Диссертация (Сепарация жидкости из газожидкостного потока в системе регенерации воды СРВ-К2М на космической станции), страница 8

Разработка и расчетно-экспериментальное обоснование нового способа сепарации и устройства для его осуществления.2. Разработка двухступенчатой схемы сепарации для блока разделенияи перекачки конденсата СРВ-К2М.3. Разработка математической модели сепарации жидкости в устройстве.4. Экспериментальная проверка адекватности представленной моделипри работе на модельных растворах и КАВ.5. Анализ работы МФР на борту МКС.Изложение результатов, полученных при решении поставленных задач,приведено в последующих главах диссертации.472 Разработка способа и устройства для сепарации жидкости изгазожидкостного потока в условиях невесомостиАнализ ситуации в блоке разделения и перекачки СРВ-К2М и существующих способов сепарации показал, что необходимо разработать новыйспособ сепарации, который бы обеспечил длительный ресурс работы сменных блоков при минимальном энергопотреблении и максимальной надежности сепарации.

Как показано в первой главе, проведенный анализ существующих способов сепарации и условий сепарации жидкости из газожидкостного потока в СРВ-К2М определил необходимость создания статического сепаратора, который сочетал бы надежность сепарации с помощью полимерных мембран и возможность аккумуляции порции жидкости, что возможнопри использовании влагопоглощающих материалов.Для разработки конструкции сепаратора, который отвечал бы заявленным требованиям, в АО «НИИхиммаш» были проведены исследованияфильтрования через полимерные мембраны и влагопоглощения пористымтелом.Разработанныйсепараторбылназванмембранныйфильтр-разделитель (МФР).2.1 Описание разработанного способа сепарацииРазработанный способ сепарации [27, 28] основан на использованиикапиллярных сил и отличается от существующих тем, что с целью полногоотделения жидкости от газа и газа от жидкости и обеспечения приема больших объемов жидкости и ресурса по сепарации, одновременно осуществляются аккумуляция жидкости во влагоудерживающем пористом материале,транспорт жидкости через пористый материал к гидрофильной микропористой поверхности и отсос жидкости через эту поверхность за счет перепададавления, не превышающего капиллярное, при сопутствующей очистке жидкости путем фильтрования.48Принципиальная схема способа приведена на рисунке 2.1.123А4- жидкостьР1- газожидкостная смесь- газР2Р1>P2(Р1-P2)<∆PкрАБ5Р1Б67Р28Рисунок 2.1 – Принципиальная схема сепарации:1 – насыпка из влагопоглощающего материала; 2 – внешняя полость МФР; 3 –элемент патронный мембранный; 4 – внутренняя (жидкостная) полость МФР; 5,8 – дренажный слой;6 – микропористая мембрана с бóльшим размером пор; 7 – микропористая мембрана сменьшим размером пор; Р1 – давление во внешней полости; Р2 – давление во внутреннейполости; ΔРкр – критический перепад давленияГазожидкостная смесь из системы кондиционирования воздуха илиамериканских емкостей CWC поступает во внешнюю полость 2, заполненную влагопоглощающим материалом 1.

Благодаря аккумулирующей способности влагопоглощающего материала, отвод жидкости через элемент патронный мембранный 3 осуществляется в квазистатическом режиме. Это позволяет значительно увеличить время сепарации и ресурс работы по сравнению с сепаратором, работающим в динамическом режиме. Кроме того, пористая влагопоглощающая насыпка играет роль глубинного предфильтра.Под действием перепада давления, не превышающего критический, жидкостьотсасывается в жидкостную полость 4 через элемент патронный мембранный, что кроме сепарации обеспечивает также дополнительную очисткужидкости от взвешенных частиц. Элемент патронный мембранный представляет из себя 2 слоя дренажного материала 5 и 8, между которыми находятся49мембрана с бóльшим размером пор 6 и мембрана с меньшим размером пор 7,такое расположение позволяет увеличить ресурс устройства. Отделеннаяжидкость передается далее в систему для дальнейшей очистки и доведения еедо кондиций питьевой воды.

Отделенный транспортный воздух направляетсяво вторую (страхующую) ступень сепарации, роль которой играет штатныйразделитель системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги.2.2 Исследование фильтрования через пористые полимерные мембраныОпределение закона фильтрованияБыли исследованы микрофильтрационные мембраны из капрона(Nylon-6), гидрофилизированного фторопласта и полиэфирсульфона производства ООО НПП «Технофильтр».

Компанией выпускаются мембраны сразличными размерами пор, максимальный общий размер пор для всех типовмембран, пригодных для фильтрования жидкости, – 0,65 мкм, поэтому исследовались указанные микрофильтрационные мембраны с размером пор0,65 мкм. Компанией «Владипор» производятся мембраны из ацетата и нитрата целлюлозы, но эти мембраны не рассматривались в связи с тем, что ониподвержены гидролизу и могут использоваться только в ограниченном диапазоне pH. Кроме того, они начинают разрушаться уже при температуре выше 35°C и уязвимы для биообрастаний [16].Для определения закона фильтрования были проведены серии эксперименты на модельном фильтродержателе (рисунок 2.2) диаметром d=4,4 смдля каждого типа мембран.

Перед началом испытаний мембраны опрессовывались избыточным давлением порядка 3000 мм вод.ст. (30 кН/м2). Испытания проводились на имитаторе конденсата атмосферной влаги (КАВ) притемпературе t=25 ˚С. Фильтрование проводилось при постоянном перепадедавления ΔР=500 мм вод.ст. (5 кН/м2). Замерялось количество фильтрата Qi ивремя фильтрования τi для каждого замера. На основании полученных дан-50ных строились зависимости в координатах, характерных для каждого из типов фильтрования, приведенные в первой главе.Схема испытаний приведена на рисунке 2.3.

В таблице 2.1 приведенырезультаты одного из испытаний для каждой мембраны с размером пор0,65 мкм. Графически результаты представлены на рисунке 2.42137654Рисунок 2.2 – Схема фильтродержателя:1 – крышка; 2 – вход жидкости; 3 – дно; 4 – выход жидкости; 5 – испытываемая мембрана;6 – уплотнения; 7 – корпусРисунок 2.3 – Схема определения закона фильтрования:1 – емкость постоянного уровня; 2 – шпильки; 3 – модельная ячейка; 4 – мембранамежду двумя слоями дренажного материала; 5 – уплотнения; 6 – мерная емкость51Таблица 2.1 – Результаты опытов по определению закона фильтрованиядля полимерных мембран с размером пор 0,65 мкмМатериал мембраныN замераКапронГидрофилизированныйфторопластПолиэфирсульфонτi, минqi, млτi, минqi, млτi, минqi, мл1129131135212112212231191181184117,51161165115,51141156114,51121147113,51111138112,5110112911219,511110111,519110В таблице 2.1 использованы параметры qi и τi, которые понятны из соотношений: = и = .Рисунок 2.4 – Типы фильтрованияКак видно из графиков, представленных на рисунке 2.4, на всех трех мембранах реализуется фильтрование с образованием осадка на поверхности.Аналогичные результаты получены для мембран с размером пор 0,45 мкм ипри перепадах давления 300, 400, 500 и 700 мм вод.ст.В первой главе уже отмечалось, что тип фильтрования с образованиемосадка наиболее благоприятен для фильтрования с продолжительным ресурсом.Выбор мембраныПри работе в составе МФР полимерная мембрана должна иметь максимальные производительность (протекаемость) Q и критический перепад давления ΔРкрпри минимальной проницаемости мембраны для воздуха (определяется коэффициентом проницаемости Рвозд).

Проницаемость зависит от коэффициента диффузии D и коэффициента распределения γ вещества между фазами мембраны [83].При работе с тонкими полимерными мембранами именно требование минимальной проницаемости мембраны для воздуха является определяющим, этот параметр зависит от материала мембраны и ее толщины.Исследования проводились на мембранах из капрона, гидрофилизированного фторопласта и полиэфирсульфона с размером пор 0,65 мкм, результаты представлены в таблице 2.2. Более подробно результаты освещены в работе [96].Таблица 2.2Материал мембраныПараметрQ/Sф, см/минΔРкр, мм вод.ст.Рвозд, см/чКапрон~0,33не менее 16000,00008Полиэфирсульфон~0,33не менее 16000,00015~0,33не менее 16000,00005ГидрофилизированныйфторопластНа основании полученных результатов была выбрана мембрана с наименьшим коэффициентом проницаемости мембраны для воздуха Рвозд – мембрана изгидрофилизированного фторопласта.

Как уже отмечалось в первой главе, дляобеспечения более длительного ресурса и надежной сепарации можно использо-54вать ассиметричные или двухслойные мембраны, поэтому было решено использовать двухслойный мембранный элемент с размерами пор 0,65 мкм и 0,45 мкм.Выбор конструктивного оформления мембраныРоссийской промышленностью выпускаются мембранные элементы в виде патронов и в виде рулонов. Такие элементы имеют большую площадь фильтрованияпри компактных размерах.

Так как рулонные мембранные элементы не позволяютобеспечить контакт поверхности с влагопоглощающим материалом было решеноиспользовать мембранные элементы патронного типа. Такие мембранные элементывыпускаются компанией ООО НПП «Технофильтр» следующих размеров: 100 мм,250 мм, 500 мм, 750 мм и 1000 мм [141]. Учитывая ограничения по габаритам притребовании максимально возможного ресурса, был выбран элемент высотой 250 мм,при этом площадь фильтрования элемента составляет около 0,6 м2.ПозаданиюАО«НИИхиммаш»(сучастиемавтора)вООО НПП «Технофильтр» (г. Владимир) был разработан элемент патронныймембранный (ЭПМ), который представляет собой полипропиленовый перфорированный сердечник, вокруг которого размещается гофрированный фильтрующийпакет (рисунок 2.5 [141]).

Фильтрующий пакет состоит из селективного слоя –мембрана из гидрофилизированного фторопласта на подложке в два слоя (размеры пор 0,65мкм и 0,45 мкм) и дренажный слой – нетканый полипропилен. внешний опорный корпус выполнен с окнами, размер которых обеспечивает контактвлагопоглощающего материала с дренажным слоем при сохранении жесткостиконструкции.55Рисунок 2.5 –Элемент патронный мембранный:1 – двухслойная мембрана из гидрофилизированного фторопласта, расположенная между двумя слоями нетканого дренажного полотна; 2 – внешний перфорированный опорный корпус; 3 – внутренний перфорированный опорный корпус2.3 Исследование влагопоглощения пористым телом и выбор материала длянасыпкиОпределение влагопоглощенияВлагопоглощение или водопоглощение пористого материала определяет аккумулирующую способность сепаратора, следовательно, чем выше влагопоглощающая способность, тем большую порцию жидкости может аккумулировать насыпка.Определение водопоглощения пористых тел проводилось по ГОСТ 409-77[4].