机载膜空气分离装置分离特性

机载膜空气分离装置分离特性刘小芳浏卫华;钱国诚;赵宏韬【摘要】机栽膜空气分离装置的用途就是提供飞机油箱惰性化技术所需要的富氮气体.本文通过在地面建立惰化系统模拟试验台,对国内某厂生产的膜机载空气分离装置展开了较为系统的理论分析及试验研究.研究结果表明:(1)输入空气压力、输出产品气流量和海拔高度(环境背压)均对膜装置的分离性能有着重要的影响，尤其在低海拔高度下，当输入空气压力较低、而输出产品气流量要求较大时,该影响更为显著;(2)无论在什么海拔高度条件下，环境温度对膜装置分离性能均有一定影响;(3)输入空气温度对膜装置分离性能的影响较小.文章指出:在实际情化系统设计中，需综合考虑输入空气压力、输出产品气流量、海拔高度和温度等因素，采取恰当的流量和浓度变化规律，才能满足飞机油箱在整个飞行时段内的惰化技术要求.【期刊名称】《南京航空航天大学学报》【年(卷)，期】2010(042)002【总页数】6页(P250-255)【关键词】机簌膜空气分离装置;飞机油箱惰性化;富氮气体;分离特性【作者】刘U小芳浏卫华;钱国诚;赵宏韬【作者单位】南京航空航天大学航空宇航学院，南京,210016;安徽工业大学冶金与资源学院，马鞍山,243002浦京航空航天大学航空宇航学院，南京,210016;江淮航空供氧制冷设备有限公司，合肥,230035;江淮航空供氧制冷设备有限公司，合肥,230035【正文语种】中文【中图分类】X738飞机油箱的防火防爆能力，直接关系到飞机的生存力和易损性,也关系到飞机的利用率、成本以及人员安全。因此，提高飞机油箱的防火防爆能力，使飞机油箱始终处于安全状态之中是非常必要的［1-3］。在国外，人们已就如何提高飞机油箱的防火防爆能力展开了较为广泛而深入的研究，提出了许多有效的技术措施，并将这些技术措施分别应用于不同飞机机型上。如:A-10,F-15,C-130,F-4等飞机上应用的抑爆泡沫技术措施［4］,C-5A/B,C-17,V-22等飞机上应用的瓶装氮气惰化技术措施［5］,A6E,F-117,F-16等飞机上应用的Halon1301惰化技术措施［6］等。然而，这些技术措施的应用，在提高飞机油箱防火防爆能力的同时，也带来了一系列的相关问题。如抑爆泡沫技术就存在着泡沫的老化、分解以及堵塞油滤、静电富集、维修更换困难等问题;瓶装氮气惰化技术大大增加了后勤保障的难度;而Halon气体则价格昂贵，且对大气臭氧层有破坏作用而被禁用等问题。为了解决这些问题,自20世纪60年代起，美国就开始着手研究机载惰化气体系统(On-boardinertgasgenerationsystem,OBIGGS)的油箱惰化技术［7］。国外最新研究结果表明:该技术无论是在重量、体积，还是在全寿命周期费用等方面,与上述技术相比均具有明显的优势［8］。2003年7月，美国波音公司宣布，该技术已成熟，可以应用于其各式型号的飞机上［9］。就国内情况来看，对该技术的研究及应用基本仍处于空白阶段。随着对油箱防火防爆性能要求的提高，已明确提出，要大力发展针对国内不同机型的油箱惰化研究及应用技术，并且在最新研制的大型商用旅客机及其他类型飞机上将率先应用该技术。因此，加强OBIGGS技术研究工作迫在眉睫。本文针对OBIGGS油箱惰化技术中的关键设备——机载膜空气分离装置，开展了初步的理论分析及试验研究，探索了膜空气分离装置在不同控制调节方法下的气流特性和分离性能,其研究成果可直接为OBIGGS技术的实际应用奠定基础。1试验系统1.1膜空气分离装置试验样件试验所采用的膜空气分离装置试验样件是在原NM-5010P型膜的基础上由国内某厂依据某机型的使用要求，采用PPO材料改进而成的。改进后的膜分离装置具有通径大、长度短、重量轻、无活动部件、反应快等特点。其工作原理如图1所示，即原料空气输入到膜管的外侧，通过膜管内外两侧压力差的作用，氧气等渗透速率较快的气体优先透过膜管进入管内，收集后通入大气,而氮气等渗透速率较慢的气体则在管外富集，形成富氮产品气被收集输出，用于惰化飞机油箱。装置的基本结构参数见表1。图1膜空气分离装置工作原理图表1膜空气分离装置的基本结构参数结构参数丝外径/mm丝内径/mm丝长/m丝数/根壳体尺寸mm参数值0.550.450.972400400x1000/1.2试验系统及方法试验系统布置如图2所示。试验件被安装在高度舱中的环境舱内，环境舱/高度舱的组合即可模拟膜分离装置工作的环境温度和环境高度。输入膜分离装置的压缩空气系统是由压缩机储气罐、调压阀、孔板流量计、第一级冷却器、水分离器、过滤器、第二级冷却器及加热器等部件组成,调节阀F1和F2可控制供气流量，孔板流量计可测出供气流量。压缩空气经第一级冷却后,由水分离器分离出水，再经过主路过滤器、油雾过滤器和微雾过滤器三级过滤后进入膜分离装置试验件。调节阀F3,F4用于调节输入空气温度，其中，当需要加热时可打开F3,当需要冷却时可打开F4;调节阀F5与真空泵配合，可有效调节舱内高度;调节阀F6,F7,F8则用于调节环境温度。其中:加热时可打开F6,冷却时可打开F7和F8,气体经两级冷却后供给环境舱。膜装置输出产品气流量控制是经减压阀稳压后，通过流量调节阀F9实现的。其输出流量由转子流量计测出。同时，打开调节阀F10,使少量输出产品气流过氧气分析仪,以此测量产品气的氧浓度。通过温度传感器和压力传感器与计算机配合工作，可对每次试验的输入空气温度、输出产品气温度、环境舱温度、输入空气压力、输出产品气压力及装置中减压阀出口压力进行自动测量和记录。在本试验中，首先应使预定的输入输出参数、工作环境条件稳定并保持2~3min,然后再观察输出产品气的氧浓度，待其读数基本稳定后,方可记录实验数据。图2膜空气分离装置试验原理图2试验结果及其分析膜装置的分离性能主要采用输出产品气的氧浓度（纯度）来表征，氧浓度越低，纯度越高。本文分别研究了运行状态参数、运行环境条件对膜装置分离性能的影响。2.1输入空气压力、输出产品气流量和海拔高度对膜装置分离性能的影响输入空气压力对膜装置分离性能的影响见图3。由图可见，输出产品气的纯度随输入压力的增大而增大;特别是在低海拔条件下，该现象更加明显。但当输入压力足够大时,无论在什么海拔高度条件下，产品气纯度都将逐渐趋于一致。上述结果是可以理解的。因为气体的渗透推动力是膜管内夕卜两侧的压力差，在海拔高度（环境背压）一定时，输入空气压力增大，渗透推动力增大,则更多的氧气透过膜管进入管内，所以管外的产品气纯度增加;试验中，管内始终与大气连通，高海拔时，管内压力低，则管内夕卜压差增大，氧气透过速率加快，所以管外产品气纯度增加得更快。当输入压力足够大时，产品气纯度已很高，因此，这时再增加输入压力或提高海拔高度，对产品气纯度影响不明显。图3产品气氧浓度随输入压力的变化产品气纯度与输出流量关系的试验结果可见图4。由图可见:产品气纯度随输出流量的增大而降低，且随着流量的增大，降低速率越来越快，在低输入压力时，该现象更加明显。分析其原因，不难得出，产品气流量的增加，是因为氧气等气体没有有效地透过膜管进入管内所致,自然就导致了管外的产品气纯度下降;在低输入压力时，气体透过膜管的压力差小，氧气渗透速率变慢，更多的氧气留在管外，所以上述现象更加明显。输出产品气纯度随海拔高度的变化关系如图5所示。从图中可见，随着海拔高度的增加产品气纯度增加，但海拔高度达15km后产品气纯度基本保持不变。究其原因亦如上述分析。2.2输入空气温度、环境温度对膜装置分离性能的影响在0海拔高度条件下，输入空气压力为0.6MPa、输出产品气流量为20L/min-1、环境温度为30°C时，当输入空气温度由+40~-101变化（输入空气温度由+401缓慢降至-10C历时15min）时,输出产品气纯度基本不变;当环境温度由+50C向-50C变化时（环境温度由+50C缓慢降低到-50C历时约2h）产品气纯度则明显降低。由此可见:在0海拔高度时，输入空气温度对膜装置分离性能影响较小,而环境温度则对膜装置分离性能有显著的影响。图4产品气氧浓度随输出流量的变化图5产品气氧浓度随海拔高度的变化在海拔11km高度，输入空气压力为0.25MPa、温度为-20C、输出产品气流量为25L/min-1的条件下,当环境温度由+10C逐渐降低到-50C（历时20min）,并在-50C时暴露2h。测试结果表明:在开始降温20min中,产品气纯度基本不变;但在暴露的前1h内产品气纯度约下降1%,2h后，再下降约3%~4%。由此可见,随着环境温度的降低,膜分离装置温度也跟着降低，其分离性能有较大变化，但当装置未〃冷透”前，其分离性能变化不大。在海拔5km的高度下，输入空气压力为0.4MPa、温度为7.1~7.6°C、输出产品气流量为15L/min-1时,当环境温度由4.9C逐渐降到-50C（历时30min）,并在-50C时再暴露30min。测试结果为:当环境温度由4.9C向-50C变化时，输出产品气纯度下降约1%,在-50C环境中暴露30min后产品气纯度又下降约2%。上述试验结果表明:输入空气温度在+40~-10C范围内变化时，对膜装置分离性能影响不大;而环境温度的变化,无论装置在什么海拔高度条件下,其分离性能均受到一定的影响，且环境温度越低,暴露时间越长，输出流量越大,装置输出产品气纯度下降就越大。2.3不同海拔高度下,爬升率和下降率对膜装置分离性能的影响本文试验研究了输入空气温度为30C,输入空气压力分别为0.4MPa和0.6MPa,输出产品气流量分别为15,20和25L/min-1的条件下，在0~5km（分别用3和6min）爬升,0~11km（分别用6和12min）爬升,5~0km（分别用3和6min）下降和在11~0km（分别用6和12min）下降时,装置分离性能。结果表明在高度条件下，爬升率和下降率对膜装置分离性能没有明显的影响。2.4氮回收率与产品气纯度的关系氮回收率（或氮产率。）为产品气流量与输入空气流量之比，表征产品气的产出能力。试验中，可以通过调节阀控制,获取氮回收率的变化规律。环境温度为25C时，地面试验条件下，氮回收率和产品气纯度变化关系如图6所示。图中可见,随着0的增大产品气纯度下降，且输入压力大时明显。这是因为0的增大,即产品气流量的增大，也就是更多的氧气没有透过膜管进入管内,所以随着0的增大,产品气纯度下降。而输入压力大时，氧气的透过速率变化更快，所以上述现象更加明显。图6氮回收率随产品气氧浓度变化综上所述，需有效协同输入空气压力、海拔高度及温度等因素,得到恰当的输出产品气流量和浓度变化规律，以满足飞机油箱在整个飞行时段内的惰化技术要求。3膜空气分离过程的性能分析为了对气体分离过程进行更好地描述和评价，本文采用了气体分离过程理想度Ni［10］和理想分离系数概念［11］。3.1分离过程的理想度气体分离过程理想度(Ni)可定义为式中:T为实际分离过程的分离系数;To为理想分离过程的分离系数。假设膜供给侧混合气体的组分A,B的摩尔浓度分别为WA,WB,产品气中的组分A,B的摩尔浓度分别为YA,YB,则该膜的分离系数可定义为Ni表示分离系统偏离理想分离状态的程度，表征一些非理想因素对分离效果的综合作用°Ni(Ni<1)越接近1,表明气体分离过程越趋完善［10］。本文分析理想度Ni计算中，设氮组分为A,氧组分为B,研究基于产生富氮产品气的分离性能。3.2输入压力对理想度Ni的影响图7是理想度随输入压力变化曲线。由图可见,随着膜装置输入压力的增大，理想度Ni降低。即随着输入压力的增加，实际分离过程越偏离理想分离过程。图7理想度Ni随输入压力变化曲线理论分析可知，随着输入压力增大，气体的渗透推动力增大，氧气的渗透量增加。但是,氧气在膜壁处累积旅度极化随之严重［12-13］,膜的分离效果变差，导致实际分离过程偏离理想分离过程越来越大，实际分离系数越来越小,分离能力得不到充分发挥。此外，随着输入压力的增大，氮气和氧气对膜材料渗透吸附能力竞争，影响分离效果。所以，在实际分离过程中，必须有效协同输入压力、产品气流量和产品气纯度的关系。3.3环境温度对理想度Ni的影响图8表征了环境温度对理想度的影响。显然,30^的Ni曲线高于10°C的Ni曲线，环境温度升高对分离过程有利。因为环境温度升高后,氧气的渗透速率有一定的提高膜表面的气体附面边界层的浓度极化现象得到改善[11,14],从而使膜分离装置的分离能力得以提高。图8环境温度对分离过程理想度Ni的影响4结论输入空气压力、输出产品气流量和海拔高度都影响着膜装置分离性能，特别是在输入压力较低、产品气流量要求大的低海拔状态下，所以在惰化系统实际设计或使用过程中,应综合考虑这些参数之间的关系；无论在地面、低空或高空条件下，环境温度对膜装置分离性能均有一定影响；输入空气温度对膜装置分离性能影响较小。考虑分离过程浓度极化作用的影响，分离系统调节方法在分离过程中将起到重要作甩因此，需要协同控制输入压力、产品气流量和浓度，以达到最好的分离效果。同时,在设计中，需根据实际需要，综合考虑输入压力、产品气流量、海拔高度和温度等因素，以设计出恰当的流量和浓度变化规律，来满足飞机油箱惰化技术要求。参考文献：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.肖再华.飞机燃油箱惰化[J].航空科学技术,2005(1):31-32.郑双忠，高永庭,李美玉.网状聚氨酯泡沫塑料在飞机燃油箱中的应用[J].工程塑料应用,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.胡传东.机载惰性气体产生