CN108584877A - 一种结合磁致分离与膜分离技术的机载制氧-制氮系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种结合磁致分离与膜分离技术的机载制氧‑制氮系统，将磁致分离与传统的膜分离技术相结合，在氧氮选择性透过膜中加入铷、Fe2O3和Fe3O4等导磁介质颗粒，超顺磁行聚合物中的导磁微粒在磁场作用下被磁化并按磁力线排列，加强了外部磁场的作用，空气通过时，这些微粒作为磁性元件吸引了氧，从而提高了氧氮选择性。另外通过两套分离装置并联切换工作，实现氧、氮的连续输出，提高了氧氮分离效率。而且空气预处理简单，可直接使用常温常压的环境空气。本发明具有装置简单，操作方便，寿命长、分离效率高、能耗低等优点。
Description
技术领域
本发明属于航空系统技术领域，涉及一种机载制氧-制氮耦合系统，特别涉及一种结合磁致分离与膜分离技术的机载制氧-制氮系统。
背景技术
为保证长时间的续航供氧，先进战机已经摒弃了传统的气氧、液氧作为唯一供氧源的方法，而转向了采用机载制氧技术。它以取之不尽的空气作为供氧源，通过机载设备对空气的分离，来满足机组人员呼吸用氧的需要。因此，它彻底改变了飞机续航时间受制于机载氧源的局面，给航空供氧系统带来了革命性的变化。不仅仅如此，机载制氧技术还大大降低了后勤保障的难度，减小了飞机的代偿损失。目前，机载制氧技术已经成为第三代和第四代战斗机供氧防护救生的重要性能标志之一。
与此同时，飞机燃油系统起火或爆炸是引起飞机失事的主要原因之一，飞机燃油系统的防火防爆能力，不仅直接关系到飞机生存力和易损性，同时也关系到飞机的利用率、成本以及人员安全。因此，如何提高油箱的防火防爆能力，也就成为了人们极为关注的研究问题。特别是随着飞行速度及性能的提高，它所带来的气动加热与电子设备热负荷的增大，使得现代军用机将普遍趋于采用燃油综合热管理技术，进一步导致燃油温度上升，增加飞机油箱起火爆炸的概率。因此，对于现代军用机，迫切需要采用有效措施，使得飞机燃油箱始终处于安全状态，即提高燃油系统的防火防爆能力。为满足该需要，提高燃油箱的防火防爆能力的油箱惰化技术的具体措施——机载制氮技术也就应运而生了。
由此可见，机载制氧、机载制氮都是现代军用机发展所必须采用的新技术，它也体现了当前机载设备的发展趋势。就当前机载制氧、机载制氮技术研究及应用现状而言，它们都趋于采用从飞机发动机压气机（或环控系统）中引气，并利用现代分离技术对其进行分离，来制取高浓度的氧气和富氮气体。且机载制氧和机载制氮系统均为独立系统，分别从发动机引气生成所需的氧氮气体，由于分离效率的限制，所得的产品气仅占全部引气量的一小部分，大多气体被作为废气排出，因此总引气量很大，造成较大的代偿损失。
磁致空气分离是一种新兴的空气分离方法，它主要利用氧氮气体的磁化率差异实现分离。空气中，氧气为顺磁性气体，其磁化率是常见气体中最大的。氮为抗磁性气体，标准状态下，氧气的磁化率绝对值约为氮气的250倍。由于氧氮分子巨大的磁化率差异，其在梯度跑场中将受到方向相反的磁化为作用，进而形成不同的分子扩散行为，这成为了磁致空气分离的基础。因此利用磁致分离技术仅通过一个系统即可实现制氧、制氮。
本发明中将磁致分离与传统的膜分离技术相结合，在氧氮选择性透过膜中加入铷、Fe2O3和Fe3O4等导磁介质颗粒，超顺磁行聚合物中的导磁微粒在磁场作用下被磁化并按磁力线排列，加强了外部磁场的作用，这些微粒作为磁性元件吸引了氧，从而提高了氧氮选择性。通过该系统得到的富氮气体被用于油箱惰化，富氧气体处理后用来满足机组人员呼吸用氧的需要。
发明内容
为了克服现有的飞机机载制氧、制氮系统不能有效地减少发动机压缩机引气量，系统复杂，工作可靠性低等不足，本发明提供了一种新型机载制氧、制氮耦合系统，它结合了磁致分离与膜分离技术，将空气中的氧气和氮气分离出来。而且空气预处理简单，可直接使用常温常压的环境空气；另外设置两套分离装置并联切换工作，实现氧氮气体的连续输出，具有装置简单，操作方便，寿命长、分离效率高、能耗低等优点。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种结合磁致分离与膜分离技术的机载制氧-制氮系统，包含风机、第一温度传感器、第一电动调节阀、气流控制器、第一流量传感器、第二电动调节阀、第三电动调节阀、第一分离器、第二分离器、第四电动调节阀、第五电动调节阀、富氧空气压缩机、第二流量传感器、氧气瓶、第一压力传感器、第六电动调节阀、第七电动调节阀、富氮空气压缩机、第一截止阀、氮气瓶、第二压力传感器、第三流量传感器、第二温度传感器、第八电动调节阀、第二截止阀、第一阻火器、油箱、氧浓度传感器、第二阻火器、第三截止阀、空气滤清器和自动控制器；
所述第一分离器、第二分离器均包含入口、氮气出口和氧气出口；所述邮箱包含气体入口和气体出口；所述自动控制器包含电流输入端和电流输出端；
所述风机的入口接需要进行氧、氮分离的气体，风机的出口、第一温度传感器、第一电动调节阀、气流控制器、第一流量传感器的入口依次管道相连；所述气流控制器用于对流入的气体进行稳压稳流；
所述第一流量传感器的出口分别和所述第二电动调节阀的入口、第三电动调节阀的入口管道相连；
所述第一分离器的入口和所述第二电动调节阀的出口管道相连、氧气出口和所述第四电动调节阀的入口管道相连、氮气出口和所述第六电动调节阀的入口管道相连；
所述第二分离器的入口和所述第三电动调节阀的出口管道相连、氧气出口和所述第五电动调节阀的入口管道相连、氮气出口和所述第七电动调节阀的入口管道相连；
所述富氧空气压缩机的入口分别和所述第四电动调节阀的出口、第五电动调节阀的出口管道相连，富氧空气压缩机的出口、第二流量传感器、氧气瓶的入口依次管道相连；
所述富氮空气压缩机的入口分别和所述第六电动调节阀的出口、第七电动调节阀的出口管道相连，富氮空气压缩机的出口、第一截止阀、氮气瓶、第三流量传感器、第二温度传感器、第八电动调节阀、第二截止阀、第一阻火器、油箱的气体入口依次管道相连；
所述邮箱的气体出口、第二阻火器、第三截止阀、空气滤清器的入口依次管道相连；
所述空气滤清器的出口用于废气排出；
所述第一压力传感器的探头设置在所述氧气瓶内，用于感应所述氧气瓶内的氧气压力；所述第二压力传感器的探头设置在所述氮气瓶内，用于感应所述氮气瓶内的氮气压力；所述氧浓度传感器的探头设置在所述油箱内气体中，用于感应所述所述油箱内气体的氧浓度；
所述自动控制器的电流输入端分别和所述第一温度传感器、第一流量传感器、第二流量传感器、第一压力传感器、第二压力传感器、第三流量传感器、第二温度传感器、氧浓度传感器电气相连；
所述自动控制器的电流输出端分别和所述风机、第一电动调节阀、第二电动调节阀、第一分离器、第四电动调节阀、富氧空气压缩机、第六电动调节阀、富氮空气压缩机、第三电动调节阀、第二分离器、第五电动调节阀、第七电动调节阀、第八电动调节阀电气相连。
本发明风机气体入口接入的气体可以为发动机引气、环控系统、冲压空气、座舱空气。
本发明的有益效果如下：
本发明中将磁致分离与传统的膜分离技术相结合，在氧氮选择性透过膜中加入铷、Fe2O3和Fe3O4等导磁介质颗粒，超顺磁行聚合物中的导磁微粒在磁场作用下被磁化并按磁力线排列，加强了外部磁场的作用，这些微粒作为磁性元件吸引了氧，从而提高了氧氮选择性。另外通过两套分离装置并联切换工作，实现氧、氮的连续输出，提高了氧氮分离效率。而且空气预处理简单，可直接使用常温常压的环境空气。具有装置简单，操作方便，寿命长、投资小、能耗低等优点。
附图说明
图1为一种结合磁致分离与膜分离技术的机载制氧-制氮系统示意图；
图2为氧氮分离系统示意图。
图中，1-风机，2-第一温度传感器， 3-第一电动调节阀，4-气流控制器，5-第一流量传感器，6-第二电动调节阀，7-第三电动调节阀，8-第一分离器，9-第二分离器，10-第四电动调节阀，11-第五电动调节阀，12-富氧空气压缩机，13-第二流量传感器，14-氧气瓶，15-第一压力传感器，16-第六电动调节阀，17-第七电动调节阀，18-富氮空气压缩机，19-第一截止阀，20-氮气瓶，21-第二压力传感器，22-第三流量传感器，23-第二温度传感器，24-第八电动调节阀，25-第二截止阀，26-第一阻火器，27-油箱，28-氧浓度传感器，29-第二阻火器，30-第三截止阀，31-空气滤清器，32-自动控制器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述。以下所述仅为本发明一部分实施例，非全部实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明公开了一种结合磁致分离与膜分离技术的机载制氧-制氮系统，其特征在于，包含风机1、第一温度传感器2、第一电动调节阀3、气流控制器4、第一流量传感器5、第二电动调节阀6、第三电动调节阀7、第一分离器8、第二分离器9、第四电动调节阀10、第五电动调节阀11、富氧空气压缩机12、第二流量传感器13、氧气瓶14、第一压力传感器15、第六电动调节阀16、第七电动调节阀17、富氮空气压缩机18、第一截止阀19、氮气瓶20、第二压力传感器21、第三流量传感器22、第二温度传感器23、第八电动调节阀24、第二截止阀25、第一阻火器26、油箱27、氧浓度传感器28、第二阻火器29、第三截止阀30、空气滤清器31和自动控制器32；
所述第一分离器8、第二分离器9均包含入口、氮气出口和氧气出口；所述邮箱27包含气体入口和气体出口；所述自动控制器32包含电流输入端和电流输出端；
所述风机1的入口接需要进行氧、氮分离的气体，风机1的出口、第一温度传感器2、第一电动调节阀3、气流控制器4、第一流量传感器5的入口依次管道相连；所述气流控制器4用于对流入的气体进行稳压稳流；
所述第一流量传感器5的出口分别和所述第二电动调节阀6的入口、第三电动调节阀7的入口管道相连；
所述第一分离器8的入口和所述第二电动调节阀6的出口管道相连、氧气出口和所述第四电动调节阀10的入口管道相连、氮气出口和所述第六电动调节阀16的入口管道相连；
所述第二分离器9的入口和所述第三电动调节阀7的出口管道相连、氧气出口和所述第五电动调节阀11的入口管道相连、氮气出口和所述第七电动调节阀17的入口管道相连；
所述富氧空气压缩机12的入口分别和所述第四电动调节阀10的出口、第五电动调节阀11的出口管道相连，富氧空气压缩机12的出口、第二流量传感器13、氧气瓶14的入口依次管道相连；
所述富氮空气压缩机18的入口分别和所述第六电动调节阀16的出口、第七电动调节阀17的出口管道相连，富氮空气压缩机18的出口、第一截止阀19、氮气瓶20、第三流量传感器22、第二温度传感器23、第八电动调节阀24、第二截止阀25、第一阻火器26、油箱27的气体入口依次管道相连；
所述邮箱27的气体出口、第二阻火器29、第三截止阀30、空气滤清器31的入口依次管道相连；
所述空气滤清器31的出口用于废气排出；
所述第一压力传感器15的探头设置在所述氧气瓶14内，用于感应所述氧气瓶14内的氧气压力；所述第二压力传感器21的探头设置在所述氮气瓶20内，用于感应所述氮气瓶20内的氮气压力；所述氧浓度传感器28的探头设置在所述油箱27内气体中，用于感应所述所述油箱27内气体的氧浓度；
所述自动控制器32的电流输入端分别和所述第一温度传感器2、第一流量传感器5、第二流量传感器13、第一压力传感器15、第二压力传感器21、第三流量传感器22、第二温度传感器23、氧浓度传感器28电气相连；
所述自动控制器32的电流输出端分别和所述风机1、第一电动调节阀3、第二电动调节阀6、第一分离器8、第四电动调节阀10、富氧空气压缩机12、第六电动调节阀16、富氮空气压缩机18、第三电动调节阀7、第二分离器9、第五电动调节阀11、第七电动调节阀17、第八电动调节阀24电气相连。
本发明风机的入口接入的气体可以为发动机引气、环控系统中的气体、冲压空气、座舱空气中的任意一种。
本发明一种结合磁致分离与膜分离技术的机载制氧-制氮系统工作过程如下：
1）分离过程：气体可以为发动机引气、环控系统、冲压空气、座舱空气；所述气体在风机1抽吸作用下进入系统，依次流经所述第一温度传感器2、第一电动调节阀3；在所述气流控制器4中稳压、稳流；稳定的气体流过第一流量传感器5后进入分离系统；
所述分离系统如图2所示，所述第一分离器8、第二分离器9交替工作；分离器由分离膜和外侧的超导磁体组成，所述分离膜中加入了铷、Fe2O3和Fe3O4等导磁介质颗粒；富氧空气压缩机12、富氮空气压缩机18持续工作；当所述第一分离器8工作时，第二电动调节阀6、第五电动调节阀11、第六电动调节阀16连通、第一分离器8通电、第三电动调节阀7、第四电动调节阀10、第七电动调节阀17关闭、第二分离器9断电；所述第一分离器8内空气中氧气被阻隔在分离膜一侧并被导磁介质颗粒吸附、氮气在富氮空气压缩机18抽吸作用下依次流经第六电动调节阀16、富氮空气压缩机18、第一截止阀19后流入氮气瓶20；所述第二分离器9内空气中上一循环被吸附的氧气没有了磁力作用，在富氧空气压缩机12抽吸作用下依次流经第五电动调节阀11、富氧空气压缩机12、第二流量传感器13后流入氧气瓶14；当所述第一分离器8过滤能力饱和时，切换第二分离器9工作，上述电动调节阀和分离器开关相反；通过两个分离器的并联可以持续输出氧气、氮气；
2）油箱惰化过程：氧气瓶14中的富氧输出至座舱共乘员呼吸或做其它用；氮气瓶20中的富氮气体依次流经第三流量传感器22、第二温度传感器23、第八电动调节阀24、第二截止阀25、第一阻火器26后进入油箱27进行冲洗惰化；所述油箱27上部气体被赶出后，依次流经第二阻火器29、第三截止阀30；在所述空气滤清器31中除去碳氢化合物等污染物后排至机外；
3）数据采集及控制过程：
所述第一压力传感器15通过探杆探测所述氧气瓶14中的压力、所述第二压力传感器21通过探杆探测所述氮气瓶20中的压力并将信号传输到所述自动控制器32；当压力小于给定值时，自动控制器32输出控制信号连通所述风机1、第一电动调节阀3、并切换两套分离系统工作；当压力大于给定值时，关闭所述风机1、第一电动调节阀3和分离系统；
所述氧浓度传感器28通过探杆探测所述油箱27上部气相空间的氧浓度；并将信号传输到所述自动控制器32；当浓度大于给定值时，所述自动控制器32输出控制信号连通所述第八电动调节阀24，惰化系统开始运行；当浓度小于给定值时，所述自动控制器32输出控制信号断开所述第八电动调节阀24，惰化系统停止运行；
第二温度传感器23探测惰化气体温度，并将信号传输到所述自动控制器32；当温度大于给定值时，所述自动控制器32输出控制信号断开所述第八电动调节阀24，组织高温气体进入油箱以保证油箱安全；
所述第一温度传感器2、第一流量传感器5、第二流量传感器13、第三流量传感器22探测气体流量并将信号传输到所述自动控制器32用于系统分析。
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)
1.一种结合磁致分离与膜分离技术的机载制氧-制氮系统，其特征在于，包含风机（1）、第一温度传感器（2）、第一电动调节阀（3）、气流控制器（4）、第一流量传感器（5）、第二电动调节阀（6）、第三电动调节阀（7）、第一分离器（8）、第二分离器（9）、第四电动调节阀（10）、第五电动调节阀（11）、富氧空气压缩机（12）、第二流量传感器（13）、氧气瓶（14）、第一压力传感器（15）、第六电动调节阀（16）、第七电动调节阀（17）、富氮空气压缩机（18）、第一截止阀（19）、氮气瓶（20）、第二压力传感器（21）、第三流量传感器（22）、第二温度传感器（23）、第八电动调节阀（24）、第二截止阀（25）、第一阻火器（26）、油箱（27）、氧浓度传感器（28）、第二阻火器（29）、第三截止阀（30）、空气滤清器（31）和自动控制器（32）；
所述第一分离器（8）、第二分离器（9）均包含入口、氮气出口和氧气出口；所述邮箱（27）包含气体入口和气体出口；所述自动控制器（32）包含电流输入端和电流输出端；
所述风机（1）的入口接需要进行氧、氮分离的气体，风机（1）的出口、第一温度传感器（2）、第一电动调节阀（3）、气流控制器（4）、第一流量传感器（5）的入口依次管道相连；所述气流控制器（4）用于对流入的气体进行稳压稳流；
所述第一流量传感器（5）的出口分别和所述第二电动调节阀（6）的入口、第三电动调节阀（7）的入口管道相连；
所述第一分离器（8）的入口和所述第二电动调节阀（6）的出口管道相连、氧气出口和所述第四电动调节阀（10）的入口管道相连、氮气出口和所述第六电动调节阀（16）的入口管道相连；
所述第二分离器（9）的入口和所述第三电动调节阀（7）的出口管道相连、氧气出口和所述第五电动调节阀（11）的入口管道相连、氮气出口和所述第七电动调节阀（17）的入口管道相连；
所述富氧空气压缩机（12）的入口分别和所述第四电动调节阀（10）的出口、第五电动调节阀（11）的出口管道相连，富氧空气压缩机（12）的出口、第二流量传感器（13）、氧气瓶（14）的入口依次管道相连；
所述富氮空气压缩机（18）的入口分别和所述第六电动调节阀（16）的出口、第七电动调节阀（17）的出口管道相连，富氮空气压缩机（18）的出口、第一截止阀（19）、氮气瓶（20）、第三流量传感器（22）、第二温度传感器（23）、第八电动调节阀（24）、第二截止阀（25）、第一阻火器（26）、油箱（27）的气体入口依次管道相连；
所述邮箱（27）的气体出口、第二阻火器（29）、第三截止阀（30）、空气滤清器（31）的入口依次管道相连；
所述空气滤清器（31）的出口用于废气排出；
所述第一压力传感器（15）的探头设置在所述氧气瓶（14）内，用于感应所述氧气瓶（14）内的氧气压力；所述第二压力传感器（21）的探头设置在所述氮气瓶（20）内，用于感应所述氮气瓶（20）内的氮气压力；所述氧浓度传感器（28）的探头设置在所述油箱（27）内气体中，用于感应所述所述油箱（27）内气体的氧浓度；
所述自动控制器（32）的电流输入端分别和所述第一温度传感器（2）、第一流量传感器（5）、第二流量传感器（13）、第一压力传感器（15）、第二压力传感器（21）、第三流量传感器（22）、第二温度传感器（23）、氧浓度传感器（28）电气相连；
所述自动控制器（32）的电流输出端分别和所述风机（1）、第一电动调节阀（3）、第二电动调节阀（6）、第一分离器（8）、第四电动调节阀（10）、富氧空气压缩机（12）、第六电动调节阀（16）、富氮空气压缩机（18）、第三电动调节阀（7）、第二分离器（9）、第五电动调节阀（11）、第七电动调节阀（17）、第八电动调节阀（24）电气相连。
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