CN110902659B - 一种通电线圈辅助膜分离的机载制氮装置及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通电线圈辅助膜分离的机载制氮装置及其应用方法,属于航空系统技术领域,能够实现富氮气体的高浓度连续输出,具有维护简单,可靠性好,分离效率高的优点。本发明将通电线圈磁致分离与传统的膜分离技术相结合,在经典中空纤维膜装置外壳加上缠绕的线圈,缠绕方式为沿着进气方向轴向不断减少线圈圈数,在通电之后,中空纤维膜的空气在通电线圈产生的磁场作用下进行了预分离,此时,经过磁场不断预分离的空气,在通过中空纤维膜内部时,由于氧氮的磁化率不同,氧气和氮气在通电螺线管中进行了预分离,提高了进入中空纤维膜装置中的氮气浓度,通电线圈和中空纤维膜分离装置的协同工作,实现氮气的高浓度输出。
Description
技术领域
本发明属于航空系统技术领域,尤其涉及一种通电线圈辅助膜分离的机载制氮装置及其应用方法。
背景技术
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,因此,如何提高油箱的防火防爆能力,也就成了人们极为关注的问题。目前,主流的军用、民用飞机均选用基于膜分离方法制成的中空纤维膜装置惰化飞机燃油箱。
现今,关于膜分离方法的研究仍然集中在高性能气体分离膜材料的制备以及渗透膜与其它气体分离技术的集成等方面。与其他空气分离方法相比,薄膜渗透法具有设备简单,操作方便、安全、启动快,不污染环境,投资少等优点。但这种方法分离出来的富氮气体浓度有限,通入引气时需要较大的压力。
发明内容
本发明提供了一种通电线圈辅助膜分离的机载制氮装置及其应用方法,结合了通电线圈产生的磁场分离技术与膜分离技术,将空气中的氧气和氮气分离出来,实现富氮气体的高浓度连续输出,具有维护简单,可靠性好,分离效率高等优点。
为实现以上目的,本发明采用以下技术方案:
一种通电线圈辅助膜分离的机载制氮装置,包括:第一封头2、第一膜丝固定板4、线圈5、膜丝6、中柱7、三通中柱9、第二膜丝固定板10、第二封头11;中柱7底端面与三通中柱9顶端面连接;第一膜丝固定板4安装在中柱7内侧上端,第一膜丝固定板4的顶端面与中柱7的顶端面处于同一平面上;第二膜丝固定板10安装于三通中柱9内侧下端,第二膜丝固定板10的底端面与三通中柱9的底端面处于同一平面上;膜丝6填充在中柱7和三通中柱9内,且膜丝6顶端由第一膜丝固定板4固定,底端由第二膜丝固定板10固定,膜丝6的进气孔位于顶端,引气从此处流入,膜丝6的出气孔位于底端,渗余气体从此处流出;线圈5从中柱7的最上端开始缠绕,缠绕多层,再沿着中柱的外柱面向下缠绕,缠绕层数不断递减,缠绕至中柱的最下端;第一封头2的底端面与中柱7的顶端面连接;第二封头11的顶端面与三通中柱9的底端面连接。
以上所述结构中,第一封头2的顶端设置引气入口接头1;第二封头11的底端设置第二引起出口接头12;三通中柱9的外侧面设置第一引气出口接头8;中柱7与三通中柱9通过螺栓b13固定连接;第一封头2通过螺栓a3与中柱7紧固连接;第二封头11通过螺栓c14与三通中柱9紧固连接;第一封头2、螺栓a3、螺栓b13、螺栓c14、中柱7、三通中柱9和第二封头11采用的材料包括航空铝合金、不锈钢、有机玻璃;膜丝6采用的材料包含聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚砜(PSF)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰亚胺(PI)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、聚乙醚(PPO)。
一种通电线圈辅助膜分离的机载制氮装置的应用方法,包括以下步骤:
首先,引气从引气入口接头1流到第一封头2的内部,在第一封头2和第一膜丝固定板4所围成的空间内聚集,再从膜丝6顶端进气孔流进膜丝6内部;
然后,由于膜丝6内外氧气分压不同,存在分压差,膜丝6内气体中的氧气不断向膜丝外渗透;
同时,将线圈5通电,线圈5由于上下层数的不同会产生一个磁场强度呈梯度分布的磁场,由于氧气是一种顺磁性气体,而氮气是一种逆磁性气体,膜丝6内空气中的氧气会向线圈5层数多、磁场强度大的膜丝6上端附近聚集,而氮气则会向线圈层数少、磁场强度小的膜丝6下端附近聚集;
然后,膜丝6渗透出来的氧气在中柱7和三通中柱9内部不断富集,最终富氧气体会从三通中柱9外侧的第一引气出口接头8流出;
接着,膜丝6中的氮气由于氧气通过膜丝6不断渗出和线圈产生的梯度磁场中氮气不断向膜丝6的下端附近聚集,在膜分离和磁致分离的双重作用下,流至第二膜丝固定板10和第二封头11形成的空间富集;
最后,富氮惰性气体从第二封头11的第二引气出口接头12流出。
有益效果:本发明提供了一种通电线圈辅助膜分离的机载制氮装置及其应用方法,将通电线圈产生的磁致分离与膜分离技术相结合在同一装置里,在经典中空纤维膜装置外壳加上缠绕的线圈,缠绕方式为沿着进气方向轴向不断减少线圈圈数。氧气为顺磁性气体,氮气为逆磁性气体,由于氧氮分子巨大的磁化率差异,其在梯度磁场中将受到方向相反的磁化力作用,进而形成方向相反的分子扩散行为。在通电之后,中空纤维膜的空气在通电线圈产生的磁场作用下进行了预分离,此时,经过磁场不断预分离的空气,在通过中空纤维膜内部时,由于氧氮的磁化率不同,氧气和氮气在通电螺线管中进行了预分离,提高了进入中空纤维膜装置中的氮气浓度。本发明利用通电线圈和中空纤维膜分离装置的协同工作,实现氮气的高浓度输出,具有维护简单,可靠性好,分离效率高等优点。
附图说明
图1为本发明装置的左视图;
图2为本发明装置的主视图;
图3为本发明装置的仰视图;
图4为本发明装置右视剖面图;图中,1-引气入口接头、2-第一封头、3-螺栓a、4-第一膜丝固定板、5-线圈、6-膜丝、7-中柱、8-第一引气出口接头、9-三通中柱、10-第二膜丝固定板、11-第二封头和12-第二引气出口接头、13-螺栓b、14-螺栓c;
图5为本发明膜丝固定板组件示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明:
如图1-图4所示,一种通电线圈辅助膜分离的机载制氮装置,包括:第一封头2、第一膜丝固定板4、线圈5、膜丝6、中柱7、三通中柱9、第二膜丝固定板10、第二封头11;中柱7底端面与三通中柱9顶端面连接;第一膜丝固定板4安装在中柱7内侧上端,第一膜丝固定板4的顶端面与中柱7的顶端面处于同一平面上;第二膜丝固定板10安装于三通中柱9内侧下端,第二膜丝固定板10的底端面与三通中柱9的底端面处于同一平面上;膜丝6填充在中柱7和三通中柱9内,且膜丝6顶端由第一膜丝固定板4固定,底端由第二膜丝固定板10固定,膜丝6的进气孔位于顶端,引气从此处流入,膜丝6的出气孔位于底端,渗余气体从此处流出;线圈5缠绕方式为沿着进气方向轴向不断减少线圈圈数,从中柱7的最上端开始缠绕,缠绕多层,再沿着中柱的外柱面向下缠绕,缠绕层数不断递减,缠绕至中柱的最下端;第一封头2的底端面与中柱7的顶端面连接;第二封头11的顶端面与三通中柱9的底端面连接。
以上所述结构中,第一封头2的顶端设置引气入口接头1;第二封头11的底端设置第二引起出口接头12;三通中柱9的外侧面设置第一引气出口接头8;中柱7与三通中柱9通过螺栓b13固定连接;第一封头2通过螺栓a3与中柱7紧固连接;第二封头11通过螺栓c14与三通中柱9紧固连接;第一封头2、螺栓a3、螺栓b13、螺栓c14、中柱7、三通中柱9和第二封头11采用的材料包括航空铝合金、不锈钢、有机玻璃;膜丝6采用的材料包含聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)、聚砜(PSF)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰亚胺(PI)、乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE)、聚乙醚(PPO)。
引气入口接头1通入的气体为发动机引气、环控系统引气、冲压空气或座舱空气。
引气入口接头1、第一引气出口接头8和第二引气出口接头12的外接管为钢管或软管,采用软管有利用提高密封性。
如图5所示,为膜丝固定板上膜丝孔的布置方式。
以上所述装置的应用方法如下:
首先,引气从第一封头2的引气入口接头1流到第一封头2的内部,在由第一封头2和第一膜丝固定板4所围成的空间内聚集;
再从第一膜丝固定板4上部的膜丝6的上端口流进膜丝6内部;
然后,由于膜丝6内外氧气分压不同,存在分压差,膜丝6内气体中的氧气不断向膜丝6外渗透;
同时,将线圈5通电,线圈5由于层数的不同会产生一个磁场强度呈梯度分布的磁场;由于氧气是一种顺磁性气体,而氮气是一种逆磁性气体,膜丝内空气中的氧气会向线圈层数多,磁场强度大的方向——膜丝6上端口附近聚集;而氮气则相反,会向线圈层数少,磁场强度小的方向——膜丝6下端口附近聚集;
然后,膜丝6渗透出来的氧气再中柱7和三通中柱8内部不断富集,最终富氧气体会从三通中柱9上的第一引气出口接头8流出;
接着,膜丝中的氮气由于氧气通过膜丝6不断渗出和线圈5产生的梯度磁场中氮气不断向膜丝6的下端口附近聚集,在膜分离和磁致分离的双重作用下,流至第二膜丝固定板10下部和第二封头11之间的空间富集;
最后,富氮惰性气体从第二封头11的第二引气出口接头12流出。
以上所述仅为本发明的优选实施方式,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,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 (8)
1.一种通电线圈辅助膜分离的机载制氮装置的应用方法,其特征在于,所述装置包括:第一封头(2)、第一膜丝固定板(4)、线圈(5)、膜丝(6)、中柱(7)、三通中柱(9)、第二膜丝固定板(10)、第二封头(11);中柱(7)底端面与三通中柱(9)顶端面连接;第一膜丝固定板(4)安装在中柱(7)内侧上端,第一膜丝固定板(4)的顶端面与中柱(7)的顶端面处于同一平面上;第二膜丝固定板(10)安装于三通中柱(9)内侧下端,第二膜丝固定板(10)的底端面与三通中柱(9)的底端面处于同一平面上;膜丝(6)填充在中柱(7)和三通中柱(9)内,且膜丝(6)顶端由第一膜丝固定板(4)固定,底端由第二膜丝固定板(10)固定,膜丝(6)的进气孔位于顶端,膜丝(6)的出气孔位于底端;线圈(5)从中柱(7)的最上端开始缠绕,缠绕多层,再沿着中柱的外柱面向下缠绕,缠绕层数不断递减,缠绕至中柱的最下端;第一封头(2)的底端面与中柱(7)的顶端面连接;第二封头(11)的顶端面与三通中柱(9)的底端面连接;具体方法包括以下步骤:
首先,引气从引气入口接头(1)流到第一封头(2)的内部,在第一封头(2)和第一膜丝固定板(4)所围成的空间内聚集,再从膜丝(6)顶端进气孔流进膜丝(6)内部;
然后,由于膜丝(6)内外氧气分压不同,存在分压差,膜丝(6)内气体中的氧气不断向膜丝外渗透;
同时,将线圈(5)通电,线圈(5)由于上下层数的不同会产生一个磁场强度呈梯度分布的磁场,膜丝(6)内空气中的氧气会向线圈(5)层数多、磁场强度大的膜丝(6)上端附近聚集,而氮气则会向线圈层数少、磁场强度小的膜丝(6)下端附近聚集;
然后,膜丝(6)渗透出来的氧气在中柱(7)和三通中柱(9)内部不断富集,最终富氧气体会从三通中柱(9)外侧的第一引气出口接头(8)流出;
接着,膜丝(6)中的氮气由于氧气通过膜丝(6)不断渗出和线圈产生的梯度磁场中氮气不断向膜丝(6)的下端附近聚集,在膜分离和磁致分离的双重作用下,流至第二膜丝固定板(10)和第二封头(11)形成的空间富集;
最后,富氮惰性气体从第二封头(11)的第二引气出口接头(12)流出。
2.根据权利要求1所述的通电线圈辅助膜分离的机载制氮装置的应用方法,其特征在于,第一封头(2)的顶端设置引气入口接头(1)。
3.根据权利要求1所述的通电线圈辅助膜分离的机载制氮装置的应用方法,其特征在于,第二封头(11)的底端设置第二引起出口接头(12)。
4.根据权利要求1所述的通电线圈辅助膜分离的机载制氮装置的应用方法,其特征在于,三通中柱(9)的外侧面设置第一引气出口接头(8)。
5.根据权利要求1所述的通电线圈辅助膜分离的机载制氮装置的应用方法,其特征在于,中柱(7)与三通中柱(9)通过螺栓b(13)固定连接。
6.根据权利要求1所述的通电线圈辅助膜分离的机载制氮装置的应用方法,其特征在于,第一封头(2)通过螺栓a(3)与中柱(7)紧固连接;第二封头(11)通过螺栓c(14)与三通中柱(9)紧固连接。
7.根据权利要求1或6所述的通电线圈辅助膜分离的机载制氮装置的应用方法,其特征在于,第一封头(2)、螺栓a(3)、螺栓b(13)、螺栓c(14)、中柱(7)、三通中柱(9)和第二封头(11)采用的材料包括航空铝合金、不锈钢。
8.根据权利要求1所述的通电线圈辅助膜分离的机载制氮装置的应用方法,其特征在于,膜丝(6)采用的材料包含聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚砜、聚丙烯腈、聚酰亚胺、乙烯-三氟氯乙烯共聚物、聚乙醚。
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