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

Общеизвестны способы хранения водорода в сжатом и жидком состоянии в баллонах, оснащенных редукторами и клапанами, обеспечивающими предотвращение опасности утечки газа и возможного взрыва при его смеси с воздухом. В сжатом газе молекулы водорода скомпактированы недостаточно плотно, так что его энергоемкость невелика. Превращение газообразного водорода в жидкий связано с затратами электроэнергии и применением дорогостоящей криогенной техники, что в условиях СЖО трудно осуществимо.

Этих недостатков лишены сплавы – накопители водорода (СНВ). Отмечена целесообразность использования гидридов металлов как источника водорода высокой чистоты, поскольку в них атомы водорода "химически скомпактированы" более плотно, чем в жидком водороде.

Известно, что большинство гидридов невзрывоопасно, контейнеры для их хранения компактны и дешевы, что представляет несомненный интерес для использования этого метода хранения и дальнейшего использования водорода совместно с диоксидом углерода в системе (узле) их переработки.

К таким сплавам относится интерметаллид LaNi5, способный поглощать, а при десорбции выделять большое количество водорода при температурах, близких к комнатной, и давлениях порядка 0,2 МПа.

Использование сплавов - накопителей водорода основано на их обратимом взаимодействии с водородом по реакции:

Mex + yH2 = MexH2 y (5)

с выделением теплоты при образовании гидрида и поглощением тепла при его диссоциации. Повышение давления газообразного водорода и понижение температуры смещают равновесие в сторону образования гидрида, а понижение давления и повышение температуры вызывают разложение гидрида.

Сплавы – накопители водорода делятся на следующие группы: - сплавы на основе редкоземельных металлов, в том числе мишметалла (Mm); - сплавы на основе титана; - сплавы на основе циркония; - сплавы на основе магния и кальция ; - сплавы на основе других металлов и сплавов.

Показано, что наиболее приемлемым сплавом – накопителем водорода для использования в СЖО нового поколения является LaNi5 с соответствующими легирующими элементами. Сорбционная емкость этого сплава составляет 1,4% вес. Это интерметаллическое соединение обладает способностью поглощать и выделять водород с высокой скоростью при 25-50°С (Колачев Б.А. и др., 1992).

Как известно, в настоящее время обеспечение экипажа КК водой решается системой регенерации воды (СРВ) с ее производными: К – из конденсата атмосферной влаги; У – из урины (мочи); СГ – из санитарно-гигиенической воды. Помимо этого, существуют запасы питьевой воды в системе "Родник". Эти водные среды СЖО полностью обеспечивают суточное потребление воды экипажем, что подтверждает успешный многолетний опыт функционирования этой системы на околоземном орбитальном комплексе "МИР" и в настоящее время на борту Международной космической станции (МКС). Однако для обработки водных сред СЖО применяется кондуктивный нагрев, отличающийся своей инерционностью.

В этом случае необходим быстрый и надежный метод уничтожения микробной флоры при одновременном объемном нагреве воды в потоке. К такому методу относится применение СВЧ-энергии для целей обеззараживания и нагрева питьевой воды.

В литературных источниках и описаниях патентов практически не представлено устройств, кроме некоторых, для обработки жидкости в потоке.

Проблема стерилизации водных сред, контаминированных, например, спорообразующими микроорганизмами, согласно анализу литературы в большинстве источников решается путем облучения сред ультрафиолетовыми лучами. Затем по количеству изобретений следует микроволновая стерилизация, обработка химическими веществами и тепловое обеззараживание, стерилизация ультразвуком, светом, электрическим током, гамма-излучением, с помощью создания кавитации и др.

Во многих патентах наблюдается сочетание нескольких известных способов стерилизации, таких как обработка воды ионами серебра, фильтрация и ультрафиолетовое излучение; озонирование и ультрафиолетовое облучение; использование красителя и ультрафиолетовых лучей; сочетание автоклавирования и барокамеры, где увеличение давления обеспечивает стерилизацию воды.

Предложенные патенты тепловой стерилизации оригинальны, но такая обработка жидкости не обеспечивает ее объемный нагрев, что говорит о локальном перегреве поверхности нагрева. Использование тепловой стерилизации требует определенных энергозатрат и некоторого количества времени прежде, чем в устройстве установится требуемый режим стерилизации. Применение этого вида стерилизации в сочетании с давлением требует повышенного внимания к соблюдению техники безопасности.

Стерилизация химическими веществами осложняется тем, что большинство микроорганизмов обладают высокой приспособляемостью по отношению к воздействию химических реагентов, а также трудностью приготовления и использования химических реагентов в условиях СЖО.

Ультрафиолетовое излучение не способно проникать сквозь мутные среды (например, молоко), поэтому в патентной литературе представлена обработка в основном воды. С течением времени микроорганизмы приобретают устойчивость и к ультрафиолетовому воздействию.

Большое время облучения среды при стерилизации -лучами (более 10 часов) является отрицательной чертой этого метода.

Техническая разработка с использованием озонирования и ультрафиолетового облучения воды обладает рядом положительных качеств, таких как малая энергоемкость ультрафиолетовых облучателей и уничтожение в воде споровых форм микробов, но длительность обработки проигрывает по сравнению с СВЧ-стерилизацией.

Анализ литературных источников и описаний патентов не дал ответа для решения проблемы стерилизации водных сред в потоке в гермообъектах. Поэтому в работе экспериментальным путем решается поставленная задача: разработка метода, устройства и технологии СВЧ-обеззараживания и нагрева воды в СЖО.

Для проведения экспериментальных исследований были выбраны СВЧ-устройства (как прототипы) со следующими конструктивными признаками: по доли мощности, поглощаемой водой - проходное, оконечное; по типу базовой передающей линии - волноводное, коаксиальное; по режиму подвода мощности - импульсного действия; по количеству типов волн – одномодовое.

В главе 2 предложено математическое описание динамики физико-химических процессов в СЖО.

В первом разделе главы приведены результаты термодинамических расчетов степени превращения диоксида углерода и образования основных продуктов реакции (воды, оксида углерода) от температуры при осуществлении первой стадии процесса Боша – гидрирования диоксида углерода. Расчеты проведены для интервала температуры 800-1600°С и соотношения СО2/Н2=1/2.

Для проведения расчетов использована программа «Астра» (Трусов Б.Г. и др., 1982) с учетом исходных допущений, при которых рассматривается замкнутая система в состоянии внешнего и внутреннего термодинамического равновесия, не обменивающаяся веществом с окружающей средой и без перемешивания и растворения газов в жидкой фазе.

На рис. 1 приведена зависимость степени превращения диоксида углерода от температуры газовой смеси.

Рис. 1. Зависимость степени превращения диоксида углерода от температуры газовой смеси

Во втором разделе главы приведено описание динамики адсорбции и нагрева адсорбента СВЧ-энергией. Известно (Кельцев Н.В., 1984), что процесс сорбции диоксида углерода описывается двумя уравнениями – уравнением материального баланса и уравнением изотермы адсорбции:

(6)

(7)

- величина адсорбции; с - концентрация адсорбтива в газе, моль/см3; - время, с; х - текущая координата, см; - коэффициент продольной диффузии; - скорость потока, см/с.

Использование адсорбента для очистки воздуха от диоксида углерода в перспективной СЖО предусматривает его концентрирование и возвращение в цикл для последующего извлечения кислорода. Это условие накладывает ограничения на применение того или иного метода регенерации, оставляя предпочтение подводу тепла к стенкам адсорбера и адсорбенту. Однако адсорбент (например, цеолит) обладает низкой теплопроводностью, что создает трудности в его быстром и равномерном нагреве до температуры десорбции.

Для быстрого и эффективного нагрева относительно небольших объемов адсорбента (применительно к СЖО) целесообразно использовать СВЧ-энергию в закрытом объемном резонаторе, поле в котором полностью экранируется от внешней среды.

Неизбежные потери электромагнитной энергии на рассеяние в диэлектрике (адсорбенте) описывается следующим выражением, которое имеет вид :

Рпотерь = 0,556.10-12r.tg.Е2.f, (8)

где Рпотерь – удельная мощность, Вт/см3; r.tg - коэффициент (фактор) потерь; tg - тангенс угла диэлектрических потерь; Е –напряженность электрического поля, В/см; f – частота, Гц.

Это выражение верно, если предположить, что в нагреваемом объеме V имеется почти однородное электрическое поле. Уравнение справедливо во всем спектре электромагнитных колебаний, где частотная зависимость диэлектрической проницаемости выражена с помощью r() и r(), где r = r.tg; - частота, Гц.

Рассматриваемый процесс термообработки сопровождается повышением температуры в единице объема диэлектрика (адсорбента):

град/мин (9)

где - температура, оС; - время, мин; - удельный вес, г/см3; - удельная теплоемкость, кал/г.град.

Для нагрева адсорбента массой m на °С, нужна выходная СВЧ-мощность:

РСВЧ = 4,186.m.с.Т, кВт (10)

Между уравнениями (8) и (10) можно поставить знак равенства при условии, что электрическое поле во всем объеме однородно (Пюшнер Г., 1968).

Динамика процесса СВЧ-нагрева жидкостного регенерируемого поглотителя (ЖРП) отдельно не рассматривается, поскольку полностью соответствует процессу СВЧ-нагрева воды, который будет представлен ниже.

В следующем разделе этой главы приведено описание процесса сорбции-десорбции водорода интерметаллидом. Аккумулятор водорода выполняет важную функцию в СЖО – безопасное хранение водорода в связанном состоянии после разложения воды в электролизере и подачу его совместно с диоксидом углерода в узел их переработки. СВЧ-энергия при этом напрямую для нагрева интерметаллида не применяется.

Экзотермические и эндотермические процессы сорбции и десорбции водорода гидридом металла аналогичны процессам всасывания и нагнетания, происходящим в механическом компрессоре, а принципиальную схему электролизер - аккумулятор водорода - узел переработки диоксида углерода и водорода можно рассматривать как систему, в которой аккумулятор водорода работает по принципу термосорбционного компрессора (ТСК).

Показан анализ энергетической эффективности термохимического компремирования водорода, на основании которого приведены основные термодинамические зависимости затрат тепловой энергии на процесс сорбции и десорбции водорода в нормосорбционных компрессорах.

Таким образом, процесс сжатия водорода ТСК при отсутствии гистерезиса между процессами сорбции-десорбции с точки зрения термодинамики осуществляется оптимально. Энергия, подводимая в форме тепла в процессе термохимического сжатия в ТСК, преобразуется в работу сжатия с эффективностью, равной преобразованию тепла в механическую энергию в цикле Карно, осуществляемом в том же интервале температур.

Приведенные выше рассуждения относятся к внутренне обратимому циклу. Однако наличие гистерезиса между процессами сорбции - десорбции приводит к внутренней необратимости цикла. Несоответствие функциональных зависимостей, характеризующих процессы сорбции - десорбции для одного и того же уровня температуры, объясняется внутренними напряжениями в кристаллической решетке, вызванными изменениями ее размеров в процессе сорбции, что приводит к образованию и распространению дислокаций, обуславливающих диссипацию энергии.

Для обеспечения необходимых давлений ввиду гистерезиса в реальном цикле применяется более широкий интервал температур (Т2+Т; T1), что вызывает уменьшение эффективности процесса сжатия водорода с помощью гидридов. Величина, характеризующая гистерезис P/P, практически постоянна в широком интервале изменения режимных параметров (Потехин Г.С. и др., 1977). В пределе, если P/P > 0, что возможно при значительных градиентах давления, процесс сжатия водорода в ТСК стремится к эффективности преобразования тепла в механическую энергию в цикле Карно, то есть:

Limсжтск = q. (11)

Еще одним разделом главы является описание динамики процесса СВЧ-нагрева воды и определение геометрических характеристик канала СВЧ-устройства.

В большинстве случаев (кроме собственных) в СВЧ-устройствах применяются каналы цилиндрической формы для прохода воды, которые не обеспечивают равноценного воздействия СВЧ-энергии по всему объему нагреваемой воды.

Для обеспечения максимального поглощения электромагнитной энергии диаметр канала СВЧ-устройства dтр должен соответствовать глубине проникновения СВЧ-энергии в воду з. Это равенство есть условие оптимизации. Для расчетов приняты следующие характеристики канала: начальный и конечный диаметр 8,0 и 57,6 мм; высота канала 70 мм; начальная и конечная температура воды 5° и 95°С; мощность генератора 1,0 кВт; частота 2450 МГц.

Зависимость параметров СВЧ-нагрева (поглощенной водой СВЧ-мощности WП и глубины проникновения з) от распределения скоростей по сечению трубы при ламинарном течении в неизотермических условиях и вычисления по уравнению теплового баланса позволили построить расчетную модель канала для прохода воды и оценить его основные характеристики. При разработке математической модели канал для прохода воды разбивался на конечные элементы в форме колец. Для первого элементарного слоя параметры входящей воды были известны. Известны параметры входящего СВЧ-поля для наружного элементарного кольца. На основании этих данных были определены параметры выходящего из кольца СВЧ-поля, которые являлись параметрами входящего поля для следующего кольца. Определив параметры для всех колец данного слоя, были получены исходные данные для расчета параметров следующего слоя (см. рис. 2).

Рис. 2. Канал для прохода воды СВЧ-устройства

Анализ показал, что форма образующей канала СВЧ-устройства представляет собой кривую, близкую к экспоненциальной (см. рис. 2).

Поглощенная водой СВЧ-мощность в канале определяется по формуле (10). Отмечено, что глубина проникновения СВЧ-энергии зависит от электрофизических свойств воды и температуры и рассчитывается по формуле:

з=, (12)

где 0 - длина волны, см; r и tg - соответственно относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь.

Объемный расход воды в элементарном кольце Qi определяется на основании профиля распределения скорости потока:

Qi= V(r)(r12-r22), (13)

где V(r) - скорость потока, см/с; r1 и r2 - соответственно внешний и внутренний радиусы элементарного кольца, см.

Средняя температура воды по слою определяется по формуле:

Тср=, (14)

где n - число колец; q - расход воды в элементарном кольце, см3/с.

Исходя из средней температуры воды слоя, определен диаметр следующего слоя. Повторяя процедуру от слоя к слою, получены геометрические характеристики поверхности вращения, которая представляет собой канал СВЧ-устройства.

Программирование осуществлено на языке Си++ (совместно с аспирантом Старковой Л.В.), а графическое отображение – средствами AutoCAD 12.

Температура воды в канале СВЧ-устройства в пристеночной области имеет более высокие значения, чем по оси канала (см. рис. 3). Это объясняется тем, что у стенок скорость воды минимальна, а удельная поглощенная мощность максимальна.

Рис. 3. Распределение температуры воды в канале СВЧ-устройства

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований.

В первом разделе этой главы рассмотрен метод, устройство и технология плазмохимической переработки диоксида углерода и водорода в комбинированном СВЧ- и тлеющем разряде.

В основу базовой конструкции плазмотрона заложен принцип суперпозиции, по которому СВЧ-энергия подводится к газоразрядной трубке с противоположных сторон на двух равных по амплитуде когерентных волнах таким образом, что на оси трубки они синфазны, при этом значение напряженности поля на оси плазменного столба удваивается. В этом случае плазмотрон представляет собой кольцевой волновод, на оси которого напротив ввода СВЧ-энергии расположена разрядная зона с кварцевой трубкой. Схема СВЧ-плазмотрона приведена на рис. 4.

Центральный проводник коаксиальной линии в зоне волновода имеет разрыв и снабжен вольфрамовыми водоохлаждаемыми наконечниками, между которыми формируется тлеющий разряд, при этом центральный проводник верхнего плеча коаксиальной линии изолирован от корпуса, а нижний – электрически связан с корпусом плазмотрона.

Рис. 4. Схема СВЧ-плазмотрона

1 – волновод; 2 – внутренний проводник коаксиальной линии; 3 – верхнее плечо коаксиальной линии; 4 – газоразрядная трубка; 5 – нижнее плечо коаксиальной линии.

После установления тока тлеющего разряда в пределах 30-50 мА на тлеющий разряд накладывается СВЧ-мощность и формируется комбинированный разряд, полностью перекрывающий межэлектродный промежуток размером ~ 30 мм в разрядной трубке из кварца с внутренним диаметром 22-23 мм.

Таким способом удалось сформировать комбинированный СВЧ- и тлеющий разряд при атмосферном давлении с преобладанием в газовой смеси водорода (66,6%) и суммарной подводимой мощности, не превышающей 1,0 кВт.

Для проведения исследований только в тлеющем разряде использовался кварцевый электроразрядник диаметром 20-22 мм, торцы которого выполнены в виде шлифов с держателями электродов. Экспериментальные данные по переработке диоксида углерода и водорода в тлеющем разряде показаны на рис. 5.

Рис. 5. Зависимость степени превращения диоксида углерода от расхода газовой смеси CO2+ 2H2 в электроразряднике

1. межэлектродный промежуток 28 мм; 2 – межэлектродный промежуток 30 мм.

Средние значения экспериментальных данных по переработке диоксида углерода и водорода в комбинированном СВЧ- и тлеющем разряде сведены в таблицу 1, а их графическое отображение показано на рис. 6.

Таблица 1

Экспериментальные данные по переработке диоксида углерода и водорода в комбинированном СВЧ- и тлеющем разряде