CN110921635B - 一种结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置及其应用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结合空气冲洗与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，有效增大了膜丝内外氧气分压压差，增加了氧气渗透速率，更加快捷地将膜丝内气体中的氧气和氮气分离出来，且空气预处理简单。本发明在经典的机载中空纤维膜制氮装置中插入专门的与外界连通的冲洗空气通气管，通入空气后冲洗中空纤维膜膜丝。在冲洗中空纤维膜的时候，由于空气的冲入，膜丝外的氧分压不断降低，导致膜丝内外压差增大，加速膜丝内氧氮分离。在中空纤维膜分离装置中加入通气管后，提高了氧氮分离效率，加快了氮气的高浓度连续输出，而且空气预处理简单，可直接使用常温常压的环境空气或者飞机座舱环境引气。

Description

一种结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置及其应用方法
技术领域
本发明属于航空系统技术领域，尤其涉及一种结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置及其应用方法。
背景技术
对于所有飞机来说，燃油、氧气和点火源就是它们的“燃烧三角形”。其中，燃油是指燃油受热蒸发出来的燃油蒸汽，在燃烧时产生大量热空气，会引起燃油箱内部压力的快速升高而导致燃油箱爆炸；助燃物就是一定量值浓度的氧气；点火源包括雷电、炮火、静电火花、线路打火、热源等。对于所有飞机来说，闪电袭击、油泵故障、电器短路和静电火花引起燃油箱的起火与爆炸都是最为严重的问题。因此，如何提高油箱的防火防爆能力，也就成为了工程师们极为关注的研究问题。为满足该需要，提高燃油箱的防火防爆能力，目前已被大量采用的油箱惰化技术的具体措施——机载制氮技术。
就当前机载制氮技术研究及应用现状而言，它们基本都采用从飞机发动机压气机或者环控系统中引气，并利用膜分离技术对其进行分离，来制取较高浓度的富氮气体。然而现代飞机的机载制氮系统多是从发动机引气生成所需的惰性气体，由于分离效率的限制，所得的氮气浓度受限，因此气体进口需要很大的压力。
发明内容
本发明提供了一种结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置及其应用方法，有效增大了膜丝内外氧气分压压差，增加了氧气渗透速率，更加快捷地将膜丝内气体中的氧气和氮气分离出来，且空气预处理简单，所述装置具有结构简单，安装方便，寿命长，分离速度快的优点。
为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：
一种结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置，包括：冲洗空气通气管5、膜丝6、四通中柱7、三通中柱11、通气管固定板13、；四通中柱7的下端与三通中柱11的上端连接，四通中柱7内柱面上端连接第一膜丝固定板9，四通中柱7内柱面下端连接第二膜丝固定板10；三通中柱11的内柱面下端连接通气管固定板13，冲洗空气通气管5穿过第二膜丝固定板10位于四通中柱和三通中柱11内，冲洗空气通气管5下端固定在通气管固定板13上的管孔内，冲洗空气通气管5在三通中柱11内的管壁无开孔，在四通中柱7内的管壁有多个开孔，冲洗空气通气管5底端开口、顶端封闭；膜丝6填充在四通中柱7的内柱面和冲洗空气通气管5的外柱面之间，且膜丝6顶端和底端分别由第一膜丝固定板9和第二膜丝固定板10固定；第一封头2的底端端面与四通中柱7的顶端端面连接，第二封头14的顶端端面与三通中柱11的底端端面连接。
以上所述结构中，第一膜丝固定板9的顶端与四通中柱7的顶端处于同一平面上；第二膜丝固定板10的底端与四通中柱7的底端处于同一平面上；冲洗空气通气管5的底端与通气管固定板13的底端处于同一平面上；第一封头2顶端设置引气出口接头1；第二封头14底端设置冲洗空气入口接头15；四通中柱7上部的一侧设置第一冲洗空气出口接头4，下部另一侧设置第二冲洗空气出口接头8；三通中柱11侧面设置引气入口接头12；第一封头2与四通中柱7通过螺栓a3紧固连接；第二封头14与三通中柱11通过螺栓b16紧固连接；第一封头2、螺栓a3、螺栓b16、冲洗空气通气管5、四通中柱7、三通中柱11、通气管固定板13、第二封头14采用的材料包含金属、塑料和有机玻璃；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)。
一种结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置的应用方法，包括以下步骤：
首先，引气从三通中柱11的引气入口接头12流到三通中柱11的内部，再由三通中柱11、冲洗空气通气管5、通气管固定板13和第二膜丝固定板10所围成的空间内聚集；
再从第二膜丝固定板10下部的膜丝6的下端口流进膜丝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，冲洗空气经第二封头14上的冲洗空气入口15进入通气管固定板13、第二封头14之间的空间，并在通气管固定板13下部不断累积之后从冲洗空气通气管5下部进气孔流入；
然后，冲洗空气从冲洗空气通气管5位于四通中柱7内的多个出气孔流出，在与膜丝6外部渗透出来的氧气混合之后，再从四通中柱7上的第一冲洗空气出口接头4和第二冲洗空气出口接头8流出；
接着，由于氧气通过膜丝6不断渗出，膜丝6内部氮气浓度不断增加，富氮的惰性气体从膜丝6上端口流出，流至第一膜丝固定板9上部和第一封头2之间的空间；
最后，富氮惰性气体从第一封头2的引气出口接头1流出。
有益效果：本发明提供了一种结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置及其应用方法，空气冲洗辅助膜分离空气是一种新型空气分离方法，通过通入冲洗空气来扩大膜两侧的氧氮气体的分压差，从而增加他们的分离速度和流量；在机载中空纤维膜制氮系统中插入专门的与外界连通的冲洗空气进气管和出气管，通入冲洗空气后，空气从通气管中冲出，横向冲洗中空纤维膜，在冲洗中空纤维膜的时候，由于空气的冲入，稀释了从膜丝内渗透出来的氧气，降低了膜丝外的氧气浓度，因此膜丝外的氧分压不断降低，直接导致膜丝内外分压差增大，增大了氧气的渗透速率，加速氧氮分离，有效解决了现代广泛采用的机载中空纤维膜装置需要较大的进气压力、分离速度较低、分离效率不高等问题，而且本发明的装置具有结构简单，安装方便，寿命长，分离速度快等优点。
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为本发明装置的右视剖面图，图中，1-引气出口接头、2-第一封头、3-螺栓a、4-第一冲洗空气出口接头、5-冲洗空气通气管、6-膜丝、7-四通中柱、8-第二冲洗空气出口接头、9-第一膜丝固定板、10-第二膜丝固定板、11-三通中柱、12-引气入口接头、13-通气管固定板、14-第二封头、15-冲洗空气入口接头、16-螺栓b；
图5为本发明通气管固定板组件图。
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4所示，一种结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置，包括：冲洗空气通气管5、膜丝6、四通中柱7、三通中柱11、通气管固定板13、；四通中柱7的下端与三通中柱11的上端连接，四通中柱7内柱面上端连接第一膜丝固定板9，四通中柱7内柱面下端连接第二膜丝固定板10；三通中柱11的内柱面下端连接通气管固定板13，冲洗空气通气管5穿过第二膜丝固定板10位于四通中柱和三通中柱11内，冲洗空气通气管5下端固定在通气管固定板13上的管孔内，冲洗空气通气管5在三通中柱11内的管壁无开孔，在四通中柱7内的管壁有多个开孔，冲洗空气通气管5底端开口、顶端封闭；膜丝6填充在四通中柱7的内柱面和冲洗空气通气管5的外柱面之间，且膜丝6顶端和底端分别由第一膜丝固定板9和第二膜丝固定板10固定；第一封头2的底端端面与四通中柱7的顶端端面连接，第二封头14的顶端端面与三通中柱11的底端端面连接。
以上所述结构中，第一膜丝固定板9的顶端与四通中柱7的顶端处于同一平面上；第二膜丝固定板10的底端与四通中柱7的底端处于同一平面上；冲洗空气通气管5的底端与通气管固定板13的底端处于同一平面上；第一封头2顶端设置引气出口接头1；第二封头14底端设置冲洗空气入口接头15；四通中柱7上部的一侧设置第一冲洗空气出口接头4，下部另一侧设置第二冲洗空气出口接头8；三通中柱11侧面设置引气入口接头12；第一封头2与四通中柱7通过螺栓a3紧固连接；第二封头14与三通中柱11通过螺栓b16紧固连接；第一封头2、螺栓a3、螺栓b16、冲洗空气通气管5、四通中柱7、三通中柱11、通气管固定板13、第二封头14采用的材料包含属、塑料和有机玻璃；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)。
以上所述装置的应用方法为：首先，引气从三通中柱11的引气入口接头12流到三通中柱11的内部，再由三通中柱11、冲洗空气通气管5、通气管固定板13和第二膜丝固定板10所围成的空间内聚集；
再从第二膜丝固定板10下部的膜丝6的下端口流进膜丝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，冲洗空气经第二封头14上的冲洗空气入口15进入通气管固定板13、第二封头14之间的空间，并在通气管固定板13下部不断累积之后从冲洗空气通气管5下部进气孔流入；
然后，冲洗空气从冲洗空气通气管5位于四通中柱7内的多个出气孔流出，在与膜丝6外部渗透出来的氧气混合之后，再从四通中柱7上的第一冲洗空气出口接头4和第二冲洗空气出口接头8流出；
接着，由于氧气通过膜丝6不断渗出，膜丝6内部氮气浓度不断增加，富氮的惰性气体从膜丝6上端口流出，流至第一膜丝固定板9上部和第一封头2之间的空间；
最后，富氮惰性气体从第一封头2的引气出口接头1流出。
气体在结合空气冲洗与膜分离技术的新型机载制氮装置中流动的同时与装置内部组件和外界介质进行换热。
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优选实施方式而已，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 (9)

1.一种结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置，其特征在于，包括：冲洗空气通气管(5)、膜丝(6)、四通中柱(7)、三通中柱(11)、通气管固定板(13)；四通中柱(7)的下端与三通中柱(11)的上端连接，四通中柱(7)内柱面上端连接第一膜丝固定板(9)，四通中柱(7)内柱面下端连接第二膜丝固定板(10)；三通中柱(11)的内柱面下端连接通气管固定板(13)，冲洗空气通气管(5)穿过第二膜丝固定板(10)位于四通中柱和三通中柱(11)内，冲洗空气通气管(5)下端固定在通气管固定板(13)上的管孔内，冲洗空气通气管(5)在三通中柱(11)内的管壁无开孔，在四通中柱(7)内的管壁有多个开孔，冲洗空气通气管(5)底端开口、顶端封闭；膜丝(6)填充在四通中柱(7)的内柱面和冲洗空气通气管(5)的外柱面之间，且膜丝(6)顶端和底端分别由第一膜丝固定板(9)和第二膜丝固定板(10)固定；第一封头(2)的底端端面与四通中柱(7)的顶端端面连接，第二封头(14)的顶端端面与三通中柱(11)的底端端面连接。
2.根据权利要求1所述的结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置，其特征在于，第一膜丝固定板(9)的顶端与四通中柱(7)的顶端处于同一平面上；第二膜丝固定板(10)的底端与四通中柱(7)的底端处于同一平面上，冲洗空气通气管(5)的底端与通气管固定板(13)的底端处于同一平面上。
3.根据权利要求1所述的结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置，其特征在于，第一封头(2)顶端设置引气出口接头(1)；第二封头(14)底端设置冲洗空气入口接头(15)。
4.根据权利要求1所述的结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置，其特征在于，四通中柱(7)上部的一侧设置第一冲洗空气出口接头(4)，下部另一侧设置第二冲洗空气出口接头(8)。
5.根据权利要求1所述的结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置，其特征在于，三通中柱(11)侧面设置引气入口接头(12)。
6.根据权利要求1所述的结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置，其特征在于，第一封头(2)与四通中柱(7)通过螺栓a(3)紧固连接；第二封头(14)与三通中柱(11)通过螺栓b(16)紧固连接。
7.根据权利要求1所述的结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置，其特征在于，第一封头(2)、螺栓a(3)、螺栓b(16)、冲洗空气通气管(5)、四通中柱(7)、三通中柱(11)、通气管固定板(13)、第二封头(14)采用的材料包含金属、塑料和有机玻璃。
8.根据权利要求1所述的结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置，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。
9.权利要求1-8任一项所述结合空气冲洗与膜分离的机载制氮装置的应用方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，引气从三通中柱(11)的引气入口接头(12)流到三通中柱(11)的内部，再由三通中柱(11)、冲洗空气通气管(5)、通气管固定板(13)和第二膜丝固定板(10)所围成的空间内聚集；
再从第二膜丝固定板(10)下部的膜丝(6)的下端口流进膜丝(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，冲洗空气经第二封头(14)上的冲洗空气入口接头(15)进入通气管固定板(13)、第二封头(14)之间的空间，并在通气管固定板(13)下部不断累积之后从冲洗空气通气管(5)下部进气孔流入；
然后，冲洗空气从冲洗空气通气管(5)位于四通中柱(7)内的多个出气孔流出，在与膜丝(6)外部渗透出来的氧气混合之后，再从四通中柱(7)上的第一冲洗空气出口接头(4)和第二冲洗空气出口接头(8)流出；
接着，由于氧气通过膜丝(6)不断渗出，膜丝(6)内部氮气浓度不断增加，富氮的惰性气体从膜丝(6)上端口流出，流至第一膜丝固定板(9)上部和第一封头(2)之间的空间；
最后，富氮惰性气体从第一封头(2)的引气出口接头(1)流出。
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