Диссертация (Сепарация жидкости из газожидкостного потока в системе регенерации воды СРВ-К2М на космической станции), страница 11

Экспериментально показано, что реализуемый в МФР закон фильтрования может быть описан72зависимостями, характерными для закона с образованием осадка, что определяется микропористыми мембранами из гидрофилизированного фторопласта, но приопределении конечных параметров фильтрования учитывался вклад всех составляющих фильтровального пакета.Для решения 3.12 необходимо знать постоянные процесса фильтрования v0,V0 и τ0. Эти величины находятся экспериментально, полученные значения приведены в четвертой главе, где также рассмотрен пример расчета безразмерной постоянной фильтрования К0 на основе экспериментальных данных. Приведенныезависимости использовались при написании программы для определения безразмерной постоянной фильтрования на основании данных модельных экспериментов (Программа 1). Блок-схема программы и вид диалоговых окон приведены вглаве 4.

Ввиду того, что в дальнейших расчетах безразмерная постоянная фильтрования a0 не используется, в программе предусмотрен вывод только безразмерной постоянной фильтрования K0 (K в программе).3.2 Поступление жидкости в мембранный фильтр-разделительГазожидкостная смесь подается в СРВ-К2М из системы кондиционированиявоздуха (СКВ). Объем порции жидкости за один цикл работы насоса системыкондиционирования воздуха составляет не более 100 мл, продолжительность цикла составляет 5 мин с продолжительностью подачи смеси 30с (остальное время –пауза).

Объемный расход газожидкостной смеси поддерживается постоянным иравным 1,2 л/мин. Кроме этого в СРВ-К2М возможна подача газожидкостнойсмеси блоком подачи конденсата (БПК) – перекачка жидкости из американскойемкости CWC с транспортным воздухом из модуля. В этом случае объемный расход газожидкостной смеси составляет также 1,2 л/мин. Блок управления БПК позволяет настроить порцию жидкости и время паузы между циклами подачамиГЖС.

Порция жидкости может составлять 50 или 100 мл (скорость подачи жидкости постоянная и составляет 11,1 мл/с), продолжительность паузы между цикламиподачи ГЖС составляет 2,5 или 5 минут. Возможно наложение циклов подачи насосом СКВ и БПК, в этом случае максимальная скорость подачи жидкости будет73составлять около 17,1 мл/с на протяжении 10 с. Диаметр трубопроводов в системесоставляет 6 мм.

Зная плотность воздуха и воды при нормальных условиях, можно перейти от объемных расходов к массовым скоростям. Если принять допущение, что поток жидкости непрерывный и равномерный, то можно определить, какой режим будет сформирован в трубопроводах системы в трех рассмотренныхслучаях: 1 случай – подача ГЖС насосами СКВ, 2 случай – подача ГЖС черезБПК, 3 случай – подача ГЖС через БПК с периодическими забросами жидкостииз СКВ (рисунок 3.1 [130]).Рисунок 3.1 – Диаграмма Бейкера, модифицированная Скоттом, с точками, отвечающими режимам течения ГЖС в трубопроводах СРВ-К2М:• – подача ГЖС насосами СКВ, • – подача ГЖС через БПК, • – подача ГЖС через БПКс периодическими забросами жидкости из СКВ.В первой главе уже отмечалось, что эксперименты показали реализациюснарядного режима течения конденсато-воздушной смеси в шлангах СРВ-К2М.Теоретический анализ параметров течения ГЖС также указывает на снарядныйрежим течения.Моделирование процесса течения газожидкостной смеси будем проводитьс допущениями, что потоки жидкости и газа постоянны, физико-химические74свойства газа близки к свойствам воздуха, а жидкости – к воде, компоненты смесинесжимаемы, в смеси не осуществляется теплопередачи и силы трения незначительны.

В результате теоретического описания процесса течения газожидкостнойсмеси необходимо рассчитать объемную скорость поступления жидкости Wпж.Для начала определим основные параметры течения газожидкостной смесисо снарядной структурой.Объемный расход смеси складывается из объемных расходов компонентовсмеси:W  Wг  Wж (3.1),где Wг – объемный расход газовой фазы, Wж – объемный расход жидкойфазы, Средняя плотность суммарного объемного расхода w определяется из соотношения:v W(3.2),Sгде S – площадь сечения трубопровода.Профиль скорости в слое жидкости будет определяться числом РейнольдсаRe ж v d тр  жж(3.3),где d тр – диаметр трубопровода.Достаточно точное значение динамической вязкости воды в диапазоне от 0до 300 ºС дает следующее эмпирическое выражение [44]:  241,4  101247,8  t 133  107 (3.4),где t – температура, °С, размерность динамической вязкости жидкости Па∙с.При больших скоростях и числах Re  3000 объемное водосодержание определится из простого соотношения:  1  0,84Wг(3.5).W75Справедливость приведенного выражения подтверждается экспериментальными данными [15].При малых скоростях ( Re  3000 ) пробка жидкости и пузырь воздуха движутся с одинаковой скоростью, при этом пленка жидкости вокруг пузырей будеточень тонкой.

В этом случае с точностью до 2% [102] можно определить отношение скорости движения пузыря воздуха vb к средней плотности объемного расхода смеси: v 3,8 ж  vbС1   1  1,27 1  e   v0,8 (3.13),при этом коэффициент поверхностного натяжения σ может быть рассчитанпо формуле 1.2, приведенной в первой главе.Тогда объемное водосодержание определится из выражения [132]: 1vг(3.14),С1vгде v г – приведенная скорость газовой фазы, которая определяется из допущения, что по трубе течет только газовая фаза с тем же расходом, что и в двухфазном потоке.vг Wг(3.15).SТогда объемная скорость поступления жидкости в разделитель определитсякак:Wпж  W  (3.16).3.3 Течение жидкости в пористой насыпке, аккумуляция порции жидкостиНа рисунке 3.2 наглядно показано, как аккумулирующие свойства насыпкиувеличивают ресурс мембранного фильтра-разделителя по сепарации жидкости изгазожидкостного потока. На рисунке 3.2 кривая 1 – скорость фильтрования жидкости через фильтровальный пакет, а 2 – скорость поступления жидкости.

Рассмотрим идеальный вариант, когда скорость поступления жидкости равномерна.76Без возможности аккумуляции жидкости, как это организовано во многих статических сепараторах, ресурс по сепарации совпадает с ресурсом по фильтрованиюи вырабатывается в момент времени τ1, когда скорость фильтрования становитсяравной скорости поступления жидкости (vкр1), дальнейшее уменьшение скоростифильтрования приводит к уносу жидкости. Аккумулирующая насыпка можетудержать объем жидкости Vа, который равен площади фигуры, ограниченной линиями 1 и 2 и моментом времени τ2. Тогда ресурс фильтровального пакета пофильтрованию жидкости будет выработан в момент времени τ1, а ресурс аппаратапо сепарации жидкости из газожидкостного потока будет выработан в моментвремени τ2, при достижении скорости фильтрования vкр2.Рисунок 3.2 – Схема аккумулирования жидкости насыпкой:1 – скорость фильтрования жидкости через мембранный элемент; 2 – скорость подачижидкости; vкр – удельная критическая скорость фильтрования через мембранный элемент, когданачинается накапливание жидкости в насыпке; τ1 – время фильтрования до начала накапливания жидкости в насыпке; τ2 – полное время фильтрования до начала уноса жидкости из МФР; Vа– удельный объем жидкости, который может аккумулировать насыпка.Влагоперенос жидкости в пористой насыпке моделировался для двух случаев:1) капиллярно-пористая насыпка является насыщенной, т.е.

ее влажностьравна или больше максимальной гигроскопической влажности;772) капиллярно-пористая насыпка является ненасыщенной, т.е. ее влажностьменьше максимальной гигроскопической влажности.Движение жидкости через насыщенную влагой насыпку из поливинилформаля пористого марки ПВФП-3 описывается уравнением Дарси и определяетсякоэффициентом фильтрации:jнас  kф  g 0 z  P  (3.17).В условиях невесомости и при условии, что изменение давления происходит только в одном направлении, уравнение Дарси примет упрощенный вид:jнас  kфP (3.18).Движение жидкости происходит под действием разности давлений на входеи выходе, которое определяется экспериментально (для МФР при подаче жидкости в СРВ-К2М разность давлений составила около 150 мм вод.ст.), разность давлений в каждой ячейке будет рассчитываться исходя из допущения, что по длинеаппарата изменение давления происходит по линейному закону.Коэффициент фильтрации зависит от фильтруемой жидкости и пористойсреды и определяется экспериментально по зависимости [97]:kф Qж (3.19).St РРасчет коэффициента фильтрации для мембранного фильтра-разделителярассматривается в четвертой главе.Движение жидкости через ненасыщенную влагой насыпку из поливинилформаля пористого описывается следующей зависимостью [37, 45]:ujkв 0 ненасx(3.20).kfu в1 u  f 2  P 78Как уже отмечалось в первой главе, коэффициент влагопроводности (илипотенциалопроводности) не поддается теоретическому описанию, функции f1 и f2определяются экспериментально (рассмотрено в четвертой главе).3.4 Распределение потоков жидкости в элементарной ячейкеДля описания распределения жидкости в объеме насыпки удобнее пользоваться понятием элементарного объема канала, заполненного насыпкой из поливинилформаля пористого (далее внешнего канала).

Внешний канал удобнее рассматривать не кольцевым, а щелевого типа с высотой, равной зазору между элементом патронным мембранным и стенкой корпуса МФР, длиной, соответствующей длине элемента патронного мембранного, и шириной, равной длине окружности с радиусом, равным среднему арифметическому радиуса корпуса МФР ивнешнего радиуса элемента патронного мембранного.

Переход от цилиндриче-Rrddской задачи к задачи о плоском слое показан на рисунке 3.3.+r)π(RLLРисунок 3.3 – Переход от цилиндрической поверхности к плоскойПри решении задачи распределения жидкости допустим, что насыпка из поливинилформаля пористого является однородной и изотропной, т.е. ее плотностьи пористость одинаковы во всех сечениях.