CN111268147A - 一种液氮式机载油箱惰化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液氮式机载油箱惰化装置，包括氮气惰化子系统、纳米复合相变材料蓄冷子系统、燃油蒸气冷却系统和测控子系统，通过将液氮汽化来产生大量的惰化气体，通入飞机燃油油箱中对燃油进行洗涤和冲洗，把燃油中和油箱上部中的氧气置换出来，同时将油箱上部燃油蒸气混合物引出通过换热器与低温氮气进行热交换，冷却燃油蒸气混合物温度使得燃油蒸气液化，通过减少油箱中氧气含量和燃油蒸气浓度来降低飞机油箱的可燃性，从而达到惰化目的；液氮流经蓄冷器蒸发为氮气，通过纳米复合相变材料吸收并储存液氮蒸发时产生的大量冷能，并与蒸发器组成机载制冷循环。本装置具有无飞机燃油代偿损失，能量利用率高，惰化效率高，无环境污染等优点。
Description
技术领域
本发明涉及属于防火防爆技术领域，具体是指一种液氮式机载油箱惰化装置。
背景技术
机载燃油箱惰化是指惰性气体由机载设备产生,并用之替代燃油箱上部气相(无油)空间内空气以保障油箱的安全。因此，机载燃油箱惰化系统又被称之为机载惰性气体发生系统(On Board Inert Gas Generation System，OBIGGS)。该系统使用机载空气分离技术，去除从航空发动机压气机或环控系统引气中的氧分子，留下富氮气体(Nitrogen-Enriched Air NEA)惰化油箱。
所谓的机载油箱惰性化技术就是在飞机上安装机载空气分离的燃油箱惰化系统，使飞机油箱上部无油空间气层中的氧浓度，在整个飞行过程中始终保持低于支持燃油燃烧所需要的氧浓度水平。国外研究工作表明：当飞机油箱上部无油空间的氧浓度低于9％时，即便飞机遭遇到23mm口径高能燃烧弹袭击，也不会引起油箱产生过压而损坏。目前，国外通常将9％、12％作为军用机、民用机采用惰化技术后，油箱上部无油气相空间在海平面高度上可允许的最大氧浓度极限。
相变储能技术能够调节能量供应和需求在时间上与空间上的不匹配，是提高能量利用效率的有效途径。然而大多数相变材料材料的导热系数低，限制了其在地面及空间相变过程的传热效率。将纳米粒子添加到传统相变材料中形成纳米流体复合相变材料，具有强化相变材料传热、提升储能系统效率的潜力。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种液氮式机载油箱惰化装置，具有无飞机燃油代偿损失，能量利用率高，惰化效率高，无环境污染等优点。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种液氮式机载油箱惰化装置，包括液氮瓶、液氮供应泵、蓄冷器、换热器、油箱、风机及干燥器，液氮瓶中的液氮经蓄冷器冷侧进口进入，蓄冷器用于储存液氮冷能；
蓄冷器冷侧出口连接换热器冷侧入口，换热器冷侧出口连接油箱底部入口，油箱底部设置气盘石将氮气分散均匀并洗涤燃油，构成氮气惰化子系统；
油箱上部气相出口通过风机连接至换热器热侧入口，燃油蒸汽混合物与低温氮气在换热器内进行热交换，换热器热侧出口连接干燥器后再连接至油箱底部入口，构成燃油蒸气冷却系统；
蓄冷器热侧、蒸发器、压缩机通过管道首尾连接组成制冷循环，构成纳米复合相变材料蓄冷子系统；
还包括测控子系统，包括控制器及与之连接的其他各系统中的测控装置。
所述测控子系统的测控装置包括蓄冷器冷侧出口连接的第一电动调节阀、油箱出口连接的第二电动调节阀、干燥器出口连接的第三电动调节阀及设置在油箱内的氧浓度传感器、第一温度传感器；所述控制器分别与所述液氮供应泵、第一电动调节阀、氧浓度传感器、第一温度传感器、第二电动调节阀、风机、第三电动调节阀电气相连，用于根据氧浓度传感器、第一温度传感器的感应数据控制液氮供应泵、第一电动调节阀、第二电动调节阀、风机、第三电动调节阀工作。
所述蓄冷器热侧、节流阀、蒸发器、压缩机、第四电动调节阀通过管道依次连接组成制冷循环；所述蒸发器内安装有第二温度传感器；
所述控制器分别和所述第四电动调节阀、压缩机、节流阀、第二温度传感器电气相连，用于根据第二温度传感器的感应数据控制第四电动调节阀、压缩机、节流阀工作。
所述蓄冷器内填充有纳米复合相变材料，为乙二醇/正庚醇有机相变材料与石墨烯纳米粒子混合而成，相变温度为-43℃。
本发明还公开了一种液氮式机载油箱惰化装置的工作方法，包括以下步骤：
1)氮气洗涤惰化过程
液氮瓶在液氮供应泵的作用下流向蓄冷器，把冷能储存在纳米复合材料中并汽化，汽化后氮气通过换热器的冷侧通道与热侧通道进行热交换，温度上升，经气盘石分散均匀后进入油箱，将油箱内的燃油进行洗涤，使氧气从燃油中逸出，并对油箱上部空间气体进行置换，排出氧气，惰化油箱；
2)冷却惰化过程
油箱上部的燃油蒸汽混合物经风机吸入换热器的热侧通道，在低温氮气的热交换作用下，温度降低并液化，再经干燥器除去水蒸气，与低温氮气混合后回流至油箱，降低油箱内的燃油温度，使燃油蒸汽混合物的燃油蒸汽含量降低达到惰化目的；
3)蓄冷式制冷循环
蓄冷器吸收液氮携带的冷能并存储在纳米复合相变材料中，制冷剂在蒸发器吸热后变为蒸气，制冷剂蒸气被压缩机增压后在蓄冷器热侧冷凝放热，液化后的制冷剂通过节流阀后重新回到蒸发器，形成制冷循环；
还包括氮气惰化子系统及燃油蒸气冷却系统的数据采集及控制过程：蓄冷器冷侧出口连接第一电动调节阀、油箱出口连接第二电动调节阀、干燥器出口连接第三电动调节阀；油箱上部的氧浓度传感器、第一温度传感器探头伸入油箱上部空间，监测氧浓度与温度并将数据传给控制器，当氧浓度低于设定值时，控制器输出信号控制液氮供应泵、第一电动调节阀、第二电动调节阀、风机、第三电动调节阀工作，高于设定值则控制上述器件停止工作。
还包括纳米复合相变材料蓄冷子系统的数据采集及控制过程：蓄冷器热侧、节流阀、蒸发器、压缩机、第四电动调节阀通过管道依次连接组成制冷循环，蒸发器内安装有第二温度传感器，用于监测蒸发器温度，并将数据传给控制器，当温度高于设定值时，控制器输出信号控制第四电动调节阀、压缩机、节流阀工作，高于设定值则控制上述器件停止工作。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明通过将液氮汽化来产生大量的惰化气体，通入飞机燃油油箱中对燃油进行洗涤和冲洗，把燃油中和油箱上部中的氧气置换出来，同时，将油箱上部燃油蒸气混合物引出通过换热器与低温氮气进行热交换，冷却燃油蒸气混合物温度使得燃油蒸气液化，通过减少油箱中氧气含量和燃油蒸气浓度来降低飞机油箱的可燃性，从而达到惰化目的；液氮流经蓄冷器蒸发为氮气，通过纳米复合相变材料吸收并储存液氮蒸发时产生的大量冷能，并与蒸发器组成机载制冷循环。本装置通过氧浓度传感器和温度传感器实现系统的可控自动运行，具有无飞机燃油代偿损失，能量利用率高，惰化效率高，无环境污染等优点。
附图说明
图1为一种液氮式机载油箱惰化装置示意图。
其中，1-液氮瓶，2-截止阀，3-液氮供应泵，4-蓄冷器，5-第一电动调节阀，6-换热器，7-气盘石，8-油箱，9-氧浓度传感器，10-第一温度传感器，11-第二电动调节阀，12-风机，13-干燥器，14-第三电动调节阀，15-控制器，201-第四电动调节阀，202-压缩机，203-蒸发器，204-节流阀，205-第二温度传感器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，图1为一种液氮式机载油箱惰化装置。本实施例提供了一种液氮式机载油箱惰化装置，包括液氮瓶1、截止阀2、液氮供应泵3、蓄冷器4、第一电动调节阀5、换热器6、气盘石7、油箱8、氧浓度传感器9、第一温度传感器10、第二电动调节阀11、风机12、干燥器13、第三电动调节阀14、控制器15；
所述液氮瓶1出口、截止阀2、液氮供应泵3、蓄冷器4冷侧进口通过管道依次相连接；所述蓄冷器4用于储存液氮冷能；
所述蓄冷器4出口通过第一电动调节阀5连接换热器6冷侧入口，换热器6冷侧出口连接油箱8底部入口；所述油箱8底部安装有气盘石7，用于使富氮分散均匀并洗涤燃油；
所述油箱8上部气相出口、第二电动调节阀11、风机12、换热器6热侧、干燥器13、第三电动调节阀14、油箱8底部入口通过管道依次连接；所述干燥器(13)用于吸收冷却后燃油蒸气混合物中的水分；
所述氧浓度传感器9、第一温度传感器10设置在油箱8内，分别用于测量油箱8内的氧浓度、燃油温度；
所述控制器15分别和所述液氮供应泵3、第一电动调节阀5、氧浓度传感器9、第一温度传感器10、第二电动调节阀11、风机12、第三电动调节阀14电气相连，用于根据氧浓度传感器9、第一温度传感器10的感应数据控制液氮供应泵3、第一电动调节阀5、第二电动调节阀11、风机12、第三电动调节阀14工作；
所述蓄冷器4热侧、第四电动调节阀201、压缩机202、蒸发器203、节流阀204通过管道依次连接组成制冷循环；所述蒸发器203内安装有第二温度传感器205；
所述控制器15分别和所述第四电动调节阀201、压缩机202、节流阀204、第二温度传感器205电气相连，用于根据第二温度传感器205的感应数据控制第四电动调节阀201、压缩机202、节流阀204、第二温度传感器205工作；
所述蓄冷器4内填充有纳米复合相变材料，为乙二醇/正庚醇有机相变材料与石墨烯纳米粒子混合而成，相变温度为-43℃。
本发明一种液氮式机载油箱惰化装置的工作过程如下：
1)氮气洗涤惰化过程
所述液氮瓶1在液氮供应泵3的作用下流向蓄冷器4，把冷能储存在纳米复合材料中并汽化，汽化后氮气通过第一电动调节阀5、换热器6的冷侧通道，然后通过气盘石7分散均匀后进入油箱8，将油箱8内的燃油进行洗涤，使氧气从燃油中逸出，并对油箱8上部空间气体进行置换，排出氧气，惰化油箱8。
2)冷却惰化过程
所述油箱8在风机12的吸引力作用下，油箱8上部燃油蒸汽混合物经过第二电动调节阀11进入换热器6的热侧通道，在低温氮气的热交换作用下，燃油蒸汽混合物温度变低，燃油蒸气液化，再经过干燥器13除去温度降低后产生的水蒸气，由第三电动调节阀14调节再混合低温氮气后回流至油箱8，降低油箱8内的燃油温度，使得燃油蒸汽混合物的燃油蒸汽含量变低从而达到惰化的目的。
3)蓄冷式制冷循环
所述蓄冷器(4)热侧、第四电动调节阀(201)、压缩机(202)、蒸发器(203)、节流阀(204)组成制冷循环；所述蓄冷器(4)吸收了液氮携带的大量冷能并存储在纳米复合相变材料中，制冷剂在蒸发器(203)吸热后变为蒸气，制冷剂蒸气被压缩机(202)增压后在蓄冷器(4)热侧冷凝放热，液化后的制冷剂通过节流阀(204)后重新回到蒸发器(203)，从而形成制冷循环。
4)数据采集及控制过程
所述氧浓度传感器9、第一温度传感器10探头伸入油箱10上部空间，用于其空间内监测氧浓度与温度，将数据传给控制器15。当氧浓度低于设定值时，控制器15输出信号控制液氮供应泵(3)、第一电动调节阀(5)、第二电动调节阀(11)、风机(12)、第三电动调节阀(14)工作，高于设定值则控制上述器件停止工作。
所述蒸发器203内安装有第二温度传感器205，用于监测蒸发器203温度，并将数据传给控制器15。当温度高于设定值时，控制器15输出信号控制第四电动调节阀201、压缩机202、节流阀204工作，高于设定值则控制上述器件停止工作。
本发明的有益效果是：
本发明通过将液氮汽化来产生大量的惰化气体，通入飞机燃油油箱中对燃油进行洗涤和冲洗，把燃油中和油箱上部中的氧气置换出来，同时，将油箱上部燃油蒸气混合物引出通过换热器与低温氮气进行热交换，冷却燃油蒸气混合物温度使得燃油蒸气液化，通过减少油箱中氧气含量和燃油蒸气浓度来降低飞机油箱的可燃性，从而达到惰化目的；液氮流经蓄冷器蒸发为氮气，通过纳米复合相变材料吸收并储存液氮蒸发时产生的大量冷能，并与蒸发器组成机载制冷循环。本装置通过氧浓度传感器和温度传感器实现系统的可控自动运行，具有无飞机燃油代偿损失，能量利用率高，惰化效率高，无环境污染等优点。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (7)
1.一种液氮式机载油箱惰化装置，其特征在于：包括液氮瓶(1)、液氮供应泵(3)、蓄冷器(4)、换热器(6)、油箱(8)、风机(12)及干燥器(13)，液氮瓶(1)中的液氮经蓄冷器(4)冷侧进口进入，蓄冷器(4)用于储存液氮冷能；
蓄冷器(4)冷侧出口连接换热器(6)冷侧入口，换热器(6)冷侧出口连接油箱(8)底部入口，油箱(8)底部设置气盘石(7)将氮气分散均匀并洗涤燃油，构成氮气惰化子系统；
油箱(8)上部气相出口通过风机(12)连接至换热器(6)热侧入口，燃油蒸汽混合物与低温氮气在换热器(6)内进行热交换，换热器(6)热侧出口连接干燥器(13)后再连接至油箱(8)底部入口，构成燃油蒸气冷却系统；
蓄冷器(4)热侧、蒸发器(203)、压缩机(202)通过管道首尾连接组成制冷循环，构成纳米复合相变材料蓄冷子系统；
还包括测控子系统，包括控制器(15)及与之连接的其他各系统中的测控装置。
2.根据权利要求1所述的液氮式机载油箱惰化装置，其特征在于：所述测控子系统的测控装置包括蓄冷器(4)冷侧出口连接的第一电动调节阀(5)、油箱(8)出口连接的第二电动调节阀(11)、干燥器(13)出口连接的第三电动调节阀(14)及设置在油箱(8)内的氧浓度传感器(9)、第一温度传感器(10)；所述控制器(15)分别与所述液氮供应泵(3)、第一电动调节阀(5)、氧浓度传感器(9)、第一温度传感器(10)、第二电动调节阀(11)、风机(12)、第三电动调节阀(14)电气相连，用于根据氧浓度传感器(9)、第一温度传感器(10)的感应数据控制液氮供应泵(3)、第一电动调节阀(5)、第二电动调节阀(11)、风机(12)、第三电动调节阀(14)工作。
3.根据权利要求1所述的液氮式机载油箱惰化装置，其特征在于：所述蓄冷器(4)热侧、节流阀(204)、蒸发器(203)、压缩机(202)、第四电动调节阀(201)通过管道依次连接组成制冷循环；所述蒸发器(203)内安装有第二温度传感器(205)；
所述控制器(15)分别和所述第四电动调节阀(201)、压缩机(202)、节流阀(204)、第二温度传感器(205)电气相连，用于根据第二温度传感器(205)的感应数据控制第四电动调节阀(201)、压缩机(202)、节流阀(204)工作。
4.根据权利要求1所述的液氮式机载油箱惰化装置，其特征在于：所述蓄冷器(4)内填充有纳米复合相变材料，为乙二醇/正庚醇有机相变材料与石墨烯纳米粒子混合而成，相变温度为-43℃。
5.根据权利要求1所述的液氮式机载油箱惰化装置的工作方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)氮气洗涤惰化过程
液氮瓶在液氮供应泵的作用下流向蓄冷器，把冷能储存在纳米复合材料中并汽化，汽化后氮气通过换热器的冷侧通道与热侧通道进行热交换，温度上升，经气盘石分散均匀后进入油箱，将油箱内的燃油进行洗涤，使氧气从燃油中逸出，并对油箱上部空间气体进行置换，排出氧气，惰化油箱；
2)冷却惰化过程
油箱上部的燃油蒸汽混合物经风机吸入换热器的热侧通道，在低温氮气的热交换作用下，温度降低并液化，再经干燥器除去水蒸气，与低温氮气混合后回流至油箱，降低油箱内的燃油温度，使燃油蒸汽混合物的燃油蒸汽含量降低达到惰化目的；
3)蓄冷式制冷循环
蓄冷器吸收液氮携带的冷能并存储在纳米复合相变材料中，制冷剂在蒸发器吸热后变为蒸气，制冷剂蒸气被压缩机增压后在蓄冷器热侧冷凝放热，液化后的制冷剂通过节流阀后重新回到蒸发器，形成制冷循环。
6.根据权利要求5所述的液氮式机载油箱惰化装置的工作方法，其特征在于：还包括氮气惰化子系统及燃油蒸气冷却系统的数据采集及控制过程：蓄冷器冷侧出口连接第一电动调节阀、油箱出口连接第二电动调节阀、干燥器出口连接第三电动调节阀；油箱上部的氧浓度传感器、第一温度传感器探头伸入油箱上部空间，监测氧浓度与温度并将数据传给控制器，当氧浓度低于设定值时，控制器输出信号控制液氮供应泵、第一电动调节阀、第二电动调节阀、风机、第三电动调节阀工作，高于设定值则控制上述器件停止工作。
7.根据权利要求5所述的液氮式机载油箱惰化装置的工作方法，其特征在于：还包括纳米复合相变材料蓄冷子系统的数据采集及控制过程：蓄冷器热侧、节流阀、蒸发器、压缩机、第四电动调节阀通过管道依次连接组成制冷循环，蒸发器内安装有第二温度传感器，用于监测蒸发器温度，并将数据传给控制器，当温度高于设定值时，控制器输出信号控制第四电动调节阀、压缩机、节流阀工作，高于设定值则控制上述器件停止工作。
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