بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
آنالیز بار حرارتی کابین هواپیمایی با کاربري ویژه و بررسی بهینه سازي انرژي سیستم تهویه مطبوع هواپیما
چکیده
در این مقاله بارحرارتی کابین هواپیمایی با کاربري خاص نسبت به هواپیماي پایه در بحرانی ترین شرایط آنالیز شده و نهتاًی راهکارهاي کاهش انرژي مصرفی سیستم تهویه مطبوع هواپیما بررسی شده است. با انجام محاسبات کابین هواپیما با کاربري خاص، در بحرانی ترین شرایط پروازي8000 وات بار حرارتی در کابین هواپیما مازاد بر ظرفیت سیستم خنک کننده تولید می شود.
با توجه به سهم بالاي گرماي تولیدي ناشی از تجهیزات الکترواویونیکی، حذف تجهیزات فرسوده و وسایل الکتریکی با توان بالا درحد امکان و همچنین استفاده از سري فن هاي مناسب براي افزایش انتقال حرارت، انرژي مصرفی را در حدود 8 درصد کاهش داد.
پیشنهاد استفاده از شیشه هایی (با کاربرد هوایی) با ضریب جذب و عبور پایین و ضریب انعکاس بالا، استفاده از عایق با ضریب انتقال حرارت هدایتی کمتر و افزایش فاصله بین عایق، بارحرارتی مذکور را به مقدار قابل توجهی کاهش داده است. با وجود تأثیر پارامترهاي ذکر شده در کاهش بار حرارتی کابین و کاهش انرژي مصرفی سیستم تهویه، براي جبران گرماي موجود مازاد بر ظرفیت سیستم سرمایشی، سیستم سرمایشی تراکم بخار (تبرید) هوایی با توجه به محدودیت انرژي الکتریکی مصرفی طراحی و عملکرد آن مورد بررسی قرار گرفته است.
کلمات کلیدي: بار حرارتی، کابین هواپیما، سیستم تبرید، بهینه سازي، تهویه مطبوع
1 مقدمه
آنالیز بار حرارتی کابین هواپیما توسط طراحان سیستم هاي تهویه مطبوع هوایی چون تارگسون و جانسون[1] و ولف و اسکات .[2]، در شرکت هاي هواپیمایی آنتونف، بوئینگ، ایرباس و دیگر سازه هاي هوایی انجام شده است. کاهش بار حرارتی تولیدي کابین هواپیمایی با کاربري ویژه نسبت به هواپیماي پایه، با رویکرد بهینه سازي انرژي و همچنین طراحی و انتخاب یک سیستم کمکی خنک کننده کابین هواپیما با هدف کاهش انرژي مصرفی و تأمین بار سرمایی مورد نیاز، بر اساس استانداردهاي تهویه مطبوع هوایی، کار حاضر را از تحقیقات انجام شده در زمینه آنالیز بارحرارتی متمایز نموده است.
با توجه به نوع مأموریت هواپیما، میزان بار حرارتی داخل کابین متغیر بوده و تابع شرایط پروازي می باشد. بار حرارتی کابین براي یک نوع هواپیماي خاص با کاربري خاص، به دلیل تغییراتی که درآن نسبت به هواپیماي پایه ایجاد شده، افزایش می یابد. مأموریت این نوع هواپیما، پرواز در ارتفاعات پایین (سطح دریا) و شرایط جوي با رطوبت و دماي بالا می باشد. تغییرات انجام شده شامل تغییر در تعداد مسافرین و خدمه، افزایش تجهیزات الکترو اویونیکی و تغییر در شرایط هوایی منطقه پروازي است.
در این مقاله، بارحرارتی کابین، با شرایط بحرانی پرواز در سطح دریا و دماي محیط 45 درجه سانتیگراد، آنالیز و نسبت به بار بحرانی کابین هواپیماي پایه مقایسه شده استمسلماً. بار حرارتی تولیدي توسط هواپیماي با کاربري ویژه، بایستی توسط سیستم خنک کننده آن، جبران شود. در صورت عدم تناسب مقادیر ذکر شده، پارامترهاي مؤثر در کاهش بار حرارتی کابین و کاهش انرژي مصرفی سیستم تهویه، مورد بررسی قرار می گیردنهایتاً. براي جبران گرماي موجود مازاد بر ظرفیت سیستم سرمایشی، سیستم تبرید هوایی با توجه به محدودیت هاي موجود، طراحی، انتخاب و عملکرد آن بررسی می شود.
2 آنالیز حرارتی کابین
مقدار گرماي داخل کابین هواپیما از چهار طریق ایجاد می شود.
1-2 بارحرارتی ناشی از بدن انسان
Qm حاصل جمع میزان حرارت محسوس و غیرمحسوس تولیدشده توسط افراد داخل کابین می باشد که از رابطه (1) به دست می آید.[3]
N تعداد افراد، Qse حرارت محسوس و QL حرارت غیر محسوس می باشد. تعداد افراد داخل کابین خلبان3 نفر و ماکزیمم تعداد خدمه 20 نفر بوده که از این تعداد 4 نفر در حال فعالیت می باشند ومابقی فعالیتی ندارند. حرارت محسوس، حرارتی است که از بدن به صورت تشعشع وکنوکسیون دفع می شود. این مقدار براي خدمه و مسافرین به ترتیب از روابط (2) و (3) حاصل می شود.[3]
که tC درجه حرارت کابین می باشد. حرارت غیر محسوس، مقدار حرارتی است که بدن به صورت بخار آب از خود خارج نموده و براي کلیه افراد عبارت است از:
از نمودار 1،m میزان آب تبخیر شده از بدن انسان بوده و hfg با استفاده از جدول خواص ترمودینامیکی آب، در دماي بدن 37ºC برابر با 1326(kj/kg) به دست می آید.[4]
منحنی A در حال کار کردن با رطوبت %95،
منحنی B در حال کار کردن با رطوبت %20
منحنی C در حال استراحت بارطوبت%95 ،
منحنی D در حال استراحت با رطوبت %20
منحنی E در اثر تنفس تنها در حال کار کردن با رطوبت %20
منحنی F در اثر تنفس تنها در حال کار کردن با رطوبت %95
شکل :1 مقدار آب تبخیر شده از بدن انسان در درجه حرارت هاي مختلف
طب هوانوردي میانگین رطوبت در داخل کابین را بین%30 تا%60 تعیین کرده است.[5] با توجه به شرایط بحرانی در نمودار (1)، محاسبات در رطوبت نسبی %30 انجام می گیرد.
طبق استاندارد تهویه مطبوع هوایی[5]، دماي داخل کابین هواپیما بایستی در تمامی مراحل پروازي، بین 17 تا 25 درجه سانتیگراد می باشد، از طرفی دماي سطوح داخلی کابین هواپیما باید حداکثر 50 و حداقل 5 درجه سانتیگراد است، بنابراین دماي داخل کابین 21ºC در نظر گرفته می شود. از آنجاکه هدف، محاسبه بار حرارتی بیشینه می باشد، باید حالات مختلف پروازي از نظر تولید گرما، بررسی شود، لذا محاسبات نشان می دهد بار حرارتی تولید شده در حالت سیستم تهویه مطبوع روشن، مقدار بحرانی دارد.
2-2 بار حرارتی ناشی از تشعشع خورشیدي در سطوح شفاف
Qs به گرماي تولیدي توسط تابش مستقیم تشعشع خورشید از طریق سطوح شفاف (شیشه هاي کابین خلبان و خدمه) به داخل کابین گفته می شود.[3]
که در آن ضریب عبور شیشه، Gs شدت تابش ورودي و AP مساحت تصویر شده شیشه می باشد. جدول 1 موقعیت، نوع، ضخامت، مساحت و ضریب عبور شیشه کابین را نشان می دهد.[6]
براي محاسبه ماکزیمم بار حرارتی، مساحت تصویر شده شیشه، در جهت عمود بر تابش خورشید در نظر گرفته می شود زیرا بالاترین انرژي خورشیدي برخوردکننده به سطح، در حالت برخورد اشعه ها به طور مستقیم و عمود به سطح تولید می شود. همچنین شدت تابش ورودي در سطح دریا برابر با (W/m2) 9.8 و زاویه برخورد اشعه خورشید 27º است.[3] با توجه اینکه موقعیت خورشید براي کابین خلبان در جلوي هواپیما و براي کابین خدمه در کنار هواپیما می باشد، بنابراین تمام سطح شیشه کابین خلبان، در معرض تشعشع خورشیدي و فقط یک طرف از پنجره هاي کابین خدمه، در معرض تشعشع خورشیدي قرار می گیرد.
3-2 بار حرارتی انتقال یافته از محیط خارج به داخل کابین
QO گرماي انتقال یافته از خارج به داخل کابین است که توسط بدنه هواپیما و به شیوه انتقال حرارت هدایتی، جابهجایی و تشعشع صورت می گیرد که در رابطه (6) آورده شده است.[3]
حاصلضرب مساحت در ضریب انتقال حرارت کلی، T دماي محیط، TC دماي کابین می باشد. ضریب انتقال حرارت کلی ناشی از انتقال حرارت از اجسام شفاف (شیشه)، انتقال حرارت از سراسر دیواره و انتقال حرارت از کف (UA)Floor است (رابطه .[6] ((7)
حاصلضرب مساحت درضریب کلی انتقال حرارت شیشه در رابطه (8) نشان داده شده است.[6]
Rtr مقاومت هدایت حرارتی شیشه، Atr سطح شیشه، hi و ho ضریب انتقال حرارت جابجایی داخل و خارج کابین و k ضریب هدایت حرارتی شیشه است.
طبق استاندارد تهویه مطبوع هوایی[5]، ماکزیمم دماي هواي محیط در سطح دریا، نباید کمتر از 38 درجه سانتیگراد باشد بنابراین با توجه به شرایط آب و هوایی، درجه حرارت بحرانی محیط 45ºC و محاسبات براي شرایط پروازي در سطح دریا انجام می گیرد. همچنین از این استاندارد،سرعت حرکت هواي داخل کابین در حالت آسایش و نرمال در داخل کابین، حداکثر 0.4 m/s می باشد.
با توجه به شکل 2 در شرایط پروازي سطح دریا ودر نظر گرفتن ماکزیمم سرعت هواي داخل کابین، ضریب انتقال حرارت جابه جایی داخل کابین برابر با 0.3 W/m2.k به دست می آید.[6]
