实验室内超低温环境下飞机apu高温尾气降温排放方法
阅读说明：本技术 实验室内超低温环境下飞机apu高温尾气降温排放方法 (Method for cooling and discharging high-temperature tail gas of airplane APU (auxiliary Power Unit) in ultralow-temperature environment in laboratory ) 是由 成竹 吴敬涛 任战鹏 李剑 杜文辉 于 2021-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种实验室内超低温环境下飞机APU高温尾气降温排放方法,包括步骤：一、风机选型；二、给定飞机APU高温尾气排放安全设定温度；三、确定电伴热带的加热温度；四、预估喷淋降温用水质量流量；五、飞机APU高温尾气初级降温排放；六、尾气排放温度检测与调节；七、飞机APU高温尾气持续降温排放。本发明利用实验室内排气口温度传感器、实验室环境温度传感器和实验室环境压力传感器检测APU开车条件下室内环境是否平衡,进而选定满足需求的风机类型,保证了实验室内温度、压力的稳定,确保了飞机及试验人员的安全,确定电伴热带的加热温度,有效防止供水管不会结冰冻结堵塞,在实验室内超低温环境下仍然具有稳定性。(The invention discloses a method for cooling and discharging high-temperature tail gas of an aircraft APU (auxiliary Power Unit) in an ultralow-temperature environment in a laboratory, which comprises the following steps: firstly, selecting a type of a fan; setting the safe set temperature for the high-temperature tail gas emission of the aircraft APU; thirdly, determining the heating temperature of the electric tracing band; fourthly, estimating the mass flow of the water for spraying and cooling; fifthly, primarily cooling and discharging high-temperature tail gas of the aircraft APU; sixthly, detecting and adjusting the exhaust gas emission temperature; and seventhly, continuously cooling and discharging the high-temperature tail gas of the aircraft APU. The invention utilizes the temperature sensor of the exhaust port in the laboratory, the temperature sensor of the environment in the laboratory and the pressure sensor of the environment in the laboratory to detect whether the environment in the laboratory is balanced under the driving condition of the APU, and then selects the type of the fan meeting the requirement, thereby ensuring the stability of the temperature and the pressure in the laboratory, ensuring the safety of the airplane and the testing personnel, determining the heating temperature of the electric tracing band, effectively preventing the water supply pipe from being frozen and blocked, and still having the stability in the ultralow temperature environment in the laboratory.)
技术领域
本发明属于密闭实验室内飞机APU开启过程中APU引流排气降温技术领域，具体涉及一种实验室内超低温环境下飞机APU高温尾气降温排放方法。
背景技术
在全机气候实验室内进行气候实验，需要开启飞机APU为飞机提供动力。APU排除的高温、高压尾气如果直接排入实验室不但会破坏实验室内的温度、压力环境，同时尾气在实验室内积聚，也会对实验室和飞机甚至试验人员的安全造成威胁。因此，在实验室内开启飞机APU时，需要将尾气排出至实验室外。实验室内飞机APU排气设备包括初始调整管道、用于将气体排出实验室外的引流管道和安装在引流管道的排气端的风机，初始调整管道内设置有喷淋降温设备，现有的喷淋降温设备喷淋水量巨大，资源浪费，另外，现有的飞机常常会在-50℃以下的超低温环境下进行飞机气候试验，在实验室进行超低温环境试验时，一方面实验室内为极低温，另一方面飞机APU尾气进入引流管道后仍然为高温高压的气体，在进行超低温环境试验时，采用水喷淋环节对高温尾气进行降温，同时需要保证在此温度下喷淋水不结冰，防止低温下积水冻结堵塞，因此，现如今缺少一种节省物力和人力的实验室内超低温环境下飞机APU高温尾气降温排放方法，为实验室内极端气候试验的开展奠定了重要基础。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种实验室内超低温环境下飞机APU高温尾气降温排放方法，通过初始调整管道长度确定初始调整管道可容纳的尾气量进而决定喷淋降温机构的喷水量，利用实验室内排气口温度传感器、实验室环境温度传感器和实验室环境压力传感器检测APU开车条件下室内环境是否平衡，进而选定满足需求的风机类型，保证了实验室内温度、压力的稳定，确保了飞机及试验人员的安全，确定电伴热带的加热温度，有效防止供水管不会结冰冻结堵塞，在实验室内超低温环境下仍然具有稳定性，利用尾气排放温度检测器检测引流管道排放处的尾气温度是否达到设计要求，进而为调节用水量实现温度调节提供依据，保证实验室内极端气候的模拟，便于推广使用。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：实验室内超低温环境下飞机APU高温尾气降温排放方法，利用实验室内飞机APU排气系统对飞机APU排气进行排放冷却，所述实验室内飞机APU排气系统包括用于容纳飞机的实验室和将飞机APU排气输出至室外的飞机APU排气设备，飞机APU排气设备包括依次连接的初始调整管道、引流管道、蝶阀和风机，初始调整管道上设置有喷淋降温器，喷淋降温器包括多个沿初始调整管道长度方向均匀设置的喷淋降温机构，所述喷淋降温机构包括设置在初始调整管道外的供水管和多个沿初始调整管道长度方向均匀设置在初始调整管道内壁上的喷淋环管，所述喷淋环管朝向初始调整管道内中心方向的侧壁上均匀开设有多个喷水孔；
供水管为具有一个输入管和多个输出管的供水管，供水管上输出管的数量与所述喷淋降温机构中喷淋环管的数量相等且一一对应，输出管上安装有阀门和流量传感器；
供水管外缠绕包裹有电伴热带，电伴热带外缠绕包裹有保温棉；
实验室内靠近飞机APU排气3m位置处设置有排气口温度传感器，实验室内位于飞机非工作区的位置处设置有实验室环境温度传感器和实验室环境压力传感器；
初始调整管道和引流管道均为圆管；
其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、风机选型：调节实验室内温度达到超低温设定值，利用排气口温度传感器实时采集飞机APU排气口外3m位置处温度，实验室环境温度传感器实时采集实验室内环境温度；
逐渐增加风机的频率，实验室内排气口温度传感器所在位置处温度值先增大后减小，实验室内排气口温度传感器所在位置处与实验室内实验室环境温度传感器所在位置处温度值相同，且实验室内实验室环境压力传感器所在位置处压力满足微正压指标，停止调节风机的频率，选定满足需求的风机类型；
步骤二、给定飞机APU高温尾气排放安全设定温度；
步骤三、确定电伴热带的加热温度：启动电伴热带，使供水管表面温度维持在设定温度，确定此时的电伴热带的加热温度；
步骤四、预估喷淋降温用水质量流量：根据公式，预估喷淋降温用水质量流量，其中，为初始调整管道内气流的质量流量，为初始调整管道内气流的平均比热容，为初始调整管道内气流的温度，为尾气排放安全设定温度，为喷淋降温用水蒸发百分比，β为用水量安全系数，为水的比热容，△T为喷淋降温用水从初始温度变为水蒸气的温度变化量，△Q为水的比汽化潜热；
步骤五、飞机APU高温尾气初级降温排放：多个喷淋降温机构根据步骤四中用水质量流量向初始调整管道内流经的飞机APU高温尾气进行初级喷淋降温；
步骤六、尾气排放温度检测与调节：利用尾气排放温度检测器检测引流管道排放处的尾气温度；
所述尾气排放温度检测器包括共面布设的第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器；
将第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器测量的温度的平均值视为尾气排放实际温度；
当尾气排放实际温度大于给定的飞机APU高温尾气排放安全设定温度时，增大步骤四中的用水量安全系数β，进而增大喷淋降温用水质量流量，直至尾气排放实际温度等于给定的飞机APU高温尾气排放安全设定温度，确定用水量安全系数β最终值；
当尾气排放实际温度小于给定的飞机APU高温尾气排放安全设定温度时，减小步骤四中的用水量安全系数β，进而减小喷淋降温用水质量流量，直至尾气排放实际温度等于给定的飞机APU高温尾气排放安全设定温度，确定用水量安全系数β最终值；
步骤七、飞机APU高温尾气持续降温排放：利用步骤六中的用水量安全系数β最终值计算最终喷淋降温用水质量流量，多个喷淋降温机构根据最终喷淋降温用水质量流量向初始调整管道内流经的飞机APU高温尾气进行持续喷淋降温，直至飞机APU关闭。
上述的实验室内超低温环境下飞机APU高温尾气降温排放方法，其特征在于：所述用水量安全系数β为1.5～2。
上述的实验室内超低温环境下飞机APU高温尾气降温排放方法，其特征在于：所述微正压指标为10Pa～80Pa。
上述的实验室内超低温环境下飞机APU高温尾气降温排放方法，其特征在于：所述尾气排放安全设定温度不大于80℃；所述超低温设定值不高于-50℃；所述设定温度为10℃～15℃。
上述的实验室内超低温环境下飞机APU高温尾气降温排放方法，其特征在于：所述供水管为具有一个输入管和两至四个输出管的供水管。
上述的实验室内超低温环境下飞机APU高温尾气降温排放方法，其特征在于：所述第一温度传感器、第二温度传感器、第三温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器和第六温度传感器以管道中心点为起点，沿管道半径方向每1/6半径宽度、转角60°处布设。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明调节实验室内温度达到超低温设定值，模拟极端环境，利用实验室内排气口温度传感器、实验室环境温度传感器和实验室环境压力传感器检测APU开车条件下室内环境是否平衡，进而选定满足需求的风机类型，保证了实验室内温度、压力的稳定，确保了飞机及试验人员的安全，便于推广使用。
2、本发明电伴热带具有可控温加热功能，可以使供水管表面温度维持在设定温度范围，当温度到达以后会自动断开，温度低于设定温度后会重新开启加热功能，既保证了管道的加热温度，又能防止传统的电加热不可控温方式造成局部温度过高而使保温棉燃烧甚至电伴热带短路烧毁，实现超低温环境下为管道内高温尾气喷淋降温的目标，使用效果好。
3、本发明方法步骤简单，通过初始调整管道长度确定初始调整管道可容纳的尾气量进而决定喷淋降温机构的喷水量，在实验室内超低温环境下仍然具有稳定性，保证实验室内极端气候的模拟，便于推广使用。
综上所述，本发明通过初始调整管道长度确定初始调整管道可容纳的尾气量进而决定喷淋降温机构的喷水量，利用实验室内排气口温度传感器、实验室环境温度传感器和实验室环境压力传感器检测APU开车条件下室内环境是否平衡，进而选定满足需求的风机类型，保证了实验室内温度、压力的稳定，确保了飞机及试验人员的安全，确定电伴热带的加热温度，有效防止供水管不会结冰冻结堵塞，在实验室内超低温环境下仍然具有稳定性，保证实验室内极端气候的模拟，便于推广使用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实验室内飞机APU排气系统布局图。
图2为本发明排气机构的结构示意图。
图3为本发明喷淋降温器与初始调整管道的连接关系示意图。
图4为本发明电伴热带在供水管外的布设示意图。
图5为本发明尾气排放温度检测器在引流管道尾部的布设示意图。
图6为本发明的方法流程框图。
附图标记说明:
1—初始调整管道； 2—引流管道； 3—蝶阀；
4—风机； 5—喷淋降温器； 5-1—喷淋环管；
5-2—供水管； 5-3—阀门； 5-4—流量传感器；
5-5—电伴热带； 6—实验室； 7—飞机；
8—排气口温度传感器； 9—实验室环境温度传感器；
10—实验室环境压力传感器； 11—尾气排放温度检测器；
11-1—第一温度传感器； 11-2—第二温度传感器；
11-3—第三温度传感器； 11-4—第四温度传感器；
11-5—第五温度传感器； 11-6—第六温度传感器。
具体实施方式
如图1至图6所示，本发明实验室内超低温环境下飞机APU高温尾气降温排放方法，利用实验室内飞机APU排气系统对飞机APU排气进行排放冷却，所述实验室内飞机APU排气系统包括用于容纳飞机7的实验室6和将飞机APU排气输出至室外的飞机APU排气设备，飞机APU排气设备包括依次连接的初始调整管道1、引流管道2、蝶阀3和风机4，初始调整管道1上设置有喷淋降温器5，喷淋降温器5包括多个沿初始调整管道1长度方向均匀设置的喷淋降温机构，所述喷淋降温机构包括设置在初始调整管道1外的供水管5-2和多个沿初始调整管道1长度方向均匀设置在初始调整管道1内壁上的喷淋环管5-1，所述喷淋环管5-1朝向初始调整管道1内中心方向的侧壁上均匀开设有多个喷水孔；
供水管5-2为具有一个输入管和多个输出管的供水管，供水管5-2上输出管的数量与所述喷淋降温机构中喷淋环管5-1的数量相等且一一对应，输出管上安装有阀门5-3和流量传感器5-4；
供水管5-2外缠绕包裹有电伴热带5-5，电伴热带5-5外缠绕包裹有保温棉；
实验室6内靠近飞机APU排气3m位置处设置有排气口温度传感器8，实验室6内位于飞机非工作区的位置处设置有实验室环境温度传感器9和实验室环境压力传感器10；
初始调整管道1和引流管道2均为圆管；
该方法包括以下步骤：
步骤一、风机选型：调节实验室6内温度达到超低温设定值，利用排气口温度传感器8实时采集飞机APU排气口外3m位置处温度，实验室环境温度传感器9实时采集实验室内环境温度；
逐渐增加风机4的频率，实验室内排气口温度传感器8所在位置处温度值先增大后减小，实验室内排气口温度传感器8所在位置处与实验室内实验室环境温度传感器9所在位置处温度值相同，且实验室内实验室环境压力传感器10所在位置处压力满足微正压指标，停止调节风机4的频率，选定满足需求的风机类型；
步骤二、给定飞机APU高温尾气排放安全设定温度；
步骤三、确定电伴热带的加热温度：启动电伴热带5-5，使供水管5-2表面温度维持在设定温度，确定此时的电伴热带5-5的加热温度；
步骤四、预估喷淋降温用水质量流量：根据公式，预估喷淋降温用水质量流量，其中，为初始调整管道内气流的质量流量，为初始调整管道内气流的平均比热容，为初始调整管道内气流的温度，为尾气排放安全设定温度，为喷淋降温用水蒸发百分比，β为用水量安全系数，为水的比热容，△T为喷淋降温用水从初始温度变为水蒸气的温度变化量，△Q为水的比汽化潜热；
步骤五、飞机APU高温尾气初级降温排放：多个喷淋降温机构根据步骤四中用水质量流量向初始调整管道1内流经的飞机APU高温尾气进行初级喷淋降温；
步骤六、尾气排放温度检测与调节：利用尾气排放温度检测器11检测引流管道2排放处的尾气温度；
所述尾气排放温度检测器11包括共面布设的第一温度传感器11-1、第二温度传感器11-2、第三温度传感器11-3、第四温度传感器11-4、第五温度传感器11-5和第六温度传感器11-6；
将第一温度传感器11-1、第二温度传感器11-2、第三温度传感器11-3、第四温度传感器11-4、第五温度传感器11-5和第六温度传感器11-6测量的温度的平均值视为尾气排放实际温度；
当尾气排放实际温度大于给定的飞机APU高温尾气排放安全设定温度时，增大步骤四中的用水量安全系数β，进而增大喷淋降温用水质量流量，直至尾气排放实际温度等于给定的飞机APU高温尾气排放安全设定温度，确定用水量安全系数β最终值；
当尾气排放实际温度小于给定的飞机APU高温尾气排放安全设定温度时，减小步骤四中的用水量安全系数β，进而减小喷淋降温用水质量流量，直至尾气排放实际温度等于给定的飞机APU高温尾气排放安全设定温度，确定用水量安全系数β最终值；
步骤七、飞机APU高温尾气持续降温排放：利用步骤六中的用水量安全系数β最终值计算最终喷淋降温用水质量流量，多个喷淋降温机构根据最终喷淋降温用水质量流量向初始调整管道1内流经的飞机APU高温尾气进行持续喷淋降温，直至飞机APU关闭。
本实施例中，所述用水量安全系数β为1.5～2。
本实施例中，所述微正压指标为10Pa～80Pa。
本实施例中，所述尾气排放安全设定温度不大于80℃；所述超低温设定值不高于-50℃；所述设定温度为10℃～15℃。
本实施例中，所述供水管5-2为具有一个输入管和两至四个输出管的供水管。
本实施例中，所述第一温度传感器11-1、第二温度传感器11-2、第三温度传感器11-3、第四温度传感器11-4、第五温度传感器11-5和第六温度传感器11-6以管道中心点为起点，沿管道半径方向每1/6半径宽度、转角60°处布设。
本发明使用时，本发明调节实验室内温度达到超低温设定值，模拟极端环境，利用实验室内排气口温度传感器、实验室环境温度传感器和实验室环境压力传感器检测APU开车条件下室内环境是否平衡，进而选定满足需求的风机类型，保证了实验室内温度、压力的稳定，确保了飞机及试验人员的安全；电伴热带具有可控温加热功能，可以使供水管表面温度维持在设定温度范围，当温度到达以后会自动断开，温度低于设定温度后会重新开启加热功能，既保证了管道的加热温度，又能防止传统的电加热不可控温方式造成局部温度过高而使保温棉燃烧甚至电伴热带短路烧毁，实现超低温环境下为管道内高温尾气喷淋降温的目标；通过初始调整管道长度确定初始调整管道可容纳的尾气量进而决定喷淋降温机构的喷水量，在实验室内超低温环境下仍然具有稳定性，保证实验室内极端气候的模拟。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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