Хладагенты авиационных систем кондиционирования¶

Хладагент — рабочее вещество холодильной машины, которое в процессе циклического сжатия, конденсации, расширения и испарения переносит теплоту от охлаждаемого объекта к окружающей среде. В системах кондиционирования воздуха летательных аппаратов хладагент выполняет ту же функцию, что и в бытовых и промышленных кондиционерах, однако к нему предъявляются дополнительные требования по пожарной безопасности, токсичности, массе и работоспособности в широком диапазоне температур и давлений. На современных самолётах применяются как традиционные фреоны, так и новые гидрофторолефины, а также принципиально иные схемы охлаждения, где хладагентом служит сам воздух.

¶Назначение системы кондиционирования на борту

Система кондиционирования воздуха (СКВ) летательного аппарата решает несколько задач одновременно: поддержание давления в гермокабине, регулирование температуры и влажности, очистка воздуха от пыли и примесей, вентиляция кабины и отсеков с оборудованием. На больших высотах забортный воздух имеет крайне низкое давление и температуру порядка минус 50 °C и ниже, поэтому его предварительно сжимают в компрессоре двигателя или в отдельном турбокомпрессоре. При сжатии воздух нагревается до 150–250 °C, и его необходимо охладить перед подачей в кабину. Именно на этапе охлаждения и работает холодильный цикл с хладагентом либо воздушный цикл.

¶Воздушный цикл как основная схема

На большинстве магистральных пассажирских и транспортных самолётов применяется воздушно-циклическая система охлаждения (Air Cycle Machine, ACM). В ней функцию хладагента выполняет сам воздух, отбираемый от компрессора двигателя. Сжатый горячий воздух проходит через первичный теплообменник, где отдаёт тепло забортному воздуху, затем дополнительно сжимается в компрессоре турбохолодильника, охлаждается во вторичном теплообменнике и расширяется в турбине. При расширении температура резко падает — до 0 °C и ниже, после чего охлаждённый воздух смешивается с горячей частью потока и подаётся в кабину. Такая схема не требует отдельного фреонового контура, безопасна в пожарном отношении и использует один и тот же воздух как рабочее тело и как среду для кондиционирования.

¶Фреоновые контуры на борту

Там, где воздушного цикла недостаточно или он невыгоден по массе и энергозатратам, применяются парокомпрессионные холодильные машины с фреоновым хладагентом. Они встречаются в системах охлаждения бортового радиоэлектронного оборудования, в кондиционерах вспомогательных силовых установок, в наземных передвижных кондиционерах для обслуживания самолётов на стоянке, а также на некоторых типах вертолётов и лёгких самолётов. В этих контурах используются те же классы веществ, что и в наземной технике, но с ограничениями по горючести и токсичности.

¶Основные типы хладагентов

На борту предпочтение отдают негорючим и малотоксичным веществам. Аммиак, эффективный как хладагент, практически не используется в пилотируемых кабинных системах из-за токсичности. Углекислый газ в транскритическом цикле рассматривается как перспективное решение, поскольку он негорюч и имеет низкий потенциал глобального потепления, однако требует высоких рабочих давлений и прочной арматуры.

¶Требования к авиационным хладагентам

К веществам, применяемым на летательных аппаратах, предъявляется набор специфических требований:

• пожарная безопасность — негорючесть или минимальная горючесть в условиях возможной утечки;
• низкая токсичность — утечка не должна создавать опасности для экипажа и пассажиров;
• термостойкость и химическая стабильность в диапазоне температур от минус 60 до плюс 200 °C в зонах теплообменников;
• совместимость с материалами — металлами, уплотнениями, изоляцией трубопроводов и электроники;
• малая удельная масса и компактность контура, поскольку каждый килограмм на борту критичен;
• умеренные рабочие давления, позволяющие снизить массу трубопроводов и арматуры;
• экологические ограничения по озоноразрушающему потенциалу и потенциалу глобального потепления.

¶Экологические ограничения и переход на новые вещества

Монреальский протокол 1987 года и последующие поправки ограничили производство озоноразрушающих хлорфторуглеродов и гидрохлорфторуглеродов. Кигалийская поправка 2016 года ввела поэтапное сокращение гидрофторуглеродов, обладающих высоким потенциалом глобального потепления. Это напрямую затрагивает авиационную отрасль: сервисные службы обязаны переходить на хладагенты с низким потенциалом глобального потепления, утилизировать отработанные фреоны и предотвращать их выброс в атмосферу. Для воздушно-циклических систем эти ограничения менее актуальны, поскольку отдельный хладагент в них не используется.

¶Обслуживание и заправка

Заправка фреонового контура производится по массе, с контролем давления в линиях высокого и низкого давления и проверкой отсутствия утечек. Используются вакуумирование контура, замена фильтров-осушителей, контроль перегрева и переохлаждения хладагента. Для воздушно-циклических систем понятие «заправки хладагентом» неприменимо: там контролируются расход отбираемого воздуха, эффективность теплообменников и работа турбохолодильника. Наземные передвижные кондиционеры, обслуживающие самолёты на перроне, заправляются стандартными фреонами и подчиняются тем же экологическим нормам, что и стационарное холодильное оборудование.

¶Перспективные направления

Развитие идёт по двум линиям. Первая — совершенствование воздушно-циклических систем с повышением их термодинамической эффективности за счёт рекуперации тепла и применения композитных теплообменников. Вторая — внедрение хладагентов с низким потенциалом глобального потепления в парокомпрессионных контурах, включая углекислотные и гидрофторолефиновые схемы. Отдельное направление — гибридные системы, где воздушный цикл комбинируется с испарительным охлаждением для снижения температуры подаваемого в кабину воздуха.

Источники: Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой; Кигалийская поправка; техническая документация производителей авиационных систем кондиционирования; учебные пособия по авиационному оборудованию; материалы по холодильной технике и хладагентам.