Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ СВЧ-ЭНЕРГИЕЙ В РЕГЕНЕРАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКИПАЖА КОСМИЧЕСКОГО КОРАБЛЯ

05.26.02. Безопасность в чрезвычайных ситуациях (Авиационная и ракетно-космическая техника. Технические науки)

Климарев Сергей Иванович

Москва-2009 г.

Принятые сокращения

СЖО - система жизнеобеспечения

СВЧ - сверхвысокая частота

КК - космический корабль

СОГС - система обеспечения газового состава

СНВ - сплав-накопитель водорода

СРВ - система регенерации воды

МКС - международная космическая станция

ТСК - термосорбционный компрессор

МЭЭДА - моноэтанолэтилендиамин

ЖРП - жидкостной регенерируемый поглотитель

КСВН - коэффициент стоячей волны напряжения

ЭМП - электромагнитное поле

КОЕ - колониеобразующая единица

ЭО - экспедиция основная

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Увеличение длительности космических полетов на околоземной орбите, а также планирование и осуществление полетов на другие планеты (Марс) предполагает создание максимально замкнутой системы жизнеобеспечения (СЖО) нового поколения. В этом случае СЖО может рассматриваться как быстродействующая система, к разработке и исследованию которой предъявляются специфические требования. Быстродействие СЖО, в свою очередь, обусловлено безынерционностью функционирования отдельных узлов и блоков системы, реагирующих на изменение основных параметров среды обитания.

В существующих СЖО для реализации технологических процессов в большинстве случаев применяется кондуктивный нагрев, к основному недостатку которого относится его значительная инерционность. Поэтому повышение интенсивности нагрева невозможно без изменения физического механизма процесса теплопередачи.

Альтернативой кондуктивному процессу теплопередачи является процесс нагревания энергией сверхвысокой частоты (СВЧ). При СВЧ-нагреве тепловыделение происходит непосредственно в объеме нагреваемой среды без участия механизма теплопроводности. Такой нагрев является скоростным и легко управляемым.

Очевидная область применения СВЧ-энергии в СЖО космического корабля (КК) распространяется на процесс переработки диоксида углерода и водорода, на нагрев сорбентов диоксида углерода при их регенерации, на обеззараживание и нагрев воды в потоке и др.

Применение энергии СВЧ сдерживается неразработанностью технологий, что ограничивает темпы конструирования различных СВЧ-устройств для СЖО.

Исследования направлены на приближение возможностей СВЧ-воздействия к практическим разработкам в области создания нового высокопроизводительного оборудования и технологий применительно к СЖО.

Цель работы. Целью работы является: интенсификация физико-химических процессов СВЧ-энергией в регенерационной системе жизнеобеспечения экипажа космического корабля.

Задачи исследования:

1. анализ литературных источников и обоснование эффективности применения СВЧ-энергии для интенсификации физико-химических процессов в регенерационной системе жизнеобеспечения;

2. математическое описание динамики физико-химических процессов переработки диоксида углерода и водорода, регенерации твердого и жидкого сорбентов диоксида углерода и водорода, обеззараживания и нагрева воды системы жизнеобеспечения;

3. разработка метода, устройства и технологии плазмохимической переработки диоксида углерода и водорода в комбинированном СВЧ- и тлеющем разряде (первая стадия процесса Боша - гидрирование диоксида углерода);

4. разработка метода, устройства и технологии регенерации твердого и жидкого сорбента диоксида углерода под действием СВЧ-энергии и регенерации твердого аккумулятора водорода;

5. разработка метода, устройства и технологии СВЧ-обеззараживания и нагрева воды в потоке системы жизнеобеспечения;

6. оценка совместной работы узлов и блоков регенерационной физико-химической системы жизнеобеспечения с использованием СВЧ-энергии.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

- обосновано применение СВЧ-энергии в качестве основного технологического инструмента для интенсификации физико-химических процессов при разработке регенерационной системы жизнеобеспечения экипажа космического корабля;

- предложено математическое описание динамики физико-химических процессов, происходящих под действием СВЧ-энергии в узлах переработки диоксида углерода и водорода, регенерации твердого и жидкого сорбентов диоксида углерода и водорода, обеззараживания и нагрева воды;

- использована комбинация СВЧ- и тлеющего разряда для организации процесса плазмохимической переработки диоксида углерода и водорода, при этом наложение СВЧ-мощности на тлеющий разряд осуществляется в едином устройстве;

- сформирована низкотемпературная плазма при атмосферном давлении на смеси исходных реагентов в соотношении СО₂/Н₂ = 1/2 и суммарной подводимой в разряд мощности W_, не превышающей 1,0 кВт;

- разработан метод, устройство и технология регенерации твердого и жидкого сорбентов диоксида углерода под действием СВЧ-энергии и твердого аккумулятора водорода для совместной подачи в узел их переработки;

- разработан метод, устройство и технология СВЧ-обеззараживания и нагрева воды в потоке системы жизнеобеспечения;

- проведена оценка совместной работы узлов и блоков регенерационной физико-химической системы жизнеобеспечения с использованием СВЧ-энергии.

Практическая значимость. На основе проведенных расчетно-экспериментальных исследований:

- созданы технологические основы для формирования регенерационной физико-химической системы жизнеобеспечения нового поколения с использованием СВЧ-энергии для интенсификации физико-химических процессов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- обоснование эффективности применения СВЧ-энерии для интенсификации физико-химических процессов в регенерационной системе жизнеобеспечения экипажа космического корабля;

- описание динамики физико-химических процессов переработки диоксида углерода и водорода, регенерации твердого и жидкого сорбентов диоксида углерода и водорода, обеззараживания и нагрева воды и оценка совместной работы этих узлов и блоков системы жизнеобеспечения экипажа космического корабля.

- метод, устройство и технология плазмохимической переработки диоксида углерода и водорода в комбинированном СВЧ- и тлеющем разряде (первая стадия процесса Боша - гидрирование диоксида углерода);

- метод, устройство и технология регенерации твердого и жидкого сорбентов диоксида углерода под действием СВЧ-энергии и технология регенерации твердого аккумулятора водорода;

- метод, устройство и технология СВЧ-обеззараживания и нагрева воды в потоке системы жизнеобеспечения.

Личный вклад автора заключается в выполнении основного объема теоретических и экспериментальных исследований, включая разработку технологических основ, экспериментального оборудования, методик экспериментальных исследований, анализа и оформления результатов в виде публикаций, научных докладов. Часть исследований выполнена совместно с сотрудниками ГНЦ РФ-ИМБП РАН.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и получили положительную оценку специалистов на:

- 2, 3 и 4 Международном аэрокосмическом конгрессе (IAC97, МАКС 2000, МАКС 2003).1997, 2000, 2003. Россия;

- The third International Conference on Life Support and Biosphere Science. 1998. USA;

- The 28-th International Conference on Environmental Systems. 1998. USA;

- International Conference on High Pressure Biocience and Biotechnology. 1998. Germany;

- Российской конференции «Организм и окружающая среда: жизнеобеспечение и защита человека в экстремальных условиях» 2000. Россия;

- Всероссийской конференции «Проблемы обитаемости в гермообъектах» 2001. Россия;

- The 1-st International Cancer & Aids Conference. 2001. Seoul;

Российской конференции с международным участием «Организм и окружающая среда: адаптация к экстремальным условиям» 2003. Россия;

- ХIII конференции «Космическая биология и авиакосмическая медицина» 2006. Россия;

- Международной конференции «Системы жизнеобеспечения как средство освоения человеком дальнего космоса» 2008. Россия.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 64 печатные работы, в том числе 2 обзора и 7 статей в журнале, входящем в перечень рецензируемых; 13 публикаций в материалах конференций; получены 12 авторских свидетельств на изобретения и подготовлены 30 спецотчетов по результатам НИР.

2. Содержание работы

Во введении показана актуальность, цель, задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы; приведены основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 приводится анализ литературных источников и обоснование эффективности использования СВЧ-энергии для интенсификации физико-химических процессов в СЖО.

Отмечено, что поскольку осуществление самых различных технологических процессов связано с нагревом, т.е. с процессами подведения в реакционную зону тепла извне, проблема быстрого и возможно более равномерного нагрева различных систем является актуальной.

Показано, что на начальном этапе исследований по переработке диоксида углерода и водорода эта задача сводится к выбору типа СВЧ-разряда, реализация которого целесообразна и соответствует возможностям системы энергопитания СЖО. К такому типу разряда относится стационарный СВЧ-разряд, локализованный в пространстве и продуваемый газом.

Однако сложность реализации процесса переработки диоксида углерода и водорода заключается в том, что водород не способствует образованию и устойчивому горению стационарного СВЧ-разряда на смеси этих газов и для того, чтобы возбудить его при атмосферном давлении, необходимо использовать мощный (W10-50 кВт) источник СВЧ-энергии (Батенин В.М. и др., 1988), что в условиях СЖО нереально.

Анализ литературы показал, что выход из этого положения возможен путем комбинации СВЧ- и постоянного электрического полей, с целью перекрытия обширной области изменения параметров плазмы при неизменной полной мощности, вкладываемой в разряд, W =W_D +W_СВЧ (где W_D,W_СВЧ - мощность, вкладываемая в дуговой разряд и дополнительная СВЧ-мощность, Вт).

В этом случае наложение на дуговой разряд дополнительной СВЧ-мощности приводит к уменьшению радиального распределения концентрации электронов N_e, увеличению радиуса разряда и тем самым к увеличению проводящей зоны. Из зависимости концентрации электронов на оси разряда от полной вкладываемой в разряд мощности следует, что граничные значения W_СВЧ/W_D = 0 и W_СВЧ/W_D ? определяют область регулирования концентрации электронов в комбинированном разряде.

Таким образом, использование комбинированного разряда при атмосферном давлении позволило выявить ряд особенностей в его характеристиках, радиальных распределениях параметров плазмы и возможность регулирования параметров плазмы в достаточно широких пределах при неизменной полной мощности, вкладываемой в разряд. Все это дает основание рассматривать комбинированный разряд как самостоятельный источник плазмы, существенно дополняющий уже известные. Величиной, определяющей особенности такого разряда, служит соотношение W_СВЧ/W_D, что позволяет в принципе говорить о возможности направленного воздействия на характеристики разряда (Батенин В.М. и др., 1988).К основному недостатку такого комбинированного разряда (с точки зрения применения в СЖО) относятся высокие значения тока дугового разряда (3,0-5,0 А), что приводит к интенсивной эрозии металла электродов и его попадания в продукты реакции. Кроме этого, достигается высокое значение температуры, которая превышает необходимый и достаточный уровень для осуществления процесса переработки диоксида углерода и водорода в физико-химической СЖО.

Таким образом, подобный комбинированный разряд нуждается в модернизации, которая заключается в замене дугового разряда на слаботочный, например, тлеющий разряд со значениями тока в пределах 30-50 mA. Замена может привести к снижению температуры процесса переработки диоксида углерода и водорода до необходимого уровня и свести до минимума эрозию металла электродов и энергозатрат.

Исходя из этого, задача исследования при фиксированном соотношении (W_D/W_СВЧ) комбинированного СВЧ- и тлеющего разряда, сводится к определению максимальной для такого разряда степени превращения диоксида углерода.

Для возбуждения комбинированного разряда используется волноводный плазмотрон, располагающийся на конце коаксиального плеча волноводно-коаксиального тройника.

Одной из основных функций физико-химической СЖО в космическом корабле является регенерация и кондиционирование воздуха. Этот важный процесс наряду с очисткой атмосферы от вредный микропримесей и водяных паров включает в себя удаление диоксида углерода - главного побочного продукта в атмосфере КК. Удаление диоксида углерода направлено на поддержание безопасности функционирования экипажа, а концентрирование в системе обеспечения газового состава (СОГС) - на его накопление как исходного компонента для извлечения кислорода для дыхания экипажа.

Показано, что в настоящее время основными регенерирующими сорбентами диоксида углерода являются физические адсорбенты, активированные угли, цеолиты, твердые хемосорбенты и жидкие поглотители. Наибольший интерес для реализации в СЖО представляют цеолиты, комбинированные хемосорбенты и жидкие поглотители.

Термовакуумная и вакуумная регенерация сорбентов диоксида углерода неизбежно влечет за собой потерю части компонентов, участвующих в круговороте основных веществ (кислорода и воды). Кроме этого, наличие разности давлений внутри и вне КК оказывает определенную нагрузку на пневматическую систему (клапаны и насосы), что может повлечь за собой их преждевременный износ.

Возврат диоксида углерода в цикл однозначно подразумевает под собой процесс его концентрирования с последующей подачей в узел его переработки.

В качестве перспективы продолжения работ в этой области возникает необходимость для замыкания цикла и преобразования регенеративного блока удаления диоксида углерода в блок его концентрирования с добавлением узла переработки диоксида углерода и водорода.

В последние годы этому вопросу уделяют внимание американские и японские исследователи. В качестве методов концентрирования диоксида углерода рассматриваются 4-х патронная схема на основе цеолитов и осушителей, схема на основе регенерируемых водяным паром аминов.

В данной работе рассматривается возможность применения СВЧ-энергии для нагрева сорбентов диоксида углерода. В качестве объектов для исследований были выбраны цеолит и водный раствор амина. Такие исследования позволяют оценить эффективность использования объемного СВЧ-воздействия на сорбенты при их регенерации.

Отмечено, что любые процессы, происходящие в реальных средах, например в цеолите, описываются тремя видами уравнений, которые в свою очередь отображают три физически возможных вида движения: диффузионный, конвективный и волновой.

В первом случае движущей силой теплового потока является разность температур или разность внутренних энергий в различных точках среды.

Q = , (1)

где Q - удельная мощность теплового источника, Вт/м³; W - объемная плотность внутренней энергии, Дж/м³; t - время, с; q = - _Т gradT, поток энергии, Вт/м²; _Т - теплопроводность, Вт/м.К; Т - температура, К.

Скорость диффузионного переноса наименьшая из всех физических возможных. Для подавляющего большинства сред коэффициент теплопроводности лежит в диапазоне: 1,4.10^-2 2 Вт/мК.

Во втором случае гидродинамические потоки возникают вследствие разности давлений р в различных точках среды.

(2)

V - объем, м³; р - давление, Н/м²; - кинематическая вязкость, м²/с; v - линейная скорость, м/с.

Скорости переноса среды v, а с ней и тепловой энергии, на несколько порядков выше, чем в кондуктивном переносе и в реальных процессах может достигать 1 м/с.

Ограничителем скорости процесса в этом случае является пограничный слой, неизбежно возникающий на поверхности теплообмена. В нем перенос энергии происходит диффузионным (кондуктивным) путем. Увеличение скорости v ведет к уменьшению толщины пограничного слоя.

Волновой процесс возможен лишь при наличии свойства "упругости" у среды, то есть возникновении возвращающей силы при выведении ее из равновесия. Такая реакция возникает только при механическом или электромагнитном воздействии. Соответственно в среде возможно возникновение либо механического напряжения, либо электрической или магнитной индукции. То есть в среде возможны волны двух видов: электромагнитные или акустические.

Перенос энергии при этом описывается уравнением Умова:

(3)

где У - вектор Умова, равный произведению объемной плотности энергии на скорость ее распространения:

У = . (4)

где - объемная плотность колебательной энергии, Дж/м³.

Физической причиной возникновения волнового потока энергии является силовое возмущение равновесной среды и упругого отклика ее на это возмущение.

Общей особенностью волнового переноса, отличающего его от диффузионного, является наличие обратной связи облучаемых объектов с источником. Диффузионный процесс принципиально необратим, и, в силу этого, обратная связь осуществляется только через изменение градиента, отражение диффузионного потока невозможно, он может только убывать или возрастать, но не возвращаться (Шаталов А.Л., 1999).

Логика принципов построения физико-химической СЖО нового поколения с высокой степенью замкнутости для длительных космических полетов отводит важную роль процессу поглощения и безопасного хранения водорода, выделяемого из электролизера при разложении воды.

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:

Me_x + yH₂ = Me_xH₂ 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 25-50С (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 800-1600С 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.

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:

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

(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:

Р_потерь = 0,556.10^-12_r.tg.Е².f, (8)

где Р_потерь - 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:

Р_СВЧ = 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+_ДТ; 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:

Lim^сж_тск = 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 d_тр 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 95С; мощность генератора 1,0 кВт; частота 2450 МГц.

Зависимость параметров СВЧ-нагрева (поглощенной водой СВЧ-мощности W_П 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 Q_i определяется на основании профиля распределения скорости потока:

Q_i= 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:

Т_ср=, (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.



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.

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.

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 б 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

Ток тлеющего разряда I, мА	Расход CO2, л/мин	Расход H2, л/мин	Расход газовых продуктов реакции, л/мин	Степень превращения CO2 б, %	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 б и мощности, поглощенной в реакторе-холодильнике, от расхода газовой смеси CO₂+ 2H₂ в комбинированном СВЧ- и тлеющем разряде: 1 - степень превращения диоксида углерода б; 2- мощность, поглощенная в реакторе-холодильнике.

Таким образом, комбинация тлеющего и СВЧ-разряда позволила при примерно одинаковой степени превращения б (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 20-105C 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	-

Из таблицы 4 следует, что в режиме выделения диоксида углерода (99C) при подводимой СВЧ-мощности 410 Вт на нагрев ЖРП затрачивается 250 Вт.

При постоянном расходе раствора функция температуры ЖРП, поглощенной СВЧ-мощности ЖРП и подводимой к раствору СВЧ-мощности от тока магнетрона, носит линейный характер и монотонно возрастает. КСВН при этом не превышает допустимого значения для этого типа генератора в 3 единицы за исключением режима, соответствующего току магнетрона 300 мА. Этот режим характеризуется интенсивным кипением ЖРП и газовыделением, т.е. наиболее неблагоприятными диэлектрическими характеристиками, влияющими на согласование этой среды (ЖРП) с ЭМП. Этот факт указывает на необходимость совершенствования СВЧ- устройства для более полного поглощения ЭМП раствором ЖРП. Проведенные исследования позволяют сделать основной вывод о том, что СВЧ-энергия может эффективно использоваться для нагрева раствора МЭЭДА при десорбции из него диоксида углерода. Применение объемного бесконтактного СВЧ-нагрева обеспечивает сокращение времени нагрева ЖРП, что приводит к снижению энергозатрат на процесс десорбции.

Тепловая безынерционность ввода СВЧ-энергии в ЖРП обеспечивает возможность регулирования выхода диоксида углерода из него, что позволяет управлять этим процессом для дозированной подачи диоксида углерода в узел его переработки с постоянной скоростью.

В следующем разделе главы приведена разработка метода, устройства и технологии регенерации твердого аккумулятора водорода.

Для проведения исследований сорбции-десорбции водорода был использован сплав-накопитель водорода LaNi₅ с легирующими элементами в виде Ce, Mn и Cu. Исследования проводились с использованием разработанного в ГНЦ РФ-ИМБП РАН патрона для целей регенерации водорода. Патрон представляет собой цилиндр из нержавеющей стали с фланцами, на внешней поверхности которого выполнена двухзаходная радиальная резьба. В одну из канавок была уложена медная трубка диаметром 10 мм внатяг (с нагревом газовой горелкой) для плотного прилегания к корпусу. В другую - через стеклоткань нихромовая проволока для нагрева корпуса патрона. Эти элементы конструкции были укрыты асбестом.

Трубка с патрубком для подачи и вывода водорода перфорирована и обтянута стеклотканью для предотвращения уноса интерметаллида. В патроне имеется карман для размещения термопары.

Основной целью экспериментальных исследований являлось получение первичной информации о принципиальной возможности использования сплава-накопителя водорода в СЖО, а точнее - в системе обеспечения газового состава для поглощения и безопасного хранения водорода, выделяемого электролизером.

Постановочные эксперименты показали высокую активность интерметаллида в начальный период (первые 120 с) сорбции водорода. При этом интерметаллид нагревался до температуры 80-90С, что послужило побудительной причиной для проведения процесса сорбции водорода при начальной температуре 100С, не дожидаясь полного остывания интерметаллида после десорбции. Этот прием позволил сгладить сорбционный процесс и сократить время между циклами.

Экспериментальные исследования сорбции водорода интерметалллидом проведены при давлении 0,1; 0,2 и 0,3 ати и не должны были превышать 0,5 ати. Ограничение по давлению наложено предельными условиями выделения водорода из электролизера "Электрон-В", функционирующего в настоящее время на МКС.

График процесса десорбции водорода отображен на рис. 8.

Рис. 8. Параметры десорбции водорода, сорбированного при давлении 0,2 ати: 1 - температура интерметаллида; 2 - объем выделившегося водорода; 3 - скорость выделения водорода; 4 - давление водорода.

Момент выделения водорода начинается с 15 мин. и продолжается по 40 мин., пока давление водорода (кривая 4), обеспечивает заданный расход газа. В этом же интервале времени количество выделившегося водорода (кривая 2) монотонно возрастает (по 40 мин.), а затем спадает в соответствии со снижением давления. Относительно постоянный расход водорода (кривая 3) осуществляется в течение 25 мин. и соответствует среднему расходу газа 2,0 л/мин. Технологические параметры процесса десорбции водорода поддерживаются постоянным и монотонным ростом температуры интерметалллида, выраженные кривой 1.

Проведенные экспериментальные исследования и их результаты позволяют сделать заключение о целесообразности использования сплава-накопителя водорода как неотъемлемой части системы жизнеобеспечения нового поколения.

В заключительном разделе этой главы приведена разработка метода, устройства и технологии СВЧ-обеззараживания и нагрева воды в потоке.

Метод реализован путем использования оконечного коаксиального СВЧ-устройства для нагрева воды в потоке, в котором поочередно применен цилиндрический и экспоненциальный канал для прохода воды. На рис. 9 приведена конструкция СВЧ-устройства с экспоненциальным каналом.

Рис. 9. Конструкция СВЧ-устройства с экспоненциальным каналом: 1 - волновод; 2 - внутренний проводник коаксиала; 3 - внешний проводник коаксиала; 4 - конус; 5 - канал для прохода жидкости; 6,7 - гайка со штуцером; 8 - накидная гайка; 9 - втулка; 10 - заглушка; 11 - винт; 12,13 - резиновое кольцо; 14 - настроечный винт.

Сравнение осуществлено по поглощенной водой СВЧ-мощности (W_п,Вт), температуре воды и гибели микробов (t,С), ее расходу (Q,л/ч), времени пребывания воды в зоне СВЧ-воздействия (,с), КСВН, биоконтролю. С_исх = 10⁶ КОЕ/мл.

Таблица 5 Технологические параметры процесса нагрева воды, зараженной синегнойной палочкой (Pseudomonas aeruginosa), в СВЧ-устройстве с различной формой канала

t, C	цилиндрический канал	экспоненциальный канал
	Q, л/ч	Wп, Вт	КСВН	, с	Сост, КОЕ/мл	Q, л/ч	Wп, Вт	КСВН	, с	Сост, КОЕ/мл
80	6,960,4	51521	4,0	5,6	0	9,420,16	63911	2,6	14,9	0
70	9,960,47	62330	2,8	3,9	0	11,340,17	6276	2,7	12,4	0
65	10,980,53	62427	2,8	3,5	0	12,660,10	6196	2,8	11,1	0
60	12,420,66	63224	2,7	3,1	103102	14,220,09	6214	2,8	9,9	0
55	13,800,58	62628	2,7	2,8	104103	16,380,08	6244	2,8	8,6	3429
50	15,720,98	61724	2,8	2,5	105104	19,920,09	6413	2,6	7,1	1042.103

Рис. 10. Технологические параметры процесса СВЧ-нагрева воды, зараженной вегетативными формами микроорганизмов (экспоненциальный канал): 1 - W_п; 2 - t; 3 - ; 4 - КСВН_пас; 5 - КСВН_экс.; знак - - означает отсутствие микроорганизмов в воде; знак - означает наличие микроорганизмов в воде ниже 100 КОЕ/мл; знак + - означает наличие микроорганизмов в воде выше 100 КОЕ/мл.

Показано, что в экспоненциальном канале происходит выравнивание поглощенной СВЧ-мощности во всем интервале температуры, снижение энергозатрат и температуры обеззараживания, увеличение производительности (см. рис. 10, табл. 5).

...