專(zhuān)利名稱(chēng)：應(yīng)用膜組件的高壓除濕式飛機(jī)新型環(huán)境控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出一種采用高壓空氣膜除濕組件的飛機(jī)新型環(huán)境控制系統(tǒng)，通過(guò)膜組件 對(duì)兩輪升壓式高壓除水系統(tǒng)壓氣機(jī)出口的高壓空氣進(jìn)行除濕，并將膜組件作為除濕/換熱 的全熱換熱器使用。
背景技術(shù)：
隨著各類(lèi)飛機(jī)性能的提高，各種機(jī)載電子設(shè)備數(shù)量、功率、總發(fā)熱量也迅速增加， 由于電子設(shè)備所產(chǎn)生的熱量一旦超出現(xiàn)有系統(tǒng)的制冷能力，其可靠性將大為降低。因此，研 制高性能飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)是提高飛機(jī)綜合性能的重要途徑。這就對(duì)飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)提出了 更高的要求既要求系統(tǒng)能充分滿(mǎn)足制冷功率需求，又要求系統(tǒng)性能系數(shù)高、重量輕、結(jié)構(gòu) 緊湊。飛行器制冷系統(tǒng)直接與飛機(jī)的性能有關(guān)。因此，飛行器環(huán)境控制系統(tǒng)(ECS)的發(fā) 展是與制冷系統(tǒng)的發(fā)展密切相關(guān)的。ECS中的制冷系統(tǒng)主要有兩大類(lèi)型蒸發(fā)循環(huán)制冷系 統(tǒng)和空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)。由于飛機(jī)上空氣循環(huán)制冷的綜合優(yōu)勢(shì)，目前大部分的飛機(jī)都采用 了空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)。但當(dāng)空氣循環(huán)制冷系統(tǒng)在地面或低空應(yīng)用時(shí)(如直升機(jī)、旅客機(jī) 等)，外界環(huán)境的高濕條件會(huì)對(duì)飛機(jī)座艙和設(shè)備艙產(chǎn)生極大的影響使得電子設(shè)備發(fā)生故 障、降低環(huán)境控制系統(tǒng)的制冷量等。所以說(shuō)系統(tǒng)除濕性能的高低，很大程度上決定了系統(tǒng)整 體性能的優(yōu)劣。為了提高飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的制冷能力、減少對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的引氣、并得到無(wú)液 態(tài)水滴的干燥的電子設(shè)備冷卻用冷空氣，目前世界上多種先進(jìn)飛機(jī)采用了高壓除水式環(huán)境 控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)與低壓除水系統(tǒng)相比，增加了高壓冷凝器和高壓水分離器，通過(guò)這兩個(gè)部 件達(dá)到對(duì)高壓空氣除濕的目的，在高壓端除去水分，除水效率高，渦輪上游的高壓空氣含濕 量大大降低，渦輪出口氣流溫度因而可以大幅度降低，從而提高了系統(tǒng)的制冷能力、降低了 對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的引氣損失。但該系統(tǒng)部件多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、重量增加多，且需要專(zhuān)門(mén)研制高性 能、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的冷凝器和水分離器，系統(tǒng)成本大幅增加、維護(hù)性下降。膜高壓空氣除濕技術(shù)避免了傳統(tǒng)的濕空氣冷凝除濕裝置中水蒸汽的凝結(jié)過(guò)程，僅 靠水蒸汽的分壓強(qiáng)差驅(qū)動(dòng)、無(wú)冷凝相變過(guò)程，也就避免了水蒸汽凝結(jié)散熱必然引起的冷量 損失，以及水蒸汽冷凝后必須進(jìn)行的液態(tài)水與空氣分離的復(fù)雜過(guò)程，具有高效、節(jié)能、免維 護(hù)、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合高壓空氣的除濕和節(jié)能，對(duì)提高高壓除水式飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng) 的性能、降低系統(tǒng)重量、簡(jiǎn)化系統(tǒng)構(gòu)成具有很好的應(yīng)用價(jià)值。另一方面，雖然一般的高壓空氣膜除濕技術(shù)已成熟并已工業(yè)化生產(chǎn)，但目前應(yīng)用 膜除濕技術(shù)面臨著一些問(wèn)題，主要包括如何提高膜材料對(duì)水蒸汽的透過(guò)速率以降低膜面積 等問(wèn)題。實(shí)用有效的膜除濕換熱器的設(shè)計(jì)是膜除濕應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到現(xiàn)有技術(shù)的上述情況，并針對(duì)高壓除水式空氣循環(huán)系統(tǒng)需在高壓側(cè)除濕的 特性，本發(fā)明人深入研究了飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)中高壓空氣的新型高性能除濕技術(shù)，提出了新穎的“高壓空氣膜除濕”飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)，不僅提高了該類(lèi)系統(tǒng)的整體性能，同時(shí)也有 助于提高飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的綜合能源利用效率。針對(duì)傳統(tǒng)升壓式高壓除水飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的特點(diǎn)和不足，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí) 施例，按照節(jié)能高效的原則，采用了一種除濕膜材料型膜組件(如中空纖維型膜組件)，代 替兩輪升壓式高壓除水系統(tǒng)中的冷凝器和水分離器，在系統(tǒng)高壓側(cè)對(duì)空氣進(jìn)行除濕，設(shè)備 簡(jiǎn)單，操作方便，且脫濕后，空氣露點(diǎn)可達(dá)-20°C以下，以求提高整個(gè)制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)、 減輕系統(tǒng)重量的要求。與傳統(tǒng)升壓式高壓除水飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)相比，本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅省去 了原系統(tǒng)中的冷凝器和高壓水分離器，大幅度降低了系統(tǒng)的重量；同時(shí)，膜組件的除濕過(guò) 程靠水蒸汽的分壓強(qiáng)差驅(qū)動(dòng)、出口氣體露點(diǎn)溫度低，不僅避免了傳統(tǒng)冷凝除水系統(tǒng)冷凝器 內(nèi)水蒸汽冷凝而引起的渦輪出口氣流的冷量損失，而且沒(méi)有對(duì)液態(tài)水和空氣進(jìn)行分離的過(guò) 程；因此渦輪入口壓強(qiáng)可以較高、可充分發(fā)揮渦輪高膨脹比、大溫差降溫的優(yōu)勢(shì)，本發(fā)明系 統(tǒng)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、節(jié)能高效的飛機(jī)新型環(huán)控系統(tǒng)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)，其特征在于包括引氣熱交換/升壓部分，用于對(duì)來(lái)自飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的引氣進(jìn)行降溫和升壓；一個(gè)膜除濕換熱器，用于對(duì)所述引氣熱交換/升壓部分所輸出的氣體進(jìn)行脫濕換 熱；其中，所述膜除濕換熱器所輸出的氣體的一部分被分流作為所述膜除濕換熱器的吹掃 氣流；一個(gè)供氣膨脹渦輪，用于對(duì)所述膜除濕換熱器所輸出的氣體進(jìn)行膨脹降溫；一個(gè)氣體混和/抽送部分，用于把經(jīng)過(guò)所述膜除濕換熱器之后的吹掃氣流與沖壓 空氣混和，并把所述吹掃氣流與沖壓空氣混和后形成的混和氣流抽送至所述引氣熱交換/ 升壓部分以作為所述引氣熱交換/升壓部分的冷邊氣流。


圖1顯示了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的兩輪升壓式膜高壓除濕系統(tǒng)。圖2顯示了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的兩輪升壓式膜高壓除濕系統(tǒng)。圖3顯示了根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的兩輪升壓式膜高壓除濕系統(tǒng)。圖4顯示了可用作本發(fā)明的實(shí)施例中的膜除濕換熱器的一種中空纖維型膜組件。
具體實(shí)施例方式如圖1所示的本發(fā)明的兩輪升壓式膜高壓除濕系統(tǒng)的實(shí)施例包括初級(jí)熱交換器 1、次級(jí)熱交換器2、壓氣機(jī)3、膜除濕換熱器4、小型渦輪5、風(fēng)扇6以及大渦輪7。該系統(tǒng)的運(yùn)作方式是發(fā)動(dòng)機(jī)引氣經(jīng)初級(jí)換熱器1降溫后進(jìn)入壓氣機(jī)3，在壓氣機(jī) 3內(nèi)被壓縮后，溫度和壓強(qiáng)均得到相應(yīng)的提高，之后這部分高溫高壓的空氣在次級(jí)換熱器2 得到冷卻，并進(jìn)入膜除濕換熱器4進(jìn)行脫濕換熱，最后通過(guò)渦輪7膨脹降溫供給座艙或設(shè)備 艙。膜除濕換熱器4的吹掃氣流為膜除濕換熱器4出口已脫濕空氣的一部分，吹掃氣流可 以將膜除濕換熱器滲透?jìng)?cè)的水蒸氣及時(shí)帶走，并經(jīng)小渦輪5降溫降壓后，與沖壓空氣混合， 經(jīng)由風(fēng)扇6抽吸，做為初級(jí)熱交換器1和次級(jí)熱交換器2的冷邊氣流，使來(lái)自高壓引氣的吹 掃氣流部分所含可用功得到有效的回收利用。
其中，壓氣機(jī)3由渦輪7軸功傳動(dòng)，風(fēng)扇6由小渦輪5軸功傳動(dòng)，從而相應(yīng)地節(jié)省
能量°該系統(tǒng)的有益特點(diǎn)包括-利用發(fā)動(dòng)機(jī)引氣，并且經(jīng)渦輪驅(qū)動(dòng)的壓氣機(jī)3進(jìn)一步增壓，可以充分保證膜除濕 器4高壓側(cè)所需較高壓強(qiáng)；-壓氣機(jī)3出口氣流在流經(jīng)膜除濕換熱器4前先經(jīng)過(guò)較為充分的冷卻，這樣可以避 免膜除濕換熱器熱邊工作溫度過(guò)高而帶來(lái)的膜制作和性能方面的問(wèn)題；-采用膜組件4對(duì)次級(jí)熱交換器2出口高壓空氣進(jìn)行除濕，可以將空氣的露點(diǎn)溫度 降到較低的水平；-取膜組件4出口處已經(jīng)除濕的空氣做為其滲透?jìng)?cè)的吹掃風(fēng)，在膜除濕換熱器4內(nèi) 與濕空氣進(jìn)行充分的濕傳遞之后，將這部分空氣送入小型渦輪5與沖壓空氣混合后經(jīng)風(fēng)扇 6抽吸依次輸入次級(jí)換熱器2和初級(jí)熱交換器1，使這部分來(lái)自高壓引氣的吹掃氣流部分所 含可用功得到有效的回收利用；-小型渦輪5的膨脹功用來(lái)傳動(dòng)風(fēng)扇6，用其抽吸熱交換器1和2的冷邊空氣，這 樣不僅節(jié)省能量，而且可以有效改善熱交換器的性能；-與傳統(tǒng)升壓式高壓除水系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且渦輪7入口壓強(qiáng)可以較 高、可充分發(fā)揮大渦輪高膨脹比、大溫差降溫的優(yōu)勢(shì)；-系統(tǒng)采用低溫送風(fēng)，降低了系統(tǒng)的送風(fēng)量，也意味降低了從飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的引起 量，提高了系統(tǒng)的總體性能。圖2所示實(shí)施例的兩輪升壓式膜高壓除濕系統(tǒng)與圖1相比，是將圖1中的小型渦 輪5以及風(fēng)扇6用圖2中的引射器21替代，膜除濕換熱器4出口的吹掃氣流經(jīng)引射器(21) 將所述沖壓空氣引射后送至所述引氣熱交換/升壓部分(1，2，3)，作為所述引氣熱交換/升 壓部分(1，2，3)的冷邊氣流，與高溫高壓的發(fā)動(dòng)機(jī)引氣進(jìn)行換熱，這種方案使得系統(tǒng)設(shè)計(jì) 更加簡(jiǎn)單。圖3所示實(shí)施例的兩輪升壓式膜高壓除濕系統(tǒng)包括熱交換器1、壓氣機(jī)3、膜除濕 換熱器4、小型渦輪5、風(fēng)扇6以及渦輪7。與圖1和圖2所示實(shí)施例的系統(tǒng)相比，圖3所示 實(shí)施例的系統(tǒng)同樣取膜除濕換熱器4出口處已經(jīng)除濕的空氣做為膜組件滲透?jìng)?cè)的吹掃風(fēng)， 但這部分吹掃氣流在進(jìn)入膜除濕換熱器4之前，先經(jīng)過(guò)一個(gè)小型渦輪5降溫降壓，使得膜組 件高壓側(cè)和低壓側(cè)擁有較大的壓差和溫度差，使兩側(cè)空氣之間的除濕和換熱能夠更加充分 地進(jìn)行，之后將這部分的吹掃氣流與沖壓空氣混合后經(jīng)風(fēng)扇6抽吸進(jìn)入熱交換器1，使這部 分空氣中所含的冷量得到更有效的利用。而且，該系統(tǒng)還省去了次級(jí)熱交換器2，進(jìn)一步減 輕了系統(tǒng)的重量。本發(fā)明涉及的膜材料根據(jù)具體應(yīng)用條件和環(huán)境，可以選取有機(jī)膜或者無(wú)機(jī)膜。其 中有機(jī)膜材料技術(shù)較為成熟，但適用溫度范圍有限無(wú)機(jī)膜具有耐熱、耐化學(xué)腐蝕的優(yōu)點(diǎn)和 良好的機(jī)械強(qiáng)度，特別適合于高溫氣體分離過(guò)程，即機(jī)載環(huán)境控制系統(tǒng)高壓空氣水蒸汽分離膜。在根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，膜除濕換熱器4的形式可以采用如圖4所示的中 空纖維膜密集列管式結(jié)構(gòu)，高、低壓氣流均可滿(mǎn)足壓降要求。圖4所示的中空纖維膜組件的 結(jié)構(gòu)基本上類(lèi)似列管式換熱器，在能承受高壓的鋼殼體41內(nèi)，裝入由上萬(wàn)根中空纖維膜捆扎而成的管束42，纖維束的中心軸部安裝一根濕空氣分布管43。使用時(shí)，需要除濕的空氣 由管的一端的濕空氣入口 44進(jìn)入，在分布管43內(nèi)徑向流動(dòng)，脫濕后的干空氣從另一端的干 空氣出口 45排出，吹掃氣從管側(cè)壁上的吹掃氣入口 46進(jìn)入，并攜帶脫除的水蒸氣沿管殼壁 流動(dòng)，并從管側(cè)壁上的吹掃氣出口 47排除，吹掃氣和濕空氣在膜除濕換熱器4中交換濕和 熱。中空纖維膜組件具有如下優(yōu)點(diǎn)①膜呈自支撐結(jié)構(gòu)，無(wú)需另加其它支撐體，可大大簡(jiǎn)化組裝成膜組件時(shí)的復(fù)雜性。②它具有很高的裝填密度，可以提供很大的比表面積。③可以耐很高的壓強(qiáng)，具有在高壓下不發(fā)生形變的強(qiáng)度。因此，將高壓空氣膜除濕技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)的高壓空氣除濕，可以充 分發(fā)揮其高效、節(jié)能、重量輕、設(shè)備簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)減輕升壓式高壓除水飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng) 的重量、提高系統(tǒng)性能系數(shù)、降低代償損失等多方面都將起到重要的推動(dòng)作用。由此可見(jiàn)， 本發(fā)明的“高壓膜除濕飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)”是一種性能優(yōu)良的新型飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)。
權(quán)利要求
一種飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)，其特征在于包括引氣熱交換/升壓部分(1，2，3)，用于對(duì)來(lái)自飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的引氣進(jìn)行降溫和升壓；一個(gè)膜除濕換熱器(4)，用于對(duì)所述引氣熱交換/升壓部分(1，2，3)所輸出的氣體進(jìn)行脫濕換熱；其中，所述膜除濕換熱器(4)所輸出的氣體的一部分被分流作為所述膜除濕換熱器(4)的吹掃氣流；一個(gè)供氣膨脹渦輪(7)，用于對(duì)所述膜除濕換熱器(4)所輸出的氣體進(jìn)行膨脹降溫；一個(gè)氣體混和/抽送部分(6，21)，用于把經(jīng)過(guò)所述膜除濕換熱器(4)之后的吹掃氣流與沖壓空氣混和，并把所述吹掃氣流與沖壓空氣混和后形成的混和氣流抽送至所述引氣熱交換/升壓部分(1，2，3)以作為所述引氣熱交換/升壓部分(1，2，3)的冷邊氣流。
2.如權(quán)利要求1所述的飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)，其特征在于所述氣體混和/抽送部分(6， 21)進(jìn)一步包括一個(gè)初級(jí)熱交換器(1)，用于接收來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的所述引氣并對(duì)所述引氣進(jìn)行降溫； 一個(gè)壓氣機(jī)(3)，用于對(duì)所述初級(jí)熱交換器(1)輸出的氣流進(jìn)行升壓；以及 一個(gè)次級(jí)熱交換器(2)，用于對(duì)壓氣機(jī)(3)升壓后的所述氣流進(jìn)行冷卻。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)，其特征在于進(jìn)一步包括一個(gè)吹掃氣流渦輪(5)，用于對(duì)經(jīng)過(guò)所述膜除濕換熱器(4)之后的所述吹掃氣流進(jìn)行 降溫降壓，其中所述氣體混和/抽送部分(6，21)進(jìn)一步包括一個(gè)風(fēng)扇(6)，用于對(duì)所述吹掃氣流 與沖壓空氣混和后形成的所述混和氣流進(jìn)行抽送，從而使所述混和氣流作為冷邊氣流依次 通過(guò)所述初級(jí)熱交換器(1)和所述次級(jí)熱交換器(2)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)，其特征在于所述吹掃氣流渦輪(5)對(duì)所 述風(fēng)扇(6)進(jìn)行軸功傳動(dòng)。
5.如權(quán)利要求1所述的飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)，其特征在于包括進(jìn)行高壓空氣除濕的高壓 空氣膜除濕器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)，其特征在于所述氣體混和/抽送部分 (6,21)包括一個(gè)引射器(21)，經(jīng)過(guò)所述膜除濕換熱器(4)之后的所述吹掃氣流經(jīng)引射器 (21)將所述沖壓空氣引射后送至所述引氣熱交換/升壓部分(1，2，3)以作為所述引氣熱交 換/升壓部分(1，2，3)的冷邊氣流。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)，其特征在于 所述引氣熱交換/升壓部分(1，2，3)進(jìn)一步包括一個(gè)熱交換器(1)，用于接收來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的所述引氣并對(duì)所述引氣進(jìn)行降溫；以及， 一個(gè)壓氣機(jī)(3)，用于對(duì)所述初級(jí)熱交換器(1)輸出的氣流進(jìn)行升壓， 所述飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)進(jìn)一步包括一個(gè)吹掃氣流渦輪(5)，用于對(duì)進(jìn)入所述膜除濕換 熱器(4)之前的所述吹掃氣流進(jìn)行降溫降壓，所述氣體混和/抽送部分(6，21)進(jìn)一步包括一個(gè)風(fēng)扇(6)，用于對(duì)述混和氣流進(jìn)行抽 送，從而使所述混和氣流作為冷邊氣流通過(guò)所述熱交換器(1)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)，其特征在于所述吹掃氣流渦輪(5)對(duì)所 述風(fēng)扇(6)進(jìn)行軸功傳動(dòng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)，其特征在于所述供氣膨脹渦輪(7)對(duì)所述壓氣機(jī)(3)進(jìn)行軸功傳動(dòng)。
10.膜除濕器采用有機(jī)和/或無(wú)機(jī)多種膜材料，膜除濕器采用中空纖維膜密集列管式 結(jié)構(gòu)型式。
全文摘要
本發(fā)明提出一種采用高壓空氣膜除濕組件的飛機(jī)新型環(huán)境控制系統(tǒng)，通過(guò)膜組件對(duì)兩輪升壓式高壓除水系統(tǒng)壓氣機(jī)出口的高壓空氣進(jìn)行除濕，并將膜組件作為除濕/換熱的全熱換熱器使用，與傳統(tǒng)升壓式高壓除水飛機(jī)環(huán)境控制系統(tǒng)相比，本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不僅省去了原系統(tǒng)中的冷凝器和高壓水分離器，大幅度降低了系統(tǒng)的重量；同時(shí)，膜組件的除濕過(guò)程靠水蒸汽的分壓強(qiáng)差驅(qū)動(dòng)、出口氣體露點(diǎn)溫度低，不僅避免了傳統(tǒng)冷凝除水系統(tǒng)冷凝器內(nèi)水蒸汽冷凝而引起的渦輪出口氣流的冷量損失，而且沒(méi)有對(duì)液態(tài)水和空氣進(jìn)行分離的過(guò)程；因此渦輪入口壓強(qiáng)可以較高、可充分發(fā)揮渦輪高膨脹比、大溫差降溫的優(yōu)勢(shì)，本發(fā)明系統(tǒng)是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、節(jié)能高效的飛機(jī)新型環(huán)控系統(tǒng)。
文檔編號(hào)F24F3/14GK101881490SQ20091008314
公開(kāi)日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2009年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日
發(fā)明者王晨潔, 袁修干, 袁衛(wèi)星 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)