CN113952829A - 一种多级增压气体分离膜制氧装置 - Google Patents

一种多级增压气体分离膜制氧装置 Download PDF

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Abstract

本申请属于机载制氧技术领域,特别涉及一种多级增压气体分离膜制氧装置。该装置包括一级气体分离器(2),具有用于气体分离的中空纤维膜,以及位于所述中空纤维膜两侧的进气口与出气口;离心式压缩机(3),其吸气腔连接一级气体分离器(2)的出气口,离心式压缩机(3)的周侧环壁设置有出口;二级气体分离器(4),为环形结构,内圈套接在离心式压缩机(3)的外环上,并具有连通离心式压缩机(3)出口的进气口,二级气体分离器(4)的侧壁设置有出气口,出气口与进气口之间为用于气体分离的中空纤维膜。本申请两级增压膜制氧可以有效提高产品气氧浓度、压力及产氧效率,同时克服了膜分离技术产气压力低、效率低的缺点。

Description

一种多级增压气体分离膜制氧装置
技术领域
本申请属于机载制氧技术领域,特别涉及一种多级增压气体分离膜制氧装置。
背景技术
目前飞机机载制氧多采用分子筛吸附制氧技术。分子筛能够吸附原料气中的氮气而获得富氧产品气。在设备工作时,单一筛床需要不断在吸附和解吸两个状态间切换,在解析时无法产生氧气。采用多筛床交替工作产氧,筛床状态切换时必然会出现产氧流量的瞬时跳变。增加筛床数目虽然可以一定程度缓解跳变幅度,但并不能从根本上解决这个问题,反而使得控制逻辑复杂度提高,故障率也随之显著提高,同时也会增加了设备重量。
在工业领域,通过膜技术也能制备富氧气体。气体分离膜选择性透过氧气,在恒定的压力差的驱动下,可以持续稳定地输出氧气和氮气。但氧气分子穿过分离膜压力损失较大,同时渗透的动态平衡过程效率较低,限制了膜技术制氧技术的应用。因此,目前飞机机载制氧领域并未有膜技术制氧的应用或相关文献机载。
发明内容
为了解决上述技术问题,本申请提供了一种多级增压气体分离膜制氧装置,主要包括:
一级气体分离器,具有用于气体分离的中空纤维膜,以及位于所述中空纤维膜两侧的进气口与出气口;
离心式压缩机,其吸气腔连接一级气体分离器的出气口,离心式压缩机的周侧环壁设置有出口;
二级气体分离器,为环形结构,内圈套接在离心式压缩机的外环上,并具有连通离心式压缩机出口的进气口,二级气体分离器的侧壁设置有出气口,出气口与进气口之间为用于气体分离的中空纤维膜;
电机,用于驱动离心式压缩机运转;
其中,中空纤维膜为能够使氧气穿过的分离膜。
优选的是,一级气体分离器的进气口前连接有过滤器。
优选的是,一级气体分离器为筒体结构,中空纤维膜沿所述筒体轴向布置在所述一级气体分离器内,中空纤维膜两端分别为进气口与废气口,一级气体分离器的出气口设置在筒体结构的侧壁,氧气经一级气体分离器的进气口进入,穿过中空纤维膜后,在一级气体分离器的出气口流出,其他气体经废气口排出。
优选的是,所述二级气体分离器的外环沿环壁设置有废气出口,二级气体分离器的中空纤维膜沿进气口至废气出口的方向布置,氧气经二级气体分离器的进气口进入,穿过中空纤维膜后,在二级气体分离器的出气口流出,其他气体经废气出口排出。
优选的是,二级气体分离器的出气口连接有储气罐。
优选的是,二级气体分离器的出气口与储气罐之间设置有监测控制器,监测控制器通过控制系统连接电机,所述监测控制器用于监测二级气体分离器的出气口的氧气温度、压力及氧浓度,所述控制系统被配置成根据监测控制器的数据控制所述电机的转速。
优选的是,所述电机控制量包括:
ut=m1+m2+m3;
m1=Kp[f(Pt-P(h)·Ca(h))];
m2=Ki∫f(Pt-P(h)·Ca(h));
Figure BDA0003271310090000021
其中,ut为控制量,KpKiKd为比例系数,Pt为检测控制器6测量的产品气压力;P(h)为座舱高度为h时的座舱压力;Ca(h)为座舱高度为h时的氧浓度目标值;f(x)为离心式压缩机输出压力与转速的特性关系。
本申请能够为下游机组提供均匀连续的氧气,并且能够根据不同使用工况及产品气实时数据,控制电机转速实现供氧流量及氧分压的调节。两级增压膜制氧可以有效提高产品气氧浓度、压力及产氧效率,同时克服了膜分离技术产气压力低、效率低的缺点。
附图说明
图1是本发明多级增压气体分离膜制氧装置的结构示意图。
图2是图1所示实施例的A-A剖示意图。
其中,1-入口过滤器、2-一级气体分离器、3-离心式压缩机、4-二级气体分离器、5-电机、6-监测控制器、7-储气罐。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施方式中的附图,对本申请实施方式中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中,自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施方式是本申请一部分实施方式,而不是全部的实施方式。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的,旨在用于解释本申请,而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施方式,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式,都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施方式进行详细说明。
本申请多级增压气体分离膜制氧装置,如图1及图2所示,主要包括:
一级气体分离器2,具有用于气体分离的中空纤维膜,以及位于所述中空纤维膜两侧的进气口与出气口;
离心式压缩机3,其吸气腔连接一级气体分离器2的出气口,离心式压缩机3的周侧环壁设置有出口;
二级气体分离器4,为环形结构,内圈套接在离心式压缩机3的外环上,并具有连通离心式压缩机3出口的进气口,二级气体分离器4的侧壁设置有出气口,出气口与进气口之间为用于气体分离的中空纤维膜;
电机5,用于驱动离心式压缩机3运转;
其中,中空纤维膜为能够使氧气穿过的分离膜。
在一些可选实施方式中,一级气体分离器2的进气口前连接有过滤器1。
该实施例中,来自飞机制冷包的原料气首先进入入口过滤器1去除进气中的水和杂质,防止水和杂质阻塞或损伤分离膜结构。过滤后的洁净气体通入一级气体分离器2进行氮氧分离。混合气体由一级气体分离器2的一端进入中空纤维膜内部。在上游压力作用下,氧分子穿过分离膜,由产气口进入离心式压缩机3的吸气腔,中空纤维膜内剩余的废气从一级气体分离器2的另一端废气口排出。
离心式压缩机3在电机5的驱动下旋转,在其吸气腔内产生负压,提高一级气体分离器2进气口和产气口之间的压差,促进氧分子穿过分离膜,同时防止氧分子在一级气体分离器2的产气口处积聚导致产氧效率降低。离心式压缩机3压缩进入吸气腔的富氧气体,提高富氧气体的压力及温度,促进其在二级气体分离器4内进一步分离。
具有一定压力温度的富氧气体从离心式压缩机3出口排出,沿径向进入二级气体分离器4。富氧气体由环形二级气体分离器4的内周进入中空纤维膜内部,氧分子在压差作用下穿过分离膜,进一步提高富氧气体的浓度,由产品气出气口排出进入下游的监测控制器6;同时,剩余的杂质气体由废气出口品排出,参阅图2。
在一些可选实施方式中,一级气体分离器2为筒体结构,中空纤维膜沿所述筒体轴向布置在所述一级气体分离器2内,中空纤维膜两端分别为进气口与废气口,一级气体分离器2的出气口设置在筒体结构的侧壁,氧气经一级气体分离器2的进气口进入,穿过中空纤维膜后,在一级气体分离器2的出气口流出,其他气体经废气口排出。
在一些可选实施方式中,所述二级气体分离器4的外环沿环壁设置有废气出口,二级气体分离器4的中空纤维膜沿进气口至废气出口的方向布置,氧气经二级气体分离器4的进气口进入,穿过中空纤维膜后,在二级气体分离器4的出气口流出,其他气体经废气出口排出。
在一些可选实施方式中,二级气体分离器4的出气口连接有储气罐7。
在一些可选实施方式中,二级气体分离器4的出气口与储气罐7之间设置有监测控制器6,监测控制器通过控制系统连接电机5,所述监测控制器用于监测二级气体分离器4的出气口的氧气温度、压力及氧浓度,所述控制系统被配置成根据监测控制器6的数据控制所述电机5的转速。
该实施例中,经过两级过滤的产品气进入监测控制器6,监测控制器6内的温压传感器监测产品气的温度和压力;氧传感器监测产品气氧浓度数据,并将数据保存在控制模块中。同时控制模块接收飞行高度、座舱高度及轮载等信号,根据控制程序向电机5输出相应控制信号;此外,在装置故障或产品气不满足要求时向飞机发送告警信号。
通过监测控制器6的产品气暂时储存在储气罐7内,当后端机组用氧时,产品气从储气罐7出口排出,源源不断的向下游提供稳定的氧气。
在一些可选实施方式中,所述电机控制量包括:
ut=m1+m2+m3;
m1=Kp[f(Pt-P(h)·Ca(h))];
m2=Ki∫f(Pt-P(h)·Ca(h));
Figure BDA0003271310090000051
其中,ut为控制量,KpKiLd为比例系数,Pt为检测控制器6测量的产品气压力;P(h)为座舱高度为h时的座舱压力;Ca(h)为座舱高度为h时的氧浓度目标值;f(x)为离心式压缩机输出压力与转速的特性关系。
本申请提供的设备在工作时能够为下游机组提供均匀连续的氧气,并且能够根据不同使用工况及产品气实时数据,控制电机转速实现供氧流量及氧分压的调节。两级增压膜制氧可以有效提高产品气氧浓度、压力及产氧效率,同时克服了膜分离技术产气压力低、效率低的缺点。
以上所述,仅为本申请的具体实施方式,但本申请的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此,本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种多级增压气体分离膜制氧装置,其特征在于,包括:
一级气体分离器(2),具有用于气体分离的中空纤维膜,以及位于所述中空纤维膜两侧的进气口与出气口;
离心式压缩机(3),其吸气腔连接一级气体分离器(2)的出气口,离心式压缩机(3)的周侧环壁设置有出口;
二级气体分离器(4),为环形结构,内圈套接在离心式压缩机(3)的外环上,并具有连通离心式压缩机(3)出口的进气口,二级气体分离器(4)的侧壁设置有出气口,出气口与进气口之间为用于气体分离的中空纤维膜;
电机(5),用于驱动离心式压缩机(3)运转;
其中,中空纤维膜为能够使氧气穿过的分离膜。
2.如权利要求1所述的多级增压气体分离膜制氧装置,其特征在于,一级气体分离器(2)的进气口前连接有过滤器(1)。
3.如权利要求1所述的多级增压气体分离膜制氧装置,其特征在于,一级气体分离器(2)为筒体结构,中空纤维膜沿所述筒体轴向布置在所述一级气体分离器(2)内,中空纤维膜两端分别为进气口与废气口,一级气体分离器(2)的出气口设置在筒体结构的侧壁,氧气经一级气体分离器(2)的进气口进入,穿过中空纤维膜后,在一级气体分离器(2)的出气口流出,其他气体经废气口排出。
4.如权利要求1所述的多级增压气体分离膜制氧装置,其特征在于,所述二级气体分离器(4)的外环沿环壁设置有废气出口,二级气体分离器(4)的中空纤维膜沿进气口至废气出口的方向布置,氧气经二级气体分离器(4)的进气口进入,穿过中空纤维膜后,在二级气体分离器(4)的出气口流出,其他气体经废气出口排出。
5.如权利要求1所述的多级增压气体分离膜制氧装置,其特征在于,二级气体分离器(4)的出气口连接有储气罐(7)。
6.如权利要求5所述的多级增压气体分离膜制氧装置,其特征在于,二级气体分离器(4)的出气口与储气罐(7)之间设置有监测控制器(6),监测控制器通过控制系统连接电机(5),所述监测控制器用于监测二级气体分离器(4)的出气口的氧气温度、压力及氧浓度,所述控制系统被配置成根据监测控制器(6)的数据控制所述电机(5)的转速。
7.如权利要求6所述的多级增压气体分离膜制氧装置,其特征在于,所述电机控制量包括:
ut=m1+m2+m3;
m1=Kp[f(Pt-P(h)·Ca(h))];
m2=Ki∫f(Pt-P(h)·Ca(h));
Figure FDA0003271310080000021
其中,ut为控制量,KpKiKd为比例系数,Pt为检测控制器6测量的产品气压力;P(h)为座舱高度为h时的座舱压力;Ca(h)为座舱高度为h时的氧浓度目标值;f(x)为离心式压缩机输出压力与转速的特性关系。
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