CN108945476A - 一种基于化学循环空气分离技术的机载制氧-制氮系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于化学循环空气分离技术的机载制氧‑制氮系统，将空气通入分离系统中，利用部分化学材料（吸氧剂）可以在一定压力和温度条件下吸收氧气，并在不同的条件下将氧气释放出来的特点，将空气中的氧气和氮气分离。得到纯度较高的氧气用于座舱乘客呼吸或做其它用；富氮气体通入燃油箱进行冲洗惰化，达到防火防爆的目的。本发明具有分离效率高、能耗低、可连续工作等优点。
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，特别涉及一种基于化学循环空气分离技术的机载制氧-制氮系统。
背景技术
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。
许多材料可以在一定压力和温度条件下吸收氧气，并在不同的条件下将氧气释放出来，如一些熔融盐。通过这种化学分离的方法可以将空气中的氧气和氮气分离，得到纯度较高的氧气用于座舱乘客呼吸或做其它用；富氮气体通入燃油箱进行冲洗惰化，达到防火防爆的目的。降低了空气压缩所需的能耗，并且产生的氧气浓度高，具有分离效率高、能耗低、可连续工作等优点。
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，提供了一种基于化学循环空气分离技术的机载制氧-制氮系统，将空气通入分离系统中，利用部分化学材料（吸氧剂）可以在一定压力和温度条件下吸收氧气，并在不同的条件下将氧气释放出来的特点，将空气中的氧气和氮气分离。得到纯度较高的氧气用于座舱乘客呼吸或做其它用；富氮气体通入燃油箱进行冲洗惰化，达到防火防爆的目的。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于化学循环空气分离技术的机载制氧-制氮系统，包含油箱、第一阻火器、过滤器、第一压缩机、第一电动调节阀、第一预处理器、第二电动调节阀、第二预处理器、第一回热器、吸收塔、第二回热器、减压阀、解吸塔、循环泵、第一冷却器、第一温度传感器、第三电动调节阀、第二阻火器、氧浓度传感器、第二冷却器、第二温度传感器、第二压缩机、氧气罐和自动控制器；
所述油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；
所述第一预处理器、第二预处理器均用于对进入其内的气体进行干燥并除去二氧化碳；
所述第一回热器包含冷侧通道、氧气通道和氮气通道，用于利用经过氧气通道和氮气通道的气体的热量对经过冷侧通道的气体进行加热；
所述吸收塔包含气体入口、气体出口、吸氧剂入口、吸氧剂出口，用于利用从吸收塔吸氧剂入口进入的吸氧剂吸收从吸收塔气体入口进入气体中的氧气，并将从吸收塔气体入口进入、被吸收氧气后的气体从吸收塔气体出口排出，将吸收氧气后的吸氧剂从吸收塔的吸氧剂出口排出；
所述解吸塔包含气体出口、吸氧剂入口、吸氧剂出口，用于从解吸塔吸氧剂入口进入的吸收过氧气的吸氧剂中分离出氧气，并将分离出的氧气从解吸塔的气体出口排出、将分离出氧气后的吸氧剂从解吸塔的吸氧剂出口排出；
所述过滤器的入口接外部气体，出口和所述第一压缩机的入口管道相连；
所述第一压缩机的出口分别和所述第一电动调节阀的入口、第二电动调节阀的入口管道相连；
所述第一电动调节阀的出口和所述第一预处理器的入口管道相连；
所述第二电动调节阀的出口和所述第二预处理器的入口管道相连；
所述第一回热器冷侧通道的入口分别和所述第一预处理器的出口、第二预处理器的出口管道相连，第一回热器冷侧通道的出口和所述吸收塔的气体入口管道相连；
所述吸收塔的气体出口、第一回热器氮气通道、第一冷却器的热侧通道、第一温度传感器、第三电动调节阀、第二阻火器、油箱的气体入口依次管道相连；
所述吸收塔的吸氧剂出口、第二回热器的冷侧通道、减压阀、解吸塔的吸氧剂入口依次管道相连；
所述解吸塔的吸氧剂出口、循环泵、第二回热器的热侧通道、吸收塔的吸氧剂入口依次管道相连；
所述解吸塔的气体出口、第一回热器的氧气通道、第二冷却器的热侧通道、第二温度传感器、第二压缩机、氧气罐的入口依次管道相连；
所述第一冷却器的冷侧通道、第二冷却器的冷侧通道均用于接外部冲压空气对其对应的热侧通道中的气体进行冷却后排出至机外；
所述油箱的气体出口和所述第一阻火器的入口管道相连，所述第一阻火器的出口用于将其内气体排至机外；
所述氧浓度传感器的探头伸入所述油箱内，用于检测所述油箱内气体的氧浓度，并将其传递给所述自动控制器；
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、第二温度传感器、氧浓度传感器电气相连，自动控制器的电流输出端分别和所述第一压缩机、第一电动调节阀、第二电动调节阀、循环泵、第三电动调节阀、第二压缩机电气相连。
本发明的有益效果如下：
本发明一种基于化学循环空气分离技术的机载制氧-制氮系统，即将空气通入分离系统中，利用吸氧剂可以在一定压力和温度条件下吸收氧气，并在不同的条件下将氧气释放出来的特点，将空气中的氧气和氮气分离。得到纯度较高的氧气用于座舱乘客呼吸或做其它用；富氮气体通入燃油箱进行冲洗惰化，达到防火防爆的目的。系统具有分离效率高、能耗低、可连续工作等优点。
附图说明
图1为一种基于化学循环空气分离技术的机载制氧-制氮系统示意图。
图中，1-油箱，2-第一阻火器，3-过滤器，4-第一压缩机，5-第一电动调节阀，6-第一预处理器，7-第二电动调节阀，8-第二预处理器，9-第一回热器，10-吸收塔，11-第二回热器，12-减压阀，13-解吸塔，14-循环泵，15-氧气罐，16-自动控制器，17-第一冷却器，18-第一温度传感器，19-第三电动调节阀，20-第二阻火器，21-氧浓度传感器，22-第二冷却器，23-第二温度传感器，24-第二压缩机。
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，本发明公开了一种基于化学循环空气分离技术的机载制氧-制氮系统，包含油箱1、第一阻火器2、过滤器3、第一压缩机4、第一电动调节阀5、第一预处理器6、第二电动调节阀7、第二预处理器8、第一回热器9、吸收塔10、第二回热器11、减压阀12、解吸塔13、循环泵14、第一冷却器17、第一温度传感器18、第三电动调节阀19、第二阻火器20、氧浓度传感器21、第二冷却器22、第二温度传感器23、第二压缩机24、氧气罐15和自动控制器16；
所述油箱1包含气体入口和气体出口；所述自动控制器16包含电流输入端和电流输出端；
所述第一预处理器6、第二预处理器8均用于对进入其内的气体进行干燥并除去二氧化碳；
所述第一回热器9包含冷侧通道、氧气通道和氮气通道，用于利用经过氧气通道和氮气通道的气体的热量对经过冷侧通道的气体进行加热；
所述吸收塔10包含气体入口、气体出口、吸氧剂入口、吸氧剂出口，用于利用从吸收塔10吸氧剂入口进入的吸氧剂吸收从吸收塔10气体入口进入气体中的氧气，并将从吸收塔10气体入口进入、被吸收氧气后的气体从吸收塔10气体出口排出，将吸收氧气后的吸氧剂从吸收塔10的吸氧剂出口排出；
所述解吸塔13包含气体出口、吸氧剂入口、吸氧剂出口，用于从解吸塔13吸氧剂入口进入的吸收过氧气的吸氧剂中分离出氧气，并将分离出的氧气从解吸塔13的气体出口排出、将分离出氧气后的吸氧剂从解吸塔13的吸氧剂出口排出；
所述过滤器3的入口接外部气体，出口和所述第一压缩机4的入口管道相连；
所述第一压缩机4的出口分别和所述第一电动调节阀5的入口、第二电动调节阀7的入口管道相连；
所述第一电动调节阀5的出口和所述第一预处理器6的入口管道相连；
所述第二电动调节阀7的出口和所述第二预处理器8的入口管道相连；
所述第一回热器9冷侧通道的入口分别和所述第一预处理器6的出口、第二预处理器8的出口管道相连，第一回热器9冷侧通道的出口和所述吸收塔10的气体入口管道相连；
所述吸收塔10的气体出口、第一回热器9氮气通道、第一冷却器17的热侧通道、第一温度传感器18、第三电动调节阀19、第二阻火器20、油箱1的气体入口依次管道相连；
所述吸收塔10的吸氧剂出口、第二回热器11的冷侧通道、减压阀12、解吸塔13的吸氧剂入口依次管道相连；
所述解吸塔13的吸氧剂出口、循环泵14、第二回热器11的热侧通道、吸收塔10的吸氧剂入口依次管道相连；
所述解吸塔13的气体出口、第一回热器9的氧气通道、第二冷却器22的热侧通道、第二温度传感器23、第二压缩机24、氧气罐15的入口依次管道相连；
所述第一冷却器17的冷侧通道、第二冷却器22的冷侧通道均用于接外部冲压空气对其对应的热侧通道中的气体进行冷却后排出至机外；
所述油箱1的气体出口和所述第一阻火器2的入口管道相连，所述第一阻火器2的出口用于将其内气体排至机外；
所述氧浓度传感器21的探头伸入所述油箱1内，用于检测所述油箱1内气体的氧浓度，并将其传递给所述自动控制器16；
所述自动控制器16的电流输入端分别和所述第一温度传感器18、第二温度传感器23、氧浓度传感器21电气相连，自动控制器16的电流输出端分别和所述第一压缩机4、第一电动调节阀5、第二电动调节阀7、循环泵14、第三电动调节阀19、第二压缩机24电气相连。
本发明一种基于化学循环空气分离技术的机载制氧-制氮系统的工作过程如下：
1）分离过程
所述空气在过滤器3中过滤掉杂质，然后被第一压缩机4压缩至一定压力后进入预处理系统进行干燥并除去二氧化碳，这是因为水和二氧化碳会影响吸氧剂的活性；所述预处理系统由第一预处理器6、第二预处理器8并联；通过第一电动调节阀5、第二电动调节阀7的开闭切换工作，实现系统连续运行；干燥的空气在第一回热器9中被加热；热空气由吸收塔10下部流入，并与吸氧剂发生反应被吸收；富氧的吸氧剂从吸收塔10底部流出，在第二回热器11中进一步升温，然后在减压阀12降至一定压力，由解吸塔13上部进入，富氧的吸氧剂释放出氧气后，在循环泵14的作用下由解吸塔13底部流出，在第二回热器11热侧通道换热后，由吸收塔10上部流回，继续循环；
氧气从解吸塔13顶部流出，进入第一回热器9氧气通道换热后，在第二冷却器22中被冲压空气进一步冷却；然后被第二压缩机24加压后储存在氧气罐15中；
2）油箱惰化过程
富氮气体从吸收塔10顶部流出，进入第一回热器9氮气通道换热后，在第一冷却器17中被冲压空气进一步冷却；依次流过第一温度传感器18、第三电动调节阀19、第二阻火器20后，流入所述油箱1进行冲洗惰化；
3）数据采集及控制过程：
所述氧浓度传感器21通过探杆探测所述油箱1上部气相空间氧浓度并将信号传输到所述自动控制器16；当氧浓度大于给定值时，所述自动控制器16输出控制信号连通所述第一压缩机4、第一电动调节阀5、第二电动调节阀7、循环泵14、第三电动调节阀19、第二压缩机24，系统开始工作；当氧浓度小于给定值时，系统停止工作；
所述第一温度传感器18测得富氮气体温度，并将信号传输到所述自动控制器16；当温度大于给定值时，所述自动控制器16输出控制信号关闭所述第三电动调节阀19，以防止高温气体进入油箱，保证油箱安全；同时增大进入第一冷却器17的冲压空气，将富氮气体温度进一步降低；
所述第二温度传感器23测得氧气温度，并将信号传输到所述自动控制器16；当温度大于给定值时，增大进入第一冷却器17的冲压空气，将氧气温度进一步降低。
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)
1.一种基于化学循环空气分离技术的机载制氧-制氮系统，其特征在于，包含油箱（1）、第一阻火器（2）、过滤器（3）、第一压缩机（4）、第一电动调节阀（5）、第一预处理器（6）、第二电动调节阀（7）、第二预处理器（8）、第一回热器（9）、吸收塔（10）、第二回热器（11）、减压阀（12）、解吸塔（13）、循环泵（14）、第一冷却器（17）、第一温度传感器（18）、第三电动调节阀（19）、第二阻火器（20）、氧浓度传感器（21）、第二冷却器（22）、第二温度传感器（23）、第二压缩机（24）、氧气罐（15）和自动控制器（16）；
所述油箱（1）包含气体入口和气体出口；所述自动控制器（16）包含电流输入端和电流输出端；
所述第一预处理器（6）、第二预处理器（8）均用于对进入其内的气体进行干燥并除去二氧化碳；
所述第一回热器（9）包含冷侧通道、氧气通道和氮气通道，用于利用经过氧气通道和氮气通道的气体的热量对经过冷侧通道的气体进行加热；
所述吸收塔（10）包含气体入口、气体出口、吸氧剂入口、吸氧剂出口，用于利用从吸收塔（10）吸氧剂入口进入的吸氧剂吸收从吸收塔（10）气体入口进入气体中的氧气，并将从吸收塔（10）气体入口进入、被吸收氧气后的气体从吸收塔（10）气体出口排出，将吸收氧气后的吸氧剂从吸收塔（10）的吸氧剂出口排出；
所述解吸塔（13）包含气体出口、吸氧剂入口、吸氧剂出口，用于从解吸塔（13）吸氧剂入口进入的吸收过氧气的吸氧剂中分离出氧气，并将分离出的氧气从解吸塔（13）的气体出口排出、将分离出氧气后的吸氧剂从解吸塔（13）的吸氧剂出口排出；
所述过滤器（3）的入口接外部气体，出口和所述第一压缩机（4）的入口管道相连；
所述第一压缩机（4）的出口分别和所述第一电动调节阀（5）的入口、第二电动调节阀（7）的入口管道相连；
所述第一电动调节阀（5）的出口和所述第一预处理器（6）的入口管道相连；
所述第二电动调节阀（7）的出口和所述第二预处理器（8）的入口管道相连；
所述第一回热器（9）冷侧通道的入口分别和所述第一预处理器（6）的出口、第二预处理器（8）的出口管道相连，第一回热器（9）冷侧通道的出口和所述吸收塔（10）的气体入口管道相连；
所述吸收塔（10）的气体出口、第一回热器（9）氮气通道、第一冷却器（17）的热侧通道、第一温度传感器（18）、第三电动调节阀（19）、第二阻火器（20）、油箱（1）的气体入口依次管道相连；
所述吸收塔（10）的吸氧剂出口、第二回热器（11）的冷侧通道、减压阀（12）、解吸塔（13）的吸氧剂入口依次管道相连；
所述解吸塔（13）的吸氧剂出口、循环泵（14）、第二回热器（11）的热侧通道、吸收塔（10）的吸氧剂入口依次管道相连；
所述解吸塔（13）的气体出口、第一回热器（9）的氧气通道、第二冷却器（22）的热侧通道、第二温度传感器（23）、第二压缩机（24）、氧气罐（15）的入口依次管道相连；
所述第一冷却器（17）的冷侧通道、第二冷却器（22）的冷侧通道均用于接外部冲压空气对其对应的热侧通道中的气体进行冷却后排出至机外；
所述油箱（1）的气体出口和所述第一阻火器（2）的入口管道相连，所述第一阻火器（2）的出口用于将其内气体排至机外；
所述氧浓度传感器（21）的探头伸入所述油箱（1）内，用于检测所述油箱（1）内气体的氧浓度，并将其传递给所述自动控制器（16）；
所述自动控制器（16）的电流输入端分别和所述第一温度传感器（18）、第二温度传感器（23）、氧浓度传感器（21）电气相连，自动控制器（16）的电流输出端分别和所述第一压缩机（4）、第一电动调节阀（5）、第二电动调节阀（7）、循环泵（14）、第三电动调节阀（19）、第二压缩机（24）电气相连。
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