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

Ток тлеющего разряда I, мА	Расход CO2, л/мин	Расход H2, л/мин	Расход газовых продуктов реакции, л/мин	Степень превращения CO2 , %	Поглощенная мощность в реакторе-холодильнике Wpx, кВт
40	4,5	9,0	11,4	46,1	0,444
40	5,5	11,0	13,6	53,6	0,538
40	6,5	13,0	15,8	57,7	0,557
40	7,5	15,0	17,9	61,6	0,576
40	8,5	17,0	19,8	67,2	0,576
40	10,0	20,0	22,6	73,6	0,605
40	15,0	30,0	33,0	80,0	0,672
40	20,0	40,0	48,7	55,7	0,554

Рис. 6. Зависимость степени превращения диоксида углерода и мощности, поглощенной в реакторе-холодильнике, от расхода газовой смеси CO2+ 2H2 в комбинированном СВЧ- и тлеющем разряде.

1 – степень превращения диоксида углерода ; 2- мощность, поглощенная в реакторе-холодильнике.

Таким образом, комбинация тлеющего и СВЧ-разряда позволила при примерно одинаковой степени превращения (80,0%) диоксида углерода резко увеличить производительность до 45,0 л/мин и снизить время процесса переработки.

Второй раздел главы включает разработку метода, устройства и технологии регенерации твердого сорбента диоксида углерода под действием СВЧ-энергии.

В экспериментальных исследованиях для реализации волнового метода использовалась резонаторная камера, колебания в которой происходят в виде стоячих волн. При этом СВЧ-энергия, поступая в камеру, поглощается цеолитом непосредственно, либо после нескольких отражений от ее стенок.

Учитывая это, для размещения цеолита в резонаторной камере была выбрана сферическая форма емкости, выполненная из радиопрозрачного материала (молибденового стекла). В эту форму помещался цеолит марки NaX объемом 1000 см3. За пределами резонаторной камеры размещался холодильник для конденсации и определения количества выделившейся влаги при десорбции, а также газовый счетчик ГСБ-400 для регистрации объема десорбированного диоксида углерода. В экспериментальном стенде перед емкостью с цеолитом размещалась емкость с силикагелем для осушки воздуха при адсорбции. В таблице 2 приведены экспериментальные значения процесса выделения воды из силикагеля.

Таблица 2

Технологические параметры процесса СВЧ-десорбции воды из силикагеля

Время десорбции, мин	Количество выделившейся воды, мл
0,5	-
1,0	следы
1,5	0,6
2,0	1,9
2,5	3,6
3,0	3,2
3,5	1,8
4,0	0,4
ИТОГО: 11,5

Время нагрева силикагеля составило 4 мин., за которые из него выделилось 11,5 г воды, что составило ~ 92,3% от количества сорбированной влаги. Очевидно, что оставшиеся ~ 7,7% воды поглотилось цеолитом при сорбции.

Технологические параметры процесса СВЧ-десорбции диоксида углерода из цеолита отображены в таблице 3.

Таблица 3

Технологические параметры процесса СВЧ-десорбции диоксида углерода из цеолита

Время нагрева,мин	Объем адсорбата, л	Концентра-ция CO2 в адсорбате, % об.	Температура адсорбата, °С
1	0,700	0,5	19,0
2	0,500	3,0	24,1
3	0,440	18	27,2
4	0,500	25	28,1
5	0,460	45	28,2
6	0,640	70	28,3
7	0,600	84	28,3
8	0,560	86	28,3
9	0,500	95	28,3
10	0,420	80	28,3
11	0,320	74	28,3
12	0,140	60	28,3
ИТОГО: 5,78

Весь процесс десорбции можно условно поделить на 4 области: первая, при времени воздействия 0-2 мин; вторая - 2-5 мин; третья - 5-9 мин; четвертая - 9-12.

Можно предположить, что первая область представляет собой выход воздуха из емкости с цеолитом. Вторая – повышение скорости выхода адсорбата и концентрации диоксида углерода. Третья – наибольший расход адсорбата при максимальной концентрации диоксида углерода. Четвертая область – снижение расхода адсорбата с понижением концентрации диоксида углерода.

Анализируя полученные результаты исследований, можно констатировать, что при неизменной подводимой СВЧ-мощности в начале процесса десорбции осуществляется одновременный выход воздуха с небольшим количеством диоксида углерода (до 3% об.), концентрация которого с повышением температуры цеолита увеличивается. Представляется целесообразным на первом этапе процесса регулировать выход воздуха, изменяя мощность СВЧ-генератора (плавно или дискретно), что позволит возвращать воздух в атмосферу КК, а не за борт. Регулирование СВЧ-мощности не представляет технической сложности и может управляться, например, бортовой ЭВМ, что открывает возможность для дальнейшей десорбции диоксида углерода с более высокой концентрацией в адсорбате.

На основании проведенных исследований по СВЧ-десорбции диоксида углерода из цеолита можно сделать основной вывод об эффективности использования объемного СВЧ-нагрева для организации этого процесса и в принципе говорить о разработке и создании узла регенерации и концентрирования диоксида углерода с гибким подводом СВЧ-энергии в цеолит.

Далее приведена разработка метода, устройства и технологии регенерации жидкого сорбента диоксида углерода под действием СВЧ-энергии с использованием системы ЦИКЛОН-4, предназначенной для очистки воздуха от диоксида углерода с последующим выделением его в концентрированном виде. В качестве абсорбента в этой системе использовался 15%-й водный раствор моноэтанолэтилендиамина (МЭЭДА).

Совершенно очевидным является стремление использовать объемный, бесконтактный, безынерционный СВЧ-нагрев для организации процесса десорбции диоксида углерода из среды его концентрирования (ЖРП).

Подобные исследования позволяют оценить эффективность воздействия СВЧ-энергии при десорбции на водный раствор амина, эффективно поглощающий эту энергию с высоким коэффициентом преобразования ее в тепловую.

Для проведения исследований процесса десорбции диоксида углерода СВЧ- энергией в динамических условиях к системе "ЦИКЛОН-4" была смонтирована экспериментальная установка. Стенд в сборе включал (см. рис. 7) основные элементы системы "ЦИКЛОН-4" за исключением теплового десорбера, вместо которого включены: волноводное СВЧ-устройство для нагрева ЖРП в потоке, блок питания СВЧ-генератора, газожидкостный разделитель, промежуточная емкость, холодильник и газовый счетчик ГСБ-400.

Стенд обеспечивал проведение экспериментов при СВЧ-воздействии на ЖРП в интервале температур 20-105°C при нормальном давлении, а также регулировку СВЧ-мощности в пределах 0-630 Вт.

Рис. 7. Блок-схема СВЧ-десорбера

1 – лабораторная система "Циклон"; 2 – ротаметр; 3 – блок питания и регулирования СВЧ-мощности; 4 – СВЧ-устройство для нагрева ЖРП; 5 – газожидкостный разделитель; 6 – промежуточная емкость; 7 – газовый счетчик ГСБ-400; 8 – теплообменник.

Эксперименты проводились в следующей последовательности: ЖРП из системы "ЦИКЛОН-4" по трубопроводу подавался в СВЧ-десорбер, а затем поступал в газоотделитель и через промежуточную емкость и холодильник возвращался в систему "ЦИКЛОН-4". Выделившийся в газоотделителе диоксид углерода поступал в газовый счетчик ГСБ-400 для регистрации расхода.

Определенные трудности в технологическом плане представляла задача экспериментального поиска оптимального, с точки зрения энергозатрат и газоотделения, режима СВЧ-нагрева ЖРП. Для решения этой задачи регистрация параметров и отбор выделившегося диоксида углерода проводился при фиксированном расходе ЖРП, обусловленном конструкцией системы "ЦИКЛОН-4", и изменяющейся СВЧ-мощности.

В таблице 4 приведены технологические параметры процесса непрерывной десорбции диоксида углерода из ЖРП под действием СВЧ-энергии.

Таблица 4

Режимы СВЧ-десорбции диоксида углерода из ЖРП в потоке

Начальная температ. ЖРП,°C		Температ. десорбции ЖРП, °C		Ток магнетрона, мА		Подводимая СВЧ-мощн., Вт		Поглощенная ЖРП СВЧ- мощн., Вт		КСВН		Расход ЖРП, мл/мин		Выход СО2, см3/мин
17	99		300		410		250		4,3		50		500
17	95		230		300		237		2,7		50		350
17	90		210		270		221		2,5		50		50
17	85		190		242		206		2,3		50		-
17	80		170		222		191		2,2		50		-