Содержание к диссертации
Введение
1 Сепарация жидкости из газожидкостной смеси в условиях невесомости в системах регенерации воды космических станций 12
1.1 Физические основы процесса сепарации в условиях невесомости 12
1.2 Сепарация жидкости в современных регенерационных системах водообеспечения 15
1.3 Сепарация жидкости в СРВ-К2М 23
1.4 Способы увеличения ресурса узла сепарации в системе регенерации воды из конденсата атмосферной влаги 30
1.5 Процессы, определяющие сепарацию в статическом сепараторе 36
1.6 Способы расчета ресурса статического сепаратора 42
1.7 Общая постановка задачи 44
2 Разработка способа и устройства для сепарации жидкости из газожидкостного потока в условиях невесомости 47
2.1 Описание разработанного способа сепарации 47
2.2 Исследование фильтрования через пористые полимерные мембраны 49
2.3 Исследование влагопоглощения пористым телом и выбор материала для насыпки 55
2.4 Конструкция мембранного фильтра-разделителя 58
2.5 Фильтровальный пакет 61
2.6 Погрешности измерений и оценка точности расчетов 61
2.7 Основные материалы для сепаратора 62
2.8 Описание разработанной схемы сепарации 63
2.9 Испытания разработанного мембранного фильтра-разделителя 65
3 Математическое моделирование процесса сепарации в разработанном мембранном фильтре-разделителе з
3.1 Фильтрование жидкости через многослойный пакет 69
3.2 Поступление жидкости в мембранный фильтр-разделитель 72
3.3 Течение жидкости в пористой насыпке, аккумуляция порции жидкости 75
3.4 Распределение потоков жидкости в элементарной ячейке 78
4 Лабораторное оборудование, методики проведения и результаты исследований 85
4.1 Описание экспериментальных установок 85
4.2 Результаты исследований 90
4.3 Погрешность измерений и точность расчетов 102
4.4 Алгоритм расчета ресурса и программа для его реализации 103
4.5 Обсуждение результатов расчетов и экспериментов 108
5 Внедрение разработанного мембранного фильтра-разделителя и расчет его экономической эффективности 112
5.1 Экспериментальная эксплуатация мембранного фильтра-разделителя в составе СРВ-К2М 112
5.2 Подготовка воды для системы «Электрон-ВМ» 115
5.3 Расчет массоэнергетических характеристик 117
5.4 Расчет экономической эффективности внедрения мембранного фильтра-разделителя 121
Заключение 125
Список литературы 127
- Способы увеличения ресурса узла сепарации в системе регенерации воды из конденсата атмосферной влаги
- Конструкция мембранного фильтра-разделителя
- Распределение потоков жидкости в элементарной ячейке
- Обсуждение результатов расчетов и экспериментов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Отделение конденсата атмосферной влаги (КАВ) от транспортного воздуха является одним из ключевых массообменных процессов в системах жизнеобеспечения пилотируемых космических аппаратов. Особенно важным этот процесс становится для регенерационных систем водо-обеспечения, так как качественная сепарация позволяет увеличить степень замкнутости системы. Одной из таких систем является система регенерации воды из конденсата атмосферной влаги СРВ-К2М. Крайне важно обеспечивать полное разделение жидкости и газа. С одной стороны пузыри воздуха в жидкости значительно сокращают ресурс СРВ-К2М по очистке конденсата атмосферной влаги от органических и неорганических примесей. С другой стороны осушенный воздух направляется в модуль, а унесенные капли значительно нарушают влажностный режим кабины, могут быть причиной выхода из строя оборудования и опасны для жизни и здоровья космонавтов при случайном вдыхании жидкости. Даже при регулярных поставках с Земли в условиях работы на борту орбитальной станции очень важным является длительный ресурс сепаратора. Штатный сепаратор жидкости из газожидкостного потока (ГЖС) в СРВ-К2М оказался неустойчивым к загрязненности конденсата атмосферной 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 обеспечить полное разделение КАВ и транспортного воздуха с продолжительным ресурсом при условии поступления загрязненного конденсата.
Степень разработанности темы исследования. В литературе рассмотрен способ сепарации жидкости из газожидкостного потока, при котором жидкость впитывается пористым материалом, а воздух выводится в кабину, недостатком этого способа является невозможность обеспечения полного разделения жидкости и воздуха в условиях функционирования СРВ-К2М. Также рассматривается способ сепарации, при котором жидкость под давлением, не превышающим критическое, проходит через гидрофильную пористую стенку, а воздух выводится. Недостаток этого
4 способа – ограничение по объему порции жидкости, подаваемой за цикл.
Проведенный анализ литературы показывает, что готового решения для значительного увеличения ресурса узла сепарации СРВ-К2М при жестком ограничении в энергопотреблении и габаритах не существует.
Целью работы является увеличение ресурса узла сепарации системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги при сохранении габаритов и энерготрат системы в целом.
Основные решенные задачи: 1) Разработка и расчетно-экспериментальное обоснование нового способа сепарации 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 МФР; 4) Экспериментальная проверка адекватности представленной модели при работе на модельных растворах и КАВ; 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 сопряжнные процессы аккумуляции жидкости во влагоудержи-вающем пористом материале, транспорт жидкости через пористый материал к гидрофильной микропористой поверхности и откачка жидкости через эту поверхность за счет разности давлений.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость заключается в том, что полученные выводы дополняют теорию фильтрования через многослойные фильтровальные пакеты. Основные теоретические результаты могут стать основой для дальнейшего изучения
5 механизма сепарации жидкости в условиях невесомости с возможностью аккумулирования порции жидкости.
Практическая значимость:
- Разработанная двухступенчатая схема сепарации реализована в системе
регенерации воды из конденсата атмосферной влаги. В качестве первой ступени
сепарации используется разработанный мембранный фильтр-разделитель, а вто
рой – 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 исследования. Методологическую основу исследования составили научные труды отечественных и зарубежных ученых в области проектирования регенерационных систем жизнеобеспечения, 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 использовались такие методы как эксперимент, математическое моделирование, численные методы.
На защиту выносятся: предложенный способ сепарации; расчетно-эмпирическое обоснование конструкции сепаратора; схема двухступенчатого узла сепарации для системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги; математическая модель процесса сепарации в МФР и его программная реализация.
Достоверность и апробация результатов. Диссертационная работа имеет расчетно-экспериментальный характер и достоверность полученных результатов и сделанных выводов подтверждается строгой формулировкой основных положений исследований и используемых формализованных описаний, применением базовых методов регрессионного анализа и сопоставлением результатов вычислительных экспериментов с данными экспериментальной эксплуатации. Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований. Статистическая обработка экспериментальных данных проводилась общепринятыми 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, 2013), 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 научно-практической конференции «Пилотируемые полеты в космос» (Звездный городок, Российская Федерация, 2009, 2013,), на Космическом форуме, посвященном 50-летию полета в космос Ю.А. Гагарина» (Москва, 2011), на Международном Астронавти-ческом Конгрессе IAC (Кейптаун, ЮАР, 2011).
Личный вклад автора. Диссертантом 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 закон фильтрования жидкости через многослойный фильтровальный пакет. Разработаны алгоритм расчета ресурса аппарата и программное обеспечение для его реализации. Проведены испытания МФР и двухступенчатой
7 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 исследования. Полученная в результате исследования методика расчета ресурса мембранного фильтра-разделителя применяется в АО «НИИхиммаш» для анализа работы аппарата на борту 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.
Публикации. Основные результаты работы опубликованы в журналах, входящих в рецензируемый ВАК Минобрнауки России перечень изданий [1-2], представлены в патентах РФ [3-4], опубликованы в сборниках тезисов докладов [5-17]. Всего по теме диссертации опубликовано 17 работ.
Структура работы и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Работа содержит 140 страниц, 17 таблиц, 52 рисунка; список литературы включает 146 наименований.
Способы увеличения ресурса узла сепарации в системе регенерации воды из конденсата атмосферной влаги
На борту пилотируемого космического аппарата регенерация воды может производиться из конденсата атмосферной влаги, урины, санитарно гигиенической воды, воды из системы гидрирования углекислого газа, воды из оранжереи, отработанной технической воды и других водосодержащих смесей [5, 26, 93, 94, 106]. Во всех этих системах имеется необходимость сепарации жидкости из газожидкостной среды. В условиях невесомости широко распространен транспорт жидкости в газожидкостном потоке [92, 125]. Таким образом транспортируется воздухом конденсат из системы кондиционирования воздуха и урина при ее приеме от космонавтов. В тоже время технологии регенерации воды предусматривают ее очистку в жидкой фазе, где присутствие воздуха даже в небольших количествах является крайне нежелательным.
Для сепарации жидкости из газожидкостной среды в условиях невесомости могут использоваться сепараторы или разделители [35, 58], реализующие методы отделения жидкости, основанные на действии капиллярных и инерционных (в том числе центробежных) сил, заменяющих силы гравитации. При сепарации разделяемые компоненты не изменяют своего химического состава, потому что процесс основан на различии в физических или физико-химических свойствах компонентов смеси: размеры тврдых частиц, коэффициент трения, смачиваемость поверхности и др. [18].
Классифицировать сепараторы жидкости из газожидкостной смеси можно по различным признакам, но в условиях работы в невесомости применяют 2 рода сепараторов, которые разделяются по наличию движущихся частей: статический (реализует статический метод сепарации жидкости в основном за счет капиллярных сил, сил поверхностного натяжения и инерции) и ротационный или центробежный (реализует метод динамического отделения за счет центробежных сил) [25, 116]. В некоторых источниках выделяется еще группа циклонных или вихревых сепараторов, в которых разделение фаз происходит за счет сил инерции при обтекании газожидкостной смесью различных препятствий (сеток, струн и т.п.) и при закручивании потока в центробежных патрубках (циклонах) [100]. В своей работе я не выделяю циклонные сепараторы в отдельную группу, а отношу к статическим.
Ротационные сепараторы
В ротационных сепараторах (рисунок 1.3) применяются вращающиеся детали, через которые должен проходить поток воздуха, содержащий свободные капли воды [25, 92]. Центробежная сила отбрасывает влагу к стенке, где она собирается. Скорость вращения воды используется для создания избыточного статического давления, что позволяет сепаратору выводить собранную воду из аппарата при более высоком давлении, чем давление в потоке воздуха. Обычно центробежные сепараторы применяют для сильнозагрязненных жидкостей [92]. Центробежный сепаратор используется в системе приема и консервации урины (СПК-УМ) в российском сегменте МКС [32]. Он имеет небольшие массу и габариты, но увеличивает энергопотребление системы и его использование нерационально при периодической подаче КАВ.
Классификация ротационных сепараторов может устанавливаться в зависимости от источников вращения и расхода воздуха. Выделяют следующие основные типы ротационных сепараторов [25, 77, 92]: - турбинный ротационный сепаратор. Вращающаяся часть турбинного ротационного сепаратора приводится в движение энергией воздуха, проходящего через сепаратор. Лопатки турбины, прикрепленные к цилиндру, крутят цилиндр и коллектор. - ротационный сепаратор с приводом от двигателя. В этом типе ротационного сепаратора двигатель используется для вращения сепарационного барабана и коллектора с требуемой рабочей скоростью. Поток воздуха через аппарат обеспечивается отдельным вентилятором системы. - ротационный сепаратор с вентилятором. При посадке вращающихся частей ротационного сепаратора и воздушного вентилятора на общий вал для орга 17 низации процесса полной сепарации можно использовать один двигатель. Преимуществами такого аппарата являются выигрыш в объеме и массе скомбинированного сепаратора и вентилятора и возможность просто изменять скорости вращения вентилятора и сепаратора. Вход газожидкостной смеси Выход газа Выход жидкости Рисунок 1.3 – Схема центробежного сепаратора: 1 – вращающийся корпус (ротор); 2 – опоры; 3 – отбойник; 4 – черпаковый насос; 5 – кольцо жидкости Ресурс таких сепараторов обычно намного превосходит ресурс статических сепараторов. Но в случае использования центробежных аппаратов увеличивается энергоемкость процесса, и появляется множество сложных деталей, которые снижают надежность системы. Кроме того, применение ротационных сепараторов, использующих динамическую энергию потока, рационально только при газосодержаниях потока 0,98. Также следует учесть, что при работе ротационного сепаратора возможно дробление капель жидкости на частицы, размер которых позволяет им быть унесенными с воздухом. Определенную сложность составляет сохранение гидрозатвора во время пуска и останова сепаратора. Такие сепараторы обычно применяются при непрерывной подачи смеси [92]. Биообрастание, которому подвержены системы на борту МКС, могут вызывать блокировку подвиж 18 ных частей ротационных сепараторов [132]. Другой формой загрязнения жидкости является образование неорганических примесей, в этом случае образование осадка и отложение солей также может нарушить работу ротационного сепаратора [130].
Статические сепараторы Статические сепараторы отличаются надежностью работы благодаря отсутствию движущихся деталей. Зачастую статические сепараторы не позволяют провести полное разделение жидкости и газа и обычно используются как предварительная ступень сепарации. Принципиально возможны следующие типы статических сепараторов [25, 39, 57, 92, 140]: - сепаратор на основе влагоудерживающего материала (рисунок 1.4). Внутри сепаратора размещен влагоудерживающий материал для сбора и транспорта жидкости. Газожидкостная смесь прокачивается через влагоудерживающий материал, осушенный воздух выходит из сепаратора, а жидкость задерживается внутри. Существуют сепараторы с влагоудерживающим материалом, расположенным в эластичном мешке. Такие сепараторы предусматривают периодическое обжатие с целью удаления собранной жидкости (например, сборник с отжимом ЕДВ-СОТ (рисунок 1.5), который разработан в ракетно-космической корпорации «Энергия» [87]).
Конструкция мембранного фильтра-разделителя
При определении производительности (протекаемости) мембран объемным методом погрешность измерений составила ±0,1 мл (не более 1%) и менее 1% для определения продолжительности испытания. Погрешность измерения перепада давления составила ±1мм (менее 1%).
Критический перепад давления для исследуемых мембран определялся с помощью манометра 1 класса точности с погрешностью измерений 1%.
Определение коэффициента проницаемости различных мембраны для воздуха Рвозд определяли с помощью механического секундомера 2 класса точности с допустимой погрешностью за 10 мин: ±0,6 с (менее 1%); манометра 1 класса точности с погрешностью измерений менее 1%; погрешность определения объема собранного воздуха составила ±0,1 мл (не более 5%). Статистическая обработка результатов определения коэффициента диффузии проводилась общепринятыми методами вариационной статистики. По оценке отклонений результатов от средних значений использовалось распределение Стьюдента с достоверной вероятностью 95%.
При определении водопоглощения насыпки вес заготовок определялся с помощью лабораторных весов (класс точности средний III) с погрешностью ±0,1 г (менее 1%), а размер заготовок измерялся штангенциркулем ШЦ класса точности 1 с погрешностью ±0,05 мм (менее 2%).
Выше обоснован выбор полимерной мембраны и влагопоглощающего материала. Специфические условия эксплуатации мембранного фильтра-разделителя приводят к необходимости выбора соответствующих материалов для конструктивных элементов. Конструкционные материалы для изготовления сепаратора выбираются, исходя из следующих требований: - высокая коррозионная стойкость; - высокая прочность; - низкая удельная масса; - материалы должны быть пригодны для применения в питьевом водоснабжении. При изготовлении корпуса и крышки сепаратора можно использовать титановый сплав. Титановые сплавы могут применяться в питьевом водоснабжении и имеют высокую прочность. Они обладают более низкой удельной массой, чем нержавеющие стали, и более высокой коррозионной стойкостью, чем алюминиевые сплавы. Крепежные изделия целесообразно изготавливать из хромоникелетитано-вой стали 12Х18Н10Т. Шланги должны быть прочными, гибкими и эластичными, их можно изготавливать из пластмассы. Прокладки изготовляются из резины ИРП. Эта марка хорошо работает в агрессивной среде, каковой является конденсат атмосферной влаги [3].
Материалы, применяемые в МФР, были проверены на соответствие переч ню материалов 10192.5432.00.000 Д2, допущенных к применению в системе СРВ К2М или в ОТУ СЖО. Все материалы допущены к использованию в пищевой промышленности. Элемент патронный мембранный имеет санитарно эпидемиологическое заключение.
Схема работы МФР в составе системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги представлена на рисунке 2.8. Как и в штатной СРВ-К2М газожидкостная смесь подается из системы кондиционирования воздуха (СКВ). Объем порции жидкости за один цикл работы насоса системы кондиционирования воздуха составляет не более 100 мл (с забросами до 120 мл), при этом 50% жидкости поступает за первые 10 с, продолжительность цикла составляет 5 мин с продолжительностью подачи смеси 30с (остальное время – пауза). Объемный расход газожидкостной смеси поддерживается постоянным и равным 1,2 л/мин. Также возможна подача газожидкостной смеси блоком подачи конденсата (БПК) – перекачка жидкости из американской емкости CWC с транспортным воздухом из модуля. Объемный расход газожидкостной смеси по прежнему составляет 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, продолжительность паузы между циклами подачи ГЖС составляет 2,5 или 5 минут.
Газожидкостная смесь проходит через фильтр газожидкостной смеси и фильтр-реактор, где происходит предварительная очистка жидкости от механических примесей и легкодиссоциирующих органических соединений. После этого ГЖС попадает в один из блоков разделения и перекачки конденсата. В качестве первой ступени сепарации выступает разработанный МФР, в качестве второй – штатный разделитель с блоком металлокерамических элементов.
ГЖС поступает во внешнюю полость мембранного фильтра-разделителя, где поглощается посеребренной насыпкой из поливинилформаля пористого марки ПВПФ-3 и распределяется по всей поверхности элемента патронного мембранного. За счет гидрофильности мембран и перепада давления на них жидкость профильтровывается во внутреннюю полость МФР, а воздух проходит между кусочками насыпки на выход из аппарата. Отфильтрованная жидкость из внутренней полости перекачивается в мембранную емкость и поступает далее на очистку. Воздух поступает на вход в штатный разделитель – во вторую ступень сепарации, которая начинает работать при выработке ресурса первой ступени и появлении капельной жидкости на выходе из нее. В Р5068 воздух с остаточной влагой попадает в трубное пространство, которое имеет несколько поворотов. За счет гидро-фильности металлокерамических элементов и перепада давления на стенках элементов жидкость проходит в межтрубное пространство откуда она откачивается в мембранную емкость и подается на дальнейшую очистку. Осушенный воздух выходит через индикатор проскока жидкости в кабину модуля.
Распределение потоков жидкости в элементарной ячейке
Модельную ячейку с исследуемой насыпкой предварительно выдерживали в дистиллированной воде в течение 120 мин для насыщения насыпки. Затем по схеме, приведенной на рисунке 3.2, жидкость из емкости постоянного уровня (расположенной на высоте 200 мм от модельной ячейки) подается в модельную ячейку, проходит через насыпку и собирается в мерную емкость. В течение эксперимента замеряется объем прошедшей жидкости и время ее сбора.
Время фильтрования составляло ф=15с. Испытания проводились при температуре t=25 С, следовательно динамическая вязкость воды составила =0,000893Нс/м2. Установка и методика определения интенсивности потока через ненасыщенную насыпку Как уже отмечалось в первой главе, интенсивность потока жидкости в этом случае зависит от коэффициента влагопроводности или потенциалопроводности. Экспериментальное определение коэффициента влагопроводности требует длительного эксперимента с высокой степенью точности оборудования [123]. В связи с этим были проанализированы параметры, которые влияют на коэффициент влагопроводности, а именно потенциал пористого тела, который, как было показано ранее, может быть сведен к рабочему перепаду давления, и влажность пористого тела. В связи с этим были проведены эксперименты, которые позволили установить связь между интенсивностью потока жидкости через пористое тело и рабочим перепадом давления и влажностью пористого тела.
Установка для определения интенсивности потока жидкости через ненасыщенную влагой насыпку из поливинилформаля пористого марки ПВФП-3, схема которой приведена на рисунке 4.2, представляет собой модельную ячейку, аналогичную той, которая использовалась для определения коэффициента фильтрации (диаметр d=12,5 см, вместо сетки использовали пористую металлическую пластину с размером пор 20 мкм, критическим перепадом давления не менее 800 мм вод.ст. и производительностью 3,15 л/мин), гибкий шланг и мерную емкость. Толщина слоя насыпки в модельной ячейке соответствовала толщине слоя насыпки во внешнем канале мембранного фильтра-разделителя и составляла около 1 см. Перед каждым опытом экспериментальная ячейка предварительно выдерживалась в дистиллированной воде в течение 120 мин при свободном доступе жидкости внутрь ячейки, затем излишки влаги сливались при атмосферном давлении. В экспериментальной ячейке создавалось разрежение под мембраной 400, 500, 600 и 700 мм вод.ст. (4000-6000 Н/м2) за счет изменение положения уровня выхода жидкости из гибкого шланга. В сборной емкости оценивалось количество фильтрата с течением времени. При каждом значении разрежения ячейка выдерживалась в течение 10 мин.
Схема исследования потока жидкости через насыпку: 1 - экспериментальная ячейка; 2 - насыпка из поливинилформаля пористого марки ПВФП-3; 3 - мембрана из гидрофилизированного фторопласта с размером пор 0,65 мкм; 4 - уплотнения; 5 - гибкий шланг; 6 - мерная емкость Вес насыпки в сухом виде составил Мн=12,9г. На каждом уровне разрежения опыт повторялся трехкратно. Результатами эксперимента были: время выдержки г и количество фильтрата Мв. На основании экспериментальных данных были рассчитаны влажность насыпки в конце каждого временного периода ит, средняя скорость движения жидкости в насыпке jср и средняя влажность насыпки ин, которая определялась как среднее арифметическое для влажностей в начале и конце временного периода. ы — (4 3) Установка и методика определения параметров фильтрования Установка для определения параметров фильтрования аналогична рассмотренной в разделе 2.2, схема которой приведена на рисунке 2.3. Параметры фильтрования могут быть определены путем замера получаемого количества фильтрата в зависимости от времени или скорости фильтрования, соответствующей определенному времени от начала замера или количеству уже полученного фильтрата [109]. Закон фильтрования с образованием осадка характеризуется безразмерной постоянной фильтрования К0, которая определяется как тангенс угла наклона прямой в безразмерных координатах (—; М). V0 V
Для определения безразмерной постоянной фильтрования К0 требуется знать начальную скорость фильтрования и начальный объем фильтрата. Значение начальной скорости фильтрования тем точнее, чем короче взят интервал времени для ее измерения. Если принять интервал времени, на котором рассчитывается начальная скорость фильтрования, бесконечно малым, то для жидкости любой загрязненности значение начальной скорости фильтрования будет соответствовать максимальной скорости фильтрования, характерной для данной мембраны. Для упрощения расчетов было принято, что начальная скорость фильтрования в разработанном МФР является постоянной величиной для всех типов жидкости и составляет vo=1,085 см/мин (среднеарифметическое значений начальной скорости фильтрования, полученных по результатам трех испытаний фильтровальных пакетов на дистиллированной воде). В связи с тем, что принятое значение начальной скорости фильтрования является действительным только очень короткое время, за начальный период времени 0 принята 1/60 мин. Таким образом, начальный объем фильтрата также считается постоянным для всех расчетов и составляет V0=0,018 см. Т.е., фильтрование с образованием осадка характеризуется следующими параметрами фильтрования: удельная начальная скорость фильтрования v0=1,085 см/мин, начальный период времени 0=1/60 мин, удельный начальный объем фильтрата V0=0,018 см и безразмерная постоянная фильтрования K0, которая определяется экспериментально для каждого типа жидкости.
Установка и методика определения разрежения, создаваемого мембранной емкостью Установка для определения разрежения, создаваемого мембранной емкостью, представляет собой емкость с дистиллированной водой, мембранную емкость, находящуюся в составе стенда наземной отработки блоков СРВ-К2М, бы-стросъемный зажим, шприц-дозатор, гибкие шланги, приемную емкость и вакуумметр. Схема установки приведена на рисунке 4.3. На стенде наземной отработки блоков СРВ-К2М с помощью пульта управления была включена только мембранная емкость и насос откачки, отвечающий за ее опорожнение.
Обсуждение результатов расчетов и экспериментов
Как видно из таблицы 4.10 ресурс мембранного фильтр-разделителя увеличивается с увеличением паузы между циклами подачи ГЖС и уменьшением порции жидкости, подаваемой за один цикл.
Следует учесть, что подобный расчет является ориентировочным. В реальных условиях ресурс МФР будет гораздо больше, так как блок подачи конденсата не работает постоянно. Таким образом, паузы между включениями блока могут составлять несколько часов. За это время даже при очень низкой производительности фильтровального пакета жидкость из насыпки отфильтруется, т.е. вернет аппарат в условия максимально возможной аккумуляции порции жидкости.
При проведении экспериментов были небольшие отклонения от того, как процесс фильтрования протекает в МФР, что не сказалось существенным образом на результатах: - эксперименты по определению параметров фильтрования проводились только на жидкости, а при течении газожидкостной смеси происходит турбулиза-ция потока, благодаря чему осадок откладывается медленнее и микрофлора практически не развивается на поверхности фильтрования; - при экспериментах поток жидкости к фильтровальному пакету был радиальным, т.е. осуществлялось фильтрование прямотоком, в реальном аппарате фильтрование осуществляется в тангенциальном режиме, что также способствует меньшей забивке пор и отложению осадка, увеличивая ресурс аппарата по фильтрованию [104].
Надежность функционирования и ресурс по отделению жидкости из газожидкостного потока СРВ-К2М напрямую зависит от работы блока разделения и перекачки конденсата (БРПК). Сепарация в БРПК осуществляется статическим способом, т.е. ресурс блока зависит от качества (загрязненности) поступающей жидкости. Начиная с 2008 года (с пилотируемой экспедиции МКС-17), проводится анализ загрязненности конденсата для выяснения причин снижения ресурса штатных разделителей Р5068. Для контроля качества и оценки загрязненности конденсата атмосферной влаги регулярно отбираются пробы жидкости перед фильтром газожидкостной смеси и перед блоком колонок очистки. До проведения настоящей работы анализировалась загрязненность жидкости по методике, ранее разработанной в АО «НИИхиммаш». Постоянная фильтрования, получаемая по этой методике позволяет рассчитать остаточный ресурс штатного разделителя, но не позволяет рассчитать ресурс разработанного мембранного фильтра-разделителя.
Разработанный алгоритм позволяет оценить ресурс аппарата и целесообразность его использования в системе. С помощью разработанной методики были обработаны результаты экспериментов по фильтрованию жидкостей с различной загрязненностью: от дистиллированной воды (K0=0,0008) до очень загрязненной жидкости с большим количеством взвеси (K0=0,14).
На данный момент проводится отработка представленных выше программ в лаборатории систем регенерации воды из конденсата атмосферной влаги АО «НИИхиммаш». Основным вопросом на данный момент является определение необходимого объема пробы конденсата для проведения модельного эксперимента, на основании данных которого могут быть рассчитаны параметры фильтрования и ресурс мембранного фильтра-разделителя.
Отработка и применение разработанных программ позволят назначить ресурс предварительной ступени сепарации в системе регенерации воды из конденсата атмосферной влаги и вести мониторинг загрязненности жидкости с позиции обеспечения необходимого ресурса по сепарации.
Расчетные данные подтверждаются наземными ресурсными испытаниями – при работе с жидкостью, загрязненность которой примерно соответствует загрязненности КАВ на борту МКС аппарат отсепарировал 600 л жидкости и его ресурс не был выработан. При этом конечная производительность аппарата составила 1300 мл/мин. Экспериментальная эксплуатация в составе СРВ-К2М на борту МКС также подтверждает данные по ресурсу аппарата, полученные расчетным путем. Наработки двух аппаратов составили около 1265 и 2400 литров конденсата, при этом их ресурс не был выработан, функционирующий на данный момент аппарат отсепарировал более 1500 литров конденсата, его работа на борту продолжается (подробнее рассмотрено в пятой главе).
С 2014 года на основании анализа проб конденсата атмосферной влаги, отобранных на борту МКС, по разработанному алгоритму проводится расчет остаточного ресурса мембранного фильтра-разделителя. Результаты расчета показывают, что ресурс МФР при функционировании в составе СРВ-К2М без учета аккумулирующей способности аппарата составляет не менее 1200 л по отсепариро-ванному конденсату для пробы от 19.02.2014 и не менее 1100 л по отсепариро-ванному конденсату для пробы от 06.05.2014. При этом с учетом аккумулирующей способности МФР ресурс его может составить около 2750 л и 3000 л соответственно (при условии неизменности качества конденсата), результат зависит от режима подачи ГЖС. Таким образом, результаты расчетов хорошо согласуются с результатами экспериментальной эксплуатации аппарата.