同樣是空調，大飛機上的和你家的不一樣
1、飛機上為什么需要空調
空調系統是飛機上特別是大型民用飛機上一個(gè)非常重要的系統。飛機在平流層飛行，應用海拔氣壓修正計算經(jīng)驗公式：
計算飛機在10000米海拔高度下的氣壓為26.43kpa。
對于溫度，一般來(lái)說(shuō)海拔每升高100米，溫度降低0.6攝氏度，假設地面溫度20攝氏度，那么在10000米的高度下其溫度約為零下40攝氏度也就是-40℃。
高海拔的山常年積雪
在這種海拔高度下其氣壓和溫度都很難保證人類(lèi)的生存。
為此，飛機空調系統被設計出來(lái)為了給乘客，機組，設備提供適宜的壓力和溫度，以保證各項工作的正常運行。
空調系統的功能表述
對于一般客機來(lái)說(shuō)，其客艙一般是保持在一定海拔高度的壓力的，這個(gè)高度一般小于8000ft，即使實(shí)際飛行高度在30000ft，其客艙氣壓也是小于8000ft的。
若是由于某種原因造成客艙壓力降低，氧氣面罩就會(huì )自動(dòng)脫落，供給一定時(shí)間的氧氣以供飛機下降到合適的高度。所以，當你看到氧氣面罩掉落的時(shí)候，請第一時(shí)間帶上它。
2、
飛機上的空調形式
一般的小型飛機是沒(méi)有空調的，當然某些型號的直升機（直升機其實(shí)不是飛機）會(huì )有與汽車(chē)空調相似的壓縮機提供制冷功能。
對于現代大型客機，由于其巡航海拔很高，因此其外界具有很低的環(huán)境溫度，而且其渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機可提供足夠的氣源。
因此在地面上看起來(lái)效率低，能耗大的空氣循環(huán)制冷在大型飛機上得到了很好的應用。
對于飛機的空調系統，利用發(fā)動(dòng)機引出來(lái)的高壓空氣做動(dòng)力源，同時(shí)使用外界低溫空氣做冷卻介質(zhì)，只需增加有限的透平膨脹機構和附屬設備，就可以最小化的實(shí)現飛機的環(huán)境控制。
（透平：又稱(chēng)渦輪，為流體介質(zhì)中蘊有的能量轉換成機械功的機器）
下面僅以目前常見(jiàn)的波音737-800型飛機空調部分做例子，簡(jiǎn)要的，定性的分析飛機空調系統的制冷方式。
B737-800空調氣路圖
準確的說(shuō)，飛機上的空調是將發(fā)動(dòng)機引出的熱空氣轉換成冷空氣，然后制造出的冷空氣再與發(fā)動(dòng)機引出的熱空氣在一個(gè)叫mix manifold的地方進(jìn)行比例混合，從而形成可用的空調氣。
一架飛機有兩臺發(fā)動(dòng)機，因而也就有兩套空調設備，二者基本對稱(chēng)，下面僅以右側為例。
圖中通過(guò)顏色標識出了空氣在氣路中的溫度，紅色代表高溫，深藍色代表低溫，淺藍色，則是溫度在兩者之間，但仍屬于冷空氣范疇。
發(fā)動(dòng)機引出的高溫氣體經(jīng)過(guò)一個(gè)S彎，又一個(gè)S彎，溫度有了明顯的降低，這兩個(gè)S彎是空調PACK中的兩級熱交換器。
其中兩級熱交換器之間空氣會(huì )被壓縮一次，這也是為什么第二級熱交換器進(jìn)口溫度會(huì )高一些的原因。這里空氣是被ACM的壓氣機壓縮的，具體過(guò)程下面原理中會(huì )講到。
熱交換器
經(jīng)過(guò)熱交換器的熱空氣與外界環(huán)境中的空氣進(jìn)行熱交換，其過(guò)程是外界空氣通過(guò)機腹的沖壓空氣通道進(jìn)入熱交換器冷路通道。
也就是圖中方形口上有很多散熱片的地方，帶走通過(guò)熱路通道熱空氣的熱量，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是用空氣冷卻空氣，二者不相互接觸。
沖壓空氣口位置B737-800
然后，經(jīng)過(guò)熱交換器的空氣，沿著(zhù)管路繼續往左走，經(jīng)過(guò)一個(gè)由下往上走的叫做“再加熱器”的S型彎管設備。
從“再加熱器”出來(lái)后，繼續往上走，再次進(jìn)入一個(gè)S型彎管的設備，這個(gè)叫做“冷凝器”。
從“冷凝器”出口出來(lái)的氣體分為兩路，再次橫向進(jìn)入下方的S型彎管設備“再加熱器”。冷凝器和再加熱器目的是為干燥空氣，避免空氣中水汽結冰而損壞系統。
這個(gè)時(shí)候，在“再加熱器”中的縱向與橫向的兩股氣流，實(shí)際上是有溫差的。從顏色上可以看出，縱向的氣流溫度要高于橫向的氣流。因此，“再加熱器”的再加熱就是指對橫向進(jìn)入的氣流進(jìn)行溫度的提升，為下一步進(jìn)入一個(gè)叫做ACM的設備做準備。
ACM叫做空氣循環(huán)機，737-800飛機的ACM是3輪結構，有壓氣機渦輪，透平渦輪和風(fēng)扇輪組成。
ACM的主要部件
經(jīng)過(guò)再加熱的氣流向右進(jìn)入ACM的透平渦輪中，此時(shí)空氣對透平渦輪做功，該過(guò)程是定熵膨脹的過(guò)程，因此空氣溫度會(huì )急劇降低。從圖中可以明顯看出，氣體的顏色變化顯著(zhù)。
溫度很低的空氣，橫向流進(jìn)位于圖中上部的S型彎管設備—冷凝器。這時(shí)，低溫空氣充當冷媒，對縱向流經(jīng)的氣流經(jīng)行冷卻。
目的就是使空氣中的水分析出，使得后續橫向進(jìn)入“再加熱器”的氣流是低溫、干燥的空氣流。
而這，是為了防止進(jìn)入ACM的空氣中含有大量水分，在對渦輪做功降溫后，會(huì )有結冰現象，造成對ACM的損傷，要知道，ACM最大轉速可以達到60000rpm以上。
以上就是整個(gè)熱空氣被加工成冷空氣的大致過(guò)程。過(guò)程之后氣體是如何混合分配及如何控制溫度的，這里暫不討論。
3
飛機上空調制冷原理
以上定性的分析了737-800飛機空調系統制造冷氣的過(guò)程，下面簡(jiǎn)單討論一下這個(gè)過(guò)程涉及的一些熱力學(xué)原理。
1、為什么不直接利用外界冷氣而是這么麻煩把熱氣變冷。
根據理想氣體狀態(tài)方程：
其中P是壓力，V是體積，m是質(zhì)量，R是氣體常數，T是溫度
外界氣體壓力低，溫度低，當我們需要一定質(zhì)量的空氣時(shí)（理想氣體忽略體積變化），需要將其加壓到標準大氣壓下，此時(shí)的溫度會(huì )升的比較高，因此該種方式不行。
2、737-800空調系統熱力學(xué)過(guò)程
從上文中可以大致得出飛機空調制造冷氣經(jīng)歷了如下過(guò)程：
壓氣機壓縮，熱交換器冷卻，透平渦輪膨脹，最后得出冷氣，如果在算上冷氣制冷可視為冷氣吸熱的過(guò)程，那么整個(gè)737-800飛機制冷過(guò)程便可視作布雷頓循環(huán)的逆向過(guò)程，稱(chēng)作逆布雷頓循環(huán)。
逆布雷頓循環(huán)理想的工作過(guò)程包括：等熵壓縮，等壓冷卻，等熵膨脹和等壓吸熱四個(gè)過(guò)程，這與蒸氣壓縮式制冷循環(huán)工作過(guò)程相近，但不同在于空氣循環(huán)制冷也就是飛機空調制冷不存在相變的發(fā)生。
布雷頓循環(huán)壓力體積，熵溫圖
從上圖中可以看出，整個(gè)循環(huán)制冷的過(guò)程順序為4-3，3-2，2-1，1-4。
4-3是ACM壓氣機對經(jīng)過(guò)初級熱交換器冷卻的發(fā)動(dòng)機引氣進(jìn)行等熵壓縮，此時(shí)空氣溫度上升，壓力上升；然后經(jīng)過(guò)次級熱交換器的二次熱傳遞，進(jìn)行3-2的過(guò)程，即等壓冷卻，此時(shí)空氣壓力不變，溫度降低；然后空氣進(jìn)入ACM渦輪部分，進(jìn)行2-1的過(guò)程，對渦輪做功，等熵膨脹，氣體壓力溫度均大幅下降，此時(shí)PACK組件使命已經(jīng)完成，冷空氣被成功制造出來(lái)。
1-4是冷空氣制冷吸熱的過(guò)程，其與上述三個(gè)過(guò)程一起構成一個(gè)完整的逆布雷頓循環(huán)。
當然，以上分析僅是定性的將空氣視為理想氣體的循環(huán)過(guò)程，目的是為讓讀者便于理解整個(gè)737-800飛機空調系統制冷的熱力學(xué)過(guò)程。
4
總結
大型客機因其特殊的工作環(huán)境決定了其制冷方式只能采用空氣循環(huán)制冷。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，空氣循環(huán)制冷正在被更多的領(lǐng)域采用，如最新型進(jìn)藏列車(chē)由于工作環(huán)境同樣是高海拔和低溫低壓環(huán)境，因此也采用了相同原理的系統。
當然，空氣循環(huán)制冷只是在特殊條件下的相對合理的一種制冷解決方案，我們日常大多數人接觸不到此種制冷方式，與一般空調蒸氣壓縮制冷方式相比二者各有優(yōu)勢，因此不能簡(jiǎn)單的說(shuō)孰優(yōu)孰劣。
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