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

На правах рукописи

Климарев Сергей Иванович

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СВЧ-ЭНЕРГИЕЙ

В РЕГЕНЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ

ЭКИПАЖА КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ

05.26.02. Безопасность в чрезвычайных ситуациях (Авиационная и ракетно-космическая техника. Технические науки)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва-2009 г.

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук

Государственном научном центре Российской Федерации

Институте медико-биологических проблем РАН

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор, Ю.Е. Синяк заслуженный деятель науки РФ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Э.А. Курмазенко

доктор физико-математических наук Ю.А. Лебедев

доктор технических наук, профессор А.Л. Шаталов

Ведущая организация: ОАО НИИХИММАШ

Защита состоится «____»________2009 года в _____часов на заседании диссертационного совета Д 002.111.02 при Учреждении Российской академии наук Государственном научном центре Российской Федерации – Институте медико-биологических проблем РАН (123007, Москва, Д-7, Хорошевское шоссе, 76 А)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Государственного научного центра Российской Федерации – Института медико-биологических проблем РАН

Автореферат разослан «____»___________2009 г

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.111.02,

доктор биологических наук Н.М. Назаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 W, 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность, цель, задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы; приведены основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 приводится анализ литературных источников и обоснование эффективности использования СВЧ-энергии для интенсификации физико-химических процессов в СЖО.

Отмечено, что 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.

Показано, что на начальном этапе исследований по переработке диоксида углерода и водорода эта задача сводится к выбору типа СВЧ-разряда, реализация которого целесообразна и соответствует возможностям системы энергопитания СЖО. К такому типу разряда относится стационарный СВЧ-разряд, локализованный в пространстве и продуваемый газом.

Однако сложность реализации процесса переработки диоксида углерода и водорода заключается в том, что водород не способствует образованию и устойчивому горению стационарного СВЧ-разряда на смеси этих газов и для того, чтобы возбудить его при атмосферном давлении, необходимо использовать мощный (W10-50 кВт) источник СВЧ-энергии (Батенин В.М. и др., 1988), что в условиях СЖО нереально.

Анализ литературы показал, что выход из этого положения возможен путем комбинации СВЧ- и постоянного электрического полей, с целью перекрытия обширной области изменения параметров плазмы при неизменной полной мощности, вкладываемой в разряд, W =WD +WСВЧ (где WD,WСВЧ – мощность, вкладываемая в дуговой разряд и дополнительная СВЧ-мощность, Вт).

В этом случае наложение на дуговой разряд дополнительной СВЧ-мощности приводит к уменьшению радиального распределения концентрации электронов Ne, увеличению радиуса разряда и тем самым к увеличению проводящей зоны. Из зависимости концентрации электронов на оси разряда от полной вкладываемой в разряд мощности следует, что граничные значения WСВЧ/WD = 0 и WСВЧ/WD определяют область регулирования концентрации электронов в комбинированном разряде.

Таким образом, использование комбинированного разряда при атмосферном давлении позволило выявить ряд особенностей в его характеристиках, радиальных распределениях параметров плазмы и возможность регулирования параметров плазмы в достаточно широких пределах при неизменной полной мощности, вкладываемой в разряд. Все это дает основание рассматривать комбинированный разряд как самостоятельный источник плазмы, существенно дополняющий уже известные. Величиной, определяющей особенности такого разряда, служит соотношение WСВЧ/WD, что позволяет в принципе говорить о возможности направленного воздействия на характеристики разряда (Батенин В.М. и др., 1988). К основному недостатку такого комбинированного разряда (с точки зрения применения в СЖО) относятся высокие значения тока дугового разряда (3,0-5,0 А), что приводит к интенсивной эрозии металла электродов и его попадания в продукты реакции. Кроме этого, достигается высокое значение температуры, которая превышает необходимый и достаточный уровень для осуществления процесса переработки диоксида углерода и водорода в физико-химической СЖО.

Таким образом, подобный комбинированный разряд нуждается в модернизации, которая заключается в замене дугового разряда на слаботочный, например, тлеющий разряд со значениями тока в пределах 30-50 mA. Замена может привести к снижению температуры процесса переработки диоксида углерода и водорода до необходимого уровня и свести до минимума эрозию металла электродов и энергозатрат.

Исходя из этого, задача исследования при фиксированном соотношении (WD/WСВЧ) комбинированного СВЧ- и тлеющего разряда, сводится к определению максимальной для такого разряда степени превращения диоксида углерода.

Для возбуждения комбинированного разряда используется волноводный плазмотрон, располагающийся на конце коаксиального плеча волноводно-коаксиального тройника.

Одной из основных функций физико-химической СЖО в космическом корабле является регенерация и кондиционирование воздуха. Этот важный процесс наряду с очисткой атмосферы от вредный микропримесей и водяных паров включает в себя удаление диоксида углерода – главного побочного продукта в атмосфере КК. Удаление диоксида углерода направлено на поддержание безопасности функционирования экипажа, а концентрирование в системе обеспечения газового состава (СОГС) – на его накопление как исходного компонента для извлечения кислорода для дыхания экипажа.

Показано, что в настоящее время основными регенерирующими сорбентами диоксида углерода являются физические адсорбенты, активированные угли, цеолиты, твердые хемосорбенты и жидкие поглотители. Наибольший интерес для реализации в СЖО представляют цеолиты, комбинированные хемосорбенты и жидкие поглотители.

Термовакуумная и вакуумная регенерация сорбентов диоксида углерода неизбежно влечет за собой потерю части компонентов, участвующих в круговороте основных веществ (кислорода и воды). Кроме этого, наличие разности давлений внутри и вне КК оказывает определенную нагрузку на пневматическую систему (клапаны и насосы), что может повлечь за собой их преждевременный износ.

Возврат диоксида углерода в цикл однозначно подразумевает под собой процесс его концентрирования с последующей подачей в узел его переработки.

В качестве перспективы продолжения работ в этой области возникает необходимость для замыкания цикла и преобразования регенеративного блока удаления диоксида углерода в блок его концентрирования с добавлением узла переработки диоксида углерода и водорода.

В последние годы этому вопросу уделяют внимание американские и японские исследователи. В качестве методов концентрирования диоксида углерода рассматриваются 4-х патронная схема на основе цеолитов и осушителей, схема на основе регенерируемых водяным паром аминов.

В данной работе рассматривается возможность применения СВЧ-энергии для нагрева сорбентов диоксида углерода. В качестве объектов для исследований были выбраны цеолит и водный раствор амина. Такие исследования позволяют оценить эффективность использования объемного СВЧ-воздействия на сорбенты при их регенерации.

Отмечено, что любые процессы, происходящие в реальных средах, например в цеолите, описываются тремя видами уравнений, которые в свою очередь отображают три физически возможных вида движения: диффузионный, конвективный и волновой.

В первом случае движущей силой теплового потока является разность температур или разность внутренних энергий в различных точках среды.

Q = , (1)

где Q – удельная мощность теплового источника, Вт/м3; W – объемная плотность внутренней энергии, Дж/м3; t – время, с; q = - Т gradT, поток энергии, Вт/м2; Т – теплопроводность, Вт/м.К; Т – температура, К.

Скорость диффузионного переноса наименьшая из всех физических возможных. Для подавляющего большинства сред коэффициент теплопроводности лежит в диапазоне: 1,4.10-2

Во втором случае гидродинамические потоки возникают вследствие разности давлений р в различных точках среды.

(2)

V – объем, м3; р – давление, Н/м2; - кинематическая вязкость, м2/с; v – линейная скорость, м/с.

Скорости переноса среды v, а с ней и тепловой энергии, на несколько порядков выше, чем в кондуктивном переносе и в реальных процессах может достигать 1 м/с.

Ограничителем скорости процесса в этом случае является пограничный слой, неизбежно возникающий на поверхности теплообмена. В нем перенос энергии происходит диффузионным (кондуктивным) путем. Увеличение скорости v ведет к уменьшению толщины пограничного слоя.

Волновой процесс возможен лишь при наличии свойства "упругости" у среды, то есть возникновении возвращающей силы при выведении ее из равновесия. Такая реакция возникает только при механическом или электромагнитном воздействии. Соответственно в среде возможно возникновение либо механического напряжения, либо электрической или магнитной индукции. То есть в среде возможны волны двух видов: электромагнитные или акустические.

Перенос энергии при этом описывается уравнением Умова:

(3)

где У – вектор Умова, равный произведению объемной плотности энергии на скорость ее распространения:

У = . (4)

где - объемная плотность колебательной энергии, Дж/м3.

Физической причиной возникновения волнового потока энергии является силовое возмущение равновесной среды и упругого отклика ее на это возмущение.

Общей особенностью волнового переноса, отличающего его от диффузионного, является наличие обратной связи облучаемых объектов с источником. Диффузионный процесс принципиально необратим, и, в силу этого, обратная связь осуществляется только через изменение градиента, отражение диффузионного потока невозможно, он может только убывать или возрастать, но не возвращаться (Шаталов А.Л., 1999).

Логика принципов построения физико-химической СЖО нового поколения с высокой степенью замкнутости для длительных космических полетов отводит важную роль процессу поглощения и безопасного хранения водорода, выделяемого из электролизера при разложении воды.