析水及溶解逸出對催化惰化系統(tǒng)性能影響

彭孝天，馮詩愚，陳 晨，張瑞華，潘 俊，王洋洋

(1.南京航空航天大學 航空學院,南京 210016；2.飛行器環(huán)境控制與生命保障工業(yè)和信息化部重點實驗室(南京航空航天大學)，南京 210016；3.航空機電系統(tǒng)綜合航空科技重點實驗室(南京機電液壓工程研究中心)，南京 211106)

近50年來，全球范圍內(nèi)運輸類飛機燃油箱爆炸事故共發(fā)生18起，總計542人遇難，已成為民用航空安全的主要威脅之一[1-2].美國聯(lián)邦航空局(Federal aeronautics administration，F(xiàn)AA)和國家運輸安全部(National transportation safety board，NTSB)均認為采用燃油箱惰化技術(shù)是一種可行的措施來降低油箱的燃爆風險[3-4].目前，中空纖維膜機載制氮惰化技術(shù)(Hollow fiber membrane on-board inert gas generation system, HFM-OBIGGS)是飛機上應(yīng)用最廣的制取富氮氣體的油箱防爆技術(shù)，在波音和空客的各型飛機及國內(nèi)的C919和新舟700等機型中均使用了該技術(shù)[5-6].但從國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀來看，HFM-OBIGGS技術(shù)仍存在分離膜效率低、入口需求壓力高、污染環(huán)境等問題[7].

相關(guān)科研機構(gòu)和廠商一直致力于研究新型燃油箱防爆技術(shù)[8-9]，以克服HFM-OBIGGS的不足，而耗氧型燃油箱惰化技術(shù)具有流程簡單、效率高等優(yōu)點，近年來被認為是最可能替代HFM-OBIGGS的下一代惰化方式[10-11]，該系統(tǒng)不需要使用發(fā)動機引氣，系統(tǒng)除一個低壓泵外，無任何運動部件，因此功耗低、結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕.該系統(tǒng)不但能夠解決HFM-OBIGGS存在的需要發(fā)動機引氣的問題，而且不像纖維膜式系統(tǒng)一樣排放廢氣，因而被稱作“綠色機載惰性氣體發(fā)生系統(tǒng)”(Green on-board inert gas generation system, GOBIGGS)[12-13].

鑒于GOBIGGS明顯的技術(shù)優(yōu)勢和誘人的應(yīng)用前景，本課題組在國內(nèi)率先展開隨該技術(shù)的追蹤與研究[14-15]，并結(jié)合國產(chǎn)航空燃油飽和蒸汽壓高的特點[16-17]，提出了一種低溫可控耗氧催化惰化技術(shù)(3CIS-low temperature Controllable oxygen Consumed Catalytic Inerting System).經(jīng)過4年多的研究，目前在3CIS需求分析、系統(tǒng)構(gòu)架和權(quán)衡，特別是催化劑方面已取得一定成果.但是仍然存在大量問題亟待解決，如與HFM-OBIGGS不同的是，在3CIS系統(tǒng)中，催化反應(yīng)器中反應(yīng)會產(chǎn)生大量的水，必須將混合惰氣充分干燥，否則水蒸氣隨惰氣流回油箱，將與溫度較低的油箱壁面接觸，冷卻析出，進一步導致滋生微生物、改變?nèi)加臀镄缘葐栴}，最終影響燃油在發(fā)動機中的燃燒.

了解3CIS中反應(yīng)器后的析水量及油箱內(nèi)的水含量對除水部件的設(shè)計及系統(tǒng)性能的評價至關(guān)重要，而目前的研究中均忽略或未重點考慮該問題[18].除此之外，與HFM-OBIGGS相不同的是，3CIS系統(tǒng)需要提供冷源來冷卻催化反應(yīng)器，反應(yīng)后的高溫氣體在冷卻器中也需要被冷卻降溫. 所以，得到不同惰化條件下，催化反應(yīng)器和冷卻器中所需要的冷卻功率，可為系統(tǒng)設(shè)計提供理論支撐[19-20].因此，本文建立了3CIS數(shù)學模型，研究系統(tǒng)的產(chǎn)水及冷卻性能，并分析關(guān)鍵參數(shù)變化對其產(chǎn)生的影響.

1 惰化系統(tǒng)原理及假設(shè)

圖1為3CIS流程圖，系統(tǒng)中主要參數(shù)關(guān)系及文中參數(shù)意義均在圖1中表示，系統(tǒng)基本原理為：飛機燃油箱上部的油氣混合物在風機的抽吸作用下，流入電加熱器中被預(yù)熱，然后進入反應(yīng)器中進行低溫催化反應(yīng). 燃油蒸氣與氧氣反應(yīng)生成二氧化碳和水，反應(yīng)后的混合高溫氣體在冷卻其中被冷卻并除去液態(tài)水后，得到混合惰氣(Oxygen depleted air,ODA)，最終被注回油箱上部氣體空間進行沖洗惰化，來達到降低油箱氧濃度、惰化油箱的目的.

圖1 3CIS流程圖

文中在建立數(shù)學模型時，基于以下假設(shè)：

1)燃油雖然由復(fù)雜的碳氫化合物組成，本文認為其分子式可表示為CaHb，并且不考慮燃油分子中存在的微量元素，如氧、硫和氮等；

2)忽略油箱與外界及氣體與燃油的換熱，認為油箱溫度恒定為40 ℃；催化反應(yīng)器進出口的氣體溫度均為200 ℃，催化反應(yīng)放出的熱量被冷卻介質(zhì)冷卻帶走；冷卻器出口的混合惰氣被冷卻與油箱溫度相同；

3)利用冷卻空氣對反應(yīng)器及冷卻器進行冷卻降溫，并認為冷卻空氣冷卻前后溫差為100 ℃；

4)忽略燃油箱內(nèi)氣體的混合及氣體在燃油中逸出和溶解所需時間，并且氣體的逸出和溶解滿足平衡溶解關(guān)系；

5)油箱內(nèi)壓力與外界環(huán)境壓力一致，并且燃油蒸氣分壓與同溫度下的飽和蒸氣壓相同，并按德里蒸氣壓計算，惰化過程在海平面進行；

6)認為大氣環(huán)境和燃油中不存在水蒸氣.

2 數(shù)學模型

在催化反應(yīng)器中，反應(yīng)過程滿足式(1)，對于RP-3燃油，分子式為CaHb，其中a=10.05，b=20.42.

(1)

由于催化反應(yīng)中，即使氧氣量足夠，燃油蒸氣也不能夠完全反應(yīng)，因此可定義催化反應(yīng)器效率ηcat為

(2)

若催化反應(yīng)器進口氣體中的氧氣足量，而燃油蒸氣不足，則參與反應(yīng)的的燃油蒸氣摩爾流量按下式確定:

(3)

如果進入催化反應(yīng)器中的氧氣不足，而燃油蒸氣過量，則參與反應(yīng)的氧氣摩爾流量為

(4)

所以，催化反應(yīng)器中參與反應(yīng)的氧氣以及反應(yīng)所生成的二氧化碳和水蒸氣的摩爾流量與參與反應(yīng)的燃油蒸氣量的關(guān)系滿足:

(5)

(6)

(7)

冷卻介質(zhì)為空氣，因此由冷卻器入口氣體的溫度及相對濕度，根據(jù)焓濕圖，可確定其露點溫度Td. 并且已知冷卻器出口氣體溫度為T(單位：K)，此溫度下對應(yīng)的飽和蒸汽壓為ps.由Td與T的大小關(guān)系，可以判斷出冷卻器出口氣體是否為濕飽和狀態(tài). 從而冷卻器出口氣體的含濕量、相對濕度、焓值、水蒸氣分壓力等參數(shù)均可被確定.

選取控制體為油箱氣相空間，對O2、N2、CO2、H2O等組分建立狀態(tài)方程，即

(8)

由亨利定律計算從燃油中向氣相逸出或向液態(tài)燃油中溶解的各氣體量，并按照平衡關(guān)系計算，當壓力降低時，逸出值為正，可按下式確定:

(9)

由于，在惰化時，流入與流出油箱的氣體流量不同.因此，氣體具體流動方向，需要從油箱內(nèi)物質(zhì)變化量來確定.

當流入油箱的氣體量較多，油箱壓力變大時，油箱中的氣體按比例向外界環(huán)境排放，直至壓力與外界相同，各組分排出量滿足:

(10)

當流回燃油箱的氣體流量不足，油箱壓力降低時，則外界氣體流入油箱，且流量滿足:

(11)

(12)

補充計算條件為油箱氣相各氣體組分壓力之和與外界環(huán)境總壓力pt相同，即

pt=pU,O+pU,N+pU,C+pU,H+pU,F.

(13)

3 計算結(jié)果

計算油箱尺寸為1 m×1 m×1 m，在考慮與不考慮燃油中氣體溶解逸出兩種狀態(tài)下，計算了風機流量、載油率對3CIS生成水的性能影響，并比較了是否考慮有液態(tài)水析出對系統(tǒng)冷卻性能的影響差異.

3.1 風機流量

計算了在燃油中有、無氣體溶解逸出兩種情況下，RP-3燃油在風機流量20，30，40 L/min時，惰化系統(tǒng)的產(chǎn)水性能.首先得到油箱上部氣相空間水蒸氣體積分數(shù)及氧濃度隨惰化時間的變化，如圖2所示.由于反應(yīng)器內(nèi)反應(yīng)不斷產(chǎn)生水，而冷卻器不能將水完全除去，因此油箱上部水蒸氣占比逐漸增大.與此同時，風機流量越大，反應(yīng)強度越快，水蒸氣體積分數(shù)上升越快，但最終濃度相差不大.另外，考慮燃油逸出時，水蒸氣體積分數(shù)與不考慮燃油逸出時相比偏小，但總體相差不大.與水蒸氣占比變化相反，油箱氣相空間內(nèi)氧氣濃度逐漸降低，且風機流量越大，氧濃度下降越快；特別地，燃油中氣體溶解逸出對氧濃度影響明顯，考慮逸出時，氧濃度更高，而由于不考慮燃油中溶解的水蒸氣，因此溶解逸出主要通過氧氮的逸出間接影響水蒸氣體積分數(shù).

圖2 油箱氣相空間水蒸氣及氧濃度的變化

由于催化反應(yīng)是放熱額，所以需要提供冷卻介質(zhì)來對反應(yīng)器進行冷卻，將產(chǎn)生的熱量帶走. 如圖3所示為反應(yīng)器中所需冷卻氣體量隨惰化時間的變化關(guān)系，可以看出，所需冷卻氣體流量逐漸變小.這是因為，隨著惰化的不斷進行，油箱氣相空間氧濃度降低，導致反應(yīng)強度也逐漸減弱. 惰化剛開始時，風機流量較大，參與反應(yīng)的燃油蒸氣、氧氣較多，放熱量大，反應(yīng)器所需冷卻氣體量多.同時，油箱氣相氧濃度下降的也更快，因此惰化一段時間后，油箱抽吸的流量更大時，參與反應(yīng)的氧氣量反而更少，因此所需冷卻氣體量更低.值得注意的是，考慮燃油中氣體溶解逸出時，隨著油箱上部氧濃度的減少，燃油中的氧氣逸出，因此參與反應(yīng)的氧氣量更多，反應(yīng)放熱量也更大，反應(yīng)器中所需冷卻空氣量較不考慮溶解逸出時平均高9.1%.

圖3 反應(yīng)器中所需冷卻氣體量

除了反應(yīng)器外，冷卻器中也需要提供冷卻介質(zhì)，計算得到考慮及不考慮水析出時冷卻器中所需的冷卻氣體流量，由圖4可見，風機流量越大，冷卻器中所需冷卻氣體量更多.考慮有水析出時，冷卻器中所需冷卻氣體量較不考慮水析出時平均高33%，這是由于水蒸氣冷凝為液態(tài)水時放出大量潛熱.另外，燃油中逸出的氧氣為反應(yīng)提供原料會產(chǎn)生更多的水蒸氣，需被冷凝成液態(tài)水，故考慮水析出較不考慮水析出相比，燃油中氣體逸出對冷卻器中冷卻氣量計算結(jié)果影響更大；由于燃油中氣體溶解逸出問題在整個航程中一直存在，在高空尤甚，因此，液態(tài)水析出對催化惰化系統(tǒng)性能影響巨大.

圖4 冷卻器中所需冷卻氣體量

圖5為基于是否考慮溶解氧逸出情況，在不同風機流量下，反應(yīng)器出口相對濕度隨時間的變化.隨著惰化的進行，反應(yīng)強度逐漸減弱，反應(yīng)器中產(chǎn)生的水蒸氣也慢慢減少.初始時，氧氣充足，無論抽吸流量大小，生成的水都是成比例的，反應(yīng)器出口相對濕度相同，但風機抽吸流量大，油箱內(nèi)氧濃度下降的更快，再次進入反應(yīng)器的單位流量的氧含量就少，因此單位流量反應(yīng)產(chǎn)生的水也變小，故此相對濕度更低；另外，風機流量越小，燃油中逸出的氧氣占抽吸氣的比例越大，進入反應(yīng)器中參與反應(yīng)，因此考慮溶解逸

圖5 反應(yīng)器出口相對濕度

出對結(jié)果影響越大，如風機流量為20，40 L/min時，考慮逸出的計算結(jié)果分別約是不考慮逸出時的2.08、4.15倍.

冷卻器中析出的水量隨時間的變化如圖6所示，其變化趨勢及原因與反應(yīng)器中需冷卻氣量相同，在該條件下時，冷卻器出口返回油箱的混合惰氣始終為濕飽和狀態(tài)，即相對濕度為100%，含濕量恒定為48.4 g/kg干空氣.

圖6 冷卻器中除水量

3.2 載油率

載油率表示油箱內(nèi)燃油量的相對大小，隨時間遞減.載油率越小，燃油越少，燃油箱氣相空間體積越大.本文計算了RP-3燃油在載油率0.2、0.5、0.8的情況下，系統(tǒng)各性能參數(shù)隨惰化時間的變化情況.

圖7為不同載油率下，油箱氣相空間水蒸氣體積分數(shù)的變化曲線，不難發(fā)現(xiàn)，載油率越高，油箱上部氣相空間水蒸氣體積分數(shù)上升越快.另外，考慮燃油逸出時，水蒸氣體積分數(shù)偏小，且載油率越大，燃油中氧氮的溶解逸出對結(jié)果影響越大.

圖7 油箱氣相空間水蒸氣及氧濃度的變化

反應(yīng)器需冷卻氣量隨時間的變化關(guān)系如圖8所示，載油率越大，反應(yīng)器需冷卻氣量越少，這是因為氣相空間體積越小，需要被置換出的氧氣量也越少，氧濃度下降越快，反應(yīng)放熱越少；載油率越大，考慮逸出對結(jié)果影響更大，如載油率分別為0.2、0.5、0.8時，考慮逸出的結(jié)果分別是無逸出時的1.19、2.39、8.35倍.

圖8 反應(yīng)器中所需冷卻氣體量

冷卻器中有水析出，會釋放出大量潛熱，因此是否考慮水析出，冷卻器中所需冷卻氣體量結(jié)果相差較大，如圖9所示，特別地，考慮水析出時，載油率為0.8，考慮溶解逸出，由于露點溫度發(fā)生變化，曲線剛開始有一段上升.

隨著惰化的進行，油箱氣相上部氧濃度逐漸降低，反應(yīng)器中產(chǎn)生的水也越來越少，冷卻器在不同載油率下的除水量分別如圖10所示，可以看出載油率越大，則燃油中氣體的溶解逸出影響越大.

圖10 冷卻器中除水量

4 結(jié) 論

1)油箱氣相空間的氧濃度隨惰化的進行逐漸降低，水蒸氣體積分數(shù)逐漸增加，但增加速率逐漸減緩；而催化反應(yīng)器所需冷卻氣量、冷卻器所需冷卻氣量、反應(yīng)器出口相對濕度、冷卻器中除水量等均隨時間逐漸降低.

2)風機流量、載油率等關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)水性能影響較大，風機流量越大，油箱水蒸氣體積分數(shù)上升越快、需要的冷卻空氣量更大；載油率越高，氣相體積越小，水蒸氣體積分數(shù)上升越快，但需要的冷卻空氣量更少.

3)燃油中氣體的溶解逸出對系統(tǒng)性能有較大影響，考慮溶解逸出時，油箱氧濃度更高而水蒸氣體積分數(shù)偏小、系統(tǒng)需更多的冷卻介質(zhì)，析出的水量也更高.

4)是否考慮冷卻器有液態(tài)水析出，計算得到的冷卻器中所需的冷卻氣體量結(jié)果差別較大，故未來在設(shè)計惰化系統(tǒng)時，應(yīng)充分考慮系統(tǒng)的產(chǎn)水及水析出對系統(tǒng)性能的影響.