一种飞机油箱催化惰化系统反应器及其工作方法

本发明涉及航空系统，具体为一种飞机油箱催化惰化系统反应器及其工作方法。

背景技术：

1、飞机在交通运输、国防安全、防护救援等领域均扮演重要角色，但其油箱气相空间存在大量燃油蒸气与空气的可燃混合物，当出现雷电、电线短路、炮火攻击等点火源时，便可能会造成油箱燃烧爆炸，是飞行安全的潜在威胁。通过降低燃油箱气相o2浓度的惰化技术列为最可行的措施。

2、耗氧惰化技术流程简单、效率高、安全性好，被认为是下一代最可能得到广泛应用的新型飞机油箱惰化方式。其基本原理是油箱上部气相空间的燃油蒸汽和空气混合物在风机作用下被导入一个催化惰化反应器中进行可控的无焰催化燃烧，燃烧后的碳氢物被氧化为co2和h2o，h2o通过处理装置被分离，而剩余的co2、未参与反应的n2和未完全反应的燃油蒸汽及o2被送回油箱上部，从而降低油箱气相氧含量达到惰化目的。

3、催化惰化反应器是耗氧惰化系统的核心设备，其性能直接决定了系统的可靠性和稳定性。传统工业用催化惰化反应器操作工况相对稳定，但是飞机油箱惰化系统中的反应器入口温度、组分、浓度、压力和重力变化范围极宽，工况复杂交变。主要体现在：1）随着飞行高度的变化，燃油箱与外界环境换热，温度波动较大；2）燃油蒸气和o2浓度有量级变化，随着惰化的进行，油箱气相的o2浓度由21%逐渐降低，燃油蒸气也因被消耗导致浓度逐渐降低；3）不同时刻流入催化惰化反应器的物料组分存在差异，航空燃油包括有几十种组分的复杂混合物，且燃油蒸气中碳氢物组分比例会受油箱温度和压力的影响；4）操作压力在爬升或下降时约有数倍变化；5）飞机在爬升或下降过程分别产生的过载与失重情况，会改变反应物的扩散路径，影响反应。

4、如此极宽操作工况条件使得反应过程产生“淬熄”和“飞温”的概率极大，导致出现起燃困难、操作范围窄、效率低的问题，地面反应器可以采用一些冷却或加热手段，无需考虑尺寸和重量，但是这些措施均无法应用于机载设备。

5、为解决“淬熄”和“飞温”的技术瓶颈问题，本发明提供一种飞机油箱催化惰化系统反应器及其工作方法，以解决上述提出的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种飞机油箱催化惰化系统反应器及其工作方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种飞机油箱催化惰化系统，包括，油箱、第一阻火器、风机、换热器、第一电动调节阀、电加热器、第一温度传感器、第一氧浓度传感器、第一碳氢化合物传感器、第一流量传感器、第一压力传感器、整流器、催化惰化反应器、第二温度传感器、第二氧浓度传感器、第二碳氢化合物传感器、第二流量传感器、第二压力传感器、燃油、电加热器、泵、冷却器、水分离器、第三温度传感器、第三流量传感器、第二电动调节阀、第一单向止回阀、第二阻火器、自动控制器；

3、一种飞机油箱催化惰化系统反应器，所述油箱的气体出口、第一阻火器、风机的入口通过管道依次连接，风机的出口与换热器冷侧通道的入口通过管道连接，换热器的冷侧通道的出口通过管道分别和第一电动调节阀的入口、电加热器的入口依次连接，第一温度传感器的入口和电加热器的出口连接，第一温度传感器的出口、第一氧浓度传感器、第一碳氢化合物传感器、第一流量传感器、第一压力传感器、整流器、催化惰化反应器、第二温度传感器、第二氧浓度传感器、第二碳氢化合物传感器、第二流量传感器、第二压力传感器、换热器的热侧通道、泵、冷却器的热侧通道、水分离器、第三温度传感器、第三流量传感器、第二电动调节阀、第一单向止回阀、第二阻火器、油箱的气体入口通过管道依次连接；

4、为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

5、所述油箱的燃油从油箱出口与预热器冷侧通道的入口通过管道连接、预热器冷侧出口与第一温度传感器、第一氧浓度传感器、第一碳氢化合物传感器、第一流量传感器、第一压力传感器、整流器、催化惰化反应器通过管道依次连接。

6、所述自动控制器的电流输入端通过电缆分别与所述第二温度传感器、第二氧浓度传感器、第二流量传感器、第二压力传感器、第一温度传感器、第一氧浓度传感器、第一碳氢化合物传感器、第二碳氢化合物传感器、第二氧浓度传感器、第三温度传感器、第三流量传感器连接；

7、所述自动控制器的一个电流输出端通过电缆分别与所述风机、第一电动调节阀、电加热器、第二电动调节阀相连；

8、所述催化惰化反应器，包括反应器壳体、反应器壳体、燃油管道进口、燃油管道出口、第一轴承、第二轴承、气体进口通道、气体出口通道、电缆终端头、第一法兰、电加热丝接线端一、电加热丝接线端二、第二法兰、第三法兰、第四法兰、通道壁面、电加热丝、第四温度传感器、第五温度传感器、第六温度传感器、燃油管道、复合相变材料、催化剂涂层、第七温度传感器、第八温度传感器、第九温度传感器、第五法兰、第六法兰、第十温度传感器、第十一温度传感器、第一气体进口通道、第一气体出口通道、第二气体进口通道、第二气体出口通道、第二层燃油管道进口、第一流量控制阀、第二流量控制阀、第三流量控制阀、第二单向止回阀、第三单向止回阀、第四单向止回阀、第二层燃油管道出口。

9、催化惰化反应器包括催化惰化反应器本体、反应器壳体、燃油管道、燃油管道进口、燃油管道出口、燃油管道进口水平安装在反应器本体上方，燃油管道出口安装在右侧的反应器壳体上，左边反应器壳体中间通过第一轴承连接气体进口通道，右边反应器壳体中间通过第二轴承连接气体出口通道。

10、所述催化惰化反应器本体有多股反应气体通道，其中反应气体通道包括有气体进口通道和气体出口通道，气体进口通道连接多股并联的气体进口通道，分别为第一气体进口通道、第二气体进口通道、每股反应气体进口处分别连接第一流量控制阀、第二流量控制阀、第三流量控制阀、分别监控气体流量信息，每股反应气体出口处通道分别连接第二单向止回阀、第三单向止回阀、第四单向止回阀、与出口通道依次连接。

11、所述油箱上部气相空间的燃油蒸汽和空气混合物在风机作用下被导入一个催化惰化反应器中的气体进口通道，由多股气体进口通道流入进行催化反应，反应结束后，剩余的co2、未参与反应的n2和未完全反应的燃油蒸汽及o2 从气体出口通道被送回油箱上部。

12、所述催化惰化反应器本体包括反应器本体外壁面、外壁面通过法兰连接燃油管道进口和燃油管道出口，反应器壳体由法兰连接催化剂反应器本体，燃油由燃油管道进口流入、燃油管道出口流出到热管理系统，所述燃油管道为带有翅片的螺旋形状，缠绕在通道壁面上方。

13、所述反应气体通道，第一层气体进口通道通道和第一层气体出口通道通道壁面包覆不同厚度的催化剂涂层，所述每个燃油管道由复合相变材料覆盖。

14、所述通道壁面内部插入电加热丝，电加热丝接线端一、电加热丝接线端二；所述电加热丝干路通过并联连接，并布置于催化剂主体中，所述电加热丝为螺旋状，布置在通道壁面内，所述电加热丝接线端一、电加热丝接线端二设置于通道壁面外，通过电线与电源连接，最终汇入到电缆终端头。

15、所述电加热丝材质选用铁铬铝含钼隔材质，选用该材质耐温度高、延长加热丝的使用寿命。

16、所述反应气体通道的温度传感模块包括第十温度传感器、第十一温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第六温度传感器，所述燃油管道的温度传感器模块包括第七温度传感器、第八温度传感器、第九温度传感器。

17、所述第十温度传感器、第十一温度传感器、第四温度传感器、第五温度传感器、第六温度传感器，所述燃油管道的温度传感器模块包括第七温度传感器、第八温度传感器、第九温度传感器安装在管道上。

18、所述一种飞机油箱催化惰化系统工作方法，其特征在于，包括，系统工作过程、系统储热及换热过程，系统冷却过程，系统数据采集及控制过程。

19、所述系统工作过程：油箱上部气相空间的燃油蒸汽和空气混合物在风机作用下被导入一个催化惰化反应器中的气体进口通道，气体进口通道由多股通道组成，气相空间的燃油蒸汽和空气混合物流入多股通道与涂覆在通道壁面的催化剂涂层进行无焰催化反应，同时温度传感器严格控制反应温度，防止局部反应剧烈，催化反应结束后，剩余的co2、未参与反应的n2和未完全反应的燃油蒸汽及o2 通过燃油管道进行冷却后，从气体出口通道被送回油箱上部。

20、所述系统储热及换热过程为：其特征在于，所述通道壁面内部的电加热丝接线端一、电加热棒其二接线端通过电线与电源连接，当电流通过电加热丝时，电阻加热效应使得电加热丝的温度升高。这是由于电流通过高电阻率的材料时会产生电阻，电能会被转化为热能，导致电加热丝加热，通过电加热将电能转化为热能储存在催化惰化反应器本体中；所述油箱中的燃油从燃油管道进口流入催化反应系统的第一层燃油管道，燃油在燃油管道中流动时，与通道壁面接触，通过热传导的方式将热量传递给燃油管道，然后再由燃油管道传递给反应气体通道，对通道壁面进行换热，同时在燃油管道关键部分均匀分别设置第四温度传感器、第五温度传感器、第六温度传感器、可以及时检测到燃油管道异常的温度变化，可以通过控制燃油的流速和流量以及燃油的温度来控制换热的效率，保证催化反应的顺利进行。

21、所述系统冷却过程，由于在催化惰化反应器中进行反应会产生大量的热量，燃油作为冷却介质，燃油通过燃油管道流过，吸收催化反应所释放的热量，通过燃油介质带走热量来降低催化惰化反应器的温度。通过温度传感器调节燃油的温度，可以控制催化器的温度，确保其在安全范围内运行。如果催化器温度过高，可能会导致其损坏或降低催化效率。利用冷却介质将催化反应产生的热气体冷却到较低温度，以确保催化器的安全运行和催化反应的有效性。反应结束后，其余的燃油从燃油管道出口输送入热管理系统，给电子器件进行散热。

22、所述系统数据采集及控制过程，所述第十温度传感器、第十一温度传感器、

23、分别设置在进出口反应气体通道，由于催化反应通常伴随着高温和高压条件，如果温度过高或过低可能会导致反应器失控或发生危险事故。此时第十温度传感器和第十一温度传感器可以及时检测到进出口异常的温度变化，触发安全保护系统，关闭流量控制阀，自动停止供给反应物或增加冷却介质的流动，以防止发生危险情况。

24、所述每股反应气体进出口通道分别在关键位置均匀设置了第四温度传感器、第五温度传感器、第六温度传感器、第七温度传感器、第八温度传感器、第九温度传感器，及时检测气体在催化过程中关键部分的温度变化，同时在气体反应通道进口分别设置了多个流量控制阀，当反应温度过高时，可以用来控制进口通道进口气体的流量，调整反应通道中气体的流速，以确保反应条件的恰当性。

25、所述气体反应通道出口分别设置了多个单向止回阀，防止气体在反应结束后回流到进口通道，保持反应通道内的气体流向单一，同时防止反应结束后，反应产物进入进口通道，从而避免污染和混合。这些温度传感器、流量控制阀、单向止回阀的设置和控制可以通过自动控制器实现，该系统基于传感器反馈的温度、压力和其他关键参数来调整阀门的状态，以维持理想的反应条件和安全性。通过这样的设施，催化惰化反应器能够在不同条件下高效运行，实现反应的智能化和安全化。

26、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

27、1.本发明反应器的各气体通道壁面内均匀安装电加热丝，这可快速将反应器及反应气体预热至起燃温度，从而保障反应器内温度的均匀分布，并且缩短反应的起燃时间。

28、2.本发明反应器的各气体通道间设置有复合相变材料，能够及时吸收反应放出的热量，从而确保了反应不会发生温度过高，导致“飞温”的情况，提高了惰化系统的安全性。

29、3.本发明复合相变材料中设置了燃油管道，管道外侧设计了强化换热翅片，这提高了换热效率。同时，利用航空燃油作为热沉，将反应热带出用于反应气体预热，多余热量耦合进燃油综合热管理系统，进一步提高了能量利用率。

30、4.本发明根据设计需求和反应特性，气体通道结构可设置为渐扩或减缩，外壁上的催化剂涂层涂覆厚度也可梯级设计，从而控制反应气体流速和与催化剂的接触时间，以实现更加精细的反应控制。

31、5.本发明催化反应通常在高温高压条件下进行，本发明设置了温度和流量控制系统。根据进出口温度监测值控制阀门的开度，自动停止供给反应物或增加冷却介质的流动，提高了反应器的效率，增强了其智能化程度。