应用膜组件的高压除湿式飞机新型环境控制系统技术方案

本发明专利技术提出一种采用高压空气膜除湿组件的飞机新型环境控制系统，通过膜组件对两轮升压式高压除水系统压气机出口的高压空气进行除湿，并将膜组件作为除湿／换热的全热换热器使用，与传统升压式高压除水飞机环境控制系统相比，本发明专利技术系统结构简单，不仅省去了原系统中的冷凝器和高压水分离器，大幅度降低了系统的重量；同时，膜组件的除湿过程靠水蒸汽的分压强差驱动、出口气体露点温度低，不仅避免了传统冷凝除水系统冷凝器内水蒸汽冷凝而引起的涡轮出口气流的冷量损失，而且没有对液态水和空气进行分离的过程；因此涡轮入口压强可以较高、可充分发挥涡轮高膨胀比、大温差降温的优势，本发明专利技术系统是一种结构简单、重量轻、节能高效的飞机新型环控系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提出一种采用高压空气膜除湿组件的飞机新型环境控制系统，通过膜组件 对两轮升压式高压除水系统压气机出口的高压空气进行除湿，并将膜组件作为除湿/换热 的全热换热器使用。
技术介绍
随着各类飞机性能的提高，各种机载电子设备数量、功率、总发热量也迅速增加， 由于电子设备所产生的热量一旦超出现有系统的制冷能力，其可靠性将大为降低。因此，研 制高性能飞机环控系统是提高飞机综合性能的重要途径。这就对飞机环境控制系统提出了 更高的要求既要求系统能充分满足制冷功率需求，又要求系统性能系数高、重量轻、结构 紧凑。飞行器制冷系统直接与飞机的性能有关。因此，飞行器环境控制系统(ECS)的发 展是与制冷系统的发展密切相关的。ECS中的制冷系统主要有两大类型蒸发循环制冷系 统和空气循环制冷系统。由于飞机上空气循环制冷的综合优势，目前大部分的飞机都采用 了空气循环制冷系统。但当空气循环制冷系统在地面或低空应用时(如直升机、旅客机 等)，外界环境的高湿条件会对飞机座舱和设备舱产生极大的影响使得电子设备发生故 障、降低环境控制系统的制冷量等。所以说系统除湿性能的高低，很大程度上决定了系统整 体性能的优劣。为了提高飞机环境控制系统的制冷能力、减少对发动机的引气、并得到无液 态水滴的干燥的电子设备冷却用冷空气，目前世界上多种先进飞机采用了高压除水式环境 控制系统。该系统与低压除水系统相比，增加了高压冷凝器和高压水分离器，通过这两个部 件达到对高压空气除湿的目的，在高压端除去水分，除水效率高，涡轮上游的高压空气含湿 量大大降低，涡轮出口气流温度因而可以大幅度降低，从而提高了系统的制冷能力、降低了 对飞机发动机的引气损失。但该系统部件多、结构复杂、重量增加多，且需要专门研制高性 能、结构复杂的冷凝器和水分离器，系统成本大幅增加、维护性下降。膜高压空气除湿技术避免了传统的湿空气冷凝除湿装置中水蒸汽的凝结过程，仅 靠水蒸汽的分压强差驱动、无冷凝相变过程，也就避免了水蒸汽凝结散热必然引起的冷量 损失，以及水蒸汽冷凝后必须进行的液态水与空气分离的复杂过程，具有高效、节能、免维 护、寿命长等优点，非常适合高压空气的除湿和节能，对提高高压除水式飞机环境控制系统 的性能、降低系统重量、简化系统构成具有很好的应用价值。另一方面，虽然一般的高压空气膜除湿技术已成熟并已工业化生产，但目前应用 膜除湿技术面临着一些问题，主要包括如何提高膜材料对水蒸汽的透过速率以降低膜面积 等问题。实用有效的膜除湿换热器的设计是膜除湿应用的技术关键。
技术实现思路
考虑到现有技术的上述情况，并针对高压除水式空气循环系统需在高压侧除湿的 特性，本专利技术人深入研究了飞机环境控制系统中高压空气的新型高性能除湿技术，提出了新颖的“高压空气膜除湿”飞机环境控制系统，不仅提高了该类系统的整体性能，同时也有 助于提高飞机环境控制系统的综合能源利用效率。针对传统升压式高压除水飞机环境控制系统的特点和不足，根据本专利技术的一个实 施例，按照节能高效的原则，采用了一种除湿膜材料型膜组件(如中空纤维型膜组件)，代 替两轮升压式高压除水系统中的冷凝器和水分离器，在系统高压侧对空气进行除湿，设备 简单，操作方便，且脱湿后，空气露点可达-20°C以下，以求提高整个制冷系统的性能系数、 减轻系统重量的要求。与传统升压式高压除水飞机环境控制系统相比，本专利技术系统结构简单，不仅省去 了原系统中的冷凝器和高压水分离器，大幅度降低了系统的重量；同时，膜组件的除湿过 程靠水蒸汽的分压强差驱动、出口气体露点温度低，不仅避免了传统冷凝除水系统冷凝器 内水蒸汽冷凝而引起的涡轮出口气流的冷量损失，而且没有对液态水和空气进行分离的过 程；因此涡轮入口压强可以较高、可充分发挥涡轮高膨胀比、大温差降温的优势，本专利技术系 统是一种结构简单、重量轻、节能高效的飞机新型环控系统。根据本专利技术的一个方面，提供了一种飞机环境控制系统，其特征在于包括引气热交换/升压部分，用于对来自飞机发动机的引气进行降温和升压；一个膜除湿换热器，用于对所述引气热交换/升压部分所输出的气体进行脱湿换 热；其中，所述膜除湿换热器所输出的气体的一部分被分流作为所述膜除湿换热器的吹扫 气流；一个供气膨胀涡轮，用于对所述膜除湿换热器所输出的气体进行膨胀降温；一个气体混和/抽送部分，用于把经过所述膜除湿换热器之后的吹扫气流与冲压 空气混和，并把所述吹扫气流与冲压空气混和后形成的混和气流抽送至所述引气热交换/ 升压部分以作为所述引气热交换/升压部分的冷边气流。附图说明图1显示了根据本专利技术的一个实施例的两轮升压式膜高压除湿系统。图2显示了根据本专利技术的另一个实施例的两轮升压式膜高压除湿系统。图3显示了根据本专利技术的又一个实施例的两轮升压式膜高压除湿系统。图4显示了可用作本专利技术的实施例中的膜除湿换热器的一种中空纤维型膜组件。具体实施例方式如图1所示的本专利技术的两轮升压式膜高压除湿系统的实施例包括初级热交换器 1、次级热交换器2、压气机3、膜除湿换热器4、小型涡轮5、风扇6以及大涡轮7。该系统的运作方式是发动机引气经初级换热器1降温后进入压气机3，在压气机 3内被压缩后，温度和压强均得到相应的提高，之后这部分高温高压的空气在次级换热器2 得到冷却，并进入膜除湿换热器4进行脱湿换热，最后通过涡轮7膨胀降温供给座舱或设备 舱。膜除湿换热器4的吹扫气流为膜除湿换热器4出口已脱湿空气的一部分，吹扫气流可 以将膜除湿换热器渗透侧的水蒸气及时带走，并经小涡轮5降温降压后，与冲压空气混合， 经由风扇6抽吸，做为初级热交换器1和次级热交换器2的冷边气流，使来自高压引气的吹 扫气流部分所含可用功得到有效的回收利用。其中，压气机3由涡轮7轴功传动，风扇6由小涡轮5轴功传动，从而相应地节省能量°该系统的有益特点包括-利用发动机引气，并且经涡轮驱动的压气机3进一步增压，可以充分保证膜除湿 器4高压侧所需较高压强；-压气机3出口气流在流经膜除湿换热器4前先经过较为充分的冷却，这样可以避 免膜除湿换热器热边工作温度过高而带来的膜制作和性能方面的问题；-采用膜组件4对次级热交换器2出口高压空气进行除湿，可以将空气的露点温度 降到较低的水平；-取膜组件4出口处已经除湿的空气做为其渗透侧的吹扫风，在膜除湿换热器4内 与湿空气进行充分的湿传递之后，将这部分空气送入小型涡轮5与冲压空气混合后经风扇 6抽吸依次输入次级换热器2和初级热交换器1，使这部分来自高压引气的吹扫气流部分所 含可用功得到有效的回收利用；-小型涡轮5的膨胀功用来传动风扇6，用其抽吸热交换器1和2的冷边空气，这 样不仅节省能量，而且可以有效改善热交换器的性能；-与传统升压式高压除水系统相比，该系统结构简单，而且涡轮7入口压强可以较 高、可充分发挥大涡轮高膨胀比、大温差降温的优势；-系统采用低温送风，降低了系统的送风量，也意味降低了从飞机发动机的引起 量，提高了系统的总体性能。图2所示实施例的两轮升压式膜高压除湿系统与图1相比，是将图1中的小型涡 轮5以及风扇6用图2中的引射器21替代，膜除湿换热器4出口的吹扫气流经引射器(21) 将所述冲压空气引射后送至所述引气热交换/升压部分(1，2，3)，作为所述引气热交换/升 压部分(1，2，3)的冷边气流，与高本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞机环境控制系统，其特征在于包括：引气热交换／升压部分（１，２，３），用于对来自飞机发动机的引气进行降温和升压；一个膜除湿换热器（４），用于对所述引气热交换／升压部分（１，２，３）所输出的气体进行脱湿换热；其中，所述膜除湿换热器（４）所输出的气体的一部分被分流作为所述膜除湿换热器（４）的吹扫气流；一个供气膨胀涡轮（７），用于对所述膜除湿换热器（４）所输出的气体进行膨胀降温；一个气体混和／抽送部分（６，２１），用于把经过所述膜除湿换热器（４）之后的吹扫气流与冲压空气混和，并把所述吹扫气流与冲压空气混和后形成的混和气流抽送至所述引气热交换／升压部分（１，２，３）以作为所述引气热交换／升压部分（１，２，３）的冷边气流。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：袁卫星，袁修干，王晨洁，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]