π1＝1.2，二级压缩比为π2＝1.25的压气机，经计算，满足约束条件，能够保证能获得所需制冷效果及较高的制冷系数，一级压缩比和二级压缩比的取值不唯一，对应COP越大则制冷效果越好，具体取值可根据实际情况进行优选。
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