同样是空调，大飞机上的和你家的不一样

1、飞机上为什么需要空调

空调系统是飞机上特别是大型民用飞机上一个非常重要的系统。飞机在平流层飞行，应用海拔气压修正计算经验公式：

计算飞机在10000米海拔高度下的气压为26.43kpa。

对于温度，一般来说海拔每升高100米，温度降低0.6摄氏度，假设地面温度20摄氏度，那么在10000米的高度下其温度约为零下40摄氏度也就是-40℃。

高海拔的山常年积雪

在这种海拔高度下其气压和温度都很难保证人类的生存。

为此，飞机空调系统被设计出来为了给乘客，机组，设备提供适宜的压力和温度，以保证各项工作的正常运行。

空调系统的功能表述

对于一般客机来说，其客舱一般是保持在一定海拔高度的压力的，这个高度一般小于8000ft，即使实际飞行高度在30000ft，其客舱气压也是小于8000ft的。

若是由于某种原因造成客舱压力降低，氧气面罩就会自动脱落，供给一定时间的氧气以供飞机下降到合适的高度。所以，当你看到氧气面罩掉落的时候，请第一时间带上它。

2、

飞机上的空调形式

一般的小型飞机是没有空调的，当然某些型号的直升机（直升机其实不是飞机）会有与汽车空调相似的压缩机提供制冷功能。

对于现代大型客机，由于其巡航海拔很高，因此其外界具有很低的环境温度，而且其涡轮风扇发动机可提供足够的气源。

因此在地面上看起来效率低，能耗大的空气循环制冷在大型飞机上得到了很好的应用。

对于飞机的空调系统，利用发动机引出来的高压空气做动力源，同时使用外界低温空气做冷却介质，只需增加有限的透平膨胀机构和附属设备，就可以最小化的实现飞机的环境控制。

（透平：又称涡轮，为流体介质中蕴有的能量转换成机械功的机器）

下面仅以目前常见的波音737-800型飞机空调部分做例子，简要的，定性的分析飞机空调系统的制冷方式。

B737-800空调气路图

准确的说，飞机上的空调是将发动机引出的热空气转换成冷空气，然后制造出的冷空气再与发动机引出的热空气在一个叫mix manifold的地方进行比例混合，从而形成可用的空调气。

一架飞机有两台发动机，因而也就有两套空调设备，二者基本对称，下面仅以右侧为例。

图中通过颜色标识出了空气在气路中的温度，红色代表高温，深蓝色代表低温，浅蓝色，则是温度在两者之间，但仍属于冷空气范畴。

发动机引出的高温气体经过一个S弯，又一个S弯，温度有了明显的降低，这两个S弯是空调PACK中的两级热交换器。

其中两级热交换器之间空气会被压缩一次，这也是为什么第二级热交换器进口温度会高一些的原因。这里空气是被ACM的压气机压缩的，具体过程下面原理中会讲到。

热交换器

经过热交换器的热空气与外界环境中的空气进行热交换，其过程是外界空气通过机腹的冲压空气通道进入热交换器冷路通道。

也就是图中方形口上有很多散热片的地方，带走通过热路通道热空气的热量，简单的说，就是用空气冷却空气，二者不相互接触。

冲压空气口位置B737-800

然后，经过热交换器的空气，沿着管路继续往左走，经过一个由下往上走的叫做“再加热器”的S型弯管设备。

从“再加热器”出来后，继续往上走，再次进入一个S型弯管的设备，这个叫做“冷凝器”。

从“冷凝器”出口出来的气体分为两路，再次横向进入下方的S型弯管设备“再加热器”。冷凝器和再加热器目的是为干燥空气，避免空气中水汽结冰而损坏系统。

这个时候，在“再加热器”中的纵向与横向的两股气流，实际上是有温差的。从颜色上可以看出，纵向的气流温度要高于横向的气流。因此，“再加热器”的再加热就是指对横向进入的气流进行温度的提升，为下一步进入一个叫做ACM的设备做准备。

ACM叫做空气循环机，737-800飞机的ACM是3轮结构，有压气机涡轮，透平涡轮和风扇轮组成。

ACM的主要部件

经过再加热的气流向右进入ACM的透平涡轮中，此时空气对透平涡轮做功，该过程是定熵膨胀的过程，因此空气温度会急剧降低。从图中可以明显看出，气体的颜色变化显著。

温度很低的空气，横向流进位于图中上部的S型弯管设备—冷凝器。这时，低温空气充当冷媒，对纵向流经的气流经行冷却。

目的就是使空气中的水分析出，使得后续横向进入“再加热器”的气流是低温、干燥的空气流。

而这，是为了防止进入ACM的空气中含有大量水分，在对涡轮做功降温后，会有结冰现象，造成对ACM的损伤，要知道，ACM最大转速可以达到60000rpm以上。

以上就是整个热空气被加工成冷空气的大致过程。过程之后气体是如何混合分配及如何控制温度的，这里暂不讨论。

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飞机上空调制冷原理

以上定性的分析了737-800飞机空调系统制造冷气的过程，下面简单讨论一下这个过程涉及的一些热力学原理。

1、为什么不直接利用外界冷气而是这么麻烦把热气变冷。

根据理想气体状态方程：

其中P是压力，V是体积，m是质量，R是气体常数，T是温度

外界气体压力低，温度低，当我们需要一定质量的空气时（理想气体忽略体积变化），需要将其加压到标准大气压下，此时的温度会升的比较高，因此该种方式不行。

2、737-800空调系统热力学过程

从上文中可以大致得出飞机空调制造冷气经历了如下过程：

压气机压缩，热交换器冷却，透平涡轮膨胀，最后得出冷气，如果在算上冷气制冷可视为冷气吸热的过程，那么整个737-800飞机制冷过程便可视作布雷顿循环的逆向过程，称作逆布雷顿循环。

逆布雷顿循环理想的工作过程包括：等熵压缩，等压冷却，等熵膨胀和等压吸热四个过程，这与蒸气压缩式制冷循环工作过程相近，但不同在于空气循环制冷也就是飞机空调制冷不存在相变的发生。

布雷顿循环压力体积，熵温图

从上图中可以看出，整个循环制冷的过程顺序为4-3，3-2，2-1，1-4。

4-3是ACM压气机对经过初级热交换器冷却的发动机引气进行等熵压缩，此时空气温度上升，压力上升；然后经过次级热交换器的二次热传递，进行3-2的过程，即等压冷却，此时空气压力不变，温度降低；然后空气进入ACM涡轮部分，进行2-1的过程，对涡轮做功，等熵膨胀，气体压力温度均大幅下降，此时PACK组件使命已经完成，冷空气被成功制造出来。

1-4是冷空气制冷吸热的过程，其与上述三个过程一起构成一个完整的逆布雷顿循环。

当然，以上分析仅是定性的将空气视为理想气体的循环过程，目的是为让读者便于理解整个737-800飞机空调系统制冷的热力学过程。

4

总结

      大型客机因其特殊的工作环境决定了其制冷方式只能采用空气循环制冷。随着技术的发展，空气循环制冷正在被更多的领域采用，如最新型进藏列车由于工作环境同样是高海拔和低温低压环境，因此也采用了相同原理的系统。

当然，空气循环制冷只是在特殊条件下的相对合理的一种制冷解决方案，我们日常大多数人接触不到此种制冷方式，与一般空调蒸气压缩制冷方式相比二者各有优势，因此不能简单的说孰优孰劣。