Диссертация (Сепарация жидкости из газожидкостного потока в системе регенерации воды СРВ-К2М на космической станции), страница 4

В этой конструкции смачивающая жидкость проходит через перегородку, а пузырьки газа задерживаются и выводятся из системы. Работа при давлении ниже критического давления перегородки препятствует прорыву газа. Ресурс таких аппаратов ограничениз-за забивки пористой перегородки. Очень близок к этому типу статических сепараторов сетчатый сепаратор. Принцип работы сетчатого сепаратора заключается в том, что для сепарации газожидкостных смесей в невесомости используютсясилы поверхностного натяжения, величина которых тем больше, чем меньше характерный размер ячеек сетчатого разделителя. Главным недостатком такого устройства является их значительное гидравлическое сопротивление. Кроме того, если газ все-таки проходит через сетчатый разделитель, эти устройства перестаютработать.Рисунок 1.5 – Сборник с отжимом ЕДВ-СОТ:1 – эластичная емкость; 2 – влагопоглощающий материал; 3 – гофрированная трубка;4 – корпус; 5 – крышка20Рисунок 1.6 – Принципиальная схема гидрофобно-гидрофильного сепаратора:1 – вход газожидкостной смеси; 2 – гидрофильная перегородка; 3 – жидкостная полость;4 – гидрофобная перегородка; 5 – газовая полостьРисунок 1.7 – Принципиальная схема сепаратора с гидрофильной перегородкой:1 – вход газожидкостной смеси; 2 – гидрофильная перегородка (сетчатый фильтр); 3 –жидкостная полость- вихревой (циклонный) сепаратор (рисунок 1.8).

Сепарация фаз обусловлена инерцией капелек воды в быстро вращающемся потоке воздуха. В цилиндрическом канале создается двухфазный поток по касательной к стенке с вращениемвоздуха в канале. Происходит эффективная сепарация капель в результате действия интенсивного центробежного поля. Такой сепаратор эффективен при постоянной скорости потока, требует дополнительных затрат энергии и больших напоров, что невозможно обеспечить в функционирующей СРВ-К2М.21Рисунок 1.8 – Принципиальная схема циклонного сепаратора:1 – корпус; 2 –штуцер входа газожидкостной смеси; 3 – штуцер выхода воздуха;4 – штуцер выхода жидкостиВ российском сегменте международной космической станции в настоящеевремя регенерация воды осуществляется в системе регенерации воды из конденсата атмосферной влаги (СРВ-К2М), в которой реализуется метод сепарации жидкости из движущегося газа в статическом сепараторе (разделитель Р5068) с капиллярно-пористыми металлическими элементами.

Принципиальная схема СРВК2М приведена на рисунке 1.9 [113]. Узел сепарации А состоит из разделителяР5068 3, мембранного насоса постоянного разрежения 5, создаваемого пружинойжидкостного насоса 6, датчика проскока жидкости 4. Газожидкостная смесь подается в систему порционно в течение 30 с (интервал между подачами 2,5 мин или5 мин). До заполнения мембранного насоса (или мембранной емкости) конденсатом узел сепарации находится в дежурном режиме и не потребляет электроэнергию.

При заполнении мембранного насоса включается механический насос откачки конденсата, опорожняет мембранный насос и отключается. Наступает режиможидания.22Рисунок 1.9 – Принципиальная схема СРВ-К2М:1 – фильтр газожидкостной смеси; 2 – фильтр-реактор; 3 – статический разделитель сблоком металлокерамических элементов; 4 – индикатор проскока жидкости; 5 – мембранная емкость; 6 – насос откачки конденсата; 7 – блок колонок очистки; 8 – датчик качестваводы; 9 – блок клапанов; 10 – блок колонок кондиционирования воды; 11 – контейнер для технической воды; 12 – контейнер для питьевой воды; 13 – датчик заполнения и опорожнения; 14– насос; 15 – рекуператор; 16 – нагреватель; А – узел сепарации (блок разделения и перекачкиконденсата); ГЖС - газожидкостная смесь; СКВ – система кондиционирования воздуха; CWC –емкость с конденсатом из модулей МКСПри экипаже из 3 человек количество конденсата атмосферной влаги составляет около 4,8 л, насос с производительностью 48 л/ч и затрачиваемой мощностью 8 Вт работает 0,1 часа, суточные энергозатраты составляют 0,8 Втч [30].Для сравнения в американской системе регенерации воды (рисунок 1.10) [120]круглосуточно работает центробежных сепаратор с мощностью 60 Вт [143].

Затраты энергии составляют 1440 Втч. Для увеличения ресурса узла сепарацииСРВ-К2М было решено создать статический сепаратор, что позволило сохранитьмалый расход энергии.23Рисунок 1.10 – Схема водного процессора1.3 Сепарация жидкости в СРВ-К2МВсе технологические процессы регенерации воды в рассмотренной вышеСРВ-К2М осуществляются в жидкой фазе, поэтому необходимо полное отделениежидкости от транспортного газа [29, 125]. Задача разделения газожидкостнойсмеси на жидкость и газ (транспортный воздух) решается в блоке разделения иперекачки конденсата (БРПК). От качества работы сепаратора жидкости из газожидкостной смеси напрямую зависят эффективность и надежность работы системы регенерации в целом.До проведения настоящей работы основным элементом блока разделения иперекачки конденсата в СРВ-К2М являлся статический разделитель с блоком металлокерамических никелевых трубок (рисунок 1.11) [34].

Штатный разделительпроизводит отделение конденсата от транспортного воздуха, и отделенный конденсат подается в блок очистки и кондиционирования воды. В герметичном корпусеразделителя установлен пакет пористых гидрофильных трубок, конденсатовоздушная смесь последовательно проходит по внутренним каналам всех трубок.Под действием разрежения, создаваемого мембранной емкостью, расположенной24после разделителя, и за счет гидрофильности пористых никелевых трубок, жидкость проходит через стенки в межтрубное пространство, а осушенный воздух,двигаясь далее по трубному пространству, проходит через индикатор проскокажидкости и поступает в гермообъем (схема разделителя приведена на рисунке 1.12)[58].

Мембранная емкость создает разряжение в жидкостной полости разделителяпорядка 450-600 мм вод.ст. В связи с тем, что аппарат не имеет возможности аккумуляции жидкости, он имеет ограничение по единовременному приему большогообъема жидкости вследствие возникающей повышенной нагрузки на капиллярнопористую стенку, через которую необходимо выводить поступившую жидкость.Забивка капилляров и биообрастание трубопроводов системы объясняет небольшой ресурс разделителя с металлокерамическими трубками по сепарации.Рисунок 1.11 – Разделитель с блоком металлокерамических элементов252жидкость1ГЖСжидкость37Рж<Рг465РжРгdГЖСвоздухвоздухб)а)Рисунок 1.12 – Схема разделителя с блоком металлокерамических элементов:а) – схема разделителя с блоком металлокерамических элементов: 1 – вход газожидкостной смеси; 2 – выход жидкости; 3 – пористые металлокерамические трубки;4 – внутренняя полость пористых трубок; 5 – выход воздуха; 6 – внешняя (жидкостная)полость разделителя; 7 – корпус разделителя.б) – схема сепарации на примере одного металлокерамического элемента:Рг – давление внутри элемента; Рж – давление в жидкостной полости; d – внутренний диметр элемента.Особенности течения процесса сепарации в системе определяют возможность использования того или иного типа сепаратора и метода сепарации.

Нижерассмотрены ключевые особенности сепарации жидкости в системе регенерацииводы из конденсата атмосферной влаги.Состав разделяемой смесиВлаговыделения человека, попадающие в атмосферу, конденсируются всистеме кондиционирования воздуха и транспортируются в виде газожидкостнойсмеси в СРВ-К2М.

По литературным данным [10, 33, 92, 127, 128] организм одного человека ежедневно выделяет около 1,1-1,7 л влаги в атмосферу.Конденсат атмосферной влаги включает в свой состав органические и неорганические примеси, то есть не только водяные пары, выделенные человеком спотом и легкими, но и летучие компоненты, десорбирующиеся с покрытий поверхностей кабины модуля, продукты деструкции и пиролиза полимерных материалов, лаков и красок. По данным различных авторов, в конденсате атмосферной26влаги обнаруживали от 70 до 350 различных соединений [106, 112, 122, 130].

Основные компоненты конденсата атмосферной влаги, выявленные в АО «НИИхиммаш», приведены в таблице 1.1. Кроме того, особенностями конденсата атмосферной влаги являются коллоидные включения и контаминация микроорганизмами [79].Таблица 1.1 – Основные химические соединения, входящие в состав конденсата атмосферной влагиN п/пКомпонентыПримерная концентрация, мг/л1Азот аммиака452Азот нитритов1,53Кальций3,04Хлориды10,05Метанол10,06Этанол1607Бутанол10,08Пропанол2,09Изопентанол10,010Ацетон9,011Муравьиная кислота10,012Ацетальдегид1,013Этиламин2,514Пропиламин1,015Пропионовая кислота1,016Валериановая кислота2,017Капроновая кислота10,018Уксусная кислота60,019Масляная кислота1,020Этиленгликоль20,027Расход и соотношение фаз газожидкостной смесиГазожидкостная смесь подается в СРВ-К2М из системы кондиционированиявоздуха (СКВ). Объем порции жидкости за один цикл работы насоса системыкондиционирования воздуха составляет не более 100 мл, при этом 50% жидкостипоступает за первые 10 с, продолжительность цикла составляет 5 мин с продолжительностью подачи смеси 30 с (остальное время – пауза).

Объемный расход газожидкостной смеси поддерживается постоянным и равным 1,2 л/мин. Кроме этого в СРВ-К2М возможна подача газожидкостной смеси блоком подачи конденсата(БПК) – перекачка жидкости из американской емкости 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 подачами ГЖС. Порция жидкости может составлять 50 или 100 мл (скорость подачи жидкости постоянная и составляет 11,1мл/с), продолжительность паузы между циклами подачи ГЖС составляет 2,5 или5 минут.Течение двухфазной смеси в трубе характеризуется рядом структур в видепузырей различных размеров и форм, конфигурация которых отличается чрезвычайным разнообразием и не всегда поддается четкому определению.

На рисунке1.13 приведены основные типы структур двухфазного газожидкостного потока,характерные для условий невесомости [25, 86]1352467Рисунок 1.13 – Структуры течения газожидкостных потоков в невесомости:1 – пенный; 2 – пузырьковый; 3 – снарядный; 4 – кольцевой; 5 – дисперсно-кольцевой;6 – дисперсный; 7 – спиральный жгутМногие авторы занимались изучением закономерностей образования структур водо-воздушной смеси [20, 21, 24, 63, 71, 102, 105, 117], но до настоящего28времени еще не создано теории, описывающей процессы движения двухфазныхпотоков, поэтому изучение этих процессов и их закономерностей идет по путинакопления экспериментального материала.Таким образом, теоретическое описание течения жидкости в шлангах узласепарации в СРВ-К2М практически невозможно.