Автореферат (Сепарация жидкости из газожидкостного потока в системе регенерации воды СРВ-К2М на космической станции)

На правах рукописиКапица Анна АлександровнаСЕПАРАЦИЯ ЖИДКОСТИ ИЗ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА ВСИСТЕМЕ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОДЫ СРВ-К2М НА КОСМИЧЕСКОЙСТАНЦИИ05.26.02 – Безопасность в чрезвычайных ситуациях (авиационная иракетно-космическая техника)Авторефератдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 20162Работа выполнена в лаборатории водообеспечения АО «НИИхиммаш» и на кафедре 607 «Системы жизнеобеспечения» ФГБОУ ВО «МАИ (НИУ)».Научный руководитель:доктор технических наук, профессор Бобе ЛеонидСергеевич.Официальные оппоненты: Каграманов Георгий Гайкович, доктор техническихнаук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», заведующий кафедрой,Камалетдинова Гузель Ринатовна, кандидат технических наук, Федеральное государственное унитарноепредприятие«Государственныйнаучно-исследовательский институт авиационных систем»(Государственный научный центр Российской Федерации), инженер.Ведущая организация:Федеральное Государственное бюджетное учреждение «Центральный научно-исследовательскийинститут Военно-воздушных сил Министерстваобороны Российской Федерации»Защита состоится «17» мая 2016 г.

в 15 ч 00 мин на заседании объединенного диссертационного совета Д 999.024.04 на базе ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ»,ФГБОУ ВО «МАИ (НИУ)», АО «Корпорация «ВНИИЭМ», ФГБУ «НИИ ЦПКим. Ю.А.Гагарина» по адресу: 111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д.17,корпус Г, ауд. Г-406.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО «НИУ«МЭИ» и на сайте www.mpei.ru.Автореферат разослан « »2016 г.Ученый секретарьдиссертационного советаМилюков Игорь АлександровичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы исследования.

Отделение конденсата атмосферной влаги (КАВ) от транспортного воздуха является одним из ключевых массообменныхпроцессов в системах жизнеобеспечения пилотируемых космических аппаратов.Особенно важным этот процесс становится для регенерационных систем водообеспечения, так как качественная сепарация позволяет увеличить степень замкнутости системы.

Одной из таких систем является система регенерации воды изконденсата атмосферной влаги СРВ-К2М. Крайне важно обеспечивать полноеразделение жидкости и газа. С одной стороны пузыри воздуха в жидкости значительно сокращают ресурс СРВ-К2М по очистке конденсата атмосферной влаги оторганических и неорганических примесей. С другой стороны осушенный воздухнаправляется в модуль, а унесенные капли значительно нарушают влажностныйрежим кабины, могут быть причиной выхода из строя оборудования и опасны дляжизни и здоровья космонавтов при случайном вдыхании жидкости.

Даже при регулярных поставках с Земли в условиях работы на борту орбитальной станцииочень важным является длительный ресурс сепаратора. Штатный сепаратор жидкости из газожидкостного потока (ГЖС) в СРВ-К2М оказался неустойчивым к загрязненности конденсата атмосферной влаги и контаминации его микроорганизмами. В связи с этим возникла актуальная задача усовершенствования узла сепарации в системе регенерации воды из конденсата атмосферной влаги, которая позволила бы обеспечить полное разделение КАВ и транспортного воздуха с продолжительным ресурсом при условии поступления загрязненного конденсата.Степень разработанности темы исследования.

В литературе рассмотрен способ сепарации жидкости из газожидкостного потока, при котором жидкость впитывается пористым материалом, а воздух выводится в кабину, недостатком этого способа является невозможность обеспечения полного разделения жидкости и воздухав условиях функционирования СРВ-К2М. Также рассматривается способ сепарации, при котором жидкость под давлением, не превышающим критическое, проходит через гидрофильную пористую стенку, а воздух выводится. Недостаток этого4способа – ограничение по объему порции жидкости, подаваемой за цикл.Проведенный анализ литературы показывает, что готового решения длязначительного увеличения ресурса узла сепарации СРВ-К2М при жестком ограничении в энергопотреблении и габаритах не существует.Целью работы является увеличение ресурса узла сепарации системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги при сохранении габаритов иэнерготрат системы в целом.Основные решенные задачи: 1) Разработка и расчетно-экспериментальноеобоснование нового способа сепарации и мембранного фильтра-разделителя(МФР) для его осуществления; 2) Разработка двухступенчатой схемы сепарациидля блока разделения и перекачки конденсата СРВ-К2М; 3) Разработка математической модели сепарации жидкости в МФР; 4) Экспериментальная проверка адекватности представленной модели при работе на модельных растворах и КАВ; 5)Анализ работы МФР на борту МКС.Научная новизна работы:- экспериментально полученные постоянные фильтрования, характеризующие процесс фильтрования через многослойный фильтровальный пакет в заданных условиях;- новая эмпирическая зависимость для расчета скорости потока жидкостичерез ненасыщенный влагой пористый материал в заданных условиях;- обоснован и предложен способ сепарации, в котором одновременно осуществляются сопряжѐнные процессы аккумуляции жидкости во влагоудерживающем пористом материале, транспорт жидкости через пористый материал кгидрофильной микропористой поверхности и откачка жидкости через эту поверхность за счет разности давлений.Теоретическая и практическая значимость работы.Теоретическая значимость заключается в том, что полученные выводы дополняют теорию фильтрования через многослойные фильтровальные пакеты.

Основные теоретические результаты могут стать основой для дальнейшего изучения5механизма сепарации жидкости в условиях невесомости с возможностью аккумулирования порции жидкости.Практическая значимость:- Разработанная двухступенчатая схема сепарации реализована в системерегенерации воды из конденсата атмосферной влаги. В качестве первой ступенисепарации используется разработанный мембранный фильтр-разделитель, а второй – штатный разделитель.- Разработанный сепаратор используется на борту МКС для подготовки воды для системы «Электрон-ВМ».- Получены патенты РФ на устройство для сепарации жидкости из газожидкостного потока в гермообъекте и на способ сепарации жидкости из газожидкостного потока в гермообъекте и устройство для его осуществления.Методология и методы исследования.

Методологическую основу исследования составили научные труды отечественных и зарубежных ученых в областипроектирования регенерационных систем жизнеобеспечения, исследования течения двухфазных потоков, сепарации жидкости в условиях невесомости и фильтрования жидкости.Информационные источники научного исследования:- научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей,научных докладов, материалов научно-технических конференций;- официальные документы: положения и ГОСТ;- результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.Для исследования процессов и получения неизвестных параметров использовались такие методы как эксперимент, математическое моделирование, численные методы.Назащитувыносятся:предложенныйспособсепарации;расчетно-эмпирическое обоснование конструкции сепаратора; схема двухступенчатого узласепарации для системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги; математическая модель процесса сепарации в МФР и его программная реализация.6Достоверность и апробация результатов.

Диссертационная работа имеетрасчетно-экспериментальный характер и достоверность полученных результатови сделанных выводов подтверждается строгой формулировкой основных положений исследований и используемых формализованных описаний, применением базовых методов регрессионного анализа и сопоставлением результатов вычислительных экспериментов с данными экспериментальной эксплуатации. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современныхсредств и методик проведения исследований. Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась общепринятыми методами вариационной статистики, по оценке отклонений результатов от средних значений использовалосьраспределение Стьюдента с достоверной вероятностью 95%.Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на Международной Конференции «Авиация и Космонавтика» (Москва, 2008,2009, 2010, 2011, 2012, 2013), на 2-й Всероссийской конференции «Информационные технологии в авиационной и космической технике -2009» (Москва, 2009),на 14-й Международной научной конференции «Системный анализ, управление инавигация» (Евпатория, Украина, 2009), на Международной научно-практическойконференции «Пилотируемые полеты в космос» (Звездный городок, Российская Федерация, 2009, 2013,), на Космическом форуме, посвященном 50-летиюполета в космос Ю.А.

Гагарина» (Москва, 2011), на Международном Астронавтическом Конгрессе IAC (Кейптаун, ЮАР, 2011).Личный вклад автора. Диссертантом поставлена актуальная задача увеличения ресурса узла сепарации СРВ-К2М. Проведены исследования, которые позволили получить экспериментальные данные по параметрам процесса сепарациижидкости из движущегося газожидкостного потока при аккумуляции жидкостипористым телом и ее отводе через микрофильтрационную мембрану.