多电飞行器的机载冷热电联产系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于多电飞行器上的混合辅助动力发电装置与氨水吸收式制冷装置相联立的机载冷热电联产系统，它包括：混合辅助动力发电装置和氨水吸收式制冷装置；混合辅助动力发电装置主要包括微型燃气轮机、高温氧化物燃料电池、压缩机等；高温氧化物燃料电池用于产生电能，微型燃气轮机利用高温氧化物燃料电池产生的余热废气不但能为压缩机提供动力，而且还可以产生电能。氨水吸收式制冷装置主要包括发生器、冷凝发生器、冷凝器、蒸发器等；氨水吸收式制冷装置利用微型燃气轮机排出的余热进行制冷，达到冷却航空电子设备的目的；此制冷装置充分利用的余热废气经一系列处理后，又可以冷却部分电子设备。本发明专利技术既节电，又节能。

【技术实现步骤摘要】

本装置涉及一种用于多电飞行器的制冷、电力的混合辅助动力发电装置与吸收式 制冷装置联立的机载冷热电联产系统。
技术介绍
多电飞行器是现代飞行器技术发展的重要趋势之一，多电飞行器用统一的电作装置取代了传统的液压、气动及机械作动装置，使其二次能源系统的结构与布局教传统飞行 器都大为简化，不但起到了提高飞行器的操控灵活性、可靠性的作用，而且在很大程度减少 了飞行器二次能源系统的重量和飞行代偿损失，在大型民航飞机及军用飞机上都有日益广 泛的应用，如空客生产的A380、波音生产的777等大型民航客机都已采用多电飞行器方案， 某些第四代作战飞机采用的也是典型的多电飞行器方案。在多电飞行器技术在航空领域应用不断增多的形式下，其能源与环境控制系统却 仍存在不少值得进一步研究的关键问题，集中表现为飞行器上并存大量的冷、电、热负荷需 求，但却采用典型的冷热电分产、分供方案，从而出现一方面飞行器发电装置有大量余热没 有得到充分利用，造成飞行器热管理系统的负担大幅增加，另一方面飞行器环境控制系统 使用电动空调完成制冷、供热任务，不但热经济性不高，而且进一步加大了多电飞行器上 的用电负荷。据文献报道，由于用统一的电作动装置取代了传统的液压、气动及机械作动 装置，使得多电飞行器的用电需求和用电负荷远超出传统飞行器，目前一架多电战斗机的 用电负荷也高达125Kw，而一架305座的多电民航客机的用电负荷已高达405Kw，由于用 电需求大增，为了避免联立式发电装置对飞机推进系统性能指标造成过大的负面影响，多 数多电飞行器已因此采用独立于飞机推进系统的发电装置，例如，为波音777客机研发的 APU(辅助动力装置)发电装置的发电功率已高达440Kw，可资利用的高品质发电余热已高 达300Kw以上。如不对这样的余热加以合理利用，会对飞行器的热管理系统带来巨大的负 担；由于多数用电装置消耗掉的电负荷会在相当大程度上最终转化为热量，用电负荷大幅 度增加还会相应大幅提高飞行器环境控制系统的冷量需求，由于目前多电飞行器的环控系 统一般采用电动空调技术，无疑会进一步增加飞行器的用电需求，加上目前飞行器的电动 空调一般采用的是空气压缩式制冷循环，这就进一步降低了多电飞行器能源与环境控制系 统的热经济性。航空煤油的主要成分为烷烃和烯烃的组合物，其分子式可以表示为CmHn(m为 10-18，η为22-38)。高温氧化物燃料电池(SOFC)与微型燃气轮机(MGT)组成的混合APU发 电装置是以燃料(航空煤油)为能源的联合发电装置，它的结构主要包括七个部分1.微 型燃气轮机；2.压缩机(空气压缩机与燃料压缩机)；3.燃烧器；4.重整器；5.发电机； 6.高温氧化物燃料电池；7.热交换器；其工作原理为首先，航空煤油进入燃料压缩机后被 压缩至300-400kPa，然后经过热交换器与透平机的废气进行第一次热交换，接着被输送至第二级的热交换器，与燃烧室里排出的较高温度的二级废热进行第二次热交换，经过二次加热后，被压缩后的航空煤油进入重整器内进行重整反应。在重整器内，有一部分航空煤油 发生重整，其反应式为(1)，此外水蒸气还进行转换反应，反应式为(2)。总的反应式可以表 示为(3)。重整后的产物被输送至SOFC的阳极。在SOFC内，未被重整的航空煤油在此进一 步得到重整，最后得到可以用来利用的CO和H2。CmHn+mH20 — mCO+ (m+0. 5n) H2(1)C0+H20 — C02+H2(2)CmHn+2mH20 — mC02+ (2m+0. 5n) H2(3)外部空气经压缩机增压到约300_400kPa引入，也在热交换器内进行类似的二次 热交换，然后被供至SOFC的阴极。至此，燃料电池的阳极与阴极均有足够的物质进行反应，从而产生电能。其中SOFC 阳极上的反应式为(4)、(5)，阴极部分的反应式为(6)。H2+02_ ^ H20+2e"(4)C0+02-— C02+2e-(5)2 2 (6)为了充分利用燃料，分别用一个功率大小为IOKw左右的环流风机将阳极未充分 反应的航空煤油、CO和H2,以及阴极排放物再输送至相对应的SOFC的阳极与阴极，再次进 行反应。同时，可以将充分利用后的阳极排放物与阴极排放物在燃烧室内燃烧，燃烧式为 (7)、(8)、(9)、(10)，燃烧后可以将温度提升到1000°C以上，可以先加热重整器，以便重整 器内的重整反应能进行充分，废热通过热交换器进一步被利用，被利用后的废热(700°C左 右)足以满足燃气轮机的需要。热和压差驱动燃气轮机无需要额外的燃料就发出更多的电 能，其废热在预热压缩机出口的空气后还可用于加热进入重整器的燃料。燃烧器中的燃烧 反应CmHn+0. 5m02 — mCO+O. 5nH2(7)CmHn+0. 5mH20+0 . 2 502 — mCO+ (0. 5m+0. 5n) H2(8)2H2+02 — 3H20(9)C0+0.502 —CO2(10)透平机排出的废气经两次热交换后，温度降低至270 V左右。此部分废热被排入大 气中，造成能源的浪费。氨水吸收式制冷装置主要包括发生器、冷凝发生器、冷凝器、蒸发器、吸收器、溶液 泵、热交换器、两个节流阀(包括一个膨胀阀和一个减压阀)以及储氨器。它的工作原理如 下质量分数为W1的fkg浓氨水溶液进入发生器，在发生器内通过热交换器被微型燃气轮 机排出的废热加热；吸收热量后产生Rkg质量分数为W3的氨气，压力为ph，其中含有较多的 水分。这些较浓的氨气进入冷凝发生器中，重新发生形成Ikg质量分数为W5的浓氨气，压力 变为Pa，剩余的(R-I) kg比较浓的氨水溶液直接进入储氨器中。从冷凝发生器出来的几乎是 纯氨的蒸汽进入冷凝器，在等压、等质量分数条件下冷凝成液体。液氨经过膨胀阀，压力下 降到蒸发压力P1后进入蒸发器。在蒸发器内，液氨吸收物体的热量而气化，进入吸收器内。另一方面，从发生器底部排出的质量分数为Wa的(f-R)kg稀溶液，在溶液热交换器内温度 下降，经过减压阀压力下降到P1 ；进入吸收器，吸收由蒸发器产生的Ikg氨气，形成(f-R+1) kg质量分数为W9的浓溶液，吸收过程产生的热量被冷却水带走。吸收器内的浓溶液经溶液 屏蔽泵后压力提高；再经溶液热交换器加热，温度升高，进入储氨器S中，与从冷凝发生器 出来的(R-I) kg浓溶液混合，形成质量分数为W1的fkg浓溶液，最后进入发生器，循环重复 进行。 在此氨水吸收式制冷装置中，用冷凝发生器来代替了传统的精馏塔，这主要是因 为精馏塔的安装工艺要求比较高，整个塔体与竖直面间的夹角要求在3° -5°，因而不能 用在飞行器的制冷系统循环中。冷凝发生器采用的是升膜理论，根据升膜理论，具有特殊表 面刻槽的水平横管外壁下缘与液体水平表面相切或微微浸入液体，只要液体在管壁达到适 当的蒸发温度，液体在湿润力作用下，沿管外壁向上运动形成覆盖全管壁的升膜并且蒸发。 由于沿管壁周向存在温度梯度；在管壁周向各处的润湿作用不同，从而随着蒸发持续形成 稳定的升膜。具体的循环过程为从发生器产生的R kg质量分数为W3的氨气进入螺旋管， 这些氨气的焓值比较大，并且其中含有较多的水分。螺旋管为一盲管，氨气只能从管壁下面 的小孔排出。这些本文档来自技高网...

【技术保护点】
多电飞行器的机载冷热电联产系统，其特征在于包括：高温氧化物燃料电池（１０１），用于产生电能；微型燃气轮机（１０２），用于利用所述高温氧化物燃料电池（１０１）的余热废气提供动力；氨水吸收式制冷装置（１０３），用于利用所述微型燃气轮机（１０２）的余热进行制冷，其中所述氨水吸收式制冷装置（１０３）包括：一个储氨器（３０３），一个发生器（３０２），其接收来自所述储氨器（３０３）的氨水溶液，一个第一热交换器（３０１），用于使所述发生器（３０２）与所述高温氧化物燃料电池（１０１）的所述余热废气进行热交换，从而对所述发生器（３０２）中的氨水溶液进行加热，一个冷凝发生器（３０５），用于接收来自所述发生器（３０２）的所述氨水溶液，设置在所述第一热交换器（３０１）下游的一个第二热交换器（３０４），用于使所述冷凝发生器（３０５）与所述余热废气进行热交换，以加热冷凝发生器（３０５），从而产生氨气，一个冷凝器（３０８），用于接收来自所述冷凝发生器（３０５）的所述氨气，并产生液氨，一个膨胀阀（３１３），用于使来自所述冷凝器（３０８）的所述液氨变成压强为蒸发压强的液氨，一个蒸发器（３１４），用于通过所述膨胀阀（３１３）从所述冷凝器（３０８）得到压强为蒸发压强的液氨，并通过一个水冷环吸收所述飞行器上的航空电子设备（３１２）的发出的热量，达到制冷的目的，一个水／气体热交换器（３０７），用于通过一个水热环闭合回路与所述冷凝器（３０８）进行热交换，从而使所述冷凝器（３０８）对来自所述第二热交换器（３０４）的所述余热废气降温，且所述多电飞行器的机载冷热电联产系统进一步包括：一个压缩机（３０６），用于对从所述第二热交换器（３０４）流向所述水／气体热交换器（３０７）的所述余热废气加压，并作为一动力装置，用于余热废气的引入，一个冷却涡轮（３１０），用于冷却流经所述水／气体热交换器（３０７）的所述余热废气，从而可以用来冷却所述飞行器的航空电子设备（３１２）。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李运泽，杨群，周湘杰，王玉莹，刘东晓，董文胜，
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]