CN110282603A - 一种低引气量机载双床变温吸附制氧系统及工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低引气量机载变温吸附制氧系统及工作方法，系统包含引气模块、制氧模块和调温模块；通过引气模块从发动机引入空气，在制氧模块的分离床中通过变温吸附原理交替产生氧气。制氧模块所需冷量由调温模块中的蒸发循环制冷系统提供，无需从机身开口引冷气，所需热量由蒸发循环制冷系统和加热器联合提供，无需从发动机引热气。冷量和热量由制氧模块产生的废气通过闭式循环传递。本发明实现了低引气量情况下变温吸附制取氧气，能够提高发动机动力性能，同时减小飞行阻力，提高隐身性能，符合下一代战机超高机动性和隐身性的需求。

Description

一种低引气量机载双床变温吸附制氧系统及工作方法

技术领域

本发明飞行器环境控制技术领域，具体指代一种低引气量机载双床变温吸附制氧系统及工作方法。

背景技术

机载制氧技术对于战机的超音速、远航程、灵活起降等性能具有重要意义，一直以来深受各国高度重视。与气氧和液氧相比，机载制氧氧源在安全性、可靠性、经济性上都具有明显优势，在后勤保障、飞机起降等方面也具有突出优点，已成为战机氧源的主要发展趋势。

机载变温吸附制氧系统主要利用发动机引热气和机身开口引冷气，作为氧气分离床温度调节的热源和冷源。然而，该系统会削弱发动机性能，继而影响飞机机动性能，同时机身开口会影响飞机隐身性能，不符合下一代战机超高机动性和隐身性的要求。目前，新型机载变温吸附制氧系统的相关研究方兴未艾，设计符合下一代战机要求的系统意义重大。

发明内容

针对于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种低引气量机载双床变温吸附制氧系统及工作方法，以解决现有技术中机载变温吸附制氧系统会削弱发动机性能，继而影响飞机机动性能，及影响飞机隐身性能的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明的一种低引气量机载双床变温吸附制氧系统，包含引气模块、制氧模块和调温模块；

所述引气模块包含发动机、调节器、二位三通阀I、第一压力传感器和第一热电偶；所述发动机的引气口、调节器、二位三通阀I的入口依次管道相连；所述第一压力传感器、第一热电偶设置在二位三通阀I的入口处，分别用于检测二位三通阀I入口处空气的压力和温度；所述调节器用于调节从发动机引气口获得的空气的压力，使之达到吸附和解吸所需压力；所述二位三通阀I用于控制调节器出口空气的流动方向，使空气按一定周期交替进入制氧模块；

所述制氧模块包含分离床I、增压器I、分离床II、增压器II、储氧罐、废气罐、第二热电偶、第三热电偶、第四热电偶、第五热电偶、第二压力传感器、第三压力传感器；所述分离床I及分离床II的氧气出口、增压器I、储氧罐的入口依次管道相连；所述分离床I及分离床II的废气出口、增压器II、废气罐的入口依次管道相连；所述第二热电偶、第三热电偶、第四热电偶、第五热电偶分别设置在分离床I及分离床II的氧气出口处和废气出口处，用于检测出口处氧气温度和废气温度；所述第二压力传感器设置在储氧罐上，第三压力传感器设置在废气罐上，分别用于检测罐内氧气压力和废气压力；

所述调温模块包含泵、阀门I、阀门II、阀门III、压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器、加热器、二位三通阀II、二位三通阀III和第六热电偶、第七热电偶、第八热电偶及第九热电偶；所述泵的出口分为两个支路，一支路与蒸发器、二位三通阀II依次管道相连，另一支路与冷凝器、加热器、二位三通阀III依次管道相连；所述阀门I与泵并联，用于调节从废气罐中引入废气的总流量；所述阀门II和阀门III分别设置在上述两个支路入口，用于调节两个支路的废气流量；所述第六热电偶、第七热电偶、第八热电偶、第九热电偶分别设置在泵的出口、冷凝器出口、加热器出口、蒸发器出口，用于检测各出口处废气温度；所述压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器依次管道相连，构成蒸发循环制冷系统，为分离床I和分离床II提供冷量或热量；所述加热器设置在冷凝器出口，用于进一步提升废气温度；所述二位三通阀II和二位三通阀III分别设置在蒸发器出口和冷凝器出口，用于调节冷废气和热废气的流向，使冷/热废气按一定周期进入分离床I和分离床II。

进一步地，所述分离床I吸附氧气时，分离床II解吸附氧气，反之，分离床II吸附氧气时，分离床I解吸附氧气。

进一步地，所述冷量由蒸发循环制冷系统提供，无需从机身开口引冷气；所述热量由蒸发循环制冷系统和加热器一起提供，无需从发动机引热气。

进一步地，所述冷量和热量通过闭式废气系统传递至分离床I和分离床II，废气可循环利用。

进一步地，所述加热器可采用电加热的制热方式，也可采用电加热和飞机综合热管理中的余热相结合的方式。

本发明一种低引气量机载双床变温吸附制氧系统的工作方法，包括步骤如下：

空气通过引气模块从发动机引出，经过调节器调节至适当压力，再通过二位三通阀I交替进入制氧模块的分离床I和II；当空气和分离床I被降温至一定值时，氧分子与分离床I中的矿物螯合成可逆的合成物，废气通过增压器II升压后存储于废气罐；此时分离床II被升温至一定值，合成物释放之前吸附的氧气，再通过增压器I升压后存储于氧气罐；分离床I和II交替产生氧气/废气，如此往复；

废气通过调温模块从废气罐中引出，经过泵或阀门I，然后分成两个支路；一路经过阀门II进入蒸发器被降温至一定值，再通过二位三通阀II交替进入分离床I和II；另一路经过阀门III进入冷凝器被升温，再通过加热器被再次升温至一定值，最后通过二位三通阀III交替进入分离床I和II；分离床I和II交替被升温/降温，如此往复。

本发明的有益效果：

本发明实现了低引气量情况下变温吸附制取氧气，能够减少从发动机额外引热气，提高发动机动力性能，同时无需在机身开口引冷气，减小飞机飞行阻力，提高飞机隐身性能。此外，该系统利用废气作为冷量和热量传递介质，封闭性能好，可模块化定制。

附图说明

图1为本发明中机载变温吸附制氧系统示意图。

图中：1-发动机，2-调节器，3-分离床I，4-分离床II，5-增压器I，6-增压器II，7-储氧罐，8-废气罐，9-泵，10-压缩机，11-冷凝器，12-节流阀，13-蒸发器，14-加热器，15-阀门I，16-阀门II，17-阀门III，18-二位三通阀I，19-二位三通阀II，20-二位三通阀III，21-第一压力传感器，22-第一热电偶，23-第二热电偶，24-第三热电偶，25-第二压力传感器，26-第四热电偶，27-第五热电偶，28-第三压力传感器，29-第六热电偶，30-第七热电偶，31-第八热电偶，32-第九热电偶。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

参照图1所示，本发明的一种低引气量机载双床变温吸附制氧系统，包含引气模块、制氧模块和调温模块；

所述引气模块包含发动机1、调节器2、二位三通阀I18、第一压力传感器21和第一热电偶22；所述发动机1的引气口、调节器2、二位三通阀I18的入口依次管道相连；所述第一压力传感器21、第一热电偶22设置在二位三通阀I18的入口处，分别用于检测二位三通阀I18入口处空气的压力和温度；所述调节器2用于调节从发动机1引气口获得的空气的压力，使之达到吸附和解吸所需压力；所述二位三通阀I18用于控制调节器2出口空气的流动方向，使空气按一定周期交替进入制氧模块；

所述制氧模块包含分离床I3、增压器I5、分离床II4、增压器II6、储氧罐7、废气罐8、第二热电偶23、第三热电偶24、第四热电偶26、第五热电偶27、第二压力传感器25、第三压力传感器28；所述分离床I3、分离床II4的氧气出口、增压器I5、储氧罐7的入口依次管道相连；所述分离床I3、分离床II4的废气出口、增压器II6、废气罐8的入口依次管道相连；所述第二热电偶23、第三热电偶24、第四热电偶26、第五热电偶27分别设置在分离床I3、分离床II4的氧气出口处和废气出口处，用于检测出口处氧气温度和废气温度；所述第二压力传感器25设置在储氧罐7上，第三压力传感器28设置在废气罐8上，分别用于检测罐内氧气压力和废气压力；

所述调温模块包含泵9、阀门I15、阀门II16、阀门III17、压缩机10、冷凝器11、节流阀12、蒸发器13、加热器14、二位三通阀II19、二位三通阀III20和第六热电偶29、第七热电偶30、第八热电偶31及第九热电偶32；所述泵9的出口分为两个支路，一支路与蒸发器13、二位三通阀II19依次管道相连，另一支路与冷凝器11、加热器14、二位三通阀III20依次管道相连；所述阀门I15与泵9并联，用于调节从废气罐8中引入废气的总流量；所述阀门II16和阀门III17分别设置在上述两个支路入口，用于调节两个支路的废气流量；所述第六热电偶29、第七热电偶30、第八热电偶31、第九热电偶32分别设置在泵9的出口、冷凝器11出口、加热器14出口、蒸发器13出口，用于检测各出口处废气温度；所述压缩机10、冷凝器11、节流阀12、蒸发器13依次管道相连，构成蒸发循环制冷系统，为分离床I3和分离床II4提供冷量或热量；所述加热器14设置在冷凝器11出口，用于进一步提升废气温度；所述二位三通阀II19和二位三通阀III20分别设置在蒸发器13出口和冷凝器11出口，用于调节冷废气和热废气的流向，使冷/热废气按一定周期进入分离床I3和分离床II4。

其中，所述分离床I3吸附氧气时，分离床II4解吸附氧气；反之，分离床II4吸附氧气时，分离床I3解吸附氧气。

其中，所述冷量由蒸发循环制冷系统提供，无需从机身开口引冷气；所述热量由蒸发循环制冷系统和加热器14一起提供，无需从发动机1引热气。

其中，所述冷量和热量通过闭式废气系统传递至分离床I3和分离床II4，废气可循环利用。

其中，所述加热器14采用电加热的制热方式，或采用电加热和飞机综合热管理中的余热相结合的方式。

本发明一种低引气量机载双床变温吸附制氧系统的工作方法，基于上述系统，包括步骤如下：

空气通过引气模块从发动机1引出，经过调节器调节至适当压力，再通过二位三通阀I18交替进入制氧模块的分离床I3和分离床II4；当空气和分离床I3被降温至一定值时，氧分子与分离床I3中的矿物螯合成可逆的合成物，废气通过增压器II6升压后存储于废气罐8；此时分离床II4被升温至一定值，合成物释放之前吸附的氧气，再通过增压器I5升压后存储于氧气罐7；分离床I3和分离床II4交替产生氧气/废气，如此往复；

废气通过调温模块从废气罐8中引出，经过泵9或阀门I15，然后分成两个支路；一路经过阀门II16进入蒸发器13被降温至一定值，再通过二位三通阀II19交替进入分离床I3和分离床II4；另一路经过阀门III17进入冷凝器11被升温，再通过加热器14被再次升温至一定值，最后通过二位三通阀III20交替进入分离床I3和II4；分离床I3和分离床II4交替被升温/降温，如此往复。

本发明具体应用途径很多，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 (6)

1.一种低引气量机载双床变温吸附制氧系统，其特征在于，包含引气模块、制氧模块和调温模块；

所述引气模块包含发动机（1）、调节器（2）、二位三通阀I（18）、第一压力传感器（21）和第一热电偶（22）；所述发动机（1）的引气口、调节器（2）、二位三通阀I（18）的入口依次管道相连；所述第一压力传感器（21）、第一热电偶（22）设置在二位三通阀I（18）的入口处，分别用于检测二位三通阀I（18）入口处空气的压力和温度；所述调节器（2）用于调节从发动机（1）引气口获得的空气的压力；所述二位三通阀I（18）用于控制调节器（2）出口空气的流动方向，使空气交替进入制氧模块；

所述制氧模块包含分离床I（3）、增压器I（5）、分离床II（4）、增压器II（6）、储氧罐（7）、废气罐（8）、第二热电偶（23）、第三热电偶（24）、第四热电偶（26）、第五热电偶（27）、第二压力传感器（25）、第三压力传感器（28）；所述分离床（3、4）的氧气出口、增压器I（5）、储氧罐（7）的入口依次管道相连；所述分离床（3、4）的废气出口、增压器II（6）、废气罐（8）的入口依次管道相连；所述第二热电偶（23）、第三热电偶（24）、第四热电偶（26）、第五热电偶（27）分别设置在分离床（3、4）的氧气出口处和废气出口处，用于检测出口处氧气温度和废气温度；所述第二压力传感器（25）设置在储氧罐（7）上，第三压力传感器（28）设置在废气罐（8）上，分别用于检测罐内氧气压力和废气压力；

所述调温模块包含泵（9）、阀门I（15）、阀门II（16）、阀门III（17）、压缩机（10）、冷凝器（11）、节流阀（12）、蒸发器（13）、加热器（14）、二位三通阀II（19）、二位三通阀III（20）和第六热电偶（29）、第七热电偶（30）、第八热电偶（31）及第九热电偶（32）；所述泵（9）的出口分为两个支路，一支路与蒸发器（13）、二位三通阀II（19）依次管道相连，另一支路与冷凝器（11）、加热器（14）、二位三通阀III（20）依次管道相连；所述阀门I（15）与泵（9）并联，用于调节从废气罐（8）中引入废气的总流量；所述阀门II（16）和阀门III（17）分别设置在上述两个支路入口，用于调节两个支路的废气流量；所述第六热电偶（29）、第七热电偶（30）、第八热电偶（31）、第九热电偶（32）分别设置在泵（9）的出口、冷凝器（11）出口、加热器（14）出口、蒸发器（13）出口，用于检测各出口处废气温度；所述压缩机（10）、冷凝器（11）、节流阀（12）、蒸发器（13）依次管道相连，构成蒸发循环制冷系统，为分离床I（3）和分离床II（4）提供冷量或热量；所述加热器（14）设置在冷凝器（11）出口，用于进一步提升废气温度；所述二位三通阀II（19）和二位三通阀III（20）分别设置在蒸发器（13）出口和冷凝器（11）出口，用于调节冷废气和热废气的流向，使冷/热废气进入分离床I（3）和分离床II（4）。

2.根据权利要求1所述的低引气量机载双床变温吸附制氧系统，其特征在于，所述分离床I（3）吸附氧气时，分离床II（4）解吸附氧气；反之，分离床II（4）吸附氧气时，分离床I（3）解吸附氧气。

3.根据权利要求1所述的低引气量机载双床变温吸附制氧系统，其特征在于，所述冷量由蒸发循环制冷系统提供；所述热量由蒸发循环制冷系统和加热器（14）一起提供。

4.根据权利要求1所述的低引气量机载双床变温吸附制氧系统，其特征在于，所述冷量和热量通过闭式废气系统传递至分离床I（3）和分离床II（4）。

5.根据权利要求1所述的低引气量机载双床变温吸附制氧系统，其特征在于，所述加热器（14）采用电加热的制热方式，或采用电加热和飞机综合热管理中的余热相结合的方式。

6.一种低引气量机载双床变温吸附制氧系统的工作方法，其特征在于，包括步骤如下：

空气通过引气模块从发动机（1）引出，经过调节器调节至适当压力，再通过二位三通阀I（18）交替进入制氧模块的分离床I（3）和分离床II（4）；当空气和分离床I（3）被降温至一定值时，氧分子与分离床I（3）中的矿物螯合成可逆的合成物，废气通过增压器II（6）升压后存储于废气罐（8）；此时分离床II（4）被升温至一定值，合成物释放之前吸附的氧气，再通过增压器I（5）升压后存储于氧气罐（7）；分离床I（3）和分离床II（4）交替产生氧气/废气，如此往复；

废气通过调温模块从废气罐（8）中引出，经过泵（9）或阀门I（15），然后分成两个支路；一路经过阀门II（16）进入蒸发器（13）被降温至一定值，再通过二位三通阀II（19）交替进入分离床I（3）和分离床II（4）；另一路经过阀门III（17）进入冷凝器（11）被升温，再通过加热器（14）被再次升温至一定值，最后通过二位三通阀III（20）交替进入分离床I（3）和II（4）；分离床I（3）和分离床II（4）交替被升温/降温，如此往复。