基于膜分离法的飞机环境控制和油箱惰化耦合系统和方法技术方案

本发明专利技术提出一种基于膜分离法的飞机环境控制和油箱惰化耦合系统，依据膜对水蒸气/空气和氧气/氮气的选择透过性，分别实现了飞机环境控制系统中气体除湿环节以及油箱惰化系统中氧氮分离环节。在本发明专利技术提出的耦合系统中，经过膜除湿换热器的干燥气体一部分进入膜空气分离器，另一部分经过涡轮膨胀降温后通入座舱进行制冷；由膜空气分离器产生的富氮气体通入油箱进行惰化，富氧气体和环控系统供气混合，提升了飞机座舱供气的含氧量。与现行飞机上独立的环控系统和油箱惰化系统相比，本发明专利技术提出的耦合系统，结构简单，重量轻，充分利用了发动机引气并提高了座舱供气含氧量，减小了系统的代偿损失，耦合系统的热力学性能也要优于两个独立系统。

System and method of aircraft environmental control and tank inerting coupling based on membrane separation method

A coupling system of aircraft environment control and fuel tank inertia based on membrane separation method is proposed. According to the selective permeability of membrane to water vapor/air and oxygen/nitrogen, the gas dehumidification link in aircraft environment control system and the oxygen-nitrogen separation link in fuel tank inertia system are realized respectively. In the coupling system proposed by the invention, one part of the dry gas passing through the membrane dehumidification heat exchanger enters the membrane air separator, the other part enters the cockpit for refrigeration after the turbine expands and decreases the temperature, and the nitrogen-rich gas produced by the membrane air separator enters the oil tank for inerting, and the oxygen-rich gas is mixed with the air supplied by the environmental control system for lifting. The oxygen content of aircraft cabin gas supply. Compared with the independent environmental control system and fuel tank inertia system on the current aircraft, the coupling system proposed by the present invention has simple structure and light weight, makes full use of the engine air intake and improves the oxygen content of the cockpit air supply, reduces the compensation loss of the system, and the thermodynamic performance of the coupling system is also superior to the two independent systems.

【技术实现步骤摘要】
基于膜分离法的飞机环境控制和油箱惰化耦合系统和方法
本专利技术提出一种基于膜分离法的飞机环境控制和油箱惰化耦合系统和方法。
技术介绍
当飞机工作于高湿环境时，水蒸气会对飞机环境控制系统产生不良影响，因此飞机环境控制系统中需要对空气进行除湿。目前世界上所有先进飞机采用的都是高压除水式环境控制系统。该系统除水效率高，制冷量大，但部件多，结构复杂，重量大。高压空气膜除湿技术依靠膜两侧水蒸气分压力差驱动水蒸气跨膜扩散，因此除湿过程中不需要水蒸气进行冷凝放热，避免了在高压除水式环控系统中，水蒸气冷凝放热所造成的冷量损失，而且无需使用质量较大的水分离器。因此，应用膜除湿技术的飞机环境控制系统，具有高效，节能，制冷量大的优点。此外，因为该系统中省略了金属材质的冷凝器和水分离器，系统的结构简单，总重量低。在飞行时，飞机的油箱有一定的燃爆几率，为了保证飞行安全，需要对油箱进行惰化。目前世界上多种先进飞机采用的都是依据膜分离法的油箱惰化系统，依靠氧气和氮气透过膜的速率不同，制取富氮气体通入油箱，达到惰化目的。
技术实现思路
膜除湿系统中的除湿膜以及氧氮分离系统中的氧氮分离膜对空气的温度，压力，颗粒度和含油率的要求相近，经过除湿膜除湿的气体，含湿量降低，有助于提高氧氮分离膜的效率，因此将膜除湿式飞机环境控制系统和膜分离式油箱惰化系统进行耦合具有可行性和先进性。此外，氧氮分离膜产生的富氧气体可以与座舱供气混合，明显提高座舱空气的含氧量，提升飞机乘员的舒适度，耦合系统可以共用调温调压以及过滤装置，降低了系统总重量，还能充分利用引气，减小了系统总的代偿损失。因此，相比于两个独立系统，将两系统合理耦合的系统具有更大的优势。如上所述，本专利技术的目的是基于膜分离技术，在同一系统中，分别实现飞机环境控制系统中的除湿环节和油箱惰化系统中的氧氮分离环节，并实现飞机环境控制系统和油箱惰化系统的耦合。与已有的飞机环境控制系统相比，本专利技术所提出基于膜分离法的飞机环境控制和油箱惰化耦合系统中，飞机环境控制系统的除湿效率高，制冷量大，系统结构简单。通过对飞机环境控制系统和油箱惰化系统进行综合分析，本专利技术所提出的耦合系统将两个独立系统有机结合，通过共用调温调压以及过滤元件，减小了系统的总重量；惰化系统中作为废气的富氧气体也可以与环控系统的供气混合，提升座舱的含氧量；通过充分利用引气，减小了总的代偿损失，显著提高飞机环控系统和油箱惰化系统的性能，从而提升了整个系统的性能。而且，由于环控系统增加了高效过滤系统，飞机座舱供气的品质显著提高，符合未来飞机安全、高效、健康的发展趋势。基于膜分离法的飞机环境控制和油箱惰化耦合系统，其特征在于包括：初级换热器、增压器、次级换热器、过滤器、膜除湿换热器、大膨胀涡轮、膜空气分离器、限流阀、小膨胀涡轮、风扇以及留个用于气体分离/掺混的六个三通阀。其工作过程是：发动机引气首先经过初级换热器，增压器，次级换热器调节到合适的温度和压力，由过滤器过滤掉油污和粉尘后进入膜除湿换热器内除湿，经过除湿的干空气依据设定的比例被分为两股，小比例的气流经过小膨胀涡轮降压后作为吹扫气进入膜除湿换热器壳侧，大比例的气流再经设定的比例被分为两股，主流气体经过大膨胀涡轮膨胀降温后通入座舱进行制冷，另一部分气体进入膜空气分离器进行氧氮分离，分离后的富氮气体通过限流阀调节流量后通入油箱达到惰化目的，部分富氧气体与座舱供气混合，提升座舱的含氧量。来自飞机外大气的冲压空气与膜除湿换热器吹扫气出口的气体混合作为系统的冷源进入次级换热器和初级换热器，经过风扇抽吸后与另一部分富氧气体混合，共同排入大气。根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于膜分离法的飞机环境控制和油箱惰化耦合系统，其特征在于包括：初级换热器、增压器、次级换热器、过滤器、膜除湿换热器、第一三通阀、第二三通阀、大膨胀涡轮、膜空气分离器、第三三通阀、第四三通阀、限流阀、第五三通阀、第六三通阀，其中：膜除湿换热器采用中空纤维膜管密集列管式结构，并包括：壳体，装入在壳体内的除湿用中空纤维膜管束，湿空气入口，干空气出口，膜除湿换热器壳体侧壁上的吹扫气入口，壳侧壁上的吹扫气出口，其中，发动机引气首先经过初级换热器、增压器、次级换热器被调节到合适的温度和压力，再由过滤器过滤掉油污和粉尘，经过过滤器过滤的高压湿空气由湿空气入口进入，在中空纤维膜管束内流动，经过除湿后的干燥气体从干空气出口排出，进入第一三通阀，并被分为两股气流，上述两股气流中的小比例的气流作为吹扫气从吹扫气入口进入，吹扫带走由膜管内侧渗透至膜管外侧的水蒸气，并从吹扫气出口排出，上述两股气流中的大比例的气流被第二三通阀依据设置好的比例再次进行分流，分流后的主流气体经过大膨胀涡轮膨胀降温后通入座舱进行制冷，小比例的气流进入膜空气分离器进行氧氮分离，第五三通阀用于将来自吹扫气出口的气流与来自飞机外的大气的冲压空气进行混合，混合后的气体作为次级换热器和初级换热器的冷边气流，膜空气分离器采用中空纤维膜管密集列管式结构，并包括：壳体，装入在壳体内的氧氮分离用中空纤维膜管束，膜分离器入口，富氮气体出口，富氧气体出口，其中，来自第二三通阀的小比例的气流从膜分离器入口进入，在中空纤维膜管束内流动，经过氧氮分离后的富氮气体从富氮气体出口排出，通过限流阀后通入油箱进行惰化，经过氧氮分离后富氧气体从富氧气体出口排出，通过第三三通阀)后按所需比例分流，分流后的一路送到第四三通阀，分流后的另一路送到第六三通阀，第四三通阀用于将富氧气体和座舱供气混合，经过大膨胀涡轮膨胀降温后的气体作为座舱供气，在第四三通阀中与第三三通阀分流后的一部分富氧气体进行混合，一起通入座舱。第六三通阀用于将初级换热器的热边气流和来自第三三通阀的富氧气体进行混合，混合后的气流被排入大气。根据本专利技术的另一个方面，提供了一种基于膜分离法的飞机环境控制和油箱惰化耦合方法，其基于一种飞机环境控制和油箱惰化耦合系统，该飞机环境控制和油箱惰化耦合系统包括：初级换热器、增压器、次级换热器、过滤器、膜除湿换热器、第一三通阀、第二三通阀、大膨胀涡轮、膜空气分离器、第三三通阀、第四三通阀、限流阀、第五三通阀、第六三通阀，其中：膜除湿换热器采用中空纤维膜管密集列管式结构，并包括：壳体，装入在壳体内的除湿用中空纤维膜管束，湿空气入口，干空气出口，膜除湿换热器壳体侧壁上的吹扫气入口，壳侧壁上的吹扫气出口，所述飞机环境控制和油箱惰化耦合方法的特征在于包括：使发动机引气首先经过初级换热器、增压器、次级换热器被调节到合适的温度和压力，再由过滤器过滤掉油污和粉尘，使经过过滤器过滤的高压湿空气由湿空气入口进入，在中空纤维膜管束内流动，经过除湿后的干燥气体从干空气出口排出，进入第一三通阀，并被分为两股气流，使上述两股气流中的小比例的气流作为吹扫气从吹扫气入口进入，吹扫带走由膜管内侧渗透至膜管外侧的水蒸气，并从吹扫气出口排出，使上述两股气流中的大比例的气流被第二三通阀依据设置好的比例再次进行分流，分流后的主流气体经过大膨胀涡轮膨胀降温后通入座舱进行制冷，小比例的气流进入膜空气分离器进行氧氮分离，所述膜空气分离器采用中空纤维膜管密集列管式结构，并包括：壳体、装入在壳体内的氧氮分离用中空纤维膜管束、膜分离器入口、富氮气体出口、富氧气体出口，借助第五本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于膜分离法的飞机环境控制和油箱惰化耦合系统，其特征在于包括：初级换热器(1)、增压器(2)、次级换热器(3)、过滤器(4)、膜除湿换热器(5)、第一三通阀(6)、第二三通阀(7)、大膨胀涡轮(8)、膜空气分离器(9)、第三三通阀(10)、第四三通阀(11)、限流阀(12)、第五三通阀(14)、第六三通阀(16)，其中：膜除湿换热器(5)采用中空纤维膜管密集列管式结构，并包括：壳体(5‑1)，装入在壳体(5‑1)内的除湿用中空纤维膜管束(5‑2)，湿空气入口(5‑3)，干空气出口(5‑4)，膜除湿换热器壳体(5‑1)侧壁上的吹扫气入口(5‑5)，壳侧壁上的吹扫气出口(5‑6)，其中，发动机引气首先经过初级换热器、增压器、次级换热器被调节到合适的温度和压力，再由过滤器过滤掉油污和粉尘，经过过滤器(4)过滤的高压湿空气由湿空气入口(5‑3)进入，在中空纤维膜管束(5‑2)内流动，经过除湿后的干燥气体从干空气出口(5‑4)排出，进入第一三通阀(6)，并被分为两股气流，上述两股气流中的小比例的气流作为吹扫气从吹扫气入口(5‑5)进入，吹扫带走由膜管内侧渗透至膜管外侧的水蒸气，并从吹扫气出口(5‑6)排出，上述两股气流中的大比例的气流被第二三通阀(7)依据设置好的比例再次进行分流，分流后的主流气体经过大膨胀涡轮(8)膨胀降温后通入座舱进行制冷，小比例的气流进入膜空气分离器(9)进行氧氮分离，第五三通阀(14)用于将来自吹扫气出口(5‑6)的气流与来自飞机外的大气的冲压空气进行混合，混合后的气体作为次级换热器和初级换热器的冷边气流，膜空气分离器(9)采用中空纤维膜管密集列管式结构，并包括：壳体(9‑1)，装入在壳体(9‑1)内的氧氮分离用中空纤维膜管束(9‑2)，膜分离器入口(9‑3)，富氮气体出口(9‑4)，富氧气体出口(9‑5)，其中，来自第二三通阀(7)的小比例的气流从膜分离器入口(9‑3)进入，在中空纤维膜管束(9‑2)内流动，经过氧氮分离后的富氮气体从富氮气体出口(9‑4)排出，通过限流阀(12)后通入油箱进行惰化，经过氧氮分离后富氧气体从富氧气体出口(9‑5)排出，通过第三三通阀(10)后按所需比例分流，分流后的一路送到第四三通阀(11)，分流后的另一路送到第六三通阀(16)，第四三通阀(11)用于将富氧气体和座舱供气混合，经过大膨胀涡轮(8)膨胀降温后的气体作为座舱供气，在第四三通阀(11)中与第三三通阀(10)分流后的一部分富氧气体进行混合，一起通入座舱。第六三通阀(16)用于将初级换热器的热边气流和来自第三三通阀(10)的富氧气体进行混合，混合后的气流被排入大气。...

【技术特征摘要】
1.一种基于膜分离法的飞机环境控制和油箱惰化耦合系统，其特征在于包括：初级换热器(1)、增压器(2)、次级换热器(3)、过滤器(4)、膜除湿换热器(5)、第一三通阀(6)、第二三通阀(7)、大膨胀涡轮(8)、膜空气分离器(9)、第三三通阀(10)、第四三通阀(11)、限流阀(12)、第五三通阀(14)、第六三通阀(16)，其中：膜除湿换热器(5)采用中空纤维膜管密集列管式结构，并包括：壳体(5-1)，装入在壳体(5-1)内的除湿用中空纤维膜管束(5-2)，湿空气入口(5-3)，干空气出口(5-4)，膜除湿换热器壳体(5-1)侧壁上的吹扫气入口(5-5)，壳侧壁上的吹扫气出口(5-6)，其中，发动机引气首先经过初级换热器、增压器、次级换热器被调节到合适的温度和压力，再由过滤器过滤掉油污和粉尘，经过过滤器(4)过滤的高压湿空气由湿空气入口(5-3)进入，在中空纤维膜管束(5-2)内流动，经过除湿后的干燥气体从干空气出口(5-4)排出，进入第一三通阀(6)，并被分为两股气流，上述两股气流中的小比例的气流作为吹扫气从吹扫气入口(5-5)进入，吹扫带走由膜管内侧渗透至膜管外侧的水蒸气，并从吹扫气出口(5-6)排出，上述两股气流中的大比例的气流被第二三通阀(7)依据设置好的比例再次进行分流，分流后的主流气体经过大膨胀涡轮(8)膨胀降温后通入座舱进行制冷，小比例的气流进入膜空气分离器(9)进行氧氮分离，第五三通阀(14)用于将来自吹扫气出口(5-6)的气流与来自飞机外的大气的冲压空气进行混合，混合后的气体作为次级换热器和初级换热器的冷边气流，膜空气分离器(9)采用中空纤维膜管密集列管式结构，并包括：壳体(9-1)，装入在壳体(9-1)内的氧氮分离用中空纤维膜管束(9-2)，膜分离器入口(9-3)，富氮气体出口(9-4)，富氧气体出口(9-5)，其中，来自第二三通阀(7)的小比例的气流从膜分离器入口(9-3)进入，在中空纤维膜管束(9-2)内流动，经过氧氮分离后的富氮气体从富氮气体出口(9-4)排出，通过限流阀(12)后通入油箱进行惰化，经过氧氮分离后富氧气体从富氧气体出口(9-5)排出，通过第三三通阀(10)后按所需比例分流，分流后的一路送到第四三通阀(11)，分流后的另一路送到第六三通阀(16)，第四三通阀(11)用于将富氧气体和座舱供气混合，经过大膨胀涡轮(8)膨胀降温后的气体作为座舱供气，在第四三通阀(11)中与第三三通阀(10)分流后的一部分富氧气体进行混合，一起通入座舱。第六三通阀(16)用于将初级换热器的热边气流和来自第三三通阀(10)的富氧气体进行混合，混合后的气流被排入大气。2.根据权利要求1所述的基于膜分离法的飞机环境控制和油箱惰化耦合系统，其特征在于：膜除湿换热器(5)用于对高压湿空气进行除湿，高压湿空气通入膜除湿换热器(5)的中空纤维膜管束(5-2)的管内，在壳体(5-1)内通入经除湿后得到的少量低压的干燥空气作为吹扫气，在管侧与壳侧气流水蒸气分压力差的驱动下，水蒸气进入壳侧，达到管侧气体除湿的目的。膜除湿换热器(5)作为除湿和换热一体的全热换热器，对高压湿空气进行除湿和降温，其中高温高压高湿的气体进入膜除湿换热器(5)的中空纤维膜管束(5-2)，而壳体(5-1)内通入的干燥空气温度也较低，从而使管侧和壳侧的气流之间存在温度差而产生换热，膜除湿换热器(5)管侧出口的气体温度会比管侧入口气体温度低。3.根据权利要求1所述的基于膜分离法的飞机环境控制和油箱惰化耦合系统，其特征在于：在膜空气分离器(9)中，压力相对较高的空气从膜分离器入口(9-3)进入，在中空纤维膜管束(9-2)内流动，依据氧气和氮气透过膜管的速率不同，在膜内外侧压差下，大量氧气和少量氮气透过膜管进入膜空气分离器(9)的壳侧成为富氧气体，膜管内侧空气氧含量减少变为富氮气体，富氮气体由膜空气分离器(9)的富氮气体出口(9-4)排出，通过限流阀(12)后通入油箱进行惰化，富氧气体从富氧气体出口(9-5)排出，通过第三三通阀(10)后按所需比例通入座舱或排放至机外环境。4.根据权利要求1所述的基于膜分离法的飞机环境控制和油箱惰化耦合系统，其特征在于：膜除湿换热器(5)和膜空气分离器(9)采用有机和/或无机膜材料，膜除湿换热器(5)和膜空气分离器(9)采用中空纤维膜密集列管式结构形式。膜材料对气体的温度、压力、颗粒度和含油量均有要求，且膜空气分离器(9)对空气的含湿量也有要求，采用过滤器(4)用于对空气进行过滤，使空气颗粒度和含油量满足膜除湿换热器(5)和膜空气分离器(9)的要求，经过膜除湿换热器(5)除湿降温后的干燥高压气体的温度、压力、含湿量、颗粒度和含油量均符合膜空气分离器(9)对入口气流的要求，从而实现飞机环境控制系统和油箱惰化系统的耦合，膜除湿换热器(5)的出口和膜空气换热器(9)的入口之间除了需要第一三通阀(6)和第二三通阀(7)进行流量调节外，不需要额外的调温调压等调节装置。5.根据权利要求1所述的基于膜分离法的飞机环境控制和油箱惰化耦合系统，其特征在于进一步包括：小膨胀涡轮(13)，用于对来自第一三通阀(6)的作为吹扫气的气流降压，由于膜除湿换热器(5)中的除湿过程依靠管侧和壳侧气流的水蒸气分压差驱动，因此通过减小吹扫气的总压，减小了壳侧气流水蒸气分压力的值，有助于扩大膜两侧水蒸气分压力差，从而提高除湿效率，经过小膨胀涡轮(13)膨胀降压后的吹扫气通过吹扫气入口(5-5)进入膜除湿换热器(5)的壳侧，其中，吹扫气在由小膨胀涡轮(13)进行膨胀降压时，吹扫气的温度也随之降低，从而使膜除湿换热器(5)壳侧的气流温度降低，扩大了管侧壳侧气流的温度差，加强了换热效果。6.根据权利要求1所述的基于膜分离法的飞机环境控制和油箱惰化耦合系统，其特征在于进一步包括：风扇(15)，用于对(次级换热器和)初级换热器的冷边气流进行抽吸，...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁卫星，郑妍，尉斌，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11