авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |

Интенсификация физико-химических процессов свч-энергией в регенерационной системе жизнеобеспечения экипажа космического корабля

-- [ Страница 4 ] --

Из таблицы 4 следует, что в режиме выделения диоксида углерода (99°C) при подводимой СВЧ-мощности 410 Вт на нагрев ЖРП затрачивается 250 Вт.

При постоянном расходе раствора функция температуры ЖРП, поглощенной СВЧ-мощности ЖРП и подводимой к раствору СВЧ-мощности от тока магнетрона, носит линейный характер и монотонно возрастает. КСВН при этом не превышает допустимого значения для этого типа генератора в 3 единицы за исключением режима, соответствующего току магнетрона 300 мА. Этот режим характеризуется интенсивным кипением ЖРП и газовыделением, т.е. наиболее неблагоприятными диэлектрическими характеристиками, влияющими на согласование этой среды (ЖРП) с ЭМП. Этот факт указывает на необходимость совершенствования СВЧ- устройства для более полного поглощения ЭМП раствором ЖРП. Проведенные исследования позволяют сделать основной вывод о том, что СВЧ-энергия может эффективно использоваться для нагрева раствора МЭЭДА при десорбции из него диоксида углерода. Применение объемного бесконтактного СВЧ-нагрева обеспечивает сокращение времени нагрева ЖРП, что приводит к снижению энергозатрат на процесс десорбции.

Тепловая безынерционность ввода СВЧ-энергии в ЖРП обеспечивает возможность регулирования выхода диоксида углерода из него, что позволяет управлять этим процессом для дозированной подачи диоксида углерода в узел его переработки с постоянной скоростью.

В следующем разделе главы приведена разработка метода, устройства и технологии регенерации твердого аккумулятора водорода.

Для проведения исследований сорбции-десорбции водорода был использован сплав-накопитель водорода LaNi5 с легирующими элементами в виде Ce, Mn и Cu. Исследования проводились с использованием разработанного в ГНЦ РФ-ИМБП РАН патрона для целей регенерации водорода. Патрон представляет собой цилиндр из нержавеющей стали с фланцами, на внешней поверхности которого выполнена двухзаходная радиальная резьба. В одну из канавок была уложена медная трубка диаметром 10 мм внатяг (с нагревом газовой горелкой) для плотного прилегания к корпусу. В другую - через стеклоткань нихромовая проволока для нагрева корпуса патрона. Эти элементы конструкции были укрыты асбестом.

Трубка с патрубком для подачи и вывода водорода перфорирована и обтянута стеклотканью для предотвращения уноса интерметаллида. В патроне имеется карман для размещения термопары.

Основной целью экспериментальных исследований являлось получение первичной информации о принципиальной возможности использования сплава-накопителя водорода в СЖО, а точнее – в системе обеспечения газового состава для поглощения и безопасного хранения водорода, выделяемого электролизером.

Постановочные эксперименты показали высокую активность интерметаллида в начальный период (первые 120 с) сорбции водорода. При этом интерметаллид нагревался до температуры 80-90°С, что послужило побудительной причиной для проведения процесса сорбции водорода при начальной температуре 100°С, не дожидаясь полного остывания интерметаллида после десорбции. Этот прием позволил сгладить сорбционный процесс и сократить время между циклами.

Экспериментальные исследования сорбции водорода интерметалллидом проведены при давлении 0,1; 0,2 и 0,3 ати и не должны были превышать 0,5 ати. Ограничение по давлению наложено предельными условиями выделения водорода из электролизера "Электрон-В", функционирующего в настоящее время на МКС.

График процесса десорбции водорода отображен на рис. 8.

Рис. 8. Параметры десорбции водорода, сорбированного при давлении 0,2 ати

1 – температура интерметаллида; 2 – объем выделившегося водорода; 3 – скорость выделения водорода; 4 – давление водорода.

Момент выделения водорода начинается с 15 мин. и продолжается по 40 мин., пока давление водорода (кривая 4), обеспечивает заданный расход газа. В этом же интервале времени количество выделившегося водорода (кривая 2) монотонно возрастает (по 40 мин.), а затем спадает в соответствии со снижением давления. Относительно постоянный расход водорода (кривая 3) осуществляется в течение 25 мин. и соответствует среднему расходу газа 2,0 л/мин. Технологические параметры процесса десорбции водорода поддерживаются постоянным и монотонным ростом температуры интерметалллида, выраженные кривой 1.

Проведенные экспериментальные исследования и их результаты позволяют сделать заключение о целесообразности использования сплава-накопителя водорода как неотъемлемой части системы жизнеобеспечения нового поколения.

В заключительном разделе этой главы приведена разработка метода, устройства и технологии СВЧ-обеззараживания и нагрева воды в потоке.

Метод реализован путем использования оконечного коаксиального СВЧ-устройства для нагрева воды в потоке, в котором поочередно применен цилиндрический и экспоненциальный канал для прохода воды. На рис. 9 приведена конструкция СВЧ-устройства с экспоненциальным каналом.

 Конструкция СВЧ-устройства с-31

Рис. 9. Конструкция СВЧ-устройства с экспоненциальным каналом

1 – волновод; 2 – внутренний проводник коаксиала; 3 – внешний проводник коаксиала; 4 – конус; 5 – канал для прохода жидкости; 6,7 – гайка со штуцером; 8 – накидная гайка; 9 – втулка; 10 – заглушка; 11 – винт; 12,13 – резиновое кольцо; 14 - настроечный винт.

Сравнение осуществлено по поглощенной водой СВЧ-мощности (Wп,Вт), температуре воды и гибели микробов (t,°С), ее расходу (Q,л/ч), времени пребывания воды в зоне СВЧ-воздействия (,с), КСВН, биоконтролю. Сисх = 106 КОЕ/мл.

Таблица 5

Технологические параметры процесса нагрева воды, зараженной синегнойной палочкой (Pseudomonas aeruginosa), в СВЧ-устройстве с различной формой канала

цилиндрический канал экспоненциальный канал
t, °C Q, л/ч Wп, Вт КСВН , с Сост, КОЕ/мл Q, л/ч Wп, Вт КСВН , с Сост, КОЕ/мл
80 6,96±0,40 515±21 4,0 5,6 0 9,42±0,16 639±11 2,6 14,9 0
70 9,96±0,47 623±30 2,8 3,9 0 11,34±0,17 627±6 2,7 12,4 0
65 10,98±0,53 624±27 2,8 3,5 0 12,66±0,10 619±6 2,8 11,1 0
60 12,42±0,66 632±24 2,7 3,1 103±102 14,22±0,09 621±4 2,8 9,9 0
55 13,80±0,58 626±28 2,7 2,8 104±103 16,38±0,08 624±4 2,8 8,6 34±29
50 15,72±0,98 617±24 2,8 2,5 105±104 19,92±0,09 641±3 2,6 7,1 104±2.103

Показано, что в экспоненциальном канале происходит выравнивание поглощенной СВЧ-мощности во всем интервале температуры, снижение энергозатрат и температуры обеззараживания, увеличение производительности (см. рис. 10, табл. 5).

 Технологические параметры-32

Рис. 10. Технологические параметры процесса СВЧ-нагрева воды, зараженной вегетативными формами микроорганизмов (экспоненциальный канал)

1 - Wп; 2 - t; 3 - ; 4 - КСВНпас; 5 - КСВНэкс.

знак - - означает отсутствие микроорганизмов в воде;

знак ± - означает наличие микроорганизмов в воде ниже 100 КОЕ/мл;

знак + - означает наличие микроорганизмов в воде выше 100 КОЕ/мл.

Известно, что одним из ответственных этапов при реализации длительных космических полетов (включая и полет на Марс) является предстартовый период. В комплекс мероприятий в этот период входит и обеспечение инфекционной безопасности как основного и резервного экипажей, так и специалистов комплексной экспедиции, непосредственно контактирующих с членами экипажей

На космодроме "Байконур" совместно с НИИХИММАШ была смонтирована двухконтурная, опытная установка водоподготовки с СВЧ-стерилизацией и нагревом питьевой воды в устройстве с плоским каналом (см. рис. 11).

Рис. 11. Конструкция проходного СВЧ-устройства с плоским каналом

1 – канал для прохода водной среды; 2 – волновод; 3 – запредельное устройство; 4 – штуцер. S – высота канала; L – ширина канала.

Процесс приготовления питьевой воды осуществлялся по следующей технологической схеме: водопроводная (хозяйственная) вода из магистрали подавалась в дистиллятор, из которого со скоростью 22-25 л/ч сливалась в накопительную емкость до заполнения; затем в накопительную емкость вводился раствор ионного серебра с учетом конечной концентрации 0,3-0,5 мг/л питьевой воды (первый контур); после этого в эту же емкость вводился минерализатор "Аквасоль" в виде рассола, предварительно доведенного до кипения в микроволновой печи "Электроника"; на заключительном этапе водоподготовки вода механически перемешивалась и выстаивалась, после чего переливалась в емкость, расположенную в холодильнике, и использовалась для питья как комнатной температуры, так и охлажденной.

Во втором контуре вода после дистиллятора также сливалась в накопительную емкость с добавлением "Аквасоли", но раствор ионного серебра вводился на порядок меньше, чем в первом контуре, из расчета 0,03-0,05 мг/л питьевой воды. После перемешивания и выстаивания питьевая вода дополнительно подвергалась СВЧ-воздействию в момент перекачки ее из накопительной емкости в емкость в холодильнике. В этом контуре могла использоваться как горячая вода, вода после теплообменника комнатной температуры, а также охлажденная из холодильника для питья и приготовления напитков.

Дополнительно во втором контуре были проведены исследования по СВЧ-обеззараживанию воды в потоке, контаминированной аналогом вирусной инфекции фагом mS-2. Отбор проб на анализ производился при постоянной температуре воды 80°С.

Результаты анализов, проведенных Центральной научно-исследовательской лабораторией лечебно-оздоровительного объединения при кабинете министров СССР, показали высокую эпидемиологическую безопасность питьевой воды по вирусному компоненту биологического фактора.

Решением Межведомственной Государственной комиссии приготовленная в установке питьевая вода была рекомендована для употребления в предстартовый период основным и резервным экипажами экспедиций на орбитальный комплекс "МИР" с ЭО-7 по ЭО-15, включая космонавтов из Японии, Англии, Франции.

В главе 4 дана оценка схемы совместной работы узлов и блоков регенерационной физико-химической системы жизнеобеспечения с использованием СВЧ-энергии.

Рассмотрен вариант системы, содержащей в общем виде жилой отсек, систему очистки от диоксида углерода и вредных микропримесей, концентратор диоксида углерода, систему переработки диоксида углерода и водорода, блок электролитического разложения воды, систему регенерации твердых и жидких отходов, сборник питьевой воды, сборник метаболической воды и сборник отходов (Гришаенков Б.Г., 1975).

Общими с функционирующей на МКС СЖО являются практически все узлы и блоки системы за исключением системы переработки диоксида углерода и водорода и концентратора диоксида углерода. Из этого следует, что для создания варианта максимально замкнутой СЖО необходимо разработать недостающие звенья этой системы.

В такую систему для согласования взаимодействия материальных потоков между блоком электролитического разложения воды и системой переработки диоксида углерода и водорода дополнительно введен аккумулятор водорода. Такая компоновка узлов и блоков позволяет в необходимый для этого момент времени направить диоксид углерода и водород в систему их переработки с целью получения воды.

Другой вариант системы предусматривает использование для переработки диоксида углерода и водорода двухстадийный процесс Боша по разрядно-каталитической схеме. Для реализации первой стадии (гидрирования диоксида углерода) используется тлеющий или комбинированный разряд. В зависимости от условий жизнедеятельности и количества членов экипажа может использоваться либо тлеющий разряд, либо его комбинация с СВЧ-разрядом. Во второй стадии с получением углерода может применяться железо-кобальтовый катализатор. Поддержание температуры катализатора (400-500оС) предлагается осуществлять потоком нагретых в первой стадии смеси газов.

К неудобствам этого двухстадийного процесса относится строгое соблюдение состава исходных газов – диоксида углерода и водорода. Они не должны содержать инертных примесей; мольное соотношение водорода к диоксиду углерода должно отвечать стехиометрии итогового уравнения, т.е. VH/VCO=2.

Нарушение любого из этих условий приведет к накоплению в циркуляционном контуре инертного газа или одной из компонент (диоксида углерода или водорода), в результате чего производительность будет непрерывно уменьшаться и, в конечном итоге, упадет до нуля.

Еще одной проблемой данного процесса является удаление образующегося углерода из замкнутой циркуляционной газовой системы, что сводит до минимума использование его в реальной системе.

Этот вариант системы не исключает проведение только стадии гидрирования диоксида углерода с удалением за борт КК оксида углерода и водорода.

В следующем варианте системы предлагается исключить вторую стадию с образованием углерода и ограничиться первой стадией процесса Боша – гидрированием диоксида углерода. Блок-схема системы показана на рис. 12.

СО2 из системы очистки

Концентратор СО2 в систему очистки

СО2

О2 в жилой отсек Н2О метаболическая

О2 в жилой отсек СО2 СО2

О2

О2

СО2,Н2,СО СО2,Н2

Н2 Аккумулятор Н2 Дожигатель Сорбер

Н2ОН2+1/2О2 Н2 СО2+Н2=СО+Н2О СО Н2

Н2О

Н2

Рис. 12. Блок-схема системы с гидрированием диоксида углерода и дожиганием оксида углерода (остальные узлы и блоки системы жизнеобеспечения условно не показаны)

Схема этого варианта системы состоит из следующих основных узлов и блоков: электролизера; аккумулятора водорода; плазмотрона для переработки диоксида углерода и водорода в комбинированном СВЧ- и тлеющем разряде (стадия гидрирования); дожигателя оксида углерода на палладиевом катализаторе; поглотителя водорода из газовой смеси. В этой блок-схеме предполагается дополнительно использовать систему резервирования кислорода, которая условно обозначена в этой схеме как адсорбер кислорода (Смирнов И.А. и др., 2008). В целом эта система состоит из электрохимического генератора и батареи аппаратов – адсорбционных аккумуляторов кислорода. В этой системе кислород получают от электрохимического генератора, после которого основная часть кислорода поступает в жилой отсек, а неиспользованная часть подается в адсорбционный аккумулятор кислорода, заполненный специальным поглотителем. Кислород при этом аккумулируется с небольшим избыточным давлением и в количестве, значительно большем, чем в баллоне под давлением. Учитывая, что в предлагаемом варианте системы уже присутствует электролизер, представляется целесообразным от системы получения и резервирования кислорода использовать только адсорбционный аккумулятор кислорода.

Процесс переработки диоксида углерода и водорода по предлагаемой блок- схеме осуществляется в два этапа. Первый этап включает в себя процесс аккумулирования водорода, концентрирования диоксида углерода и аккумулирования кислорода соответствующими узлами и блоками. Второй этап обеспечивает переработку диоксида углерода и водорода по проточной схеме с дожиганием образовавшегося оксида углерода на палладиевом катализаторе.

Второй этап проводится в следующей последовательности: вначале электрическая энергия подводится к аккумулятору водорода для нагрева, а после этого переключается к СВЧ-генератору для нагрева адсорбента в концентраторе диоксида углерода; по достижении давления в этих блоках в несколько атмосфер, диоксид углерода из концентратора и водород из аккумулятора в соотношении 1:2 соответственно подаются в плазмотрон для их переработки в комбинированном тлеющем и СВЧ-разряде, при этом электрическая энергия переключается уже к блокам питания СВЧ-генератора плазмотрона и тлеющего разряда; после конденсации и отделения воды газовая смесь, содержащая непрореагировавшие диоксид углерода и водород, а также оксид углерода и избыточный водород, поступает в дожигатель оксида углерода; в это же время из адсорбера кислорода в дожигатель оксида углерода направляется недостающий кислород для окисления оксида углерода до диоксида углерода; на заключительном этапе смесь диоксида углерода и водорода проходит через поглотитель водорода, после которого диоксид углерода возвращается в систему очистки от микропримесей и диоксида углерода, а водород после нагрева своего поглотителя возвращается в аккумулятор водорода.

В численном выражении при температуре переработки диоксида углерода и водорода ~ 1200оС степень превращения диоксида углерода составляет 80,0% (см. рис. 1) при объеме диоксида углерода 15,0 л, водорода 30,0 л и газовых продуктов реакции и непрореагировавших газов 33,0 л.

Итак, на вход дожигателя оксида углерода поступает смесь газов или 12,0+3,0+18,0=33,0 л. Отдельно в дожигатель направляется кислород объемом = 6,0 л.

В результате реакции окисления образуется диоксид углерода в количестве 12,0 л плюс диоксид углерода непрореагировавший = 3,0 л. Итого: 12,0+3,0=15,0 л.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |
 








 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.