способ регенерации воды из конденсата атмосферной влаги гермообъекта и система для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ регенерации воды из конденсата атмосферной влаги гермообъекта, например, космических кораблей или орбитальных станций, заключающийся в фильтровании газожидкостной смеси, сепарации конденсата из смеси, очистке конденсата от примесей путем пропускания его через активный уголь, иониты с последующими минерализацией и консервацией, отличающийся тем, что перед сепарацией конденсата из газожидкостной смеси проводят при температуре окружающей среды рабочего отсека станции каталитическое окисление трудносорбируемых недиссоциирующих органических примесей, входящих в состав конденсата с одновременным его обеззараживанием на металлоуглеродном катализаторе, содержащем металл платиновой группы, при этом процесс каталитического окисления проводят одновременно с фильтрованием газожидкостной смеси, используя в качестве окислителя кислород воздуха этой смеси.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в процессе сепарации обеспечивается дополнительное каталитическое окисление недиссоциирующих органических примесей газожидкостной смеси на катализаторе в виде металлической платины сепарирующего гидрофильного пористого канала.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обеззараживание, консервацию и минерализацию очищенного от примесей конденсата осуществляют, последовательно пропуская его через слой металлоуглеродного катализатора, содержащего металлы платиновой группы, иониты и посеребренный активный уголь.

4. Система регенерации воды из конденсата атмосферной влаги гермообъекта, например, космических кораблей или станций, содержащая последовательно соединенные фильтр газожидкостной смеси, включающий в себя цилиндрический корпус с центральной перфорированной трубой и концентрично установленные перфорированные цилиндры, между которыми расположены камеры, заполненные гранулированными и волокнистыми материалами и фильтрующей тканью, блок сепарации конденсата, включающий сепарирующую секцию на основе капиллярно-пористых перегородок с элементом отвода конденсата, блок очистки конденсата, включающий в себя последовательно соединенные камеры, заполненные активным углем, ионитами, и фильтр механических примесей, блок кондиционирования воды, выполненный в виде камер, заполненных минерализатором и стерилизатором, блок раздачи регенерированной воды, содержащий нагреватель, насос, запорную арматуру, отличающаяся тем, что корпус и перфорированные цилиндры фильтра газожидкостной смеси выполнены из электропроводного материала, плакированного металлическим серебром, первая от оси камера фильтра заполнена посеребренным углем, вторая металлоуглеродным катализатором, содержащим металлы платиновой группы, третья гранулированным или волокнистым ионитом анионитом или катионитом, а в систему дополнительно введен установленный после фильтра газожидкостной смеси реактор каталитического окисления трудносорбируемых недиссоциирующих органических примесей, при этом реактор заправлен металлоуглеродным катализатором, содержащим металлы платиновой группы, и посеребренным углем.

5. Система по п. 4, отличающаяся тем, что в состав блока сепарации конденсата введен датчик выработки ресурса сепарирующей секции, включающий в себя расположенную на выходе газового потока из сепарирующей секции камеру с перегородкой, выполненной из гидрофобного капиллярно-пористого материала, и измеритель перепада давления, соединенный с внутренней полостью камеры между входным штуцером и перегородкой камеры.

6. Система по пп. 4 и 5, отличающаяся тем, что часть поверхности гидрофильной капиллярно-пористой перегородки сепарирующей секции блока сепарации покрыта металлическим серебром, а часть металлической платиной.

7. Система по пп. 4 6, отличающаяся тем, что жидкостная полость сепарирующей секции и элемента отвода конденсата блока сепарации заполнена раствором ионного серебра с концентрацией 2 10 мг серебра на 1 л воды.

8. Система по пп. 4 7, отличающаяся тем, что сепарирующая секция блока сепарации выполнена съемной и соединена с элементом отвода конденсата с помощью гермоклапана.

9. Система по п. 4, отличающаяся тем, что на вход блока очистки конденсата дополнительно введена камера с контактным стерилизатором, а фильтр механических примесей выполнен из нетканого гидрофильного импрегнированного серебром материала.

10. Система по п. 4, отличающаяся тем, что в состав блока кондиционирования после камеры с минерализатором введена дополнительная камера, содержащая последовательно расположенные слои металлоуглеродного катализатора, содержащего металлы платиновой группы, иониты и посеребренный активный уголь, стенки камеры при этом выполнены из электропроводного материала.

11. Система по п. 4, отличающаяся тем, что в состав блока раздачи регенерированной воды дополнительно введен рекуператор тела, а жидкостный тракт нагревателя блока раздачи выполнен в виде щелевого винтового канала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области систем обеспечения жизнедеятельности экипажей герметичных объектов, например космических кораблей, орбитальных станций, а именно к системам водообеспечения, основанным на регенерационных процессах.

Известен способ регенерации воды из конденсата атмосферной влаги герметичных объектов, основанный на сорбционном, электрохимическом методах, методе испарения в токе воздуха, и системы, реализованные с их использованием в наземных экспериментальных комплексах /1/.

Недостатком известного способа и систем на их основе является их невысокая степень отработки, в том числе в условиях невесомости, ограниченный ресурс по очистке конденсата как от диссоциирующих, так и от недиссоциирующих соединений, а также отсутствие узлов кондиционирования воды.

Известен также способ сорбционной очистки конденсата атмосферной влаги на ионообменных смолах (диссоциирующие примеси) и на активных углях (недиссоциирующие примеси), примененный в системе регенерации воды из конденсата атмосферной влаги, включающей в себя разделитель газожидкостной смеси, колонки с катионитом и анионитом и активным углем, колонки кондиционирования воды, содержащие соленасыщающую шихту из минералов гипса (СаCO₄), доломита CaMg(CO₃)₂, флюорита (СaF₂) и т.д. колонки, содержащие адсорбент, насыщенный солями серебра, обладающими бактерицидным действием /2/.

К недостатку способа следует отнести отсутствие очистки газожидкостной смеси от механических примесей перед ее сепарацией в разделителе.

Ближайшим аналогом является способ и реализующая его система, функционировавшая на орбитальной станции "Салют-6" /3/.

Система содержит фильтр газожидкостной смеси, блок сепарации конденсата, блок очистки конденсата, блок кондиционирования воды, контейнеры питьевой и технической воды.

Газожидкостная смесь (конденсат атмосферной влаги с транспортирующим воздухом) поступает из системы терморегулирования станции в фильтр, который очищает поступающую газожидкостную смесь от механических и частично химических примесей. Химические примеси удаляются с помощью активного угля, а механические задерживаются полипропиленовым волокном и фильтрующей тканью.

Затем газожидкостная смесь поступает в блок сепарации, где конденсат отделяется от транспортирующего воздуха, после чего подается насосом в блок очистки, экипированный сорбционной шихтой на основе активного угля и ионитов, а воздух сбрасывается в рабочий отсек. Отделение конденсата в блоке сепарации обеспечивается в разделителе, содержащем пакет капиллярно-пористых гидрофильных трубок и емкость переменного объема, снабженную подвижным поршнем, при этом в исходном состоянии межтрубное пространство пакета и емкость были заполнены водой.

При удовлетворительной степени очистки вода из блока очистки поступает в блок кондиционирования, а при неудовлетворительной в контейнер технической воды. В блоке кондиционирования контактным способом производится насыщение воды необходимыми солями и консервирование ее ионами серебра, после чего вода поступает в контейнер питьевой воды.

Описанная система регенерации воды из конденсата атмосферной влаги при эксплуатации во время длительных полетов орбитальной станции "Салют-6" показала хорошую работоспособность.

В то же время способ регенерации, использованный в системе, и сама система имели ряд недостатков:

потеря проницаемости гидрофильных капиллярно-пористых трубок блока сепарации при длительных промежутках времени (месяц и более) между заправкой блока водой и началом его функционирования и, как следствие, уменьшение его ресурса по сепарации жидкости;

необходимость замены после выработки ресурса капиллярно-пористых трубок блока сепарации целиком;

отсутствие информации о выработке ресурса капиллярно-пористых трубок блока сепарации;

малый ресурс блока очистки по органическим примесям и его зависимость от соотношения диссоциирующих и недиссоциирующих примесей в конденсате;

неравномерность введения солей и ионов консервирующего серебра в регенерированную воду по мере выработки ресурса блока кондиционирования;

относительно большая удельная масса системы.

Технической задачей является расширение технологических возможностей способа и улучшение эксплуатационных качеств системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги.

Задача решается тем, что в способе регенерации воды, заключающемся в фильтровании газожидкостной смеси, сепарации конденсата из смеси, очистке конденсата от примесей путем пропускания его через активный уголь, иониты с последующими минерализацией и консервацией, перед сепарацией конденсата из газожидкостной смеси проводят при температуре окружающей среды рабочего отсека станции каталитическое окисление недиссоциирующих органических примесей, входящих в состав конденсата с одновременным его обеззараживанием на металлоуглеродном катализаторе, содержащем металлы платиновой группы, при этом процесс каталитического окисления проводят одновременно с фильтрованием газожидкостной смеси, используя в качестве окислителя кислород воздуха этой смеси.

Кроме того, в процессе сепарации обеспечивается дополнительное каталитическое окисление недиссоциирующих органических примесей газожидкостной смеси на катализаторе в виде металлической пластины сепарирующего гидрофильного пористого канала, а также обеззараживание, консервацию и минерализацию очищенного от примесей конденсата осуществляют последовательно пропуская его через слой металлоуглеродного катализатора, содержащего металлы платиновой группы, иониты и посеребренный активный уголь.

Техническая задача улучшения эксплуатационных качеств системы регенерации воды решается тем, что в системе, содержащей последовательно соединенные фильтр газожидкостной смеси, включающий в себя цилиндрический корпус с центральной перфорированной трубкой и концентрично установленные перфорированные цилиндры, между которыми расположены камеры, заполненные гранулированными волокнистыми материалами и фильтрующей тканью, блок сепарации конденсата, включающий сепарирующую секцию на основе капиллярно-пористых перегородок с элементом отвода конденсата, блок очистки конденсата, включающий в себя последовательно соединенные камеры, заполненные активным углем, ионитами, и фильтр механических примесей, блок кондиционирования воды, выполненный в виде камер, заполненных минерализатором и стерилизатором, блок раздачи регенерированной воды, содержащий нагреватель, насос и запорную арматуру, корпус и перфорированные цилиндры фильтра газожидкостной смеси выполнены из электропроводного материала, плакированного металлическим серебром, первая от оси камера фильтра заполнена посеребренным углем, вторая металлоуглеродным катализатором, содержащим металлы платиновой группы, третья гранулированным или волокнистым ионитом анионитом или катионитом, а в систему дополнительно введен установленный после фильтра газожидкостной смеси реактор каталитического окисления трудносорбируемых недиссоциирующих органических примесей, при этом реактор заправлен металлоуглеродным катализатором, содержащим металлы платиновой группы, и посеребренным углем.

Кроме того, в состав блока сепарации конденсата введен датчик выработки ресурса сепарирующей секции, включающий в себя расположенную на выходе газового потока из сепарирующей секции камеру с перегородкой, выполненный из гидрофобного капиллярно-пористого материала, и измеритель перепада давления, соединенный с внутренней полостью камеры между входным штуцером и перегородкой камеры. Часть поверхности гидрофильной перегородки покрыта металлическим серебром, а часть металлической платиной, жидкостная полость сепарирующей секции и элемента отвода конденсата блока сепарации заполнена раствором ионного серебра с концентрацией 2-10 мг серебра на 1 л воды. Сепарирующая секция выполнена съемной и соединена с элементом отвода конденсата с помощью гермоклапана. Блок очистки конденсата системы снабжен камерой с контактным стерилизатором, а фильтр механических примесей выполнен из нетканого гидрофильного импрегнированного серебром материала. Блок кондиционирования снабжен дополнительной камерой, установленной после камеры с минерализатором, и содержащей последовательно расположенные слои металлоуглеродного катализатора, содержащего металлы платиновой группы, иониты, и посеребренный активный уголь, при этом стенки камеры выполнены из электропроводного материала, а в блок раздачи регенерированной воды дополнительно введен рекуператор тепла.

На фиг. 1 представлена схема системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги гермообъекта; на фиг. 2 схема каталитического реактора системы; на фиг. 3 схема сепарирующей секции блока сепарации системы регенерации; на фиг. 4 увеличенная часть детали 1 фиг. 3; на фиг. 5 схема блока очистки конденсата; на фиг. 6 схема блока кондиционирования воды.

Система регенерации воды состоит из фильтра газожидкостной смеси 1, реактора каталитического окисления 2, блока сепарации 3, блока очистки 4, блока кондиционирования 5, контейнеров питьевой 6 и технической воды 7, блока раздачи воды 8.

Фильтр газожидкостной смеси 1 представляет собой цилиндрический корпус 9 с центральной перфорированной трубой 10 и концентрично установленными перфорированными цилиндрами 11, причем между ними размещены три камеры: первая от оси камера 12 заполнена посеребренным активным углем, вторая 13 - металлоуглеродным катализатором, содержащим металлы платиновой группы, а третья 14 волокнистым или гранульным ионообменным материалом, и фильтрующей тканью. Фильтр выполнен из электропроводного материала, плакированного металлическим серебром.

Реактор каталитического окисления 2 выполнен в виде корпуса 15, заполненного смесью металлоуглеродного катализатора 16, содержащего металлы платиновой группы, и посеребренного активного угля.

Блок сепарации 3 включает в себя сепарирующую секцию 17, элемент отвода конденсата 18 с эластичной мембраной 19 и упругим элементом 20, датчик выработки ресурса сепарирующей секции, состоящий из камеры 21 с перегородкой 22, выполненной из гидрофобного капиллярно-пористого проницаемого материала и измерителя перепада давления 23, подсоединенного к внутренней полости камеры 21 датчики между входным штуцером камеры 21 и ее перегородкой 22, гермоклапан 24, электромагнитный клапан 25 и насос 26.

Сепарирующая секция 17 выполнена в виде аппарата типа многоходового кожухотрубчатого теплообменника. Трубки 21 аппарата представляют собой капиллярно-пористые проницаемые гидрофильные элементы. Внутренняя и наружная поверхности элементов, а также стенки пор покрыты платиной и серебром, причем участки поверхностей, покрытые различными металлами, нерегламентированно чередуются, а соотношение величин поверхностей, покрытых разными металлами отличается не более, чем на 20 Трубчатая секция заключена в корпус 28 с крышками 29 и 30. Сепарирующая секция соединена с элементом отвода конденсата 18 с помощью гермоклапана 31.

Блок очистки 4 представляет собой набор последовательно соединенных друг с другом колонок 32, заполненных активным углем 33 и ионитом 34. На входе в блок расположена камера 38 с контактным стерилизатором 35, на выходе фильтр механических примесей 36, выполненный из нетканого гидрофильного импрегнированного серебром материала.

Контактный стерилизатор представляет собой гранулированный материал, основой которого является сернокислый кальций и сернокислое серебро, а связующим полиэтилен низкого давления. В контакте с водой стерилизатор выделяет ионное серебро, способствующее обеззараживанию воды.

Блок кондиционирования 5 выполнен в виде камер 37 заполнения минерализатором 38 и стерилизатором 39. На выходе блока перед минерализатором 38 расположена камера, содержащая последовательно расположенные слои металлоуглеродистого катализатора 40, содержащего металлы платиновой группы, ионитов 41, и посеребренного активного угля 42, при этом стенка камеры выполнены из электропроводного материала, а за минерализатором размещен фильтр механических примесей 43. На входе в блок кондиционирования 5 до и после стерилизатора 39 размещены камеры с ионитами 41.

Блок раздачи воды 8 состоит из насоса 44, нагревателя 45 и рекуператора тепла 46, причем жидкостный тракт нагревателя выполнен в виде щелевого винтового канала 47.

Система работает следующим образом.

В исходном состоянии система заправлена шихтой и водным раствором ионного серебра.

Заполнение всего объема жидкостной полости (межтрубного пространства) сепарирующей секции водным раствором ионного серебра при заправке системы во время ее наземной подготовки позволяет исключить уменьшение ресурса блока сепарации по отсепарированной жидкости вследствие подавления развития микрофлоры в порах капиллярно-пористых трубок блока в промежуток времени от заправки до начала функционирования и, кроме того, подавляет рост микрофлоры в остальных блоках системы.

Газожидкостная смесь на системы терморегулирования объекта поступает в фильтр газожидкостной смеси 1, где происходит очистка смеси от механических примесей, подавление микрофлоры электрическим полем электрохимической пары, образованной металлоуглеродным катализатором, содержащим металлы платиновой группы, посеребренным активным углем и плакированными серебром элементами конструкции фильтра, а также частичное окисление недиссоциирующих органических примесей конденсата на металлоуглеродном катализаторе до диссоциирующих с использованием кислорода транспортирующего воздуха и сорбция диссоциирующих органических и неорганических примесей на ионитах.

Из фильтра газожидкостная смесь поступает в реактор каталитического окисления 2, где на металлоуглеродном катализаторе 16 происходит окисление всех недиссоциирующих примесей конденсата до диссоциирующих с использованием кислорода транспортирующего воздуха, а также подавление микрофлоры электрическим полем электрохимической пары аналогично процессу, происходящему в фильтре.

Выходящая из реактора смесь направляется в блок сепарации 3. При движении по трубному пространству сепарирующей секции 17 блока за счет разрежения, создаваемого в межтрубном пространстве эластичной мембраной 19 с упругим элементом 20, и гидравлического сопротивления канала конденсат из потока отсасывается через проницаемые для жидкости стенки пористых элементов 27 в межтрубное пространство (мембрана 19 при этом опускается вниз), а воздух через датчик выработки ресурса сбрасывается в рабочий отсек объекта.

Серебро, которым покрыта часть поверхности пористых трубок 27 препятствует зарастанию пор и стенок трубок микрофлорой, в результате чего увеличивается ресурс сепарирующей секции 17, а платина, образующая с серебром электрическую пару, обеспечивает дополнительное окисление органических примесей конденсата.

После выработки ресурса сепарирующей секции газожидкостная смесь не разделяется и попадает в камеру 21 датчика выработки ресурса. При этом гидрофобная перегородка датчика 22 покрывается слоем конденсата и запирает выход воздуха из камеры, вследствие чего в камере 21 датчика возрастает давление и измеритель перепада давления 23 выдает соответствующую информацию. В этом случае сепарирующая секция 17 отстыковывается от элемента отвода конденсата 18 по гермоклапану 31 и заменяется. Гермоклапан 31 при этом исключает против воды из выработавшей ресурс сепарирующей секции 17 и попадание воздуха в элемент отвода конденсата 18.

Конденсат из блока сепарации 3 насосом подается в блок очистки 4, где контактны стерилизатор 35 на входе в блок обеспечивает обеззараживание конденсата, затем на активном угле 33 и ионитах 34 сорбируются примеси, а на выходе из блока жидкость очищается во встроенном фильтре механических примесей 36, выполненном из нетканого гидрофильного импрегнированного серебром материала от возможных механических примесей (частички угля, смол). Импрегнирование материала серебром позволяет избежать его зарастания микрофлорой.

Затем очищенный конденсат поступает в блок кондиционирования 5, где последовательно проходит камеры с минерализатором 38, стерилизатором 39, металлоуглеродным катализатором 40, содержащим металлы платиновой группы, ионитами 41 и посеребренным активным углем 42. Катализатор 40, иониты 41 и посеребренный активный уголь 42 образуют электрохимический элемент, при этом катализатор и посеребренный уголь служат насыпными электродами, а ионит - твердым электролитом. Под действием слабого электрического поля электрохимического элемента и выделенного элементом серебра минерализованная вода обеззараживается и консервируется.

Электрохимический элемент позволяет производить равномерное насыщение раствора серебром на протяжении всего ресурса блока кондиционирования, причем концентрация серебра не зависит от скорости прокачки воды.

Из блока кондиционирования вода поступает в контейнер питьевой воды 6, а затем в блок раздачи 8. В блоке раздачи вода пастеризуется и порционно выдается экипажу, при этом жидкостной канал нагревателя 45 блока выполнен по принципу "идеального" вытеснения, что исключает смешение пастеризованной и непастеризованной воды. Кроме того, примененный в блоке рекуператор тепла 46 позволяет использовать часть тепла пастеризованной воды для ее предварительного нагрева.

Изобретение позволяет достигнуть высокой степени очистки конденсата от механических и химических примесей, как недиссоциирующих, так и диссоциирующих, при одновременном увеличении ресурса блоков системы.