燃料脱氧系统技术方案

一种用于能量转化设备的燃料系统，包括带多孔膜的脱氧器系统。脱氧器包括经多孔膜与燃料通道分隔的氧气接收通道。毛细管力抵抗膜上的压差，防止燃料的任何泄漏，同时膜上的氧浓度差使燃料经多孔膜脱氧。

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及通过脱氧使燃料稳定的方法，具体而言，涉及通过与氧气接收通道毗连的自支撑型多孔膜进行的脱氧。喷气燃料经常作为各种飞行器系统的冷却剂用在飞行器中。烃类喷气燃料中溶解氧的存在或许是令人讨厌的，因为氧气支持生成不期望的副产物的氧化反应。空气在喷气燃料中的溶解产生约70ppm的氧浓度。当将充气燃料加热到350°F与850°F之间时，氧气引发燃料自由基反应生成沉淀物，通常称为“结焦”或“焦化”。结焦会损害燃料管线并会阻碍燃烧。这种沉淀物的形成会削弱燃料系统的正常功能，或者对期望的热交换功能，或者对燃料的注入效率。各种常规的燃料脱氧技术目前用于燃料脱氧。典型地，降低氧浓度至2ppm就足以克服结焦问题。一种用于飞行器的常规燃料稳定单元(FSU)通过在可透过氧的膜上形成氧压梯度来从喷气燃料中去除氧。尽管非常有效，但是由真空形成的压力梯度仅在膜的一侧。由于真空还在膜上引入机械力，因此需要将膜担载在多孔不锈钢底板上，这在制造上较为昂贵，并且会成为扩散障碍从而需要相应增加FSU的尺寸。该膜较薄(～2-5微米)且缺乏机械完整性，因此需要多孔衬底。还需要机械泵和真空室来产生压力梯度，这进一步增加了FSU的尺寸和重量。这种薄膜(2-5微米)会有缺陷和针孔。于是燃料会渗过膜并在衬底中聚积，结果导致对脱氧的进一步抵抗。因而，期望提供一种用于在廉价、尺寸和重量高效的体系中使烃类燃料脱氧的方法和系统，其免除了在较薄的膜上形成真空所需的较重机械。专利技术概述根据本专利技术，用于能量转化设备的燃料系统包括带有自支撑型多孔膜的脱氧系统。吹扫气(sweep gas)和/或真空在膜上保持氧气浓度差以使燃料脱氧。在另一系统中，将燃料冷凝器结合在氮气排放流的下游以回收任何被吹扫气夹带的燃料。在另一系统中，以多级除去氧气，当将燃料用作多个热交换子系统的冷却剂时，该多级在顺序升高的燃料温度下操作。因此本专利技术提供一种用于在廉价、尺寸和重量高效的体系中使烃类燃料脱氧的方法和系统，其免除了在相对薄的膜上形成真空所需的相对重的机械。附图简述从下列对当前优选实施方式的详述中，本专利技术的各种特征和优点对于本领域的技术人员将变得清楚。带有详细说明的附图可简单描述如下附图说明图1是能量转化装置(ECD)及采用根据本专利技术的燃料脱氧器的辅助燃料系统的整体示意简图；图2是脱氧器系统的简图；图3是本专利技术脱氧器系统的简图中燃料通道与吹扫气通道之间的自支撑型可透氧多孔膜的透视图；图4是压力沿脱氧器的长度分布的图示，描述燃料入口区域膜上的最大压力梯度；图5是本专利技术脱氧器系统的框图；图6是带燃料冷凝器子系统的脱氧器系统的框图；图7是本专利技术的分段式脱氧器系统的框图。优选实施方式的详述图1表示用于能量转化设备(ECD)12的燃料系统10的整体视图。脱氧器系统14从贮槽16接收液体燃料F。燃料F通常是例如喷气燃料的烃类。ECD12可以多种形式存在，其中在将燃料用于加工、燃烧或一些形式的能量释放的最终用途之前的某些时刻，如果溶解氧在燃料中以任何显著的程度存在，所述燃料获得了足以支持自氧化反应和结焦的热量。ECD12的一种形式是气体涡轮发动机，尤其是在高性能飞行器中的这种发动机。典型地，燃料也充当飞行器中一个或多个子系统的冷却剂，并且当在燃烧前将其传送到燃料注射器时，其无论如何已经被加热了。热交换部件18代表一种系统，燃料以热交换的关系穿过该系统。应当理解在更大的系统中热交换部件18可以直接伴随ECD12和/或分布在别处。热交换部件18可以可选地或附加地包含多个分布在整个系统中的热交换器。如通常所理解的，贮存在贮槽16中的燃料F通常可能以饱和水平70ppm含有溶解氧。燃料泵20将燃料F从贮槽16中抽取出来。燃料泵20经燃料贮槽管道22和阀24与贮槽16连通并连到脱氧器系统14的燃料进口26。由泵20施加的压力帮助燃料F经脱氧器系统14和燃料系统10其它部分的循环。当燃料穿过脱氧器系统14时，将氧气选择性地去除进吹扫气系统28中。已脱氧的燃料Fd从脱氧系统14的燃料出口30经已脱氧燃料管道32流到热交换系统18及ECD12，例如气体涡轮发动机的燃料注射器。可将部分已脱氧的燃料再循环到脱氧系统14和/或贮槽16，如再循环管道34所示。应当理解尽管在图例实施方式中披露了特定的组件排布方式，但其它排布方式也可从该方法获益。参照图2，优选脱氧系统14包括气体/燃料接触器34，该接触器在燃料通道38和氧气接收通道例如吹扫气通道40之间带有自支撑型可透氧多孔膜36。优选吹扫气通道40含有氮气和/或其它惰性气体。应当理解通道可以是各种各样的形状和排布方式以提供压差，该压差在膜上保持氧浓度差以使燃料脱氧。优选燃料和吹扫气以相反的方向流动。本文中，U是速度，CO2是燃料中的氧浓度，L是通道/层的厚度，Z是通道的长度，P是压力。下标或上标s是指吹扫气，f是指燃料，in是指流入口，out是指流出口，m是指膜36。吹扫气(例如N2)在吹扫气通道40中的运动保持了在膜36上的浓度差(图3)。穿过膜的氧流量与氧气在吹扫气中的扩散率成比例，给出如下jO2porous=DO2ϵmτLm(CO2fHfuel-N2)Zb.---(1)]]>DO2是氧气在吹扫气中的扩散系数，CO2是氧浓度，Lm是多孔膜的厚度，Z是通道的长度，b是通道的宽度，Hfuel-N2是燃料与吹扫气(N2)之间的热力学分配系数。下标m是指膜，上标s是指吹扫气，f是指燃料。假定吹扫气中的氧浓度可以忽略。然而，现有技术中氧流量与氧气在无孔膜中的扩散率(Dm)成比例。jO2non-porous=DmLm′(CO2fHfuel-membrane)Zb.---(2)]]>其中，Lm′是膜厚度，Hfuel-membrane是燃料与膜之间的热力学分配系数，在穿过膜的传送受到限制的情形下，脱氧性能的潜在提高为DO2ϵmτLmHfuel-N2/DmLm′Hfuel-membrane~100.---(3)]]>氧气在膜中的扩散系数比氧气在吹扫气例如N2中的扩散系数低3个数量级以上。然而本专利技术采用的多孔膜(图3)其厚度比迄今所用的薄无孔膜的厚度高一个数量级。分配系数Hfuel-N2/Hfuel-membrane通常小于1，表明本专利技术用多孔膜对性能的改进。参照图3，膜36包括多个孔42(示出一个)。氧气从燃料中去除的两条基本途径是1)通过膜36吹扫气的界面；和2)通过孔42内的燃料-吹扫气界面。通常，后者是最小反抗途径。图3中，P是压力。下标s是指吹扫气，f是指燃料，in是指流入口，out是指流出口。CO2是燃料中的氧浓度。DO2是氧气在吹扫气中的扩散系数，L是通道/层的厚度，Z是通道的长度，b是通道的宽度，H热力学分配系数。通过保持膜上的压差来防止燃料流过多孔膜36的孔42，该压差低于燃料Fc在孔径为rp的孔42中的毛细管力。该压差还在吹扫气侧提供压力，该压力低于燃料侧的压力以防止吹扫气鼓泡而经孔42进入燃料。0≤ΔP≤2σCosθrp---(4)本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料系统，包括：燃料通道；氧气接收通道；和连通所述燃料通道和所述氧气接收通道的可透氧多孔膜。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：SF布拉特斯基，M吉姆马拉，LJ斯帕塔西尼，FP拉姆，
申请(专利权)人：联合工艺公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]