一种测量颗粒物沉降在飞机换热器的实验装置和方法与流程

本发明属于封闭空间空气质量与污染物传播领域，具体涉及一种测量飞机环境控制系统中的换热器颗粒物沉降率的实验装置和方法。

背景技术：

民航客机的环境控制系统在提供乘客一个安全健康舒适的客舱环境扮演了一个重要的角色。送入机舱的空气有一半来自室外的新鲜空气，另一半来自机舱内经过高效过滤器过滤的干净空气。其中来自室外的新鲜空气目前大多数是由发动机系统或者与发动机相似的辅助动力系统进入飞机环境控制系统，是没有安装高效过滤器的，颗粒物进入空调包中会影响换热器的效率，因此机场大气的污染情况以及飞机在地面的停留时间对飞机环境控制系统有很大的影响。

目前中国主要的五大机场(北京、上海浦东、上海虹桥、广州、深圳)大气污染严重，空气中的悬浮颗粒物PM2.5和PM10超过了世界贸易组织的标准。另一方面，中国的航班延误情况也同样十分严峻。根据Flightstats(2014)网站统计显示，中国三大主要机场准点率只有30％，从飞机关闭舱门开始到实际起飞之间，乘客平均需要等待的时间高达40分钟。

中国机场大气的严重污染以及所需要在地面的等待时间太长，导致了有大量的颗粒物会进入飞机环境控制系统中的空调包，并有部分沉降在空调系统中的换热器内，大大降低了其换热效率，换热器的效率降低会使飞机出现重大飞行事故。

目前的国内外研究表明，颗粒物在建筑系统中的风管和换热器沉降率已有大量文献，然而由于飞机中的换热器结构为板翅式换热器，这与建筑系统中的换热器结构大不相同。因此，研究不同粒径的颗粒物在飞机换热器内沉降率，搭建一个能够准确测量的实验装置，通过得到的数据分析并采取相应的解决措施保证其安全运行和效率是很有必要的。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种测量颗粒物沉降在飞机换热器的实验装置和方法，克服现有技术中机场大气的污染情况以及飞机在地面的停留时间对飞机环境控制系统影响的问题。

本发明采用的技术方案是：一种测量颗粒物沉降在飞机换热器的实验装置，实验室中的空气首先通过高效过滤器后与气溶胶发生器所发出的油性颗粒物在混合箱中进行充分混合，使其保持浓度均匀；混合的空气经过一段风管，使其成为完全发展湍流后，送至换热器的上游采样箱内，气溶胶测量仪器与上游采样箱相连，使用气溶胶测量仪器确定所发尘粒径的大小，随后进入要测量的目标——飞机换热器中，然后空气再进入下游采样箱内，最后通过离心式风机排出到实验室外。

混合箱中的体积要大于空气流量并采用“上送下出”的送风形式。

整个测量的实验系统在负压状态下进行，实验装置除上述的气溶胶发生器外，部件与部件之间的连接均为密封连接。

所述采样箱是用亚克力材料制作。

所述两个采样箱中的采样头附带滤膜在采样箱中实现等速采样。

一种测量颗粒物沉降在飞机换热器的方法，包括以下步骤：

(1)通过查找ASHARE手册确定飞机座舱的送风量，根据该送风量以及座舱所占飞机环境控制系统送风量的比例确定整个飞机环境控制系统的送风量，由于飞机有两个空调系统，所以每个空调包的送风量可以确定，根据通过空调处理以及旁通空气流量的比例，来确定空调包中的换热器流量，最后得到换热器的进口平均流速；

(2)搭建权利要求1所述实验装置用来测量飞机换热器中的颗粒物沉降量；

(3)利用SF₆示踪气体法测量系统的风量，使用变频调节器来调节风机风量以达到步骤(1)中的工况；

(4)使用单粒径气溶胶发生器进行发尘，在不一样的温度加热条件下可以发出从1至8微米的油性颗粒；

(5)使用气溶胶测量仪器确定所发尘粒径的大小；

(6)在换热器的上游和下游处安装采样头，并用热球风速仪测量采样口的速度；

(7)利用等速采样的原理，使用质量流量控制器调节真空泵流量，保证采样头的采样速度与步骤(5)中的速度保持一致；

(8)使用电子分析天平测量采样头中的滤膜采样前后的质量，得到滤膜的增重，从而得到换热器上游和下游颗粒物浓度，最终获得颗粒物在换热器中的沉降率。

本发明的有益效果是：本发明的装置和方法能够便捷快速准确的测量换热器内颗粒物沉降率，为飞机环控系统中换热器的运行维护提供可靠的途经。

附图说明

附图1是本发明实验装置原理图；

附图2是本发明方法的气溶胶发生器MAG 3000发尘说明图；

附图3是本发明方法测得的1微米、2.5微米、5微米和8微米粒径分布图；

其中：1、高效过滤器；2、气溶胶发生器；3、混合箱；4、风管；5、上游采样箱；6、换热器；7、下游采样箱；8、风机；9、采样头；10、气溶胶测量仪器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。

本发明的试验台如图1所示，实验室中的空气首先通过高效过滤器1后与气溶胶发生器2(MAG 3000)所发出的油性颗粒物在混合箱3中进行充分混合，使其保持浓度均匀。为保证混合箱3中的颗粒物能够与空气进行充分混合，混合箱3中的体积要大于空气流量并采用“上送下出”的送风形式。然后混合的空气经过一段长为1.2m的风管4，使其成为完全发展湍流后，送至换热器6的上游采样箱5内，随后进入要测量的目标——飞机换热器中，然后空气再进入下游采样箱7内，最后通过离心式风机8排出到实验室外。整个测量的实验系统是在负压状态下进行的，这是因为气溶胶发生器MAG 3000仪器只能在正常大气压的条件下才可以发出单分散的颗粒物。因此，MAG 3000发出的颗粒物不是直接与实验台密封连接，而是通过实验系统将颗粒物抽进实验装置内。采样箱是用亚克力材料制作，这种材料具有非静电性，以防止颗粒物带电对实验结果造成误差。实验装置除上述的MAG 3000外，部件与部件之间的连接均为密封连接。

本发明技术的具体实施步骤如下：

步骤1，通过查找ASHARE手册确定飞机座舱的送风量，根据该送风量以及座舱所占飞机环境控制系统送风量的比例确定整个飞机环境控制系统的送风量，由于飞机有两个空调系统，所以每个空调包的送风量可以确定。根据通过空调处理以及旁通空气流量的比例，来确定空调包中的换热器流量，最后得到换热器的进口平均流速。

步骤2，根据步骤1中所确定的工况搭建实验台，图1是实验装置系统图。

步骤3，利用SF₆示踪气体和INNOVA气体浓度测量仪器测量系统的风量，使用变频调节器来调节风机风量以达到步骤1中的工况。

步骤4，根据图2中的MAG 3000发尘粒径随温度变化图，每次试验发出不一样的颗粒粒径的气溶胶。

步骤5，将采样头放置在采样箱中，保证采样嘴正对着空气流动方向，然后密封采样箱保证其会不漏风。

步骤5，使用气溶胶测量仪器(APS 3321)10确定所发尘粒径的大小；开启风机，在保证整个系统不漏风的条件下，将气溶胶测量仪器APS 3321的采样口放置在图1中的上游采样箱内，开启仪器进行测量颗粒物的粒径，采样时间为5分钟，测量结果给出1微米、2.5微米、5微米和8微米，如图3所示。

步骤6，关闭气溶胶测量仪器APS 3321，使用热球风速仪测量上游和下游采样口的流速，并根据流速计算在等速采样条件下的采样流量。

步骤7，使用电子分析天平测量滤膜的重量，记录后打开采样箱，将滤膜安装在采样头内，将采样头放置在采样箱中，保证采样口正对着空气流动方向。

步骤8，开启质量流量控制器和真空泵调节采样流量，保证上游和下游达到所需的采样校核流量。

步骤9，开始实验，采样时间为1小时，换热器上游下游同时进行采样。

步骤10，1小时后关闭风机、气溶胶发生器、真空泵和质量流量控制器。将上游和下游采样头中的滤膜取出并使用电子分析天平测量重量。

步骤11，根据换热器上游和下游滤膜的增重量以及上下游采样流量计算得到上下游颗粒物浓度，从而得到该粒径颗粒物在换热器的沉降率。

步骤12，重复步骤3-10，最终可以得到不同粒径颗粒物在换热器的沉降率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。