CN104443394B - 应用有机朗肯循环的飞机环境控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用有机朗肯循环的飞机环境控制系统，其中，第一电动活门通过单向阀连接蒸发器，而后一条支路通过第二电动活门连接座舱，另一条支路连接制冷涡轮；制冷涡轮后的一条支路连接座舱，另一条支路通过第三电动活门连接电子设备舱；座舱和电子设备舱后的一条支路通过第五电动活门连接第二冷凝器，另一条支路通过第六电动活门与前一条支路合并，连接电动风扇；蒸发器、动力涡轮、第一冷凝器、第二冷凝器、储液罐、电动泵依次连接形成循环回路；第一冷凝器的冷路入口连接第四电动活门；制冷涡轮带动第一发电机，动力涡轮带动第二发电机。本发明应用有机朗肯循环将发动机引气的热能转换为电能，使飞机上的能源得到高效利用。

Description

应用有机朗肯循环的飞机环境控制系统
技术领域
本发明涉及一种应用有机朗肯循环的飞机环境控制系统，属于中低温余热利用技术领域。
背景技术
随着社会的进步和经济的发展，能源与环境问题日益突出，我国对节能减排也提出了更高的要求。实现节能减排最直接有效的方法是对余热资源进行有效的回收利用。国内外已经对此开展了大量的研究，其中利用水蒸气朗肯循环对高温热源的余热回收技术已经相当成熟并得到广泛的应用，但是对中低温余热的回收技术还不够成熟，特别是对我国来说更是如此。在我国的余热资源中，中低温余热资源占70％左右，主要包括地热、工业余热、太阳热能、生物质能等。如果对这些余热资源进行合理利用，将对我国的节能减排事业做出巨大贡献。
大量的研究表明用水蒸气朗肯循环回收中低温余热不经济甚至不可行。对于中低温以下的余热资源的利用只有采用新型中低温余热发电技术才具有经济性，新型中低温余热发电技术包括有机朗肯循环(ORC)技术、TFC技术和Kalina循环技术等，其中ORC技术最为成熟且应用最广泛。ORC中低温余热发电系统主要由蒸发器、膨胀机、冷凝器以及工质泵四大部件组成，其基本的工作过程是：有机工质在蒸发器中定压吸收余热热源的热量变为高温高压的蒸气，蒸气进入膨胀机中绝热做功并带动同轴发电机发电，能量便由低品位的热能变为高品位的电能；膨胀机出口的有机工质再通过冷凝器定压冷凝为饱和液态工质，然后由工质泵把有机工质绝热压缩到蒸发压力下进行再一次循环。
与传统的朗肯循环发电相比，ORC系统具有许多技术优势，比如：有机工质的沸点较低，中低温余热易于收集；有机工质大都是等熵工质或干工质，无需过热处理，不会对膨胀机叶片造成液滴冲击损害和腐蚀；有机工质对环境友好；系统设备简单、机动性能好、安全性高并且对维护保养的要求较低；有机工质凝固点很低，允许在较低环境温度下工作等。在国外，ORC技术已在许多领域得到了实际应用，比如在意大利北部布雷西亚建成了一座有机朗肯循环涡轮机，其运行参数为：地热水入口温度为106℃，地热水出口温度为70℃，地热水流量为81.7kg/s，冷却水入口温度为10℃，冷却水出口温度为8℃，冷却水流量为340kg/s，同步发电机低压产生电量为1000KW。再比如，以色列ORMAT公司开发的有机朗肯循环系统可回收温度为150-300℃的地热和工余热并发出200-72000KW的电量。
ORC技术虽然在许多领域得到了实际应用，但是在航空抗天领域的应用研究仍是个空白。发动机引气温度约为400-500℃，在传统的飞机环境控制系统中，这部分余热需要使用冲压空气散走，不仅造成了能量的损失，也增加了燃油代偿损失，对于军用飞机还会影响其气动性能和隐身性能。把ORC系统引入到飞机环境控制系统中，用高效换热器回收这一部分热量用于发电，可以把低品位热能转化为高品位电能供给飞机使用。因此，ORC技术应用于飞机环境控制系统中对飞机的发展具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是为了解决飞机座舱和电子设备的散热问题，提出一种应用有机朗肯循环的飞机环境控制系统。
一种应用有机朗肯循环的飞机环境控制系统，包括单向阀、电动泵、第一冷凝器、第二冷凝器、制冷涡轮、第一电动活门、第二电动活门、第三电动活门、第四电动活门、第五电动活门、第六电动活门、蒸发器、电动风扇、动力涡轮、第一发电机、第二发电机；
第一电动活门通过单向阀连接蒸发器的热路入口；蒸发器热路出口的一条支路通过第二电动活门连接座舱的供气口，另一条支路连接制冷涡轮的入口；制冷涡轮出口的一条支路连接座舱的供气口，另一条支路通过第三电动活门连接电子设备舱的供气口；座舱和电子设备舱的排气口合并为一条支路后又一分为二，一条支路通过第五电动活门连接第二冷凝器的冷路入口，另一条支路通过第六电动活门与第二冷凝器冷路出口的支路合并，进而连接电动风扇；蒸发器的冷路、动力涡轮、第一冷凝器的热路、第二冷凝器的热路、储液罐、电动泵依次连接形成循环回路，第一冷凝器的冷路入口连接第四电动活门，制冷涡轮带动第一发电机，动力涡轮带动第二发电机。
与传统的飞机环境控制系统相比，本发明的优点在于：
(1)利用有机工质对发动机引气进行冷却，比冲压空气冷却效果好，可以减小换热器的尺寸；
(2)使用燃油作为有机工质的冷源，实现了飞机上的综合热管理，一方面使机载燃油作为热沉得到充分利用，另一方面预热后的燃油更有利于燃烧；
(3)不再使用冲压空气作为冷源，取消了相应的辅助进气口，可以减小燃油代偿损失，提高飞机的气动性能和隐身性能，满足现代飞机高性能的发展需求；
(4)发动机引气热量得到最大程度回收利用，将其蕴含的低品位热能转化为高品位电能，符合现代多电飞机的发展方向。
附图说明
图1是本发明的应用有机朗肯循环的飞机环境控制系统示意图；
图中：
101-单向阀102-电动泵1030-第一冷凝器
1031-第二冷凝器1032-第三冷凝器104-制冷涡轮
1051-第一电动活门1052-第二电动活门1053-第三电动活门
1054-第四电动活门1055-第五电动活门1056-第六电动活门
106-蒸发器107-电动风扇108-动力涡轮
1091-第一发电机1092-第二发电机110-座舱
111-电子设备液冷系统112-储液罐
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种应用有机朗肯循环的飞机环境控制系统，如图1所示，包括单向阀101、电动泵102、第一冷凝器1031、第二冷凝器1032、制冷涡轮104、第一电动活门1051、第二电动活门1052、第三电动活门1053、第四电动活门1054、第五电动活门1055、第六电动活门1056、蒸发器106、电动风扇107、动力涡轮108、第一发电机1091、第二发电机1092；
第一电动活门1051通过单向阀101连接蒸发器106的热路入口；蒸发器106热路出口的一条支路通过第二电动活门1052连接座舱110的供气口，另一条支路连接制冷涡轮104的入口；制冷涡轮104出口的一条支路连接座舱110的供气口，另一条支路通过第三电动活门1053连接电子设备舱111的供气口；座舱110和电子设备舱111的排气口合并为一条支路后又一分为二，一条支路通过第五电动活门1055连接第二冷凝器1032的冷路入口，另一条支路通过第六电动活门1056与第二冷凝器1032冷路出口的支路合并，进而连接电动风扇107。蒸发器106的冷路、动力涡轮108、第一冷凝器1031的热路、第二冷凝器1032的热路、储液罐112、电动泵102依次连接形成循环回路。第一冷凝器1031的冷路入口连接第四电动活门1054。制冷涡轮104带动第一发电机1091；动力涡轮108带动第二发电机1092。
本发明工作过程：
(1)空气循环：发动机引气首先经过蒸发器被有机工质冷却降温到100℃左右，然后分为两部分：一部分通过制冷涡轮膨胀做功，带动第一发电机发电，温度降到0℃左右；另一部分流经旁路与制冷涡轮出口空气混合，按需调节供往座舱的空气温度。经过制冷涡轮后的空气也分为两路：一部分调温后通向冷却座舱；另一部分通向冷却电子设备舱。而后二者混合为温度较低的空气流入第二冷凝器冷却有机工质气体，最终由电动风扇抽吸排入环境大气。
(2)有机工质循环：有机工质通过蒸发器等压吸收发动机引气的热量，由低温低压的液态工质变为高温高压的气态工质，然后进入动力涡轮膨胀做功，带动第二发电机发电，同时变为低温低压的过热气态。做功后的过热气态有机工质首先经过第一冷凝器被低温燃油冷却，初步冷却后再进入第二冷凝器被温度较低的混合空气冷却，冷凝为液态有机工质，并储存在储液罐中。储液罐中的液态有机工质通过电动泵增压到蒸发压力后流入蒸发器，完成一个热力循环过程。
(3)系统中的单向阀用于防止发动机引气回流；各电动活门用于调节所在流路的工质流量。
本发明是一种应用有机朗肯循环的飞机环境控制系统，可以应用在各类军用和民用飞机上。该系统避免了冲压空气的使用，可以减小飞机的燃油代偿损失，对于军用飞机又有助于提升飞机的气动性能和隐身性能；该系统使用燃油作为热沉，可以成为飞机综合热管理系统的子系统；该系统应用有机朗肯循环将发动机引气的热能转换为电能，使飞机上的能源得到高效利用。

Claims (1)

1.一种应用有机朗肯循环的飞机环境控制系统，包括单向阀、电动泵、第一冷凝器、第二冷凝器、制冷涡轮、第一电动活门、第二电动活门、第三电动活门、第四电动活门、第五电动活门、第六电动活门、蒸发器、电动风扇、动力涡轮、第一发电机、第二发电机；
第一电动活门通过单向阀连接蒸发器的热路入口；蒸发器热路出口的一条支路通过第二电动活门连接座舱的供气口，另一条支路连接制冷涡轮的入口；制冷涡轮出口的一条支路连接座舱的供气口，另一条支路通过第三电动活门连接电子设备舱的供气口；座舱和电子设备舱的排气口合并为一条支路后又一分为二，一条支路通过第五电动活门连接第二冷凝器的冷路入口，另一条支路通过第六电动活门与第二冷凝器冷路出口的支路合并，进而连接电动风扇；蒸发器的冷路、动力涡轮、第一冷凝器的热路、第二冷凝器的热路、储液罐、电动泵依次连接形成循环回路；第一冷凝器的冷路入口连接第四电动活门；制冷涡轮带动第一发电机，动力涡轮带动第二发电机。
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