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[21空调] 热量阶梯与通风形态:理解设备冷却系统的两个关键点

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发表于 2020-3-15 10:16:18 | 显示全部楼层 |阅读模式
关键词:热量阶梯、通风形态、开环、闭环

摘要:本文简要介绍航电设备的基本概念,并借助“热量阶梯”和“通风形态”的概念来帮助理解B737NG和A320的设备冷却系统。

1.jpg
▲ A320电子舱一隅

01 航电设备的基本概念



什么是飞机的计算机?什么是航电设备舱?

A320飞机,诞生于1980年代,它是电子工业时代航空器的杰出代表。从它的雷达罩后方,到驾驶舱下方,一直到与登机门后边缘平齐的横剖面,在货舱以前的部分,以客舱地板为界,在地板以下,在一个大约4m×3m×1.5m的密闭空间里,安装着各种航电设备。

这些航电设备,在民航工业的术语里,大部分属于“计算机”(computer)。与日常用语里的计算机相比,相同之处在于——有输入(来自其他设备、计算机和传感器等各类“输入设备”)、有计算(封装在金属盒子里的逻辑芯片)、有输出(给其他设备、计算机和显示器等各类“输出设备”)。

我们界定一些部件是否构成一个飞机系统,可以考虑它是否有一个可以作为核心的计算机,考虑输入信号是如何被处理的,又如何转换为各类输出信号。反之,对于一个计算机,找到了它的输入设备和输出设备,就能确定出一个飞机系统。这个思路有利于我们更好地理解飞机。

这些计算机和它们的输入设备、输出设备相对分离。例如对于空调系统的核心计算机ACSC位于航电设备舱内,而它的输入和输出设备主要在空调舱和驾驶舱。因此,这些计算机相当于我们日常概念的“主机”。航电设备舱,集中了各个飞机系统的计算机,它是空中的“主机房”。

输入设备和输出设备,可以是其他计算机(主要仍然是集中在电子舱),也可以是分布于飞机全身各处的传感器和机械部件,最后是集中在驾驶舱里的“人机交互设备”,例如方向盘、控制面板、显示器。

飞机的计算机主机需要冷却,而人机交互设备中电子化程度高的显示器、控制面板,同样需要冷却。因此,A320的前辈B737,其航电设备冷却系统(equipment cooling)既为航电设备舱、也为驾驶舱的设备进行冷却。后来者A320也是这两个区域。

2.jpg
▲ A320设备通风区域:驾驶舱和航电设备舱

02 设备冷却的特点



A320飞机使用“设备通风”(equipment ventilation)一词来表示“设备冷却”,词根“vent”含有“新旧空气更替”的意思。家庭或办公用的台式计算机,主机箱里通常有呼呼作响的风扇,正是利用新旧空气更替来对电子设备进行冷却的一个日常案例。

B737NG和A320的航电设备系统,也使用风扇。但并不是在每个计算机里安装风扇,而是在设备舱里固定的位置上安装风扇,集中地提供和排出冷却空气。一旦飞机接入了交流电,这些风扇就开始工作。

除了使用风扇来驱动用于冷却的空气,A320还在某些情况下引入空调管路中的空气来增强冷却效果。而一些散热需求更大的飞机,例如A330,在地面阶段也使用类似于家庭空调的“蒸发冷却循环”技术(地面制冷组件GRU)。无论是借助于风扇、空调还是GRU,不同的航电设备冷却方案都有空气冷却、集中通风这两个特点。

回到日常生活中,一些顶级游戏玩家为了给大功率的主机进行冷却,还使用水作为冷却介质(水冷系统)。但是对于航空航电设备,使用空气就足够了。空气冷却技术原理简单,易于实现、便于维护,也更为安全。

3.jpg
▲ 顶级机箱使用水冷系统

03 热量阶梯与通风形态



由于使用空气作为冷却介质,便可以引入“热量阶梯”的概念来帮助理解设备冷却。而集中通风,则区分出多种“通风形态”。

正如水往低处流,热量也总是自发地从“高”的地方转移到“低”的地方。在“热量阶梯”中位置最高的第一阶梯,当然是航电设备本身。电流在芯片、二极管、电阻等电子元件中有着极为密集的微观粒子运动,因而大量发热。

而流过设备的空气,即使是被电子元件加热了,其温度也总是低于设备本身,这是热力学第二定律所限制的。因此受热空气位于第二阶梯。

对于B737NG来说,热量接下来有两个去处。在地面,受热空气通过机外排气活门(OEV)直接排向机外,因此,机外空气是第三阶梯。在空中,OEV是关闭的,受热空气流向前货舱,为前货舱加热,并通过左侧再循环风扇将这些空气回收到混合总管,最后重新成为客舱空气。

如果借用A320的概念,在地面时电子设备的通风形态是“开环”的,而在空中则是“闭环”的。

4.jpg
▲ 箭头分别标出了电子舱门和OEV排气口。OEV排气口是冬季地面取暖的好地方

A320的计算机数量大大增加了,因而冷却方案也复杂了。在B737方案的基础上,它增加了“飞机蒙皮”这一阶梯,其主要部件“蒙皮空气热交换器”是由一系列拼接在一起的面板与机身蒙皮共同构成的气流管道。当机外温度足够低,第二阶梯的受热空气被风扇驱动,通过“蒙皮空气热交换器”,将热量传给蒙皮(第三阶梯),而受热了的蒙皮又将热量传递给机外空气(第四阶梯)。四个阶梯,是A320设备冷却的方案。

5.png
▲ A320的蒙皮空气热交换器

A320的第三阶梯有时会被旁通,这与蒙皮的冷却效率有关。在万米高空,蒙皮的温度可以低到-40℃,而机身表面也有充分的对流空气,此时第三阶梯的效率是很好的。第二阶梯的受热空气经过蒙皮充分冷却以后,又回到起点再次用于设备冷却。这便是闭环通风形态。

但是回到地面以后,蒙皮温度上升了,机身表面也没有了对流空气,第三阶梯的效率大为降低。当机外温度升高到12℃以上时,航电设备通风计算机(AEVC)将会关闭蒙皮热交换器隔离活门,使蒙皮不参与设备冷却;同时打开蒙皮空气进气口和出气口,此时第二阶梯的空气直来自机外,也排向机外。这便是开环通风形态。

蒙皮是否参与设备冷却,是“闭环形态”和“开环形态”这两者的本质区别。

6.jpg
▲ 在12℃以上时,A320的蒙皮空气出口同样也是地面取暖的好地方

7.jpg
▲ 开环、闭环与过渡形态

以下表格概括了两个机型的差异。



B737NGA320
热量阶梯第一阶梯航电设备航电设备
第二阶梯受热空气受热空气
第三阶梯机外空气(仅地面;排气)蒙皮(空中或地面低温时)
第四阶梯
机外空气(换热或排气)
通风形态闭环来自驾驶舱,排向前货舱(空中),回到客舱通过蒙皮空气热交换器,在设备舱中循环
开环来自驾驶舱,排出机外(地面)来自机外,不进入蒙皮空气热交换器,排向机外
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 楼主| 发表于 2020-3-15 10:21:50 | 显示全部楼层
补充讨论:
并非每一个计算机都位于航电设备舱内,正如并非每个神经中枢都在头部。问题来了:这幅图片展示了什么机型的什么部件上的什么计算机?为什么说它是计算机?它是怎么冷却的?还有其他“另类”的计算机吗?
8.jpg
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发表于 2020-3-15 11:32:29 来自手机 | 显示全部楼层
用温度梯度来替代热量阶梯会或许会更直观点,毕竟温度可以更直观感受
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 楼主| 发表于 2020-3-15 11:37:14 来自手机 | 显示全部楼层
神坑 发表于 2020-03-15 11:32
用温度梯度来替代热量阶梯会或许会更直观点,毕竟温度可以更直观感受

写草稿的时候也是用了“温度阶梯”,后来想到热量的流动,为了前后用词的一致性,就改过来啦。哈哈,多谢,我会再考虑考虑
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发表于 2020-3-15 15:22:42 来自手机 | 显示全部楼层
楼主写的挺好,美中不足的是没写320设备冷却还有一种模式,当飞机的蒙皮热交换器效率降低后,AEVC控制打开空调进气活门和蒙皮热交换器出口旁通活门,再利用进口旁通活门把多余气体排除
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 楼主| 发表于 2020-3-15 16:37:39 | 显示全部楼层
hzm32 发表于 2020-3-15 15:22
楼主写的挺好,美中不足的是没写320设备冷却还有一种模式,当飞机的蒙皮热交换器效率降低后,AEVC控制打开 ...

对的,但是其实A320一共有8种通风形态。文章没有提到,但是计划中还要专门写A320的通风形态
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 楼主| 发表于 2020-3-15 16:39:04 | 显示全部楼层
继续补充:
前边的文章写设备冷却的两个特点:空气冷却、集中通风。但这是“一般而言”。即使是位于设备舱里的某些计算机,例如B737NG的雷达,就有独立的冷却风扇。雷达为什么会需要独立的冷却风扇?和功率有关系吗?和它的位置有关系吗?可以思考。A320的也这样吗?
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 楼主| 发表于 2020-3-16 00:45:27 来自手机 | 显示全部楼层
hzm32 发表于 2020-03-15 15:22
楼主写的挺好,美中不足的是没写320设备冷却还有一种模式,当飞机的蒙皮热交换器效率降低后,AEVC控制打开空调进气活门和蒙皮热交换器出口旁通活门,再利用进口旁通活门把多余气体排除

关于“多余气体”。进口旁通活门那部分气通常是用来给前货舱加温的。另外,当蒙皮热交换器效率下降,按说应该也关闭蒙皮热交换器的隔离活门。

我想了解,这个模式有手册依据吗?一下子没找到
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发表于 2020-3-17 12:05:56 来自手机 | 显示全部楼层
HelloSky 发表于 2020-03-16 00:45
关于“多余气体”。进口旁通活门那部分气通常是用来给前货舱加温的。另外,当蒙皮热交换器效率下降,按说应该也关闭蒙皮热交换器的隔离活门。

我想了解,这个模式有手册依据吗?一下子没找到

进口旁通活门出来的气不是给货舱加温的,是直接排到货舱地板以下的非增压区
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发表于 2020-3-17 12:21:43 来自手机 | 显示全部楼层
HelloSky 发表于 2020-03-15 16:37
对的,但是其实A320一共有8种通风形态。文章没有提到,但是计划中还要专门写A320的通风形态

你说的8种能详细说说么?或者给个手册章节号
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 楼主| 发表于 2020-3-17 16:52:43 | 显示全部楼层
hzm32 发表于 2020-3-17 12:05
进口旁通活门出来的气不是给货舱加温的,是直接排到货舱地板以下的非增压区 ...

The function of the valve is to discharge the excess ventilation air to the underfloor area.
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手册确实有这个话,但配平空气也可以混入,然后从这个活门一起进入前货舱,由计算机控制货舱加温。配平空气的开关和温度选择电门在驾驶舱。另外,既然已经和设备通风的增压空气连接,应该是增压区了。




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 楼主| 发表于 2020-3-17 16:54:29 | 显示全部楼层
hzm32 发表于 2020-3-17 12:21
你说的8种能详细说说么?或者给个手册章节号




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Figure 21-26-00-27900-00-C / SHEET 1/1 - Avionics Equipment Ventilation - Operation Table



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