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

Даже при регулярных поставках сЗемли в условиях работы на борту орбитальной станции очень важным являетсядлительный ресурс сепаратора. Штатный сепаратор жидкости из газожидкостногопотока (ГЖС) в СРВ-К2М оказался неустойчивым к загрязненности конденсатаатмосферной 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 обеспечитьполное разделение КАВ и транспортного воздуха с продолжительным ресурсомпри условии поступления загрязненного конденсата.Степень разработанности темы исследованияВ литературе рассмотрен способ сепарации жидкости из газожидкостногопотока, при котором жидкость впитывается пористым материалом, а воздух выводится в кабину [92], недостатком этого способа является невозможность обеспечения полного разделения жидкости и воздуха в условиях функционирования8СРВ-К2М.

Также рассматривается способ сепарации, при котором жидкость поддавлением, не превышающим критическое, проходит через гидрофильную пористую стенку, а воздух выводится [77]. Недостаток этого способа – ограничение пообъему 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.Цель работыЦелью 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-экспериментальное обоснование нового способасепарации и мембранного фильтра-разделителя (МФР) для его осуществления.2.

Разработка двухступенчатой схемы сепарации для блока разделения и перекачки конденсата СРВ-К2М.3. Разработка математической модели сепарации жидкости в МФР4. Экспериментальная проверка адекватности представленной модели приработе на модельных растворах и конденсате атмосферной влаги.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 жидкости через 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 к9гидрофильной микропористой поверхности и откачка жидкости через эту поверхность за счет разности давлений.Теоретическая и практическая значимость работыТеоретическая значимость заключается в том, что полученные выводы дополняют теорию фильтрования через многослойные фильтровальные пакеты.

Основные теоретические результаты могут стать основой для дальнейшего изучениямеханизма сепарации жидкости в условиях невесомости с возможностью аккумулирования порции жидкости.Практическая значимость заключается в следующем:- 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 исследованияМетодологическую основу исследования составили научные труды отечественных и зарубежных ученых в области проектирования регенерационных системжизнеобеспечения, 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 использо-10вались такие методы как эксперимент, математическое моделирование, численныеметоды.На защиту выносятся:- предложенный способ сепарации;- расчетно-эмпирическое обоснование конструкции разработанного аппарата;- схема двухступенчатого узла сепарации для СРВ-К2М;- математическая модель процесса сепарации в МФР и его программная реализация.Достоверность и апробация результатовДиссертационная работа имеет расчетно-экспериментальный характер идостоверность полученных результатов и сделанных выводов подтверждаетсястрогой формулировкой основных положений исследований и используемыхформализованных описаний, применением базовых методов регрессионного анализа и сопоставлением результатов вычислительных экспериментов с даннымиэкспериментальной эксплуатации.

Достоверность экспериментальных данныхобеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований. Статистическая обработка экспериментальных данных проводиласьобщепринятыми методами вариационной статистики, по оценке отклонений результатов от средних значений использовалось распределение 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, 2013гг.), на 2-й Всероссийской конференции «Информационные технологии в авиационной и космической технике -2009» (Москва,2009), на 14-й Международной научной конференции «Системный анализ, управление и навигация» (Евпатория, Украина, 2009), на Международной научнопрактической конференции «Пилотируемые полеты в космос» (Звездный городок,РФ, 2009, 2013,), на Космическом форуме, посвященном 50-летию полета в космос Ю.А.

Гагарина» (Москва, 2011), на Международном Астронавтическом Конгрессе IAC (Кейптаун, ЮАР, 2011).11Личный вклад автораДиссертантом поставлена актуальная задача увеличения ресурса узла сепарации СРВ-К2М. Проведены исследования, которые позволили получить экспериментальные данные по параметрам процесса сепарации жидкости из движущегося газожидкостного потока при аккумуляции жидкости пористым телом и ее отводе через микрофильтрационную мембрану. Был обоснован предложенный способ сепарации, проведены эксперименты, которые позволили определить законфильтрования жидкости через многослойный фильтровальный пакет и параметрытечения жидкости через пористое тело в заданных условиях. Разработаны алгоритм расчета ресурса аппарата и программное обеспечение для его реализации.Проведены испытания МФР и двухступенчатой схемы сепарации.

Проанализированы данные по работе МФР на борту МКС. Лично и в соавторстве написаны научные труды, результаты работы обсуждались на конференциях и конгрессах.Внедрение результатов исследованияПолученная в результате исследования методика расчета ресурса МФРприменяется в АО «НИИхиммаш» для анализа работы аппарата на МКС. Разработанная схема 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.ПубликацииОсновные результаты работы опубликованы в журналах, входящих в рецензируемый ВАК Минобрнауки России перечень изданий, представлены в патентах РФ и опубликованы в сборниках тезисов докладов. Всего по теме диссертацииопубликовано 17 работ.Структура работы и объем работыДиссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и спискалитературы.

Работа содержит 140 страниц, 17 таблиц, 52 рисунка; список литературы включает 146 наименований.121 Сепарация жидкости из газожидкостной смеси в условиях невесомости всистемах регенерации воды космических станций1.1 Физические основы процесса сепарации в условиях невесомостиПритяжение Земли на высоте орбиты МКС составляет 90% от притяжения науровне моря [145]. Состояние невесомости обусловлено постоянным свободнымпадением станции, а в результате давления остаточной атмосферы и других факторов на борту МКС возникает остаточное ускорение свободного падения n (n=g/g0,где g – ускорение свободного падения на Земле, g0 – ускорение свободного паденияна борту МКС с учетом компенсации постоянным падением станции). Так как расчетные и экспериментальные значения остаточного ускорения свободного падения являются очень малыми величинами, при расчетах можно считать ускорениесвободного падения равным 0 [25, 138, 134].В условиях невесомости разделение фаз газ-жидкость определяется силами,которые обычно не проявляются в наземных условиях.

Наибольшее значениеимеют поверхностная энергия, капиллярные силы, сильно влияют на процессыразделения смачивание и инерционные силы [25, 37].Явление смачивания определяется адгезионным взаимодействием твердой ижидкой фаз и происходит на границе трех фаз [62]. При контакте жидкости ствердой поверхностью ее поведение (смачивание) зависит от степени сродстваматериала твердой поверхности к жидкости, которая характеризуется величинойкраевого угла Θ (угла смачивания). Если жидкость хорошо смачивает поверхность, т.е. имеет хорошую адгезию к поверхности (силы молекулярного сцепления), то угол Θ<π/2, т.е. поверхность жидкости контактирует с твердой поверхностью (лиофильная поверхность) под острым углом (рисунок 1.1). Если уголΘ>π/2, то в этом случае жидкость не смачивает поверхность (лиофобная поверхность).Из-за явления смачивания поверхность жидкости в капиллярах пористоготела приобретает кривизну rм, что является причиной возникновения капиллярного давления, вызывающего поднятие смачивающей жидкости или опускание не-13смачивающей на определенную высоту h.