分子篩制氧在直升機(jī)上的應(yīng)用

張虎

摘? ?要：分子篩制氧作為航空制氧技術(shù)之一日趨成熟。直升機(jī)飛行高度有限、乘員數(shù)量少，在供氧需求上有一定特殊性。根據(jù)高原直升機(jī)使用條件和需求，設(shè)計(jì)適用于高原直升機(jī)制氧和供氧設(shè)備，是當(dāng)前西部大開發(fā)戰(zhàn)略中對(duì)人員安全、任務(wù)實(shí)施等方面保障的迫切需要。引用直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮空氣是有利的一面，但是也要妥善處理氣源調(diào)整設(shè)備，這是使用制氧機(jī)安全制氧的前提。文章在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了分析與研究。

關(guān)鍵詞：分子篩制氧;高原直升機(jī);氣源處理裝置

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，東西部發(fā)展熱潮此起彼伏，再加上人類對(duì)自然資源的渴求和充分利用，政府和國民的目光已經(jīng)不局限于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海、平原、江河等傳統(tǒng)地域，吹響了向深海、高原甚至太空開發(fā)的號(hào)角。本文研究的供氧裝置就是為了滿足人員在高海拔地區(qū)或者空中飛行器中活動(dòng)需要而開發(fā)設(shè)計(jì)的。

眾所周知，空氣密度隨著海拔高度的升高而降低，單位體積空氣中的氧氣含量（氧分壓）也隨之下降。隨著海拔的升高和氧分壓的下降，供氧不足易使人員產(chǎn)生一系列生理和病理改變。在此環(huán)境下，上機(jī)體出現(xiàn)急性高原病癥狀，如頭昏、頭痛、惡心、嘔吐、心慌、氣短、煩躁、食欲減退和乏力等。在海拔5 000 m以上高原，人員體力和思維能力受到明顯影響甚至喪失[1]。所以超過此高度后，必須補(bǔ)充一定數(shù)量的氧氣以保證人員生命安全。

目前，比較主流的高原供氧裝置有膜分離供氧裝置供氧、分子篩供氧裝置供氧、高壓氧氣瓶供氧等。高壓氧氣瓶適用于緊急狀況下供氧，供氧時(shí)間短，不能連續(xù)供氧，遠(yuǎn)離補(bǔ)給點(diǎn)時(shí)保障困難，額外增加保障維護(hù)成本。膜分離供氧裝置是在常溫和恒定的壓力下將空氣中的氧氣和氮?dú)膺M(jìn)行分離，沒有相變和再生過程，是一個(gè)連續(xù)的、靜態(tài)的分離過程。膜分離出來的氧氣純度只能到50%，質(zhì)量濃度偏低，在較復(fù)雜環(huán)境下不能滿足供氧要求。分子篩制氧設(shè)備采用變壓吸附原理物理分離空氣中的氧氣和氮?dú)?，氧氣質(zhì)量濃度可以達(dá)到90%以上，比膜分離供氧裝置工作產(chǎn)氧穩(wěn)定?；瘜W(xué)制氧技術(shù)是最早也是應(yīng)用廣泛的制氧技術(shù)，包括水電解法、超氧化物氧氣再生和氯酸鹽氧燭熱分解等方法，技術(shù)和設(shè)備發(fā)展都比較成熟，但是不適用于人員使用，裝備缺點(diǎn)較多[2]。

1? ? 航空供氧概況

各類固定翼飛機(jī)一般飛行高度在7 000 m以上，必須要給飛行員和乘客提供氧氣保障。民航客機(jī)一般通過艙內(nèi)空氣加壓方式增加氧氣濃度，方法簡單易行。在緊急情況下，乘客需要使用供氧面罩，如有需要會(huì)迅速降低飛行高度。軍用飛機(jī)由于執(zhí)行任務(wù)的特殊性和殘酷性，無法保障氣艙密閉，多采用面罩供氧方式。面罩供氧的氧氣來源開始是鋼瓶供氧，逐漸發(fā)展為機(jī)載制氧，提高連續(xù)供氧能力，除了呼吸使用，還有其他多種用途。

直升機(jī)一般飛行高度在6 000 m以下，目前流行的各種機(jī)型還沒有成熟的供氧方案，鋼瓶氣氧和分子篩制氧都有所嘗試。隨著我國西部大開發(fā)經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的推進(jìn)，在高原地區(qū)從事經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的人員數(shù)量和范圍不斷擴(kuò)大，作為生命保障系統(tǒng)之一的供氧問題越來越得到重視，隨著直升機(jī)使用頻率和范圍增加帶來的供氧需求越來越大，研究和推廣直升機(jī)供氧設(shè)備變得十分迫切。

2? ? 分子篩供氧原理和方案

航空供氧裝置主要為高空飛行器提供人員呼吸用氧，屬于飛行器環(huán)控系統(tǒng)的一部分，可以采用彌散式或面罩供氧。本文方案適用于小型飛機(jī)，飛行高度不高，機(jī)組和乘客較少的情況，采用面罩供氧。

2.1? 設(shè)備組成

供氧裝置由氣源處理裝置、制氧機(jī)、氧調(diào)器（若干，機(jī)組和特別人員適用）、供氧管路及供氧面罩（若干）組成。

氣源處理裝置安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)隔艙，制氧機(jī)安裝機(jī)艙尾部的設(shè)備艙，氧調(diào)器配置在機(jī)組人員和特別人員座位旁易于操作的位置，面罩掛裝并緊固。供氧管路采用硬管合理布線至各氧調(diào)器處。

2.2? 分析和計(jì)算

供氧裝置采用分子篩變壓吸附技術(shù)進(jìn)行制氧，利用空氣在不同的壓力狀態(tài)下氧氣和氮?dú)庠诜肿雍Y上吸附能力的差異，實(shí)現(xiàn)氧氣和氮?dú)獾姆蛛x[3]。設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮分子篩材料選擇與制氧工藝流程兩個(gè)方面。選擇合適的分子篩材料與制氧工藝流程，可以提高制氧效率，減小供氧裝置的體積與重量。

2.2.1? 分子篩材料選擇

傳統(tǒng)A類分子篩，粒徑Φ1.6 mm～2.5 mm，堆密度約0.6 g/mL，N2吸附量>10 mL/g，氮氧分離系數(shù)>2.8，產(chǎn)氧能力約180 Nm3/h·t，其氮吸附容量與氮、氧分離系數(shù)較低[4]。設(shè)計(jì)要求滿足多人用氧時(shí)，所需的分子篩床數(shù)量較多，體積較大，重量較重。

采用X型分子篩材料，提高分離效率和氮、氧分離系數(shù)（即平衡選擇性），減小結(jié)構(gòu)尺寸，增加氮吸附容量，易脫附。這種分子篩氮吸附容量比普通A型制氧分子篩大1.5～2倍，氮、氧分離系數(shù)是A型制氧分子篩的1.5倍左右，同樣的分子篩床數(shù)量，制氧量可達(dá)原來產(chǎn)量的3倍[5]。

2.2.2? 制氧工藝流程

隨著海拔的逐漸升高，空氣越來越稀薄，空氣壓縮機(jī)產(chǎn)量逐漸降低。在7 000 m海拔時(shí)，空氣壓縮機(jī)產(chǎn)量只有平原的41%。傳統(tǒng)制氧工藝空氧氣耗比一般在13∶1左右，空氣消耗較高。本方案針對(duì)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)閥控制的制氧工藝進(jìn)行改進(jìn)，采用6步法循環(huán)工藝流程進(jìn)行制氧，可降低空氧氣耗比。

本方案設(shè)計(jì)采用A，B兩分子篩床，并使用電磁閥替代旋轉(zhuǎn)閥，在原有的A分子篩床吸附（B分子篩床解吸）、B分子篩床吸附（A分子篩床解吸）的兩步循環(huán)時(shí)序中，增加均壓和反吹時(shí)序，形成6步法循環(huán)時(shí)序：A分子篩床吸附、A→B均壓、B分子篩床反吹、B分子篩床吸附、B→A均壓、A分子篩床反吹。整個(gè)工藝時(shí)序周期約在15 s左右，空氧氣耗比為9∶1左右。

2.2.3? 計(jì)算與驗(yàn)證

按照每個(gè)乘員在BTPS狀態(tài)下的供氣量為15 L/min，應(yīng)急狀態(tài)的供氣量14 L/min。即按每個(gè)乘員在BTPS狀態(tài)下的供氣量為15 L/min進(jìn)行計(jì)算，折算到NTPD狀態(tài)下，每個(gè)乘員的吸氣量為13.35 L/min，根據(jù)座艙的高度不同，各個(gè)高度下的每個(gè)乘員的吸氣量如表1所示。