如何选择快速加热透析液专用设备
王瀚艺
【摘 要】飞机除冰液换热器是实现飞机除冰作业的主要设备之一，换热器的换热效果直接决定了飞机除冰的效率。根据飞机除冰作业标准要求，对一种新型飞机除冰液快速燃油换热器进行了详细的分析，对换热管内的除冰液的加热过程进行了传热分析，计算出了在满足换热器各个参数基础上除冰液从换热管出水口流出时的温度，其次根据计算结果阐述了该设备的优缺点以及改良的可能性。在此基础上，对已经设计出的换热器进行了尺寸上的改良，减少了换热管的半径尺寸，计算出了设备最优尺寸，并分析了该改良方案的可行性。
【关键词】飞机除冰液；换热器的优化；传热学分析；改良可行性
【Abstract】Aircraft deicing fluid heater is one of the most important devices for deicing operation. According to the requirement of aircraft deicing operation standard， a new type of aircraft deicing fluid heater is talked by detail. The transfer process of the deicing fluids heating in the tube is analyzed. The temperature of the deicing fluid at the exit of the tube with original parameters is calculated. The numerical analysis， the advantage and disadvantage of the device are included in this paper. Whats more， some optimization is offered to make this device better by changing the radius of the heat exchange tube. The best size of the tube is calculated， and the practicability of the optimization is also talked.
【Key words】Aircraft Deicing Fluid； Heat exchanger； Thermodynamic Analysis； Possibility of optimization
0 前言
冬季由于溫度低的特点，尤其是在北方机场，路面以及飞机的表面很容易产生结冰，而积冰、积雪、积霜等会对飞行安全构成严重的隐患，不仅如此，地面结冰还可能会导致航班延误，降低飞行效率[1]。因此，在飞机起飞之前必须要对飞机表面进行除冰处理。目前航空公司大多采用即热式除冰液加热方法进行飞机除冰[2]，从启动加热到除冰液所需温度的时间只需要90秒。国内外学者大多对飞机空中除冰进行研究，主要研究的内容和方法有飞机空中积冰机理、空中除冰理论分析和数值模拟方法等。Farooq Saeed[3]研究了热气除冰的数学模型，给出了热气温度、流速和喷嘴的形状的优化参数。易贤[4]等基于Messingner的热质平衡二维积冰模型，提出了一种考虑液态水溢流效应的三维结冰计算模型，并进行了相应的数值模拟和计算。本文主要对飞机地面除冰过程进行了研究，描述了除冰液在地面换热器内加热的详细过程，基于传热学基本知识，对该过程进行了详细分析。同时改良了换热器，阐述了改良后的可行性。
1 数值计算
本文主要分析除冰液在快速加热系统中流动，并在规定时间内加热到规定温度的传热学过程。所涉及到的公式推导如下所示。
1.1 热传导换热：
2.3 对水加热换热
燃烧室产生的热量最主要的目的是对换热管中的水进行加热，其加热的过程主要满足如下公式：
3 换热器的传热分析及改良
研究主体为国内近期设计出的某型飞机除冰液快速换热器，其能将除冰液从5摄氏度提升到70摄氏度，并保证加热时间小于90秒。换热器结构如图1所示。其中，燃烧器选用的是德国百利公司BT180柴油燃烧器，每秒输出的有效热量为515Kcal。换热管采用的是多排壁厚3mm的310S无缝不锈钢管结构，换热面积为2.167m2，外径为20mm，整个炉壁是一个直径为550mm，高为1290mm的圆柱体。出水口的出水流量为230L/min，水的初始温度为5℃。水在管中不停地流动，同时伴随着燃烧器内燃烧0号柴油的燃烧进行持续加热，最终从换热管出水口流出进而对飞机进行地面除冰作业。整个飞机除冰液在换热器内的加热过程应该满足飞机除冰作业标准的要求。即在冬季飞机除冰过程中，将除冰液从5℃提升到70℃的加热时间需要小于90秒。
3.1 换热器的传热分析
零号柴油在燃烧室内燃烧90秒内产生的总热量一共有三个去向。第一个去向，在不考虑燃烧室内换热管对流换热的情况下对换热管进行热传导，这使得换热管内壁温度升高。第二个去向，热量对换热管内除冰液进行加热，这是实验的最终目的，除冰液温度升高，使其达到所需要求。第三个去向是火焰向外辐射使得炉膛外部温度升高，这一部分是实验不需要的，属于无用功。
经过计算可以得到，90秒内燃烧室通过燃烧零号柴油所产生的总热量Q为4.28×108J，对换热器热传导所消耗的热量Q1为4.25×108J，火焰向外热辐射所消耗的热量Q3为1.47×106J，90秒内对除冰液加热所产生的热量Q2为1.63×106J，所对应的除冰液的末态温度为106.3℃。
从得到的计算结果可以看出，除冰液的末态温度已经超过了规定的出水口温度70，因此该除冰液换热器是符合要求的。该结果进一步也说明按照原参数设计出来的换热器对于预期要求有一定富余，同时，温度为106情况下液体已经开始沸腾，沸腾的同时产生气泡，而过多堆积的气泡则有可能将换热器中的换热管堵塞住，使得液体（除冰液）不能正常的由入水口流入到出水口，进而就不能顺利的对飞机进行除冰，这样反而会影响除冰进程。因此，对原有的换热器进行优化是很有必要的。
3.2 换热器尺寸优化
对于换热器的优化，本文主要考虑改变换热器的口径尺寸，根据要求，换热器需要在90秒内将换热管内的除冰液从5℃加热到70℃。根据推导的公式可以得到，在90秒内刚好从5℃加热到70℃情况下，对换热管热传导所消耗的热流则是关于半径R的表达：
经过计算可以得到：
90秒内燃烧室通过燃烧零号柴油所产生的总热量Q为4.28×108J，对换热器热传导所消耗的热量Q1'为4.26×108J，对除冰液加热所消耗的热量Q2'为1.05×106J，火焰向外热辐射所消耗的热量Q3'为1.47×106J，在这种情况下优化后的换热钢管半径变为9.56毫米。
从所得出的数据来看，在90秒内，经过零号柴油燃烧释放出热量，液体由最初的5度加热到70摄氏度，已经达到了预想的要求，而钢管半径相较于最初设定变得更小，节省了炉膛的空间及原材料，这样就减少了生产成本，从而也达到了优化的效果。
4 结论
本文主要对飞机除冰液的快速加熱过程进行了传热学的分析，并对换热器进行了一定程度的改良，现总结如下：
（1）以某型飞机除冰液快速换热器为基础，对除冰液从进水口到出水口于90秒内加热的整个过程进行了传热学分析，并且得出了相对应的除冰液在出水口时的温度。经过计算发现按照原参数进行加热，90秒后除冰液温度已经达到沸点，真实情况是除冰液沸腾，进而阻塞换热管，影响水从入水口到出水口的进程，使得除冰的效果不理想，所以需要改良。
（2）对该飞机除冰液快速换热器进行了改良，改变了其换热管半径长度，使其达到加热要求，并达到节约材料、节约成本的目的。减小换热管的半径，这一点容易实现，改良方法是可行的。
（3）飞机除冰液快速换热器的改良不仅只有改变半径的方法，还可以考虑改变换热管排列方式、改变炉膛壁材料以减少热量向外界的辐射等。
【参考文献】
[1]陈斌，王立文.飞机除冰液底面除冰过程模型仿真与实验.系统仿真学报.2012，3：556-560.
[2]王国庆，孙毅刚.即热式飞机除冰车除冰液快速加热系统研制.航空维修与工程，2004，5：37-39.
[3]Farooq saeed， Ion paraschivoiuy. The optimization Result of the Hot-air Based Anti-Icing System . AIAA 2003-0733， Reno， USA， USA： AIAA，2003.
[4]易贤，桂业伟，等.飞机三维积冰模型及其数值求解方法.航空学报.2010，31（11）：2152-2158.
[5]邢志伟，王立文.飞机整体集中除冰系统.中国：ZL200710058190.2.2009-05-20.
[6]孙帅，邢志伟，等.飞机除冰液快速换热器设计.中国：TH457，2006.
[7]Pascal B. Transfert de chaleur. Paris： ISAE，2011.
[责任编辑：朱丽娜]
