基于热量回收的节能清洁型环控与油箱惰化耦合系统

本发明涉及飞行器机载机电，具体为一种基于热量回收的节能清洁型环控与油箱惰化耦合系统。

背景技术：

1、飞机在飞行过程中，空气受到强烈的压缩和摩擦作用，会产生强烈的气动热，同时，新一代飞机的机载航电设备、机载机电设备的高热载荷也会大大增加，使得飞机热防护的设计将面临严峻的挑战。而传统的热防护系统通常采用耐高温耐腐蚀复合材料进行散热，同时也会有部分热量通过复合材料结构进入到机体内，不仅会造成大量热量浪费，而且对机体内的热管理系统提出更高的要求。

2、与此同时，飞机的飞行安全问题一直是社会关注的话题，而飞机油箱的安全又是飞机正常飞行的重要保障之一。必须采取相应的措施阻止飞机油箱爆炸，现阶段最经济高效可行的手段是机载油箱惰化技术，通过空气分离模块将气体分为富氮气体和富氧气体，富氮气体通入油箱中，降低油箱中气相空间氧气浓度，实现对油箱惰化保护，富氧气体经压气机增压后送入座舱提高氧含量。但是，传统飞机环境控制系统、油箱惰化系统等相对独立，各个系统的能量没有集中管理、合理分配，造成大量能量浪费。

3、现有的飞机环境控制系统、油箱惰化系统大多是从飞机发动机引气，而发动机引气则会带来一系列不利之处，一方面发动机引气会影响飞机的飞行性能，造成燃油代偿损失增加，另一方面高温高压的气体进入油箱惰化系统，可能会造成燃油的自燃，最终导致油箱爆炸。

技术实现思路

1、针对背景技术中所涉及的技术缺陷，本发明提供了一种基于热量回收的节能清洁型环控与油箱惰化耦合系统，利用回收的能量驱动高增压比空气离心压气机，抽吸外部冲压空气并压缩升温增压，以满足环控系统制冷、座舱增压等需求。

2、本发明采用以下技术方案：

3、本发明公开了一种基于热量回收的节能清洁型环控与油箱惰化耦合系统，包含相变储热器、第一冷却涡轮、第一冷凝器、泵、高增压比空气离心压气机、再生式热交换器、次级热交换器、三通阀、空气分离模块、控制阀、火焰抑制器、油箱、空气离心压气机、风扇、回热器、第二冷却涡轮、第二冷凝器、水分离器、自清洁式初效空气过滤器、气体混合室、自清洁式中效空气过滤器、自清洁式高效空气过滤器、座舱、自清洁式中效空气过滤回风装置；

4、所述相变储热器回收热防护系统热量，依次接于第一冷却涡轮、第一冷凝器、泵，最后回到相变储热器，形成闭式循环系统；

5、所述高增压比空气离心压气机的入口接机体外部冲压空气，出口依次接再生式热交换器的热侧通道、次级热交换器的热侧通道；

6、所述次级热交换器热侧通道的一端接于三通阀，经三通阀后的气体分为两路，一路接于空气分离模块气体入口，另一路依次接于回热器的热通道侧、第二冷凝器的热通道侧、水分离器；

7、所述水分离器分离出来的液态水喷于次级热交换器冷通道侧的入口；水分离器的出口依次接于回热器的冷通道侧、第二冷却涡轮、第二冷凝器的冷通道侧、自清洁式初效空气过滤器、气体混合室的新风入口；

8、所述气体混合室的混合气体经过自清洁式中效空气过滤器、自清洁式高效空气过滤器后送入座舱；所述座舱的排风通道接于再生式热交换器冷通道侧；座舱的回风通道依次接于自清洁式中效空气过滤回风装置、气体混合室回风入口；

9、所述第一冷却涡轮、高增压比空气离心压气机共轴连接，第一冷却涡轮输出功率驱动高增压比空气离心压气机；所述风扇、空气离心压气机、第二冷却涡轮共轴连接，第二冷却涡轮输出功率驱动风扇和空气离心压气机；

10、所述空气分离模块包括气体入口、富氧气体出口和富氮气体出口，空气分离模块将进入气体入口的气体分离为富氧气体和富氮气体；富氧气体出口依次连接于空气离心压气机、气体混合室的增压供氧入口；富氮气体出口依次连接于控制阀、火焰抑制器、油箱；

11、所述再生式热交换器的冷通道侧一端接座舱排气，另一端与外界相通；所述次级热交换器的冷通道侧一端接冲压空气，另一端接风扇与外界相通；所述风扇用来抽吸冲压空气并将其排出机体外；

12、所述气体混合室的混合气体出口依次接于自清洁式中效空气过滤器、自清洁式高效空气过滤器，将过滤后的洁净气体送入座舱；

13、所述气体混合室包括新风入口、增压供氧入口、回风入口和混合气体出口，新风入口与自清洁式初效空气过滤器的出口相连接，增压供氧入口与空气离心压气机的出口相连接，回风入口与自清洁式中效空气过滤回风装置相连接，混合气体出口与自清洁式中效空气过滤器入口相连接。

14、一种基于热量回收的节能清洁型环控与油箱惰化耦合系统的工作方法，基于相变储热器实现热量回收，用回收的能量驱动高增压比空气离心压气机，满足系统引气输送和制冷需求，基于空气分离模块实现空气分离和制氮供氧，将空气分离为富氮气体和富氧气体，富氮气体进入油箱实现对油箱的惰化保护，富氧气体经空气离心式压气机提升压力实现座舱增氧，环控系统基于自清洁式初效空气过滤器、自清洁式中效空气过滤器和自清洁式高效空气过滤器的三级自清洁式过滤，完成洁净空气过滤过程。

15、作为优选，所述热量回收过程具体为：热防护系统的热量传导给相变储热器，经过泵输送的液态制冷剂进入相变储热器中，吸收大量热量后变成高温高压的蒸汽，随后进入第一冷却涡轮膨胀做功，膨胀后的蒸汽经过第一冷凝器冷凝变为液态制冷剂，再次由泵将液态制冷剂输送给相变储热器，如此循环，以实现热量的不断回收利用；

16、作为优选，所述引气输送与制冷过程具体为：冲压空气首先进入第一冷却涡轮驱动的高增压比离心压气机升温增压，由高增压比离心压气机供给的高温高压气体经过再生式热交换器预冷，冷源由座舱排气提供，经再生式热交换器冷却后的气体经过次级热交换器再次冷却，冷源由风扇抽吸的冲压空气提供，经过次级热交换器冷却后的气体经过三通阀分为两路，一路进入油箱惰化系统空气分离模块，另一路经过回热器热侧通道进入冷凝器热侧通道入口，在冷凝器中利用第二冷却涡轮出口的冷空气冷却后，通过水分离器分离液态水，分离出来的液态水喷于次级热交换器冷通道侧的冲压空气入口；经回热器冷侧通道进入第二冷却涡轮膨胀降温，随后进入冷凝器冷侧通道入口，经过冷凝器的气体经过自清洁式初效过滤器，经初次过滤后的气体进入气体混合室；

17、作为优选，所述空气分离和制氮供氧过程具体为：经三通阀分开的另一路气体进入油箱惰化系统空气分离模块，气体被分离为富氧气体和富氮气体，富氧气体经过第二冷却涡轮输出功率驱动的空气离心压气机增压，随后进入气体混合室；富氮气体经过控制阀，火焰抑制器进入油箱，降低油箱气相空间氧气浓度，实现对油箱惰化保护；

18、作为优选，所述洁净空气过滤过程具体为：经过空气离心压气机增压的富氧气体、经过自清洁式初效空气过滤器初次过滤的气体以及经过自清洁式中效空气过滤回风装置过滤的座舱回风在气体混合室混合，混合后的气体经过自清洁式中效空气过滤器进行二次过滤，最后经过自清洁式高效过滤器送入座舱，如此循环，可以在一定时间内将座舱洁净空间的污染控制在一个相对稳定的水平。

19、本发明采用以上技术方案与现有技术方案相比，具有以下有益效果：

20、1)本发明解决了传统飞机需要从发动机引气而导致性能降低、燃油代偿损失增大的问题，利用热量回收系统回收的能量驱动高增压比空气离心压气机，抽吸外部冲压气并压缩升温增压，以满足环境控制系统制冷、座舱增压等需求，无需从发动机引气，降低飞机代偿损失，提高能量利用效率，节约能源。

21、2)本发明解决了传统飞机初级热交换器需要冲压空气作为冷源导致设备重量增加、飞机阻力增大的问题，利用座舱排气作为再生式热交换器的冷源，实现对高温高压气体预冷，充分回收利用了座舱排放的废气，减少冲压空气的量，减小飞机阻力，减轻换热器重量。

22、3)本发明解决了传统飞机需要增加单独压气机对富氧气体增压的问题，利用环境控制系统中的冷却涡轮驱动压气机，对油箱惰化系统分离出来的富氧气体提升压力，实现座舱增氧，减轻设备重量。

23、4)本发明解决了传统飞机可能存在的座舱病毒交叉感染的问题，环境控制系统采用三级自清洁式过滤器，能够有效防止病毒悬浮物沉积，阻止流行病的传播，保证机组人员的健康和安全。