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基于湿空气理论和焓湿图原理分析飞行器内空气处理过程
任海杰
（哈尔滨工业大学能源学院能源与动力工程专业，学号1140240532；
手机号：182 4501 9409，E-mail：838847129@）

摘要：本文基于湿空气理论和焓湿图对飞行器内的空气处理过程进行简单的分析。文中会详细讨论飞行器内空气处理过程中的因素，如空气温度和空气湿度等。湿度控制与温度控制密切相关。相对湿度本身就是温度的函数；湿度控制系统产生的余热要通过温控系统排出，湿度控制系统所需要的冷却剂也要由温控系统提供；所以，在设计湿度控制系统时必须与温控系统综合考虑，才能获得满意的效果。
关键词：飞行器，空气处理座舱，空气温度，空气湿度

一． 引 言
就飞行器的研究而言，其中一个极为重要的部分便是保证机内人员的舒适性。飞行器座舱内空气的流动及传热特性研究是飞行器环境控制系统(Environmental Control System，简称ECS)一个重要的研究领域，涉及的范围非常广泛，包括吃行器空气调节系统、人体热舒适性、改善空气品质、合理利用能源以及降低气流噪动等多个研究方向。将座舱内空气的温度、湿度、速度、压力和洁净度保持在允许的范围内，是保证人体舒适性以及机载电了仪器、设备正常工作的必要条件。可以说影响座舱舒适性的因素很多，其中热舒适性是目前急迫要解决的问题之一。因此在飞行器的空气处理过程，空气温度和湿度的处理显得十分重要。故通过建立简化模型，利用CFD软件，可计算得到不同情况下座舱内的空气热力学特性参数(如平均温度、平均速度、舱壁平均对流换热系数和舱壁传热量等)。
二．系统原理或工作原理
1.焓湿图原理
工程中常采用根据湿空气状态参数问的关系绘制成的焓湿图来表征空气状态，分析其热力过程，空气处理过程中的调节方式以及过程中的能量交换可以在焓湿图上表示。焓湿图是在一定大气压力Pb下，以湿空气的焓与含湿量的计算公式为基础，以lkg干空气组成的湿空气为基准，分别以温度t和含湿量d为纵、横坐标绘制而成的，湿空气的主要状态参数如含湿量d,烩h，干球温度t，相对湿度等诸多状态参数都集中显示在该图之中。
利用该图，不仅可以查状态点的参数，还可以用过程线将多种空气处理过程直观表示出来。但是长期以来，无论是在教学、科研还是工程实践中，大部分学生、教师和工程技术人员都采用手工查图方式，在计算机中利用辅助设计软件生成焓湿图，经查表后得出状态参数，然后在焓湿图上标注状态点并连线，以体现各种复杂多变的空气处理过程。
2. 飞行器空气处理中的因素
正如前文所讲，飞行器中的空气处理对飞行器而言至关重要。下面讲考虑飞行器空气处理的主要因素，如空气温度和湿度等。
空气温度指的是室内环境的干球温度，它直接影响人体与环境之问的对流换热和辐射换热，被认为是影响人体热舒适度的主要因素P. O. Fanger教授认为，气流速度从两方面影响着人体与环境之问的换热:一方面，它通过影响人体表面与空气的对流换热系数来影响人体与环境之问的对流换热量;另一方面通过影响空气的蒸发能力，影响人体的蒸发散热量。 空气相对湿度对热舒适的影响与空气温度有关。
人体处于热舒适状态时，皮肤干燥，人体的蒸发散热率只与汗液分泌率有关，与空气相对湿度无关;空气温度较高时，相对湿度就成为人体热舒适性的主要影响因素。通常认为，空气相对湿度处于30%~70%范围内时，对热舒适度的影响很小，可以忽略不计。近年来，国外的学者对空气相对湿度进行了进一步研究。比如，在ASHRAE规定的舒适区范围内(空气温度为 240℃~260℃)，确定湿度的上限。此外还研究了热湿环境下人体对空气湿度的感觉、吹风感以及热感觉、热舒适感觉，给出了高温高湿环境下的人体热反应规律，提出了一个可用来预测热湿环境下人体热舒适度的数学模型。
对飞行器内的空气处理，可类比空调房间的气流组织。即主要指的是采用合适的送风口和回风口形式、位置、数量、规格以及送(回)风量、温度、速度等，使工作区内的空气温度、速度、湿度、洁净度等能够满足工艺要求和人们对于热舒适感的要求。气流组织主要通过气流温度场和速度场来影响人体的热舒适感。对气流组织好坏评价的指标有多种，如空气分布特性指标、温度不均匀系数、速度不均匀系数、投入能量利用系数、符合给定条件测定比例数等。对气流组织性能的评价不仅要考虑工作区内气流形成的温度场、速度场能否满足人体舒适性和卫生要求，还要考虑能否消除余热、降低建筑物能耗。
三．飞行器座舱热载荷计算
座舱热载荷指的是座舱内空气温度、湿度恒定时，单位时问内传入(或传出)的净热量。
它是对座舱空气流动和传热进行数值模拟时重要的边界条件，其计算准确度直接影响到飞行器空气调节系统设计的合理性及其他性能，是保证飞行员舒适性、确保飞行安全的一个重要方面。
在不同的工作条件下，座舱热载荷的大小不同，需从舱内人员舒适性、飞行器质量及性能代偿损失和经济安全性等多方面进行考察并合理确定。目前，一般都以某种稳定状态下的座舱热载荷作为确定环境控制系统容量大小的依据，这对于速度和高度变化不大、巡航时间较长的飞机来说比较合理。所谓的稳态热载荷，是指座舱与环境之间的各种换热过程均处于稳定状态时，座舱空气所获得的净热流。在稳定状态下，整个座舱在热传递过程中温度场及各种热流均不随时问变化，并且座舱热载荷与环境控制系统的制冷载荷相平衡。
座舱热载荷由结构热载荷与附加热载荷两部分组成。座舱结构热载荷指的是通过座舱结构的热流，主要包括通过座舱外壁的热流、通过座舱隔舱壁的热流、通过透明表面的太阳辐射热流以及座舱壁内表面之间的辐射热流等;附加热载荷是舱内附加热源或座舱空气泄漏产生的热流，主要包括成员所散发的热流、舱内电了电气设备所散发的热流、防冰装置带给座舱的热流、座舱空气泄漏所带走的热流等。

①前隔舱壁;②防弹钢板;③前风挡防弹玻璃;④侧风挡玻璃;⑤舱盖框架;⑥舱盖玻璃;⑦后隔舱壁;⑧外气流侧壁;⑨进气道侧壁;
图3.1 座舱结构示意图
其中蒙皮与座舱问的传热，主要以热传导方式进行。由于座舱壁结构复杂、存在多个热流通路、内壁与舱内空气的对流传热难以确定等原因，需对实际情况进行简化处理[}s y。机身的舱壁厚度相对于外壁的曲率半径来说非常小，一般将座舱外壁简化成平壁处理。按平壁一维稳态传热方程，座舱外壁热载荷的计算公式可写成如下形式：

四．飞行器内湿度的选择
载人飞行器对湿度的要求特别严格，因为舱内易于产生大量的余湿。据估计，每个乘
员每天蒸发到环境中的水份约为一公斤。在座舱内的气体循环中，必须排除这部分水份，
否则将形成过高的相对湿度。
载人飞行器座舱的湿度选择与温度、风速综合考虑。共所周知，人体是通过传导、对
流、辐射和汗液排泄，以及肺表面水份的蒸发等方式向周围环境散热的。在高温下，通过
传导和对流的散热量下降，而汗液蒸发量却在增加，这便弥补了传导和对流散热量的减小，
维持了热平衡。但是，由于相对湿度的增高，使得空气中水汽压升高，人体的水份蒸发量
减少，使人身感闷热。相反，在这种情况下，如果相对湿度较小，汗液可能大量蒸发，乘员

便会身感舒适爽快。在低温条件下，相对湿度的增大，空气中水份增多，导热系数加大，
人就感到寒冷。空气的流速也会影响散热。流速增大，一方面提高了对流散热量，另一方
面也会使汗液加快蒸发。
综上所述，.人体只有处于一定温度、湿度和风速条件下，体温的调节机能方能正常维
持，乘员才感到舒适，图4.1给出了乘员在空间环境中的舒适区。由图可以看到，风速越高，允许的温度和湿度亦随之提高。应强调指出，在空间失重环境下，自然对流消失，故地面的舒适图与空间的舒适图是不同的，两者不能混淆。

图4.1 温度与湿度的舒适区
4.1飞行器内湿度的控制方法
飞行器的湿度控制可分为主动式和被动式两类。主动式包括吸湿剂控制和冷却剂一冷
凝器控制(降温除湿)两种方法。被动式湿度控制是用某些盐类的饱和水溶液或其它物质
自动控制空气中的湿度。
吸湿剂分为吸收剂和吸附剂两种。吸收剂是依靠化学反应吸收水汽，如氯化钙，二氯
化锉、五氧化二磷等都是常见的吸收剂。吸附剂则是根据物理吸附作用吸收水汽。常用的
吸附剂有硅胶、分子筛和铝胶。
利用吸附剂除湿比利用吸收剂具有更多的优点。吸附剂不产生化学反应，因而吸湿后放出的热量近似地等于水的汽化热。吸附剂也不具备潮解、腐蚀等讨厌的特性，也没有危险性。硅胶是常用的吸附剂，比较易于再生，再生温度约为150℃，即使在真空条件下，也可以部分地再生。鉴于上述各项优点，在空间工程中一般都采用吸附剂除湿。利用吸附剂控制湿度的装置可以分为再生式系统和非再生式系统。
如果飞行时间很短，或者飞行器排出的余湿较少，可采用非再生式系统比较合适。座舱内的湿空气流过吸附剂除去多余的水分，再进入循环。这种系统不需要阀门，加热回路或冷却剂，同时系统的重量轻，工作可靠。
如果飞行时间比较长，或排湿量较大，采用非再生系统重量就会太大。此时，应采用
再生式系统。舱内湿空气流过吸湿筒除去多余的水分;此时另一硅胶吸湿筒的电加热器通电加热，使硅胶再生。两个吸湿筒交替工作和再生，使空气循环能连续进行。相对湿度探头测得的湿度信号馈入流量控制器，后者再通过流量控制阀将流量控制在适当范围，以保持相应的湿度要求。
对于余湿很小或不排出余湿的飞行器，例如带有照相机系统的飞行器，可采用被动式
湿度控制系统。照相系统虽然不排出余湿，但是要求在相当宽的温度范围内，能使相对湿
度维持在一个比较小的变化区间内。前已述及，硅胶上方湿空气的相对湿度近似地只取决
于硅胶本身的含湿量。应用这个原理，只要把硅胶的含湿量控制在适当数值之内，其附近
空气的相对湿度就会自动控制在很小范围内，而不受温度变化的影响。
五．结论与展望
湿度控制与温度控制密切相关。相对湿度本身就是温度的函数；湿度控制系统产生的余热要通过温控系统排出，湿度控制系统所需要的冷却剂也要由温控系统提供；所以，在设计湿度控制系统时必须与温控系统综合考虑，才能获得满意的效果。随着科技的发展，飞行器内空气的处理会变得越来越成熟，乘员的舒适度会得到更大的改善。

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