CN108177786B - 基于低温等离子体的飞行器燃油箱氧浓度控制装置 - Google Patents
基于低温等离子体的飞行器燃油箱氧浓度控制装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于低温等离子体的飞行器燃油箱氧浓度控制装置，属于航空系统技术领域，具体原理为：飞行器燃油箱上部的混合气体被风机抽出，经过温度调节，通入低温等离子体反应器中，其中的碳氢化合物被低温等离子激发、离解、电离最终生成无害的CO2和H2O。冷却干燥后得到富氮气体，流回油箱进行气相空间氧浓度控制。系统具有结构简单、适应工况范围广、控制效率高等优点，更好地符合机载燃油箱氧浓度控制系统的发展方向。
Description
技术领域
本发明涉及航空系统技术领域，涉及机载油箱氧浓度控制系统，尤其涉及一种基于低温等离子体的飞行器燃油箱氧浓度控制装置。
背景技术
现代飞机的安全问题一直以来受到社会的广泛关注，而燃油系统燃烧、爆炸是引起飞机失事的主要原因之一。有数据表明，在越南战争中，美国空军受到地面火力攻击而损失数千架飞机，其中由于飞机油箱起火爆炸导致机毁人亡的比例就高达50%。机舱安全研究技术小组（cabin safety research technical group,GSRTG）对1966年至2009年全世界3726起民机事故统计结果显示，共有370起事故与油箱燃烧爆炸有关。由此可见，必须采用有效的措施来防止飞行器油箱燃爆。
飞机燃油箱上部空间充满可燃的油气混合物，其易燃、易爆特点严重威胁着飞机安全，必须采取有效措施以减少其燃、爆发生的概率，并降低其危害程度。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。
常见的飞行器油箱氧浓度控制技术主要有液氮惰化技术、Halon 1301惰化技术、分子筛技术、膜分离技术等。其中中空纤维膜制取富氮气体的机载制氮惰化技术（On-BoardInert Gas Generator System， OBIGGS）是最经济、实用的飞机油箱燃爆抑制技术。但是OBIGGS 技术仍存在很多问题，如分离膜效率低导致飞机代偿损失大、分离膜入口需求压力高导致在很多机型上无法使用（如直升机）、细小的膜丝和渗透孔径逐渐堵塞及气源中臭氧导致膜性能衰减严重、富氮气体填充油箱时导致燃油蒸汽外泄污染环境等。
近年来，低温等离子技术在处理废气及垃圾等方面发展迅速，等离子体与VOCs 的作用机理主要有两方面：一是数万度的高能电子直接与气体分子（原子）发生非弹性碰撞，将能量转换成基态分子（原子）的内能，使其激发、离解、电离最终生成无害的 CO2 和 H2O；二是高能电子激励气体中的 O2、N2、H2O 等分子，从而产生具有强氧化能力 O、OH、O3、等自由基或活性粒子，它们破坏 C-H、C=C 或 C-C 等化学键，使 VOCs 分子中的 H、C1、F 等发生置换反应和分解氧化，最终生成无害物质 CO2 和 H2O。本发明利用低温等离子可将燃油箱上部的燃油蒸汽催化生成CO2 和 H2O。反应气体被干燥后为富氮气体，流回油箱进行惰化来控制油箱气相空间的氧浓度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于低温等离子体的飞行器燃油箱氧浓度控制装置。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
基于低温等离子体的飞行器燃油箱氧浓度控制装置，包含油箱、第一阻火器、风机、第一电动调节阀、预热器、电加热器、第一温度传感器、第一氧浓度传感器、第一碳氢化合物传感器、低温等离子体反应器、第二碳氢化合物传感器、第二氧浓度传感器、碱溶液吸收器、初级冷却器、初级水分离器、次级冷却器、次级水分离器、喷水器、第二温度传感器、第二电动调节阀、单向止回阀、第二阻火器、第三氧浓度传感器和自动控制器；
所述油箱包含气体出口和气体入口；所述喷水器包含第一至第三入口和一个出口；所述自动控制器包含电流输入端和电流输出端；
所述油箱的气体出口、第一阻火器、风机的入口通过管道依次相连；
所述风机的出口分别和所述第一电动调节阀的出口、预热器冷侧通道的入口通过管道相连；
所述第一电动调节阀的入口通过管道和外部冲压空气相连；
所述预热器冷侧通道的出口、电加热器、第一温度传感器、第一氧浓度传感器、第一碳氢化合物传感器、低温等离子体反应器、第二碳氢化合物传感器、第二氧浓度传感器、碱溶液吸收器的热侧通道、初级冷却器的热侧通道、初级水分离器、次级冷却器的热侧通道、次级水分离器、第二温度传感器、第二电动调节阀、单向止回阀、第二阻火器、油箱的气体入口通过管道依次相连；
第三氧浓度传感器的探头伸入所述油箱内，用于感应所述油箱内氧气的浓度，并将其传递给所述自动控制器；
所述碱溶液吸收器冷侧通道的入口、初级冷却器冷侧通道的入口、所述喷水器的第三入口均通过管道和外部冷却用冲压空气相连；
所述碱溶液吸收器冷侧通道的出口、初级冷却器冷侧通道的出口分别通过管道和所述预热器冷侧通道的入口连接；
所述预热器冷侧通道的出口通过管道和外界相连；
所述喷水器的第一入口和所述初级水分离器的液体出口通过管道相连，喷水器的第二入口和次级水分离器的液体出口通过管道相连，喷水器的出口和所述次级冷却器冷侧通道的入口通过管道相连；
所述次级冷却器冷侧通道的出口通过管道和外界相连；
所述自动控制器的电流输入端分别和所述第三氧浓度传感器、第一温度传感器、第一氧浓度传感器、第一碳氢化合物传感器、第二碳氢化合物传感器、第二氧浓度传感器、第二温度传感器电气相连，电流输出端分别和所述第一电动调节阀、第二电动调节阀、风机、电加热器、低温等离子体反应器电气相连。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、技术高端，工艺简洁：开机后，即自行运转，受工况限制非常少；
2、节能：无机械设备，空气阻力小，耗电量约为0.003kw/m3废气；
3、适应工况范围宽： 设备启动、停 止十分迅速，随用随开，不受气温的影响。在250℃以下和在雾态工况环境中均可正常运转。在-50℃至 +50℃的环境温度仍可正常运转；
4、结构简单：只需用电，操作极为简单，无机械设备，故障率低，维修容易。
附图说明
图1是基于低温等离子体的飞行器燃油箱氧浓度控制装置示意图。
图中，1-油箱，2-第一阻火器，3-风机，4-第一电动调节阀，5-预热器，6-电加热器，7-第一温度传感器，8-第一氧浓度传感器，9-第一碳氢化合物传感器， 10-低温等离子体反应器，11-第二碳氢化合物传感器，12-第二氧浓度传感器，13-碱溶液吸收器，14-初级冷却器，15-初级水分离器，16-次级冷却器，17-次级水分离器，18-喷水器，19-第二温度传感器，20-第二电动调节阀，21-单向止回阀，22-第二阻火器，23-第三氧浓度传感器，24-自动控制器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等描述各个元件、组件和/或部分，但这些元件、组件和/或部分不受这些术语限制。这些术语仅仅用于将元件、组件和/或部分相互区分开来。因此，下面讨论的第一元件、组件和/或部分在不背离本发明教学的前提下可以成为第二元件、组件或部分。
如图1所示，基于低温等离子体的飞行器燃油箱氧浓度控制装置。油箱1出口通过管道依次连接有第一阻火器2、风机3入口；所述冲压空气通过管道与第一电动调节阀4入口连接；所述风机3出口与所述第一电动调节阀4出口通过管道同时与预热器5冷侧通道入口连接；所述预热器5冷侧通道出口通过管道依次连接有电加热6、第一温度传感器7、第一氧浓度传感器8、第一碳氢化合物传感器9、低温等离子体反应器10、第二碳氢化合物传感器11、第二氧浓度传感器12，碱溶液吸收器13热侧通道入口，所述碱溶液吸收器13热侧通道出口通过管道依次连接有初级冷却器14热侧通道、初级水分离器15、次级冷却器16热侧通道、次级水分离器17、第二温度传感器19、第二电动调节阀20、单向止回阀21、第二阻火器22、所述油箱1入口；第三氧浓度传感器23通过探头与所述油箱1连接。所述冷却用冲压空气共有三股，其一股通过管道与所述碱溶液吸收器13冷侧通道入口连接；其二股通过管道与所述初级冷却器14冷侧通道入口连接；所述碱溶液吸收器13冷侧通道出口与所述初级冷却器14冷侧通道出口通过管道同时与所述预热器5冷侧通道入口连接；所述预热器5冷侧通道出口通过管道排至机外。喷水器18有三个入口以及一个出口，所述初级水分离器15液体出口通过管道与所述喷水器18其一入口连接；所述次级水分离器17液体出口通过管道与所述喷水器18其二入口连接；所述冷却用冲压空气其三股通过管道与所述喷水器18其三入口连接；所述喷水器18出口通过管道与所述次级冷却器16冷侧通道入口连接；所述次级冷却器16冷侧通道出口通过管道排至机外。
所述第三氧浓度传感器23、第一温度传感器7、第一氧浓度传感器8、第一碳氢化合物传感器9、第二碳氢化合物传感器11、第二氧浓度传感器12、第二温度传感器19、通过电缆并联并与自动控制器24电流输入端连接；所述自动控制器24电流输出端通过电缆分别与所述第一电动调节阀4、第二电动调节阀20、风机3、电加热器6、低温等离子体反应器10的电流输入端连接。
具体的，基于低温等离子体的飞行器燃油箱氧浓度控制装置工作过程如下：
1）惰化过程：所述油箱1上部的气体在所述风机3的抽吸作用下，流经所述第一阻火器2、所述风机3；与流经所述第一电动调节阀4的冲压空气混合；混合气体在所述预热器5中被预热；然后在所述电加热器6中被进一步加热至反应所需温度；高温气体依次流经所述第一温度传感器7、第一氧浓度传感器8、第一碳氢化合物传感器9；在所述低温等离子体反应器10中被低温等离子激发、离解、电离；反应后的气体主要为氮气、二氧化碳、水以及氮氧化物；高温高湿气体依次流过所述第二碳氢化合物传感器11、第二氧浓度传感器12；在所述碱溶液吸收器13中氮氧化物及二氧化碳被吸收；在所述初级冷却器14中被冲压空气初步冷却；在所述初级水分离器15中将水析出；在所述次级冷却器16中进一步冷却；在所述次级水分离器17进一步析出水；得到低温干燥的空气依次流经所述第二温度传感器19、第二电动调节阀20、单向止回阀21、第二阻火器22；最后流回油箱进行冲洗惰化。
2）冷却过程：所述冷却用冲压空气共分为三股，其一股通过所述碱溶液吸收器13冷侧气体进行换热；其二股通过所述初级冷却器13冷侧气体通道进行换热；两股升温后的冲压空气混合后流经所述预热器5热侧通道，为反应气体预热，最后被排至机外。所述冷却用冲压空气其三股在所述喷水器18中与来自初级水分离器15、次级水分离器17的液态水混合，被次级冷却器16冷侧通道为反应后气体降温。
3）数据采集及控制过程：
所述第三氧浓度传感器23探测油箱上部氧浓度并将信号传输到所述自动控制器24；当氧浓度大于给定值时，所述控制器24输出控制信号给所述风机3，使其开启；根据所述第一温度传感器7探测到的气体温度来控制所述电加热器6的加热频率；根据所述第一氧浓度传感器8、第一碳氢化合物传感器9、第二碳氢化合物传感器11、第二氧浓度传感器12探测到的反应前后气体氧浓度及碳氢化合物浓度来控制所述第一电动调节阀4的开度以及所述低温等离子体反应器10的功率，以提高惰化效率。通过所述第二温度传感器19探测气体温度并将信号传输到所述自动控制器24；当温度大于给定值时，所述控制器24输出控制信号给所述第二电动调节阀20，使其关闭，以保证油箱安全。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.基于低温等离子体的飞行器燃油箱氧浓度控制装置，其特征在于，包含油箱（1）、第一阻火器（2）、风机（3）、第一电动调节阀（4）、预热器（5）、电加热器（6）、第一温度传感器（7）、第一氧浓度传感器（8）、第一碳氢化合物传感器（9）、低温等离子体反应器（10）、第二碳氢化合物传感器（11）、第二氧浓度传感器（12）、碱溶液吸收器（13）、初级冷却器（14）、初级水分离器（15）、次级冷却器（16）、次级水分离器（17）、喷水器（18）、第二温度传感器（19）、第二电动调节阀（20）、单向止回阀（21）、第二阻火器（22）、第三氧浓度传感器（23）和自动控制器（24）；
所述油箱（1）包含气体出口和气体入口；所述喷水器（18）包含第一至第三入口和一个出口；所述自动控制器（24）包含电流输入端和电流输出端；
所述油箱（1）的气体出口、第一阻火器（2）、风机（3）的入口通过管道依次相连；
所述风机（3）的出口分别和所述第一电动调节阀（4）的出口、预热器（5）冷侧通道的入口通过管道相连；
所述第一电动调节阀（4）的入口通过管道和外部冲压空气相连；
所述预热器（5）冷侧通道的出口、电加热器（6）、第一温度传感器（7）、第一氧浓度传感器（8）、第一碳氢化合物传感器（9）、低温等离子体反应器（10）、第二碳氢化合物传感器（11）、第二氧浓度传感器（12）、碱溶液吸收器（13）的热侧通道、初级冷却器（14）的热侧通道、初级水分离器（15）、次级冷却器（16）的热侧通道、次级水分离器（17）、第二温度传感器（19）、第二电动调节阀（20）、单向止回阀（21）、第二阻火器（22）、油箱（1）的气体入口通过管道依次相连；
第三氧浓度传感器（23）的探头伸入所述油箱（1）内，用于感应所述油箱（1）内氧气的浓度，并将其传递给所述自动控制器（24）；
所述碱溶液吸收器（13）冷侧通道的入口、初级冷却器（14）冷侧通道的入口、所述喷水器（18）的第三入口均通过管道和外部冷却用冲压空气相连；
所述碱溶液吸收器（13）冷侧通道的出口、初级冷却器（14）冷侧通道的出口分别通过管道和所述预热器（5）冷侧通道的入口连接；
所述预热器（5）冷侧通道的出口通过管道和外界相连；
所述喷水器（18）的第一入口和所述初级水分离器（15）的液体出口通过管道相连，喷水器（18）的第二入口和次级水分离器（17）的液体出口通过管道相连，喷水器（18）的出口和所述次级冷却器（16）冷侧通道的入口通过管道相连；
所述次级冷却器（16）冷侧通道的出口通过管道和外界相连；
所述自动控制器（24）的电流输入端分别和所述第三氧浓度传感器（23）、第一温度传感器（7）、第一氧浓度传感器（8）、第一碳氢化合物传感器（9）、第二碳氢化合物传感器（11）、第二氧浓度传感器（12）、第二温度传感器（19）电气相连，电流输出端分别和所述第一电动调节阀（4）、第二电动调节阀（20）、风机（3）、电加热器（6）、低温等离子体反应器（10）电气相连；
所述第三氧浓度传感器（23）探测油箱上部氧浓度并将信号传输到所述自动控制器（24）；当氧浓度大于给定值时，所述自动控制器（24）输出控制信号给所述风机（3）使其开启，根据所述第一温度传感器（7）探测到的气体温度来控制所述电加热器（6）的加热频率，根据所述第一氧浓度传感器（8）、第一碳氢化合物传感器（9）、第二碳氢化合物传感器（11）、第二氧浓度传感器（12）探测到的反应前后气体氧浓度及碳氢化合物浓度来控制所述第一电动调节阀（4）的开度以及所述低温等离子体反应器（10的功率，以提高惰化效率；通过所述第二温度传感器（19）探测气体温度并将信号传输到所述自动控制器（24）；当温度大于给定值时，所述自动控制器（24）输出控制信号给所述第二电动调节阀（20），使其关闭，以保证油箱安全。
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