本發(fā)明涉及一種催化重整惰化飛行器燃油箱的系統(tǒng)及其工作方法，其屬于防火防爆領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
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飛機(jī)燃油箱起火爆炸是引起飛機(jī)失事的主要原因，因此對所有民用和軍用飛機(jī)燃油箱防火防爆系統(tǒng)設(shè)計和安裝提出了更高的要求。油箱起火必備三個條件：可燃物(燃油蒸氣)、助燃劑(氧氣)、點火源。在油箱氣相空間中，燃油蒸氣時刻存在，對于民用飛機(jī)存在點火源有雷電，靜電，明火等，對于軍用飛機(jī)尤其戰(zhàn)爭期間，點火源有各種輕型武器以及地對空導(dǎo)彈等產(chǎn)生點火源，因此在飛機(jī)油箱保護(hù)研究中，減少助燃劑(氧氣)的存在是一種高效安全的防火防爆方法。

在油箱保護(hù)系統(tǒng)中，降低油箱上部氣相空間氧氣濃度可防止油箱起火爆炸，保證乘客和飛機(jī)安全。降低燃油箱氧氣濃度可采用惰性氣體如氮?dú)夂投趸嫉葰怏w進(jìn)行油箱惰化，使其氧含量降低至可燃極限以下。燃油箱惰化方式可分為主動式及被動式。

主動式為機(jī)載制氮惰化系統(tǒng)(如美國專利申請US20120325811A1)，即利用機(jī)載惰化系統(tǒng)產(chǎn)生惰性氣體，并通入燃油箱氣相空間，降低氧氣濃度，達(dá)到防火防爆的目的。目前應(yīng)用最為廣泛的是機(jī)載中空纖維膜制氮系統(tǒng)(OBIGGS,On-Board Inert Gas Generation system)。被動式為攜帶儲氣鋼瓶產(chǎn)生氮?dú)夂投趸嫉榷栊詺怏w達(dá)到惰化的目的。

但是從國內(nèi)外應(yīng)用惰化系統(tǒng)來看，無論是主動式還是被動式都存在很多問題。機(jī)載中空纖維膜制氮系統(tǒng)存在如下問題，1)制氮效率低下，如伊頓公司研制的中空纖維膜制氮惰化系統(tǒng)每生產(chǎn)1kg濃度為98％的氮?dú)鈩t所需引氣量將達(dá)到10kg。2)引氣壓力高，空氣通過中空纖維膜制取高濃度氮?dú)庑鑿娘w機(jī)發(fā)動機(jī)引氣，使發(fā)動機(jī)性能降低，而對于直升機(jī)等小型飛行器則不能提供制氮所需高壓空氣。3)惰化過程中氮?dú)庵苯又脫Q燃油箱上部氣相空間氧氣的同時將燃油蒸氣直接排到大氣環(huán)境，引起環(huán)境污染等。而罐裝液氮或干冰則增加飛機(jī)載重，且需人工充注，影響飛行效率。

近年來，國內(nèi)外一些公司和研究機(jī)構(gòu)還在進(jìn)行采用催化燃燒方法來消耗油箱氣相空間的氧氣和可燃蒸汽從而降低油箱可燃風(fēng)險的方法，但是燃燒后的生成物溫度較好，且含有大量的水蒸氣，因此需要進(jìn)行冷卻，而冷卻時水蒸氣轉(zhuǎn)換成液態(tài)水釋放出大量的熱量需要由流經(jīng)換熱器的冷卻介質(zhì)，例如沖壓空氣或燃油等帶走，故此極大程度上增加了設(shè)備的體積和重量。

催化重整技術(shù)是在催化劑(如貴金屬鉑、錸和酸性組分)的作用下，對燃油餾分中的烷烴、環(huán)烷烴和芳香烴等分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新排列生成新的分子結(jié)構(gòu)并脫氫產(chǎn)生氫氣。在飛行器燃油箱惰化系統(tǒng)中利用催化重整技術(shù)使油箱上部氣相空間混合氣體在反應(yīng)器中進(jìn)行催化重整反應(yīng)，最終生成二氧化碳和氫氣。在催化劑作用下反應(yīng)速率快，且反應(yīng)過程中不產(chǎn)生水，無需對反應(yīng)生成氣安裝除水裝置，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，生成氫氣利用氫燃料電池供電，使整個系統(tǒng)具有高效節(jié)能，對環(huán)境無污染的作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明的目的在于克服中空纖維膜制氮效率低、價格昂貴、污染環(huán)境、系統(tǒng)復(fù)雜等缺點，同時避免了催化燃燒時溫度高且冷卻時水蒸氣釋放大量熱量的缺點，故此本發(fā)明基于催化重整技術(shù)，提供一種催化重整惰化飛行器燃油箱的系統(tǒng)及其工作方法。

本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種催化重整惰化飛行器燃油箱的系統(tǒng)，包括油箱、油冷凝器、油分離器、回?zé)崞?、氣體分離器、氫燃料電池、輔助電源、自動控制器以及氧濃度傳感器，油箱設(shè)有空氣入口、惰氣入口和氣體出口，油冷凝器設(shè)有熱側(cè)通道和冷側(cè)通道，油分離器設(shè)有氣體通道和油通道，回?zé)崞髟O(shè)有冷通道和熱通道，氣體分離器設(shè)有入口、氫氣出口和惰氣出口，油箱氣體出口至氣體分離器之間通過管道連接依次有氣體干燥器、壓縮機(jī)、油冷凝器熱側(cè)通道、油分離器氣體通道、回?zé)崞骼渫ǖ?、電加熱器、催化反?yīng)器、氣體分離器入口，所述油冷凝器冷側(cè)通道通入沖壓空氣，氣體分離器氫氣出口通過管道與氫燃料電池連接，氣體分離器惰氣出口與油箱之間通過管道連接依次有回?zé)崞鳠嵬ǖ?、?jié)流閥，所述油分離器油通道與油箱之間通過管道連接有止回閥，所述氫燃料電池與輔助電源通過電纜并聯(lián)并與自動控制器電流輸入端連接，自動控制器電流輸出端通過電纜分別與壓縮機(jī)電流輸入和電加熱器電流輸入端連接，所述氧濃度傳感器信號輸出端與自動控制器信號輸入端連接，氧深度傳感器通過探頭與油箱連接，油箱空氣入口與大氣環(huán)境相連通。

進(jìn)一步地，所述回?zé)崞鳠嵬ǖ琅c油箱惰氣入口之間連接有膨脹機(jī)。

進(jìn)一步地，所述膨脹機(jī)惰氣出口與油冷凝器冷側(cè)通道入口相連，所述油冷凝器冷側(cè)通道出口與油箱惰氣入口連接。

進(jìn)一步地，所述氫燃料電池和輔助電源提供電壓和電流可調(diào)的交流電和直流電。

本發(fā)明還采用如下技術(shù)方案：一種催化重整惰化飛行器燃油箱的系統(tǒng)的工作方法，步驟如下：

1)催化重整反應(yīng)過程：開啟壓縮機(jī)抽吸油箱中上部氣相空間的可燃混合氣體，混合氣體流經(jīng)氣體干燥器除去混合氣體中的水蒸氣，進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行加壓，加壓后的混合氣進(jìn)入油冷凝器熱側(cè)通道中進(jìn)行冷凝，油冷凝器冷側(cè)通道通入沖壓空氣，冷凝后的混合氣進(jìn)入油分離器氣體通道分離中出一部分液態(tài)燃油，液態(tài)燃油通過油分離器的油通道，經(jīng)過止回閥進(jìn)入油箱，可燃混合氣體通過回?zé)崞骼渫ǖ篮碗娂訜崞鬟M(jìn)行加熱，升溫后的可燃混合氣體進(jìn)行催化重整反應(yīng)器進(jìn)行催化重整反應(yīng)，可燃混合氣體中的燃油蒸氣與氧氣在催化劑作用下發(fā)生催化重整反應(yīng)最后生成二氧化碳和氫氣，可燃混合氣體中燃油蒸氣含量降低，二氧化碳濃度升高；

2)反應(yīng)生成物分離過程：由催化重整反應(yīng)器出口流出的含有氮?dú)?、二氧化碳、氫氣及微量雜質(zhì)的氣體混合物進(jìn)入氣體分離器，氣體分離后氫氣由氣體分離器氫氣出口進(jìn)入氫燃料電池，氮?dú)?、二氧化碳和微量雜質(zhì)由氣體分離器惰氣出口流出；

3)惰氣冷卻減壓過程：從氣體分離器惰氣出口流出的惰氣混合氣流經(jīng)回?zé)崞鳠嵬ǖ泪尫艧崃浚鋮s后的惰氣混合氣進(jìn)入節(jié)流閥進(jìn)行降壓，降壓后氣體流經(jīng)油箱惰氣入口；

4)沖洗惰化過程：從節(jié)流閥流出的惰氣混合氣進(jìn)入油箱氣相空間并與氣相空間中原有氣體混合后混合氣體氧濃度降低，二氧化碳和氮?dú)鉂舛壬撸旌蠚怏w處于燃爆極限以下，達(dá)到惰化的目的；

5)催化重整惰化飛行器燃油箱的系統(tǒng)開啟和關(guān)閉過程：

開啟過程—氧濃度傳感器探測油箱氣相空間氧氣濃度并將信號傳輸?shù)阶詣涌刂破?，?dāng)氧氣濃度大于給定值后，自動控制器連通氫燃料電池、輔助電源與壓縮機(jī)、電加熱器之間的電路，輔助電源向壓縮機(jī)和電加熱器供電，壓縮機(jī)抽吸油箱氣相空間的混合氣體，催化重整惰化飛行器燃油箱的系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，由氣體分離器產(chǎn)生的氫氣流入氫燃料電池產(chǎn)生電能，同時氫燃料電池為壓縮機(jī)和電加熱器供電；

關(guān)閉過程—氧濃度傳感器探測到油箱氣相空間氧氣濃度小于設(shè)定值后，自動控制器斷開氫燃料電池、輔助電源與壓縮機(jī)、電加熱器之間的電路，壓縮機(jī)停止工作，催化重整惰化飛行器燃油箱的系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)。

本發(fā)明具有如下有益效果：本發(fā)明通過催化重整技術(shù)將燃油箱上部氣相空間混合氣催化轉(zhuǎn)化為二氧化碳和氫氣，利用二氧化碳和沒有參與反應(yīng)的氮?dú)膺M(jìn)行油箱惰化，同時反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣通過氫燃料電池向外供電，本系統(tǒng)無需發(fā)動機(jī)引氣，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，反應(yīng)可控，能量利用率高，且不向大氣環(huán)境排放燃油蒸氣，減少環(huán)境污染。

附圖說明：

圖1為安裝節(jié)流閥的催化重整惰化飛行器燃油箱的系統(tǒng)流程示意圖。

圖2為安裝膨脹機(jī)的催化重整惰化飛行器燃油箱的系統(tǒng)流程示意圖。

圖3為惰氣經(jīng)膨脹機(jī)后冷卻燃油混合氣的催化重整惰化飛行器燃油箱的系統(tǒng)流程示意圖。

其中：

1、油箱，2、氣體干燥器，3、壓縮機(jī)，4、油冷凝器，5、油分離器，6、回?zé)崞鳎?、電加熱器，8、催化重整反應(yīng)器，9、氣體分離器，10、氫燃料電池，11、輔助電源，12、自動控制器，13、氧濃度傳感器，14、止回閥，15、節(jié)流閥，16、膨脹機(jī)。

具體實施方式：

下面將參考附圖并結(jié)合實施例，來詳述本發(fā)明的結(jié)構(gòu)特點及技術(shù)實施過程。

1)實施例：

圖1是本發(fā)明安裝節(jié)流閥的催化重整惰化飛行器燃油箱的系統(tǒng)包括油箱1、油冷凝器4、油分離器5、回?zé)崞?、氣體分離器9、氫燃料電池10、輔助電源11、自動控制器12以及氧濃度傳感器13，油箱1設(shè)有空氣入口、惰氣入口和氣體出口，油冷凝器4設(shè)有熱側(cè)通道和冷側(cè)通道，油分離器5設(shè)有氣體通道和油通道，回?zé)崞?設(shè)有冷通道和熱通道，氣體分離器9設(shè)有入口、氫氣出口和惰氣出口，油箱1氣體出口至氣體分離器9之間通過管道連接依次有氣體干燥器2、壓縮機(jī)3、油冷凝器4熱側(cè)通道、油分離器5氣體通道、回?zé)崞?冷通道、電加熱器7、催化反應(yīng)器8、氣體分離器9入口。油冷凝器4冷側(cè)通道通入沖壓空氣，氣體分離器9氫氣出口通過管道與氫燃料電池10連接，氣體分離器9惰氣出口與油箱1之間通過管道連接依次有回?zé)崞?熱通道、節(jié)流閥15，油分離器5油通道與油箱1之間通過管道連接有止回閥14，氫燃料電池10與輔助電源11通過電纜并聯(lián)并與自動控制器12電流輸入端連接，自動控制器12電流輸出端通過電纜分別與壓縮機(jī)3電流輸入和電加熱器7電流輸入端連接，氧濃度傳感器13信號輸出端與自動控制器12信號輸入端連接，氧深度傳感器13通過探頭與油箱1連接，油箱1空氣入口與大氣環(huán)境相連通。

其中氫燃料電池10和輔助電源11能提供電壓和電流可調(diào)的交流電和直流電。

本實施例催化重整惰化飛行器燃油箱的系統(tǒng)的工作方法，包括如下：

1)催化重整反應(yīng)過程：開啟壓縮機(jī)3抽吸油箱1中上部氣相空間的可燃混合氣體，混合氣體由燃油蒸氣、氧氣、氮?dú)?、二氧化碳、水蒸氣及其他微量雜質(zhì)組成，混合氣體流經(jīng)氣體干燥器2除去混合氣體中的水蒸氣，進(jìn)入壓縮機(jī)3進(jìn)行加壓，加壓后的混合氣進(jìn)入油冷凝器4熱側(cè)通道中進(jìn)行冷凝，油冷凝器4冷側(cè)通道通入沖壓空氣，冷凝后的混合氣進(jìn)入油分離器5氣體通道分離中出一部分液態(tài)燃油，液態(tài)燃油通過油分離器5的油通道，經(jīng)過止回閥14進(jìn)入油箱，可燃混合氣通過回?zé)崞?冷通道和電加熱器7進(jìn)行加熱，升溫后的可燃混合氣進(jìn)行催化重整反應(yīng)器8進(jìn)行催化重整反應(yīng)，可燃混合氣中的燃油蒸氣與氧氣在催化劑作用下發(fā)生催化重整反應(yīng)最后生成二氧化碳和氫氣，可燃混合氣中燃油蒸氣含量降低，二氧化碳濃度升高。

2)反應(yīng)生成物分離過程：由催化重整反應(yīng)器8出口流出的含有氮?dú)?、二氧化碳、氫氣及微量雜質(zhì)氣體混合物進(jìn)入氣體分離器9，氣體分離后氫氣由氣體分離器9氫氣出口進(jìn)入氫燃料電池，氮?dú)狻⒍趸己推渌⒘繗怏w由氣體分離器9惰氣出口流出。

3)惰氣冷卻減壓過程：從氣體分離器9惰氣出口流出的惰氣混合氣流經(jīng)回?zé)崞?熱通道釋放熱量，冷卻后的惰氣混合氣進(jìn)入節(jié)流閥15進(jìn)行降壓，降壓后氣體流經(jīng)油箱1惰氣入口。

4)沖洗惰化過程：從節(jié)流閥15流出的惰氣混合氣進(jìn)入油箱1氣相空間并與氣相空間中原有氣體混合后混合氣體氧濃度降低，二氧化碳和氮?dú)鉂舛壬?，混合氣體處于燃爆極限以下，達(dá)到惰化的目的。

5)惰化系統(tǒng)開啟和關(guān)閉過程：

開啟過程—氧濃度傳感器13探測油箱1氣相空間氧氣濃度并將信號傳輸?shù)阶詣涌刂破?2，當(dāng)氧氣濃度大于給定值后，自動控制器12連通氫燃料電池10、輔助電源11與壓縮機(jī)3、電加熱器7之間的電路，輔助電源11向壓縮機(jī)3和電加熱器7供電，壓縮機(jī)3抽吸油箱1氣相空間的混合氣體，催化重整惰化飛行器燃油箱的系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，由氣體分離器9產(chǎn)生的氫氣流入氫燃料電池10產(chǎn)生電能，同時氫燃料電池10為壓縮機(jī)3和電加熱器7供電。

關(guān)閉過程—氧濃度傳感器13探測到油箱1氣相空間氧氣濃度小于設(shè)定值后，自動控制器12斷開氫燃料電池10、輔助電源11與壓縮機(jī)3、電加熱器7之間的電路，壓縮機(jī)3停止工作，催化重整惰化飛行器燃油箱的系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)。

2)實施例2：

本實施例是安裝膨脹機(jī)對油箱進(jìn)行沖洗惰化，結(jié)合圖2可見，該系統(tǒng)與實施例1的差別在于，回?zé)崞?熱通道與油箱1惰氣入口之間連接降壓裝置為膨脹機(jī)16。

本實施例的工作過程如下：

從回?zé)崞?熱通道流出的惰氣通過管道流入膨脹機(jī)16，降壓后通過油箱1惰氣入口進(jìn)入油箱1氣相空間，降低氣相空間氧氣濃度，達(dá)到惰化目的。

3)實施例3：

本實施例是惰氣經(jīng)膨脹機(jī)后冷卻燃油混合氣的催化重整進(jìn)行油箱惰化，結(jié)合圖3可見，該系統(tǒng)與實施例1和實施例2的差別在于從回?zé)崞?熱通道出來的惰氣通過管道進(jìn)入膨脹機(jī)16，膨脹機(jī)16惰氣出口與油冷凝器4冷側(cè)通道入口相連，油冷凝器冷側(cè)通道出口與油箱惰氣入口連接。

本實施例的工作過程如下：

從回?zé)崞?熱通道流出的惰氣通過管道流入膨脹機(jī)16，降壓后流入油冷凝器4冷側(cè)通道進(jìn)行換熱后由油箱1惰氣入口進(jìn)入油箱氣相空間，降低混合氣氧氣濃度。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下還可以作出若干改進(jìn)，這些改進(jìn)也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。