一种抑制燃油结焦的系统及其工作方法与流程

本发明属于航空系统技术领域，涉及一种燃油系统，尤其涉及一种抑制燃油结焦的系统及其工作方法。

背景技术：

飞机飞行马赫数的提高可以提高飞行速度，增强其机动性能，但也伴随着飞行气动加热的加剧，导致飞机热负荷增加。使用传统的机载制冷系统降低飞机热负荷将导致飞机重量增大，同时发动机引气量增大影响发动机性能，产生安全隐患。而使用油箱内的大量燃油作为热沉，可有效减少换热所需发动机引气，同时减轻制冷系统质量，此方法已开始应用于现役军机和民机。但燃油温度升高会使燃油中溶解氧与其发生氧化反应而结焦，结焦产物进入输油管路将导致燃油借给受阻甚至导致发动机突然停机，对飞行安全产生极大威胁。

《斯特林发动机燃油喷嘴结焦特性与抑制方法研究》与《燃油结焦影响因素及抑制方法综述》公开了燃油结焦的影响因素包括溶解氧含量，通过对柴油进行脱氧处理，结焦抑制率可达80％以上等内容，但其仅仅是说明了燃油中溶解氧含量是影响燃油结焦的一个因素，并未给出降低燃油中溶解氧的具体方法。发明申请cn201811566600公开了一种直升机燃油箱惰化系统，但其是将惰性气体经过燃油箱底部与燃油充分混合，置换出燃油中溶解的氧气。而发明申请cn202110025487公开了一种膜制氮与燃料电池耦合的燃油箱惰化系统及使用方法，但仅仅是降低了油箱气相空间的氧浓度，并未提及降低液态燃油中的溶解氧浓度。

技术实现要素：

针对上述现有技术的缺陷，本发明提出了一种抑制燃油结焦的系统及其工作方法，将惰性气体与燃油通入多孔介质作固定床的接触器中，相互接触，气液界面不断改变，从而使其独立于气泡大小或重力。这种不断变化和更新的界面显著增强了溶解氧从液体燃料到惰性气体的传质能力。当燃油和惰性气体在接触器中结合后，产生的“泡沫”被送至气液分离器，在那里泡沫被打破，脱氧燃油从现在充满氧气的混合气体中被分离出来。含有氧及燃油蒸气的混合气体被送入催化反应器中进行低温催化反应，产生二氧化碳和水，水被冷却析出除去，剩下主要由氮气和二氧化碳组成的惰性气体被重新加压并再次循环。

为实现上述目的，本发明提供一种抑制燃油结焦的系统，具有这样的特征：包括第一油箱、惰性气体循环管道、接触器、油气分离器、第一换热器、第一检测单元、补气管道、第二检测单元、加热器、催化反应器、第二换热器和水分离器；

第一油箱的出口通过管道与接触器的液体入口连接，第一油箱与接触器之间的管道上设有第一燃油泵；惰性气体循环管道与接触器的气体入口连接，惰性气体循环管道上设有循环泵；接触器的泡沫出口通过管道与油气分离器泡沫入口连接；

油气分离器的燃油出口通过管道与第一换热器的冷侧通道的入口连接；第一换热器冷侧通道的出口与发动机连接；

第一检测单元包括第一氧浓度传感器；第二检测单元包括第二氧浓度传感器；

油气分离器的气体出口通过管道与加热器的入口连接；第一氧浓度传感器和第二氧浓度传感器按气体流经方向依次设置在油气分离器与加热器之间的管道上，检测管道内气体的溶解氧浓度；补气管道的一端与油气分离器与加热器之间的管道连通，连通处位于第一氧浓度传感器和第二氧浓度传感器之间，补气管道上设有补气阀；

加热器的出口通过管道与催化反应器的反应通道的入口连接；催化反应器反应通道的出口通过管道与第二换热器的热侧通道的入口连接；第二换热器热侧通道的出口通过管道与水分离器的入口连接；

催化反应器的冷侧通道的入口和第二换热器的冷侧通道的入口均通有冷却气体，催化反应器冷侧通道的出口和第二换热器冷侧通道的出口均通过管道与第一换热器的热侧通道的入口连接；

水分离器的气体出口与惰性气体循环管道连接。

进一步，本发明提供一种抑制燃油结焦的系统，还可以具有这样的特征：其中，所述第一油箱配有第一油箱溶解氧浓度传感器，检测第一油箱内燃油的溶解氧浓度。

进一步，本发明提供一种抑制燃油结焦的系统，还可以具有这样的特征：其中，系统还包括自动控制器；自动控制器与所述第一油箱溶解氧浓度传感器、循环泵、第一燃油泵、第一氧浓度传感器、补气阀、第二氧浓度传感器和加热器电连接；第一油箱溶解氧浓度传感器、第一氧浓度传感器和第二氧浓度传感器将检测数据传输给自动控制器；自动控制器控制循环泵、第一燃油泵、补气阀和加热器工作。

进一步，本发明提供一种抑制燃油结焦的系统，还可以具有这样的特征：其中，系统还包括第二油箱；所述油气分离器的燃油出口还通过管道与第二油箱的入口连接；油气分离器与第一换热器之间的管道上设有第一控制阀；油气分离器与第二油箱之间的管道上设有第二控制阀；第二油箱的出口通过管道与所述第一换热器的冷侧通道的入口连接，第二油箱与第一换热器之间的管道上设有第二燃油泵；第一控制阀、第二控制阀和第二燃油泵均与自动控制器电连接，自动控制器控制第一控制阀、第二控制阀和第二燃油泵工作。

进一步，本发明提供一种抑制燃油结焦的系统，还可以具有这样的特征：其中，所述第一油箱还配有第一油箱温度传感器和第一油箱压力传感器，分别检测第一油箱内的温度和压力；第一油箱温度传感器和第一油箱压力传感器与所述自动控制器电连接，将检测数据传输给自动控制器。

进一步，本发明提供一种抑制燃油结焦的系统，还可以具有这样的特征：其中，所述第二油箱还配有第二油箱温度传感器、第二油箱压力传感器和第二油箱溶解氧浓度传感器，分别检测第二油箱内的温度、压力及燃油的溶解氧浓度；第二油箱温度传感器、第一油箱压力传感器和第二油箱溶解氧浓度传感器均与所述自动控制器电连接，将检测数据传输给自动控制器。

进一步，本发明提供一种抑制燃油结焦的系统，还可以具有这样的特征：其中，所述第一检测单元还包括第一温度传感器、第一压力传感器和第一流量传感器，均设置在所述油气分离器与加热器之间的管道上，且位于其与补气管道连通处之前，检测管道内气体的温度、压力及流量；所述第二检测单元还包括第二温度传感器、第二压力传感器和第二流量传感器，均设置在所述油气分离器与加热器之间的管道上，且位于其与补气管道连通处之前后，检测管道内气体的温度、压力及流量；第一温度传感器、第一压力传感器、第一流量传感器、第二温度传感器、第二压力传感器和第二流量传感器均与所述自动控制器电连接，将检测数据传输给自动控制器。

进一步，本发明提供一种抑制燃油结焦的系统，还可以具有这样的特征：其中，系统还包括第三检测单元；第三检测单元包括第三温度传感器、第三压力传感器、第三流量传感器、第三氧浓度传感器和二氧化碳浓度传感器，均设置在所述水分离器与接触器之间的惰性气体循环管道上，且位于循环泵之前，检测管道内气体的温度、压力、流量、溶解氧浓度及二氧化碳浓度；第三温度传感器、第三压力传感器、第三流量传感器、第三氧浓度传感器和二氧化碳浓度传感器均与所述自动控制器电连接，将检测数据传输给自动控制器。

进一步，本发明提供一种抑制燃油结焦的系统，还可以具有这样的特征：其中，系统还包括水处理器和储水箱；所述水分离器的液体出口通过管道依次与水处理器和储水箱连接。

本发明还提供上述抑制燃油结焦系统的工作方法，具有这样的特征：

当第一油箱中燃油的溶解氧浓度高于规定值时，开启循环泵、第一燃油泵、加热器；循环泵将惰化气体送入接触器中，第一燃油泵将第一油箱中的燃油送入接触器中；惰化气体与燃油在接触器中相互接触结合，溶解氧从液体燃料转移至惰性气体，以泡沫状态被送至油气分离器中；在油气分离器中泡沫被打破，脱氧燃油从充满氧气的混合气体中被分离出来；溶解氧被除去的燃油在第一换热器中被预热，然后送至发动机燃烧；含有氧气及燃油蒸气的混合气体先后流经第一氧浓度传感器、第二氧浓度传感器后，在加热器中被加热，然后进入催化反应器进行低温催化氧化反应，产生二氧化碳和水；反应后的高温混合气体在第二换热器中被冷却气体冷却后，在水分离器析出液态水；产生的干燥惰化气体在循环泵的作用下，继续下一循环；

冷却气体吸收催化反应器、第二换热器的热量后，在第一换热器中为燃烧前的燃油加热；

当第一氧浓度传感器检测到的油气分离器后的混合气体中氧气不够与燃油蒸气反应时，开启补气阀，补入外界的空气。

本发明的有益效果在于：本发明提出了一种抑制燃油结焦的系统及其工作方法，是一种降低燃油中溶解氧含量的具体实施方法，将惰性气体与燃油通入多孔介质作固定床的接触器中相互接触，增强溶解氧从液体燃料到惰性气体的传质能力。产生的“泡沫”被送至油气分离器，泡沫被打破，脱氧燃油从充满氧气的混合气体中被分离出来。含有氧气及燃油蒸气的混合气体被送入催化反应器中进行低温催化反应，产生二氧化碳和水，水被冷却析出除去，剩下主要由氮气和二氧化碳组成的惰性气体被重新加压进行下一次循环。具体包括以下优点：

一、燃油中的溶解氧被除去，在抑制燃油结焦的同时，还可提高燃油热稳定性；

二、带有外界补气系统，当从燃油中析出的溶解氧不够与燃油蒸气反应时，补入外界的空气，反应效率高；

三、析出的氧参与催化氧化反应，重新生成惰性气体，充分利用；反应生成的水被处理收集，可作生活用水；

四、系统紧凑、高效、轻量。

附图说明

图1是抑制燃油结焦的系统及工作方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。以下仅为本发明一部分实施例，非全部实施例。基于本发明实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种抑制燃油结焦的系统，包括第一油箱22、惰性气体循环管道39、接触器2、油气分离器3、第一换热器28、第一检测单元、补气管道38、第二检测单元、加热器13、催化反应器14、第二换热器15和水分离器16。

接触器2由多孔介质作固定床，包含气体入口、液体入口和泡沫出口，气体入口进入的气体与液体入口进入的液体在接触器2内充分接触结合后以泡沫状态从泡沫出口排出。油气分离器3包含泡沫入口、燃油出口、气体出口，泡沫入口进入的泡沫在油气分离器3中分离，液体从燃油出口排出，气体从气体出口排出。第一换热器28和第二换热器15均包含热侧通道、冷侧通道，冷侧通道内的流动介质被热侧通道内的流动介质加热，同时热侧通道内的流动介质被冷侧通道内的流动介质冷却。催化反应器14包含反应通道、冷侧通道，燃油蒸汽与氧气在反应通道内催化燃烧生产co2和水，冷侧通道内的流动介质吸收反应产生的热量。水分离器16包含一个入口、气体出口、液体出口，入口进入的气水混合物在水分离器16中分离，液体从液体出口排出，气体从气体出口排出。

第一油箱22的出口通过管道与接触器2的液体入口连接，第一油箱22与接触器2之间的管道上设有第一燃油泵23。惰性气体循环管道39与接触器2的气体入口连接，惰性气体循环管道39上设有循环泵1。接触器2的泡沫出口通过管道与油气分离器3泡沫入口连接。

油气分离器3的燃油出口通过管道与第一换热器28的冷侧通道的入口连接。第一换热器28冷侧通道的出口与发动机连接。

第一检测单元包括第一氧浓度传感器7。第二检测单元包括第二氧浓度传感器12。

油气分离器3的气体出口通过管道与加热器13的入口连接。第一氧浓度传感器7和第二氧浓度传感器12按气体流经方向依次设置在油气分离器3与加热器13之间的管道上，检测管道内气体的溶解氧浓度。补气管道38的一端与油气分离器3与加热器13之间的管道连通，连通处位于第一氧浓度传感器7和第二氧浓度传感器12之间，补气管道38上设有补气阀8。

加热器13的出口通过管道与催化反应器14的反应通道的入口连接。催化反应器14反应通道的出口通过管道与第二换热器15的热侧通道的入口连接。第二换热器15热侧通道的出口通过管道与水分离器16的入口连接。

催化反应器14的冷侧通道的入口和第二换热器15的冷侧通道的入口均通有冷却气体，催化反应器14冷侧通道的出口和第二换热器15冷侧通道的出口均通过管道与第一换热器28的热侧通道的入口连接，第一换热器28热侧通道的出口与外界相通。

水分离器16的气体出口与惰性气体循环管道39连接。

其中，第一油箱22配有第一油箱溶解氧浓度传感器26，检测第一油箱22内燃油的溶解氧浓度。具体的，第一油箱溶解氧浓度传感器26通过探杆与第一油箱22连接，探杆伸入燃油内。

系统还包括自动控制器36。自动控制器36与第一油箱溶解氧浓度传感器26、循环泵1、第一燃油泵23、第一氧浓度传感器7、补气阀8、第二氧浓度传感器12和加热器13电连接。第一油箱溶解氧浓度传感器26、第一氧浓度传感器7和第二氧浓度传感器12将检测数据传输给自动控制器36。自动控制器36控制循环泵1、第一燃油泵23、补气阀8和加热器13工作。

通过设置第一油箱溶解氧浓度传感器26和自动控制器36实现系统的自动检测、控制、启动等。

其中，系统还包括第二油箱30。

油气分离器3的燃油出口还通过管道与第二油箱30的入口连接。油气分离器3与第一换热器28之间的管道上设有第一控制阀27。油气分离器3与第二油箱30之间的管道上设有第二控制阀29。第二油箱30的出口通过管道与第一换热器28的冷侧通道的入口连接，第二油箱30与第一换热器28之间的管道上设有第二燃油泵37。第一控制阀27、第二控制阀29和第二燃油泵37均与自动控制器36电连接，自动控制器36控制第一控制阀27、第二控制阀29和第二燃油泵37工作。

其中，第一油箱22还配有第一油箱温度传感器24和第一油箱压力传感器25，分别检测第一油箱22内的温度和压力，具体的，第一油箱温度传感器24通过探杆与第一油箱22连接，探杆伸入油箱气相空间。第一油箱压力传感器25通过探杆与第一油箱22连接。第一油箱温度传感器24和第一油箱压力传感器25与自动控制器36电连接，将检测数据传输给自动控制器36。

第二油箱30还配有第二油箱温度传感器31、第二油箱压力传感器32和第二油箱溶解氧浓度传感器33，分别检测第二油箱30内的温度、压力及燃油的溶解氧浓度，具体的，第二油箱温度传感器31通过探杆与第二油箱30连接，探杆伸入油箱气相空间。第二油箱压力传感器32通过探杆与第二油箱30连接。第二油箱溶解氧浓度传感器33通过探杆与第二油箱30连接，探杆伸入燃油内。第二油箱温度传感器31、第一油箱压力传感器25和第二油箱溶解氧浓度传感器33均与自动控制器36电连接，将检测数据传输给自动控制器36。

其中，第一检测单元还包括第一温度传感器4、第一压力传感器5和第一流量传感器6，均设置在油气分离器3与加热器13之间的管道上，且位于其与补气管道38连通处之前。具体的，第一温度传感器4、第一压力传感器5、第一流量传感器6和第一氧浓度传感器7按气体流经方向依次设置在管道上，检测相应位置管道内气体的温度、压力及流量。

第二检测单元还包括第二温度传感器9、第二压力传感器10和第二流量传感器11，均设置在油气分离器3与加热器13之间的管道上，且位于其与补气管道38连通处之前后。具体的，第二温度传感器9、第二压力传感器10、第二流量传感器11和第二氧浓度传感器12按气体流经方向依次设置在管道上，检测相应位置管道内气体的温度、压力及流量。

第一温度传感器4、第一压力传感器5、第一流量传感器6、第二温度传感器9、第二压力传感器10和第二流量传感器11均与自动控制器36电连接，将检测数据传输给自动控制器36。

其中，系统还包括第三检测单元。

第三检测单元包括第三温度传感器17、第三压力传感器18、第三流量传感器19、第三氧浓度传感器20和二氧化碳浓度传感器21，按气体流经方向依次均设置在水分离器16与接触器2之间的惰性气体循环管道39上，且位于循环泵1之前，检测相应位置管道内气体的温度、压力、流量、溶解氧浓度及二氧化碳浓度。第三温度传感器17、第三压力传感器18、第三流量传感器19、第三氧浓度传感器20和二氧化碳浓度传感器21均与自动控制器36电连接，将检测数据传输给自动控制器36。

其中，系统还包括水处理器34和储水箱35。水分离器16的液体出口通过管道依次与水处理器34和储水箱35连接。

抑制燃油结焦系统的工作方法：

当第一油箱溶解氧浓度传感器26检测到第一油箱22中燃油的溶解氧浓度高于规定值时，自动控制器36控制循环泵1、第一燃油泵23、第一控制阀27、加热器13开启。循环泵1将惰化气体送入接触器2中，第一燃油泵23将第一油箱22中的燃油送入接触器2中。惰化气体与燃油在接触器2中相互接触，气液界面不断改变，从而使其独立于气泡大小或重力，这种不断变化和更新的界面显著增强了溶解氧从液体燃料到惰性气体的传质能力。当燃油和惰性气体在接触器2中结合后，产生的“泡沫”被送至油气分离器3中，泡沫被打破，脱氧燃油从充满氧气的混合气体中被分离出来。溶解氧被除去的燃油流经第一控制阀27后，在第一换热器28中被预热，然后送至发动机燃烧。含有氧气及燃油蒸气的混合气体先后流经第一温度传感器4、第一压力传感器5、第一流量传感器6、第一氧浓度传感器7、第二温度传感器9、第二压力传感器10、第二流量传感器11、第二氧浓度传感器12后，在加热器13中被加热，然后进入催化反应器14进行低温催化氧化反应，产生二氧化碳和水。反应后的高温混合气体在第二换热器15中被冷却气体冷却后，在水分离器16析出液态水。产生的干燥惰化气体依次流经第三温度传感器17、第三压力传感器18、第三流量传感器19、第三氧浓度传感器20、第一二氧化碳浓度传感器21后，在循环泵1的作用下，继续下一循环。

冷却气体吸收催化反应器14、第二换热器15的热量后，在第一换热器28中为燃烧前的燃油加热，加热后的气体排至机外。水分离器16产生的液态水在水处理器34中被处理后，流入储水箱35中，可用作生活用水。

当产生的低氧燃油过剩时，开启第二控制阀29，将低氧燃油储存于第二油箱30中，同时可以由第二燃油泵37将第二油箱30中的燃油泵出加以利用。

当第一氧浓度传感器7检测到的油气分离器3后的混合气体中氧气不够与燃油蒸气反应时，开启补气阀8，补入外界的空气，来保证反应效率。第二氧浓度传感器12核对再次确保加热前气体中的氧气浓度。

本系统为封闭循环系统，初始启动时循环泵1将管道内的空气送入接触器2，经循环反应后形成惰性气体。