Введение к работе
Актуальность работы. Для нужд министерства по чрезвычайным ситуациям и космонавтики необходимо иметь высокоэффективные химико-технологические системы регенерации воздуха, удовлетворяющие очень жестким требованиям к энергопотреблению и весога-баритным показателям. Разработку одной из таких систем в настоящее время проводит ФГУП «ТамбовНИХИ» с привлечением ученых ТГТУ.
На основе анализа существующих схем предложена концепция аппарата, который включает в себя поглотитель СО2 и устройство регенерации поглотителя водяным паром с хроматографическим концентрированием С02. Это устройство при разогреве рабочего слоя (на основе силикагеля) генерирует необходимое количество водяного пара для вытеснения СОз из адсорбента, а по завершении этого процесса при захолаживании рабочего слоя адсорбирует выделенный ранее пар. Далее по тексту это устройство будем называть парогенератором (ПГ) адсорбционного типа. Работа ПГ во многом определяет эффективность всей системы для очистки газовоздушной смеси от С02. Для уменьшения веса, теплопотерь, энергозатрат и расхода влаги ПГ и поглотитель С02 компонуются в виде совмещенного аппарата.
Несмотря на то, что процессы сорбции и десорбции, конденсации и парообразования изучены давно и основательно, для разработки ПГ, соответствующего требованиям технического задания РКК «Энергия» и с учетом специфики создаваемой конструкции, потребовалось провести всестороннее аналитическое, экспериментальное и имитационное исследования протекающих в нем процессов и свойств используемых материалов, а также выявить влияние различных конструктивных и режимных факторов на эффективность работы аппарата.
Данная работа посвящена этой актуальной в научном и практическом плане теме. Она связана с планами научно-исследовательских работ ТГТУ и ФГПУ «ТамбовНИХИ» в рамках государственной программы РФ №017-5098.87 «Разработка Российского бортового оборудования» и выполнялась в соответствии с договором о творческом сотрудничестве между ТГТУ и ФГУП ТамбовНИХИ №1/98 на 1997 - 1998 гг.
Цель работы. Целью работы являлось исследование кинетики процессов сорбции и парообразования в парогенераторе адсорбционного типа, разработка математической модели, описывающей основные тепло-массообменные и гидромеханические процессы, имитационное моделирование на ее основе, экспериментальное изучение теплофизических свойств используемых материалов, а также анализ и оптимизация гидравлической схемы раздачи теплоносителя.
Научная новизна. Проведены экспериментальные и аналитические исследования кинетики процессов тепло- и массообмена в парогенераторе адсорбционного типа при изменяющихся по времени граничными условиями. Разработана математическая модель этих процессов, позволяющая проводить имитационные исследования и анализ влияния входных параметров на режимы работы. Получены экспериментальные данные о теплопроводности и теплоемкости для адсорбентов, применяемых в системе очистки газо-воздушной смеси от углекислого газа. Исследована динамическая вязкость предполагаемых теплоносителей для парогенератора.
Практическая ценность. Разработаны алгоритм и программа гидравлического расчета системы раздачи теплоносителя в парогенераторе, позволяющая оптимизировать конструктивные размеры парогенератора. Предложен способ аналитического расчета коэффициентов массопроводности и термодиффузии для большого класса капиллярно-пористых материалов.
Результаты имитационного моделирования и оптимизации на основе разработанных математических моделей, а также результаты экспериментальных исследований использованы при разработке проекта системы очистки атмосферы от СО2 для космических объектов. Проект рассмотрен в ракетно-космическом концерне «Энергия» и принято решение о целесообразности его реализации.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на третьей Международной теплофизической школе в 1998 г. (г. Тамбов); ежегодных научно-технических конференциях ТГТУ в 1998 и 1999 гг.; научных семинарах кафедры «Гидравлика и теплотехника» ТГТУ; техническом совещании в ракетно-космическом концерне «Энергия»; технических совещаниях ФГУП «ТамбовНИХИ».
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 15 печатных работах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы и двух приложений. Основная часть работы изложена на 135 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков, 5 таблиц. Список литературы содержит 115 наименований.