CN101844621B - 多电飞行器的机载冷热电联产系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于多电飞行器上的混合辅助动力发电装置与氨水吸收式制冷装置相联立的机载冷热电联产系统,它包括:混合辅助动力发电装置和氨水吸收式制冷装置;混合辅助动力发电装置主要包括微型燃气轮机、高温氧化物燃料电池、压缩机等;高温氧化物燃料电池用于产生电能,微型燃气轮机利用高温氧化物燃料电池产生的余热废气不但能为压缩机提供动力,而且还可以产生电能。氨水吸收式制冷装置主要包括发生器、冷凝发生器、冷凝器、蒸发器等;氨水吸收式制冷装置利用微型燃气轮机排出的余热进行制冷,达到冷却航空电子设备的目的;此制冷装置充分利用的余热废气经一系列处理后,又可以冷却部分电子设备。本发明既节电,又节能。
Description
本申请是中国专利申请第200910085983.2号的分案申请。
技术领域
本装置涉及一种用于多电飞行器的制冷、电力的混合辅助动力发电装置与吸收式制冷装置联立的机载冷热电联产系统。
背景技术
多电飞行器是现代飞行器技术发展的重要趋势之一,多电飞行器用统一的电作装置取代了传统的液压、气动及机械作动装置,使其二次能源系统的结构与布局教传统飞行器都大为简化,不但起到了提高飞行器的操控灵活性、可靠性的作用,而且在很大程度减少了飞行器二次能源系统的重量和飞行代偿损失,在大型民航飞机及军用飞机上都有日益广泛的应用,如空客生产的A380、波音生产的777等大型民航客机都已采用多电飞行器方案,某些第四代作战飞机采用的也是典型的多电飞行器方案。
在多电飞行器技术在航空领域应用不断增多的形式下,其能源与环境控制系统却仍存在不少值得进一步研究的关键问题,集中表现为飞行器上并存大量的冷、电、热负荷需求,但却采用典型的冷热电分产、分供方案,从而出现一方面飞行器发电装置有大量余热没有得到充分利用,造成飞行器热管理系统的负担大幅增加,另一方面飞行器环境控制系统使用电动空调完成制冷、供热任务,不但热经济性不高,而且进一步加大了多电飞行器上的用电负荷。据文献报道,由于用统一的电作动装置取代了传统的液压、气动及机械作动装置,使得多电飞行器的用电需求和用电负荷远超出传统飞行器,目前一架多电战斗机的用电负荷也高达125Kw,而一架305座的多电民航客机的用电负荷已高达405Kw,由于用电需求大增,为了避免联立式发电装置对飞机推进系统性能指标造成过大的负面影响,多数多电飞行器已因此采用独立于飞机推进系统的发电装置,例如,为波音777客机研发的APU(辅助动力装置)发电装置的发电功率已高达440Kw,可资利用的高品质发电余热已高达300Kw以上。如不对这样的余热加以合理利用,会对飞行器的热管理系统带来巨大的负担;由于多数用电装置消耗掉的电负荷会在相当大程度上最终转化为热量,用电负荷大幅度增加还会相应大幅提高飞行器环境控制系统的冷量需求,由于目前多电飞行器的环控系统一般采用电动空调技术,无疑会进一步增加飞行器的用电需求,加上目前飞行器的电动空调一般采用的是空气压缩式制冷循环,这就进一步降低了多电飞行器能源与环境控制系统的热经济性。
航空煤油的主要成分为烷烃和烯烃的组合物,其分子式可以表示为CmHn(m为10-18,n为22-38)。高温氧化物燃料电池(SOFC)与微型燃气轮机(MGT)组成的混合APU发电装置是以燃料(航空煤油)为能源的联合发电装置,它的结构主要包括七个部分:1.微型燃气轮机;2.压缩机(空气压缩机与燃料压缩机);3.燃烧器;4.重整器;5.发电机;6.高温氧化物燃料电池;7.热交换器;其工作原理为:首先,航空煤油进入燃料压缩机后被压缩至300-400kPa,然后经过热交换器与透平机的废气进行第一次热交换,接着被输送至第二级的热交换器,与燃烧室里排出的较高温度的二级废热进行第二次热交换,经过二次加热后,被压缩后的航空煤油进入重整器内进行重整反应。在重整器内,有一部分航空煤油发生重整,其反应式为(1),此外水蒸气还进行转换反应,反应式为(2)。总的反应式可以表示为(3)。重整后的产物被输送至SOFC的阳极。在SOFC内,未被重整的航空煤油在此进一步得到重整,最后得到可以用来利用的CO和H2。
CmHn+mH2O→mCO+(m+0.5n)H2 (1)
CO+H2O→CO2+H2 (2)
CmHn+2mH2O→mCO2+(2m+0.5n)H2 (3)
外部空气经压缩机增压到约300-400kPa引入,也在热交换器内进行类似的二次热交换,然后被供至SOFC的阴极。
至此,燃料电池的阳极与阴极均有足够的物质进行反应,从而产生电能。其中SOFC阳极上的反应式为(4)、(5),阴极部分的反应式为(6)。
H2+O2-→H2O+2e- (4)
CO+O2-→CO2+2e- (5)
为了充分利用燃料,分别用一个功率大小为10Kw左右的环流风机将阳极未充分反应的航空煤油、CO和H2,以及阴极排放物再输送至相对应的SOFC的阳极与阴极,再次进行反应。同时,可以将充分利用后的阳极排放物与阴极排放物在燃烧室内燃烧,燃烧式为(7)、(8)、(9)、(10),燃烧后可以将温度提升到1000℃以上,可以先加热重整器,以便重整器内的重整反应能进行充分,废热通过热交换器进一步被利用,被利用后的废热(700℃左右)足以满足燃气轮机的需要。热和压差驱动燃气轮机无需要额外的燃料就发出更多的电能,其废热在预热压缩机出口的空气后还可用于加热进入重整器的燃料。燃烧器中的燃烧反应:
CmHn+0.5mO2→mCO+0.5nH2 (7)
CmHn+0.5mH2O+0.25O2→mCO+(0.5m+0.5n)H2 (8)
2H2+O2→3H2O (9)
CO+0.5O2→CO2 (10)
透平机排出的废气经两次热交换后,温度降低至270℃左右。此部分废热被排入大气中,造成能源的浪费。
氨水吸收式制冷装置主要包括发生器、冷凝发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液泵、热交换器、两个节流阀(包括一个膨胀阀和一个减压阀)以及储氨器。它的工作原理如下:质量分数为w1的fkg浓氨水溶液进入发生器,在发生器内通过热交换器被微型燃气轮机排出的废热加热;吸收热量后产生Rkg质量分数为w3的氨气,压力为ph,其中含有较多的水分。这些较浓的氨气进入冷凝发生器中,重新发生形成1kg质量分数为w5的浓氨气,压力变为pa,剩余的(R-1)kg比较浓的氨水溶液直接进入储氨器中。从冷凝发生器出来的几乎是纯氨的蒸汽进入冷凝器,在等压、等质量分数条件下冷凝成液体。液氨经过膨胀阀,压力下降到蒸发压力p1后进入蒸发器。在蒸发器内,液氨吸收物体的热量而气化,进入吸收器内。另一方面,从发生器底部排出的质量分数为wa的(f-R)kg稀溶液,在溶液热交换器内温度下降,经过减压阀压力下降到p1;进入吸收器,吸收由蒸发器产生的1kg氨气,形成(f-R+1)kg质量分数为w9的浓溶液,吸收过程产生的热量被冷却水带走。吸收器内的浓溶液经溶液屏蔽泵后压力提高;再经溶液热交换器加热,温度升高,进入储氨器S中,与从冷凝发生器出来的(R-1)kg浓溶液混合,形成质量分数为w1的fkg浓溶液,最后进入发生器,循环重复进行。
在此氨水吸收式制冷装置中,用冷凝发生器来代替了传统的精馏塔,这主要是因为精馏塔的安装工艺要求比较高,整个塔体与竖直面间的夹角要求在3°-5°,因而不能用在飞行器的制冷系统循环中。冷凝发生器采用的是升膜理论,根据升膜理论,具有特殊表面刻槽的水平横管外壁下缘与液体水平表面相切或微微浸入液体,只要液体在管壁达到适当的蒸发温度,液体在湿润力作用下,沿管外壁向上运动形成覆盖全管壁的升膜并且蒸发。由于沿管壁周向存在温度梯度;在管壁周向各处的润湿作用不同,从而随着蒸发持续形成稳定的升膜。具体的循环过程为:从发生器产生的R kg质量分数为w3的氨气进入螺旋管,这些氨气的焓值比较大,并且其中含有较多的水分。螺旋管为一盲管,氨气只能从管壁下面的小孔排出。这些氨气经过热管的冷却及小孔的节流作用,冷凝成液体,聚集在螺旋槽管的底部,使得螺旋管的螺纹部分微浸在浓氨水中,如上所述的升膜现象。当液体遇到热的管壁,在管壁的表面形成均匀的升膜,并迅速蒸发,形成二次发生。这样所产生的氨气的质量分数接近于1,从出口排出,经冷凝器后再节流直接进入蒸发器。发生剩余的稀溶液从稀溶液出口排出,直接进入储氨器中。
上述的混合APU发电装置与氨水吸收式制冷装置要得到冷、热和电都必须消耗能源,而现在全球面临的问题恰恰是能源紧缺,油价上涨。因此,有必要对现行的多电飞行器上的能源装置以及电力空调系统做一些改进措施。
发明内容
本发明提供了混合APU发电装置与氨水吸收式制冷装置联立的机载冷热电联产系统,能够更加充分、有效地利用能源,一方面可以达到多电飞行器400kw-500kw的功率要求,另一方面又能够达到节电、节能的要求。
根据本发明的一个方面,提供了一种多电飞行器的机载冷热电联产系统,其特征在于包括:
高温氧化物燃料电池,用于产生电能;
微型燃气轮机,用于利用所述高温氧化物燃料电池的余热废气提供动力;
氨水吸收式制冷装置,用于利用所述微型燃气轮机的余热进行制冷,
其中所述氨水吸收式制冷装置包括:
一个储氨器,
一个发生器,其接收来自所述储氨器的氨水溶液,
一个第一热交换器,用于使所述发生器与所述高温氧化物燃料电池的所述余热废气进行热交换,从而对所述发生器中的氨水溶液进行加热,
一个冷凝发生器,用于接收来自所述发生器的所述氨水溶液,
设置在所述第一热交换器下游的一个第二热交换器,用于使所述冷凝发生器与所述余热废气进行热交换,以加热冷凝发生器,从而产生氨气,
一个冷凝器,用于接收来自所述冷凝发生器的所述氨气,并产生液氨,
一个膨胀阀,用于使来自所述冷凝器的所述液氨变成压强为蒸发压强的液氨,
一个蒸发器,用于通过所述膨胀阀从所述冷凝器得到压强为蒸发压强的液氨,并通过一个水冷环吸收所述飞行器上的航空电子设备的发出的热量,达到制冷的目的,
一个水/气体热交换器,用于通过一个水热环闭合回路与所述冷凝器进行热交换,从而使所述冷凝器对来自所述第二热交换器的所述余热废气降温,
且所述多电飞行器的机载冷热电联产系统进一步包括:
一个压缩机,用于对从所述第二热交换器流向所述水/气体热交换器的所述余热废气加压,并作为一动力装置,用于余热废气的引入,
一个冷却涡轮,用于冷却流经所述水/气体热交换器的所述余热废气,从而可以用来冷却所述飞行器的航空电子设备。
附图说明
图1为本冷热电联产系统的流程图。
图2为SOFC/MGT的混合APU发电装置的循环结构图。
图3为氨水吸收式制冷装置的流程图。
图4为冷凝发生器结构示意图。
具体实施方式
本发明采取了一种混合APU发电装置与氨水吸收式制冷装置联立的机载冷热电联产系统,所述的混合APU发电装置包括:微型燃气轮机、压缩机(空气压缩机与燃料压缩机)、燃烧器、重整器、发电机、高温氧化物燃料电池、热交换器、环流风机。所述的空气压缩机和燃料压缩机是用来对空气与燃料进行300kpa-400kpa后引入燃料电池系统的,所述的重整器是用来对燃料(航空煤油)进行重整的,以便得到富氢气体的,其内部进行的重整反应式为(1)、(2)、(3)。所述的高温氧化物燃料电池是用来进行发电,其阳极上的反应式为(4)、(5),阴极部分的反应式为(6);而环流风机的使用则是充分提高燃料电池两极气体的利用率。所述的燃烧器是将阳极排放物和阴极排放物进行燃烧,以便将气体温度提高至1000℃以上,其内部燃烧的反应式为(7)、(8)、(9)、(10)。所述的微型燃气轮机主要来利用经过两次热交换后的高温气体,一来可以驱动压缩机,二来还可以通过发电机来产生电能;
所述的氨水吸收式制冷装置包括:发生器、冷凝发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液泵、热交换器、两个节流阀(包括一个膨胀阀和一个减压阀)、储氨器、压缩机、水/气体热交换器、冷却涡轮、水分离器。
所述的发生器是用来加热浓氨水溶液,产生较浓的氨气。如图4所示,冷凝发生器305(图3)内有节流孔401、热管402、入口403、出口404、稀溶液出口405以及螺旋管406,氨气在冷凝发生器内经过热管的冷却及小孔的节流作用,冷凝成液体,聚集在螺旋槽管的底部,使得螺旋管的螺纹部分微浸在浓氨水中,当液体遇到热的管壁,在管壁的表面形成均匀的升膜,并迅速蒸发,形成二次发生。这样所产生的氨气的质量分数接近于1,从出口排出,经冷凝器后再节流直接进入蒸发器,发生剩余的稀溶液从稀溶液出口排出,直接进入储氨器中。冷凝发生器采用的是升膜理论,根据升膜理论,具有特殊表面刻槽的水平横管外壁下缘与液体水平表面相切或微微浸入液体,只要液体在管壁达到适当的蒸发温度,液体在湿润力作用下,沿管外壁向上运动形成覆盖全管壁的升膜并且蒸发。由于沿管壁周向存在温度梯度;在管壁周向各处的润湿作用不同,从而随着蒸发持续形成稳定的升膜。
所述的冷凝器采用的冷却工况为水冷,主要是在等压、等质量分数条件下将从冷凝发生器出来的几乎是纯氨的蒸汽冷凝成液体;所述的膨胀阀作用是将流入蒸发器的液氨的压力下降到蒸发压力,以便液氨能够吸收足量多的热量;所述的蒸发器,在其内,液氨吸收外部的冷水的热量而气化,而冷水则可以用来冷却航空电子设备。所述的吸收器内,由发生器底部排出的稀氨水溶液经热交换器和减压阀后吸收来自蒸发器的氨气,从而形成浓溶液,吸收过程产生的热量被外部冷却水带走。所述的溶液泵为溶液屏蔽泵,主要是来提高浓氨水溶液的压力;所述的减压阀是降低流入吸收器的稀氨水溶液的压力;所述的热交换器为溶液热交换器,降低即将流入吸收器的稀氨水溶液温度,提高即将流入储氨器的浓氨水溶液的温度。所述的储氨器用来储存氨水溶液,便于整个循环的重复进行。所述的压缩机是用来对经过二次热交换的气体进行压缩的,其次作为一动力装置,也用于余热废气的引入。所述的冷却涡轮是用于冷却流经水/气体热交换器的所述余热废气,从而可以用来冷却所述飞行器的航空电子设备。所述的水/气体热交换器则是交换水与气体的热量,可以使水热环中到水的温度减低,而温度升高的气体则会被冷却涡轮再度冷却后进入水分离器,所述的水分离器的作用是除去压缩气体中的水分。
所述的混合APU发电装置通过热交换器与所述的氨水吸收式制冷装置的发生器的换热管相连接。
本发明的优点包括:
(1)本系统由于采用以上设计方案,混合APU发电装置中微型燃气轮机排出的高品质余热被用于氨水吸收式制冷装置制冷,使能源按“先功后热”的顺序利用,使混合APU发电装置和氨水吸收式制冷装置联立,对燃料的利用率达到理想的要求。本发明采用重整后的航空煤油与外部空气在高温氧化物燃料电池内发生电化学反应来产生电能,并利用在燃料电池内未反应的排放物在燃烧器内燃烧产生的高品位热能在微型燃气轮机内做功,用其高品质余热做为氨水吸收式制冷机的制冷供热热管的机载的冷热电联产系统。其等效发电所消耗的航空煤油比混合APU发电装置与空气压缩式制冷联立的系统要低得多;
(2)混合APU发电装置中微型燃气轮机排出的余热废气得到了充分利用,一方面能够为氨水吸收式制冷装置提供热量,另一方面也可以经过一系列的降温、压缩、除湿等处理后用来冷却飞行器的航空电子设备,实现了结构的简化;
(3)氨水吸收式制冷装置首次在多电飞行器上的使用,充分利用了混合APU发电装置产生的高品质余热,避免了这部分热量的损失,实现了燃料的合理利用。
以下进一步结合附图描述本发明的实施例。
如图1所示意显示的本发明的实施例为高温氧化物燃料电池(SOFC)101/微型燃气轮机(MGT)102的混合APU发电装置与氨水吸收式制冷装置103联立的系统,包括:SOFC/MGT的混合APU发电装置101、102和氨水吸收式制冷装置103。燃料(航空煤油)经过预加热后被送至SOFC 101的阳极部分,与输送至阴极的被压缩的空气发生电化学反应,从而产生电能。同时,SOFC 101产生的余热又被送至微型燃气轮机(MGT)102内,从而再重新利用,微型燃气轮机102分别通过普通的轴与空气压缩机以及发电机相连,这样,微型燃气轮机102可以为空气压缩机提供动力,又可以通过发电机产生一部分电能。微型燃气轮机102排出的高品质余热作为下级氨水吸收式制冷装置103的驱动热源,从而被再次使用,最后,氨水吸收式制冷装置103排出的废气、废热再输送至热管理系统进行处理(如排出机外)。
图2示意显示了根据本发明的一个实施例中的SOFC/MGT混合APU发电装置配置,其包括:微型燃气轮机、空气压缩机、燃料压缩机、燃烧器、重整器、发电机、高温氧化物燃料电池、热交换器、环流风机;燃料压缩机211至SOFC阳极203间,有两级热交换器208、209相联结,分别利用MGT排出的废热与燃烧室201产生的高温热气来提高进入SOFC阳极203的航空煤油的温度,以达到SOFC所要求的反应温度;重整器206与燃烧室201的高温热气的出口相连,可以增大重整反应的速率,充分提高航空煤油的重整率;SOFC的阳极203与阴极204的出口分别通过环流风机202与其相应的入口相连接,可以充分提高燃料的利用率;燃气轮机102分别通过轴与燃料压缩机211、空气压缩机210以及发电机213相连,这样既可以为压缩机210、211提供机械能,又能产生一定的电能;燃气轮机102废热的出口通过热交换器209与氨水吸收式制冷装置的发生器相连接。
图3示意显示了根据本发明的一个实施例中的氨水吸收式制冷装置的配置,其中:发生器302、冷凝发生器305、冷凝器308、蒸发器314、吸收器317、溶液泵319、热交换器304、301、320、膨胀阀313、减压阀318、储氨器303、压缩机306、水/气体热交换器307、冷却涡轮310、水分离器311等。
发生器302分别与热交换器301、吸收器317、冷凝发生器305以及储氨器303相连。发生器302利用储氨器303提供的氨水溶液做为制冷剂,通过从热交换器301所得的热量对氨水溶液进行加热,同时向冷凝发生器305和吸收器317分别提供氨水溶液和氨气。
冷凝发生器305分别与热交换器304、冷凝器308和储氨器303相连,用于利用从热交换器304获得的热量来加热冷凝发生器305的螺旋管壁406(图4),从而产生纯氨气,并把氨气输入冷凝器308中,同时向储氨器303中输送发生所剩余的稀氨水溶液。
冷凝器308与水/气体热交换器307构成一个水热环闭合回路,从而可以通过冷却水对冷凝器308进行冷却。压缩机306分别与热交换器304和水/气体热交换器307相连,一方面对来自热交换器304的余热废气进行压缩,另一方面向水/气体热交换器307提供压缩后的低温气体。水/气体热交换器307与冷却涡轮310和压缩机306相连,从而可以冷却一部分航空电子设备。
蒸发器314通过膨胀阀313与冷凝器308相连,并通过冷水循环与机载电子设备进行热交换,从而既从冷凝器308得到了压强为蒸发压强的液氨,液氨在蒸发器314中蒸发吸热,从而可以达到冷却机载电子设备的目的。
吸收器317通过减压阀318和溶液热交换器320相连,并与发生器302相连,可以获得来自发生器302的低压强、低温度的稀氨水溶液;吸收器317还通过溶液泵319和溶液热交换器320而与储氨器303相连,从而可以为储氨器303提供高压高温的浓氨水溶液;通过吸收器317的冷却水循环将吸收器317中的反应所产生的热量带走。冷却水循环由一个泵316驱动。
本设计的SOFC/MGT的混合APU发电装置与氨水吸收式制冷装置联立的冷热电联产系统,其中的氨水吸收式制冷装置可以用微型燃气轮机产生的高品质余热为发生器提供热源。因此本设计的SOFC/MGT的混合APU发电装置与氨水吸收式制冷装置联立的冷热电联产系统可以充分利用微型燃气轮机的余热,达到节约能源的目的。
Claims (3)
1.多电飞行器的机载冷热电联产系统,其特征在于包括:
高温氧化物燃料电池(101),用于产生电能;
微型燃气轮机(102),用于利用所述高温氧化物燃料电池(101)的余热废气提供动力;
氨水吸收式制冷装置(103),用于利用所述微型燃气轮机(102)的余热进行制冷,
其中所述氨水吸收式制冷装置(103)包括:
一个储氨器(303),
一个发生器(302),其接收来自所述储氨器(303)的氨水溶液,
一个第一热交换器(301),用于使所述发生器(302)与所述高温氧化物燃料电池(101)的所述余热废气进行热交换,从而对所述发生器(302)中的氨水溶液进行加热,
一个冷凝发生器(305),用于接收来自所述发生器(302)的所述氨水溶液,
设置在所述第一热交换器(301)下游的一个第二热交换器(304),用于使所述冷凝发生器(305)与所述余热废气进行热交换,以加热冷凝发生器(305),从而产生氨气,
一个冷凝器(308),用于接收来自所述冷凝发生器(3 05)的所述氨气,并产生液氨,
一个膨胀阀(313),用于使来自所述冷凝器(308)的所述液氨变成压强为蒸发压强的液氨,
一个蒸发器(314),用于通过所述膨胀阀(313)从所述冷凝器(308)得到压强为蒸发压强的液氨,并通过一个水冷环吸收所述飞行器上的航空电子设备(312)的发出的热量,达到制冷的目的,
一个水/气体热交换器(307),用于通过一个水热环闭合回路与所述冷凝器(308)进行热交换,且所述多电飞行器的机载冷热电联产系统进一步包括:
一个压缩机(306),用于对从所述第二热交换器(304)流向所述水/气体热交换器(307)的所述余热废气加压,并作为一动力装置,用于余热废气的引入,
一个冷却涡轮(310),用于冷却流经所述水/气体热交换器(307)的所述余热废气,从而可以用来冷却所述飞行器的航空电子设备(312)。
2.如权利要求1所述的多电飞行器的机载冷热电联产系统,其特征在于所述冷凝发生器(305)是升膜冷凝发生器并包括螺旋管壁,用于利用从热交换器(304)获得的热量来加热所述螺旋管壁,从而产生氨气,并用于向所述冷凝器(308)提供所产生的氨气。
3.如权利要求1所述的多电飞行器的机载冷热电联产系统,其特征在于氨水吸收式制冷装置(103)进一步包括:
一个减压阀(318),
一个吸收器(317),其通过所述减压阀(318)与所述发生器(302)相连从而可以获得来自所述发生器(302)的低压低温的稀氨水溶液,并用于吸收来自所述蒸发器(314)氨气,且所述吸收器(317)还与所述储氨器(303)相连从而可以向所述储氨器(303)提供高压高温的浓氨水溶液,
一个溶液热交换器(320),用于使从所述发生器(302)流向所述吸收器(317)的所述低压低温的稀氨水溶液与从所述吸收器(317)流向所述储氨器(303)所述高压高温的浓氨水溶液进行热交换,
一个冷却水循环泵(316),用于提供对所述吸收器(317)进行冷却的一个冷却水循环。
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