CN102616380A - 一种基于机载能源综合回收利用的飞机座舱制冷/净化一体化系统 - Google Patents

一种基于机载能源综合回收利用的飞机座舱制冷/净化一体化系统 Download PDF

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Abstract

一种基于机载能源综合回收利用的飞机座舱制冷/净化一体化系统，其特征在于包括：联合使用飞机制冷包组件和可再生净化组件，用四流换热器实现多流冷热空气换热，实现机载制冷包组件高温废热源能量的回收和用于可再生净化组件再生，减小飞机冲压空气引入量，从而减小飞行阻力；可再生净化组件降低了座舱再循环空气中的污染物浓度，有效改善座舱空气质量，从而可以降低飞机新风量，实现降低飞机能耗的目的；由于可再生净化组件采用的是转轮净化再生方式，系统工作可靠性高，可长期工作，不需要频繁的组件更换；可再生净化组件采用硅胶作用净化介质，适合飞机座舱低湿环境使用，空气净化效果更好，再生温度低；使用座舱再循环空气作为可再生净化组件的再生空气，而不使用新鲜空气再生，有助于进一步节约飞机能耗。

Description

一种基于机载能源综合回收利用的飞机座舱制冷/净化一体化系统
技术领域
本发明涉及一种新型的飞机座舱制冷/净化一体化系统，适用于民机及运输机的座舱温度和湿度环境控制和再循环空气净化的联合使用。
背景技术
飞机制冷包系统是飞机重要的子系统，它有两个作用：用于向飞机座舱提供新鲜空气，以及控制该空气温度达到适宜值后供入飞机座舱。图1显示了一个现有技术的典型飞机制冷包系统和再循环空气系统的示意图。新鲜空气101是由发动机引气(传统飞机)或空高引气(多电飞机)后进入飞机制冷包系统102，与飞机再循环空气105经高效过滤器108处理后，在再循环风机109作用下进入混合腔103与新鲜空气混合，经空气分配管路104进入飞机座舱106，飞机调压阀107会控制排出与新鲜空气等量的座舱再循环空气。
飞机制冷包系统是飞机重要能耗系统，因为进入飞机制冷包系统的新鲜空气量的大小直接与该系统的能耗相关。新鲜空气量越小飞机越节能，但新鲜空气量是由适航标准要求。适航标准要求供入的新鲜空气量要使得飞机座舱有害气体成分低于其规定的限制，所以目前大型民机在采用再循环空气后它的新风量一般为4～5L/s/人。人数越多，飞机制冷包系统提供的新鲜空气量越多，飞机的能耗也越大。所以，如果为飞机配置良好的空气净化系统用来处理再循环空气，这样就可以降低飞机能耗。目前民机现有技术是采用高效过滤器，对于灰尘等大颗粒的污染物过滤效果较优，但该现有技术面临以下问题：对于诸如VOC(挥发性有机化合物)等气态污染物无作用，所以目前飞机是以代价昂贵的新鲜空气高通风效率来保障座舱高空气品质要求，造成飞机能耗大。
由于硅胶无色无味、具有高效污染净化和除湿双重功能、再生温度低等多项优点，本项发明将基于硅胶为净化再生介质，用于飞机座舱气态微量污染净化。但是由于存在如下问题使得该发明不能直接应用于飞机上：
(1)由于飞机机载能源紧张，不能用飞机外新鲜空气作为再生空气；
(2)飞机座舱是加压座舱(舱内压力为80kPa，舱外压力为20kPa)，所以再生废气不能直接排出舱外；
(3)在飞机上不能直接采用电加热器用于净化组件再生侧加热再生，这会增加飞机的能耗，必须寻找新的能量途径作为再生加热；
(4)由于飞机座舱为密闭空间，被再生空气(要净化的再循环空气)、再生废气同在一个空间内，不能将上述两类气体采用开放式管理，必须采用封闭式气体管路。
由于上述问题，本发明提出一种基于机载能源综合回收利用的飞机座舱制冷/净化一体化系统，用于实现飞机机载应用。
发明内容
根据本发明的一个方面，对净化组件和制冷包组件进行联合使用，有效地把机载制冷包高温压缩空气热能能量加热部分再循环空气回收利用于净化组件再生，利用可再生净化组件净化再循环空气，为飞机座舱提供更良好空气品质，从而可减小飞机新风供给量并保证适航标准对座舱有害气体成分的要求，进而降低飞机发动机引气量，实现降低飞机能耗和维持费用的目的。
根据本发明的一个方面，提供了一种基于机载能源回收利用的飞机座舱制冷/净化一体化系统，适用于民机及军用运输机，其特征在于包括：
可再生净化组件，用于净化座舱再循环空气中气态污染物；
四流换热器，由初散换热器、次散换热器和再生预热器组成，用于回收利用机载制冷包高温压缩空气热能；
再生循环风机，用于为进入可再生净化组件的再生空气提供动力；
净化空气管路，座舱再循环空气经可再生净化组件净化后经过该管路进入座舱混合腔，与新鲜空气混合后供入座舱；
再生加热管路，用于将部分再循环风空气输送到四流换热器处加热到可再生净化组件的再生温度；
再生排气管路，用于将再生后的再循环空气输送到飞机负压区排出机舱。
使用座舱再循环空气作为可再生净化组件的再生空气，而不使用新风作为再生空气，有助于节能并减小了新风量的使用。
附图说明
图1是现有技术的典型飞机制冷包系统和再循环空气系统的示意图。
图2用于说明根据本发明的一个实施例的基于机载制冷包高温压缩空气热能回收利用的飞机座舱制冷/净化一体化系统的原理。
图3是根据本发明的一个实施例的基于机载能源回收利用的飞机座舱制冷/净化一体化系统的主要组件及管路在飞机中布置图。
图4是根据本发明的一个实施例的基于机载能源回收利用的飞机座舱制冷/净化一体化系统的详细实施流程图。
图5(a)和5(b)是根据本发明的实施例的四流换热器的结构形式。
图6是根据本发明的一个实施例的可再生净化组件结构形式。
具体实施方式
本发明的一个目的是建立一种新的基于机载能源回收利用的飞机座舱制冷/净化一体化系统，可实现改善空气质量并降低能量消耗的目的。该方案联合使用制冷包和可再生净化组件，利用四流换热器回收机载空气制冷包组件废热来加热部分再循环空气作为净化组件再生空气，同时为初散换热器、次散换热器提供部分冷源，可有助于减小飞机冲压空气引入量，从而减小飞行阻力提高飞机气动性能，实现机载热源能量的综合利用；可再生净化组件的使用有助于改善座舱空气质量，从而降低飞机新风量，并降低飞机飞行能耗；由于净化组件采用的是转轮净化再生方式，不需要频繁的组件更换，减少了系统维护费用；可再生净化组件采用硅胶作用净化介质，具有有效空气净化和控湿的双重功能，所以在新风量减小的情况下还能保证飞机座舱湿度低于25％RH安全限要求，由于低湿环境使用再生温度低(40℃)；使用座舱再循环空气作为可再生净化组件的再生空气，而不使用新风作为再生空气，有助于进一步节约飞机能耗。
目前飞机上没有配置空气净化装置，现有技术提到的典型飞机座舱空气高效过滤器主要存在的问题是：对于诸如VOC等气态污染物无作用，所以目前飞机是以代价昂贵的新鲜空气高通风效率来保障座舱高空气品质要求，造成飞机能耗大。另外，硅胶空气净化技术用于飞机座舱气态微量污染净化也存在着如下问题：(1)由于飞机机载能源紧张，不能用飞机外新鲜空气作为再生空气；(2)飞机座舱是加压座舱(舱内压力为80kPa，舱外压力为20kPa)，所以再生废气不能直接排出舱外；(3)在飞机上不能直接采用电加热器用于净化组件再生侧加热再生，这会增加飞机的能耗，必须寻找新的能量途径作为再生加热；(4)由于飞机座舱为密闭空间，被再生空气(要净化的再循环空气)、再生废气同在一个空间内，不能将上述两类气体采用开放式管理，必须采用封闭式气体管路。
本发明提出一种基于机载能源综合回收利用的飞机座舱制冷/净化一体化系统，用于实现飞机机载应用。根据本发明的一个方面，提供了一种新型的飞机座舱制冷/净化一体化系统，适用于民机及运输机。如图2所示，根据本发明的一个实施例的基于回收利用机载空气制冷包组件废热的飞机座舱制冷/净化一体化系统包括：
飞机环控包组件(201)，用于对引气获得的新鲜空气进行调温调湿；飞机可再生净化组件(202)，用于净化座舱再循环空气；混合腔(204)，用于提供空气混合；再循环风机(211)和再生风机(213)，用于提供动力；发动机引气管路(205)、座舱循环空气再生加热管路(206)、净化空气管路(207)、座舱循环空气再生排气管路(208)和座舱空气分配管路(212)，用于运输气体到指定位置；座舱排气负压区(209)和座舱压力调节阀(210)，用于保障座舱(203)的压力。
在根据本发明的一个实施例中，新鲜空气从传统飞机的发动机(图中未示出)或多电飞机的压缩机(图中未示出)的引气管路(205)进入飞机环控包组件(201)进行调温，进入混合腔(204)；飞机座舱再循环空气在再循环风机(211)的作用下进入可再生净化组件(202)的净化侧被净化，之后进入混合腔(204)与新鲜空气混合调温，再进入座舱空气分配管路(212)，从而送至每个人员；飞机座舱小部分再循环空气在再生风机(213)的作用下经座舱循环空气再生加热管路(206)进入飞机环控包组件(201)中的四流换热器(图4中的401)进行换热，在温度升高到再生温度后进入可再生净化组件(202)的再生侧以对硅胶净化介质进行再生，之后输送到座舱负压区(209)，经座舱压力调节阀(210)排出座舱外。
根据本发明的一个具体实施例，如图3所示，两个飞机环控包组件(301)被放置在机翼舱段下部，可再生净化组件(302)左右对称布置在靠近制冷包组件的座舱内，混合腔(303)布置在它们的中间，(306)，再生风机(306)布置可再生净化组件再生段出口处，将再生空气经再生排气管路(304)输送到座舱后部的负压区，由座舱压力调节阀(305)排出。
在根据本发明的一个实施例中，如图4所示，制冷包组件包括：四流换热器(401)、压缩机(404)、空气涡轮膨胀机(405)、冷凝器(406)、水分离器(407)和回热器(408)，它们作为一个组件包安装于飞机的机翼舱段的下部。而四流换热器又是由再生预热器(401c)、初级散热器(401b)和次级散热器(401a)组成。
在根据本发明的一个实施例中，从传统飞机的发动机(未显示)或多电飞机的压缩机(未显示)引气管路(412)来的新鲜空气约为200℃，进入四流换热器(401)的再生预热器(401c)，加热再生再循环空气(413)后，进入初级散热器(401b)与冲压空气(416)换热冷却到100℃，进入压缩机(404)进一步压缩后温度升高约为200℃，进入四流换热器的再生预热器(401c)加热再生再循环空气(413)，后进入次级散热器(401a)与冲压空气(416)换热冷却到100℃，进入回热器(408)、冷凝器(406)和水分离器(407)，再次进入回热器(408)后进入空气涡轮膨胀机(405)膨胀制冷至-10℃，进入混合腔409。在再循环风机(416)作用下，从座舱来的再循环空气一般为24℃进入可再生净化组件(402)的净化侧被净化，之后进入混合腔(409)与新鲜空气混合调温后进入座舱(403)。飞机座舱小部分再循环空气在再生风机(417)的作用下经座舱循环空气再生加热管路(413)进入四流换热器(401)的再生预热器(401c)进行换热，温度升高到再生温度后，进入可再生净化组件(402)的再生侧再生硅胶净化介质，之后输送到座舱负压区(410)，被座舱压力调节阀(411)排出座舱外。
在根据本发明的一个实施例中，如图5(a)和5(b)所示，四流换热器是主要的机载空气制冷包组件废热能源回收利用组件，包括两流程的再生预热器(503)、初级散热器(502)和次级散热器(501)组成。四流空气分别在此进行两两间的换热，四流空气包括：高温引气(504)、被再次压缩高温气体(505)、再生空气(506)和高空冲压空气(507)。由于次级散热器(501)可以为单流程或两流程的板翅换热器，所以该四流换热器可以有如图5(a)和5(b)所示的两种主要形式。图5(a)是次级散热器(501)为单流程板翅换热器结构，再生预热器(503)为两流程板翅换热器结构。高空冲压空气(507)依次进入次级散热器(501)和初级散热器(502)，依次与被再次压缩高温气体(505)和高温引气(504)换热后，排出舱外；高温引气(504)依次进入再生预热器(503)的前段和初级散热器(502)，依次与再生空气(506)和高空冲压空气(507)换热；由压缩机(404)来的被再次压缩高温气体(505)依次进入再生预热器(503)的后段和次级散热器(501)，依次与再生空气(506)和高空冲压空气(507)换热；再生空气(506)在再生预热器(503)的前段和后段依次与高温引气(504)和被再次压缩高温气体(505)换热。图5(b)是次级散热器(501)为双流程板翅换热器结构，此时再生预热器(503)仍然为两流程结构，但其前段流程一为间壁带有传热肋的结构，不是板翅式结构；其后段流程二为板翅式换热器结构。此时，高温引气(504)依次进入再生预热器(503)的后段和初级散热器(502)，依次与再生空气(506)和高空冲压空气(507)换热；由压缩机(404)来的被再次压缩高温气体(505)依次进入再生预热器(503)的前段和次级散热器(501)，依次与再生空气(506)和高空冲压空气(507)换热；再生空气(506)在再生预热器(503)的前段间壁换热结构中与被再次压缩高温气体(505)呈间壁式换热后，进入后段板翅换热结构中与高温引气(504)换热。
如图6所示，为了提供可再生净化组件(603)的工作可靠性和减少系统重量及维护成本，在根据本发明的一个实施例中，可再生净化组件(603)采用转轮结构，包括75％转轮面积的净化侧(604)和25％转轮面积的再生侧(605)。座舱再循环空气(601)经可再生净化组件净化侧处理后变为空气品质较优的净化空气(602)；一小部分座舱再循环空气经加热后变为再生空气(606)，进入可再生净化组件再生侧，在温差作用下解释再生侧内的吸附的污染气体，之后变为更污染的再生后气体(607)。
与传统飞机座舱制冷包和高效过滤器相比，本发明的优点在于：
(1)联合使用飞机制冷包组件和可再生净化组件，利用飞机制冷包组件中的四流换热器来加热少量座舱再循环空气，用于可再生净化组件的高温侧再生，这样即利用了机载空气制冷包组件废热热源，又为制冷包组件提供了冷源，带来的效果是由于增加了座舱再循环空气冷源，与传统方式相比，由于机载冷热源能量的综合利用，有助于减小飞机冲压空气量，从而减小飞行阻力；
(2)可再生净化组件的使用净化了座舱再循环空气，使其中气态污染物浓度大大降低，有效改善了座舱空气质量，可以降低飞机新风量，由于可再生净化组件的使用，可以将新风供给量由5L/s/人降低至3L/s/人以下，从而可降低飞机环控系统约20％～40％的燃油能耗；
(3)由于可再生净化组件采用的是转轮净化再生方式，系统工作可靠性高，可长期工作，不需要频繁的组件更换，有助于减少了系统维护费用；
(4)可再生净化组件采用硅胶作用净化介质，空气净化效果更好，再生温度低，具有净化与控湿双重功能。
(5)使用座舱再循环空气作为可再生净化组件的再生空气，而不使用新风再生，有助于地一步节约飞机能耗。
本发明的有益效果包括：
联合使用飞机制冷包组件和可再生净化组件，在四流换热器内实现多流冷热空气换热，实现机载冷热源能量的综合利用，减小飞机冲压空气量，从而减小飞行阻力；
可再生净化组件大大降低了座舱再循环空气中的气态污染物浓度，有效改善座舱空气质量，从而可以降低飞机新风量，实现降低飞机能耗的目的；
由于可再生净化组件采用的是转轮净化再生方式，系统工作可靠性高，可长期工作，不需要频繁的组件更换，有助于减少了系统维护费用；
可再生净化组件采用硅胶作用净化介质，空气净化效果更好，再生温度低，具有净化与控湿双重功能；
使用座舱再循环空气作为可再生净化组件的再生空气，而不使用新风再生，有助于地一步节约飞机能耗。

Claims (8)

1.飞机座舱制冷/净化一体化系统，其特征在于包括：
飞机环控包组件(201)，用于对引气获得的新鲜空气进行调温；
飞机可再生净化组件(202，402，603)，用于净化座舱再循环空气；
混合腔(204，409)，用于提供空气混合；
再循环风机(211，416)和再生风机(213，417)，用于提供动力。
2.根据权利要求1的飞机座舱制冷/净化一体化系统，其特征在于飞机环控包组件(201)包括：
四流换热器(401)，其包括初级散热器(401b，502)、次级散热器(401a，501)、再生预热器(401c，503)，
压缩机(404)，
空气涡轮膨胀机(405)，
回热器(408)，
冷凝器(406)，
水分离器(407)，
其中，来自引气管路(412)的新鲜空气进入四流换热器(401)的再生预热器(401c)，加热再生再循环空气(413)后，进入初级散热器(401b)与冲压空气(416)换热冷却，再进入压缩机(404)进一步压缩后升温，进入四流换热器的再生预热器(401c)加热再生再循环空气(413)，后进入次级散热器(401a)与冲压空气(416)换热冷却，进入回热器(408)、冷凝器(406)和水分离器(407)，再次进入回热器(408)后进入空气涡轮膨胀机(405)膨胀制冷。
3.根据权利要求1或2的飞机座舱制冷/净化一体化系统，其特征在于进一步包括：
发动机引气管路(205)、座舱循环空气再生加热管路(206)、净化空气管路(207)、座舱循环空气再生排气管路(208)和座舱空气分配管路(212)，用于运输气体到指定位置；
座舱压力调节阀(210)，用于保障座舱(203)的压力。
4.根据权利要求3的飞机座舱制冷/净化一体化系统，其特征在于：
空气涡轮膨胀机(405)膨胀制冷后的空气被送入混合腔(409)，
在再循环风机(416)作用下，从座舱来的再循环空气进入可再生净化组件(402)的净化侧被净化，之后进入混合腔(409)与新鲜空气混合调温后进入座舱(403)，
来自座舱(403)的小部分再循环空气在再生风机(417)的作用下经座舱循环空气再生加热管路(413)进入四流换热器(401)的再生预热器(401c)进行换热，温度升高到再生温度后，进入可再生净化组件(402)的再生侧，之后输送到座舱负压区(410)，被座舱压力调节阀(411)排出座舱外。
5.根据权利要求2的飞机座舱制冷/净化一体化系统，其特征在于：
次级散热器(501)包括单流程板翅换热器，
再生预热器(503)包括两流程板翅换热器，
其中高空冲压空气依次进入次级散热器(501)和初级散热器(502)，依次与被再次压缩的高温新鲜空气和高温引气换热后，排出舱外；高温引气依次进入再生预热器(503)的前段和初级散热器(502)，依次与再生再循环空气和高空冲压空气换热；由压缩机(404)来的被再次压缩的高温新鲜气体依次进入再生预热器(503)的后段和次级散热器(501)，依次与再生再循环空气和高空冲压空气换热；再生再循环空气(506)在再生预热器(503)的前段和后段依次与高温引气(504)和被再次压缩高温新鲜气体(505)换热。
6.根据权利要求5的飞机座舱制冷/净化一体化系统，其特征在于：
次级散热器(501)包括双流程板翅换热器结构，再生预热器(503)的前段流程为带有传热肋的间壁，其后段流程为板翅式换热器，
其中，高温引气依次进入再生预热器(503)的后段和初级散热器(502)，依次与再生再循环空气和高空冲压空气换热；由压缩机(404)来的被再次压缩的高温气体依次进入再生预热器(503)的前段和次级散热器(501)，依次与再生再循环空气和高空冲压空气换热；再生再循环空气在再生预热器(503)的前段间壁换热结构中与被再次压缩的高温新鲜气体呈间壁式换热后，进入后段板翅换热结构中与高温引气换热。
7.根据权利要求5的飞机座舱制冷/净化一体化系统，其特征在于：
可再生净化组件(603)包括转轮，所述转轮包括净化侧(604)和再生侧(605)，座舱再循环空气(601)经可再生净化组件净化侧处理后变为空气品质较优的净化空气(602)；考虑进一步节能，没有采用新鲜空气，再采用一小部分座舱再循环空气经加热后变为再生再循环空气(606)，进入可再生净化组件再生侧，在温差作用下脱附再生侧内吸附的气态污染物，之后变为含有更高气态污染物浓度的再生废气排出舱外(607)。
8.根据权利要求7的飞机座舱制冷/净化一体化系统，其特征在于：
采用硅胶作为可再生净化组件的污染吸附介质。
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