機載膜空氣分離裝置分離特性

機載膜空氣分離裝置分離特性劉小芳瀏衛(wèi)華;錢國誠;趙宏韜【摘要】機栽膜空氣分離裝置的用途就是提供飛機油箱惰性化技術(shù)所需要的富氮氣體.本文通過在地面建立惰化系統(tǒng)模擬試驗臺,對國內(nèi)某廠生產(chǎn)的膜機載空氣分離裝置展開了較為系統(tǒng)的理論分析及試驗研究.研究結(jié)果表明:(1)輸入空氣壓力、輸出產(chǎn)品氣流量和海拔高度(環(huán)境背壓)均對膜裝置的分離性能有著重要的影響，尤其在低海拔高度下，當輸入空氣壓力較低、而輸出產(chǎn)品氣流量要求較大時,該影響更為顯著;(2)無論在什么海拔高度條件下，環(huán)境溫度對膜裝置分離性能均有一定影響;(3)輸入空氣溫度對膜裝置分離性能的影響較小.文章指出:在實際情化系統(tǒng)設(shè)計中，需綜合考慮輸入空氣壓力、輸出產(chǎn)品氣流量、海拔高度和溫度等因素，采取恰當?shù)牧髁亢蜐舛茸兓?guī)律，才能滿足飛機油箱在整個飛行時段內(nèi)的惰化技術(shù)要求.【期刊名稱】《南京航空航天大學學報》【年(卷)，期】2010(042)002【總頁數(shù)】6頁(P250-255)【關(guān)鍵詞】機簌膜空氣分離裝置;飛機油箱惰性化;富氮氣體;分離特性【作者】劉U小芳瀏衛(wèi)華;錢國誠;趙宏韜【作者單位】南京航空航天大學航空宇航學院，南京,210016;安徽工業(yè)大學冶金與資源學院，馬鞍山,243002浦京航空航天大學航空宇航學院，南京,210016;江淮航空供氧制冷設(shè)備有限公司，合肥,230035;江淮航空供氧制冷設(shè)備有限公司，合肥,230035【正文語種】中文【中圖分類】X738飛機油箱的防火防爆能力，直接關(guān)系到飛機的生存力和易損性,也關(guān)系到飛機的利用率、成本以及人員安全。因此，提高飛機油箱的防火防爆能力，使飛機油箱始終處于安全狀態(tài)之中是非常必要的［1-3］。在國外，人們已就如何提高飛機油箱的防火防爆能力展開了較為廣泛而深入的研究，提出了許多有效的技術(shù)措施，并將這些技術(shù)措施分別應(yīng)用于不同飛機機型上。如:A-10,F-15,C-130,F-4等飛機上應(yīng)用的抑爆泡沫技術(shù)措施［4］,C-5A/B,C-17,V-22等飛機上應(yīng)用的瓶裝氮氣惰化技術(shù)措施［5］,A6E,F-117,F-16等飛機上應(yīng)用的Halon1301惰化技術(shù)措施［6］等。然而，這些技術(shù)措施的應(yīng)用，在提高飛機油箱防火防爆能力的同時，也帶來了一系列的相關(guān)問題。如抑爆泡沫技術(shù)就存在著泡沫的老化、分解以及堵塞油濾、靜電富集、維修更換困難等問題;瓶裝氮氣惰化技術(shù)大大增加了后勤保障的難度;而Halon氣體則價格昂貴，且對大氣臭氧層有破壞作用而被禁用等問題。為了解決這些問題,自20世紀60年代起，美國就開始著手研究機載惰化氣體系統(tǒng)(On-boardinertgasgenerationsystem,OBIGGS)的油箱惰化技術(shù)［7］。國外最新研究結(jié)果表明:該技術(shù)無論是在重量、體積，還是在全壽命周期費用等方面,與上述技術(shù)相比均具有明顯的優(yōu)勢［8］。2003年7月，美國波音公司宣布，該技術(shù)已成熟，可以應(yīng)用于其各式型號的飛機上［9］。就國內(nèi)情況來看，對該技術(shù)的研究及應(yīng)用基本仍處于空白階段。隨著對油箱防火防爆性能要求的提高，已明確提出，要大力發(fā)展針對國內(nèi)不同機型的油箱惰化研究及應(yīng)用技術(shù)，并且在最新研制的大型商用旅客機及其他類型飛機上將率先應(yīng)用該技術(shù)。因此，加強OBIGGS技術(shù)研究工作迫在眉睫。本文針對OBIGGS油箱惰化技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備——機載膜空氣分離裝置，開展了初步的理論分析及試驗研究，探索了膜空氣分離裝置在不同控制調(diào)節(jié)方法下的氣流特性和分離性能,其研究成果可直接為OBIGGS技術(shù)的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。1試驗系統(tǒng)1.1膜空氣分離裝置試驗樣件試驗所采用的膜空氣分離裝置試驗樣件是在原NM-5010P型膜的基礎(chǔ)上由國內(nèi)某廠依據(jù)某機型的使用要求，采用PPO材料改進而成的。改進后的膜分離裝置具有通徑大、長度短、重量輕、無活動部件、反應(yīng)快等特點。其工作原理如圖1所示，即原料空氣輸入到膜管的外側(cè)，通過膜管內(nèi)外兩側(cè)壓力差的作用，氧氣等滲透速率較快的氣體優(yōu)先透過膜管進入管內(nèi)，收集后通入大氣,而氮氣等滲透速率較慢的氣體則在管外富集，形成富氮產(chǎn)品氣被收集輸出，用于惰化飛機油箱。裝置的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。圖1膜空氣分離裝置工作原理圖表1膜空氣分離裝置的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)參數(shù)絲外徑/mm絲內(nèi)徑/mm絲長/m絲數(shù)/根殼體尺寸mm參數(shù)值0.550.450.972400400x1000/1.2試驗系統(tǒng)及方法試驗系統(tǒng)布置如圖2所示。試驗件被安裝在高度艙中的環(huán)境艙內(nèi)，環(huán)境艙/高度艙的組合即可模擬膜分離裝置工作的環(huán)境溫度和環(huán)境高度。輸入膜分離裝置的壓縮空氣系統(tǒng)是由壓縮機儲氣罐、調(diào)壓閥、孔板流量計、第一級冷卻器、水分離器、過濾器、第二級冷卻器及加熱器等部件組成,調(diào)節(jié)閥F1和F2可控制供氣流量，孔板流量計可測出供氣流量。壓縮空氣經(jīng)第一級冷卻后,由水分離器分離出水，再經(jīng)過主路過濾器、油霧過濾器和微霧過濾器三級過濾后進入膜分離裝置試驗件。調(diào)節(jié)閥F3,F4用于調(diào)節(jié)輸入空氣溫度，其中，當需要加熱時可打開F3,當需要冷卻時可打開F4;調(diào)節(jié)閥F5與真空泵配合，可有效調(diào)節(jié)艙內(nèi)高度;調(diào)節(jié)閥F6,F7,F8則用于調(diào)節(jié)環(huán)境溫度。其中:加熱時可打開F6,冷卻時可打開F7和F8,氣體經(jīng)兩級冷卻后供給環(huán)境艙。膜裝置輸出產(chǎn)品氣流量控制是經(jīng)減壓閥穩(wěn)壓后，通過流量調(diào)節(jié)閥F9實現(xiàn)的。其輸出流量由轉(zhuǎn)子流量計測出。同時，打開調(diào)節(jié)閥F10,使少量輸出產(chǎn)品氣流過氧氣分析儀,以此測量產(chǎn)品氣的氧濃度。通過溫度傳感器和壓力傳感器與計算機配合工作，可對每次試驗的輸入空氣溫度、輸出產(chǎn)品氣溫度、環(huán)境艙溫度、輸入空氣壓力、輸出產(chǎn)品氣壓力及裝置中減壓閥出口壓力進行自動測量和記錄。在本試驗中，首先應(yīng)使預(yù)定的輸入輸出參數(shù)、工作環(huán)境條件穩(wěn)定并保持2~3min,然后再觀察輸出產(chǎn)品氣的氧濃度，待其讀數(shù)基本穩(wěn)定后,方可記錄實驗數(shù)據(jù)。圖2膜空氣分離裝置試驗原理圖2試驗結(jié)果及其分析膜裝置的分離性能主要采用輸出產(chǎn)品氣的氧濃度（純度）來表征，氧濃度越低，純度越高。本文分別研究了運行狀態(tài)參數(shù)、運行環(huán)境條件對膜裝置分離性能的影響。2.1輸入空氣壓力、輸出產(chǎn)品氣流量和海拔高度對膜裝置分離性能的影響輸入空氣壓力對膜裝置分離性能的影響見圖3。由圖可見，輸出產(chǎn)品氣的純度隨輸入壓力的增大而增大;特別是在低海拔條件下，該現(xiàn)象更加明顯。但當輸入壓力足夠大時,無論在什么海拔高度條件下，產(chǎn)品氣純度都將逐漸趨于一致。上述結(jié)果是可以理解的。因為氣體的滲透推動力是膜管內(nèi)夕卜兩側(cè)的壓力差，在海拔高度（環(huán)境背壓）一定時，輸入空氣壓力增大，滲透推動力增大,則更多的氧氣透過膜管進入管內(nèi)，所以管外的產(chǎn)品氣純度增加;試驗中，管內(nèi)始終與大氣連通，高海拔時，管內(nèi)壓力低，則管內(nèi)夕卜壓差增大，氧氣透過速率加快，所以管外產(chǎn)品氣純度增加得更快。當輸入壓力足夠大時，產(chǎn)品氣純度已很高，因此，這時再增加輸入壓力或提高海拔高度，對產(chǎn)品氣純度影響不明顯。圖3產(chǎn)品氣氧濃度隨輸入壓力的變化產(chǎn)品氣純度與輸出流量關(guān)系的試驗結(jié)果可見圖4。由圖可見:產(chǎn)品氣純度隨輸出流量的增大而降低，且隨著流量的增大，降低速率越來越快，在低輸入壓力時，該現(xiàn)象更加明顯。分析其原因，不難得出，產(chǎn)品氣流量的增加，是因為氧氣等氣體沒有有效地透過膜管進入管內(nèi)所致,自然就導致了管外的產(chǎn)品氣純度下降;在低輸入壓力時，氣體透過膜管的壓力差小，氧氣滲透速率變慢，更多的氧氣留在管外，所以上述現(xiàn)象更加明顯。輸出產(chǎn)品氣純度隨海拔高度的變化關(guān)系如圖5所示。從圖中可見，隨著海拔高度的增加產(chǎn)品氣純度增加，但海拔高度達15km后產(chǎn)品氣純度基本保持不變。究其原因亦如上述分析。2.2輸入空氣溫度、環(huán)境溫度對膜裝置分離性能的影響在0海拔高度條件下，輸入空氣壓力為0.6MPa、輸出產(chǎn)品氣流量為20L/min-1、環(huán)境溫度為30°C時，當輸入空氣溫度由+40~-101變化（輸入空氣溫度由+401緩慢降至-10C歷時15min）時,輸出產(chǎn)品氣純度基本不變;當環(huán)境溫度由+50C向-50C變化時（環(huán)境溫度由+50C緩慢降低到-50C歷時約2h）產(chǎn)品氣純度則明顯降低。由此可見:在0海拔高度時，輸入空氣溫度對膜裝置分離性能影響較小,而環(huán)境溫度則對膜裝置分離性能有顯著的影響。圖4產(chǎn)品氣氧濃度隨輸出流量的變化圖5產(chǎn)品氣氧濃度隨海拔高度的變化在海拔11km高度，輸入空氣壓力為0.25MPa、溫度為-20C、輸出產(chǎn)品氣流量為25L/min-1的條件下,當環(huán)境溫度由+10C逐漸降低到-50C（歷時20min）,并在-50C時暴露2h。測試結(jié)果表明:在開始降溫20min中,產(chǎn)品氣純度基本不變;但在暴露的前1h內(nèi)產(chǎn)品氣純度約下降1%,2h后，再下降約3%~4%。由此可見,隨著環(huán)境溫度的降低,膜分離裝置溫度也跟著降低，其分離性能有較大變化，但當裝置未〃冷透”前，其分離性能變化不大。在海拔5km的高度下，輸入空氣壓力為0.4MPa、溫度為7.1~7.6°C、輸出產(chǎn)品氣流量為15L/min-1時,當環(huán)境溫度由4.9C逐漸降到-50C（歷時30min）,并在-50C時再暴露30min。測試結(jié)果為:當環(huán)境溫度由4.9C向-50C變化時，輸出產(chǎn)品氣純度下降約1%,在-50C環(huán)境中暴露30min后產(chǎn)品氣純度又下降約2%。上述試驗結(jié)果表明:輸入空氣溫度在+40~-10C范圍內(nèi)變化時，對膜裝置分離性能影響不大;而環(huán)境溫度的變化,無論裝置在什么海拔高度條件下,其分離性能均受到一定的影響，且環(huán)境溫度越低,暴露時間越長，輸出流量越大,裝置輸出產(chǎn)品氣純度下降就越大。2.3不同海拔高度下,爬升率和下降率對膜裝置分離性能的影響本文試驗研究了輸入空氣溫度為30C,輸入空氣壓力分別為0.4MPa和0.6MPa,輸出產(chǎn)品氣流量分別為15,20和25L/min-1的條件下，在0~5km（分別用3和6min）爬升,0~11km（分別用6和12min）爬升,5~0km（分別用3和6min）下降和在11~0km（分別用6和12min）下降時,裝置分離性能。結(jié)果表明在高度條件下，爬升率和下降率對膜裝置分離性能沒有明顯的影響。2.4氮回收率與產(chǎn)品氣純度的關(guān)系氮回收率（或氮產(chǎn)率。）為產(chǎn)品氣流量與輸入空氣流量之比，表征產(chǎn)品氣的產(chǎn)出能力。試驗中，可以通過調(diào)節(jié)閥控制,獲取氮回收率的變化規(guī)律。環(huán)境溫度為25C時，地面試驗條件下，氮回收率和產(chǎn)品氣純度變化關(guān)系如圖6所示。圖中可見,隨著0的增大產(chǎn)品氣純度下降，且輸入壓力大時明顯。這是因為0的增大,即產(chǎn)品氣流量的增大，也就是更多的氧氣沒有透過膜管進入管內(nèi),所以隨著0的增大,產(chǎn)品氣純度下降。而輸入壓力大時，氧氣的透過速率變化更快，所以上述現(xiàn)象更加明顯。圖6氮回收率隨產(chǎn)品氣氧濃度變化綜上所述，需有效協(xié)同輸入空氣壓力、海拔高度及溫度等因素,得到恰當?shù)妮敵霎a(chǎn)品氣流量和濃度變化規(guī)律，以滿足飛機油箱在整個飛行時段內(nèi)的惰化技術(shù)要求。3膜空氣分離過程的性能分析為了對氣體分離過程進行更好地描述和評價，本文采用了氣體分離過程理想度Ni［10］和理想分離系數(shù)概念［11］。3.1分離過程的理想度氣體分離過程理想度(Ni)可定義為式中:T為實際分離過程的分離系數(shù);To為理想分離過程的分離系數(shù)。假設(shè)膜供給側(cè)混合氣體的組分A,B的摩爾濃度分別為WA,WB,產(chǎn)品氣中的組分A,B的摩爾濃度分別為YA,YB,則該膜的分離系數(shù)可定義為Ni表示分離系統(tǒng)偏離理想分離狀態(tài)的程度，表征一些非理想因素對分離效果的綜合作用°Ni(Ni<1)越接近1,表明氣體分離過程越趨完善［10］。本文分析理想度Ni計算中，設(shè)氮組分為A,氧組分為B,研究基于產(chǎn)生富氮產(chǎn)品氣的分離性能。3.2輸入壓力對理想度Ni的影響圖7是理想度隨輸入壓力變化曲線。由圖可見,隨著膜裝置輸入壓力的增大，理想度Ni降低。即隨著輸入壓力的增加，實際分離過程越偏離理想分離過程。圖7理想度Ni隨輸入壓力變化曲線理論分析可知，隨著輸入壓力增大，氣體的滲透推動力增大，氧氣的滲透量增加。但是,氧氣在膜壁處累積旅度極化隨之嚴重［12-13］,膜的分離效果變差，導致實際分離過程偏離理想分離過程越來越大，實際分離系數(shù)越來越小,分離能力得不到充分發(fā)揮。此外，隨著輸入壓力的增大，氮氣和氧氣對膜材料滲透吸附能力競爭，影響分離效果。所以，在實際分離過程中，必須有效協(xié)同輸入壓力、產(chǎn)品氣流量和產(chǎn)品氣純度的關(guān)系。3.3環(huán)境溫度對理想度Ni的影響圖8表征了環(huán)境溫度對理想度的影響。顯然,30^的Ni曲線高于10°C的Ni曲線，環(huán)境溫度升高對分離過程有利。因為環(huán)境溫度升高后,氧氣的滲透速率有一定的提高膜表面的氣體附面邊界層的濃度極化現(xiàn)象得到改善[11,14],從而使膜分離裝置的分離能力得以提高。圖8環(huán)境溫度對分離過程理想度Ni的影響4結(jié)論輸入空氣壓力、輸出產(chǎn)品氣流量和海拔高度都影響著膜裝置分離性能，特別是在輸入壓力較低、產(chǎn)品氣流量要求大的低海拔狀態(tài)下，所以在惰化系統(tǒng)實際設(shè)計或使用過程中,應(yīng)綜合考慮這些參數(shù)之間的關(guān)系；無論在地面、低空或高空條件下，環(huán)境溫度對膜裝置分離性能均有一定影響；輸入空氣溫度對膜裝置分離性能影響較小。考慮分離過程濃度極化作用的影響，分離系統(tǒng)調(diào)節(jié)方法在分離過程中將起到重要作甩因此，需要協(xié)同控制輸入壓力、產(chǎn)品氣流量和濃度，以達到最好的分離效果。同時,在設(shè)計中，需根據(jù)實際需要，綜合考慮輸入壓力、產(chǎn)品氣流量、海拔高度和溫度等因素，以設(shè)計出恰當?shù)牧髁亢蜐舛茸兓?guī)律，來滿足飛機油箱惰化技術(shù)要求。參考文獻：HillmanTC,HillSW,SturiaMJ.Aircraftfirede-tectionandsuppression[R].AD-A132,478.USA:KiddeAerospace&DefenseTechnicalPaper,1987.GrayCN,ShayesonMW.Aircraftfuelheatsinkutilization[R].AFPL-TR-73-51.California,USA:ArmyResearchandTechnologyLaboratories,1973.肖再華.飛機燃油箱惰化[J].航空科學技術(shù),2005(1):31-32.鄭雙忠，高永庭,李美玉.網(wǎng)狀聚氨酯泡沫塑料在飛機燃油箱中的應(yīng)用[J].工程塑料應(yīng)用,2002,30(6):26-30.BraggKR,KimmelCC,JonesPH.Nitrogeninertingofaircraftfueltanks[R].AIAA-84-2480.CulverCity:ParkerHannifinCorporation,1984.KleinJK.TheF-16halontankinertingsystem[C]//AIAAAircraftSystemsandTechnologyConference.Ohio:AeronauticalSystemsDivision,Wright-PattersonAirForceBase,1981:9-18.JohnsonRL,GillermanJB.Aircraftfueltankinertingsystem[R].AD-A141863.TorranceCalifornia:AiresearchManufacturingCompany,1983.胡傳東.機載惰性氣體產(chǎn)生