[发明专利]一种中空纤维膜式机载制氮与制氧耦合系统

说明书

本发明属空气分离技术领域，涉及一种中空纤维膜式机载制氮与制氧耦合系统。它主要由空气预处理系统、中空纤维膜空气分离制氮系统、中空纤维膜空气分离制氧系统以及引射器组成。该系统通过引气预处理系统的共用，减少了飞机部件数量和重量，减少了从发动机或者环控系统的引气量，降低了代偿损失，符合飞机机电系统向综合化方向发展的需求。

技术领域

本发明属于空气分离技术领域，涉及一种基于中空纤维膜式机载制氮与制氧耦合系统。

背景技术

飞机燃油箱的气相空间内聚集了大量的易燃易爆的燃油蒸汽，当受到炮火攻击、雷电闪击、静电放电或电路短路等情况时，这些燃油蒸汽极易被点燃造成燃油箱燃爆，引起灾难性后果。

机载制氮惰化技术能实现飞行过程中始终保持低于支持燃油燃烧的极限值。按照空气分离方法的不同，主要有分子筛式机载制氮惰化系统和中空纤维膜式机载制氮惰化系统(On-board Inert Gas Generator System,OBIGGS)，其中，中空纤维膜制取富氮气体技术是最经济、实用的机载制氮惰化技术。中空纤维渗透分离膜的工作原理是：当增压空气经过渗透膜时，由于氧气和氮气在膜中的溶解度和扩散系数不同，氧气和氮气在膜中渗透率就有差异，在渗透膜两侧压力差作用下，渗透率较快的氧气优先透过渗透，在膜外富集；而渗透率较低的氮气则在膜内富集，从而实现从空气中将氧气和氮气的分离。中空纤维渗透分离膜产生的富氧气体排出机外，富氮气体输送到油箱内以实现惰化目的。随着制膜技术的飞速发展，分离膜的分离效率也将越来越高。这种空气分离技术用于制取富氮气体时，浓度可达99％以上，但是制氮效率较低。用于制取富氧气体时，浓度可达50％，尚无法满足高空和高机动过程中飞行人员的供氧需要。

分子筛制氧技术是目前制取高纯度氧的主流方法，该方法制取的高纯度氧气能够满足高机动战斗飞机驾驶员在超高空、超低压、超高速、高过载和高低温等多种恶劣环境因素的供氧需求。然而，与中空纤维分离膜方法相比，环境温度和介质温度对分子筛性能影响较大，引气量大，工作可靠性较低等缺陷。

1986年，美国立顿(LITTON)仪器公司的生命保障分公司(ILSD)就承接了V-22机载制氧-制氮综合系统的研制任务。其中，制氧系统将为四名机组人员提供呼吸所需的氧气，而制氮系统则用以产生负担气体来惰化V-22飞机的13个油箱。然而，立顿公司设计的综合系统还存在一些问题，该系统均采用分子筛变压吸附空气分离方法，与当前的中空纤维分离膜方法比价，环境温度和介质温度对分子筛性能影响较大，引气量大，工作可靠性较低等缺陷。目前，该综合系统技术仅在V-22鱼鹰直升机上使用，并没有被其他机型所沿用。

发明内容

本发明的目的：为了解决现有机载制氮和制氧系统独立设计、互不交联导致的引气量大，制取氧气和氮气效率不高，以及体积重量偏大等问题，本发明提供一种基于中空纤维膜空气分离方式的机载制氮与制氧耦合系统，制氮和制氧用的空气分离系统共用引气预处理系统，减少了部件数量和总重量，而且通过废气回收提高制取氮气和氧气的效率。

本发明的技术解决方案：

本发明提供一种中空纤维膜式机载制氮与制氧耦合系统，包括：一套引气预处理系统，两套引射器、两套中空纤维膜式空气分离系统；

其中，引气预处理系统引入空气，并对空气进行预处理，将预处理后的空气分别送入两套中空纤维膜式空气分离系统，第一套中空纤维膜式空气分离系统从预处理后的空气中分离出富氧气体和废氮，第二套中空纤维膜式空气分离系统从预处理后的空气中分离出富氮气体和废氧；废氮通过第一引射器重新送入第二套中空纤维膜式空气分离系统；废氧通过第二引射器重新送入第一套中空纤维膜式空气分离系统。

第一套中空纤维膜式空气分离系统为中空纤维膜制氮系统；第二套中空纤维膜式空气分离系统为中空纤维膜制氧系统。

中空纤维膜式空气分离系统采用中空纤维膜式空气分离技术，制取的富氮气体用于燃油箱充填惰化，富氧气体用于飞行人员供氧。