Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ литературных источников и обоснование эффективности использования СВЧ-энергии для интенсификации физико-химических процессов в СЖО 20
1.1. Основы СВЧ-техники 20
1.2. Выбор типа СВЧ-разряда и плазмотрона для переработки диоксида углерода и водорода в физико-химической СЖО 31
1.2.1. Выбор типа СВЧ-разряда 31
1.2.2. Выбор типа СВЧ-плазмотрона 54
1.3. Анализ методов регенерации твердого и жидкого сорбентов диоксида углерода 59
1.4. Выбор аккумулятора водорода 67
1.5. Анализ методов и выбор типа СВЧ-устройства для обеззараживания и нагрева воды в СЖО 72
1.5.1. Анализ литературных и патентных источников по методам стерилизации водных сред, анализ различных методов и особенности стерилизации биологических сред СВЧ-энергией 73
1.5.2. Выбор типа СВЧ-устройства для обработки воды в потоке 95
Глава 2. Математическое описание динамики физико- химических процессов в СЖО 100
2.1. Описание термодинамических расчетов переработки диоксида углерода и водорода 100
2.2. Описание динамики адсорбции и нагрева адсорбента СВЧ-энергией 105
2.3. Математическое описание процесса сорбции - десорбции водорода интерметалл идом 111
2.4. Математическое описание динамики процесса СВЧ-нагрева воды в СЖО. Определение геометрических характеристик канала СВЧ-устройства для нагрева воды 117
2.4.1. Основные характеристики канала камеры стерилизации СВЧ- устройства 117
2.4.2. Электродинамический анализ процесса СВЧ-нагрева воды 119
2.4.3. Гидро- и термодинамический анализ процессов СВЧ-нагрева воды в потоке 122
2.4.4. Методика расчета электродинамических, гидродинамических и тепловых процессов, происходящих в воде под воздействием СВЧ энергии 126
2.4.5. Определение формы образующей канала камеры стерилизации и расчет вероятных распределений удельных мощностей, полей скоростей и температур обрабатываемой воды 129
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований 139
3.1. Разработка метода, устройства и технологии плазмохимической переработки диоксида углерода и водорода в комбинированном СВЧ- и тлеющем разряде 139
3.1.1. Описание СВЧ-плазмотрона для переработки диоксида углерода и водорода в комбинированном СВЧ- и тлеющем разряде 139
3.1.2. Описание экспериментального стенда для переработки диоксида углерода и водорода 144
3.1.3. Результаты экспериментальных исследований 147
3.2. Разработка метода, устройства и технологии регенерации твердого сорбента диоксида углерода под действием СВЧ-энергии 152
3.2.1 Методика проведения экспериментальных исследований 153
3.2.2. Результаты экспериментальных исследований 156
3.3. Разработка метода, устройства и технологии регенерации жидкого сорбента диоксида углерода под действием СВЧ-энергии 162
3.3.1. Методика экспериментальных исследований 162
3.3.2. Результаты экспериментальных исследований 167
3.4. Разработка метода, устройства и технологии регенерации твердого аккумулятора водорода 172
3.4.1. Методика экспериментальных исследований 172
3.4.2. Результаты экспериментальных исследований 174
3.5. Разработка метода, устройства и технологии СВЧ-беззараживания и нагрева воды в потоке 179
3.5.1. Описание СВЧ-устройства для проведения исследований обеззараживания воды в потоке 179
3.5.2. Описание экспериментального стенда для проведения исследований обеззараживания воды в потоке СВЧ-энергией 183
3.5.3. Методика проведения микробиологических исследований обеззараживающего действия СВЧ-энергии на воду в потоке 184
3.5.4. Исследования теплофизических характеристик процесса СВЧ- нагрева воды в потоке 187
3.5.5. Микробиологические исследования по воздействию СВЧ-энергии на воду, зараженную вегетативными формами микроорганизмов 190
3.5.6. Опытная двухконтурная установка водоподготовки с СВЧ- стерилизацией воды на космодроме Байконур 193
Глава 4. Оценка совместной работы узлов и блоков регенерационной физико-химической системы жизнеобеспечения с использованием СВЧ-энергии 203
Заключение 212
Обсуждение результатов исследований 212
Выводы 223
Приложение 226
Список литературы 240
- Основы СВЧ-техники
- Выбор типа СВЧ-устройства для обработки воды в потоке
- Результаты экспериментальных исследований
- Оценка совместной работы узлов и блоков регенерационной физико-химической системы жизнеобеспечения с использованием СВЧ-энергии
Введение к работе
Актуальность темы. Увеличение длительности космических полетов на околоземной орбите, а также планирование и осуществление полетов на другие планеты (Марс) предполагает создание максимально замкнутой системы жизнеобеспечения (СЖО) нового поколения. В этом случае СЖО может рассматриваться как быстродействующая система, к разработке и исследованию которой предъявляются специфические требования. Быстродействие СЖО, в свою очередь, обусловлено безынерционностью функционирования отдельных узлов и блоков системы, реагирующих на изменение основных параметров среды обитания.
В существующих СЖО для реализации технологических процессов в большинстве случаев применяется кондуктивный нагрев, к основному недостатку которого относится его значительная инерционность. Поэтому повышение интенсивности нагрева невозможно без изменения физического механизма процесса теплопередачи.
Альтернативой кондуктивному процессу теплопередачи является процесс нагревания энергией сверхвысокой частоты (СВЧ). При СВЧ-нагреве тепловыделение происходит непосредственно в объеме нагреваемой среды без участия механизма теплопроводности. Такой нагрев является скоростным и легко управляемым.
Очевидная область применения СВЧ-энергии в СЖО космического корабля (КК) распространяется на процесс переработки диоксида углерода и водорода, на нагрев сорбентов диоксида углерода при их регенерации, на обеззараживание и нагрев воды в потоке и др.
Применение энергии СВЧ сдерживается неразработанностью технологий, что ограничивает темпы конструирования различных СВЧ-устройств для СЖО.
Исследования направлены на приближение возможностей СВЧ-воздействия к практическим разработкам в области создания нового высокопроизводительного оборудования и технологий применительно к СЖО.
Цель работы. Целью работы является: интенсификация физико-химических процессов СВЧ-энергией в регенерационной системе жизнеобеспечения экипажа космического корабля.
Задачи исследования:
1. анализ литературных источников и обоснование эффективности применения СВЧ-энергии для интенсификации физико-химических процессов в регенерационной системе жизнеобеспечения;
2. математическое описание динамики физико-химических процессов переработки диоксида углерода и водорода, регенерации твердого и жидкого сорбентов диоксида углерода и водорода, обеззараживания и нагрева воды системы жизнеобеспечения;
3. разработка метода, устройства и технологии плазмохимической переработки диоксида углерода и водорода в комбинированном СВЧ- и тлеющем разряде (первая стадия процесса Боша – гидрирование диоксида углерода);
4. разработка метода, устройства и технологии регенерации твердого и жидкого сорбента диоксида углерода под действием СВЧ-энергии и регенерации твердого аккумулятора водорода;
5. разработка метода, устройства и технологии СВЧ-обеззараживания и нагрева воды в потоке системы жизнеобеспечения;
6. оценка совместной работы узлов и блоков регенерационной физико-химической системы жизнеобеспечения с использованием СВЧ-энергии.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые:
- обосновано применение СВЧ-энергии в качестве основного технологического инструмента для интенсификации физико-химических процессов при разработке регенерационной системы жизнеобеспечения экипажа космического корабля;
- предложено математическое описание динамики физико-химических процессов, происходящих под действием СВЧ-энергии в узлах переработки диоксида углерода и водорода, регенерации твердого и жидкого сорбентов диоксида углерода и водорода, обеззараживания и нагрева воды;
- использована комбинация СВЧ- и тлеющего разряда для организации процесса плазмохимической переработки диоксида углерода и водорода, при этом наложение СВЧ-мощности на тлеющий разряд осуществляется в едином устройстве;
- сформирована низкотемпературная плазма при атмосферном давлении на смеси исходных реагентов в соотношении СО2/Н2 = 1/2 и суммарной подводимой в разряд мощности WS, не превышающей 1,0 кВт;
- разработан метод, устройство и технология регенерации твердого и жидкого сорбентов диоксида углерода под действием СВЧ-энергии и твердого аккумулятора водорода для совместной подачи в узел их переработки;
- разработан метод, устройство и технология СВЧ-обеззараживания и нагрева воды в потоке системы жизнеобеспечения;
- проведена оценка совместной работы узлов и блоков регенерационной физико-химической системы жизнеобеспечения с использованием СВЧ-энергии.
Практическая значимость. На основе проведенных расчетно-экспериментальных исследований:
- созданы технологические основы для формирования регенерационной физико-химической системы жизнеобеспечения нового поколения с использованием СВЧ-энергии для интенсификации физико-химических процессов.
Основные положения, выносимые на защиту:
- обоснование эффективности применения СВЧ-энерии для интенсификации физико-химических процессов в регенерационной системе жизнеобеспечения экипажа космического корабля;
- описание динамики физико-химических процессов переработки диоксида углерода и водорода, регенерации твердого и жидкого сорбентов диоксида углерода и водорода, обеззараживания и нагрева воды и оценка совместной работы этих узлов и блоков системы жизнеобеспечения экипажа космического корабля.
- метод, устройство и технология плазмохимической переработки диоксида углерода и водорода в комбинированном СВЧ- и тлеющем разряде (первая стадия процесса Боша – гидрирование диоксида углерода);
- метод, устройство и технология регенерации твердого и жидкого сорбентов диоксида углерода под действием СВЧ-энергии и технология регенерации твердого аккумулятора водорода;
- метод, устройство и технология СВЧ-обеззараживания и нагрева воды в потоке системы жизнеобеспечения.
Личный вклад автора заключается в выполнении основного объема теоретических и экспериментальных исследований, включая разработку технологических основ, экспериментального оборудования, методик экспериментальных исследований, анализа и оформления результатов в виде публикаций, научных докладов. Часть исследований выполнена совместно с сотрудниками ГНЦ РФ-ИМБП РАН.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили положительную оценку специалистов на:
- 2, 3 и 4 Международном аэрокосмическом конгрессе (IAC97, МАКС 2000, МАКС 2003).1997, 2000, 2003. Россия;
- The third International Conference on Life Support and Biosphere Science. 1998. USA;
- The 28-th International Conference on Environmental Systems. 1998. USA;
- International Conference on High Pressure Biocience and Biotechnology. 1998. Germany;
- Российской конференции «Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в экстремальных условиях» 2000. Россия;
- Всероссийской конференции «Проблемы обитаемости в гермообъектах» 2001. Россия;
- The 1-st International Cancer & Aids Conference. 2001. Seoul;
Российской конференции с международным участием «Организм и окружающая среда: адаптация к экстремальным условиям» 2003. Россия;
- ХIII конференции «Космическая биология и авиакосмическая медицина» 2006. Россия;
- Международной конференции «Системы жизнеобеспечения как средство освоения человеком дальнего космоса» 2008. Россия.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 64 печатные работы, в том числе 2 обзора и 7 статей в журнале, входящем в перечень рецензируемых; 13 публикаций в материалах конференций; получены 12 авторских свидетельств на изобретения и подготовлены 30 спецотчетов по результатам НИР.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, выводов, приложения, списка литературы. Работа изложена на 251 странице, содержит 57 рисунков и 24 таблицы. Список литературы включает 199 наименований.
Основы СВЧ-техники
Принятое деление радиочастотных колебаний на диапазоны является условным и не отражает какую-либо физическую картину. Тем не менее под СВЧ-диапазоноМ понимают частоты электромагнитных колебаний в пределах 3.108-1012 Гц. Это соответствует длинам волн от одного метра до долей миллиметра. Развитие техники, особенно радиолокации, телевидения, радиосвязи с искусственными космическими объектами, привело к тому, что существуют весьма мощные генераторы СВЧ-излучений, разработаны различные элементы СВЧ-устройств. Кроме этого, разработаны СВЧ-генераторы в дециметровом и сантиметровом диапазонах мощностью от нескольких сотен ватт до нескольких киловатт. Таким образом, с инженерной точки зрения существуют большие возможности применения СВЧ-энергетики в технике для направленного теплового воздействия на самые различные системы, в том числе и входящие в состав СЖО.
Весьма. большое внимание уделяется применению СВЧ-энергии в различных областях техники, например, для стимулирования химических процессов в газовой фазе в низкотемпературной плазме; в химической технологии для быстрого и эффективного нагрева различных реагирующих систем; наибольшее развитие получило использование СВЧ-энергии для обработки пищевых продуктов, включая процессы сушки, размораживания и разогрева продуктов питания и готовых блюд, выпечки, стерилизации и другие. Достаточно многочисленны примеры применения СВЧ-энергии в промышленности, например, для сушки различных материалов и изделий, разрушения горных пород и бетона, сварки пластмасс и т.п.
Поскольку осуществление самых различных технологических процессов связано с нагревом, т.е. с процессами подведения в реакционную зону тепла извне, проблема быстрого и возможно более равномерного нагрева различных систем является актуальной.
Электромагнитное поле (ЭМП) представляет собой особый вид материи и является носителем электромагнитной энергии. Основные величины ЭМП - это напряженность электрического поля Е и напряженность магнитного поля Н.
Электродинамические проблемы в СВЧ-диапазоне принято характеризовать уравнениями Максвелла, смысл которых состоит в следующем
Первое уравнение говорит о том, что источником магнитного поля могут служить либо протекающий ток, либо меняющееся во времени электрическое поле.
Из второго уравнения следует, что меняющееся во времени магнитное поле порождает замкнутое электрическое поле.
В низкочастотной электронике принято считать, что источником электрического поля служат электрические заряды. В этом случае силовые линии поля исходят с поверхности заряда или сходятся на нем. Система уравнений Максвелла это не отвергает, указанное свойство отражено в третьем уравнении, однако помимо этого может существовать такая конфигурация электрического поля, когда его силовые линии замкнуты сами на себя, аналогично магнитным силовым линиям. Подобное поле может существовать только в динамике, и чем быстрее происходит изменение магнитного поля, тем благоприятнее условия для возникновения электрического. Наличие кольцевого электрического поля создает возможность для возникновения и распространения радиоволн. Энергия электрического поля переходит в магнитную энергию, и наоборот. Причем весь этот процесс не стоит на месте, а распространяется со скоростью - 300000 км/сек.
И, наконец, последнее уравнение Максвелла указывает на отсутствие в природе одиночных магнитных зарядов. Последнее обстоятельство вносит некоторую асимметрию в систему уравнений. Действительно, если в электростатике имеются положительные и отрицательные заряды, способные существовать независимо друг от друга, то магнитные полюса неразделимы. На какие бы мелкие части ни дробили постоянный магнит, никогда не удастся получить отдельно S и N полюс.
Электромагнитное поле проявляет себя и как магнитное, и как электрическое, но, поскольку вещества, подвергающиеся воздействию этого поля, в основном являются диэлектриками, влияние магнитного поля на них пренебрежительно мало и его можно не учитывать.
Диэлектриками принято называть вещества, основным электрическим свойством которых является способность к поляризации и в которых возможно существование электрического поля. Такое поле может длительно сохраняться лишь в средах, плохо проводящих электрический ток.
Электропроводность - способность проводить электрический ток — обусловлена наличием в веществе свободных носителей заряда - электрически заряженных частиц, которые под воздействием внешнего электрического поля направленно перемещаются сквозь толщу материала, создавая ток проводимости. Параметром вещества, количественно определяющим его проводимость, является удельное объемное сопротивление р. Характер взаимодействия ЭМП со средой помимо диэлектрической є и магнитной р. проницаемостями определяется и удельной проводимостью а .
Одним из важнейших параметров диэлектрических материалов является диэлектрическая проницаемость. Различают относительную диэлектрическую проницаемость єг (прежде s) и абсолютную диэлектрическую проницаемость єгє0 (Б " электрическая постоянная или, по старой терминологии, диэлектрическая проницаемость вакуума).
По физическому смыслу диэлектрическая проницаемость - количественная мера интенсивности процесса поляризации. Поляризация представляет собой смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля. Основными видами поляризации являются электронная, ионная и дипольная. Полная поляризация диэлектриков в общем случае складывается из электронной, ионной, тепловой ионной, ориентационной (дипольной), структурной составляющих [108].
Электронная поляризация связана с деформацией электронных оболочек молекулы во внешнем электрическом поле, характеристическое время ее установления и соответственно релаксации составляет тэ 10 14-10 16 сек.
Ионная поляризация, являющаяся результатом смещения ионов, проявляется в кристаллах с ионной связью и имеет значения ти 10"14-10"12 сек.
Тепловая ионная поляризация проявляется в веществах, в которых ионы имеют два или несколько равновесных положений, разделенных некоторым потенциальным барьером. При наложении электрического поля возможно нарушение динамического равновесия между ними. Характеристическое время процесса может составлять тти 10"7-Ю"13 сек.
Ориентационная поляризация связана с ориентацией дипольных молекул в электрическом поле с величинами хор 10"7-10"13 сек, сильно зависящими от структуры, вязкости среды.
Некоторые системы имеют структурные неоднородности, границы сред. Вследствие контактной разности потенциалов на границах неоднородностей образуются двойные электрические слои. В особенности этому способствует наличие влаги. При наложении электрического поля заряженные частицы перемещаются в пределах микровключений, вызывая макроструктурную поляризацию вещества. Характеристическое время этого процесса составляет тс 10"3-10"9сек.
В принципе, в отдельных системах может возникать электролитическая поляризация, связанная с движением свободных носителей тока к электродам или фаницам системы. Однако понятно, учитывая возможные подвижности зарядов и реальные размеры системы, что характеристическое время такого процесса весьма велико - тэп 10" -10" сек и более - и при наложении высокочастотных полей это явление практически не имеет места.
Свойства диэлектриков, состоящих из полярных молекул, существенно отличаются от диэлектриков с другими видами поляризации. Относительная диэлектрическая проницаемость, например, полярных жидкостей близка к 2, в то время как для воды она равна примерно 80. Сущность дипольной поляризации состоит в повороте диполей в направлении электрического поля, причем степень их ориентации будет зависеть от напряженности приложенного поля.
В идеальном диэлектрике отсутствуют свободные носители зарядов, поэтому его суммарный заряд всегда равен нулю. При помещении диэлектрика во внешнее электрическое поле за счет ориентации диполей вдоль силовых линий на противоположных сторонах диэлектрика образуются нескомпенсированные заряды, которые создают внутреннее поле, по направлению обратное приложенному. В результате суммарное поле в диэлектрике оказывается меньше, чем поле в свободном пространстве.
Выбор типа СВЧ-устройства для обработки воды в потоке
Конструкция СВЧ-устройства (камеры стерилизации) помимо приемлемых для СЖО массогабаритных характеристик и удобства в обслуживании должна учитывать ряд особенностей изменения свойств водной среды при ее взаимодействии с полем СВЧ. Конструкция устройства должна обеспечивать:
- максимально возможное обеззараживающее воздействие на обрабатываемые среды СЖО;
- максимальновысокий КПД преобразования СВЧ-энергии в тепловую;
- наилучшее согласование с подводящим СВЧ-энергию волноводным трактом (минимальное значение коэффициента стоячей волны по напряжению КСВН);
- возможность соединения со вспомогательными технологическими системами;
- нейтральность материала канала устройства при контакте с водной средой при СВЧ-нагреве (стекло, фторпласт, тефлон и т.п.).
СВЧ-устройства могут быть классифицированы по ряду признаков [57]:
I. По доли мощности источника СВЧ-энергии, поглощаемой объектом обработки: А. проходные - объектом нагрева поглощается только часть мощности источника; оставшаяся мощность ассимилируется вспомогательной нагрузкой; В. оконечные - объектом нагрева поглощается вся мощность источника.
II. По типу базовой передающей линии: А. коаксиальные; В. волноводные (прямоугольные, круглые, эллиптические и т.д.); С. полосковые; D. многопроводные; Е. резонаторные.
III. По составляющей электромагнитного поля, преимущественно взаимодействующего с объектом обработки: А. электрические (Е); В. магнитные (Н); С. смешанные (ТЕМ).
IV. По режиму подвода мощности: А. непрерывного действия; В. импульсного действия.
V. По действию во времени: А. дискретного действия (обрабатывается одна ограниченная по величине партия вещества); В. непрерывного действия (проточные, конвейерные).
VI. По количеству типов волн, одновременно возбуждаемых в зоне размещения объекта обработки: А. одномодовые; В. многомодовые.
Для проведения экспериментальных исследований были выбраны устройства (как прототипы) со следующими конструктивными признаками:
- по доли мощности источника СВЧ-энергии, поглощаемой водной средой — проходное, оконечное;
- по типу базовой передающей линии — волноводное, коаксиальное, резонаторное;
- по составляющей ЭМП, преимущественно взаимодействующей с водной средой - Е, ТЕМ;
- по режиму подвода мощности — импульсного действия;
- по действию во времени - непрерывного действия (проточные);
- по количеству типов волн, одновременно возбуждаемых в зоне прохождения водной среды - одномодовое.
На практике в качестве рабочего используется простейший тип волны Ню, изображенный на рисунке 1.3.
На рисунке приведены графики распределения электрического и магнитного полей вдоль широкой стенки волновода. Для волны Нш в прямоугольном волноводе первый индекс характеризует изменение электрического поля вдоль широкой, стенки волновода (изменение поля на полпериода — индекс 1). Равенство нулю второго индекса в обозначении волны говорит о том, что вдоль узкой стенки волновода поле, не меняется, т.е. отсутствует не само поле, а лишь его изменение.
Этот тип волны (Ню) является основным (наиболее низкочастотным) для прямоугольного волновода. Все остальные — это высшие типы, являющиеся паразитными. Преимущества данного типа волны состоят в следующем:
- наименьшие размеры волновода при заданной длине волны;
- простая конфигурация поля и, как следствие, простота при его возбуждении и согласовании волновода с нагрузкой (водной средой) или другими устройствами;
- относительная удаленность от других типов, что облегчает его селекцию [112, 117, 147].
Прямоугольный волновод используется в качестве базовой передающей линии в комбинации с другими устройствами, например, с коаксиальной линией, при этом волна Н]0 трансформируется в поперечную электромагнитную волну ТЕМ, структура которой изображена на рис. 1.4.
Результаты экспериментальных исследований
Основной целью экспериментальных исследований являлась оценка эффективности процесса десорбции диоксида углерода из ЖРП под действием электромагнитного поля СВЧ. Конкретизировалась эта цель в следующих направлениях:
- исследование процесса десорбции диоксида углерода из ЖРП тепловым методом и ЭМП в статических условиях;
- исследование процесса десорбции диоксида углерода из ЖРП тепловым методом в динамических условиях;
- исследование процесса десорбции диоксида углерода из ЖРП ЭМП в динамических условиях.
В соответствии с изложенной выше методикой были проведены исследования процесса десорбции диоксида углерода из ЖРП тепловым методом и ЭМП в статических условиях.
Начало момента выделения диоксида углерода из ЖРП в песочной бане отмечалось при температуре 60С, итоговый выход газа составил 360 CMJ, при этом время, требуемое для закипания ЖРП, составило 50 мин.
При- обработке ЖРП в СВЧ-печи начало выделения диоксида углерода соответствует тепловой обработке, однако время, затраченное на весь процесс десорбции значительно меньше.
Динамика выхода диоксида углерода из ЖРП с начала момента закипания в песочной бане и под действием ЭМП СВЧ представлена в таблице 3.6.
Сравнивая результаты исследований, можно отметить, что, как и в эксперименте, проводимом до кипения ЖРП, время, затраченное на выделение одного и того же объема газа значительно сокращено по сравнению с тепловой обработкой. Кроме этого, необходимо подчеркнуть, что обработка в СВЧ-печи дает возможность выделить большее количество диоксида углерода без выпадения осадка в ЖРП.
Экспериментальные исследования процесса десорбции диоксида углерода из ЖРП тепловым методом в условиях постоянного расхода ЖРП проводились в системе "ЦИКЛОН-4". Десорбция газа осуществлялась в режиме интенсивного кипения. В таблице 3.7 отображены параметры процесса десорбции диоксида углерода из ЖРП тепловым,методом.
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 в статических и динамических условиях.
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 [72].
Оценка совместной работы узлов и блоков регенерационной физико-химической системы жизнеобеспечения с использованием СВЧ-энергии
Известно, что ранее на орбитальном комплексе "МИР" и в настоящее время на МКЄ система жизнеобеспечения, основана как на круговороте, так и на запасах основных веществ (кислорода и воды), которые периодически пополняются грузовыми кораблями.
Обеспечение экипажа водой- помимо ее запасов .успешно решается системой регенерации воды- (СРВ).. Эта система практически полностью обеспечивает суточное потребление воды экипажем, чего не скажешьо системе обеспечения газового состава (C0FC) вютношении регенерации кислорода.
На сегодняшний день из-за отсутствиям в GOFC системы переработки диоксида углерода и- водорода- эти компоненты, удаляются за борт и исключаются из круговорота основных веществам. ВВЕДЕНИЕ, ГЛ.З).
Существует общий подход к созданию практически замкнутой физико-химической СЖО, в которой целесообразно» в» максимальной степени использовать вещества, выделяемые в процессе жизнедеятельности экипажа КК. Очевидно, что диоксид углерода и вода как основные кислородсодержащие вещества, выделяемые экипажем, содержат значительное количество кислорода. Общее количество диоксида углерода, выделяемое в течение суток человеком, содержит 650 г кислорода, что составляет 82" % этого газа. С учетом одновременного круговорота по воде недостающий для дыхания кислород ( 150гЬ можно получить- из метаболической воды, выделяемой человеком в течение суток-в.количестве 336 г.
В случае создания системы, способной извлекать кислород из диоксида углерода, можно обеспечить (с учетом СРВ) практически полный круговорот кислорода и воды в СЖО. Эту задачу по силам решить при помощи физико-химических методов регенерации газовой и водной среды.
Наиболее близкой по технической сущности к функционирующей на борту МКС СЖО является система, блок-схема которой изображена на рис. 4.1 [34].
Эта система содержит: 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.
Общими с функционирующей на МКС СЖО и изображенной на рис. 4.1 являются практически все узлы и блоки системы за исключением системы переработки диоксида углерода и водорода на основе двухстадийного процесса Боша и концентратора диоксида углерода. Из этого следует, что для создания варианта максимально замкнутой СЖО необходимо разработать недостающие звенья этой системы.
С этой основной целью и были проведены исследования, изложенные в настоящей работе.
В известную блок-схему (см. рис. 4.1) 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 СОГС (см. рис. 4.2) позволяет в необходимый для этого момент времени направить диоксид углерода и водород в систему их переработки с целью получения воды.
Система обеспечения газового состава такой СЖО может иметь варианты, которые предлагается рассмотреть по ходу изложения материала.
Вариант 1
Этот вариант СОГС, изображенный на рис. 4.3., 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 для быстрой переработки диоксида углерода и водорода.
Во второй стадии с получением тупикового продукта углерода может применяться железо-кобальтовый катализатор [34]. При этом поддержание температуры катализатора (400-500С) предлагается осуществлять потоком нагретых в первой стадии смеси газов. Такой прием позволяет исключить нагрев стенок реактора внешним нагревателем и сэкономить значительное количество электроэнергии.
Взаимодействие узлов и блоков этой СОГС осуществляется в следующей последовательности: диоксид углерода из системы очистки (адсорбента) путем СВЧ-нагрева подается в концентратор диоксида углерода; в этом случае газовая смесь, содержащая воздух и диоксид углерода в концентрации до 3 % об. (см. разд. ) вначале подается в параллельный блок очистки от диоксида углерода или в оранжерею для питания растений; с увеличением концентрации диоксида углерода (до 95 % об.) в адсорбате газовая смесь поступает в концентратор диоксида углерода; при этом концентрирование диоксида углерода в концентраторе может осуществляться в несколько ступеней до получения высокой концентрации диоксида углерода (99,9 % об.); затем к концентратору диоксида углерода подводится СВЧ-энергия и адсорбент нагревается, выделяя диоксид углерода; в этом случае в закрытом концентраторе происходит повышение давления диоксида углерода до нескольких атм.; после этого электрическая энергия подводится к аккумулятору водорода (см. разд. 3.4), в котором также повышается давление водорода до нескольких атм.; на заключительном этапе диоксид углерода и водород под давлением» и в соотношении 1:2 соответственно поступает в систему их переработки до воды и углерода в тлеющем или в комбинированном с СВЧ-разрядом.
