Duty automatization of human vital activity waste “wet” incineration reactor for closed life support systems

Толық мәтін

Для выполнения исследований дальнего космоса, ка. Наиболее перспективными представляются систевключающих миссии с непосредственным участием мы, сочетающие в себе как биологические, так и фичеловека, необходимо создание замкнутых систем зико-химические методы регенерации среды. При жизнеобеспечения (СЖО). Пилотируемые полеты этом роль регенерации кислорода, растительной пищи продолжительностью более года требуют высокой и воды ложится на растительное звено, а переработка степени замыкания СЖО и установления в ней круго- отходов в минеральные удобрения для растений моворотных массообменных процессов: все необходи- жет быть выполнена как биологическими методами мые продукты для жизнедеятельности человека (вода, переработка растительных отходов в почвоподобном кислород, пища) должны быть восстановлены в ко- субстрате [1-3], так и физико-химическими - переранечном итоге из отходов жизнедеятельности челове- ботка экзометаболитов человека [4; 5]. Работа выполнена в рамках Госзадания по теме № 56.1.4; раздел VI, подраздел 56 Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013-2020 гг. 120 Авиационная и ракетно-космическая техника В Институте биофизики СО РАН был разработан оригинальный метод физико-химической утилизации отходов человека в водном растворе перекиси водорода под действием переменного электрического тока в реакторе «мокрого» сжигания [4]. Образующиеся таким образом продукты - минерализованный раствор и газ - не оказывают токсичного воздействия на растительное звено [6]. Управление реактором требует участия оператора, что представляет собой проблему, так как отвлекает на себя часть рабочего времени экипажа, которое могло бы быть использовано для выполнения задач миссии. В связи с этим была поставлена цель и задачи настоящей работы - разработать принцип реализации автоматической системы управления и провести испытания созданной таким образом системы. Устройство реактора «мокрого» сжигания. Принципиальная схема функционирования реактора подробно описана в [7]. Это корпус реактора, выполненный из керамики или стекла, в котором находится водный раствор H2O2 (33 %). В раствор помещаются измельченные отходы. Внутри реактора имеются угольные электроды, к которым подводится переменное напряжение, в верхней части сосуда помещен вертикальный обратный холодильник для возвращения в объем водного конденсата и пеногаситель для сбивания образующейся пены (рис. 1). Контроль параметров процесса минерализации обеспечивается с помощью датчиков давления газа в реакторе и температуры раствора, а также амперметра и вольтметра. Управление ходом процесса осуществляется с помощью изменения напряжения, подаваемого на электроды. Опытным путем было установлено, что для успешного протекания реакции необходимо изначально подавать напряжение 100 В, ускоряя процесс, а затем снижать его до 50 В, поддерживая нормальный ход реакции, и держать на данном уровне вплоть до окончания процесса. В качестве минерализуемых отходов использовали экзометаболиты человека, смешанные с H2O2 (33 %): 0,5 мл H2O2 (33 %) на 1 мл урины и 4 мл H2O2 (33 %) на 1 г плотных отходов; соотношение плотных и жидких отходов - 1 г:10 мл. Общий объем емкости реактора составляет 12 л, объем заливаемой смеси перекиси и отходов - 6 л. Динамика параметров процесса и разработка принципов автоматизации. Динамика параметров процесса минерализации отображена на рис. 2 и 3. Как видно из рис. 2, температура раствора в процессе ускорения реакции плавно поднимается до 100 °С и держится на этом уровне до конца. Сила тока также увеличивается до некоторого значения при разгоне процесса, ступенчато падает при переключении напряжения до 50 В и далее практически не меняется с небольшим увеличением при полном выходе газа из раствора в конце реакции. Данные показатели не имеют каких-либо характерных признаков, опираясь на которые можно было бы отработать принципы автоматического управления. о 0 0 _) V_/ У V б ЬЙ-2 Рис. 1. Принципиальная схема реактора «мокрого» сжигания: 1 - крышка для залива перекиси и отходов; 2 - сливной клапан; 3 - вентиль; 4 - обратный холодильник; 5 - электроды; 6 - мембрана сбивания пены; 7 - емкость для сброса излишков пены; а, б - сосуды, предохраняющие от смешивания раствор из реактора и кислоту из сосуда сбора аммиака; с - сосуд фиксации аммиака с 6%-ной азотной кислотой Наиболее четко ход процесса отображает динамика величины давления газа (рис. 3), выделяющегося в ходе окисления органических отходов. Видно, что спустя некоторое время после начала процесса давление начинает лавинообразно расти и необходимо снижать напряжение, чтобы избежать прорыва пены из реактора. Далее давление вновь начинает лавинообразно расти, достигает некоторого максимума, а затем снижается до атмосферного или ниже при полном выходе газа (значение 0...-20 мм вод. ст. на графике) - это и есть момент окончания реакции. Такой вид динамики давления связан с тем, что окисление органических соединений в перекиси водорода протекает по радикально-цепному механизму. Таким образом, контролировать работу реактора было решено, ориентируясь на показания датчика давления. Давление в 200 мм водного столба является критичным для хода реакции, при данном значении необходимо понижать напряжение до 50 В и включать пеногаситель, что и делали при ручном управлении процессом. В случае переключения напряжения со 100 на 50 В при давлении выше 200 мм вод. ст., наблюдается бурный ход реакции с чрезмерным выбросом газа, при котором необходимо выключать напряжение и экстренно сливать раствор из реактора. Переключение со 100 на 50 В при давлении 80 мм вод. ст. давало устойчивый ход процесса, это значение и было выбрано как рабочее для автоматического переключения напряжения, а -20 мм вод. ст. - как сигнал завершения реакции и отключения реактора. Общее время процесса при устойчивом режиме составляло 1,5 ч, а при критичном давлении - 75 мин. 121 Вестник СибГАУ. № 2(54). 2014 Время процесса, мин. Рис. 2. Динамика температуры раствора, силы тока и напряжения Время процесса, мин. Рис. 3. Динамика давления газа в реакторе (превышение над атмосферным) и напряжения Устройство системы автоматического управления и ее работа. Создание системы автоматики для управления процессом окисления в реакторе соответствует схеме по типу «одной кнопки». В основе схемы управления процессом по сигналу датчика давления лежит схема преобразователя сигнала от величины давления в сигналы включения соответствующих реле, предназначенных для ведения технологического процесса. Система автоматики состоит из силового блока (трансформаторы № 1 и 2), блока управления и блока измерения давления. Силовой блок состоит из трансформаторов ТПП-245, установленных на заранее заданное напряжение. В случае работы установки в режиме окисления экзометаболитов человека трансформатор № 1 установлен на 100 В, трансформатор № 2 - на 50 В. Плата питания преобразователя сигнала выдает напряжение для питания реле преобразователя, схемы управления и датчика давления ИК36ТДф. Измерение температуры в реакторе осуществляется датчиком температуры ИС 567 (с характеристикой 100 Q при 20 °С), поме щенным в кварцевый корпус и находящимся в реакторе, и преобразователем сигнала ТРМ 210, выводящим данные о температуре оператору. Трансформаторы включают коммутирующие пускатели на 40 А. Электрические элементы помещены в экранирующий кожух, заземлены и отвечают всем требованиям электробезопасности. Работа системы автоматики: 1. При нажатии кнопки инициации процесса происходит общее включение питания системы: трансформатора № 1, преобразователя сигнала, блока измерения давления, пускателя пеногасителя. 2. По сигналу датчика давления, соответствующего величине 80 мм вод. ст., реле выключает трансформатор № 1 и включает трансформатор № 2 и пено-гаситель. Это основная часть процесса. 3. По сигналу датчика давления (-20 мм вод. ст.) происходит общее отключение питания системы. Процесс автоматически завершается. 4. Слив продуктов реакции может быть произведен спустя любое время после окончания процесса. 122 Авиационная и ракетно-космическая техника Важно, что время не является параметром процесса, и присутствие оператора не нужно для завершения процесса. Динамика хода реакции при автоматическом управлении представлена на рис. 4. Видно ступенчатое изменение давления: первая ступень соответствует переключению напряжения со 100 до 50 В, а вторая - уменьшению скорости роста давления из-за открывшегося водного замка и последующего стравливания давления. Газовый путь реактора выходит в раствор HNO3 (6 %) для фиксации аммиака, выделяющегося с газом из минерализуемого раствора, и опущен на некоторую глубину в кислотный раствор, создавая таким образом водный замок. Далее происходит лавинообразное нарастание давления с достижением некоторого максимума и резкое снижение до отрицательной величины. Достижение отрицательного давления связано с окончанием выхода газа из раствора и охлаждением газовой среды реактора обратным холодильником. Минерализованный раствор, получаемый при автоматическом ходе процесса, не отличается по химическим показателям от раствора, получаемого в ходе ручного управления (см. таблицу), и может быть использован для выращивания культурных растений в замкнутых системах жизнеобеспечения. Отличие в содержании азота связано с более интенсивным га-зовыделением при ручном управлении (см. рис. 2), что привело к большему выносу аммиака из раствора и, как следствие, снижению содержания азота в растворе. Отличие в содержании основных элементов, таких как K, Na, P и S, достоверно не обнаружено. То есть степень выпадения этих элементов в осадок не увеличилась, а значит, доступность для растений при гидропонном выращивании сохраняется. Степень окисления растворов сравнивали по значению химического поглощения кислорода (ХПК), эта величина также достоверно не различалась. Время процесса, мин. Рис. 4. Ход процесса при автоматическом управлении Элементарный состав раствора минерализованных экзометаболитов человека во вновь созданном реакторе (относительная погрешность определения - 10 %) Азот, мг/л K, Na, P, S, ХПК, Управление По Кьельдалю NH4+ мг/л мг/л мг/л мг/л мг/л Ручное 4813,3 883,3 1100 2300 156,2 469,3 1998 Автоматическое 6800 1400 1300 2000 173,2 478,5 2220 Созданная система автоматического управления позволяет минерализовать органические отходы с минимальным участием человека, при этом сохраняя эффективность метода в смысле глубины окисления и доступности основных элементов для растений. Система работает, основываясь на значении величины давления, являющейся критическим показателем процесса, что означает ее способность провести реакцию до конца в стабильном режиме, снижая вероятность аварийной ситуации.

Авторлар туралы

Sergei Trifonov

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

Email: trifonov_sergei@inbox.ru
Candidate of Sciences (Biology), junior researcher, Institute of Biophysics Siberian Branch of Russian Academy of Science, Master’s Degree student

Yuri Kudenko

Institute of Biophysics Siberian Branch of Russian Academy of Science

Email: ykudenko@yandex.ru
Candidate of Phisical and Mathematical Sciences, scientific researcher

Alexander Tikhomirov

Institute of Biophysics Siberian Branch of Russian Academy of Science; Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

Email: alex-tikhomirov@yandex.ru
Doctor of Sciences (Biology), Professor, Head of laboratory of Phototrophic Biosynthesis Control, Institute of Biophysics Siberian Branch of Russian Academy of Science, Head of chair of Closed EcoSystems, Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

Alexander Murygin

Siberian State Aerospace University named after academician M.F. Reshetnev

Email: avm514@mail.ru
Doctor of engineering sciences, Professor, head of the Department of Information and Control Systems

Әдебиет тізімі

Қосымша файлдар