Study of pump separator for gas-liquid mixture for sanitary compartment of space station

Full Text

Жизнедеятельность экипажа на космическом корабле поддерживается комплексом систем жизнеобеспечения, основными задачами которых являются снабжение космонавтов кислородом, водой и пищей, очистка атмосферы от вредных примесей, поддержание параметров микроклимата, осуществление сбора и удаления отходов. Реализация перспективных орбитальных и межпланетных полетов связана с совершенствованием систем жизнеобеспечения (СЖО) экипажа. Одной из важнейших составляющих СЖО являются системы водообеспечения (СВО) [1]. Эти системы должны осуществлять максимальное извлечение и регенерацию воды из водосодержащих продуктов жизнедеятельности человека и биотехнического комплекса, обеспечивая потребности экипажа в воде с минимальным добавлением воды из запасов. Одним из решающих факторов совершенства систем регенерации является максимально возможный коэффициент извлечения воды. Работы по созданию систем регенерации воды проводились Всесоюзным научно-исследовательским и конструкторским институтом химического машиностроения НИИхиммаш (г. Москва) в содружестве с РКК «Энергия» и Институтом медико-биологических проблем (ИМБП). В результате проведенных фундаментальных исследований и опытно-конструкторских работ были разработаны эффективные малоэнергоемкие и малоотходные технологии, основанные на физико-химических процессах, и созданы и внедрены на ОКС «Салют», «Мир» и МКС летные системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги и мочи (урины) [2]. На перспективных космических станциях предполагается введение оборудования для обеспечения космонавтов санитарно-гигиеническими процедурами. В настоящее время на борту космических летательных аппаратов отсутствует отсек водных процедур. Экипажи космических станций осуществляют санитарно-гигиенические процедуры при помощи влажных салфеток и полотенец. При этом на доставку чистых салфеток и полотенец расходуется большое количество средств. В связи с расширением границ изучения космического пространства планируется экспедиция астронавтов на планету Марс. В ходе этой экспедиции экипаж космического летательного аппарата должен существовать практически автономно с минимальным потреблением ресурсов из запасов. Поэтому на перспективных космических кораблях планируется введение санитарно-гигиенического отсека для осуществления экипажем водных процедур. Первостепенными задачами являются мытье рук, лица и тела. На эти процедуры по ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования» требуется от 0,2 до 7 литров воды на космонавта в сутки, в среднем 36 литров в сутки или 13140 литров в год для экипажа из 6 человек [3]. В перспективе в состав санитарно-гигиенического отсека войдет оборудование для стирки одежды, сауна и т.д. Для осуществления очистки загрязненной воды, образующейся после санитарно-гигиенических процедур, в состав санитарно-гигиенического отсека наряду со средствами помывки необходимо введение системы регенерации санитарно-гигиенической воды. Предполагается, что данная система не будет объединена с системами питьевого водоснабжения, а будет иметь свой собственный цикл очистки, что позволит снизить расходы на регенерацию воды, так как загрязненная вода будет очищаться до требований к санитарно-гигиенической воде. Для обеспечения большого ресурса работы системы очистку загрязненной санитарно-гигиенической воды целесообразно проводить мембранными методами. При введении системы регенерации загрязненной санитарно-гигиенической воды в состав санитарно-гигиенического отсека станет возможным проведение санитарно-гигиенических процедур практически без потребления ресурсов из запасов, что сделает возможным осуществление дальних автономных полетов, а также существенно сократит затраты на содержание санитарно-гигиенического отсека орбитальных космических станций. Научно-исследовательским и конструкторским институтом химического машиностроения ОАО "НИИхиммаш" разрабатывается принципиально новая система регенерации загрязненной санитарно-гигиенической воды (см. рисунок 1). Рисунок 1. Система регенерации загрязненной санитарно-гигиенической воды: ОВП - оборудование для водных процедур; УЗВ - узел загрязненной воды; УМО - узел мембранной очистки; УОВ - узел очищенной воды; ЦНС - центробежный насос-сепаратор; КЭ - электромагнитный клапан; ЕЗВ - емкость для приема загрязненной воды; Ф - фильтр; В - вентилятор Система работает следующим образом: загрязненная вода транспортируется из отсека водных процедур потоком воздуха, отделяется от него в сепараторе и накапливается в узле загрязненной воды УЗВ. В системе производится очистка воды мембранными методами и реализована схема тангенциальной фильтрации, при которой загрязненная вода циркулирует по циркуляционному контуру и омывает мембрану в узле мембранной очистки УМО. Часть воды проходит через мембрану, консервируется и накапливается в узле очищенной воды УОВ. По запросу из отсека водных процедур начинается подача воды с дополнительным обеззараживанием перед поступлением в ОВП. В условиях микрогравитации на борту космического летательного аппарата необходимо применение специальных технических средств для сбора и транспортировки загрязненной воды. Загрязненная вода после проведения санитарно-гигиенических процедур транспортируется из отсека водных процедур потоком воздуха и отделяется от него. Одной из важнейших задач является сепарация жидкости из газожидкостного потока. При этом должно обеспечиваться полное отделение жидкости от транспортирующего ее газа, а также газа от жидкости. Необходимость условия отсутствия газа в отделяемой жидкости обусловлена тем, что загрязненную санитарно-гигиеническую воду предполагается очищать (регенерировать) мембранными методами, при которых наличие газа в жидкости при проведении процесса в условиях микрогравитации не допускается. При g→0 отсутствует гравитационный механизм разделения фаз газ-жидкость, поэтому при сепарации жидкости из газожидкостного потока преимущественно используются силы поверхностного натяжения и инерционные силы. В условиях микрогравитации существует три принципиально возможных метода сепарации. Они основаны на использовании влагоудерживающего пористого материала, капиллярно-пористых перегородок и центробежных аппаратов [4]. В связи с большим расходом газожидкостной смеси, поступающей из отсека водных процедур, а также наличием в загрязненной жидкости взвешенных частиц применение для сепарации смачиваемых капиллярно-пористых стенок не представляется возможным. Применение для сепарации хорошо смачиваемого влагоудерживающего материала ограничивается трудностями автоматизации процесса извлечения жидкости. Исходя из этого оптимальным для разделения фаз «газ - жидкость» в рассматриваемых условиях является применение центробежного сепаратора. Важной задачей является унификация изделий, используемых в системах жизнеобеспечения. Поэтому для исследования был выбран центробежный насос-сепаратор со встроенным черпаковым насосом ЦНС, успешно эксплуатирующийся в составе системы приема и консервации урины СПК-УМ на МКС. Схема центробежного насоса-сепаратора ЦНС приведена на рисунке 2. Рисунок 2. Схема центробежного насоса-сепаратора со встроенным черпаковым насосом: 1 - вращающийся корпус (ротор); 2 - опоры; 3 - отбойник; 4 - черпаковый насос; 5 - кольцо жидкости Центробежный насос-сепаратор со встроенным черпаковым насосом работает следующим образом. Газожидкостная смесь поступает в аппарат и закручивается за счет сил трения. Вследствие возникновения центробежного ускорения жидкость из потока и с поверхности отбойника 3 отбрасывается на стенки корпуса (ротора) 1, транспортируется в направлении увеличения его радиуса и собирается в жидкостное кольцо 5, откуда отводится черпаковым насосом 4 [2, 4]. Под избыточным давлением, возникающем в центробежном поле, жидкость выводится из аппарата через неподвижную обтекаемую лопатку с каналом, называемую черпаком 4, которая вместе с элементами ротора представляет собой черпаковый насос [4]. Основной задачей исследования было определение возможности использования центробежного насоса-сепаратора ЦНС в составе системы регенерации загрязненной санитарно-гигиенической воды космической станции. С этой целью был проведен эксперимент с имитатором санитарно-гигиенической воды, загрязненной моющим средством, содержащим поверхностно активные вещества (ПАВ), и определены гидравлические характеристики центробежного насоса-сепаратора. Так как для санитарно-гигиенических процедур предполагается использовать жидкое мыло общего применения, при транспортировке загрязненной санитарно-гигиенической воды будет образовываться большое количество пены. В связи с этим экспериментально проверялось наличие уноса пены с воздушным потоком из центробежного насоса-сепаратора ЦНС. Для проведения эксперимента был приготовлен имитатор санитарно-гигиенической воды, загрязненной жидким мылом Aura, содержащим поверхностно-активные вещества (ПАВ). Концентрация моющего средства составила: 2 - 3 грамма на 300 мл воды. По оценочным данным именно такое количество воды и моющего средства расходуется при мытье рук, что соответствует нормативам ГОСТ Р 50804-95. Во время проведения эксперимента при различных значениях расхода воздуха через сепаратор за время τ=30 с равномерно вводилось 330 мл имитатора санитарно-гигиенической воды, загрязненной моющим средством, что обеспечивало расход жидкости G=40 л/ч. Во время введения имитатора санитарно-гигиенической воды через прозрачную трубку визуально контролировался унос пены с воздушным потоком из сепаратора. При значениях расхода воздуха Q = 272, 312 и 333 л/мин уноса пены с воздушным потоком не наблюдалось. Результаты наблюдений представлены в таблице 1. Таблица 1. Результаты наблюдений за уносом пены с воздушным потоком из сепаратора при различных значениях расхода воздуха В связи с положительными результатами по проверке отсутствия уноса пены с воздушным потоком был определен ряд гидравлических характеристик насоса-сепаратора ЦНС, среди которых напор жидкости, создаваемый в зоне ее отвода (на входе в черпак) при отсутствии отвода жидкости из насоса-сепаратора. Напор, создаваемый жидкостью в зоне отвода, складывается из статической и динамической составляющих. Статический напор [4, 5]: . (1) Динамический напор: , (2) где - коэффициент, представляющий собой отношение скорости проскальзывания кольца жидкости к скорости вращения ротора : . (3) Общий напор на входе в черпаковый насос принимает вид: , (4) где Н0 - максимальный напор при отсутствии расхода жидкости через черпаковый отвод. При проведении опыта напор на черпак при отсутствии слива жидкости был найден экспериментально. Зависимости напора в зоне отвода при отсутствии слива жидкости от высоты кольца жидкости (количества жидкости) в роторе сепаратора, полученные в результате расчетов (в идеальном случае) по зависимости (4) и в результате эксперимента представлены на рисунке 3. Рисунок 3. Зависимость напора в зоне отвода при отсутствии слива жидкости от высоты кольца жидкости (количества жидкости) в роторе сепаратора При сопоставлении полученных расчетных и экспериментальных данных было выявлено наличие значительного проскальзывания кольца жидкости относительно ротора насоса-сепаратора ЦНС, была построена зависимость коэффициента проскальзывания от высоты кольца жидкости (количества жидкости) в роторе насоса-сепаратора (рисунок 4). Рисунок 4. Зависимость коэффициента проскальзывания от высоты кольца жидкости (количества жидкости) в роторе насоса-сепаратора Из графика на рисунке 4 видно, что насос-сепаратор ЦНС переходит в автомодельный режим работы при высоте кольца жидкости в роторе h≥16 мм. При этом коэффициент проскальзывания φ принимает постоянное значение, равное 0,85. Рисунок 5. Зависимость расхода жидкости от гидравлического сопротивления канала при максимальном заполнении сепаратора С учетом полученного значения коэффициента проскальзывания в автомодельном режиме была построена расчетная кривая напоров (штриховая линия на рисунке 3). Данная кривая близка по значениям к экспериментальной, следовательно, полученное значение коэффициента проскальзывания может быть использовано при расчетах насосов-сепараторов данной конструкции. Также была получена зависимость расхода перекачиваемой жидкости от гидравлического сопротивления отводного канала. Она представлена на рисунке 5. Из графика видно, что подача насоса-сепаратора ЦНС уменьшается при увеличении гидравлического сопротивления канала, и истечение воды прекращается при достижении значения гидравлического сопротивления в канале ΔP = 0,75·105 Па (7500 мм вод. ст.). Выводы Экспериментально подтверждено отсутствие уноса пены с воздушным потоком из насоса сепаратора ЦНС при расходе воздуха Q≤333 л/мин. Уточнена зависимость коэффициента проскальзывания кольца жидкости относительно ротора насоса-сепаратора ЦНС от количества жидкости в роторе, а также определено, что в автомодельном режиме работы насоса-сепаратора коэффициент проскальзывания φ принимает постоянное значение, равное 0,85. Установлено, что встроенный черпаковый насос создает напор жидкости до 0,75·105 Па. Насос-сепаратор ЦНС может обеспечить достаточное отведение жидкости (Q ≥ 40 л/ч) при сопротивлении отводного канала не более 0,62·105 Па. Центробежный насос-сепаратор ЦНС может быть использован для разделения газожидкостной смеси в условиях микрогравитации в составе системы регенерации загрязненной санитарно-гигиенической воды.

About the authors

N. A Salnikov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI); NIIkhimmash JSC

Email: nikols_l53@mail.ru
+7 499 267-07-04

L. S Bobe

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI); NIIkhimmash JSC

Email: nikols_l53@mail.ru
Dr. Eng., Prof.; +7 499 267-07-04

N. E Nikolaykina

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI); NIIkhimmash JSC

Email: nikols_l53@mail.ru
Ph.D., Prof.; +7 499 267-07-04

N. V Rykhlov

Moscow State University of Mechanical Engineering (MAMI); NIIkhimmash JSC

Email: nikols_l53@mail.ru
Ph.D.; +7 499 267-07-04

References

Supplementary files