способ регенерации воды из мочи на борту космического летательного аппарата и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ регенерации воды из мочи на борту космического летательного аппарата, заключающийся в приеме и консервации мочи путем дозированной подачи консерванта при использовании смывной воды, сепарации мочи от воздуха, извлечении воды путем испарения при атмосферном давлении из нагретой до температуры не выше 60^oС мочи при помощи капиллярно-пористых полимерных мембран, сорбционно-каталитической очистке извлеченной воды, соленасыщении ее, обеззараживании и консервировании для использования в качестве питьевой воды, отличающийся тем, что на каждую дозу консерванта при консервации мочи подают две дозы смывной воды, при этом первую дозу смывной воды подают с консервантом, а вторую без консерванта, испарение мочи в процессе дистилляции ведут при циркуляции ее в замкнутом контуре, производя после процесса испарения фильтрование мочи одновременно с сепарацией выделяющегося при нагреве газа, при этом испарение извлеченной из мочи воды с поверхности капиллярно-пористой мембраны производят в цикуляционный замкнутый поток воздуха, образующиеся в этом контуре пары воды с воздухом сепарируют от жидкости по двухступенчатой схеме до и после их конденсации, используя часть конденсата в качестве смывной воды, неконденсированные газы после сорбционной очистки выбрасывают в атмосферу объекта.

2. Устройство для регенерации воды из мочи на борту космического летательного аппарата, содержащее узел приема и консервации мочи с дозатором консерванта и смывной воды, сепаратор газожидкостной смеси для отделения воздуха от мочи, промежуточный сборник отсепарированной мочи, узел извлечения из мочи воды, включающий в себя нагреватель мочи, испаритель, выполненный с капиллярно-пористыми полимерными полупроницаемыми мембранами, узел сорбционно-каталитической очистки извлеченной воды, включающий ионнообменные смолы и активированный уголь, колонки соленасыщения и бактериальной очистки, емкости сбора и хранения воды, отличающееся тем, что оно снабжено сигнализатором поступления консерванта, вход которого подсоединен к выходу дозатора консерванта и смывной воды, а выход к входу в сепаратор газожидкостной смеси, жидкостная полость испарителя узла извлечения воды из мочи соединена с нагревателем мочи замкнутым циркуляционным жидкостным контуром, в который введены насос, установленный на входе в нагреватель, и фильтр-воздухоотделитель-накопитель, вход которого соединен с выходом испарителя, один выход через электромагнитный клапан с входом в насос, а другой через электромагнитный клапан с входом в накопитель концентрата мочи, паровоздушная полость испарителя соединена замкнутым паровоздушным контуром, включающим в себя установленную на входе в полость воздуходувку, а на выходе - влагоуловитель и конденсатор, с сепаратором конденсата с капиллярно-пористыми стенками, который по линии конденсата соединен через насос, датчики контроля качества воды и электромагнитные клапаны с узлом сорбционно-каталитической очистки извлеченной воды, при этом промежуточный сборник отсепарированной мочи выполнен в виде трех изолированных одна от другой эластичных емкостей, две из которых выполнены одинакового объема, а третья меньшего, каждая емкость снабжена датчиком заполнения и опорожнения и через электромагнитные клапаны соединена с циркуляционным жидкостным контуром узла извлечения воды из мочи на входе в насос.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что фильтр-воздухоотделитель-накопитель выполнен в виде стакана-накопителя газа из фильтровального материала, установленного в цилиндрическом корпусе, имеющем два штуцера с противоположных сторон для входа жидкости и периодического отвода отсепарированного газа и штуцер на цилиндрической поверхности для выхода отфильтрованной и деаэрированной мочи.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что нагреватель мочи выполнен в виде электрического нагревателя.

5. Устройство по любому из пп.2 4, отличающееся тем, что узел сорбционно-каталитической очистки выполнен в виде двух колонок, одна из которых послойно засыпана катализатором и сорбентом, а другая - гранулированными полимерными носителями солей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам жизнеобеспечения космических кораблей и космических станций, а именно к системе приема, консервации и переработки мочи, поступающей от экипажа.

Известен способ регенерации воды из мочи, по которому консервированная, отделенная в сепараторе от воздуха моча из сборной емкости подается в дистиллятор, где из нее извлекается вода, а выделившиеся из мочи при ее нагреве газы выбрасываются за борт, жидкие отходы собираются в специальную емкость. Полученная вода проходит доочистку от вредных примесей и в зависимости от качества подается или на технические нужды, или на соленасыщение и питьевые цели [1]

Недостатками этого способа являются необходимость связи с забортным вакуумом, что снижает надежность эксплуатации установки, отсутствие контроля за степенью концентрирования испаряемой мочи.

Наиболее близким к изобретению является способ перегонки мочи при пониженной температуре (300 320 К), основанный на диффузии паров воды из испарителя в конденсатор при атмосферном давлении способ атмосферной дистилляции, по которому мочу, отсепарированную от транспортного воздуха, подают в испарительную полость, где она нагревается и испаряется через полимерную мембрану. Пары воды диффундируют через газовый зазор и конденсируются на поверхности капиллярно-пористой мембраны, охлаждаемой теплоносителем системы терморегулирования. Конденсат прокачивается через блок очистки и соленасыщения и полученная вода поступает на потребление [2]

Указанный способ регенерации воды из мочи реализуется в устройстве, содержащем узел приема, консервации мочи с дозатором консерванта и смывной воды, газожидкостный сепаратор, где смесь отделяется от воздуха и насосом подается в промежуточный сборник, откуда поступает в испарительную ячейку, где нагревается с помощью греющего теплоносителя. Испарение воды происходит с поверхности полимерной мембраны. Пары воды диффундируют через зазор, заполненный инертным газом или воздухом, и конденсируются на поверхности капиллярно-пористой мембраны, охлаждаемой теплоносителем системы терморегулирования. Смоченная капиллярно-пористая мембрана пропускает сконденсированную воду в полость сбора конденсата под действием разрежения, создаваемого насосом. Сконденсированная вода прокачивается насосом через блок адсорбционной очистки, затем через колонки соленасыщения и бактериальной очистки и собирается в контейнере питьевой воды. Оставшийся концентрированный раствор сливают из испарителя в сборник отходов.

Недостатками этого способа являются низкая интенсивность массопереноса паров воды диффузией и, следовательно, необходимость создавать большую поверхность испарения, что приводит к увеличению массы теплообменного аппарата, отсутствие контроля за степенью извлечения воды из мочи, плохое качество конденсата, вызванное попаданием мочи по тонкому слою конденсата на внутренних стенках аппарата, перемыкающему поверхность испарения и поверхность конденсации, что снижает ресурс блока адсорбционной очистки.

Технической задачей изобретения является повышение эффективности очистки и качества получаемого конденсата, а также увеличение ресурса работы колонок очистки.

Задача решается тем, что по способу регенерации воды из мочи на борту космического летательного аппарата, заключающемуся в приеме и консервации мочи путем дозированной подачи консерванта при использовании смывной воды, сепарации мочи, от воздуха, извлечений воды путем испарения при атмосферном давлении из нагретой до температуры не выше 60^оС мочи при помощи капиллярно-пористых полимерных мембран, сорбционно-катали- тической очистке, извлеченной воды, соленасыщении ее, обеззараживании и консервировании для использования в качестве питьевой воды, на каждую дозу консерванта при консервации мочи подают две дозы смывной воды, при этом первую дозу смывной воды подают с консервантом, а вторую без консерванта, испарение мочи в процессе дистилляции ведут при циркуляции ее в замкнутом контуре, производя после процесса испарения фильтрование мочи одновременно с ее сепарацией выделяющегося при нагреве газа, причем испарение извлеченной из мочи воды с поверхности капиллярно-пористой мембраны производят в циркуляционный замкнутый поток воздуха, образующиеся в этом контуре пары воды с воздухом сепарируют от жидкости по двухступенчатой схеме до и после их конденсации, используя часть конденсата в качестве смывной воды, несконденсированные газы после сорбционной очистки выбрасывают в атмосферу объекта.

Задача решается также тем, что устройство для регенерации воды из мочи на борту космического летательного аппарата, содержащее узел приема и консервации мочи с дозатором консерванта и смывной воды, сепаратор газожидкостной смеси для отделения воздуха от мочи, промежуточный сборник отсепарированной мочи, узел извлечения из мочи воды, включающий в себя нагреватель мочи, испаритель, выполненный с капиллярно-пористыми полимерными полупроницаемыми мембранами, узел сорбционно-каталитической очистки извлеченной воды, включающий ионно-обменные смолы и активированный уголь, колонки соленасыщения и бактериальной очистки, емкости сбора и хранения воды, снабжено сигнализатором поступления консерванта, вход которого подсоединен к выходу дозатора консерванта и смывной воды, а выход к входу в сепаратор газожидкостной смеси, при этом жидкостная полость испарителя узла извлечения воды из мочи соединена с нагревателем мочи замкнутым циркуляционным жидкостным контуром, в который введены насос, установленный на входе в нагреватель, и фильтр-воздухоотделитель-накопитель, вход которого соединен с выходом испарителя, один выход через электромагнитный клапан с входом в насос, а другой через электромагнитный клапан с входом в накопитель концентрата мочи, паровоздушная полость испарителя соединена замкнутым паровоздушным контуром, включающем в себя установленную на входе в полость воздуходувку, а на выходе влагоуловитель и конденсатор, с сепаратором конденсата с капиллярно-пористыми стенками, который, в свою очередь, по линии конденсата соединен через насос, датчики контроля качества воды и электромагнитные клапаны с узлом сорбционно-каталитической очистки извлеченной воды, промежуточный сборник отсепарированной мочи выполнен в виде трех изолированных друг от друга эластичных емкостей, две из которых выполнены одинакового объема, а третья меньшего, каждая емкость снабжена датчиком заполнения и опорожнения и через электромагнитные клапаны соединена с циркуляционным жидкостным контуром узла извлечения воды из мочи на входе в насос. Кроме того, в устройстве фильтр-воздухоотделитель-накопитель выполнен в виде стакана накопителя газа из фильтровального материала, установленного в цилиндрическом корпусе, имеющем два штуцера с противоположных сторон для входа жидкости и периодического отвода сепарированного газа и штуцер на цилиндрической поверхности для выхода отфильтрованной и деаэрированной мочи, при этом нагреватель мочи выполнен в виде электрического нагревателя, а узел сорбционно-каталитической очистки выполнен в виде двух колонок, одна из которых послойно засыпана катализатором и сорбентом, а другая гранулированными полимерными носителями солей.

На чертеже приведена схема устройства для регенерации воды из мочи на борту космического летательного аппарата.

Устройство состоит из узла приема и консервации мочи, включающего мочеприемник 1, емкость 2 с консервантом, емкость 3 со смывной водой, дозатор 4 смывной воды и консерванта, сигнализатор 5 поступления консерванта, центробежный разделитель 6, вентилятор 7 транспортного воздуха, фильтр 8 вредных примесей, приемные электромагнитные клапаны 9, 10, эластичные емкости 11, 12, 13 для консервированной мочи с датчиками 14, 15, 16 заполнения и опорожнения, выходные электромагнитные клапаны 17, 18, 19, узла извлечения воды из мочи, включающего циркуляционный насос 20 мочи, электрический нагреватель 21 мочи, испаритель 22, фильтр-воздухоотделитель-накопитель 23, электромагнитные клапаны 24, 25, емкость 26 сбора и хранения концентрата, конденсатор 27, разделитель 28 на пористых элементах, фильтр 29 сброса неконденсирующихся газов, воздуходувку 30, влагоуловитель 31, пружинную емкость 32 отсоса конденсата, насос 33 откачки конденсата, и узла очистки извлеченной воды и приготовления из нее воды для питьевых целей, включающего датчики 34, 35 качества воды, электромагнитные клапаны 36, 37, 38, колонки 39 очистки, колонки 40 приготовления питьевой воды, контейнер 41 технической воды, контейнер 42 очищенной воды и контейнер 43 питьевой воды. На линиях сбора технической воды установлены предохранительные клапаны 44, 45.

Моча через мочеприемник 1 потоком транспортного воздуха, создаваемого вентилятором 7, транспортируется в центробежный разделитель 6, на вход в который дозатором 4 через сигнализатор 5 поступления консерванта подается заранее установленное количество доз консерванта со смывной водой, при этом в каждой дозе на порцию консерванта подают две порции смывной воды. Первая порция смывной воды идет с консервантом, второй порцией без консерванта производится промывка ячейки контроля электропроводности сигнализатора поступления консерванта. Таким образом, контроль за поступлением консерванта осуществляется по изменению электропроводности раствора, протекающего через ячейку датчика. Отделенный от жидкости в центробежном разделителе 6 транспортный воздух через фильтр 8 вредных примесей выбрасывается в кабину, а смесь консервированной мочи со смывной водой через один из приемных клапаном 9, 10 поступает в эластичные емкости 11, 13 или 12, 13 разного объема, заполнение и опорожнение которых контролируется датчиками 14, 15, 16. Емкости 11, 12 имеют одинаковый объем (поочередно в одну из них собирается моча, а из другой моча поступает на дистилляцию), а емкость 13 меньший, равный объему жидкостного циркуляционного контура. При заполнении емкостей 11 и 13 или 12 и 13 по сигналу от соответствующих датчиков заполнения опорожнения начинается цикл регенерации воды из мочи происходит переключение приемных клапанов 9 и 10, открывание соответствующего выходного клапана 19 или 17 и включение в работу узла извлечения воды из мочи: подача питания на электрический нагреватель 21 мочи, включение циркуляционного насоса 20 мочи и воздуходувки 30, открывание клапана 25 и закрывание клапана 24.

Консервированная моча со смывной водой прокачивается насосом по замкнутому жидкостному циркуляционному контуру, включающему электрический нагреватель 21, где происходит ее нагрев до температуры 45 55^оС, испаритель 22, где происходит испарение воды при атмосферном давлении в поток циркулирующего в самостоятельном замкнутом контуре воздуха, отделенного от жидкостного потока испарительной перегородкой, состоящей из капиллярно-пористых полимерных полупроницаемых мембран, фильтр-воздухоотделитель-накопитель 23, клапан 25 и насос 20. Подпитка свежей консервированной мочой со смывной водой происходит за счет разрежения, возникающего в контуре по мере упаривания мочи. Фильтр-воздухоотделитель-накопитель 23 выполнен в виде стакана накопителя газа из фильтровального материала, установленного в цилиндрическом корпусе, имеющем два штуцера с противоположных сторон для входа жидкости и периодического отвода отсепарированного газа и штуцер на цилиндрической поверхности для выхода отфильтрованной и деаэрированной мочи.

Пары воды с потоком циркулирующего воздуха, создаваемого газодувкой 30, через влагоуловитель 31, служащий для улавливания во влагоудерживающем материале выносимой из дистиллятора капельной влаги, поступают в конденсатор 27 кожухотрубчатого типа, охлаждаемый хладагентом системы терморегулирования. Сконденсиро- вавшаяся вода вместе с неконденсирующимися газами выносится потоком циркулирующего воздуха в разделитель 28, в котором происходит ее отделение от воздуха на пористых металлокерамических элементах, неконденсирующиеся газы через фильтр 29 с активированным углем выбрасываются в атмосферу объекта, а осушенный воздух поступает на вход газодувки 30. Отделенный в разделителе 28 конденсат отсасывается пружинной емкостью 32, а насосом 33 подается в емкость 3 смывной воды и прокачивается через датчик 34 качества конденсата, колонки 39 очистки от вредных примесей, датчик 35 качества очищенной воды, колонки 40 приготовления питьевой воды. Дистиллированная вода поступает в контейнер 42 очищенной воды, а питьевая вода в контейнер 43. В колонах 39 проводят сорбционно-каталитическую очистку от вредных примесей на послойно засыпанных активированном угле с катализатором и анионите с катионитом, а в колонках 40 для приготовления питьевой воды проводят соленасыщение, обеззараживание и консервирование очищенной в колонках 39 воды.

В случае получения сигнала от датчика 34 качества о поступлении загрязненного конденсата закрывается клапан 36, и конденсат поступает в контейнер 41 технической воды, а при получении сигнала от датчика 35 качества о плохом качестве очищенной воды закрывается клапан 37, и вода также поступает в контейнер технической воды, откуда она может быть использована в качестве смывной воды. Для получения только дистиллированной воды для системы электролиза воды закрывают клапан 38.

При получении сигнала от датчика 14 или 15 заполнения опорожнения о выработке жидкости из емкости 11 или 12 выдается сигнал на замещение упаренного раствора (концентрата), накопившегося в жидкостном циркуляционном контуре, по которому происходит закрывание клапана 19 или 17, открывание клапана 18, снятие питания с электрического нагревателя 21, закрывание клапана 25 и открывание клапана 24. Концентрат из циркуляционного контура и отсепарированный в фильтре-воздухоотделителе-накопителе 23 газ вытесняются мочой из емкости 13 в емкость 26 сбора и хранения концентрата до получения сигнала от датчика 16 об опорожнении емкости 13, по которому происходит закрывание клапана 18, отключение насоса 20 и воздуходувки 30 цикл регенерации воды из мочи заканчивается.

Одним из важнейших параметров, подлежащих контролю в системах регенерации воды из мочи, является контроль за поступлением в систему консерванта, так как недоконсервация мочи приводит к ее разложению при нагреве с большим газовыделением и резким ухудшением качества конденсата. Введение сигнализатора поступления консерванта позволяет контролировать "физическое" поступление заданной дозы консерванта по изменению электропроводности раствора, проходящего через измерительную ячейку сигнализатора.

Введение эластичных емкостей разного объема: двух 11 и 12 большего V₁ и одной 13 меньшего V₂, равного объему жидкостного циркуляционного контура мочи, позволяет проводить процесс регенерации воды из мочи с заранее заданным коэффициентом извлечения, так как в каждом цикле регенерации перерабатывается моча, находящаяся в жидкостном циркуляционном контуре объемом V₂, и моча, находящаяся в одной из емкостей 11 или 12 объемом V₁. Регенерация заканчивается при опорожнении большой емкости 11 или 12, т.е. извлекается из поступившей на переработку мочи конденсат объемом V₁. Следовательно, коэффициент извлечения воды из мочи, определяемый как отношение объема извлеченного конденсата к объему поступившей на переработку мочи, можно выразить отношением

100%

Введение двух циркуляционных контуров мочи и воздуха с одновременным отделением друг от друга испарителя и конденсатора, введение двухступенчатой схемы сепарации воздуха с парами воды от жидкости с установкой после испарителя в воздушном контуре влагоуловителя в виде влагоемкой вставки в цилиндрическом корпусе позволяют существенно повысить качество получаемого конденсата и снизить нагрузку в работе колонок очистки.

Введение фильтра-воздухоотделителя-накопителя, выполненного в виде стакана накопителя газа из фильтровального материала, установленного в цилиндрическом корпусе, имеющем два штуцера с противоположных сторон для входа мочи и периодического отвода накопленного газа и штуцер на цилиндрической поверхности для выхода отфильтрованной и деаэрированной мочи, позволяет решить проблему удаления из замкнутого жидкостного циркуляционного контура выделяющегося при нагреве мочи газа при одновременной фильтрации мочи.

Организация сорбционной очистки неконденсирующихся газов на активированном угле в специальном фильтре позволяет сбрасывать их в атмосферу объекта.

Введение сорбционно-каталитической очистки конденсата с использованием активированного угля с катализатором и анионита с катионитом позволяет более эффективно проводить очистку, повысить качество очищенной воды и увеличить ресурс работы колонок очистки.