CN112963649A - 一种飞机供水管道防冰保温设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种飞机供水管道防冰设计方法，本发明根据对多层圆柱壁面的传热问题的分析，及供水管路防冰设计需求即初始水温为5℃时，在5分钟内管内水不能结冰，将飞机供水管道分为管道、硅橡胶层、加热层、硅橡胶层以及保温层，当加热层停止工作时，计算出至管内水开始结冰时单位管长单位时间的平均热量损失，即为管路各层由内至外单位管长单位时间所传递的热量，然后根据公式计算出各项热阻，即可联立求解时得到管道壁面保温层的外半径，即可得到所需包裹保温层的厚度；而单位时间单位管长所散失的热量即为管道防冰所需加热量，本发明飞机供水管道具备较佳的防冻抗冻效果，降低损坏概率，对飞机供水管道的生产设计提供指导作用。
Description
技术领域
本发明涉及飞行器相关设备的技术领域，具体为一种飞机供水管道防冰保温设计方法。
背景技术
飞机供水管道存在于飞机的供水系统中，为飞机的正常使用提供必要的水源供给，从而满足飞机降温、包括飞机上的各种用水需求，而对于飞机系统中的供水管道，由于其处于座舱下方的非温控区域，附近温度可低至-40℃至-60℃，在地面及飞机飞行过程中，都可能发生结冰现象，这会影响到飞机供水管道的正常使用，严重时会对飞机供水管道造成不可恢复的损伤和破坏，甚至威胁飞行安全，因此，我们需要对飞机上的供水管道进行防冰保温设计，从而确保供水管道的正常使用，在进行防冰保温设计的过程中，飞机供水系统管道防冰设计的核心内容在于外部保温层的厚度和加热层的加热功率；其设计需求一般需包含两点：1.加热层停止工作时，管内水流静止，在n分钟之内保证管道内水温不低于0℃；2.系统在稳定工作时，管内水流静止，保证管道内水温不低于 5℃，由此，我们提出一种飞机供水管道防冰保温设计方法以满足现有飞机管道的防冰的设计要求，降低飞机供水系统管道损坏概率。
发明内容
针对上述情况，为克服现有技术缺陷，本发明的目的是提供一种飞机供水管道防冰保温设计方法用于解决飞机供水系统管道的防冰防冻的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种飞机供水管道防冰设计方法，包括飞机供水系统管道，其特征在于，所述的飞机供水系统管道由内至外依次是管道、硅橡胶层、加热层、硅橡胶层以及保温层；
当加热层停止工作时，管内水流静止，在n分钟之内保证管道内水温不低于0℃。根据能量守恒，系统在该时间段内损失的热量等于水内能的降低，即可计算出单位管长单位时间的平均热量损失：
Q＝cmΔtwater＝cρπr1 2(twater,1-twater,2)＝Φlτ
式中：Q为单位管长的水从初始温度降至0℃所释放出来的潜热，J；c为水的比热容，为4200J/(kg·K)；m为单位管长的水的质量，kg；ρ为水的密度，为1000kg/m3；r1为管道内半径，m；twater,1和twater,2分别为水的初始和结冰温度，℃；Φl为单位时间单位管长所传递的热量，W/m；τ为时间，s；
热量从管内的水透过多层管道壁面传递到外侧的空气中，其传热热阻主要包含：管内水与内壁面的对流换热热阻、管道导热热阻、内层RTV导热热阻、加热层导热热阻、外层RTV导热热阻、保温层导热热阻、管外空气与外壁面的对流换热热阻，
当加热层不工作时，由内至外单位管长所传递的热量为：
1.管内水与内壁面之间的对流换热热阻
式中：Rh1为管内水与内壁面之间的对流换热热阻，K/W；hin为内层管道的对流换热系数，W/(m2·K)；A为管长的对流换热面积，m2；r1为水管的内半径；
2.管道导热热阻——第一层(由内而外)固体壁面导热热阻
式中：Rλ1为第一层固体壁面即管道导热热阻，K/W；λ1为管道的导热系数， W/(m·K)；r2为管道的外半径，m；
3.内层RTV的导热热阻——第二层固体壁面导热热阻
式中：Rλ2为第二层固体壁面即内层RTV的导热热阻，K/W；λ2为内层RTV 的导热系数，W/(m·K)；r3为内层RTV的外半径，m；
4.加热层的导热热阻——第三层固体壁面导热热阻
式中：Rλ3为第三层固体壁面即管道导热热阻，K/W；λ3为第三层圆柱壁面即加热层的导热系数，W/(m·K)；r4为加热层的外半径，m；
5.外层RTV的导热热阻——第四层固体壁面导热热阻
式中：Rλ4为第四层固体壁面即外层RTV的导热热阻，K/W；λ4为外层RTV 的导热系数，W/(m·K)；r5为外层RTV的外半径，m；
6.保温层的导热热阻——第五层固体壁面导热热阻
式中：Rλ5为第五层固体壁面即保温层的导热热阻，K/W；λ5为保温层的导热系数，W/(m·K)；r6为保温层的外半径，m；
7.管外空气与外壁面之间的对流换热热阻
式中：Rh2为管外空气与外壁面之间的对流换热热阻，K/W；hout为外层管道的对流换热系数，W/(m2·K)；Aout为管的对流换热面积，m2；
根据以上这些公式，即可联立求解时得到管道壁面保温层的外半径r6，即可得到所需包裹保温层的厚度；而单位时间单位管长所散失的热量Φl，即为系统在稳定工作时，加热层所需的加热功率。
优选的，在计算管内水与内壁面之间的对流换热热阻Rh1时，其中的内层管道的对流换热系数hin可以采用自然对流的经验公式进行计算：
式中：
式中：g为重力加速度，取9.8ms-2；αV为流体的体积膨胀率，1/T，空气约为0.004289，水取0.00029；Δt为壁面与流体之间的温度差；l为特征尺寸，外流取外径，内流取内径；ν为运动粘度。
本发明的技术构思为：本发明根据对多层圆柱壁面的传热问题的分析，及供水管路防冰设计需求即初始水温为5℃时，在5分钟内管内水不能结冰，将飞机供水管道分为管道、硅橡胶层、加热层、硅橡胶层以及保温层，当加热层停止工作时，计算出单位管长单位时间的平均热量损失，加热层不工作时，计算出内至外单位管长所传递的热量，然后根据公式计算出各项传热热阻：内水与内壁面的对流换热热阻、管道导热热阻、内层RTV导热热阻、加热层导热热阻、外层RTV导热热阻、保温层导热热阻、管外空气与外壁面的对流换热热阻，即可联立求解时得到管道壁面保温层的外半径，即可得到所需包裹保温层的厚度；而单位时间单位管长所散失的热量，即为系统在稳定工作时，加热层所需的加热功率，此计算方法得到的供水管道，使得飞机供水管道具备较佳的防冻抗冻效果，降低供水管道的损坏概率，对实际的供水管道的生产设计提供了较强的指导作用，适用于工业化生产使用。
附图说明
图1是本发明的步骤流程框体。
图2是供水管道防冰结构。
具体实施方式
结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
实施例一，飞机供水系统管道防冰一般采用多层结构，从内至外依次为管道、硅橡胶层(RTV)、加热层、硅橡胶层以及保温层，如附图2所示，飞机供水系统管道防冰设计的核心内容在于外部保温层的厚度和加热层的加热功率。其设计需求一般需包含两点：1.加热层停止工作时，管内水流静止，在m 分钟之内保证管道内水温不低于0℃；2.系统在稳定工作时，管内水流静止，保证管道内水温不低于5℃；
在对飞机供水系统管道热载荷防冰设计时，根据飞机供水系统管道的设计需求，当加热层停止工作时，管内水流静止，在m分钟之内保证管道内水温不低于0℃。根据能量守恒，系统在该时间段内损失的热量等于水内能的降低，即可计算出单位管长单位时间的平均热量损失：
Q＝cmΔtwater＝cρπr1 2(twater,1-twater,2)＝Φlτ
式中：Q为单位管长的水从初始温度降至0℃所释放出来的潜热，J；c为水的比热容，为4200J/(kg·K)；m为单位管长的水的质量，kg；ρ为水的密度，为1000kg/m3；r1为管道内半径，m；twater,1和twater,2分别为水的初始和结冰温度，℃；Φl为单位时间单位管长所传递的热量，W/m；τ为时间，s；
假定系统传热为稳态传热，热量从管内的水透过多层管道壁面传递到外侧的空气中，其传热热阻主要包含：管内水与内壁面的对流换热热阻、管道导热热阻、内层RTV导热热阻、加热层导热热阻、外层RTV导热热阻、保温层导热热阻、管外空气与外壁面的对流换热热阻，
当加热层不工作时，由内至外单位管长所传递的热量为：
(1).管内水与内壁面之间的对流换热热阻
式中：Rh1为管内水与内壁面之间的对流换热热阻，K/W；hin为内层管道的对流换热系数，W/(m2·K)；A为管长的对流换热面积，m2；r1为水管的内半径；
(2).管道导热热阻——第一层(由内而外)固体壁面导热热阻
式中：Rλ1为第一层固体壁面即管道导热热阻，K/W；λ1为管道的导热系数， W/(m·K)；r2为管道的外半径，m；对流换热系数h可以采用自然对流的经验公式进行计算：
式中：
式中：g为重力加速度，取9.8ms-2；αV为流体的体积膨胀率，1/T，空气约为0.004289，水取0.00029；Δt为壁面与流体之间的温度差；l为特征尺寸，外流取外径，内流取内径；ν为运动粘度；
(3).内层RTV的导热热阻——第二层固体壁面导热热阻
式中：Rλ2为第二层固体壁面即内层RTV的导热热阻，K/W；λ2为内层RTV 的导热系数，W/(m·K)；r3为内层RTV的外半径，m；
(4).加热层的导热热阻——第三层固体壁面导热热阻
式中：Rλ3为第三层固体壁面即管道导热热阻，K/W；λ3为第三层圆柱壁面即加热层的导热系数，W/(m·K)；r4为加热层的外半径，m；
(5).外层RTV的导热热阻——第四层固体壁面导热热阻
式中：Rλ4为第四层固体壁面即外层RTV的导热热阻，K/W；λ4为外层RTV 的导热系数，W/(m·K)；r5为外层RTV的外半径，m；
(6).保温层的导热热阻——第五层固体壁面导热热阻
式中：Rλ5为第五层固体壁面即保温层的导热热阻，K/W；λ5为保温层的导热系数，W/(m·K)；r6为保温层的外半径，m；
(7).管外空气与外壁面之间的对流换热热阻
式中：Rh2为管外空气与外壁面之间的对流换热热阻，K/W；hout为外层管道的对流换热系数，W/(m2·K)；Aout为管的对流换热面积，m2；
根据以上这些公式，即可联立求解时得到管道壁面保温层的外半径r6，即可得到所需包裹保温层的厚度；而单位时间单位管长所散失的热量Φl，即为系统在稳定工作时，加热层所需的加热功率。
我们举一个具体在计算中的例子来进行说明，根据对多层圆柱壁面的传热问题的分析，及供水管路防冰设计需求即初始水温为5℃时，在5分钟内管内水不能结冰；
单位管长时，水温从5℃将至0℃所释放出来的总热量(显热)Q为：
Q＝cmΔtwater＝cρπr1 2Δtwater
式中：c为水的比热容，取4.2×103J/(kg·K)；m为单位管长水的质量， kg；Δtwater为水温度的变化量，取5K或℃；ρ为水的密度，取103kg/m3；r1为水管的内半径，为10mm。经计算可得：
Q＝cρπr1 2Δtwater＝4.2×103×103×3.1415×0.012×5＝6597.344J
故单位时间单位管长所散散失的热量为：
式中：τ为水散失热量所耗费的时间，为5分钟。
此外，这些热量是透过一层层圆柱壁面向外传递的，因此：
式中：热量通过圆柱壁面由内至外一层层传递的，其传热阻力分别依次为管道内壁面与水之间的对流换热热阻。
1.管内壁与水之间的对流换热热阻
式中：hin为内层管道的对流换热系数，取350W/(m2·K)；A为管长的对流换热面积，m2；r1为水管的内半径，为10mm。经计算可得：
2.第一层圆柱壁面即水管壁的导热热阻
式中：λ1为第一层圆柱壁面即水管壁的导热系数，取0.16W/(m·K)；r2为
内层RTV的内半径，为15mm。经计算可得：
3.第二层圆柱壁面即内层RTV的导热热阻
式中：λ2为第二层圆柱壁面即内层RTV的导热系数，取0.8W/(m·K)；r3为加热层的内半径，为16mm。经计算可得：
4.第三层圆柱壁面即加热层的导热热阻
式中：λ3为第三层圆柱壁面即加热层的导热系数，取3W/(m·K)；r4为外层RTV的内半径，为17mm。经计算可得：
5.第四层圆柱壁面即外层RTV的导热热阻
式中：λ4为第四层圆柱壁面即外层RTV的导热系数，取0.8W/(m·K)；r5为保温层的内半径，为18mm。经计算可得：
6.第五层圆柱壁面即保温层的导热热阻
式中：λ5为第五层圆柱壁面即保温层的导热系数，取0.024W/(m·K)；r6为保温层的外半径，mm。经计算可得：
7.管外壁与空气之间的对流换热热阻
式中：hout为外层管道的对流换热系数，取5W/(m2·K)；A为管的对流换热面积，m2；r为水管的外半径，mm。经计算可得：
综上所述，根据能量守恒，系统热损失等于水内能的降低，即，
式中：twater,ave为管内水的平均温度，取2.5℃；tair为外部空气的温度，取-40℃。
经计算可得：
求解该超越方程，即可求出：r6＝0.02252m≈23mm
即保温层的厚度可取：δ＝r6–r5＝23-18＝5mm
单位管长加热层的加热量即为：Φl＝21.9912W≈22W
对于上述举例中需要说明的是：以上管路各层厚度及材料热物性参数皆通过查找资料合理假定；若计算所得保温层厚度为负值，则说明无需加保温层即可满足水废水系统管路防冰设计需求；若计算所得保温层厚度过厚，可能无法在飞机上使用，需要更换导热系数更小的材料进行设计。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种飞机供水管道防冰设计方法，包括飞机供水系统管道，其特征在于，所述的飞机供水系统管道由内至外依次是管道、硅橡胶层、加热层、硅橡胶层以及保温层；
当加热层停止工作时，管内水流静止，在n分钟之内保证管道内水温不低于0℃。根据能量守恒，系统在该时间段内损失的热量等于水内能的降低，即可计算出单位管长单位时间的平均热量损失：
Q＝cmΔtwater＝cρπr1 2(twater,1-twater,2)＝Φlτ
式中：Q为单位管长的水从初始温度降至0℃所释放出来的潜热，J；c为水的比热容，为4200J/(kg·K)；m为单位管长的水的质量，kg；ρ为水的密度，为1000kg/m3；r1为管道内半径，m；twater,1和twater,2分别为水的初始和结冰温度，℃；Φl为单位时间单位管长所传递的热量，W/m；τ为时间，s；
热量从管内的水透过多层管道壁面传递到外侧的空气中，其传热热阻主要包含：管内水与内壁面的对流换热热阻、管道导热热阻、内层RTV导热热阻、加热层导热热阻、外层RTV导热热阻、保温层导热热阻、管外空气与外壁面的对流换热热阻，
当加热层不工作时，由内至外单位管长所传递的热量为：
1.管内水与内壁面之间的对流换热热阻
式中：Rh1为管内水与内壁面之间的对流换热热阻，K/W；hin为内层管道的对流换热系数，W/(m2·K)；Ain为管内的对流换热面积，m2；r1为水管的内半径；
2.管道导热热阻——第一层(由内而外)固体壁面导热热阻
式中：Rλ1为第一层固体壁面即管道导热热阻，K/W；λ1为管道的导热系数，W/(m·K)；r2为管道的外半径，m；
3.内层RTV的导热热阻——第二层固体壁面导热热阻
式中：Rλ2为第二层固体壁面即内层RTV的导热热阻，K/W；λ2为内层RTV的导热系数，W/(m·K)；r3为内层RTV的外半径，m；
4.加热层的导热热阻——第三层固体壁面导热热阻
式中：Rλ3为第三层固体壁面即管道导热热阻，K/W；λ3为第三层圆柱壁面即加热层的导热系数，W/(m·K)；r4为加热层的外半径，m；5.外层RTV的导热热阻——第四层固体壁面导热热阻
式中：Rλ4为第四层固体壁面即外层RTV的导热热阻，K/W；λ4为外层RTV的导热系数，W/(m·K)；r5为外层RTV的外半径，m；
6.保温层的导热热阻——第五层固体壁面导热热阻
式中：Rλ5为第五层固体壁面即保温层的导热热阻，K/W；λ5为保温层的导热系数，W/(m·K)；r6为保温层的外半径，m；
7.管外空气与外壁面之间的对流换热热阻
式中：Rh2为管外空气与外壁面之间的对流换热热阻，K/W；hout为外层管道的对流换热系数，W/(m2·K)；Aout为管的对流换热面积，m2；
根据以上这些公式，即可联立求解时得到管道壁面保温层的外半径r6，即可得到所需包裹保温层的厚度；而单位时间单位管长所散失的热量Φl，即为系统在稳定工作时，加热层所需的加热功率。
2.根据权利要求1所述的一种飞机供水管道防冰设计方法，其特征在于，在计算管内水与内壁面之间的对流换热热阻Rh1时，其中的内层管道的对流换热系数hin可以采用自然对流的经验公式进行计算：
Nu＝C(GrPr)n；
式中：
式中：g为重力加速度，取9.8ms-2；αV为流体的体积膨胀率，1/T，空气约为0.004289，水取0.00029；Δt为壁面与流体之间的温度差；l为特征尺寸，外流取外径，内流取内径；ν为运动粘度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20210615 |