Диссертация (Сепарация жидкости из газожидкостного потока в системе регенерации воды СРВ-К2М на космической станции), страница 12

Разделим весь объем внешнего каналана ячейки сечениями поперечными элементу патронному мембранному (рисунок3.4). В каждом элементарном объеме жидкость может распространяться тольковдоль элемента патронного мембранного и от стенки корпуса к мембране. Движение жидкости в капиллярно-пористом коллоидном теле происходит от меньшегопотенциала к большему. На поверхности мембраны потенциал насыпки будетвыше в связи с постоянной откачкой жидкости, поэтому при рассмотрении рас-79пределения жидкости, поступающей в элементарный объем будем считать, чтосначала жидкость распределяется от стенки аппарата к поверхности мембраны донасыщения насыпки до уровня максимальной гигроскопичности, а излишек между поступившей порцией и принятой проходит вдоль поверхности мембраны кследующему элементарному объему.Рисунок 3.4При моделировании распределения жидкости в аппарате расчет проводилсядля каждого момента времени, шаг по времени был выбран равным 1 с, тогдаможно переходить от объемных скоростей потока к объемам жидкости.

Свойстважидкости считались равными свойствам воды, что позволяло легко переходить отобъемов к массам.Расчет проводился до появления уноса жидкости на выходе воздуха из аппарата. Все параметры, которые являются уникальными для каждой из ячеек, записываются в форме двухмерного массива размерностью mxk, где m – количествоячеек, на которое разбит аппарат, k – длительность цикла подачи ГЖС с учетомвремени паузы в секундах.Исходными данными будут:- счетчик количества циклов с=0;- безразмерная постоянная фильтрования K0;- объем поступившей жидкости нач.пост , мл;- исходная влажность каждого элемента насыпки нас0 , г/г;- перепад давления по длине каждой ячейки ∆Ряч, мм вод.ст.;- начальное количество собранного фильтрата qф0, мл;- масса насыпки в ячейке Мяч , г;80- максимальная гигроскопическая влажность uм, г/г;- максимальный объем порции жидкости для ячейки Vmax, мл;- площадь фильтрования ячейки Sяч, см2.Безразмерная постоянная фильтрования K0 определяется качеством поступающей жидкости и может быть рассчитана по зависимостям, приведенным вразделе 3.1 или с помощью Программы 1, рассмотренной в четвертой главе.Объем поступившей жидкости будет зависеть от режима подачи ГЖС, который характеризуется порцией жидкости qж, временем подачи ГЖС, длительностью паузы.

Учитывалось, что поступление жидкости идет в первую ячейку.1 … +1 … 0 0 000 0под (м × ) =,… … ……… …0 0 000 0где 1 = ⋯ = = пж ∙ 1с, при этом =жпж ∙1с, m – количество ячеек накоторое разбит аппарат,а +1 = ж − ∙ пж ∙ 1с,и +2 = ⋯ = = 0, при этом k – продолжительность цикла подачи с учетом времени паузы в с.Влажность для каждого элемента ячейки в начальный момент времени:нас0 () = , i=1,…,m,где m – количество ячеек, на которое разбит аппарат, С – произвольное значение в диапазоне от 0 до qmax.Для расчета МФР начальная влажность каждой ячейки была принята равной 0.Перепад давления по длине каждой ячейки:∆Рап∆Рап 1 −∆Ряч =12∆Рап 1 −…∆Рап…∆Ряч 1, = 0…∆Ряч 1, = 0…∆Ряч 2, = 0…∆Ряч 2, = 0… ∆Ряч 3, = 0 …………… ∆Ряч , = 0 …∆Ряч 3, = 0 ,…∆Ряч , = 081где ∆Рап – перепад давления по длине аппарата, i – время цикла в секундах,когда начинается пауза.Количество собранного фильтрата в начальный момент времени qф0 задается из условий работы аппарата.Масса насыпки в ячейке:Мяч =Мобщ,где Мобщ – масса всей насыпки, определяется конструкцией аппарата,а m – количество ячеек, на которое разбит аппарат.Максимальная гигроскопическая влажность uм определяется экспериментально (рассмотрено во второй главе) и принимается постоянной величиной длявсех ячеек.Максимальный объем порции жидкости qmax одинаков для каждой ячейки иопределяется геометрическими характеристиками канала и количеством ячеек: =канн ,где Vкан – объем внешнего канала, а kн – коэффициент, учитывающий максимально возможный объем жидкости в канале, kн=0,9.Площадь фильтрования ячейки:ф.яч =ф,где Sф – площадь фильтрования аппарата, которая определяется конструкцией аппарата, для разработанного МФР Sф =6000см2.Для каждой ячейки в каждый момент времени рассчитываются:- исходный объем жидкости для каждой ячейки в данный момент времени,qнач(i,t);- объем жидкости, поступившей в каждую ячейку в данный момент времени, qпост(i,t);- перепад давлений на мембране ∆Рм (i, t), мм вод.ст.;- объем жидкости, который может быть отфильтрован из каждой ячейки вданный момент времени, qф.пот(i,t);82- минимальный объем жидкости в ячейке, который не распределяется далеев объеме насыпки, qmin;- объем жидкости, который отфильтрован из каждой ячейки в каждый момент времени, qф(i,t);- неотфильтрованный объем жидкости, который выходит из ячейки, qвых(i,t);- объем жидкости в каждой ячейке в данный момент времени, qяч(i,t).Результатом расчета является количество отфильтрованной жидкостиqрес (мл), которое было собрано до появления уноса жидкости из штуцера выхода воздуха МФР.Ниже приведена последовательность расчета:Цикл выполняется до тех пор, пока qвых(m,t)≤0Количество циклов с=c+1t=1,…,k с шагом в 1 с,i=1,…,mнач(, ) = Мяч ∙ нас0 (),пост , = вых − 1, + под , .Перепад давлений на мембране зависит от наполненности мембраннойемкости, зависимость определяется экспериментально и приведена вчетвертой главе:∆Рм , = МЕ (, ) .Наполненность мембранной емкости определяется из количества отфильтрованной жидкости при условии, что объем мембранной емкостисоставляет 180 мл.МЕ , =ф0 +180−1=1=1 , +−1=1 ф−1 ф0 + −1 =1 =1 ф , + =1 ф ,180, −,Количество жидкости, которое потенциально может быть отфильтровано из ячейки:83ф.пот (, ) =ф (,)∙ ф.яч ∙ 1 ,где vф – скорость фильтрования, определенная по 3.13,ф.яч =ф.Минимальный объем жидкости, содержащийся в каждой ячейке: (, ) = (∆Рм (, )), определяется из экспериментально полученнойзависимости, приведенной в четвертой главе, при условии jненас=0.Количество отфильтрованной жидкости из каждой ячейки определитсяиз следующих условий:ф.потф.пот .

≤ (пост , − (, )), ф , = ф.пот . .. > (пост , − (, )), ф , = (пост , − (, ))Количество жидкости, которое выходит из каждой ячейки, определитсяследующим образом:нач , > , вых1 , = нач , − ,нач , ≤ , вых1 , = 0нас0 > м , вых2 , = нас ,,нас0 ≤ м , вых2 , = ненасвых , = вых1 , + вых2 , Для расчета jнас и jненас используется перепад давления в ячейке по длине∆Ряч (, ). Эмпирические зависимости для нахождения jнас и jненас рассмотрены в четвертой главе.Итоговое значение количества жидкости в ячейке определится следующим образом:яч (, ) = нач (, ) + пост (, ) − ф (, ) − вых (, ).Влажность насыпки определится как:нас () = яч ∙ яч (, ).Общий объем отфильтрованной жидкости (мл) составит:общ , = ф 0,1 +11 ф (, ).Если qвых(m,t)>0, начался унос.

Остановка расчета.нас0 = нас ,qф0=qобщ(m,k)84qрес=qрес+qобщ(m,k).Приведенная логика расчета была использована при написании в среде визуального программирования LabView программы для расчета ресурса аппарата сучетом аккумулирующей возможности влагоудерживающей насыпки (Программа 2). Внешний вид диалогового окона программы приведен в четвертой главе.Методики получения всех эмпирических коэффициентов и зависимостей, а такжеобсуждение результатов расчетов и сопоставление с полученными при экспериментальной эксплуатации приведены в четвертой главе.854 Лабораторное оборудование, методики проведения и результатыисследованийДля нахождения неизвестных коэффициентов и зависимостей были проведены модельные эксперименты.4.1 Описание экспериментальных установокУстановка и методика определения коэффициента фильтрацииУстановка для определения коэффициента фильтрации позволяет определить коэффициент фильтрации посеребренной насыпки из поливинилформаля пористого марки ПВФП-3, влажность которой больше максимальной гигроскопической влажности.

Установка, схема которой приведена на рисунке 4.1, представляет собой модельную ячейку диаметром d=3,8 см, в которую подается свежая дистиллированная вода из емкости постоянного уровня, а отфильтрованная вода собирается в мерную емкость.2345620017Рисунок 4.1 – Схема определения коэффициента фильтрации:1 – емкость постоянного уровня, 2 – шпильки, 3 – модельная ячейка, 4 – насыпка из поливинилформаля пористого марки ПВФП-3, 5 – сетка, 6 – уплотнения, 7 – мерная емкость.86Модельную ячейку с исследуемой насыпкой предварительно выдерживалив дистиллированной воде в течение 120 мин для насыщения насыпки. Затем посхеме, приведенной на рисунке 3.2, жидкость из емкости постоянного уровня(расположенной на высоте 200 мм от модельной ячейки) подается в модельнуюячейку, проходит через насыпку и собирается в мерную емкость.

В течение эксперимента замеряется объем прошедшей жидкости и время ее сбора.Время фильтрования составляло τф=15с. Испытания проводились при температуре t=25 ˚С, следовательно динамическая вязкость воды составилаμж=0,000893Нс/м2.Установка и методика определения интенсивности потока через ненасыщенную насыпкуКак уже отмечалось в первой главе, интенсивность потока жидкости в этомслучае зависит от коэффициента влагопроводности или потенциалопроводности.Экспериментальное определение коэффициента влагопроводности требует длительного эксперимента с высокой степенью точности оборудования [123]. В связис этим были проанализированы параметры, которые влияют на коэффициент влагопроводности, а именно потенциал пористого тела, который, как было показаноранее, может быть сведен к рабочему перепаду давления, и влажность пористоготела.

В связи с этим были проведены эксперименты, которые позволили установить связь между интенсивностью потока жидкости через пористое тело и рабочим перепадом давления и влажностью пористого тела.Установка для определения интенсивности потока жидкости через ненасыщенную влагой насыпку из поливинилформаля пористого марки ПВФП-3, схемакоторой приведена на рисунке 4.2, представляет собой модельную ячейку, аналогичную той, которая использовалась для определения коэффициента фильтрации(диаметр d=12,5 см, вместо сетки использовали пористую металлическую пластину с размером пор 20 мкм, критическим перепадом давления не менее 800 ммвод.ст.