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

После дожигателя оксида углерода смесь диоксида углерода (15,0 л) и непрореагировавшего водорода (18,0 л) поступает в поглотитель водорода, после которого диоксид углерода направляется в систему очистки от микропримесей и диоксида углерода, а поглощенный водород – в аккумулятор водорода. Затем наступает пауза в работе системы до полного насыщения концентратора диоксида углерода и цикл повторяется. В промежутках между циклами СВЧ-энергия используется, например, для обеззараживания и нагрева воды.

Таким образом, предложенный вариант системы позволяет не только вернуть в цикл диоксид углерода и водород, но и удалять их за борт при необходимости, направлять диоксид углерода в оранжерею для питания растений, а также использовать продукты реакции гидрирования для химического синтеза пищи.

В Заключении приведено обсуждение результатов экспериментальных исследований и сформулированы выводы.

Реализация цели исследований предполагает создание и разработку технологических основ для формирования СОГС и СРВ с использованием СВЧ-энергии как составной части варианта СЖО нового поколения.

Анализ методов переработки диоксида углерода и водорода позволил сделать выбор в пользу проведения процесса Боша, т.к. в этом случае диоксид углерода и водород можно вернуть обратно в цикл. При этом в данном случае считается целесообразным ограничиться первой стадией процесса - гидрированием диоксида углерода -, чтобы избежать второй стадии - образование углерода на катализаторе, удаление которого из газовой коммуникации представляет определенные неудобства, особенно в условиях невесомости.

Термодинамические расчеты показали, что процесс переработки диоксида углерода и водорода с высокой степенью превращения (не ниже 80,0%) может быть организован при температурах выше 1000°С. Этот уровень температуры может быть достигнут применением тлеющего разряда как самостоятельного фактора воздействия, так и в комбинации с СВЧ-разрядом. При этом СВЧ-разряд является несамостоятельным и не может существовать отдельно без тлеющего разряда при малых значениях подводимой СВЧ-мощности 0,8 кВт из-за высокого содержания водорода (66,6%) в смеси с диоксидом углерода.

Такая комбинация двух разрядов в едином устройстве позволила достигнуть максимальной степени превращения диоксида углерода 80,0% при расходе газовой смеси 45,0 л/мин и КПД ~ 76,0%. Комбинированный разряд формировался в едином волноводно-коаксиальном устройстве с подводом СВЧ-энергии к разрядной зоне с противоположных сторон.

Степень превращения диоксида углерода только в тлеющем разряде составила 83,3% при расходе газовой смеси 1.8 л/мин.

Таким образом, для интенсификации процесса переработки диоксида углерода и водорода в работе экспериментально обосновано применение безынерционного комбинированного СВЧ- и тлеющего разряда.

В результате выполнения экспериментальных исследований по разработке метода, устройства и технологии регенерации твердого сорбента диоксида углерода под действием СВЧ-энергии были получены данные о функционировании СВЧ-системы для нагрева цеолита в резонаторной камере.

При проведении исследований использовалась двухпатронная схема, включающая силикагель для поглощения влаги и цеолит для сорбции диоксида углерода. В этом случае силикагель практически полностью поглощал влагу, увеличивая количество поглощенного диоксида углерода цеолитом.

В результате нагрева силикагеля СВЧ-энергией из него выделилось ~ 96% воды, поглощенной из воздуха за время сорбции. Время проведения процесса нагрева составило 4 мин.

Представляется целесообразным в начальный период СВЧ-десорбции (0-2 мин) адсорбат с низким содержанием диоксида углерода (3%) подать в оранжерею для питания растений, а в дальнейшем – в концентратор диоксида углерода на основе адсорбента, который может иметь несколько ступеней концентрации диоксида углерода, вплоть до 99,9%. Нагрев концентратора диоксида углерода может быть осуществлен также с помощью СВЧ-энергии.

Из проведенного анализа экспериментальных исследований становится очевидным основное преимущество интенсификации процесса десорбции диоксида углерода из цеолита при СВЧ-нагреве – короткое время проведения процесса за счет объемного нагрева цеолита.

В результате выполнения экспериментальных исследований процесса десорбции диоксида углерода из ЖРП как тепловым, так и СВЧ-методом были получены данные по температурным показателям процесса, по величине затрачиваемой мощности и количеству выделившегося диоксида углерода. Для нагреве ЖРП в потоке использовалась двухкамерная компоновка волноводного тракта, включающая проходную камеру (десорбер) с плоским каналом и концевую согласованную нагрузку.

При нагреве ЖРП в потоке приращение подводимой СВЧ-мощности не приводит к увеличению температуры и поглощенной СВЧ-мощности, но увеличивает выход газа, что может свидетельствовать об интенсификации процесса кипения ЖРП. Интервал значения тока мегнетрона в 230-250 mA соответствует увеличению КСВН, характеризующему согласование СВЧ-генератора с десорбером выше допустимых по паспорту 3-х единиц. При этом КПД преобразования СВЧ-энергии в тепловую составляет 80% против 30-40% при тепловом нагреве ЖРП в потоке. Кроме того, время выхода теплового нагревателя системы ЦИКЛОН-4 на режим десорбции составляет 20-30 мин, а СВЧ-нагревателя при прочих равных условиях – 3-4 мин.

Поскольку производительность по диоксиду углерода (500 см3/мин), концентрация диоксида углерода в абсорбате ( 99%) и расход ЖРП (50 мл/мин) идентичны при тепловом и СВЧ-нагреве и обусловлены конструкцией системы ЦИКЛОН-4, то дальнейшая интенсификация этого процесса связана с оптимизацией ввода СВЧ-энергии в ЖРП и совершенствованием конструкции СВЧ-устройства, что и было впоследствии выполнено для нагрева воды.

Перспектива оснащения долговременных орбитальных комплексов и особенно межпланетных кораблей регенерационными СЖО, включающими СОГС и СРВ и состоящими из электрохимического генератора кислорода, концентратора диоксида углерода и системы переработки диоксида углерода и водорода, обуславливает необходимость разработки и создания узла, обеспечивающего формирование газовой смеси СО2+2Н2 и согласование этих систем по потоку этих газов.

Необходимость в подобных согласованиях систем особенно отчетливо проявляется в процессе проработки облика СОГС перспективных СЖО длительного функционирования как на околоземной орбите, так и вне ее.

Согласование режимов работы в этих комплексах электролизера и системы переработки диоксида углерода и водорода по потоку водорода можно осуществить, используя его обратимую сорбцию интерметаллидом. Применительно к СОГС существенно, чтобы сорбция водорода протекала при нормальных условиях и давлениях до 0,5 ати, а десорбция – при приемлемой (до 100°С) величине температуры. Необходимая масса интерметаллида определяется его составом, объемом аккумулируемого водорода и продолжительностью цикла сорбции и десорбции.

Для этих целей был разработан и изготовлен интерметаллид LaNi5 с легирующими добавками в виде Ce, Mn и Cu.

При исследованных давлениях водорода 0,1-0,3 ати скорость процесса сорбции максимальна в течение первых минут и резко уменьшается по мере перехода сплава в гидрид. Характер зависимостей – экспоненциальный. Снижение давления от 0,3 до 0,1 ати приводит к незначительному уменьшению количества поглощенного водорода.

Процесс десорбции водорода сопровождался электронагревом патрона с интерметаллидом до температуры 330°С. Как известно, непосредственный нагрев интерметаллида СВЧ-энергией невозможен.

Этот состав интерметаллида оказался зажат марганцем и медью, что и привело к высокой температуре его диссоциации. Таким образом, выбором содержания легирующих элементов можно достичь температуры десорбции водорода ниже 100°С.

Поскольку интерметаллид невозможно непосредственно нагревать СВЧ-энергией, то снижение температуры десорбции ниже 100°С позволяет использовать опосредованный нагрев СВЧ-энергией. В качестве теплоносителя используется вода, хорошо поглощающая СВЧ-энергию и обладающая высокой теплопроводностью. Такой метод нагрева характеризуется малой инерционностью и возможностью оперативного управления процессом подачи водорода.

К наиболее важному процессу интенсификации применительно к СЖО следует отнести обеззараживание и нагрев воды в потоке.

Анализ методов обеззараживания и нагрева воды позволяет сделать выбор в пользу применения СВЧ-энергии как эффективного фактора воздействия на воду в потоке.

В существующих СВЧ-устройствах различной конструкции для нагрева воды в потоке как правило используются каналы цилиндрической формы. В таких каналах за счет изменения температуры воды СВЧ-энергия поглощается неравномерно, что приводит в итоге к снижению КПД, производительности, увеличению энергозатрат.

Подход к разработке новой формы канала состоит в обеспечении равенства глубины проникновения СВЧ-энергии в обрабатываемую воду. Как известно, с увеличением температуры воды ее диэлектрическая проницаемость уменьшается, следовательно, глубина проникновения СВЧ-энергии в воду увеличивается. Таким образом, с целью максимально возможного поглощения СВЧ-энергии и воздействия на микрофлору диаметр канала не должен быть постоянным.

Проведенный математический анализ показал, что канал для прохода воды в СВЧ-устройстве представляет собой постепенно расширяющееся тело вращения, образующей которого является экспоненциальная кривая. В результате расчетов были получены вероятные распределения удельных мощностей, эпюры скоростей потока воды по оси канала, распределение температуры воды в канале.

Экспоненциальный канал использовался в оконечном коаксиальном СВЧ-устройстве для обработки воды в потоке.

Естественно, что выявление преимуществ разработанного канала осуществлялось сравнением теплофизических характеристик процесса СВЧ-нагрева воды в устройствах с цилиндрическим и экспоненциальным каналом. Это сравнение показывает, что значение поглощенной водой СВЧ-мощности в экспоненциальном канале во всем интервале температур (80-50°С) выравнивается по сравнению с цилиндрическим каналом.

Наиболее отчетливо разница в воздействии СВЧ-энергии проявляется при обеззараживании воды, контаминированной Pseudomonas aerugenosa. В этом случае температура гибели Pseudomonas aerugenosa в устройстве с экспоненциальным каналом на 5°С ниже, чем с цилиндрическим, и составляет 60°С.

Производительность в экспоненциальном канале в режиме стерилизации (60°С) на 22,8% выше, чем в цилиндрическом канале (65°С).

Удельные затраты энергии в экспоненциальном канале в режиме стерилизации на 23,1% ниже, чем в цилиндрическом, при одинаковом КПД (78%) преобразования СВЧ-энергии в тепловую.

Метод, устройство и технология СВЧ-обеззараживания и нагрева воды были использованы на космодроме БАЙКОНУР в доме комплексной экспедиции (площадка № 10) для приготовления воды в рамках комплекса мероприятий по обеспечению инфекционной безопасности основного и резервного экипажей, а также членов комплексной экспедиции, непосредственно контактирующих с экипажами в предстартовый период. Для этого была разработана и смонтирована опытная двухконтурная установка водоподготовки с СВЧ-стерилизацией воды.

В этом случае использовалось проходное СВЧ-устройство с плоским каналом, которое также превосходит устройство с цилиндрическим каналом по основным показателям (производительности, КПД преобразования СВЧ-энергии в тепловую, затратам энергии) в среднем в 1,2 раза. Помимо этого, сочетание СВЧ-энергии с наличием ионного серебра в воде в количестве 0,03-0,05 мг/л воды повышает надежность процесса обеззараживания воды.

Проведенные на этой установке исследования по обеззараживанию воды, контаминированной аналогом вирусной инфекции фагом mS-2, показали высокую эпидемиологическую безопасность питьевой воды по вирусному компоненту биологического фактора, что делает крайне заманчивым применение этого метода в районах с неблагоприятной эпидемиологической обстановкой.

Проведенные расчетные и экспериментальные исследования позволили провести оценку совместной работы узлов, входящих в СОГС и СРВ регенерационной физико-химической СЖО с использованием СВЧ-энергии.

Для полноты оценки предполагалось, что в рассматриваемых вариантах СЖО и СОГС кроме исследованных функционируют и недостающие узлы системы, такие, как концентратор диоксида углерода, дожигатель оксида углерода, поглотитель водорода, адсорбер кислорода.

Проведенный анализ экспериментальных исследований позволяет остановиться на проточном варианте переработки диоксида углерода и водорода с гидрированием диоксида углерода в комбинированном СВЧ-и тлеющем разряде (см. рис. 12). В этом случае образующийся оксид углерода может удаляться за борт КК вместе с водородом, либо после окисления до диоксида углерода направляться, например, в оранжерею для питания растений. Водород при этом целесообразно возвращать в цикл.

Логическим завершением регенерационной физико-химической системы может служить включение в нее звена химического синтеза пищи из продуктов переработки диоксида углерода и водорода и пр.

Учитывая безынерционность процесса подвода СВЧ-энергии в реакционные зоны, такая система может функционировать циклично, оставляя промежутки между циклами для реализации других процессов в СЖО.

Помимо разработанных методов, устройств и технологий в настоящей работе СВЧ-энергия может быть эффективно использована и в других процессах применительно к СЖО, а именно:

- для обеззараживания конденсата атмосферной влаги на входе в систему регенерации воды из конденсата атмосферной влаги;

- для нагрева рациона питания как в радиопрозрачной, так и в металлической упаковке;

- для стерилизации мелкого металлического медицинского инструмента;

- для нагрева воды в потоке при принятии водных процедур, душа;

- для образования пара в бане;

- для сушки фекальной массы с целью получения сухого порошкообразного остатка.

Кроме основного назначения для СЖО КК СВЧ-энергия может быть использована для интенсификации технологических процессов применительно к гипербарическим, подземным, наземным и другим специальным гермообъектам; в народном хозяйстве: в пищевой, медицинской и микробиологической промышленности для стерилизации пищевых жидкостей, вакцин, сывороток, жидких лекарственных препаратов и питательных сред; в системе МЧС.

Таким образом, на основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований можно сделать основное заключение о том, что СВЧ-энергия может быть эффективно использована для интенсификации физико-химических процессов в регенерационной системе жизнеобеспечения экипажа космического корабля.

Выводы

1. Обоснована эффективность применения СВЧ-энергии для интенсификации физико-химических процессов в регенерационной системе жизнеобеспечения. Показана необходимость интенсификации процессов переработки диоксида углерода и водорода, регенерации твердого и жидкого сорбентов диоксида углерода и водорода, обеззараживания и нагрева воды, формирующих облик быстродействующей системы жизнеобеспечения нового поколения.

2. Составлено математическое описание динамики физико-химических процессов переработки диоксида углерода и водорода, регенерации твердого и жидкого сорбентов диоксида углерода и водорода, обеззараживания и нагрева воды. На основании термодинамических расчетов получены зависимости от температуры степени превращения диоксида углерода и основных продуктов реакции, составлено описание процесса нагрева и регенерации сорбентов диоксида углерода и водорода, с учетом электродинамики, термодинамики и гидродинамики разработана математическая модель канала СВЧ-устройства для обеззараживания и нагрева воды, подтверждающих эффективность использования СВЧ-энергии.

3. Разработан метод, устройство и технология плазмохимической переработки диоксида углерода и водорода в комбинированном СВЧ-и тлеющем разряде (первая стадия процесса Боша – гидрирование диоксида углерода). Сформирована низкотемпературная плазма при атмосферном давлении на смеси исходных реагентов в соотношении СО2/Н2 = 1/2 при суммарной подводимой в разряд мощности, не превышающей 1,0 кВт, при этом процесс переработки осуществляется со степенью превращения диоксида углерода 80,0% и расходе газовой смеси 45,0 л/мин.

4. Разработан метод, устройство и технология регенерации твердого и жидкого сорбента диоксида углерода под действием СВЧ-энергии. В этом случае объемный и быстрый нагрев твердого и жидкого сорбента осуществляется за счет диэлектрических свойств нагреваемой среды без участия механизма теплопроводности. При этом максимальная концентрация диоксида углерода в адсорбате составляет около 99% при существенном сокращении времени проведения процесса и энергозатрат.

5. Разработан метод, устройство и технология регенерации аккумулятора водорода на основе сплава LaNi5, способного поглощать водород, удерживать его с высокой плотностью в безопасном состоянии и выделять при нагреве. Размещение аккумулятора водорода между электролизером и системой переработки диоксида углерода и водорода обеспечивает взаимосвязь этих узлов по потоку водорода.

6. Разработан метод, устройство и технология СВЧ-обеззараживания и нагрева воды в потоке системы жизнеобеспечения. В СВЧ-устройстве вместо цилиндрического канала используется экспоненциальный канал, что обеспечивает снижение температуры гибели Pseudomonas aerugenosa на 5°С, увеличивает производительность на 23%, снижает затраты энергии на 23% при КПД преобразования СВЧ-энергии в тепловую 78%.

7. Оценка совместной работы узлов и блоков регенерационной физико-химической системы с использованием СВЧ-энергии подтверждает возможность осуществления процесса переработки диоксида углерода и водорода в проточной системе с возвратом непрореагировавших диоксида углерода и водорода в цикл.

8. Разработанные СВЧ-устройства по своим конструктивным особенностям и организации физико-химических процессов обеспечивают безопасное функционирование регенерационной системы жизнеобеспечения экипажа космического корабля.

Список работ, опубликованных по материалам диссертации

1. Klimarev S.I. Microwave Sterilizer of Potable Water in Stream. SECOND INTERNATIONAL AEROSPACE CONGRESS (IAC97). August 31-September 5,1997. Moscow, Russia. V.1. P. 245-246.

2. Klimarev S.I., Ilyin V.K., Smirenny A.L. Microwave Sterilizer of Potable Water in Stream. The Third International Conference on Life Support and Biosphere Science. Lake Buena Vista, Florida, USA. January 11-14, 1998. 6 p.

3. Klimarev S.I. Hydrogen Sorbtion-Desorbtion Mode in the System of Hydrogen and Carbon Dioxide Treatment. The Third International Conference on Life Support and Biosphere Science. Lake Buena Vista, Florida, USA. January 11-14, 1998. 5 p.

4. Klimarev S.I., Ilyin V.K., Smirenny A.L. Microwave Sterilizer of Potable Water in Stream. The 28-th International Conference on Environmental Systems. Denvers, Massachusetts, USA, July, 13-16, 1998. SAE Technical Paper Series 981539. P. 1-6.

5. Klimarev S.I. Hydrogen Sorbtion-Desorbtion Mode in the System of Hydrogen and Carbon Dioxide Treatment. Denvers, Massachusetts, USA, July, 13-16, 1998. SAE Technical Paper Series 981540. P. 1-5.

6. Ilyin V.K., Klimarev S.I. et al. The Basic Principles of Deep Divers Anti-Infectional Safety. Proceeding of International Conference on High Pressure Biocience and Biotechnology. Heidelberg, Germany. August 30-September 3, 1998. P. 573-576.

7. Климарев С.И., Ильин В.К., Старкова Л.В. Исследование комбинированного воздействия сверхвысокочаст