專利名稱：一種適用浮空器的大功率氦氣回收純化系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用浮空器的大功率氦氣回收純化系統(tǒng)，屬于氦氣機械設(shè)備領(lǐng)域。
二、 背景技術(shù):
浮空器是一種重要的空間科學研究運載工具，分為有動力(飛艇)和無動力(氣球)兩 種，它利用氦氣浮力克服平臺自重和載荷重力，有效載荷為數(shù)百千克甚至數(shù)噸，耗能小，可 回收，相對成本低，無論對國防還是對科學研究都有實用的意義。
但隨著各行業(yè)的快速發(fā)展，氦氣廣泛的應(yīng)用于浮空器、檢漏、電子、化學分析等行業(yè)。 由于氦氣在空氣中的含量非常小，僅為5ppm，所以大量的氦氣都是從天然氣中提取，資源和 技術(shù)都在少數(shù)國家的掌握之中，價格十分昂貴。我國是氦氣資源比較貧乏的國家，目前國內(nèi) 絕大部分氦氣是從美國進口的液氦汽化得到的。
為了使浮空器飛行后內(nèi)部氦氣可以重復使用，并保持原有升力，需要對浮空器中的氦氣 進行快速回收和純化。目前國內(nèi)通常采用大口徑管路、配合大功率壓縮氣體設(shè)備、以及液氮 純化和吸附劑吸附技術(shù)，這樣的系統(tǒng)會有三個致命的缺點1.回收管路需要插入浮空器內(nèi)部， 并且浮空器蒙皮材料容易被硬物損傷后漏氣，若管路吸力過大會造成浮空器蒙皮材料吸入管 路后損壞，若管路吸力過小回收時間變的非常久，當遇到突風時浮空器很容易破壞；2.液氮 純化和吸附劑吸附的純化方法，對氮氣和吸附劑的消耗和依賴性非常大，成本較高；3.系統(tǒng) 不能夠同時實現(xiàn)對多個浮空器進行回收和充氣的功能。針對以上缺點，研究了一種適用于浮 空器的大功率氦氣回收純化方法。
三
發(fā)明內(nèi)容
(1) 目的本發(fā)明的目的在于提供一種適用浮空器的大功率氦氣回收和純化系統(tǒng)，一
方面該系統(tǒng)中的碳纖維回收探頭可以在大功率吸力時并不對浮空器蒙皮造成傷害；另一方面
它采用了氦氣凈化膜技術(shù)，無消耗，效率高。系統(tǒng)集成采用了分布式的架構(gòu)，保證回收純化
后的氦氣純度在99.9%以上，流量大于200立方米/小時，并且可以對多個浮空器進行回收純 化。
(2) 技術(shù)方案見圖l，本發(fā)明一種適用浮空器的大功率氦氣回收純化系統(tǒng)，它是由l
號增壓機、過濾器、匯流排、調(diào)壓閥、熱交換器、純化封閉艙、列管冷卻器、流量控制閥、
合格氦氣罐、2號增壓機、3號增壓機和碳纖維回收探頭組成。l號增壓機位于系統(tǒng)的前部， 它與碳纖維回收探頭和過濾器通過閥門連接；調(diào)壓閥安裝在匯流排與熱交換器之間；熱交換器分別與純化封閉艙和列管冷卻器進行連接；列管冷卻器通過流量控制閥與合格氦氣罐相 通；合格氦氣罐與2號增壓機、3號增壓機相連。
所述l號增壓機位于系統(tǒng)的前部，與碳纖維回收探頭通過閥門連接，該l號增壓機為 GDZ-10/150型隔膜氦氣壓縮機，形狀為Z型，風冷，隔膜氦氣壓縮機，公稱容積流量為 L5m3/min，額定排氣壓力為10Mpa。
所述過濾器為TP型過濾器，其作用是除去氦氣中的油和水，與l號增壓機通過閥門進行 連接。
所述調(diào)壓闊是美國HALE-DN25型閥門，通過閥門和調(diào)壓閥控制，能提供穩(wěn)定、連續(xù)的氣 體流量。它采用英國hamilton的高壓氦氣使用特別設(shè)計，符合ASME/ANSI， CGA和OSHA標準。
所述熱交換器是NHPP-25型熱交換器，其功能是將氦氣溫度進行調(diào)節(jié)，在純化前加大溫 度，以加強分子的活躍程度，在純化后降低氦氣的溫度，使其快速進入增壓機。
所述純化封閉艙是一個橢球型密封艙，由厚度為20cm厚的鋼板制成，其作用是完成了氦 氣的純化和分離。
所述列管冷卻器是10陣列水冷型冷卻器，其作用是為了將純化后的氦氣進行溫度調(diào)節(jié)， 降溫處理。
所述流量控制閥是美國瑞高的DN50型流量控制閥門，在出口設(shè)有流量計，檢測瞬時流量 和累計流量。
所述合格氦氣罐是DN5000型氦氣儲罐，在增壓前進行氦氣的預(yù)存處理，將純化好的氦氣 預(yù)先存儲在氦氣罐中。
所述2號增壓機是VF-1. 5/200-D型氦氣壓縮機，形狀為V型，風冷，四級壓縮氦氣壓縮機， 公稱容積流量為1.5m3/min，額定排氣壓力為20. OMpa。
所述3號增壓機與2號增壓機并行工作，加大回收的流量，也是VF-1. 5/200-D型氦氣壓縮 機，形狀為V型，風冷，四級壓縮氦氣壓縮機，公稱容積流量為1.5m3/min，額定排氣壓力為 20. OMpa。
所述碳纖維回收探頭是6米長的碳纖維管與一個濾網(wǎng)狀的碳纖維結(jié)構(gòu)件組成，它可以保 持巨大吸力的同時，不將浮空器蒙皮材料吸入管路中，并且外觀曲線明快，不會因為操作失 誤將蒙皮誤傷，為了減輕其重量，利于操作，材料選用了碳纖維復合材料。使用時將碳纖維 回收探頭伸入浮空器的中上部進行回收；
所述氦氣選擇性隔膜是由兩層選擇性薄膜、兩層涂層和一層承力編織布交叉層疊構(gòu)成。 它可以通過區(qū)別氦氣、氧氣、氮氣和水蒸氣等氣體的分子體積大小，使小分子氣體氦氣快速 通過，阻止大分子氣體的通過，從而達到了純化氦氣的目的。其中，選擇性薄膜是采用了耐高壓HE-2型小分子選擇性薄膜； 其中，涂層采用了lmm厚度的聚氨酯薄膜涂層； 其中，承力編織布是1000D的芳綸kevlar編織而成承力編織布。 (3)優(yōu)點及功效本發(fā)明一種適用浮空器的大功率氦氣回收純化系統(tǒng)，它與現(xiàn)有技術(shù)
比，其優(yōu)點是
a. 功率達到200m3/h，并且在大功率回收的時候可以不傷害浮空器囊體材料；
b. 現(xiàn)有技術(shù)需要液氮和吸附劑等附加材料的消耗，并且純度不能達到使用要求。該系 統(tǒng)采用了氣體隔膜技術(shù)，無污染、易操作、純度可以達到99%以上；
c. 回收探頭采用了復合材料加工技術(shù)，更加便于操作和攜帶。
四

圖l為本發(fā)明大功率氦氣回收純化系統(tǒng)設(shè)計示意圖。
圖2為本發(fā)明碳纖維回收探頭三維示意圖。 圖3為本發(fā)明氦氣選擇性隔膜的組成示意圖。
圖中符號說明如下
1 l號增壓機；2過濾器；3匯流排；4調(diào)壓閥；5熱交換器；6純化封閉艙；7 列管冷卻器；8流量控制閥；9合格氦氣罐；10 2號增壓機；11 3號增壓機；12碳纖 維回收探頭；13排氣口； 14冷卻水入口； 15冷卻水出口； 16取樣口； 17選擇性薄膜；18
涂層；19承力編織布；20涂層；21選擇性薄膜。
五具體實施例方式
下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的說明。
見圖1，本發(fā)明一種適用浮空器的大功率氦氣回收純化系統(tǒng)，它是由1號增壓機1、過 濾器2、匯流排3、調(diào)壓閥4、熱交換器5、純化封閉艙6、列管冷卻器7、流量控制閥8、 合格氦氣罐9、 2號增壓機10、 3號增壓機11、碳纖維回收探頭12、排氣口 13、冷卻水入 口 14、冷卻水出口 15和取樣口 16組成，氦氣通過碳纖維回收探頭12進入回收純化系統(tǒng)， 經(jīng)過1號增壓機1進行增壓，將氣體壓縮至3-5Mpa壓力，1號增壓機1后安裝有過濾器2， 將回收氣體中的水蒸汽和油質(zhì)等雜質(zhì)進行過濾；多個碳纖維回收探頭12回收的氣體通過匯 流排3，調(diào)節(jié)氣體壓力，使其以穩(wěn)定的壓力進入熱交換器5與純化封閉艙6，在純化封閉艙 6中通過氦氣選擇性隔膜，將大分子氣體氧氣和氮氣阻隔在隔膜的另一側(cè)，并且排出管路。 純化后的氦氣通過列管冷卻器7將氦氣冷卻，然后經(jīng)過取樣口 16對氦氣純度進行測量。將 純度達到99.9%的氦氣經(jīng)過2號、3號增壓機10、 11，將20Mpa的高壓氦氣打入氦氣存儲設(shè) 備合格氦氣罐9中。
6見圖2，為碳纖維回收探頭12三維示意圖。碳纖維回收探頭12可以保持巨大吸力的同 時，不將浮空器蒙皮材料吸入管路中，并且外觀曲線明快，不會因為操作失誤將蒙皮誤傷， 為了減輕其重量，利于操作，材料選用了碳纖維復合材料。使用時將碳纖維回收探頭12伸 入浮空器的中上部進行回收。具體的實施方法如下
1. 鋪層方法在已刷涂過脫模劑的模具外表面包覆纖維增強體鋪層材料，在其外表面采
用兩塊纖維增強體預(yù)浸膠布共同作為碳纖維回收探頭12的鋪層材料，完成回碳纖維收探頭 12有連續(xù)的纖維增強體的鋪層，放入設(shè)計的一體化成型模具中，整體一次熱固化成型。該 蒙皮包覆纖維增強體鋪層的工藝方法大大提高了碳纖維回收探頭12的力學性能。
2. 所選用的基體可以是環(huán)氧樹脂、常溫固化高性能的有機結(jié)構(gòu)膠和高強度耐高溫無機 結(jié)構(gòu)膠。
3. 多軸向定位一體化成型模具的工藝方法適合制作復雜連接件。
見圖3，氦氣選擇性隔膜可以通過區(qū)別氦氣、氧氣、氮氣和水蒸氣等氣體的分子體積大 小，使小分子氣體氦氣快速通過，阻止大分子氣體的通過，從而達到了純化氦氣的目的。具 體實施方法如下
將面涂和底涂樹脂分別溶于相應(yīng)的有機溶劑中，添加一定的促進劑等助劑后均勻攪拌制 成涂層漿，然后用刮棒按照先底涂后面涂的順序，直接涂在有一定張力的織物上。底涂樹脂
只涂固定厚度的一層，主要起粘合作用；選擇性薄膜粘于底涂層上，可以起到阻止大分子 02與N2的作用，面涂樹脂薄膜將樹脂用帶有間隙的刮棒來控制其厚度，然后涂好的材料經(jīng) 過相應(yīng)溫度的烘箱加熱相應(yīng)的時間，使水分和溶劑蒸發(fā)，樹脂通過自身的凝聚力或樹脂的交 聯(lián)作用形成堅韌的中間層。最后將材料在一定的溫度濕度條件下靜置24h完成熟化。 該系統(tǒng)進行過充氣回收純化試驗，具體實施過程如下
1. 將氦氣從高壓集裝管束中經(jīng)過減壓，打入直徑4米氦氣球中，充滿氦氣球為止；
2. 用鼓風機打入部分空氣，取樣測試不純氦氣的濃度；
3. 將碳纖維回收探頭12伸入氦氣球的頂部，打開l號壓縮機l;
4. 氦氣經(jīng)過過濾器2進入系統(tǒng)，使用調(diào)壓閥4將管路壓力調(diào)整至3MPa;
5. 氦氣進入純化系統(tǒng)中的純化封閉艙6進行純化，排出氧氣和氮氣；
6. 打開冷卻水系統(tǒng)中的冷卻水入口 14、列管冷卻器7，將高溫氦氣冷卻；
7. 在取樣口 16將純化后的氦氣取樣進行純度測試；
8. 打開2號、3號增壓機10、 11，，將氦氣壓縮至集裝管束合格氦氣罐9中。 經(jīng)過測試，氦氣回收純化系統(tǒng)的效率達到205.6立方米/每小時，純化前的氦氣純度為 78.23%,純化后的氦氣純度為99.93%，達到了系統(tǒng)的設(shè)計指標。
權(quán)利要求
1、一種適用浮空器的大功率氦氣回收純化系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)是由1號增壓機、過濾器、匯流排、調(diào)壓閥、熱交換器、純化封閉艙、列管冷卻器、流量控制閥、合格氦氣罐、2號增壓機、3號增壓機和碳纖維回收探頭組成；1號增壓機位于系統(tǒng)的前部，它與碳纖維回收探頭和過濾器通過閥門連接；調(diào)壓閥安裝在匯流排與熱交換器之間；熱交換器分別與純化封閉艙和列管冷卻器進行連接；列管冷卻器通過流量控制閥與合格氦氣罐相通；合格氦氣罐與2號增壓機、3號增壓機相連；所述1號增壓機位于系統(tǒng)的前部，它與碳纖維回收探頭通過閥門連接；該1號增壓機為隔膜氦氣壓縮機，形狀為Z型，風冷；所述過濾器為TP型過濾器，它除去氦氣中的油和水，與1號增壓機通過閥門進行連接；所述調(diào)壓閥是美國HALE-DN25型閥門，通過閥門和調(diào)壓閥控制，它能提供穩(wěn)定、連續(xù)的氣體流量；所述熱交換器是NHPP-25型熱交換器，它將氦氣溫度進行調(diào)節(jié)，在純化前加大溫度，以加強分子的活躍程度，在純化后降低氦氣的溫度，使其快速進入增壓機；所述純化封閉艙是一個橢球型密封艙，由厚度為20cm厚的鋼板制成，其作用是完成了氦氣的純化和分離；所述列管冷卻器是10陣列水冷型冷卻器，其作用是為了將純化后的氦氣進行溫度調(diào)節(jié)，降溫處理；所述流量控制閥是美國瑞高的DN50型流量控制閥門，在出口設(shè)有流量計，檢測瞬時流量和累計流量；所述合格氦氣罐是DN5000型氦氣儲罐，在增壓前進行氦氣的預(yù)存處理，將純化好的氦氣預(yù)先存儲在氦氣罐中；所述2號增壓機是形狀為V型、風冷、四級壓縮氦氣壓縮機；所述3號增壓機與2號增壓機并行工作，加大回收的流量，它也是形狀為V型、風冷、四級壓縮氦氣壓縮機；所述碳纖維回收探頭是6米長的碳纖維管與一個濾網(wǎng)狀的碳纖維結(jié)構(gòu)件組成，它可以保持巨大吸力的同時，不將浮空器蒙皮材料吸入管路中，材料選用了碳纖維復合材料，使用時將碳纖維回收探頭伸入浮空器的中上部進行回收；所述氦氣選擇性隔膜是由兩層選擇性薄膜、兩層涂層和一層承力編織布交叉層疊構(gòu)成；它可以通過區(qū)別氦氣、氧氣、氮氣和水蒸氣的分子體積大小，使小分子氣體氦氣快速通過，阻止大分子氣體的通過而達到了純化氦氣的目的。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種適用浮空器的大功率氦氣回收純化系統(tǒng)，其特征在于 該選擇性薄膜是采用耐高壓HE-2型的小分子選擇性薄膜。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種適用浮空器的大功率氦氣回收純化系統(tǒng)，其特征在于 該涂層是采用lmm厚度的聚氨酯薄膜涂層。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種適用浮空器的大功率氦氣回收純化系統(tǒng)，其特征在于該承力編織布是1000D的芳綸kevlar編織而成的承力編織布。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種適用浮空器的大功率氦氣回收純化系統(tǒng)，其特征在于 該1號增壓機型號為GDZ-10/150型隔膜氦氣壓縮機，公稱容積流量為1.5m3/min，額定排氣壓 力為10Mpa。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種適用浮空器的大功率氦氣回收純化系統(tǒng)，其特征在于 該2號增壓機型號為VF-1.5/200-D型氦氣壓縮機，公稱容積流量為1.5m3/min，額定排氣壓力 為20. OMpa。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種適用浮空器的大功率氦氣回收純化系統(tǒng)，其特征在于 該3號增壓機型號為VF-1.5/200-D型氦氣壓縮機，公稱容積流量為1.5m3/min，額定排氣壓力 為20. OMpa。
全文摘要
一種適用浮空器的大功率氦氣回收純化系統(tǒng)，它是由1號增壓機、過濾器、匯流排、調(diào)壓閥、熱交換器、純化封閉艙、列管冷卻器、流量控制閥、合格氦氣罐、2號增壓機、3號增壓機和碳纖維回收探頭組成。1號增壓機位于系統(tǒng)的前部，它與碳纖維回收探頭和過濾器通過閥門連接；調(diào)壓閥安裝在匯流排與熱交換器之間；熱交換器分別與純化封閉艙和列管冷卻器進行連接；列管冷卻器通過流量控制閥與合格氦氣罐相通；合格氦氣罐與2號增壓機、3號增壓機相連。本系統(tǒng)采用了氦氣凈化膜技術(shù)，無消耗，效率高，保證回收純化后的氦氣純度在99.9％以上，流量大于200立方米/小時，并且可以對多個浮空器進行回收純化。本發(fā)明具有廣泛地實用價值和應(yīng)用前景。
文檔編號C01B23/00GK101654231SQ200910092800
公開日2010年2月24日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月25日
發(fā)明者呂明云, 楊永強, 哲 武, 馬云鵬 申請人:北京航空航天大學