Автореферат (Сепарация жидкости из газожидкостного потока в системе регенерации воды СРВ-К2М на космической станции), страница 2

Был обоснован предложенный способ сепарации, проведены эксперименты, которые позволили определить закон фильтрования жидкости через многослойный фильтровальный пакет. Разработаны алгоритм расчета ресурса аппарата и программноеобеспечение для его реализации. Проведены испытания МФР и двухступенчатой7схемы сепарации. Проанализированы данные по работе МФР на борту МКС.Лично и в соавторстве написаны научные труды, результаты работы обсуждалисьна конференциях и конгрессах.Внедрение результатов исследования. Полученная в результате исследования методика расчета ресурса мембранного фильтра-разделителя применяется вАО «НИИхиммаш» для анализа работы аппарата на борту МКС.

Разработаннаясхема сепарации и МФР используются на борту МКС в СРВ-К2М. Основные результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры 607 «МАИ (НИУ)»и используются при преподавании дисциплины «Преддипломный курс: проектирование систем жизнеобеспечения» и проведении лабораторных работ.Публикации. Основные результаты работы опубликованы в журналах, входящих в рецензируемый ВАК Минобрнауки России перечень изданий [1-2], представлены в патентах РФ [3-4], опубликованы в сборниках тезисов докладов [5-17].Всего по теме диссертации опубликовано 17 работ.Структура работы и объем работы. Диссертационная работа состоит извведения, 5 глав, заключения и списка литературы.

Работа содержит 140 страниц,17 таблиц, 52 рисунка; список литературы включает 146 наименований.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы и поставлены задачи для достижения этой цели, раскрыты научная новизна и практическая значимость работы.В первой главе проведен аналитический обзор имеющихся литературныхданных. Проанализированы физические основы сепарации жидкости из газожидкостного потока в условиях невесомости. Рассмотрены современные регенерационные системы водообеспечения Международной космической станции (МКС). Рассмотрены особенности сепарации жидкости в системе регенерации воды из конденсата атмосферной.

Проанализированы различные возможности увеличения ресурса статического узла сепарации. Рассмотрены существующие методы определения параметров фильтрования и ресурса сепаратора.8На основе проведенного анализа выявлена необходимость разработки сепаратора, введения двухступенчатого узла сепарации для СРВ-К2М и разработки методики расчета ресурса аппарата. Анализ условий функционирования в составеСРВ-К2М показал, что разрабатываемый сепаратор должен быть статического типаи сочетать в себе преимущества гидрофильных полупроницаемых перегородок ивлагопоглощающего пористого материала.Во второй главе рассмотрены предложенный способ сепарации жидкости иустройство для его реализации, приведены эксперименты и расчеты, обосновавшие способ и устройство, приведена разработанная двухступенчатая схема сепарации для СРВ-К2М.Способ сепарации основан на использовании капиллярных сил и отличаетсяот существующих тем, что с целью полного разделения жидкости и газа и обеспечения длительного ресурса по сепарации, одновременно осуществляются аккумуляция жидкости во влагоудерживающем пористом материале, транспорт жидкостичерез пористый материал к гидрофильной микропористой поверхности и отсосжидкости через эту поверхность за счет перепада давления, не превышающего капиллярное.

Принципиальная схема сепарации приведена на рисунке 2.1. Газожидкостная смесь (ГЖС) из системы кондиционирования воздуха поступает во внешнюю полость 2, заполненную влагопоглощающим материалом 1. Благодаря аккумулирующей способности влагопоглощающего материала отвод жидкости черезэлемент патронный мембранный (ЭПМ) 3 (разработка ООО НПП «Технофильтр»г.Владимир) осуществляется в квазистатическом режиме.

Фильтровальная перегородка ЭПМ представляет из себя 2 слоя дренажного материала 5 и 8, между которыми находятся мембрана с бóльшим размером пор 6 и мембрана с меньшим размером пор 7. Отделенная жидкость передается далее для доведения ее до кондицийпитьевой воды, воздух направляется во вторую ступень сепарации, роль которойиграет штатный разделитель.9123А4- жидкостьР1- газожидкостная смесь- газР2Р1>P2(Р1-P2)<∆PкрАБ5Р1Б67Р28Рисунок 2.1 – Принципиальная схема сепарации:1 – насыпка из пористого материала; 2 – внешняя полость МФР; 3 – ЭПМ; 4 – внутренняяполость МФР; 5,8 – дренажный слой; 6 – микропористая мембрана с большим размером пор; 7 –микропористая мембрана с меньшим размером пор; Р1 – давление во внешней полости; Р2 – давление во внутренней полости; ΔРкр – критический перепад давленияБыли проведены испытания микрофильтрационных мембран отечественногопроизводства, которые обосновали выбор двухслойной мембраны из гидрофилизированного фторопласта с размерами пор 0,65 мкм и 0,45 мкм.

Основными параметрами являлись производительность на единицу площади, критический перепад давления и коэффициент проницаемости мембраны для воздуха. Обоснован выбор конструктивного оформления мембраны – мембранный элемент патронного типа.Проведены исследования влагопоглощения пористого материала, по результатам которых в качестве насыпки выбран поливинилформаль пористый маркиПВФП-3. На основании определенных влагопоглощающих свойств материала былрассчитан объем засыпки, который составил 600 см3. При развитой поверхностисепарации (0,6м2), масса МФР в заправленном состоянии составляет не более 3,4 кгпри высоте не более 400 мм и диаметре не более 120 мм.Разработанная двухступенчатая схема сепарации жидкости из газожидкостного потока в СРВ-К2М приведена на рисунке 2.2.

В качестве первой ступени сепарации работает мембранный фильтр-разделитель, а в качестве второй – штатный разделитель Р 5068.10Рисунок 2.2 – Схема СРВ-К2М с двухступенчатым узлом сепарации:1 – вход ГЖС; 2 – фильтр газожидкостной смеси; 3 – фильтр-реактор; 4 – МФР; 5 – штатныйразделитель (Р 5068); 6 – мембранная емкость (МЕ); 7 – насос.В третьей главе проводится математическое моделирование процессов определяющих и сопровождающих сепарацию в МФР.Фильтрование жидкостиФильтрование – основной процесс, определяющий качество и продолжительность сепарации жидкости из газожидкостного потока с помощью пористыхперегородок.

Процесс фильтрования с образованием осадка в безразмерных осях:v0 v0k0V 1 (3.1),V2где V0 – начальный удельный объем фильтрата (см), а v0 – начальная удельнаяскорость фильтрования (см/с).K0и учитывая отклонения:v0V0v0 K 0V a0 (3.2),VV0где K0 и а0 – безразмерные постоянные фильтрования, которые могут быть найде-Введя обозначение k0  2ны методом наименьших квадратов.v0V0(3.3).V0  2 K 0VПостоянные фильтрования v0, V0 и τ0 находятся экспериментально.Скорость фильтрования v Поступление жидкостиЭксперименты и теоретический анализ показали реализацию снарядногорежима течения ГЖС в СРВ-К2М.

Моделирование течения ГЖС проводили с допущениями, что потоки жидкости и газа постоянны, физико-химические свойства11газа близки к свойствам воздуха, а жидкости – к воде, компоненты смеси несжимаемы, в смеси не осуществляется теплопередачи и силы трения незначительны.Wобщ  Wг  Wж (3.4),где Wг – объемный расход газовой фазы, Wж – жидкой фазы.Средняя плотность суммарного объемного расхода vобщ  Wобщ S (3.5),где S – площадь сечения трубопровода.При числах Re>3000 объемное водосодержание   1  0,84Wг Wобщ (3.6).При Re≤3000 отношение скорости движения пузыря воздуха vb к среднейплотности объемного расхода смеси:0,8vb3,8  ж vобщ   C1  1  1,27 1  e (3.7),vобщ 1vг(3.8),C1vобщгде vг – приведенная скорость газовой фазы vг  Wг S (3.9).Объемная скорость поступления жидкости Wпж  Wобщ  (3.10).Течение жидкости в пористом телеВлагоперенос жидкости в пористой насыпке моделировался для случаев насыщенной насыпки и ненасыщенной насыпки.

Движение жидкости через насыщенную влагой пористую насыпку в условиях невесомости и при условии, чтоизменение давления происходит только в одном направлении описывается упрощенным уравнением Дарси и определяется коэффициентом фильтрации:jнас  kфP (3.11),Qkф ж (3.12).S PtДвижение жидкости через ненасыщенную влагой насыпку:jненас  kв 0ux(3.13).kв  f1  u u  f 2  P Коэффициент влагопроводности kв не поддается теоретическому описанию,функции f1 и f2 определяются экспериментально.Распределение потоков жидкости в элементарной ячейке12Допустим, что насыпка является однородной и изотропной. Разделим весьобъем внешнего канала (перешли от задачи о кольцевом слое к задаче о плоскомслое) на ячейки сечениями поперечными ЭПМ.

В каждом элементарном объемежидкость может распространяться только вдоль ЭПМ и от стенки корпуса к мембране. Жидкость движется к большему потенциалу.Исходные данные:Счетчик количества циклов с=0;K0 определяется качеством поступающей жидкости.Объем поступившей жидкости зависит от режима подачи ГЖС. Жидкостьпоступает в первую ячейку: q1 ... qn0 0 0qпод  m  k    ... ... ...0 0 0qn1 ... qk 00 0  ,... ...