题目：有机朗肯循环在飞机环控系统中的应用研究

国内现役飞机普遍采用传统的飞机环控系统——空气循环制冷系统。为了给环控系统提供合适温度和压力的空气，通常使用冲压空气对发动机的高温高压引气进行预冷。在巡航状态下，发动机引气温度在300℃左右，有较多的热量需要通过预冷排出。但是，飞机上使用进气口引入冲压空气，会破坏飞机的气动外形，不利于飞机隐身。并且在飞行进行超音速巡航时，冲压空气由于温度过高而无法作为有效热沉。现代飞机必然会限制冲压空气的使用，寻求其他冷却来源。为了提高环控系统的制冷能力，减少飞机发动机引气和冲压空气，国内外对利用燃油作为热沉带走空气循环系统的热量做了大量研究。但是，由于燃油总量及最高散热温度受限，其散热能力受到很大限制。将有机朗肯循环技术应用到飞机环控系统中，不仅可以回收发动机引气热量进行发电，同时还能有效地降低低温燃油的使用量，较好的解决四代机热难题。本文围绕有机朗肯循环系统在飞机环控系统中的应用展开全面的研究。

首先，对有机朗肯循环（简称ORC）技术在飞机环控系统系统中的应用方案做出了研究。蒸发器和冷凝器应采用结构紧凑的翅片管式换热器和板翅式换热器；工质泵采用转速高、体积小、效率高的多级离心泵；膨胀机采用转速高的速度型膨胀机，与之对应的发电机采用体积小、质量轻、效率高的永磁同步发电机。

其次，按照有机工质的选择原则，初步选择了R113，R141b，R114等9中安全工质作为待选工质。通过对ORC系统数学模型的建立，结合Refprop物性软件，用matlab编写仿真程序，理论计算仿真分析了各个热力参数对系统性能的影响规律。最后得出：系统性能随着蒸发温度的升高而显著升高，随着冷凝温度的降低而略有升高；过热度和过冷度对系统性能影响较小；热源温度高于300℃时，随着热源温度和流量的升高，系统效率不再升高，但系统净功随之升高。通过对工质临界温度和ORC系统性能之间的关系的研究表明，当热源温度高于300℃时，有机工质的临界温度越高，对应的ORC系统最大循环效率越高。同时，通过对ORC系统效率、系统循环净功、系统蒸发压力、低温燃油使用量等角度对9中待选工质做出了评价，最后表明R113是最理想的有机工质。

最后，对ORC系统中的关键部件进行了设计分析。对系统中的高温段（引气温度由300℃降低到250℃）管翅式蒸发器，低温段（引气温度由250℃降低到100℃）板翅式蒸发器，高温段（以座舱和电子设备舱的混合空气为冷源）和低温段（以低温燃油为冷源）板翅式冷凝器进行了全面设计。在满足换热的前提下，设计出了四个质量最小的换热器，质量分别为：9.233kg、24.78kg、14.93kg和17.51kg。

本文的研究成果为ORC技术在飞机环控系统中的应用研究的开展奠定了理论基础，并对下一步试验研究的开展提供了理论指导，对我国节能型飞机的发展具有重要的理论意义和现实意义。