民航科普 空气循环机：不需要氟利昂的飞机空调
在炎热的夏季，机场停机坪上的地面温度可达40℃以上。飞机依靠空调系统保持适当的客舱温度，使之保持在舒适的24℃左右。以波音B777-200LR飞机为例，其客舱空间大约为520m3，相当于一间185平方米左右的房间，要给这么大而且有300多名乘客的客舱制冷至少需要功率20匹以上的空调。常见的家用空调主要是用压气机和雪种（氟利昂）来制冷，功率有限，这种制冷方式对飞机而言是不适用的，而且飞机的空调系统还有另外一项重要作用就是给客舱增压。因此，民用客机上的空调系统采用一种特殊的制冷方式——空气循环制冷。了解空气循环制冷系统的工作原理，有助于我们更好地认识飞机的空调系统。
一、空气循环机
飞机的空调组件主要通过空气循环机制冷，在空中也可以使用冲压空气来冷却引气。空气循环机使引气温度降低，而且整个过程不需要氟利昂来进行热交换，气体没有蒸发与冷凝。引气冷却后可直接供客舱空调和电子设备冷却使用。系统主要包括热交换器、空气循环机（包括涡轮和压气机）、水汽分离器等部分。
1.空调引气
波音B777飞机的发动机或者辅助动力装置APU，均可为空调组件提供引气。高能量的引气不单可以用于空调系统，还可以用于飞机增压、防冰等。但引气不能直接为客舱空调所使用，因为这些气体是高温高压气体，地面压力通常有28psi（1.9个大气压）、温度可达150℃。
2．冷却步骤
引气先进入热交换器，进行初步的冷却；冷却后的引气进入空气循环机的离心压气机，气体被压缩温度升高后，再次进入热交换器降温；随后气体进入涡轮室，在涡轮室气体快速膨胀释放能量同时还带动涡轮转动做功，涡轮轴另一端连着离心压气机，压气机叶片在其驱动下高速旋转。通过以上环节可以使气体温度降到0℃甚至以下。B777飞机采用了离心压气机+二级涡轮的3轮升压式空气循环机。我们知道在涡轮室才是引气真正冷却的地方，在上述的基础上再加上二级涡轮，冷却效果要比一级涡轮更强，对能量利用效率也更高。（而波音B737或空客A320等窄体客机只需采用一级涡轮冷却便足够。）
3．水汽分离
水汽分离器用于除去冷却空气中的水汽。由于空气温度迅速降低到露点以下，空气中的水蒸气已经凝结成小水滴气体成为雾状，通过分离器可以将水分离排放出机外。因为水汽容易再结成冰凝结在涡轮上，损伤涡轮；同时水汽还会腐蚀管道和电子设备线路等，因此必须将过多的水汽分离，才能与较暖的调节空气混合，输出到空调管道。（这也是夏天飞机停在地面时空调出气口常常冒出白烟的原因。其实这不是烟，只是被雾化的空气。）
4．冷却原理
冷却过程背后的原理是我们所熟知的物理学定律。它遵循的是热力学第一定律：ΔU＝Q＋W。
公式中ΔU为内能变化，Q为传递的热量，W为所做的功。气体膨胀带动涡轮转动对外界做功W为负（外界对系统做功则W为正），同时气体向外传递热量Q也为负，可得ΔU为负，气体的内能减小，温度降低（气体的内能与温度成正比关系）。在日常生活中常见的例子就是当我们用打气筒给自行车打气时，打气筒内的气体因为我们对其做功，温度会增加，使得打气筒变热。与之相反，如果让气体对外界做功，内能减少，温度就会降低。
二、不同阶段的冷却方式
当飞机在空中时，空调组件所需的能量来自冲压空气（飞机高速飞行时的相对气流）。起飞和降落时冲压空气进气活门完全打开以获得最大的冲压空气。
巡航时，对空气循环机的冷却需求最小，因为高空中温度低（可达零下），经过与外界空气进行热交换，可以使温度降得足够低。甚至不需要空气循环机来冷却了。而当飞机停在炎热的地面机坪时，没有了冲压空气，空调组件靠辅助动力装置(APU)提供高压引气为动力。夏天温度高时，空气循环机在最大工作状态以满足在地面时的冷却需求；当冬天温度低时，只需通过调节温度控制活门混入更多热气即可满足温度需求。
辅助动力装置（APU）是一个独立的涡轮发动机，通常位于飞机的尾椎部分。它既可以提供电力，又可以提供引气，常作为电力和引气的备份系统。在其运转时排气口有高速气流排出，会产生一定的噪声。许多机场都为飞机提供地面电源和空调引气保障，以减少、限制APU的使用，达到更加节能与环保的目的。
空调组件是飞机系统中的重要部分，保持适宜的客舱温度，给飞机客舱增压，都是通过空调系统来完成的。而空气循环机又是空调组件的核心。采用空气循环制冷系统的优点是：系统的重量轻、维护成本低、可靠性高，而且冷却的空气可以输入客舱为之增压，客舱的通风、增压和温度控制都可以通过同一系统来完成，满足飞机客舱环境控制的需要，使高空飞行更加舒适、安全。
（资料来源：民航资源网.吴熙泰，2016-09-13.）
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