CN101881490B - 应用膜组件的高压除湿式飞机新型环境控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种采用高压空气膜除湿组件的飞机新型环境控制系统，通过膜组件对两轮升压式高压除水系统压气机出口的高压空气进行除湿，并将膜组件作为除湿/换热的全热换热器使用，与传统升压式高压除水飞机环境控制系统相比，本发明系统结构简单，不仅省去了原系统中的冷凝器和高压水分离器，大幅度降低了系统的重量；同时，膜组件的除湿过程靠水蒸汽的分压强差驱动、出口气体露点温度低，不仅避免了传统冷凝除水系统冷凝器内水蒸汽冷凝而引起的涡轮出口气流的冷量损失，而且没有对液态水和空气进行分离的过程；因此涡轮入口压强可以较高、可充分发挥涡轮高膨胀比、大温差降温的优势，本发明系统是一种结构简单、重量轻、节能高效的飞机新型环控系统。

Description

应用膜组件的高压除湿式飞机新型环境控制系统

技术领域

本发明提出一种采用高压空气膜除湿组件的飞机新型环境控制系统，通过膜组件对两轮升压式高压除水系统压气机出口的高压空气进行除湿，并将膜组件作为除湿/换热的全热换热器使用。

技术背景

随着各类飞机性能的提高，各种机载电子设备数量、功率、总发热量也迅速增加，由于电子设备所产生的热量一旦超出现有系统的制冷能力，其可靠性将大为降低。因此，研制高性能飞机环控系统是提高飞机综合性能的重要途径。这就对飞机环境控制系统提出了更高的要求：既要求系统能充分满足制冷功率需求，又要求系统性能系数高、重量轻、结构紧凑。

飞行器制冷系统直接与飞机的性能有关。因此，飞行器环境控制系统(ECS)的发展是与制冷系统的发展密切相关的。ECS中的制冷系统主要有两大类型：蒸发循环制冷系统和空气循环制冷系统。由于飞机上空气循环制冷的综合优势，目前大部分的飞机都采用了空气循环制冷系统。但当空气循环制冷系统在地面或低空应用时(如直升机、旅客机等)，外界环境的高湿条件会对飞机座舱和设备舱产生极大的影响：使得电子设备发生故障、降低环境控制系统的制冷量等。所以说系统除湿性能的高低，很大程度上决定了系统整体性能的优劣。为了提高飞机环境控制系统的制冷能力、减少对发动机的引气、并得到无液态水滴的干燥的电子设备冷却用冷空气，目前世界上多种先进飞机采用了高压除水式环境控制系统。该系统与低压除水系统相比，增加了高压冷凝器和高压水分离器，通过这两个部件达到对高压空气除湿的目的，在高压端除去水分，除水效率高，涡轮上游的高压空气含湿量大大降低，涡轮出口气流温度因而可以大幅度降低，从而提高了系统的制冷能力、降低了对飞机发动机的引气损失。但该系统部件多、结构复杂、重量增加多，且需要专门研制高性能、结构复杂的冷凝器和水分离器，系统成本大幅增加、维护性下降。

膜高压空气除湿技术避免了传统的湿空气冷凝除湿装置中水蒸汽的凝结过程，仅靠水蒸汽的分压强差驱动、无冷凝相变过程，也就避免了水蒸汽凝结散热必然引起的冷量损失，以及水蒸汽冷凝后必须进行的液态水与空气分离的复杂过程，具有高效、节能、免维护、寿命长等优点，非常适合高压空气的除湿和节能，对提高高压除水式飞机环境控制系统的性能、降低系统重量、简化系统构成具有很好的应用价值。

另一方面，虽然一般的高压空气膜除湿技术已成熟并已工业化生产，但目前应用膜除湿技术面临着一些问题，主要包括如何提高膜材料对水蒸汽的透过速率以降低膜面积等问题。实用有效的膜除湿换热器的设计是膜除湿应用的技术关键。

发明内容

考虑到现有技术的上述情况，并针对高压除水式空气循环系统需在高压侧除湿的特性，本发明人深入研究了飞机环境控制系统中高压空气的新型高性能除湿技术，提出了新颖的“高压空气膜除湿”飞机环境控制系统，不仅提高了该类系统的整体性能，同时也有助于提高飞机环境控制系统的综合能源利用效率。

针对传统升压式高压除水飞机环境控制系统的特点和不足，根据本发明的一个实施例，按照节能高效的原则，采用了一种除湿膜材料型膜组件(如中空纤维型膜组件)，代替两轮升压式高压除水系统中的冷凝器和水分离器，在系统高压侧对空气进行除湿，设备简单，操作方便，且脱湿后，空气露点可达-20℃以下，以求提高整个制冷系统的性能系数、减轻系统重量的要求。

与传统升压式高压除水飞机环境控制系统相比，本发明系统结构简单，不仅省去了原系统中的冷凝器和高压水分离器，大幅度降低了系统的重量；同时，膜组件的除湿过程靠水蒸汽的分压强差驱动、出口气体露点温度低，不仅避免了传统冷凝除水系统冷凝器内水蒸汽冷凝而引起的涡轮出口气流的冷量损失，而且没有对液态水和空气进行分离的过程；因此涡轮入口压强可以较高、可充分发挥涡轮高膨胀比、大温差降温的优势，本发明系统是一种结构简单、重量轻、节能高效的飞机新型环控系统。

根据本发明的一个方面，提供了一种飞机环境控制系统，其特征在于包括：

引气热交换/升压部分，用于对来自飞机发动机的引气进行降温和升压；

一个膜除湿换热器，用于对所述引气热交换/升压部分所输出的气体进行脱湿换热；其中，所述膜除湿换热器所输出的气体的一部分被分流作为所述膜除湿换热器的吹扫气流；

一个供气膨胀涡轮，用于对所述膜除湿换热器所输出的气体进行膨胀降温；

一个气体混和/抽送部分，用于把经过所述膜除湿换热器之后的吹扫气流与冲压空气混和，并把所述吹扫气流与冲压空气混和后形成的混和气流抽送至所述引气热交换/升压部分以作为所述引气热交换/升压部分的冷边气流。

附图说明

图1显示了根据本发明的一个实施例的两轮升压式膜高压除湿系统。

图2显示了根据本发明的另一个实施例的两轮升压式膜高压除湿系统。

图3显示了根据本发明的又一个实施例的两轮升压式膜高压除湿系统。

图4显示了可用作本发明的实施例中的膜除湿换热器的一种中空纤维型膜组件。

具体实施方式

如图1所示的本发明的两轮升压式膜高压除湿系统的实施例包括：初级热交换器1、次级热交换器2、压气机3、膜除湿换热器4、小型涡轮5、风扇6以及大涡轮7。

该系统的运作方式是：发动机引气经初级换热器1降温后进入压气机3，在压气机3内被压缩后，温度和压强均得到相应的提高，之后这部分高温高压的空气在次级换热器2得到冷却，并进入膜除湿换热器4进行脱湿换热，最后通过涡轮7膨胀降温供给座舱或设备舱。膜除湿换热器4的吹扫气流为膜除湿换热器4出口已脱湿空气的一部分，吹扫气流可以将膜除湿换热器渗透侧的水蒸气及时带走，并经小涡轮5降温降压后，与冲压空气混合，经由风扇6抽吸，做为初级热交换器1和次级热交换器2的冷边气流，使来自高压引气的吹扫气流部分所含可用功得到有效的回收利用。

其中，压气机3由涡轮7轴功传动，风扇6由小涡轮5轴功传动，从而相应地节省能量。

该系统的有益特点包括：

-利用发动机引气，并且经涡轮驱动的压气机3进一步增压，可以充分保证膜除湿器4高压侧所需较高压强；

-压气机3出口气流在流经膜除湿换热器4前先经过较为充分的冷却，这样可以避免膜除湿换热器热边工作温度过高而带来的膜制作和性能方面的问题；

-采用膜组件4对次级热交换器2出口高压空气进行除湿，可以将空气的露点温度降到较低的水平；

-取膜组件4出口处已经除湿的空气做为其渗透侧的吹扫风，在膜除湿换热器4内与湿空气进行充分的湿传递之后，将这部分空气送入小型涡轮5与冲压空气混合后经风扇6抽吸依次输入次级换热器2和初级热交换器1，使这部分来自高压引气的吹扫气流部分所含可用功得到有效的回收利用；

-小型涡轮5的膨胀功用来传动风扇6，用其抽吸热交换器1和2的冷边空气，这样不仅节省能量，而且可以有效改善热交换器的性能；

-与传统升压式高压除水系统相比，该系统结构简单，而且涡轮7入口压强可以较高、可充分发挥大涡轮高膨胀比、大温差降温的优势；

-系统采用低温送风，降低了系统的送风量，也意味降低了从飞机发动机的引起量，提高了系统的总体性能。

图2所示实施例的两轮升压式膜高压除湿系统与图1相比，是将图1中的小型涡轮5以及风扇6用图2中的引射器21替代，膜除湿换热器4出口的吹扫气流经引射器(21)将所述冲压空气引射后送至所述引气热交换/升压部分(1，2，3)，作为所述引气热交换/升压部分(1，2，3)的冷边气流，与高温高压的发动机引气进行换热，这种方案使得系统设计更加简单。

图3所示实施例的两轮升压式膜高压除湿系统包括：热交换器1、压气机3、膜除湿换热器4、小型涡轮5、风扇6以及涡轮7。与图1和图2所示实施例的系统相比，图3所示实施例的系统同样取膜除湿换热器4出口处已经除湿的空气做为膜组件渗透侧的吹扫风，但这部分吹扫气流在进入膜除湿换热器4之前，先经过一个小型涡轮5降温降压，使得膜组件高压侧和低压侧拥有较大的压差和温度差，使两侧空气之间的除湿和换热能够更加充分地进行，之后将这部分的吹扫气流与冲压空气混合后经风扇6抽吸进入热交换器1，使这部分空气中所含的冷量得到更有效的利用。而且，该系统还省去了次级热交换器2，进一步减轻了系统的重量。

本发明涉及的膜材料根据具体应用条件和环境，可以选取有机膜或者无机膜。其中有机膜材料技术较为成熟，但适用温度范围有限：无机膜具有耐热、耐化学腐蚀的优点和良好的机械强度，特别适合于高温气体分离过程，即机载环境控制系统高压空气水蒸汽分离膜。

在根据本发明的一个实施例中，膜除湿换热器4的形式可以采用如图4所示的中空纤维膜密集列管式结构，高、低压气流均可满足压降要求。图4所示的中空纤维膜组件的结构基本上类似列管式换热器，在能承受高压的钢壳体41内，装入由上万根中空纤维膜捆扎而成的管束42，纤维束的中心轴部安装一根湿空气分布管43。使用时，需要除湿的空气由管的一端的湿空气入口44进入，在分布管43内径向流动，脱湿后的干空气从另一端的干空气出口45排出，吹扫气从管侧壁上的吹扫气入口46进入，并携带脱除的水蒸气沿管壳壁流动，并从管侧壁上的吹扫气出口47排除，吹扫气和湿空气在膜除湿换热器4中交换湿和热。中空纤维膜组件具有如下优点：

①膜呈自支撑结构，无需另加其它支撑体，可大大简化组装成膜组件时的复杂性。

②它具有很高的装填密度，可以提供很大的比表面积。

③可以耐很高的压强，具有在高压下不发生形变的强度。

因此，将高压空气膜除湿技术应用于飞机环境控制系统的高压空气除湿，可以充分发挥其高效、节能、重量轻、设备简单的优点，对减轻升压式高压除水飞机环境控制系统的重量、提高系统性能系数、降低代偿损失等多方面都将起到重要的推动作用。由此可见，本发明的“高压膜除湿飞机环境控制系统”是一种性能优良的新型飞机环境控制系统。

Claims (10)

1.一种飞机环境控制系统，其特征在于包括：

引气热交换/升压部分（1，2，3），用于对来自飞机发动机的引气进行降温和升压；

一个膜除湿换热器（4），用于对所述引气热交换/升压部分（1，2，3）所输出的气体进行脱湿换热；其中，所述膜除湿换热器（4）所输出的气体的一部分被分流作为所述膜除湿换热器（4）的吹扫气流；

一个供气膨胀涡轮（7），用于对所述膜除湿换热器（4）所输出的气体进行膨胀降温；

一个气体混和/抽送部分（6，21），用于把经过所述膜除湿换热器（4）之后的吹扫气流与冲压空气混和，并把所述吹扫气流与冲压空气混和后形成的混和气流抽送至所述引气热交换/升压部分（1，2，3）以作为所述引气热交换/升压部分（1，2，3）的冷边气流。

2.如权利要求1所述的飞机环境控制系统，其特征在于所述气体混和/抽送部分（6，21）包括一个风扇。

3.如权利要求1所述的飞机环境控制系统，其特征在于所述气体混和/抽送部分（6，21）包括一个引射器。

4.根据权利要求2所述的飞机环境控制系统，其特征在于进一步包括：

一个吹扫气流涡轮（5），用于对经过所述膜除湿换热器（4）之后的所述吹扫气流进行降温降压。

5.根据权利要求4所述的飞机环境控制系统，其特征在于所述吹扫气流涡轮（5）对所述风扇（6）进行轴功传动。

6.根据权利要求1所述的飞机环境控制系统，其特征在于所述气体混和/抽送部分（6，21）包括一个引射器（21），经过所述膜除湿换热器（4）之后的所述吹扫气流经引射器（21）将所述冲压空气引射后送至所述引气热交换/升压部分（1，2，3）以作为所述引气热交换/升压部分（1，2，3）的冷边气流。

7.根据权利要求1所述的飞机环境控制系统，其特征在于：

所述引气热交换/升压部分（1，2，3）进一步包括：

一个初级热交换器（1），用于接收来自发动机的所述引气并对所述引气进行降温；以及，

一个压气机（3），用于对所述初级热交换器（1）输出的气流进行升压，

所述飞机环境控制系统进一步包括一个吹扫气流涡轮（5），用于对进入所述膜除湿换热器（4）之前的所述吹扫气流进行降温降压，

所述气体混和/抽送部分（6，21）进一步包括一个风扇（6），用于对述混和气流进行抽送，从而使所述混和气流作为冷边气流通过所述热交换器（1）。

8.根据权利要求7所述的飞机环境控制系统，其特征在于所述吹扫气流涡轮（5）对所述风扇（6）进行轴功传动。

9.根据权利要求7或8所述的飞机环境控制系统，其特征在于所述供气膨胀涡轮（7）对所述压气机（3）进行轴功传动。

10.根据权利要求1所述的飞机环境控制系统，其特征在于所述膜除湿换热器（4）具有中空纤维膜密集列管式结构。

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