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

АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО «НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИКОНСТРУКТОРСКИЙ ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ» иФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕУЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ«МОСКОВСКИЙ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»На правах рукописиКапица Анна АлександровнаСЕПАРАЦИЯ ЖИДКОСТИ ИЗ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА В СИСТЕМЕРЕГЕНЕРАЦИИ ВОДЫ СРВ-К2М НА КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ05.26.02 «Безопасность в чрезвычайных ситуациях (Авиационная и ракетнокосмическая техника)»Диссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель –доктор технических наук, профессорБобе Леонид СергеевичМосква – 20162СодержаниеУсловные обозначения ................................................................................................... 4Перечень используемых сокращений ...........................................................................

6Введение ........................................................................................................................... 71 Сепарация жидкости из газожидкостной смеси в условиях невесомости всистемах регенерации воды космических станций ................................................... 121.1 Физические основы процесса сепарации в условиях невесомости ................... 121.2 Сепарация жидкости в современных регенерационных системахводообеспечения............................................................................................................ 151.3 Сепарация жидкости в СРВ-К2М ..........................................................................

231.4 Способы увеличения ресурса узла сепарации в системе регенерации водыиз конденсата атмосферной влаги ............................................................................... 301.5 Процессы, определяющие сепарацию в статическом сепараторе ..................... 361.6 Способы расчета ресурса статического сепаратора ............................................ 421.7 Общая постановка задачи .......................................................................................

442Разработкаспособаиустройствадлясепарациижидкостиизгазожидкостного потока в условиях невесомости ..................................................... 472.1 Описание разработанного способа сепарации ..................................................... 472.2 Исследование фильтрования через пористые полимерные мембраны ............. 492.3 Исследование влагопоглощения пористым телом и выбор материала длянасыпки ..........................................................................................................................

552.4 Конструкция мембранного фильтра-разделителя................................................ 582.5 Фильтровальный пакет ........................................................................................... 612.6 Погрешности измерений и оценка точности расчетов ........................................ 612.7 Основные материалы для сепаратора ................................................................... 622.8 Описание разработанной схемы сепарации ......................................................... 632.9 Испытания разработанного мембранного фильтра-разделителя ....................... 653 Математическое моделирование процесса сепарации в разработанноммембранном фильтре-разделителе ..............................................................................

6933.1 Фильтрование жидкости через многослойный пакет .......................................... 693.2 Поступление жидкости в мембранный фильтр-разделитель .............................. 723.3 Течение жидкости в пористой насыпке, аккумуляция порции жидкости ........ 753.4 Распределение потоков жидкости в элементарной ячейке ................................. 784Лабораторноеоборудование,методикипроведенияирезультатыисследований .................................................................................................................

854.1 Описание экспериментальных установок............................................................. 854.2 Результаты исследований ....................................................................................... 904.3 Погрешность измерений и точность расчетов ...................................................

1024.4 Алгоритм расчета ресурса и программа для его реализации ........................... 1034.5 Обсуждение результатов расчетов и экспериментов ........................................ 1085 Внедрение разработанного мембранного фильтра-разделителя и расчет егоэкономической эффективности..................................................................................

1125.1 Экспериментальная эксплуатация мембранного фильтра-разделителя всоставе СРВ-К2М ........................................................................................................ 1125.2 Подготовка воды для системы «Электрон-ВМ» ................................................

1155.3 Расчет массоэнергетических характеристик ...................................................... 1175.4 Расчет экономической эффективности внедрения мембранного фильтраразделителя .................................................................................................................. 121Заключение .................................................................................................................. 125Список литературы ..................................................................................................... 1274Условные обозначенияА – безразмерная переменная фильтрования, A  Wнач ;qb – показатель, зависящий от схемы улавливания загрязнений;Dвозд – диффузия воздуха через полимерные мембраны, м/с;d – диаметр, м (см; мм);g – ускорение свободного падения на Земле, м/с2;g0 – ускорение свободного падения на борту МКС с учетом компенсациипостоянным падением станции, м/с2;h – вертикальная координата,j – плотность потока, м/с (см/мин; см/с);K0 – безразмерная постоянная фильтрования;l – характерный линейный размер, м;M – масса, г;m – пористость;n – остаточное ускорение свободного падения, n=g/g0;Р – давление или потенциал, Па (мм вод.ст.);P – капиллярное давление,∆P – перепад давления, т.е.

разность давлений в разных участках системыили на границе, Па (мм вод.ст.);∆Pкр – критический перепад давления, Па (мм вод.ст.);Q – производительность (протекаемость), м3/с (л/мин);q – количество жидкости (фильтрата), м3 (л, см3);r – радиус пор, м;R – общее гидравлическое сопротивление фильтрующего элемента, 1/м;S ф – площадь фильтрования, м2;T – температура, К;t – температура, °С;5Тх – безразмерная переменная фильтрования, Tх Wнач;d начu – влажность, г/г;uпогл – водопоглощение, г/г;uм – максимальная гигроскопическая влажность, г влаги/г сух. тела;v – удельная скорость течения или фильтрования, м/с;V – удельный объем фильтрата, см;Wэ – энергия смачивания или адгезионное напряжение, Дж;Х – безразмерная постоянная фильтрования; – коэффициент кинематической вязкости, м2/с;Θ – краевой угол или угол смачивания;μ – динамическая вязкость, Па·с;ρ – плотность, кг/м3; – поверхностное натяжения жидкости, Дж/м2;τ – время фильтрования, с (мин).6Перечень используемых сокращенийБКВ – блок кондиционирования водыБПК – блок подачи конденсатаБРПК – блок разделения и перекачки конденсатаГЖС – газожидкостная смесьКАВ – конденсат атмосферной влагиМЕ – мембранная емкостьМКС – международная космическая станцияМФР – мембранный фильтр-разделительСВО – система водообеспеченияСЖО – системы жизнеобеспеченияСКВ – система кондиционирования воздухаСРВ-К(2М) – система регенерации воды из конденсата атмосферной влагиЭПМ – элемент патронный мембранныйCWC – американская емкость для воды7ВведениеАктуальность темы исследованияОтделение конденсата атмосферной влаги (КАВ) от транспортного воздухаявляется одним из ключевых массообменных процессов в системах жизнеобеспечения пилотируемых космических аппаратов.

Особенно важным этот процессстановится для регенерационных систем водообеспечения, так как качественнаясепарация позволяет увеличить степень замкнутости системы. Одной из такихсистем является система регенерации воды из конденсата атмосферной влагиСРВ-К2М. Крайне важно обеспечивать полное разделение жидкости и газа. С одной стороны, пузыри воздуха в жидкости значительно сокращают ресурс СРВК2М по очистке конденсата атмосферной влаги от органических и неорганических примесей. С другой стороны, осушенный воздух направляется в модуль, аунесенные капли значительно нарушают влажностный режим кабины, могут бытьпричиной выхода из строя оборудования и опасны для жизни и здоровья космонавтов при случайном вдыхании жидкости.