CN111114803A - 一种提高机载中空纤维膜分离效率的系统及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高机载中空纤维膜分离效率的系统与方法，属于航空系统技术领域，该系统利用发动机引气作为主动流来引射中空纤维膜废气出口的富氧气体，使得富氧气体出口压力降低，增加了中空纤维膜内外压差，从而提高了机载中空纤维膜的分离效率。本发明所提出的技术方案与现有技术相比，不仅弥补了中空纤维膜惰化技术实际应用中存在的由于飞机发动机引气压力不足所产生的分离效率低下等问题，有效地扩展了惰化技术应用范围，而且不需要增设其它增压装置，系统可靠性有充分保障，且系统运行方便，便于实现。

Description

一种提高机载中空纤维膜分离效率的系统及其工作方法
技术领域
本发明属于航空系统技术领域，涉及一种飞行器燃油箱惰化系统，特别涉及一种提高机载中空纤维膜分离效率的系统及其工作方法。
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。飞机燃油系统的防火防爆能力，直接关系到飞机生存力和易损性，也关系到飞机的利用率、成本以及人员安全。针对燃油箱防火抑爆技术国内外已开展了大量的理论和实验研究工作，且取得了丰硕的成果。采用中空纤维膜制取富氮气体的机载制氮惰化技术是目前最经济和实用的飞机油箱燃爆抑制技术。
其中，机载中空纤维膜分离效率直接影响着燃油箱机载制氮惰化系统的运行成本，就运行参数而言，增加了中空纤维膜内外压差可提高该装置分离效率，具体的途径为提高膜入口压力和降低富氧气体出口压力。由于膜入口压力取决于发动机工作状态，重新设置增压装置会使得系统可靠性降低。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，公开了一种提高机载中空纤维膜分离效率的系统及其工作方法，本发明的系统利用发动机引气作为主动流来引射中空纤维膜废气出口的富氧气体，使得富氧气体出口压力降低，增加了中空纤维膜内外压差，从而提高了机载中空纤维膜的分离效率。
本发明是这样实现的：
一种提高机载中空纤维膜分离效率的系统，该系统包括过滤器，所述的过滤器进口端连接发动机引气，所述的过滤器出口端依次连接第一压缩机，第一电动调节阀，第一换热器，第二换热器，水分离器；所述的第二换热器上方设置有风扇；所述的水分离器分别设置两个出口以及液体水出口，液体水出口将液态水排至机外，所述的水分离器的两个出口分别连接过滤器、第四电动调节阀；所述的第四电动调节阀后端连接引射器；所述的过滤器出口端依次连接油雾分离器，中空纤维膜分离器，第三换热器，第一温度传感器，第二电动调节阀，第一阻火器，油箱，第二阻火器；所述的油箱上方设置氧浓度传感器；所述的中空纤维膜分离器包含混合气体入口、富氧气体出口和富氮气体出口，所述的混合气体入口连接于油雾分离器，所述的富氮气体出口连接于第三换热器，所述的富氧气体出口通过压力传感器连接于引射器。
进一步，所述的系统通过自动控制器控制；所述的自动控制器分别设置电流输入端、电流输出端；所述的自动控制器的电流输入端分别与氧浓度传感器、第一温度传感器、压力传感器电气相连；自动控制器的电流输出端分别与第二电动调节阀、第三电动调节阀、第四电动调节阀、风扇、第一电动调节阀、第一压缩机电气相连。
进一步，所述的第一换热器、第二换热器均包含热侧通道和冷侧通道；所述的第一换热器的冷侧通道的入口接外界空气、第一换热器的冷侧通道的出口和第二换热器的冷侧通道的入口通过管道相连；所述的第二换热器的冷侧通道的出口和外界空气管道相连；所述的风扇设置在第二换热器的冷侧通道和外界空气相连的管道中，用于将外部空气抽入，第一换热器的冷侧通道后经第二换热器的冷侧通道排出；第一电动调节阀、第一换热器的热侧通道、第二换热器的热侧通道、水分离器的入口通过管道依次相连。
进一步，所述的第三换热器包含热侧通道和冷侧通道；所述的第三换热器的冷侧通道的入口通过第三电动调节阀接外界空气，第三换热器的冷侧通道的出口和外界空气管道相连；所述的第三换热器的热侧通道两端分别连接中空纤维膜分离器、第一温度传感器。
进一步，所述的引射器包含高压气体入口、低压气体入口和出气口；所述的引射器的高压气体入口与第四电动调节阀相连，所述的引射器低压气体入口通过压力传感器与中空纤维膜膜分离器的富氧气体出口相连，引射器的出气口与外界通气管道相连。
本发明还公开了一种提高机载中空纤维膜分离效率的系统的工作方法，所述的方法过程为：
1）引气分离及惰化过程：发动机引气通过管道及过滤器进入第一压缩机增压升温；由第一压缩机供给的高温高压气体经过第一电动调节阀进入第一换热器预冷后，再经过第二换热器冷却；第一换热器和第二换热器冷源由风扇抽吸冲压空气提供；经第二换热器冷却后的混合气体一部分输入至引射器的高压气体入口，另一部分经过水分离器、过滤器、油雾分离器除去水汽杂质后通入中空纤维膜膜分离器；
中空纤维膜膜分离器将混合气体分离为富氧气体和富氮气体，其中，产生的富氮气体通过所述第三换热器，第一温度传感器，第二电动调节阀，第一阻火器通入油箱对气相空间进行惰化，产生的富氧气体输入至引射器低压气体入口；
引射器的高压气体入口喷嘴膨胀，形成一股射流，和引射器的低压气体入口进入的富氧气体混合成能量和速度分布相同的流体，经过所述引射器的出气口排向机外；
2）数据采集及控制过程：氧浓度传感器通过探杆探测油箱上部气相空间氧浓度并将信号传输到所述自动控制器；当氧浓度大于给定值时，自动控制器输出控制信号连通所述第一压缩机、第一电动调节阀，系统开始工作；当氧浓度小于给定值时，系统停止工作；
第一温度传感器测得第三换热器热测通道出口气体温度，并将信号传输到所述自动控制器；当温度大于给定值时，所述自动控制器输出控制信号关闭所述第二电动调节阀，以防止高温气体进入油箱，保证油箱安全；同时调节第三电动调节阀，增大进入第三换热器的冲压空气，将富氮气体温度进一步降低；
压力传感器测得氧气压力，并将信号传输到所述自动控制器；当压力大于给定值时，调节第四电动调节阀增大引射器的高压气体入口流量，将氧气压力进一步降低。
本发明与现有技术的有益效果在于：
本发明公开了的系统利用发动机引气作为主动流来引射中空纤维膜废气出口的富氧气体，使得富氧气体出口压力降低，增加了中空纤维膜内外压差，从而提高了机载中空纤维膜的分离效率。本发明所提出的技术方案增加引射器，利用高压气体引射产生负压，从而降低中空纤维膜富氮气体出口侧压力，增大中空纤维膜入口和出口压力差，与现有技术相比，不仅弥补了中空纤维膜惰化技术实际应用中存在的由于飞机发动机引气压力不足所产生的分离效率低下等问题，有效地扩展了惰化技术应用范围，而且不需要增设其它增压装置，系统可靠性有充分保障，且系统运行方便，便于实现。
附图说明
图1为一种提高机载中空纤维膜分离效率的系统示意图；
其中，1-过滤器，2-第一压缩机，3-第一电动调节阀，4-第一换热器，5-第二换热器，6-水分离器，7-过滤器，8-油雾分离器，9-中空纤维膜分离器，10-第三换热器，11-第一温度传感器，12-第二电动调节阀，13-第一阻火器，14-油箱，15-第二阻火器，16-氧浓度传感器，17-第三电动调节阀，18-压力传感器，19-第四电动调节阀，20-引射器，21-自动控制器，22-风扇。
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，图1所示的是本发明一种提高机载中空纤维膜分离效率的系统，该系统包含过滤器1，第一压缩机2，第一电动调节阀3，第一换热器4，第二换热器5，水分离器6，过滤器7，油雾分离器8，中空纤维膜分离器9，第三换热器10，第一温度传感器11，第二电动调节阀12，第一阻火器13，油箱14，第二阻火器15，氧浓度传感器16，第三电动调节阀17，压力传感器18，第四电动调节阀19，引射器20，自动控制器21，风扇22。
所述第一换热器4、第二换热器5、第三换热器10均包含热侧通道和冷侧通道；所述引射器20包含高压气体入口、低压气体入口和出气口；所述中空纤维膜膜分离器9包含混合气体入口、富氧气体出口和富氮气体出口，用于将从混合气体入口进入的混合气体分离为富氧气体、富氮气体后分别经富氧气体出口、富氮气体出口输出；
所述第一压缩机2一端和发动机引气管道、过滤器1相连，第一压缩机2的另一端、第一电动调节阀3、第一换热器4的热侧通道、第二换热器5的热侧通道、水分离器6的入口通过管道依次相连；
所述第一换热器4冷侧通道的入口接外界空气、第一换热器4冷侧通道的出口和第二换热器5冷侧通道的入口通过管道相连；所述第二换热器5冷侧通道的出口和外界空气管道相连；所述风扇22设置在第二换热器5冷侧通道和外界空气相连的管道中，用于将外部空气抽入第一换热器4冷侧通道后经第二换热器5冷侧通道排出；
所述水分离器6的出口分别和第四电动调节阀19、过滤器7的入口通过管道相连，水分离器6液态水出口液态水排至机外；所述第四电动调节阀19与引射器20高压气体入口相连；
所述过滤器7的出口、油雾分离器8、中空纤维膜膜分离器9的混合气体入口通过管道依次相连；所述中空纤维膜膜分离器9的富氧气体出口通过所述压力传感器18和所述引射器20的低压气体入口管道相连；所述引射器20的出气口与外界通气管道相连；所述中空纤维膜膜分离器9的富氮气体出口通过第三换热器10、第一温度传感器11、第二电动调节阀12、第一阻火器13、油箱14，第二阻火器15管道相连，排出机外；
所述第三换热器10冷侧通道的入口通过第三电动调节阀17接外界空气，第三换热器10冷侧通道的出口和外界空气管道相连；
所述氧浓度传感器16的探头伸入所述油箱14内，用于检测所述油箱14内气体的氧浓度，并将其传递给所述自动控制器21；
所述自动控制器21的电流输入端分别和氧浓度传感器16、第一温度传感器11、压力传感器18电气相连；自动控制器21的电流输出端分别和第二电动调节阀12、第三电动调节阀17、第四电动调节阀19、风扇22、第一电动调节阀3、第一压缩机2电气相连。
本发明还公开了一种提高机载中空纤维膜分离效率的系统的工作方法，具体步骤如下：
1）引气分离及惰化过程
发动机引气通过管道及过滤器1进入第一压缩机2增压升温；由第一压缩机2供给的高温高压气体经过第一电动调节阀3进入第一换热器4预冷后，再经过第二换热器5冷却；第一换热器4和第二换热器5冷源由风扇22抽吸冲压空气提供；
经第二换热器5冷却后的混合气体一部分输入至引射器20的高压气体入口，另一部分经过水分离器6、过滤器7、油雾分离器8除去水汽杂质后通入中空纤维膜膜分离器9；
中空纤维膜膜分离器9将混合气体分离为富氧气体和富氮气体，其中，产生的富氮气体通过所述第三换热器10，第一温度传感器11，第二电动调节阀12，第一阻火器13通入油箱14对气相空间进行惰化，产生的富氧气体输入至引射器20的低压气体入口；
引射器20的高压气体入口喷嘴膨胀，形成一股射流，和引射器20的低压气体入口进入的富氧气体混合成能量和速度分布相同的流体，经过所述引射器20的出气口排向机外。
2）数据采集及控制过程
氧浓度传感器16通过探杆探测所述油箱14上部气相空间氧浓度并将信号传输到所述自动控制器21；当氧浓度大于给定值时，所述自动控制器21输出控制信号连通所述第一压缩机2、第一电动调节阀3，系统开始工作；当氧浓度小于给定值时，系统停止工作；
第一温度传感器11测得第三换热器10热测通道出口气体温度，并将信号传输到所述自动控制器21；当温度大于给定值时，所述自动控制器21输出控制信号关闭所述第二电动调节阀12，以防止高温气体进入油箱14，保证油箱14安全；同时调节第三电动调节阀17，增大进入第三换热器10的冲压空气，将富氮气体温度进一步降低；
压力传感器18测得氧气压力，并将信号传输到所述自动控制器21；当压力大于给定值时，调节第四电动调节阀19增大引射器20的高压气体入口流量，将氧气压力进一步降低。
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 (6)

1.一种提高机载中空纤维膜分离效率的系统，其特征在于，所述的系统包括过滤器(1)，所述的过滤器(1)进口端连接发动机引气，所述的过滤器(1)出口端依次连接第一压缩机(2)，第一电动调节阀(3)，第一换热器(4)，第二换热器(5)，水分离器(6)；所述的第二换热器(5)上方设置有风扇(22)；所述的水分离器(6)分别设置两个出口以及液体水出口，液体水出口将液态水排至机外，所述的水分离器(6)的两个出口分别连接过滤器(7)、第四电动调节阀(19)；所述的第四电动调节阀(19)后端连接引射器(20)高压气体入口；
所述的过滤器(7)出口端依次连接油雾分离器(8)，中空纤维膜分离器(9)，第三换热器(10)，第一温度传感器(11)，第二电动调节阀(12)，第一阻火器(13)，油箱(14)，第二阻火器(15)；所述的油箱(14)上方设置氧浓度传感器(16)；
所述的中空纤维膜分离器(9)包含混合气体入口、富氧气体出口和富氮气体出口，所述的混合气体入口连接于油雾分离器(8)，所述的富氮气体出口连接于第三换热器(10)，所述的富氧气体出口通过压力传感器(18)连接于引射器(20)低压气体入口。
2.根据权利要求1所述的一种提高机载中空纤维膜分离效率的系统，其特征在于，所述的系统通过自动控制器(21)控制；所述的自动控制器(21)分别设置电流输入端、电流输出端；所述的自动控制器(21)的电流输入端分别与氧浓度传感器(16)、第一温度传感器(11)、压力传感器(18)电气相连；自动控制器(21)的电流输出端分别与第二电动调节阀(12)、第三电动调节阀(17)、第四电动调节阀(19)、风扇(22)、第一电动调节阀(3)、第一压缩机(2)电气相连。
3.根据权利要求1所述的一种提高机载中空纤维膜分离效率的系统，其特征在于，所述的第一换热器(4)、第二换热器(5)均包含热侧通道和冷侧通道；所述的第一换热器(4)冷侧通道的入口接外界空气、第一换热器(4)冷侧通道的出口和第二换热器(5)冷侧通道的入口通过管道相连；所述的第二换热器(5)冷侧通道的出口和外界空气管道相连；所述的风扇(22)设置在第二换热器(5)冷侧通道和外界空气相连的管道中，用于将外部空气抽入，第一换热器(4)冷侧通道后经第二换热器(5)冷侧通道排出；第一电动调节阀(3)、第一换热器(4)的热侧通道、第二换热器(5)的热侧通道、水分离器(6)的入口通过管道依次相连。
4.根据权利要求1所述的一种提高机载中空纤维膜分离效率的系统，其特征在于，所述的第三换热器(10)包含热侧通道和冷侧通道；所述的第三换热器(10)冷侧通道的入口通过第三电动调节阀(17)接外界空气，第三换热器(10)冷侧通道的出口和外界空气管道相连；所述的第三换热器(10)的热侧通道两端分别连接中空纤维膜分离器(9)、第一温度传感器(11)。
5.根据权利要求1所述的一种提高机载中空纤维膜分离效率的系统，其特征在于，所述的引射器(20)包含高压气体入口、低压气体入口和出气口；所述的引射器20的高压气体入口与第四电动调节阀19相连，所述的引射器(20)低压气体入口通过压力传感器(18)与中空纤维膜膜分离器(9)的富氧气体出口相连，引射器(20)的出气口与外界通气管道相连。
6.根据权利要求1～5任一所述的一种提高机载中空纤维膜分离效率的系统的工作方法，其特征在于，所述的方法过程为：
1)引气分离及惰化过程：发动机引气通过管道及过滤器(1)进入第一压缩机(2)增压升温；由第一压缩机(2)供给的高温高压气体经过第一电动调节阀(3)进入第一换热器(4)预冷后，再经过第二换热器(5)冷却；第一换热器(4)和第二换热器(5)冷源由风扇(22)抽吸冲压空气提供；经第二换热器(5)冷却后的混合气体一部分输入至引射器(20)的高压气体入口另一部分经过水分离器(6)、过滤器(7)、油雾分离器(8)除去水汽杂质后通入中空纤维膜膜分离器(9)；
中空纤维膜膜分离器(9)将混合气体分离为富氧气体和富氮气体，其中，产生的富氮气体通过所述第三换热器(10)，第一温度传感器(11)，第二电动调节阀(12)，第一阻火器(13)通入油箱(14)对气相空间进行惰化，产生的富氧气体输入至引射器(20)低压气体入口；
引射器(20)的高压气体入口喷嘴膨胀，形成一股射流，和引射器(20)的低压气体入口进入的富氧气体混合成能量和速度分布相同的流体，经过所述引射器(20)的出气口排向机外；
2)数据采集及控制过程：氧浓度传感器(16)通过探杆探测油箱(14)上部气相空间氧浓度并将信号传输到所述自动控制器(21)；当氧浓度大于给定值时，自动控制器(21)输出控制信号连通所述第一压缩机(2)、第一电动调节阀(3)，系统开始工作；当氧浓度小于给定值时，系统停止工作；第一温度传感器(11)测得第三换热器(10)热测通道出口气体温度，并将信号传输到所述自动控制器(21)；当温度大于给定值时，所述自动控制器(21)输出控制信号关闭所述第二电动调节阀(12)，以防止高温气体进入油箱(14)，保证油箱(14)安全；同时调节第三电动调节阀(17)，增大进入第三换热器(10)的冲压空气，将富氮气体温度进一步降低；压力传感器(18)测得氧气压力，并将信号传输到所述自动控制器(21)；当压力大于给定值时，调节第四电动调节阀(19)增大引射器(20)的高压气体入口流量，将氧气压力进一步降低。
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