CN117246522A - 包含用于再加热二氢的热交换器的壳体系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种壳体系统(220)，其安装在上游管(116a)的上游电磁阀(122a)与下游管(116b)的下游电磁阀(122b)之间，并包括：壳体(222)，其由分隔壁(234)分为第二容积(230b)以及置于下降的压力下的第一容积(230a)；热交换器(232)，其固定在壳体(222)之内，具有第一入口(236a)和第一出口(238b)，第一入口布置在第一容积(230a)中并连接到上游管(116a)，第一出口布置在第二容积(230b)中并连接到下游管(116b)；以及控制单元(50)，其在第一容积(230a)或第二容积(230b)中的两个连续压力值之间的偏差大于一定阈值时关闭电磁阀(122a－b)。这样的壳体系统使得壳体能够在泄露的情况下得以隔离。

Description

包含用于再加热二氢的热交换器的壳体系统
技术领域
本发明涉及一种包含热交换器的壳体系统和一种包括这种壳体系统的飞行器，该热交换器使得经过热交换器的二氢能够被再加热。
背景技术
为了减少飞行器发动机中煤油的消耗，已知使用二氢作为燃料。因此，该飞行器包括主供应系统，该主供应系统包括液态二氢储罐。为了由发动机使用，二氢必须是气态形式，并且为此，主供应系统包括热交换器，该热交换器确保由热的热交换流体再加热二氢。为了将二氢从储罐输送到发动机，主供应系统包括管、泵和阀的网络，该网络从储罐延伸经过热交换器到达发动机。
为了限制与使用二氢相关的事故风险，在热交换器周围使用了安全系统。尽管目前使用的系统是有效的，但有必要找到实施起来特别简单的新布置。
发明内容
本发明的谜底是提供一种包括热交换器的壳体系统，所述热交换器使得二氢能够穿过热交换器以进行再加热，从而例如供应飞行器发动机。
为此，提出了一种壳体系统，该壳体系统意在处于供应管与排放管之间，热交换流体在其中循环，该壳体系统包括：
－密封壳体，该密封壳体被密封分隔壁分为第一容积和填充有对二氢呈惰性的气体的第二容积；
－真空泵，该真空泵以流体方式连接到第一容积，并且构造成在运行期间在第一容积中产生降低的压力；
－上游管，上游电磁阀沿着上游管安装，上游管旨在以流体方式连接到二氢储罐；
－下游管，下游电磁阀沿着下游管安装，下游管旨在以流体方式连接到发动机；
－热交换器，该热交换器通过分隔壁固定在壳体内，并且具有第一入口和第一出口，第一入口以流体方式连接到上游电磁阀下游的上游管，第一出口以流体方式连接到下游电磁阀上游的下游管，并且具有第二入口和第二出口，第二入口旨在以流体方式连接到供应管，第二出口旨在以流体方式连接到排放管，其中，第一入口布置在第一容积中，并且第一出口布置在第二容积中；
－第一压力传感器，该第一压力传感器布置在第一容积中；
－第二压力传感器，该第二压力传感器布置在第二容积中；
－控制单元，该控制单元布置成接收由压力传感器测量的压力值，以便一方面检测第一容积中的压力的两个连续值之间的绝对值偏差是否小于第一阈值或大于第二阈值，第二阈值大于或等于第一阈值，另一方面检测第二容积中的压力的两个连续值之间的绝对值偏差是否小于另一第一阈值或大于另一第二阈值，另一第二阈值大于或等于另一第一阈值，并且如果检测到两个连续压力值之间的绝对值偏差超过第一容积中的第二阈值或第二容积中的另一第二阈值，则关闭电磁阀。
这样的壳体系统使得壳体能够在泄露的情况下得以隔离。
有利地，该壳体在第一容积的壁的区域中包括释压阀。
有利地，该壳体在第二容积的壁的区域中包括进气口，该进气口旨在以流体方式连接到压力下的惰性气体源。
有利地，该壳体在第二容积的壁的区域中包括排放部，经由该排放部排放气体。
根据一具体实施例，分隔壁包括边缘、中心壁以及连接壁，边缘固定地结合到壳体的壁并在第一容积内延伸，中心壁围绕热交换器延伸并固定地结合到热交换器，连接壁在边缘与中心壁之间延伸并且固定成邻抵边缘的朝向第二容积定向的面部、并且邻抵中心壁的朝向第二容积定向的面部。
根据另一具体实施例，分隔壁包括边缘和中心壁，边缘固定地结合到壳体的壁并在第一容积内延伸，中心壁围绕热交换器延伸并固定地结合到热交换器，其中，中心壁固定成邻抵边缘的朝向第二容积定向的面部。
有利地，壳体系统对于每个容积包括来自二氢传感器和二氧传感器的至少一个附加传感器，附加传感器布置在容积中，控制单元布置成接收由每个附加传感器测量的压力的附加值，以便将以这种方式接收的每个附加值与附加阈值进行比较，并在附加值大于附加阈值的情况下关闭电磁阀。
本发明也提出了一种飞行器，该飞行器包括：
－二氢储罐；
－发动机；
－根据前述变型的壳体系统，其中，上游管在储罐与热交换器的第一入口之间延伸，其中，下游管在热交换器的第一出口与发动机之间延伸；以及
－热交换流体回路，其包括供应管和排放管，供应管以流体方式连接到热交换器的第二入口，排放管以流体方式连接到热交换器的第二出口。
附图说明
通过阅读实施例的以下描述，将更好地理解本发明的上述特征和其它特征，该描述是参考附图给出的，附图中：
图1是根据本发明的飞行器的平面图；
图2是根据本发明第一实施例的壳体系统的示意图；以及
图3是根据本发明第二实施例的壳体系统的示意图。
具体实施方式
在以下描述中，参考处于正常飞行位置的飞机给出与位置相关的术语，即如图1所示。
在下文的描述中且常规地，X用于指代飞行器的纵向方向，Y用于指代横向方向，当飞行器处于地面上时其水平，而Z是竖直方向，当飞行器处于地面时其竖直，这三个方向X、Y和Z相互正交。
图1示出了飞行器100，该飞行器包括机身102，机身两侧各有机翼104，机翼104携带至少一台发动机106，发动机106以(尤其是在300K下的)气态二氢作为固定燃料运行。在图1所示的本发明实施例中，发动机106是螺旋发动机，但也可以设想任何其他类型的发动机。
箭头107指示飞行器100的前方行进方向。
飞行器100包括储罐110，二氢以液体形式、特别是在30K下储存在储罐110中。在本发明的实施例中，储罐110布置在机身102的后部，但是也可以在不同位置。
“上游”和“下游”位置相对于流体的流动方向延伸。飞行器100还包括分配系统112，该分配系统112尤其包括管116，该管116以流体方式将储罐连接到发动机106。分配系统112还包括安装在管116上的泵114，以便将管116中的储罐110的出口处的二氢朝向发动机106驱动。
在到达发动机106之前，二氢进入根据本发明的壳体系统120，该壳体系统包括供应发动机106的管116。因此，管116被分为上游管116a和下游管116b，上游管在储罐110与壳体系统120的第一入口之间延伸，而下游管在壳体系统120的第一出口与发动机106之间延伸。
壳体系统120包括上游管116a和下游管116b，上游电磁阀122a沿上游管116b安装，下游电磁阀122b沿下游管116a安装，因此电磁阀122a－b处于壳体系统120的第一入口的上游和第一出口的下游。当电磁阀122a－b打开时，二氢到达上游电磁阀122a的区域，穿过壳体系统120，并在下游电磁阀122b的区域中排放，以便供应发动机106。当上游电磁阀122a关闭时，二氢不到达壳体系统120，而当下游电磁阀122b关闭时，不从壳体系统120排放二氢。
图2示出了根据第一实施例的壳体系统220，图3示出了根据第二实施例的壳体系统320。
壳体系统220、320包括密封壳体222，该密封壳体在本例中由侧壁224、第一端壁226和第二端壁228构成，它们以密封的方式固定在一起以界定内容积230a－b。
壳体系统220、320包括分隔壁234、334，该分隔壁固定地结合到各壁、在本例中为侧壁224，并且该分隔壁将内容积230a－b分隔成在分隔壁234、334与第一端壁226之间的第一容积230a、以及在分隔壁234、334与第二端壁228之间的第二容积230b。
分隔壁234、334在两个容积230a和230b之间形成密封屏障，并且可以是不同的形式，第一示例如图2所示，第二示例如表3所示。壳体222因此被分隔壁234、334划分为第一容积230a和第二容积230b。
壳体系统220、320还包括真空泵250，真空泵250以流体方式连接到第一容积230a，并且在运行期间，真空泵布置成降低第一容积230b中的压力。以此方式，从第一容积230a中提取气体，其中，产生压力降低、且该位置处的压力降低。
第二容积230b填充有对于二氢是惰性的气体，特别是液体形式的气体，即，当与二氢混合时没有风险。该惰性气体例如是二氮。
壳体系统220、320包括热交换器232，该热交换器固定在壳体222内，并确保二氢的再加热、特别是从30K到300K的再加热。
热交换器232包括第一入口236a和第一出口238a，第一入口以流体方式连接到上游电磁阀122a下游的上游管116a，第一出口以流体方式在下游电磁阀122b上游连接到下游管116b。因此，二氢经由第一入口236a到达热交换器232，并且在再热状态下经由第一出口238a排放。
第一入口236a布置在第一容积230a中，第一出口238a布置在第二容积230b中，因此热交换器232以密封方式穿过分隔壁234、334。因此，热交换器232的第一部分位于第一容积230a中，而热交换器232的第二部分位于第二容积230b中。
为了到达第一入口236a，上游管116a以密封方式延伸穿过壳体222的壁(在本例中为侧向壁224)，为了到达第一出口238a，下游管116b以相同的密封方式延伸穿过壳体222的壁(在本例中为侧向壁224)。
热交换器232包括第二入口236b和第二出口238b，第二入口以流体方式连接到供应管240，第二出口以流体方式连接到排放管242。供应管240和排放管242确保向热交换器232供应热交换流体，并且从热交换器232排放热交换流体。
供应管240和排放管242是热交换流体回路的一部分，该回路还包括储存热交换流体的储罐、加热热交换流体的加热系统和产生热交换流体流的至少一个泵。热交换流体由储罐的供应管240中的泵驱动朝向穿过加热系统的第二入口236b，然后在穿过热交换器232之后，热交换流体经由排放管242加入储罐。
较佳地，热交换流体是当与二氢(例如在743K下的二氮N2)混合时不引起任何风险的流体。
在图2和图3所示的本发明实施例中，第二入口236b和第二出口238b布置在第二容积230b中，但也可以有不同的布置。
为了到达第二入口236a，供应管240以密封方式延伸穿过壳体222的壁(在本例中为侧向壁224)，为了到达第二出口238a，排放管242以相同的密封方式延伸穿过壳体222的壁(在本例中为侧向壁224)。
热交换器232由此确保被冷却的热交换流体与被加热的二氢之间的热交换。
壳体系统220、320还包括在第一容积230a中的第一压力传感器244a、和在第二容积230b中的第二压力传感器244b。第一压力传感器244a确定第一容积230a中的压力，而第二压力传感器244b确定第二容积230b中的压力。
壳体系统220、320还包括控制单元50，该控制单元50连接到压力传感器244a－b、并且布置成接收由压力传感器244a－144b测量的压力值。
控制单元50还连接到上游电磁阀122a和下游电磁阀112b，并在打开和关闭方面控制它们。
控制单元50定期接收由压力传感器244a－b发送的代表容积230a－b中的压力的值。
控制单元50比较每个容积230a－b中的压力的两个连续值。
控制单元50布置成检测第一容积230a中的压力的两个连续值之间的绝对值偏差是否小于第一阈值(正情况)，即如果第一容积230a中的压力保持稳定，或者两个连续值之间的绝对值偏差是否大于第二阈值(负情况)，即如果第一容积230a中的压力发生变化。第二阈值大于或等于第一阈值。
以相同方式，控制单元50布置成检测第二容积230b中的压力的两个连续值之间的绝对值偏差是否小于另一第一阈值(正情况)，即如果第二容积230b中的压力保持稳定，或者两个连续值之间的绝对值偏差是否大于另一第二阈值(负情况)，即如果第二容积230b中的压力发生变化。另一第二阈值大于或等于另一第一阈值。
第一阈值和第二阈值以及另一第一阈值和另一第二阈值可以至少在一些情况下相等、或者全部不同。当控制单元50检测到第一容积230a或第二容积230b的至少一个负情况时，即，两个连续压力值之间的绝对值偏差超过第一容积230a中的第二阈值或第二容积230b中的另一第二阈值时，控制单元50控制上游电磁阀122a和下游电磁阀112b的关闭，以隔离泄漏。
当压力变化保持低于第一容积230a和第二容积230b的第一阈值时，即，在两个正情况下，控制单元50保持上游电磁阀122a和下游电磁阀112b打开。
以此方式，在检测到管和连接部的区域中的二氢泄漏或壳体222的密封泄漏的情况下，控制单元50控制电磁阀122a－b的关闭，然后通过使二氢的流动停止来隔离壳体222，并且可以在随后的维护操作期间对其进行更换、排空和修理。
在第一容积230a中发生泄漏、并且为了限制壳体222的爆炸风险的情况下，壳体222在第一容积230的壁(在本例中为侧向壁224)的区域中包括释压阀252，该释压阀直接通向新鲜空气或者通到管道254中，该管道将逸出的气体朝向为此目的提供的位置进行管输送。释压阀252被校准以防止压力超过壳体222的抗力。
为了向第二容积230b供应惰性气体，壳体222在第二容积230的壁(在本例中为侧向壁224)的区域中包括进气口256，压力下的惰性气体源以流体方式连接到该进气口256。
为了排空第二容积230b，壳体222在第二容积230的壁(在本例中为侧向壁224)的区域中包括排放部258，经由该排放部258可以排放包含在第二容积230b中的气体。
为了限制二氢沿着管116泄漏的风险，其较佳地为双壁管。然而，对于管116的位于壳体222中的部分，为了简化生产，可以使用单壁管。
在本发明的第一实施例中，分隔壁234包括边缘260，该边缘260固定地结合到壳体222的壁(在本例中为侧向壁224)，并在第一容积230a内延伸。
分隔壁234还包括中心壁262，该中心壁围绕热交换器232延伸并固定地结合到热交换器232。在本例中，中心壁262平行于边缘260。
分隔壁234还包括连接壁264，该连接壁264在边缘260与中心壁262之间延伸，该连接壁264固定成一方面邻抵边缘260的朝向第二容积230b定向的面部，另一方面邻抵中心壁262的朝向第二容积230b定向的面部。连接壁264因此布置在第二容积230b的相对于边缘260和中心壁262的侧面。使用例如夹紧螺钉或焊点或任何其它适当的固定装置来执行固定。在本例中，连接壁264平行于边缘260和中心壁262。
连接壁264在第二容积230b的侧面的位置防止固定装置以分离的方式作业，并且使得连接壁264能够由于两个容积230a－b之间的压差而压抵边缘260和中心壁262。
密封接头一方面可以布置在边缘260与连接壁264之间，另一方面可以布置在中心壁262与连接壁264之间。
在本发明的第二实施例中，分隔壁334包括边缘360，该边缘固定地结合到壳体222的壁(在本例中为侧向壁224)，并在第一容积230a内延伸。
分隔壁234还包括中心壁362，该中心壁围绕热交换器232延伸并固定地结合到热交换器232。在本例中，中心壁362平行于边缘260。中心壁362固定成邻抵边缘360的朝向第二容积230b定向的面部。中心壁362因此布置在第二容积230b的相对于边缘360的侧面。使用例如夹紧螺钉或焊点或任何其它适当的固定装置来执行固定。
中心壁362在第二容积230b的侧面的位置防止固定装置以分离的方式作业，并且使得中心壁362能够由于两个容积230a－b之间的压差而压抵边缘360。
密封接头可以布置在边缘360与中心壁362之间。根据一个具体实施例，除了压力传感器244a－b之外，壳体系统220、320在每个容积230a－b中包括来自二氢传感器和二氧传感器的至少一个附加传感器274a－b。每个附加传感器274a－b连接到控制单元50，控制单元50接收由每个附加传感器274测量的压力的附加值，以便将以这种方式接收的每个附加值与附加阈值进行比较，并且如果附加值大于附加阈值，则关闭电磁阀122a－b。每个容积230a－b中的阈值的值可以不同。
根据一个具体实施例，壁224和226的界定第一容积230a的内表面覆盖有防止热辐射的保护层270，例如多层隔热层。该保护层270限制了由于外部热源而导致的第一容积230a内部的加热，从而防止了在发生泄漏的情况下增加压力。
根据一个具体实施例，壳体222的壁224、222和228的外表面覆盖有热保护层272。该热保护层272限制了由于外部热源而导致的壳体222内部的加热，从而防止了在发生泄漏的情况下增加压力。
根据第一实施例的具体实施例，板276在与连接壁264相对的一侧固定在边缘260与中心壁262之间。板276相对于连接壁264对称地固定，一方面邻抵边缘260的朝向第一容积230a定向的面部，另一方面邻抵中心壁262的朝向第一容积230a定向的面部。板276包括绝缘层278，该绝缘层邻抵边缘260和中心壁262。这样的布置在发生泄漏的情况下在第一容积230a中包含潜在的过压，防止第二容积230b的污染，以及防止二氢从第一容积230b行进到第二容积230(即从冷区行进到热区)的情况下压力突然增加。
以相同方式，根据第二实施例的具体实施例，板376围绕热交换器232延伸并固定地结合到热交换器232，并且板376在与中心壁362相对的一侧邻抵边缘360固定，即在第一容积230a中。
板376包括邻抵边缘360的绝缘层378。这样的布置在发生泄漏的情况下在第一容积230a中包含任何过压，防止第二容积230b的污染，以及防止二氢从第一容积230b行进到第二容积230(即从冷区行进到热区)的情况下压力突然增加。
根据一个实施例，在通过通信总线连接的状态下，控制单元50包括：处理器或CPU(“中央处理器”)；RAM(“随机存取存储器”)；ROM(“只读存储器”)；存储单元，如硬盘或存储介质读取器，例如SD卡读取器(“安全数字”)；至少一个通信接口，其使得例如控制单元能够与电磁阀、泵、压力传感器等通信。
处理器能够执行从ROM、从外部存储器(未示出)、从储存介质(如SD卡)或从通信网络加载到RAM中的指令。当设备接通时，处理器能够从RAM读取指令并且执行它们。这些指令形成计算机程序，该计算机程序使处理器实施在此描述的所有或部分的算法和步骤。
以上描述的所有或一些算法和步骤可以通过使用可编程机器(例如DSP(数字信号处理器)或微控制器)执行成组指令以软件形式实施，或者可以通过机器或专用组件(例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路))以硬件形式实施。

Claims (8)

1.一种壳体系统(120、220、320)，所述壳体系统旨在安装在供应管(240)与排放管(242)之间，热交换流体在所述壳体系统中循环，所述壳体系统(120、220、320)包括：
－密封壳体(222)，所述密封壳体被密封分隔壁(234、334)分为第一容积(230a)和填充有对二氢呈惰性的气体的第二容积(230b)；
－真空泵(250)，所述真空泵以流体方式连接到所述第一容积(230a)，并且构造成在运行期间在所述第一容积(230b)中生成降低的压力；
－上游管(116a)，上游电磁阀(122a)沿着所述上游管安装，所述上游管旨在以流体方式连接到二氢储罐(110)；
－下游管(116b)，下游电磁阀(122b)沿着所述下游管安装，所述下游管旨在以流体方式连接到发动机(106)；
－热交换器(232)，所述热交换器通过所述分隔壁(234、334)固定在所述壳体(222)内，并且具有第一入口(236a)和第一出口(238a)，所述第一入口以流体方式连接到所述上游电磁阀(122a)下游的所述上游管(116a)，所述第一出口以流体方式连接到所述下游电磁阀(122b)上游的所述下游管(116b)，并且具有第二入口(236b)和第二出口(238b)，所述第二入口旨在以流体方式连接到所述供应管(240)，所述第二出口旨在以流体方式连接到所述排放管(242)，其中，所述第一入口(236a)布置在所述第一容积(230a)中，并且所述第一出口(238a)布置在所述第二容积(230b)中；
－第一压力传感器(224a)，所述第一压力传感器布置在所述第一容积(230a)中；
－第二压力传感器(224b)，所述第二压力传感器布置在所述第二容积(230b)中；
－控制单元(50)，所述控制单元布置成接收由所述压力传感器(224a
－b)测量的压力值，以便一方面检测所述第一容积(230a)中的压力的两个连续值之间的绝对值偏差是否小于第一阈值或大于第二阈值，所述第二阈值大于或等于所述第一阈值，另一方面检测所述第二容积(230b)中的压力的两个连续值之间的绝对值偏差是否小于另一第一阈值或大于另一第二阈值，所述另一第二阈值大于或等于所述另一第一阈值，并且如果它检测到两个连续压力值之间的绝对值偏差超过所述第一容积(230a)中的第二阈值或所述第二容积(230b)中的另一第二阈值，则关闭电磁阀(122a
－b)。
2.根据权利要求1所述的壳体系统(120、220、320)，其特征在于，所述壳体(222)在所述第一容积(230a)的壁的区域中包括释压阀(252)。
3.根据权利要求1所述的壳体系统(120、220、320)，其特征在于，所述壳体(222)在所述第二容积(230b)的壁的区域中包括进气口(256)，所述进气口旨在以流体方式连接到处于压力下的惰性气体源。
4.根据权利要求1所述的壳体系统(120、220、320)，其特征在于，所述壳体(222)在所述第二容积(230b)的壁的区域中包括排放部(258)，经由所述排放部排放气体。
5.根据权利要求1所述的壳体系统(120、220、320)，其特征在于，所述分隔壁(234)包括边缘(260)、中心壁(262)以及连接壁(264)，所述边缘固定地结合到所述壳体(222)的壁并在所述第一容积(230a)内延伸，所述中心壁围绕所述热交换器(232)延伸并固定地结合到所述热交换器，所述连接壁在所述边缘(260)与所述中心壁(262)之间延伸并且固定成邻抵所述边缘(260)的朝向所述第二容积(230b)定向的面部、并且邻抵所述中心壁(262)的朝向所述第二容积(230b)定向的面部。
6.根据权利要求1所述的壳体系统(120、220、320)，其特征在于，所述分隔壁(334)包括边缘(360)和中心壁(362)，所述边缘固定地结合到所述壳体(222)的壁并在所述第一容积(230a)内延伸，所述中心壁围绕所述热交换器(232)延伸并固定地结合到所述热交换器，其中，所述中心壁(362)固定成邻抵所述边缘(360)的朝向所述第二容积(230b)定向的面部。
7.根据权利要求1所述的壳体系统(120、220、320)，其特征在于，所述壳体系统对于每个容积(230a－b)包括来自二氢传感器和二氧传感器的至少一个附加传感器(274a－b)，所述附加传感器布置在所述容积(230a－b)中，并且其中，所述控制单元(50)布置成接收由每个附加传感器(274a－b)测量的压力的附加值，以便将以这种方式接收的每个附加值与附加阈值进行比较，并在附加值大于附加阈值的情况下关闭所述电磁阀(122a－b)。
8.一种飞行器(100)，包括：
－二氢储罐(110)；
－发动机(106)；
－根据前述权利要求中任一权利要求所述的壳体系统(120、220、320)，其中，所述上游管(116a)在所述储罐(110)与所述热交换器(232)的所述第一入口(236a)之间延伸，其中，所述下游管(116b)在所述热交换器(232)的所述第一出口(238a)与所述发动机(106)之间延伸；以及
－热交换流体回路，所述热交换流体回路包括供应管(240)和排放管(242)，所述供应管以流体方式连接到所述热交换器(232)的第二入口(236b)，所述排放管以流体方式连接到所述热交换器(232)的第二出口(238b)。
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