CN112498711A - 具有除湿功能的飞行器燃油箱惰化系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有除湿功能的飞行器燃油箱惰化系统，包含油箱、风机、电加热器、催化反应器、第三阻火器、冷却器、水分离器、膜式干燥器、第三电动调节阀、第四电动调节阀和控制器；所述膜干燥器吹扫气通道入口和出口均连通大气环境；所述水分离器液态水出口连通大气环境，且依次串联形成回路；冲压空气经过第三电动调节阀连通到冷却器，同时冲压空气经过第四电动调节阀连通到电加热器；所述控制器用于控制风机工作，以及对冲压空气导入冷却器和电加热器的流量进行控制。本发明将油箱上部气相空间燃油蒸气和空气混合物经过温度调节后在催化氧化反应器中进行无焰催化燃烧后，燃油蒸汽中的碳氢化合物被氧化成二氧化碳和水。使得流回油箱的惰化气体得到充分干燥，利用冲压空气进行初步冷却除水，然后在膜干燥器中进行深度干燥，使惰化气体中的水分子被充分带走。
Description
技术领域
本发明涉及航空系统技术领域，涉及一种飞行器燃油箱惰化系统，特别涉及具有除湿功能的飞行器燃油箱惰化系统，尤其是基于膜式干燥器的具有除湿功能的飞行器燃油箱惰化系统。
发明背景
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。燃油箱若具有防爆能力，即使中弹或其他原因引起火灾，也不至于机毁人亡，飞机经修复后乃可继续使用，这就相应提高了飞机的利用率和生存力，降低了飞机的易损性。飞机燃油箱防爆技术的采用还可以增加救生时间，使飞机在燃油箱出现故障的情况下有足够的时间返航。另外，还可以在应急情况下保护飞机。
常见的飞行器油箱惰化技术主要有液氮惰化技术、Halon 1301惰化技术、分子筛技术、膜分离技术等。其中中空纤维膜制取富氮气体的机载制氮惰化技术(On-Board InertGas Generator System，OBIGGS)是目前最经济、实用的飞机油箱燃爆抑制技术。OBIGGS把来自发动机或环控系统的引气，经过温度调节、压力调节、去除臭氧、水分、杂质等污染物后，通入由中空纤维膜构成的空气分离装置内分离成富氧气体和富氮气体，富氧气体排出机外，富氮气体则按不同的流量模式充入燃油箱进行洗涤或冲洗。但是OBIGGS技术仍存在很多问题，如分离膜效率低导致飞机代偿损失大、分离膜入口需求压力高导致在很多机型上无法使用(如直升机)、细小的膜丝和渗透孔径逐渐堵塞及气源中臭氧导致膜性能衰减严重、富氮气体填充油箱时导致燃油蒸汽外泄污染环境等。
近年来，国内外一些公司和研究机构还在进行采用催化燃烧方法来消耗油箱气相空间的氧气和可燃蒸汽从而降低油箱可燃风险的方法，称之为“绿色惰化技术”(Green On-Board Inert Gas Generation System，GOBIGGS)。这种新型惰化技术具有几个重要优势：启动速度快，加之氧气在反应器中被消耗，惰化效率高、时间短；不向外排出燃油蒸汽，绿色环保。
但是为保证油箱安全及燃油的正常使用，需将催化反应器出口的高温高湿惰化气体冷却干燥，方可通入油箱气相空间进行惰化。但是冷却用的冲压空气或环控引气的冷却能力有限，惰化气体进入油箱后，与低温的油箱壁面接触会进一步析出液态水，燃油中水分过多可能会导致发动机停车、油量测量系统故障以及燃油泵入口结冰等情况。这一问题已日渐受到飞机燃油系统设计人员以及地面维护人员的关注。
本发明基于膜处理技术对流入油箱的惰化气体进行充分干燥，膜分离技术是一种新型分离技术，是以选择性透过膜作为分离介质，在膜两侧驱动力(如压力差、浓度差、温度差)的作用下，原料侧的组分有选择性地透过膜，实现分离、提纯。对于特定的膜材料，水蒸气在其中的透过速率比较大，其渗透系数比氮气、氧气和其它一些空气中的微量气体至少高两个数量级。当湿润的空气流经中空纤维膜(进气侧)时，水蒸气被膜材料吸收，然后在极薄的膜壁中扩散至膜丝的另一侧(渗透侧)，并由小部分干燥吹扫气反吹带出膜干燥器，得到的干燥压缩空气从中空纤维膜出口流出，从而完成水-气分离。整个过程中，膜管内外始终存在水蒸气分压差，保证水分子不断向外扩散，形成一个连续不断的干燥过程。膜干燥器产出的干燥气体露点极低，且具有体积小、重量轻、无须维护等优点。
膜干燥器结构为：包含被分离膜隔开的湿空气通道和吹扫空气通道；其基本工作原理为：湿润的空气流经湿空气通道时，水蒸汽被膜材料吸收，然后在极薄的膜壁中扩散至膜丝的另一侧(吹扫空气通道)，并由小部分干燥吹扫气吹带出膜干燥器，得到的干燥压缩空气从中空纤维膜出口流出，从而完成水-气分离；是现有技术；
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供了一种基于膜除湿法的飞行器燃油箱惰化系统。
本发明是这样实现的：
提供具有除湿功能的飞行器燃油箱惰化系统，包含油箱1、风机3、电加热器5、催化反应器8、第三阻火器9、冷却器10、水分离器11、膜式干燥器12、第三电动调节阀19、第四电动调节阀20和控制器21；所述膜干燥器吹扫气通道入口和出口均连通大气环境；所述水分离器液态水出口连通大气环境；
油箱1、风机3、电加热器5、催化反应器8、第三阻火器9、冷却器10、水分离器11以及膜式干燥器12依次串联形成回路；
冲压空气经过第三电动调节阀19连通到冷却器10，同时冲压空气经过第四电动调节阀20连通到电加热器5；所述控制器21用于控制风机工作，以及对冲压空气导入冷却器10和电加热器5的流量进行控制。
进一步的，还包括第一阻火器2、第二阻火器7和第四阻火器17；所述第一阻火器2设置在油箱与风机之间的管路中，所述第二阻火器7设置在电加热器5与催化反应器8之间的管路中，所述第四阻火器17设置在膜式干燥器12与油箱1之间的管路中。
进一步的，还包括流量传感器4、第一温度传感器6、第二温度传感器14和氧浓度传感器18；所述流量传感器4设置在风机与电加热器5之间的管路中，所述第一温度传感器6设置在电加热器5与催化反应器8之间的管路中，所述第二温度传感器14设置在膜式干燥器12与油箱1之间的管路中，所述氧浓度传感器18设置在油箱中；上述所有传感器都将检测信号发送到控制器。优选地，所述氧浓度传感器通过探杆与所述油箱连接。
进一步的，还包括第一电动调节阀13、第二电动调节阀15和止回阀16；所述第二电动调节阀15和止回阀16均设置在膜式干燥器12与油箱1之间的管路中；所述膜式干燥器12的干燥器气出口还连通到自身的吹扫气进口，且通过所述第一电动调节阀13进行流量控制；且所述第一电动调节阀13和第二电动调节阀15均受到控制器的控制。
工作原理：
将油箱上部气相空间燃油蒸气和空气混合物经过温度调节后在催化氧化反应器中进行无焰催化燃烧后，燃油蒸气中的碳氢化合物被氧化成二氧化碳和水。为了使得回流油箱的惰化气体得到充分干燥，在冷却器中被冲压空气初步冷却除水后，然后通过膜干燥器，利用膜材料的选择透过性，使惰化气体中的水分子被充分除去。
本发明的有益效果如下：
本发明将油箱上部气相空间燃油蒸气和空气混合物经过温度调节后在催化氧化反应器中进行无焰催化燃烧后，燃油蒸汽中的碳氢化合物被氧化成二氧化碳和水。使得流回油箱的惰化气体得到充分干燥，利用冲压空气进行初步冷却除水，然后在膜干燥器中进行深度干燥，使惰化气体中的水分子被充分带走。本发明中，反应后惰化气体经历了两次除湿，提高了干燥效率，保证油箱内的燃油品质。具有惰化时间短、提高燃油品质、重量轻、无须维护等优点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意图实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的系统示意图。
图2为实施例2的系统示意图。
1-油箱，2-第一阻火器，3-风机，4-流量传感器，5-电加热器，6-第一温度传感器，7-第二阻火器，8-催化反应器，9-第三阻火器，10-冷却器，11-水分离器，12-膜干燥器，13-第一电动调节阀，14-第二温度传感器，15-第二电动调节阀，16-止回阀，17-第四阻火器，18-氧浓度传感器，19-第三电动调节阀，20-第四电动调节阀，21-自动控制器。
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。
实施例1，如图1所示，提供具有除湿功能的飞行器燃油箱惰化系统，包含油箱1、风机3、电加热器5、催化反应器8、第三阻火器9、冷却器10、水分离器11、膜式干燥器12、第三电动调节阀19、第四电动调节阀20和控制器21；所述膜干燥器吹扫气通道入口和出口均连通大气环境；所述水分离器液态水出口连通大气环境；
油箱1、风机3、电加热器5、催化反应器8、第三阻火器9、冷却器10、水分离器11以及膜式干燥器12依次串联形成回路；
冲压空气经过第三电动调节阀19连通到冷却器10，同时冲压空气经过第四电动调节阀20连通到电加热器5；所述控制器21用于控制风机工作，以及对冲压空气导入冷却器10和电加热器5的流量进行控制。
进一步的，还包括第一阻火器2、第二阻火器7和第四阻火器17；所述第一阻火器2设置在油箱与风机之间的管路中，所述第二阻火器7设置在电加热器5与催化反应器8之间的管路中，所述第四阻火器17设置在膜式干燥器12与油箱1之间的管路中。
进一步的，还包括流量传感器4、第一温度传感器6、第二温度传感器14和氧浓度传感器18；所述流量传感器4设置在风机与电加热器5之间的管路中，所述第一温度传感器6设置在电加热器5与催化反应器8之间的管路中，所述第二温度传感器14设置在膜式干燥器12与油箱1之间的管路中，所述氧浓度传感器18设置在油箱中；上述所有传感器都将检测信号发送到控制器。优选地，所述氧浓度传感器通过探杆与所述油箱连接。
进一步的，还包括第一电动调节阀13、第二电动调节阀15和止回阀16；所述第二电动调节阀15和止回阀16均设置在膜式干燥器12与油箱1之间的管路中；所述膜式干燥器12的干燥器气出口还连通到自身的吹扫气进口，且通过所述第一电动调节阀13进行流量控制；且所述第一电动调节阀13和第二电动调节阀15均受到控制器的控制。
实施例2，如图2所示，提供具有除湿功能的飞行器燃油箱惰化系统，，包含冲压空气入口；
膜干燥器12包含湿空气通道和吹扫空气通道；
油箱1出口通过管道依次连接有第一阻火器2、风机3入口；
所述风机3出口与第三电动调节阀19出口通过管道同时与流量传感器4入口连接；
所述流量传感器4出口通过管道依次连接有电加热器5、第一温度传感器6、第二阻火器7、催化反应器8、第三阻火器9、冷却器10热侧通道、水分离器11气体通道、膜干燥器12湿空气通道入口；
膜干燥器12湿空气通道出口通过管道同时与第一电动调节阀13入口及第二温度传感器14入口连接；
所述第二温度传感器14出口通过管道依次连接有第二电动调节阀15、止回阀16、第四阻火器17、油箱1入口；
所述冲压空气入口通过管道同时与所述第三电动调节阀19入口、第四电动调节阀20入口连接；
所述第四电动调节阀20出口通过管道与冷却器10冷侧通道入口连接；所述冷却器10冷侧通道出口气体排至机外；
所述水分离器11液态水出口液态水排至机外；
所述第一电动调节阀13出口与所述膜干燥器12吹扫气通道入口连接；所述膜干燥器12吹扫气通道出口气体排至机外；
氧浓度传感器18通过探杆与所述油箱1连接；
自动控制器21包含一个电流输入端和一个电流输出端；
所述流量传感器4、第一温度传感器6、第二温度传感器14、氧浓度传感器18通过电缆并联并与所述自动控制器21电流输入端连接；
所述自动控制器21电流输出端通过电缆分别与所述风机3、电加热器5、第一电动调节阀13、第二电动调节阀15、第三电动调节阀19、第四电动调节阀20电流输入端连接。
具体的，一种基于膜除湿法的飞行器燃油箱惰化系统工作过程如下：
1)催化反应过程
所述油箱1上部的气体在所述风机3的抽吸作用下，流经所述第一阻火器2、所述风机3；与流经所述第三电动调节阀19的冲压空气混合；混合气体在电加热器5中被加热至反应所需温度；高温气体依次流经所述第一温度传感器6、第二阻火器7；在所述催化反应器8中发生无焰催化燃烧反应；反应后的高温高湿气体主要为氮气、二氧化碳、水；
所述冲压空气分为两股，其一股流经第三电动调节阀19后，与来自油箱的气体混合，调节燃油蒸气与氧气比例，参与催化反应；其二股流经第四电动调节阀20后，进入所述冷却器14冷侧通道对反应后气体进行冷却，随后排出机外；
2)冷却干燥及惰化过程
所述反应后的高温高湿气体流过阻火器9后，在所述冷却器10中被初步冷却；冷却后的气体在所述水分离器11种析出液态水，液态水通过管道排出机外；低温低含水量的惰化气体流入所述膜干燥器12湿空气通道，水蒸气被膜材料吸收，然后在极薄的膜壁中扩散至膜丝的吹扫空气通道，并由小部分干燥吹扫气反吹带出膜干燥器，得到的干燥压缩空气从所述膜干燥器12出口流出，从而完成水-气分离；
干燥惰化气体依次流经所述第二温度传感器14、第二电动调节阀15、止回阀16、第四阻火器17，最后流回油箱进行冲洗惰化；
3)数据采集及控制过程
所述氧浓度传感器18通过探杆探测所述油箱1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风机3、电加热器5、第一电动调节阀13、第二电动调节阀15、第三电动调节阀19、第四电动调节阀20，系统开始工作；当氧浓度小于给定值时，系统停止工作；
所述流量传感器4、第一温度传感器6、第二温度传感器14、氧浓度传感器18测得气体参数，并将信号传输到所述自动控制器21；根据流量传感器4及第一温度传感器6测得的反应气体的流量和温度来调节电加热器5的加热功率；所述第二温度传感器14测得干燥的惰化气体温度，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四电动调节阀15，以防止高温气体进入油箱，保证油箱安全。
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 (8)
1.具有除湿功能的飞行器燃油箱惰化系统，其特征在于：包含油箱、风机、电加热器、催化反应器、第三阻火器、冷却器、水分离器、膜式干燥器、第三电动调节阀、第四电动调节阀和控制器；所述膜干燥器吹扫气通道入口和出口均连通大气环境；所述水分离器液态水出口连通大气环境；
油箱、风机、电加热器、催化反应器、第三阻火器、冷却器、水分离器以及膜式干燥器依次串联形成回路；
冲压空气经过第三电动调节阀连通到冷却器，同时冲压空气经过第四电动调节阀连通到电加热器；所述控制器用于控制风机工作，以及对冲压空气导入冷却器和电加热器的流量进行控制。
2.根据权利要求1所述的具有除湿功能的飞行器燃油箱惰化系统，其特征在于：还包括第一阻火器，所述第一阻火器设置在油箱与风机之间的管路中。
3.根据权利要求1所述的具有除湿功能的飞行器燃油箱惰化系统，其特征在于：还包括第二阻火器，所述第二阻火器设置在电加热器与催化反应器之间的管路中。
4.根据权利要求1所述的具有除湿功能的飞行器燃油箱惰化系统，其特征在于：还包括第四阻火器，所述第四阻火器设置在膜式干燥器与油箱之间的管路中。
5.根据权利要求1所述的具有除湿功能的飞行器燃油箱惰化系统，其特征在于：还包括流量传感器、第一温度传感器、第二温度传感器和氧浓度传感器；所述流量传感器设置在风机与电加热器之间的管路中，所述第一温度传感器设置在电加热器与催化反应器之间的管路中，所述第二温度传感器设置在膜式干燥器与油箱之间的管路中，所述氧浓度传感器设置在油箱中；上述所有传感器都将检测信号发送到控制器。
6.根据权利要求5所述的具有除湿功能的飞行器燃油箱惰化系统，其特征在于：所述氧浓度传感器通过探杆与所述油箱连接。
7.根据权利要求1所述的具有除湿功能的飞行器燃油箱惰化系统，其特征在于：还包括第一电动调节阀；所述膜式干燥器的干燥器气出口还连通到自身的吹扫气进口，且通过所述第一电动调节阀进行流量控制；且所述第一电动调节阀和第二电动调节阀均受到控制器的控制。
8.根据权利要求1所述的具有除湿功能的飞行器燃油箱惰化系统，其特征在于：还包括第二电动调节阀和止回阀；所述第二电动调节阀和止回阀均设置在膜式干燥器与油箱之间的管路中。
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|---|---|---|---|---|
| CN112937882A (zh) * | 2021-04-09 | 2021-06-11 | 重庆交通大学绿色航空技术研究院 | 飞机供电和燃油箱惰化一体系统及飞机燃油箱惰化方法 |
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2020
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