CN106741984B - 一种催化重整惰化飞行器燃油箱的系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种催化重整惰化飞行器燃油箱的系统及其工作方法，该系统将燃油箱上部气相空间燃油蒸气和空气混合物抽吸干燥后通过压缩机压缩并冷凝后析出液态燃油，剩余混合气体通过回热和电加热后进入催化重整反应器在催化剂作用下反应生成二氧化碳和氢气，反应生成物经分离后，二氧化碳和未参与反应的氮气经回热器和节流阀降温减压后进入燃油箱气相空间进行惰化，氢气则进入氢燃料电池发电为系统提供电能。本系统通过氧浓度传感器和控制开关实现可控自动运行，具有结构简单，能量利用率高，惰化效率高，无环境污染等优点。

Description

一种催化重整惰化飞行器燃油箱的系统及其工作方法

技术领域：

本发明涉及一种催化重整惰化飞行器燃油箱的系统及其工作方法，其属于防火防爆领域。

背景技术：

飞机燃油箱起火爆炸是引起飞机失事的主要原因，因此对所有民用和军用飞机燃油箱防火防爆系统设计和安装提出了更高的要求。油箱起火必备三个条件：可燃物(燃油蒸气)、助燃剂(氧气)、点火源。在油箱气相空间中，燃油蒸气时刻存在，对于民用飞机存在点火源有雷电，静电，明火等，对于军用飞机尤其战争期间，点火源有各种轻型武器以及地对空导弹等产生点火源，因此在飞机油箱保护研究中，减少助燃剂(氧气)的存在是一种高效安全的防火防爆方法。

在油箱保护系统中，降低油箱上部气相空间氧气浓度可防止油箱起火爆炸，保证乘客和飞机安全。降低燃油箱氧气浓度可采用惰性气体如氮气和二氧化碳等气体进行油箱惰化，使其氧含量降低至可燃极限以下。燃油箱惰化方式可分为主动式及被动式。

主动式为机载制氮惰化系统(如美国专利申请US20120325811 A1)，即利用机载惰化系统产生惰性气体，并通入燃油箱气相空间，降低氧气浓度，达到防火防爆的目的。目前应用最为广泛的是机载中空纤维膜制氮系统(OBIGGS,On-Board Inert Gas Generationsystem)。被动式为携带储气钢瓶产生氮气和二氧化碳等惰性气体达到惰化的目的。

但是从国内外应用惰化系统来看，无论是主动式还是被动式都存在很多问题。机载中空纤维膜制氮系统存在如下问题，1)制氮效率低下，如伊顿公司研制的中空纤维膜制氮惰化系统每生产1kg浓度为98％的氮气则所需引气量将达到10kg。2)引气压力高，空气通过中空纤维膜制取高浓度氮气需从飞机发动机引气，使发动机性能降低，而对于直升机等小型飞行器则不能提供制氮所需高压空气。3)惰化过程中氮气直接置换燃油箱上部气相空间氧气的同时将燃油蒸气直接排到大气环境，引起环境污染等。而罐装液氮或干冰则增加飞机载重，且需人工充注，影响飞行效率。

近年来，国内外一些公司和研究机构还在进行采用催化燃烧方法来消耗油箱气相空间的氧气和可燃蒸汽从而降低油箱可燃风险的方法，但是燃烧后的生成物温度较好，且含有大量的水蒸气，因此需要进行冷却，而冷却时水蒸气转换成液态水释放出大量的热量需要由流经换热器的冷却介质，例如冲压空气或燃油等带走，故此极大程度上增加了设备的体积和重量。

催化重整技术是在催化剂(如贵金属铂、铼和酸性组分)的作用下，对燃油馏分中的烷烃、环烷烃和芳香烃等分子结构进行重新排列生成新的分子结构并脱氢产生氢气。在飞行器燃油箱惰化系统中利用催化重整技术使油箱上部气相空间混合气体在反应器中进行催化重整反应，最终生成二氧化碳和氢气。在催化剂作用下反应速率快，且反应过程中不产生水，无需对反应生成气安装除水装置，降低了系统的复杂程度，生成氢气利用氢燃料电池供电，使整个系统具有高效节能，对环境无污染的作用。

发明内容：

本发明的目的在于克服中空纤维膜制氮效率低、价格昂贵、污染环境、系统复杂等缺点，同时避免了催化燃烧时温度高且冷却时水蒸气释放大量热量的缺点，故此本发明基于催化重整技术，提供一种催化重整惰化飞行器燃油箱的系统及其工作方法。

本发明采用如下技术方案：一种催化重整惰化飞行器燃油箱的系统，包括油箱、油冷凝器、油分离器、回热器、气体分离器、氢燃料电池、辅助电源、自动控制器以及氧浓度传感器，油箱设有空气入口、惰气入口和气体出口，油冷凝器设有热侧通道和冷侧通道，油分离器设有气体通道和油通道，回热器设有冷通道和热通道，气体分离器设有入口、氢气出口和惰气出口，油箱气体出口至气体分离器之间通过管道连接依次有气体干燥器、压缩机、油冷凝器热侧通道、油分离器气体通道、回热器冷通道、电加热器、催化反应器、气体分离器入口，所述油冷凝器冷侧通道通入冲压空气，气体分离器氢气出口通过管道与氢燃料电池连接，气体分离器惰气出口与油箱之间通过管道连接依次有回热器热通道、节流阀，所述油分离器油通道与油箱之间通过管道连接有止回阀，所述氢燃料电池与辅助电源通过电缆并联并与自动控制器电流输入端连接，自动控制器电流输出端通过电缆分别与压缩机电流输入和电加热器电流输入端连接，所述氧浓度传感器信号输出端与自动控制器信号输入端连接，氧浓度传感器通过探头与油箱连接，油箱空气入口与大气环境相连通。

进一步地，所述回热器热通道与油箱惰气入口之间连接有膨胀机。

进一步地，所述膨胀机惰气出口与油冷凝器冷侧通道入口相连，所述油冷凝器冷侧通道出口与油箱惰气入口连接。

进一步地，所述氢燃料电池和辅助电源提供电压和电流可调的交流电和直流电。

本发明还采用如下技术方案：一种催化重整惰化飞行器燃油箱的系统的工作方法，步骤如下：

1)催化重整反应过程：开启压缩机抽吸油箱中上部气相空间的可燃混合气体，混合气体流经气体干燥器除去混合气体中的水蒸气，进入压缩机进行加压，加压后的混合气进入油冷凝器热侧通道中进行冷凝，油冷凝器冷侧通道通入冲压空气，冷凝后的混合气进入油分离器气体通道分离中出一部分液态燃油，液态燃油通过油分离器的油通道，经过止回阀进入油箱，可燃混合气体通过回热器冷通道和电加热器进行加热，升温后的可燃混合气体进行催化反应器进行催化重整反应，可燃混合气体中的燃油蒸气与氧气在催化剂作用下发生催化重整反应最后生成二氧化碳和氢气，可燃混合气体中燃油蒸气含量降低，二氧化碳浓度升高；

2)反应生成物分离过程：由催化反应器出口流出的含有氮气、二氧化碳、氢气及微量杂质的气体混合物进入气体分离器，气体分离后氢气由气体分离器氢气出口进入氢燃料电池，氮气、二氧化碳和微量杂质由气体分离器惰气出口流出；

3)惰气冷却减压过程：从气体分离器惰气出口流出的惰气混合气流经回热器热通道释放热量，冷却后的惰气混合气进入节流阀进行降压，降压后气体流经油箱惰气入口；

4)冲洗惰化过程：从节流阀流出的惰气混合气进入油箱气相空间并与气相空间中原有气体混合后混合气体氧浓度降低，二氧化碳和氮气浓度升高，混合气体处于燃爆极限以下，达到惰化的目的；

5)催化重整惰化飞行器燃油箱的系统开启和关闭过程：

开启过程—氧浓度传感器探测油箱气相空间氧气浓度并将信号传输到自动控制器，当氧气浓度大于给定值后，自动控制器连通氢燃料电池、辅助电源与压缩机、电加热器之间的电路，辅助电源向压缩机和电加热器供电，压缩机抽吸油箱气相空间的混合气体，催化重整惰化飞行器燃油箱的系统处于工作状态，由气体分离器产生的氢气流入氢燃料电池产生电能，同时氢燃料电池为压缩机和电加热器供电；

关闭过程—氧浓度传感器探测到油箱气相空间氧气浓度小于设定值后，自动控制器断开氢燃料电池、辅助电源与压缩机、电加热器之间的电路，压缩机停止工作，催化重整惰化飞行器燃油箱的系统处于关闭状态。

本发明具有如下有益效果：本发明通过催化重整技术将燃油箱上部气相空间混合气催化转化为二氧化碳和氢气，利用二氧化碳和没有参与反应的氮气进行油箱惰化，同时反应产生的氢气通过氢燃料电池向外供电，本系统无需发动机引气，系统结构简单，反应可控，能量利用率高，且不向大气环境排放燃油蒸气，减少环境污染。

附图说明：

图1为安装节流阀的催化重整惰化飞行器燃油箱的系统流程示意图。

图2为安装膨胀机的催化重整惰化飞行器燃油箱的系统流程示意图。

图3为惰气经膨胀机后冷却燃油混合气的催化重整惰化飞行器燃油箱的系统流程示意图。

其中：

1、油箱，2、气体干燥器，3、压缩机，4、油冷凝器，5、油分离器，6、回热器，7、电加热器，8、催化反应器，9、气体分离器，10、氢燃料电池，11、辅助电源，12、自动控制器，13、氧浓度传感器，14、止回阀，15、节流阀，16、膨胀机。

具体实施方式：

下面将参考附图并结合实施例，来详述本发明的结构特点及技术实施过程。

1)实施例：

图1是本发明安装节流阀的催化重整惰化飞行器燃油箱的系统包括油箱1、油冷凝器4、油分离器5、回热器6、气体分离器9、氢燃料电池10、辅助电源11、自动控制器12以及氧浓度传感器13，油箱1设有空气入口、惰气入口和气体出口，油冷凝器4设有热侧通道和冷侧通道，油分离器5设有气体通道和油通道，回热器6设有冷通道和热通道，气体分离器9设有入口、氢气出口和惰气出口，油箱1气体出口至气体分离器9之间通过管道连接依次有气体干燥器2、压缩机3、油冷凝器4热侧通道、油分离器5气体通道、回热器6冷通道、电加热器7、催化反应器8、气体分离器9入口。油冷凝器4冷侧通道通入冲压空气，气体分离器9氢气出口通过管道与氢燃料电池10连接，气体分离器9惰气出口与油箱1之间通过管道连接依次有回热器6热通道、节流阀15，油分离器5油通道与油箱1之间通过管道连接有止回阀14，氢燃料电池10与辅助电源11通过电缆并联并与自动控制器12电流输入端连接，自动控制器12电流输出端通过电缆分别与压缩机3电流输入和电加热器7电流输入端连接，氧浓度传感器13信号输出端与自动控制器12信号输入端连接，氧浓度传感器13通过探头与油箱1连接，油箱1空气入口与大气环境相连通。

其中氢燃料电池10和辅助电源11能提供电压和电流可调的交流电和直流电。

本实施例催化重整惰化飞行器燃油箱的系统的工作方法，包括如下：

1)催化重整反应过程：开启压缩机3抽吸油箱1中上部气相空间的可燃混合气体，混合气体由燃油蒸气、氧气、氮气、二氧化碳、水蒸气及其他微量杂质组成，混合气体流经气体干燥器2除去混合气体中的水蒸气，进入压缩机3进行加压，加压后的混合气进入油冷凝器4热侧通道中进行冷凝，油冷凝器4冷侧通道通入冲压空气，冷凝后的混合气进入油分离器5气体通道分离中出一部分液态燃油，液态燃油通过油分离器5的油通道，经过止回阀14进入油箱，可燃混合气通过回热器6冷通道和电加热器7进行加热，升温后的可燃混合气进行催化反应器8进行催化重整反应，可燃混合气中的燃油蒸气与氧气在催化剂作用下发生催化重整反应最后生成二氧化碳和氢气，可燃混合气中燃油蒸气含量降低，二氧化碳浓度升高。

2)反应生成物分离过程：由催化反应器8出口流出的含有氮气、二氧化碳、氢气及微量杂质气体混合物进入气体分离器9，气体分离后氢气由气体分离器9氢气出口进入氢燃料电池，氮气、二氧化碳和其他微量气体由气体分离器9惰气出口流出。

3)惰气冷却减压过程：从气体分离器9惰气出口流出的惰气混合气流经回热器6热通道释放热量，冷却后的惰气混合气进入节流阀15进行降压，降压后气体流经油箱1惰气入口。

4)冲洗惰化过程：从节流阀15流出的惰气混合气进入油箱1气相空间并与气相空间中原有气体混合后混合气体氧浓度降低，二氧化碳和氮气浓度升高，混合气体处于燃爆极限以下，达到惰化的目的。

5)惰化系统开启和关闭过程：

开启过程—氧浓度传感器13探测油箱1气相空间氧气浓度并将信号传输到自动控制器12，当氧气浓度大于给定值后，自动控制器12连通氢燃料电池10、辅助电源11与压缩机3、电加热器7之间的电路，辅助电源11向压缩机3和电加热器7供电，压缩机3抽吸油箱1气相空间的混合气体，催化重整惰化飞行器燃油箱的系统处于工作状态，由气体分离器9产生的氢气流入氢燃料电池10产生电能，同时氢燃料电池10为压缩机3和电加热器7供电。

关闭过程—氧浓度传感器13探测到油箱1气相空间氧气浓度小于设定值后，自动控制器12断开氢燃料电池10、辅助电源11与压缩机3、电加热器7之间的电路，压缩机3停止工作，催化重整惰化飞行器燃油箱的系统处于关闭状态。

2)实施例2：

本实施例是安装膨胀机对油箱进行冲洗惰化，结合图2可见，该系统与实施例1的差别在于，回热器6热通道与油箱1惰气入口之间连接降压装置为膨胀机16。

本实施例的工作过程如下：

从回热器6热通道流出的惰气通过管道流入膨胀机16，降压后通过油箱1惰气入口进入油箱1气相空间，降低气相空间氧气浓度，达到惰化目的。

3)实施例3：

本实施例是惰气经膨胀机后冷却燃油混合气的催化重整进行油箱惰化，结合图3可见，该系统与实施例1和实施例2的差别在于从回热器6热通道出来的惰气通过管道进入膨胀机16，膨胀机16惰气出口与油冷凝器4冷侧通道入口相连，油冷凝器冷侧通道出口与油箱惰气入口连接。

本实施例的工作过程如下：

从回热器6热通道流出的惰气通过管道流入膨胀机16，降压后流入油冷凝器4冷侧通道进行换热后由油箱1惰气入口进入油箱气相空间，降低混合气氧气浓度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种催化重整惰化飞行器燃油箱的系统，其特征在于：包括油箱(1)、油冷凝器(4)、油分离器(5)、回热器(6)、气体分离器(9)、氢燃料电池(10)、辅助电源(11)、自动控制器(12)以及氧浓度传感器(13)，油箱(1)设有空气入口、惰气入口和气体出口，油冷凝器(4)设有热侧通道和冷侧通道，油分离器(5)设有气体通道和油通道，回热器(6)设有冷通道和热通道，气体分离器(9)设有入口、氢气出口和惰气出口，油箱(1)气体出口至气体分离器(9)之间通过管道连接依次有气体干燥器(2)、压缩机(3)、油冷凝器(4)热侧通道、油分离器(5)气体通道、回热器(6)冷通道、电加热器(7)、催化反应器(8)、气体分离器(9)入口，所述油冷凝器(4)冷侧通道通入冲压空气，气体分离器(9)氢气出口通过管道与氢燃料电池(10)连接，气体分离器(9)惰气出口与油箱(1)之间通过管道连接依次有回热器(6)热通道、节流阀(15)，所述油分离器(5)油通道与油箱(1)之间通过管道连接有止回阀(14)，所述氢燃料电池(10)与辅助电源(11)通过电缆并联并与自动控制器(12)电流输入端连接，自动控制器(12)电流输出端通过电缆分别与压缩机(3)电流输入端和电加热器(7)电流输入端连接，所述氧浓度传感器(13)信号输出端与自动控制器(12)信号输入端连接，氧浓度传感器(13)通过探头与油箱(1)连接，油箱(1)空气入口与大气环境相连通。

2.如权利要求1所述的催化重整惰化飞行器燃油箱的系统，其特征在于：所述回热器(6)热通道与油箱(1)惰气入口之间连接有膨胀机(16)。

3.如权利要求2所述的催化重整惰化飞行器燃油箱的系统，其特征在于：所述膨胀机(16)惰气出口与油冷凝器(4)冷侧通道入口相连，所述油冷凝器(4)冷侧通道出口与油箱(1)惰气入口连接。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的催化重整惰化飞行器燃油箱的系统，其特征在于：所述氢燃料电池(10)和辅助电源(11)提供电压和电流可调的交流电和直流电。

5.一种催化重整惰化飞行器燃油箱的系统的工作方法，其特征在于：步骤如下

1)催化重整反应过程：开启压缩机(3)抽吸油箱(1)中上部气相空间的可燃混合气体，混合气体流经气体干燥器(2)除去混合气体中的水蒸气，进入压缩机(3)进行加压，加压后的混合气进入油冷凝器(4)热侧通道中进行冷凝，油冷凝器(4)冷侧通道通入冲压空气，冷凝后的混合气进入油分离器(5)气体通道分离中出一部分液态燃油，液态燃油通过油分离器(5)的油通道，经过止回阀(14)进入油箱，可燃混合气体通过回热器(6)冷通道和电加热器(7)进行加热，升温后的可燃混合气体进行催化反应器(8)进行催化重整反应，可燃混合气体中的燃油蒸气与氧气在催化剂作用下发生催化重整反应最后生成二氧化碳和氢气，可燃混合气体中燃油蒸气含量降低，二氧化碳浓度升高；

2)反应生成物分离过程：由催化反应器(8)出口流出的含有氮气、二氧化碳、氢气及微量杂质的气体混合物进入气体分离器(9)，气体分离后氢气由气体分离器(9)氢气出口进入氢燃料电池，氮气、二氧化碳和微量杂质由气体分离器(9)惰气出口流出；

3)惰气冷却减压过程：从气体分离器(9)惰气出口流出的惰气混合气流经回热器(6)热通道释放热量，冷却后的惰气混合气进入节流阀(15)进行降压，降压后气体流经油箱(1)惰气入口；

4)冲洗惰化过程：从节流阀(15)流出的惰气混合气进入油箱(1)气相空间并与气相空间中原有气体混合后混合气体氧浓度降低，二氧化碳和氮气浓度升高，混合气体处于燃爆极限以下，达到惰化的目的；

5)催化重整惰化飞行器燃油箱的系统开启和关闭过程：

开启过程—氧浓度传感器(13)探测油箱(1)气相空间氧气浓度并将信号传输到自动控制器(12)，当氧气浓度大于给定值后，自动控制器(12)连通氢燃料电池(10)、辅助电源(11)与压缩机(3)、电加热器(7)之间的电路，辅助电源(11)向压缩机(3)和电加热器(7)供电，压缩机(3)抽吸油箱(1)气相空间的混合气体，催化重整惰化飞行器燃油箱的系统处于工作状态，由气体分离器(9)产生的氢气流入氢燃料电池(10)产生电能，同时氢燃料电池(10)为压缩机(3)和电加热器(7)供电；

关闭过程—氧浓度传感器(13)探测到油箱(1)气相空间氧气浓度小于设定值后，自动控制器(12)断开氢燃料电池(10)、辅助电源(11)与压缩机(3)、电加热器(7)之间的电路，压缩机(3)停止工作，催化重整惰化飞行器燃油箱的系统处于关闭状态。