система и вакуумный центробежный дистиллятор для регенерации воды из мочи на борту космического летательного аппарата

Формула изобретения

1. Система регенерации воды из мочи на борту космического летательного аппарата, содержащая последовательно соединенные блок приема и консервации мочи, блок извлечения воды из мочи и блок сорбционно-каталитической очистки извлеченной воды, при этом блок приема и консервации мочи содержит дозатор консерванта и смывной воды, сепаратор газожидкостной смеси для отделения воздуха от мочи, сигнализатор поступления консерванта, промежуточный сборник отсепарированной мочи, выполненный в виде трех изолированных одна от другой эластичных емкостей, каждая из которых снабжена датчиком заполнения и опорожнения и электромагнитными клапанами, и линию подачи мочи, блок извлечения воды из мочи включает аппарат упаривания мочи, снабженный циркуляционным контуром мочи, имеющим средство ее нагрева, сборник концентрата мочи, соединенный через электромагнитный клапан с циркуляционным контуром мочи, охлаждающий теплообменник, линию отвода конденсата, имеющую промежуточную емкость сбора конденсата с насосом откачки конденсата, линию отвода влажных неконденсирующихся газов с сепаратором, а блок сорбционно-каталитической очистки извлеченной воды состоит из двух колонок, одна из которых послойно содержит катализатор и сорбент, а другая - гранулированные полимерные носители солей, емкостей сбора и хранения воды, датчиков контроля качества воды и электромагнитных клапанов, отличающаяся тем, что аппарат упаривания мочи выполнен в виде вакуумного центробежного многоступенчатого дистиллятора и снабжен циркуляционным контуром конденсата с размещенными в нем охлаждающим теплообменником и электромагнитными клапанами, линия подачи мочи снабжена насосом и фильтром и соединена с входом вакуумного дистиллятора, линия отвода влажных неконденсирующихся газов дополнительно содержит узел сбора влажных неконденсирующихся газов и эластичную емкость с датчиком заполнения и соединена одним концом с вакуумным дистиллятором, а другим - с линией отвода конденсата, при этом узел сбора, сепаратор и эластичная емкость установлены последовательно, а узел сбора неконденсирующихся газов включает ресивер, выполненный в виде эластичной емкости, установленной в жестком корпусе, вакуум-насос и микронагреватель воздуха, соединенные через электромагнитные клапаны с полостью между корпусом и эластичной емкостью ресивера, кроме того, промежуточная емкость сбора конденсата линии отвода конденсата дополнительно соединена с линией отвода влажных неконденсирующихся газов.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительно содержит тепловой насос, выполненный в виде парового компрессора, рабочая полость которого соединена с дистиллятором, при этом средство нагрева мочи выполнено в виде теплообменника, расположенного на электродвигателе вышеназванного компрессора, а циркуляционный контур конденсата содержит байпасную линию с электромагнитным клапаном.

3. Система по п.1, отличающаяся тем, что средство нагрева мочи выполнено в виде термоэлектрического теплового насоса, при этом последний соединен с циркуляционным контуром конденсата.

4. Система по любому из пп.1 - 3, отличающаяся тем, что циркуляционный контур мочи дистиллятора снабжен теплообменником, установленным на электродвигателе дистиллятора.

5. Система по любому из пп.1 - 4, отличающаяся тем, что промежуточная емкость сбора конденсата выполнена в виде корпуса с двумя крышками и направляющей, двух поршней разного диаметра, закрепленных на концах штока, установленного в направляющей, двух кольцевых эластичных элементов, герметично соединенных с поршнями и со стенками корпуса, при этом поршни с кольцевыми эластичными элементами образуют три камеры, первая из которых образована поршнем большого диаметра и крышкой и соединена с линией отвода конденсата, вторая камера образована поршнем малого диаметра и крышкой и соединена с линией отвода влажных неконденсирующихся газов, а третья камера - между двумя поршнями, снабжена двумя микропереключателями и соединена с атмосферой.

6. Вакуумный центробежный дистиллятор преимущественно для регенерации воды из мочи на борту космического летательного аппарата, включающий корпус, электродвигатель, установленный в корпусе с возможностью вращения полый ротор, укрепленные на роторе теплообменные тарелки, узел сепарации, устройства распределения перерабатываемой жидкости, циркуляционный контур перерабатываемой жидкости со средством ее нагрева, линию подачи перерабатываемой жидкости и линии отвода конденсата, неконденсирующихся газов и концентрата, отличающийся тем, что он выполнен многоступенчатым и дополнительно содержит камеру сбора конденсата, циркуляционный контур конденсата, включающий охлаждающий теплообменник и электромагнитные клапаны, причем входной патрубок контура расположен на периферии камеры сбора конденсата и выполнен в виде черпака, а выходной патрубок - в центральной части камеры сбора конденсата, и неподвижный полый ввод для расположения подводящих и отводящих линий, закрепленный на корпусе и установленный коаксиально в центральной части ротора, ступени дистиллятора отделены друг от друга в зонах испарения гидрозатворами, а в зонах конденсации - дисками с отверстиями для сбора неконденсирующихся газов, образующими со стенкой ротора гидрозатворы для перетока конденсата, вход циркуляционного контура перерабатываемой жидкости расположен на периферии зоны испарения первой ступени и выполнен в виде черпака, а выход контура - в центральной части зоны испарения первой ступени, устройства распределения перерабатываемой жидкости включают в себя снабженные на входе и выходе черпаками каналы перетока, которыми последовательно соединены зоны испарения каждой ступени, и отводные трубки, сливные отверстия которых направлены на центральные части теплообменных тарелок и гидрозатворы, узлы сепарации, разделяющие зоны испарения и конденсации ступеней, выполненные в виде сепарационных тарелок, ребра которых входят в зазоры между ребрами теплообменных тарелок, и пористых набивок, выход линии подачи перерабатываемой жидкости снабжен черпаком и расположен на периферии зоны испарения последней ступени, вход линии отвода конденсата снабжен черпаком и расположен на периферии камеры сбора конденсата, а вход линии отвода неконденсирующихся газов расположен в центральной части камеры сбора конденсата.

7. Дистиллятор по п.6, отличающийся тем, что он дополнительно содержит тепловой насос, выполненный в виде парового компрессора, вход которого расположен после узла сепарации последней ступени, в выход - в зоне конденсации первой ступени, при этом средство нагрева перерабатываемой жидкости выполнено в виде теплообменника, расположенного на электродвигателе вышеназванного компрессора, а циркуляционный контур конденсата содержит байпасную линию с электромагнитным клапаном.

8. Дистиллятор по п.6, отличающийся тем, что средство нагрева циркуляционного контура перерабатываемой жидкости выполнено в виде термоэлектрического теплового насоса, при этом последний соединен с циркуляционным контуром конденсата.

9. Дистиллятор по любому из пп.6 - 8, отличающийся тем, что для предотвращения конденсации пара в полости между ротором и корпусом камера сбора конденсата со стороны корпуса снабжена теплоизоляцией.

10. Дистиллятор по любому из пп.6 - 9, отличающийся тем, что циркуляционный контур перерабатываемой жидкости снабжен теплообменником, установленным на статоре электродвигателя дистиллятора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам жизнеобеспечения космических кораблей и космических станций, а именно к системам регенерации воды из консервированной мочи и других водных отходов жизнедеятельности экипажа.

Известна система регенерации воды из водосодержащих отходов, в частности мочи, включающая блок приема и хранения мочи, блок предварительной обработки мочи и смывной воды, блок извлечения воды из мочи (Lawrence D. Noble, Jr., Franz H. Schubert and Robert P. Werner, "An Update of the Readiness of Vapor Compression Distillation for Spacecraft Wastewater Processing", 22-nd International Conference on Environmental Systems, Seattle, 13-14 July, 1992, N 921114).

Блок извлечения воды из мочи включает узел дистилляции, жидкостной насос, вакуум-насос, узлы контроля жидкостей и контроля давления, фильтрующую емкость циркуляционного контура, встроенные контрольные приборы.

Узел дистилляции выполнен в виде ротационного лопастного компрессора с датчиком температуры, центрифуги, состоящей из разделенных тонкой перегородкой испарителя и конденсатора и датчиков уровня жидкости и скорости вращения. Узел дистилляции содержит двигатель, связанный непосредственно с одной из лопастей компрессора магнитной муфтой, а через редуктор - с центрифугой. На электродвигателе установлены охлаждающий теплообменник и датчик скорости вращения.

Узел жидкостного насоса выполнен в виде четырехпоточного перистальтического насоса, одна трубка которого предназначена для подачи мочи в дистиллятор, две трубки - для перекачки концентрата из дистиллятора, а последняя трубка - для откачки дистиллята (конденсата). Внутренняя полость корпуса насоса находится под вакуумом.

Узел вакуум-насоса предназначен для откачки неконденсирующихся газов и пара и выполнен в виде четырехпоточного перистальтического насоса, имеющего охлаждающую рубашку для конденсации пара и охлаждения неконденсирующихся газов.

В известной системе консервированную мочу из блока приема и хранения мочи подают в циркуляционный контур блока извлечения воды из мочи, где она циркулирует через фильтрующую емкость, являющуюся одновременно сборником концентрата, до тех пор, пока не будет достигнута необходимая степень извлечения воды из мочи, при этом циркулирующую мочу подают на одну из сторон вращающейся теплообменной поверхности центрифуги, где моча нагревается и из нее испаряется вода в количестве, соответствующем подведенному теплу. Процесс дистилляции мочи проводят под вакуумом. Пары воды откачивают, сжимают компрессором с повышением их давления и подают на другую сторону указанной вращающейся теплообменной поверхности, где пары воды конденсируются и тепло конденсации нагревает мочу, находящуюся с противоположной стороны этой поверхности. Образующийся конденсат прокачивают через датчик контроля качества и подают для последующего использования.

Недостатками известной системы являются: высокое энергопотребление компрессора пара, определяемое производительностью дистиллятора; снижение производительности дистиллятора с ростом концентрации упариваемого раствора, что приводит к увеличению времени работы системы и ее энергопотребления; наличие специальных перистальтических насосов для перекачки мочи на входе и выходе дистиллятора, что увеличивает массу и энергопотребление системы и снижает надежность ее работы.

Известен вакуумный многоступенчатый дистиллятор морской воды, включающий установленный с возможностью вращения вертикальный полый ротор, электродвигатель, установленные поочередно в роторе выполненные из металла с высокой теплопроводностью теплообменные тарелки и кольцевые перегородки, разделяющие их кольцевые теплоизоляционные прокладки. Тарелки, перегородки и прокладки образуют ступени дистилляции с поверхностями испарения и конденсации и расположенными на периферии камерами сбора концентрата и конденсата, разделенными кольцевыми перегородками. Дистиллятор имеет также размещенный по наружному периметру ступеней дистилляции теплообменник предварительного подогрева с раздельными каналами для циркуляции морской воды, конденсата и концентрата, при этом каналы для циркуляции морской воды соединяются параллельно на входе с вертикальными раздаточными коллекторами (стояками) морской воды, а на выходе - с поверхностями испарения ступеней дистилляции, тогда как каналы концентрата и конденсата соединяются параллельно на входе соответственно камерами сбора концентрата и конденсата, а на выходе - с коллекторами концентрата и конденсата, подсоединенными к средствам отвода этих сред.

В ступенях дистилляции (кроме первой и последней) поверхностью испарения служит верхняя сторона нижней тарелки, а поверхностью конденсации - нижняя сторона вышележащей соседней тарелки, при этом первая ступень дистилляции поверхности испарения не имеет и снабжена патрубком для подвода греющего пара, а последняя ступень соединена с вакуумной линией отвода неконденсирующихся газов и снабжена змеевиком, являющимся поверхностью конденсации. Вход змеевика соединен со средством подачи морской воды, а выход - с коллекторами морской воды. [Richard L. Clark and LeRoy A. Bromley, "Saline water conversion by Multiple - effect rotating evaporator", Chemical Engineering Progress, vol. 57, N 1, p.p. 64-70].

Пар подается на нижнюю тарелку, обеспечивая подвод тепла на испарение. Низкое давление (вакуум) создается на верхней (самой холодной) тарелке с целью обеспечения необходимого температурного градиента. Подаваемая в дистиллятор перерабатываемая жидкость (в данном случае морская вода) после подогрева за счет конденсации на змеевике пара с верхней тарелки поступает в теплообменник предварительного подогрева, в котором каждый из потоков подогревается до температуры, близкой температурам испарения на тарелках, а затем параллельные потоки перерабатываемой жидкости направляются в центр тарелок.

До 50% исходной жидкости упаривается по мере того, как она стекает по тарелкам в виде тонкой пленки, что обеспечивает интенсивную передачу тепла. Пар конденсируется на донной (нижней) поверхности тарелок, расположенных выше. Конденсат и концентрат стекают к наружной кромке тарелок под действием центробежных сил соответственно в камеры сбора конденсата и концентрата, а разделяющие камеры перегородки предотвращают смешение концентрата и конденсата. Последние стекают в теплообменник предварительного подогрева, обеспечивая нагрев исходной перерабатываемой жидкости. Далее концентрат и конденсат отводятся из дистиллятора.

Наличие теплообменника предварительного нагрева перерабатываемой жидкости усложняет конструкцию дистиллятора и увеличивает его массу.

Также к недостаткам известного дистиллятора следует отнести то, что в случае его остановки в невесомости будет происходить попадание перерабатываемой жидкости в конденсат, что может привести к снижению качества получаемой воды.

При повышении степени упаривания жидкости до требуемых на космических объектах значений из-за увеличения температурной депрессии будет расти общий температурный перепад, что увеличит затраты энергии и снизит общую эффективность дистиллятора.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является система регенерации воды из мочи на борту космического летательного аппарата, содержащая последовательно соединенные блок приема и консервации мочи, блок извлечения воды из мочи, блок сорбционно-каталитической очистки извлеченной воды. Блок приема и консервации мочи содержит дозатор консерванта и смывной воды, сепаратор газожидкостной смеси для отделения воздуха от мочи, сигнализатор поступления консерванта, промежуточный сборник отсепарированной мочи, выполненный в виде трех изолированных одна от другой эластичных емкостей, каждая емкость снабжена датчиком заполнения и опорожнения и электромагнитными клапанами и линию подачи мочи. Блок извлечения воды из мочи включает аппарат упаривания мочи, снабженный циркуляционным контуром мочи со средством ее нагрева, сборник концентрата мочи, соединенный через электромагнитный клапан с циркуляционным контуром мочи, конденсатор (охлаждающий теплообменник), линию отвода конденсата, имеющую промежуточную емкость сбора конденсата с насосом откачки конденсата, линию отвода влажных неконденсирующихся газов с сепаратором. Блок сорбционно-каталитической очистки извлеченной воды состоит из двух колонн, одна из которых послойно содержит катализатор и сорбент, а другая - гранулированные полимерные носители солей, содержит также емкость сбора и хранения воды, датчики контроля качества воды и электромагнитные клапаны [Патент РФ N 2046080, кл. B 64 G 1/60, опубл. 1995 г.].

Аппарат упаривания мочи выполнен в виде испарителя, имеющего испарительную перегородку, состоящую из капиллярно-пористых полимерных полупроницаемых мембран, делящую испаритель на зону мочи, через которую проходит жидкостной поток, и зону воздуха, циркулирующего в самостоятельном замкнутом контуре воздуха. При этом испарение мочи происходит при атмосферном давлении, а подпитка свежей консервированной мочой со смывной водой происходит за счет разрежения, возникающего в контуре мочи по мере ее упаривания.

Циркуляционный контур мочи содержит циркуляционный насос мочи, электрический нагреватель мочи, фильтр - воздухоотделитель-накопитель, электромагнитный клапан.

Циркуляционный контур воздуха содержит конденсатор, сепаратор на пористых элементах, воздуходувку и влагоуловитель.

Недостатками известной системы для регенерации воды из мочи являются: низкая интенсивность процессов испарения и конденсации при атмосферном давлении и, следовательно, необходимость в больших поверхностях испарения и конденсации, что приводит к увеличению массы оборудования; уменьшение скорости испарения и ухудшение качества конденсата из-за постепенной забивки капиллярно-пористых мембран и потери их избирательной проницаемости и, следовательно, уменьшение ресурса работы испарителя и колонки сорбционно-каталитической очистки конденсата, что приводит к увеличению массы запасных блоков; отсутствие рекуперации тепла конденсации, что приводит к большому энергопотреблению.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является вакуумный центробежный дистиллятор соленой воды, включающий корпус, электродвигатель, установленный в корпусе с возможностью вращения полый ротор, укрепленные на роторе теплообменные тарелки, образующие зону испарения перерабатываемой жидкости и зону конденсации, узел сепарации, разделяющий зоны испарения и конденсации, устройства распределения перерабатываемой жидкости, циркуляционный контур перерабатываемой жидкости со средством ее нагрева, линия подачи перерабатываемой жидкости и линии отвода конденсата, неконденсирующихся газов и концентрата [Патент США N 3200050, НКИ 202-176, опубл. 1965 г.].

Зона испарения перерабатываемой жидкости образована внешней стороной наклонных теплообменных тарелок, а зона конденсации образована внутренними сторонами вышеприведенных тарелок и стенками ротора.

Узел сепарации, разделяющий зоны испарения и конденсации, выполнен в виде цилиндра с жалюзями и установленного под ним компрессора.

Недостатки известного дистиллятора следующие.

Производительность дистиллятора достаточно высока, однако он не предназначен для обеспечения высокого коэффициента извлечения воды, вследствие чего не пригоден для работы в космосе, где требуется высокая степень извлечения воды.

Более того, подача перерабатываемой упариваемой жидкости на поверхности испарения, отвод из дистиллятора концентрата и конденсата возможны только при наличии гравитации и вертикального расположения аппарата.

Габариты, масса и энергопотребление дистиллятора не отвечают требованиям, предъявляемым для космической аппаратуры.

Задачей предложенного технического решения является повышение эффективности регенерации воды из мочи на борту космической станции, уменьшение массы, габаритов и энергопотребления блока извлечения воды из мочи и системы в целом.

Поставленная задача решается следующим образом. Система регенерации воды из мочи на борту космического летательного аппарата содержит последовательно соединенные блок приема и консервации мочи, блок извлечения воды из мочи, блок сорбционно-каталитической очистки извлеченной воды. Блок приема и консервации мочи содержит дозатор консерванта и смывной воды, сепаратор газожидкостной смеси для отделения воздуха от мочи, сигнализатор поступления консерванта, промежуточный сборник отсепарированной мочи, выполненный в виде трех изолированных одна от другой эластичных емкостей, каждая емкость снабжена датчиком заполнения и опорожнения и электромагнитными клапанами и линию подачи мочи. Блок извлечения воды из мочи включает аппарат упаривания мочи, снабженный циркуляционным контуром мочи со средством ее нагрева, сборник концентрата мочи, соединенный через электромагнитный клапан с циркуляционным контуром мочи, охлаждающий теплообменник, линию отвода конденсата, имеющую промежуточную емкость сбора конденсата с насосом откачки конденсата, линию отвода влажных неконденсирующихся газов с сепаратором. Блок сорбционно-каталитической очистки извлеченной воды состоит из двух колонн, одна из которых послойно содержит катализатор и сорбент, а другая - гранулированные полимерные носители солей, емкостей сбора и хранения воды, датчиков контроля качества воды и электромагнитных клапанов. В системе аппарат упаривания мочи выполнен в виде вакуумного центробежного многоступенчатого дистиллятора и снабжен замкнутым циркуляционным контуром конденсата с размещенными в нем охлаждающим теплообменником и электромагнитными клапанами, линия подачи мочи снабжена насосом и фильтром и соединена с входом вакуумного дистиллятора, линия отвода влажных неконденсирующихся газов дополнительно содержит узел сбора влажных неконденсирующихся газов и эластичную емкость с датчиком заполнения и соединена одним концом с вакуумным дистиллятором, а другим с линией отвода конденсата, при этом узел сбора, сепаратор и эластичная емкость установлены последовательно. Узел сбора неконденсирующихся газов включает ресивер, выполненный в виде эластичной емкости, установленной в жестком корпусе, вакуум-насос и микронагнетатель воздуха, соединенные через электромагнитные клапаны с полостью между корпусом и эластичной емкостью ресивера, кроме того, промежуточная емкость сбора конденсата линии отвода конденсата дополнительно соединена с линией отвода влажных неконденсирующихся газов.

Предпочтительно систему дополнительно снабдить тепловым насосом, выполненным в виде парового компрессора, рабочая полость которого соединена с дистиллятором, при этом средство нагрева мочи циркуляционного контура мочи выполнено в виде теплообменника, расположенного на электродвигателе вышеназванного компрессора, а циркуляционный контур конденсата снабжен байпасной линией с электромагнитным клапаном.

Целесообразно средство нагрева мочи выполнить в виде термоэлектрического теплового насоса, и соединить его с циркуляционным контуром конденсата.

Целесообразно циркуляционный контур мочи дистиллятора снабдить теплообменником.

Предпочтительно промежуточную емкость сбора конденсата выполнить в виде корпуса с двумя крышками и направляющей, двух поршней разного диаметра, закрепленных на концах штока, установленного в направляющей, двух кольцевых эластичных элементов, герметично соединенных по внутренней окружности с поршнями, а по внешней окружности со стенками корпуса, при этом поршни с кольцевыми эластичными элементами образуют три камеры, первая из которых образована поршнем большого диаметра и крышкой и соединена с линией отвода конденсата, вторая камера образована поршнем малого диаметра и крышкой и соединена с линией отвода влажных неконденсирующихся газов, а третья камера - между двумя поршнями, снабжена двумя микропереключателями и соединена с атмосферой.

Поставленная задача решается также тем, что в вакуумном центробежном дистилляторе, преимущественно для регенерации воды из мочи на борту космического летательного аппарата, включающем корпус, электродвигатель, установленный в корпусе с возможностью вращения полый ротор, укрепленные на роторе теплообменные тарелки, образующие зону испарения перерабатываемой жидкости и зону конденсации, узел сепарации, разделяющий зоны испарения и конденсации, устройства распределения перерабатываемой жидкости, циркуляционный контур перерабатываемой жидкости со средством ее нагрева, линию подачи перерабатываемой жидкости и линии отвода конденсата, неконденсирующихся газов и концентрата. Дистиллятор выполнен многоступенчатым и дополнительно содержит камеру сбора конденсата, циркуляционный контур конденсата, включающий охлаждающий теплообменник и электромагнитные клапаны, причем входной патрубок контура расположен на периферии камеры сбора конденсата и выполнен в виде черпака, а выходной патрубок - в центральной части камеры сбора конденсата. Дистиллятор дополнительно содержит также неподвижный полый ввод, закрепленный на корпусе и установленный коаксиально в центральной части ротора с расположенными в нем подводящими и отводящими линиями. Ступени дистиллятора отделены друг от друга в зонах испарения гидрозатворами, а в зонах конденсации дисками с отверстиями для сброса неконденсирующихся газов, образующими со стенкой ротора гидрозатворы для перетока конденсата. Вход циркуляционного контура перерабатываемой жидкости расположен на периферии зоны испарения первой ступени и выполнен в виде черпака, а выход контура - в центральной части зоны испарения первой ступени. Зоны испарения каждой ступени соединены последовательно каналами перетока, устройства распределения перерабатываемой жидкости включают в себя каналы перетока, снабженные на входе и выходе черпаками, и отводные трубки, сливные отверстия которых направлены на центральные части теплообменных тарелок и гидрозатворы. Сепарационные узлы выполнены в виде сепарационных тарелок, ребра которых входят в зазоры между ребрами теплообменных тарелок, и снабжены пористой набивкой. Выход линии подачи исходной перерабатываемой жидкости снабжен черпаком и расположен на периферии зоны испарения последней ступени, вход линии отвода конденсата снабжен черпаком и расположен на периферии камеры сбора конденсата, а вход линии отвода неконденсирующихся газов расположен в центральной части камеры сбора конденсата.

Предпочтительно вакуумный центробежный дистиллятор снабдить тепловым насосом, выполненным в виде парового компрессора, вход которого расположен после узла сепарации последней ступени, а выход - в зоне конденсации первой ступени, при этом средство нагрева перерабатываемой жидкости целесообразно выполнить в виде теплообменника, расположенного на электродвигателе вышеназванного компрессора, а циркуляционный контур конденсата снабдить байпасной линией с электромагнитным клапаном.

Целесообразно средство нагрева циркуляционного контура перерабатываемой жидкости выполнить в виде термоэлектрического теплового насоса, при этом последний соединить с циркуляционным контуром конденсата.

Для предотвращения конденсации пара в полости между ротором и корпусом камеру сбора конденсата со стороны корпуса предпочтительно снабдить теплоизоляцией.

Кроме того, циркуляционный контур перерабатываемой жидкости целесообразно снабдить теплообменником, установленным на статоре электродвигателя дистиллятора.

На фиг. 1 представлена общая схема предложенной системы регенерации воды из мочи на борту космического летательного аппарата.

На фиг. 2 - схема I варианта блока извлечения воды из мочи.

На фиг. 3 - схема II варианта блока извлечения воды из мочи.

На фиг. 4 - схема III варианта блока извлечения воды из мочи.

На фиг. 5 - принципиальная схема центробежного многоступенчатого вакуумного дистиллятора.

На фиг. 6 - вид А фиг. 5.

На фиг. 7 - схема промежуточной емкости сбора конденсата блока извлечения воды из мочи.

Предложенные система и вакуумный центробежный дистиллятор для регенерации воды из мочи на борту космического летательного аппарата отличаются от известных рядом существенных особенностей, суть которых можно пояснить следующим образом.

Длительная эксплуатация (8 лет) системы регенерации воды из мочи на космической станции "Мир" (прототипа заявляемой системы) показала, что блок приема и консервации мочи и блок сорбционно-каталитической очистки извлекаемой из мочи воды работают достаточно эффективно и надежно и могут быть использованы с небольшими доработками для перспективных космических станций, в частности для международной космической станции. Однако блок атмосферной дистилляции прототипа имеет ограничения по производительности и степени рекуперации тепловой энергии и не удовлетворяет техническим требованиям по производительности и энергопотреблению, предъявляемым к системе регенерации воды из мочи для перспективных (в частности международной) космических станций.

Известная система регенерации воды из водосодержащих отходов, в частности мочи (аналог заявляемой системы), с вакуумным узлом дистилляции на основе центробежного дистиллятора с встроенным в него паровым компрессором и блоком внешних перистальтических насосов обладает достаточной производительностью и невысоким энергопотреблением на 1 кг регенерированной воды, однако использование одноступенчатого низкооборотного центробежного дистиллятора (число оборотов центрифуги 180 об/мин) существенно ограничивает возможности такой системы в части повышения ее эффективности, в т.ч. уменьшения габаритов и массы оборудования, повышения надежности работы внешних перистальтических (перекачивающих жидкостных) насосов, сепарационных узлов и пр.

Предлагаемая система регенерации воды из мочи для космической станции на основе высокооборотного (число оборотов ротора 1200-1500 об/мин) многоступенчатого центробежного вакуумного дистиллятора существенно расширяет возможности системы. В многоступенчатом дистилляторе теплота конденсации предыдущей ступени используется для испарения жидкости последующей ступени многократно, что само по себе снижает затраты энергии на испарение по сравнению с теоретически необходимым (исходя из теплоты парообразования) почти в n раз, где n - количество ступеней дистиллятора. При этом общая производительность по испаренной воде в n раз больше, чем в каждой из ступеней. Экспериментальные данные показали, что при работе с трехступенчатым центробежным вакуумным дистиллятором и электрическим нагревателем перерабатываемой жидкости удельное энергопотребление (с учетом энергопотребления двигателя) составило 320 Втч на 1 кг выпаренной воды при производительности 2,5-3 кг/ч, что в 2,2 раза ниже теоретического значения. При шести ступенях дистилляции расчетное значение удельного энергопотребления может составить 140-160 Втч на 1 кг выпаренной воды. Однако при регенерации воды из мочи с необходимым коэффициентом извлечения воды не ниже 90% увеличение числа ступеней приводит к росту концентрации солей и температурной депрессии по ступеням в большей степени, чем при меньшем количестве ступеней, при этом расчеты показывают, что вряд ли целесообразно иметь число ступеней в дистилляторе более четырех-пяти.

Для дальнейшего снижения энергопотребления в предлагаемой системе вместо электрического нагревателя перерабатываемой жидкости предлагается использовать внешний тепловой насос, например термоэлектрический тепловой насос (на основе эффекта Пельтье) или паровой компрессор. Конструкция дистиллятора и системы в целом позволяет использовать любой из предлагаемых вариантов.

При использовании термоэлектрического теплового насоса теплота конденсации последней ступени дистиллятора переносится на более высокий температурный уровень и подогревает мочу, циркулирующую через первую ступень. Использованный в нашей системе термоэлектрический тепловой насос позволил при работе с трехступенчатым центробежным вакуумным дистиллятором снизить удельные затраты энергии до 140 Втч на 1 кг выпаренной воды.

При использовании в качестве теплового насоса парового компрессора пар последней ступени дистиллятора сжимается компрессором и при более высоком давлении и температуре конденсируется на теплообменной поверхности первой ступени, передавая теплоту конденсации моче, орошающей обратную сторону этой поверхности. При испытаниях системы с трехступенчатым центробежным вакуумным дистиллятором и паровым компрессором удельные затраты энергии составили 60 Втч на 1 кг выпаренной воды при производительности 2,5-3 кг/ч. Производительность компрессора по пару примерно в n раз меньше, но в n раз больше его степень сжатия, чем аналогичного компрессора, работающего с одноступенчатым дистиллятором при той же производительности дистиллятора по выпаренной воде. Но поскольку полезная работа сжатия пара мала и не превышает 5 Втч/л, а мощность привода компрессора определяется в основном механическим совершенством конструкции, то, очевидно, при одинаковых числах оборотов компрессор малой производительности по пару будет иметь меньшие габариты, массу и энергопотребление.

Высокие обороты ротора дистиллятора позволяют вместо внешних перистальтических насосов использовать скоростной напор жидкости, и с помощью встроенных в дистиллятор черпаков (черпаковых насосов) обеспечить циркуляцию перерабатываемой жидкости и конденсата, орошение теплообменных поверхностей, а также поступление исходной жидкости в дистиллятор, ее переток по ступеням и автоматическое поддержание уровня жидкости в ступенях.

Высокие обороты ротора дистиллятора обеспечивают высокий фактор разделения, что существенно улучшает работу сепарационных узлов и улучшает качество получаемого конденсата, а также обеспечивают интенсификацию процессов тепло- и массообмена на вращающихся поверхностях, что приводит к уменьшению габаритов и массы дистиллятора.

Подача перерабатываемой жидкости в последнюю ступень дистиллятора с последующим перетоком ее в направлении первой ступени, с организацией циркуляции жидкости через первую ступень и циркуляционный контур позволяет уменьшить влияние роста концентрации перерабатываемой жидкости на рост температурного уровня процесса, на снижение производительности дистиллятора, что в итоге приводит к повышению эффективности работы системы в целом, в том числе к снижению энергозатрат и повышению качества регенерированной воды.

Система регенерации воды из мочи состоит из последовательно соединенных блока приема и консервации мочи, блока извлечения воды из мочи и блока сорбционно-каталитической очистки извлеченной воды.

Блок приема и консервации мочи состоит из мочеприемника 1, эластичной емкости 2 с консервантом, эластичной емкости 3 со смывной водой, дозатора 4 консерванта и смывной воды, центробежного сепаратора 5 газожидкостной смеси для отделения воздуха от мочи, сигнализатора 6 поступления консерванта, вход которого подсоединен к выходу дозатора 4 консерванта и смывной воды, а выход - к входу в сепаратор 5 газожидкостной смеси, вентилятора 7 транспортного воздуха и фильтра 8 вредных примесей.

Кроме того, блок приема и консервации мочи имеет промежуточный сборник отсепарированной мочи, выполненный в виде трех изолированных одна от другой эластичных емкостей, соответственно, 9, 10, 11, две из которых 9 и 10 выполнены одинакового объема, а третья 11 - меньшего. Каждая емкость снабжена датчиком заполнения и опорожнения, соответственно, 12, 13, 14, приемным электромагнитным клапаном, соответственно, 15, 16, 17 и выходным электромагнитным клапаном, соответственно, 18, 19, 20.

Блок приема и консервации мочи соединен с блоком извлечения воды из мочи линией подачи мочи (перерабатываемой жидкости) 21, снабженной насосом подачи мочи 22, байпасной линией с электромагнитным клапаном 23 и фильтром мочи 24.

Блок извлечения воды из мочи состоит из соединенного с линией подачи мочи 21 через приемные электромагнитные клапаны 25 и 26 и предохранительный клапан 27 вакуумного центробежного многоступенчатого дистиллятора 28 с теплообменником 29 на его электродвигателе, средства нагрева мочи, соединенного замкнутым циркуляционным контуром мочи 30 с дистиллятором 28, сборника концентрата мочи 31 с датчиком заполнения 32, соединенного линией отвода концентрата 33 через электромагнитный клапан 34 с циркуляционным контуром мочи 30.

Кроме того, блок содержит соединенный с дистиллятором 28 замкнутый циркуляционный контур конденсата 35 с размещенным в нем охлаждающим теплообменником 36 и двумя электромагнитными клапанами 37 и 38.

А также блок снабжен линией отвода конденсата 39, имеющей промежуточную емкость сбора конденсата 40 с насосом откачки конденсата 41, и линией отвода влажных неконденсирующихся газов 42 с сепаратором 43.

Линия отвода влажных неконденсирующихся газов 42 имеет также первый электромагнитный клапан 44, узел сбора влажных неконденсирующихся газов, второй электромагнитный клапан 45, обратный клапан 46 и эластичную емкость 47 с датчиком заполнения 48.

Линия отвода влажных неконденсирующихся газов 42 соединена одним концом с вакуумным дистиллятором 28, а другим через электромагнитный клапан 49 с линией отвода конденсата 39. При этом первый электромагнитный клапан 44, узел сбора влажных неконденсирующихся газов, второй электромагнитный клапан 45, обратный клапан 46, сепаратор 43 и эластичная емкость 47 установлены последовательно.

Узел сбора неконденсирующихся газов включает ресивер 50, выполненный в виде эластичной емкости, установленной в жестком корпусе, вакуум-насос 51 и микронагнетатель воздуха 52, соединенные через электромагнитные клапаны, соответственно, 53 и 54 с полостью между корпусом и эластичной емкостью ресивера 50.

Линия отвода конденсата 39 дополнительно содержит предохранительный обратный 55 и электромагнитный 56 клапаны.

Промежуточная емкость сбора конденсата 40 присоединена с одной стороны к линии отвода конденсата 39 между клапанами 55 и 56, а с другой стороны с линией отвода влажных неконденсирующихся газов 42.

Циркуляционный контур мочи 30, соединенный с вакуумным дистиллятором 28, снабжен двумя электромагнитными клапанами 57 и 58 и может быть выполнен в трех вариантах.

Согласно первому варианту (фиг. 2) средство нагрева мочи может быть выполнено в виде электрического нагревателя 59.

Согласно второму варианту (фиг. 3) система дополнительно содержит тепловой насос, выполненный в виде парового компрессора 60, рабочая полость которого соединена с дистиллятором 28. При этом средство нагрева мочи циркуляционного контура мочи 30 выполнено в виде теплообменника 61, расположенного на электродвигателе компрессора 60, а циркуляционный контур конденсата 35 снабжен байпасной линией 62 с электромагнитным клапаном 63.

Теплообменник 61 циркуляционного контура мочи 30 соединен последовательно с теплообменником 29 электродвигателя дистиллятора 28, аналогично нагревателю 59 (первого варианта - фиг. 2). Объем мочи в теплообменнике 61 равен объему мочи в нагревателе 59 (фиг. 2), что обеспечивает получение той же степени упаривания мочи.

Согласно третьему варианту (фиг. 4) средство нагрева мочи может быть выполнено в виде термоэлектрического теплового насоса 64, при этом последний соединен с циркуляционным контуром конденсата 35.

Промежуточная емкость сбора конденсата 40 выполнена (фиг. 7) в виде корпуса 65 с двумя крышками, соответственно, 66 и 67 и направляющей 68, двух поршней большого 69 и малого 70 диаметров, закрепленных на концах штока 71, установленного в направляющей 68, двух кольцевых эластичных элементов 72 и 73, герметично соединенных по внутренней окружности с поршнями 69 и 70, а по внешней окружности со стенками корпуса 65. При этом поршни 69 и 70 с кольцевыми эластичными элементами 72 и 73 образуют три камеры - жидкостную 74, вакуумную 75 и промежуточную 76. Жидкостная камера 74 образована поршнем большого диаметра 69 и крышкой 66 и соединена с линией отвода конденсата 39. Вакуумная камера 75 образована поршнем малого диаметра 70 и крышкой 67 и соединена с линией отвода влажных неконденсирующихся газов 42. Промежуточная камера 76 расположена между двумя поршнями 69 и 70, снабжена двумя микропереключателями 77 и 78 и соединена с атмосферой.

Вакуумный центробежный многоступенчатый дистиллятор 28, например, трехступенчатый (фиг. 5, 6) содержит корпус 79, электродвигатель 80, установленный в корпусе 79 с возможностью вращения на подшипниках 81 полый ротор 82, укрепленные на роторе 82 теплообменные тарелки 83, образующие зоны испарения перерабатываемой жидкости 84 и зоны конденсации 85, узел сепарации, разделяющий зоны испарения 84 и конденсации 85 и выполненный в виде сепарационных тарелок 86, ребра которых входят в зазоры между ребрами теплообменных тарелок 83, и пористых набивок 87, устройства распределения перерабатываемой жидкости, циркуляционный контур перерабатываемой жидкости (в частности мочи) 30 со средством ее нагрева, линию подачи перерабатываемой жидкости (в частности мочи) 21 и линии отвода конденсата 39 и неконденсирующихся газов 42.

Кроме того, дистиллятор содержит камеру сбора конденсата 88, циркуляционный контур конденсата 35 и неподвижный полый ввод 89.

Циркуляционный контур конденсата 35 содержит охлаждающий теплообменник 36 и электромагнитные клапаны 37 и 38, причем входной патрубок контура 35 расположен на периферии камеры сбора конденсата 88 и выполнен в виде черпака 90, а выходной патрубок - в центральной части камеры сбора конденсата 88.

Неподвижный полый ввод 89 закреплен на корпусе 79, установлен коаксиально в центральной части ротора 82 и предназначен для расположения подводящих и отводящих линий.

Ступени дистиллятора 28 отделены друг от друга в зонах испарения 84 гидрозатворами 91, а в зонах конденсации 85 - дисками 92 с отверстиями 93 для сброса неконденсирующихся газов, образующими со стенкой ротора 82 гидрозатворы 94 для перетока конденсата.

Вход циркуляционного контура перерабатываемой жидкости 30 расположен на периферии зоны испарения 84 первой ступени и выполнен в виде черпака 95, а выход контура - в центральной части зоны испарения 84 первой ступени.

Зоны испарения 84 каждой ступени соединены последовательно каналами перетока 96.

Устройства распределения перерабатываемой жидкости включают в себя каналы перетока 96, снабженные на входе и выходе черпаками 97, и отводные трубки 98, сливные отверстия которых направлены на центральные части теплообменных тарелок 83 и гидрозатворы 91.

Выход линии подачи исходной перерабатываемой жидкости 21 снабжен черпаком 99 и расположен на периферии зоны испарения 84 последней ступени.

Вход линии отвода конденсата 39 снабжен черпаком 100 и расположен на периферии камеры сбора конденсата 88.

Вход линии отвода неконденсирующихся газов 42 расположен в центральной части камеры сбора конденсата 88.

Камера сбора конденсата 88 со стороны корпуса 79 снабжена теплоизоляцией 101 для предотвращения конденсации пара в полости между ротором 82 и корпусом 79.

Дистиллятор может содержать тепловой насос, выполненный в виде парового компрессора 60, вход 102 которого расположен после узла сепарации последней ступени, а выход 103 - в зоне конденсации 85 первой ступени (второй вариант - фиг. 3).

Кроме того, дистиллятор содержит торцевое уплотнение 104, предназначенное для предотвращения утечек пара из зоны конденсации 85 первой ступени дистиллятора 28 в пространство между корпусом 79 и ротором 82, а также в камеру сбора конденсата 88, лабиринтное уплотнение 105 для защиты от попадания жидкости в линию отвода влажных неконденсирующихся газов 42 и лабиринтное уплотнение 106 для защиты от попадания жидкости на вход 102 парового компрессора 60.

Блок сорбционно-каталитической очистки извлеченной воды, содержит две колонны, одна - колонка очистки 107 - послойно засыпана катализатором и сорбентом, а другая - колонка приготовления питьевой воды 108 - гранулированными полимерными носителями солей, емкости сбора и хранения воды, соответственно, 109 - эластичная емкость технической воды, 110 - эластичная емкость очищенной воды и 111 - эластичная емкость питьевой воды, датчики контроля качества воды 112 и 113 и электромагнитные клапаны 114, 115 и 116. На линиях сбора технической воды установлены предохранительные клапаны 117 и 118.

Система для регенерации воды из мочи и вакуумный центробежный дистиллятор работают следующим образом.

Моча через мочеприемник 1 потоком транспортного воздуха, создаваемого вентилятором 7, транспортируется в центробежный сепаратор 5, на вход которого дозатором 4 через сигнализатор 6 поступления консерванта подается заранее установленное количество доз консерванта со смывной водой. Отделенный от жидкости в центробежном сепараторе 5 транспортный воздух через фильтр 8 вредных примесей выбрасывается в кабину, смесь консервированной мочи со смывной водой через приемный клапан 17 и один из приемных клапанов 15, 16 поступает в эластичные емкости 9, 11 или 10, 11 разного объема, заполнение и опорожнение которых контролируется датчиками 12, 14 и 13. Емкости 9, 10 имеют одинаковый объем (поочередно в одну из них собирается моча, а из другой моча поступает на дистилляцию), а емкость 11 - меньший объем, равный объему циркуляционного контура мочи 30 блока извлечения воды из мочи. При заполнении емкостей 9 и 11 или 10 и 11 по сигналу от соответствующих датчиков 12 и 14 или 13 и 14 начинается цикл регенерации воды из мочи - происходит закрытие клапана 17, переключение приемных клапанов 15 и 16 (клапан перед заполненной емкостью закрывается, а перед опорожненной - открывается), открытие соответствующего выходного клапана 18 или 19 и выдача команды на включение в работу блока извлечения воды из мочи.

В случае выполнения средства нагрева мочи в виде нагревателя 59 блок извлечения воды из мочи работает следующим образом.

Исходное состояние оборудования блока извлечения воды из мочи перед получением команды на включение его в работу:

- все клапаны закрыты;

- циркуляционный контур конденсата 35, включая охлаждающий теплообменник 36 и все зоны конденсации 85 дистиллятора 28, заправлены водой;

- циркуляционный контур мочи 30, включая нагреватель 59 и все зоны испарения 84 дистиллятора 28, заправлены мочой (перерабатываемой жидкостью). Возможно при первом включении блока извлечения воды из мочи проводить самозаправку циркуляционного контура 30 мочой (перерабатываемой жидкостью);

- вход 102 и выход 103 парового компрессора 60 заглушены.

По команде на включение в работу блока извлечения воды из мочи подается питание на электродвигатель 80 центробежного многоступенчатого вакуумного дистиллятора 28. По сигналу датчика оборотов о достижении ротором 82 дистиллятора 28 заданной частоты вращения происходит включение вакуум-насоса 51 и открытие клапанов 44, 53. Дистиллятор 28 вакуумируется через линию отвода неконденсирующихся газов 42 и по достижении заданного (установившегося) значения вакуума в узле сбора неконденсирующихся газов происходит закрытие клапана 53, отключение вакуум-насоса 51, открытие клапанов 23, 25, 57, 58, 37, 38, подача питания на электрический нагреватель 59.

Моча, находящаяся при атмосферном давлении, по линии подачи мочи 21 (клапан 23, фильтр мочи 24, клапан 25, предохранительный клапан (редуктор) 27 и черпак 99) самотеком поступает в последнюю ступень дистиллятора 28, находящегося под вакуумом. Моча последовательно перетекает во все ступени дистиллятора 28 по каналам перетока 96.

Поступление мочи в дистиллятор 28 автоматически регулируется предохранительным клапаном (редуктором) 27 по мере затопления или оголения черпака 99 линии подачи мочи 21 (за счет испарения), направленного навстречу вращению ротора 82 и расположенного на его периферии. При этом во всех зонах испарения 84 на их периферии образуются вращающиеся кольца жидкости, в которые погружены неподвижные по отношению к вращающемуся ротору 82 черпаки 97 устройства распределения перерабатываемой жидкости и черпак 95 циркуляционного контура мочи 30. Отводные трубки 98 устройства распределения перерабатываемой жидкости подают исходную перерабатываемую жидкость (мочу) с периферии зон испарения 84 на центральные части теплообменных тарелок 83, откуда под действием центробежных сил она тонкой пленкой снова стекает к периферии зон испарения 84.

Образовавшийся в зоне испарения 84 первой ступени пар через пористую набивку 87 сепарационного устройства поступает в зону конденсации 85, где конденсируется на теплообменной тарелке 83 зоны испарения 84 второй ступени, орошаемой с противоположной стороны упариваемой жидкостью, которая подогревается до температуры насыщения, и начинает испаряться. Образовавшийся во второй ступени пар через пористую набивку 87 сепарационного устройства поступает в зону конденсации 85 для нагрева жидкости в зоне испарения 84 третьей ступени и т.д. Пар, образовавшийся в последней ступени дистиллятора 28, конденсируется на внешней стороне камеры сбора конденсата 88, на внутреннюю сторону которой подается конденсат из циркуляционного контура 35, охлажденный в теплообменнике 36.

Гидрозатворы 94 дисков 92 при работе заливаются конденсатом, что устраняет перетекание пара из одной ступени в другую, а конденсат со всех зон конденсации 85 беспрепятственно сливается из ступени в ступень, а затем в камеру сбора конденсата 88, откуда черпаком 100 через предохранительный клапан (внешний редуктор) 55 конденсат подается в промежуточную емкость сбора конденсата 40.

Неконденсирующиеся газы сбрасываются последовательно из зоны конденсации 85 с большим давлением в зону конденсации 85 с меньшим давлением через отверстия 93 дисков 92 и удаляются из дистиллятора по линии отвода неконденсирующихся газов 42. Для контроля дистиллятора от аварийного переполнения упариваемой жидкостью или конденсатом в последней ступени испарения 84 и в камере сбора конденсата 88 установлены датчики давления (на фиг. 5 не показано).

В первой ступени черпак 95, расположенный на периферии ротора 82, прокачивает упариваемую мочу (перерабатываемую жидкость) по циркуляционному контуру мочи 30 (клапан 57, теплообменник 29 электродвигателя 80 дистиллятора 28, нагреватель 59, клапан 58), где она подогревается до температуры, превышающей температуру насыщения при данном давлении в дистилляторе 28, и возвращает подогретую упариваемую мочу на теплообменную тарелку 83 в первую ступень дистиллятора 28, где происходит ее частичное самоиспарение за счет перегрева. По мере поступления перерабатываемой жидкости на упаривание в циркуляционном контуре мочи 30 в первой ступени растет концентрация солей. Заданная конечная концентрация солей (степень извлечения воды из исходной жидкости) определяется объемом циркуляционного контура 30 и количеством поступившей на упаривание жидкости. Конденсат, образующийся во всех зонах конденсации 85, сливается в камеру сбора конденсата 88, откуда черпаком 90 прокачивается по циркуляционному контуру конденсата 35 (клапан 38, охлаждающий теплообменник 36 (охлаждаемый хладагентом), клапан 37) и возвращается в камеру сбора конденсата 88. С помощью охлажденного конденсата конденсируется пар, образовавшийся в последней ступени испарения 84 дистиллятора 28. По мере поступления конденсата в камеру сбора конденсата 88 черпак 100 подает конденсат через предохранительный клапан (редуктор) 55 в промежуточную емкость сбора конденсата 40.

Промежуточная емкость сбора конденсата 40 работает следующим образом.

Давление воздушной среды в промежуточной камере 76 обеспечивает создание необходимого превышения давления в жидкостной камере 74 относительно вакуумной камеры 75, величина которого определяется соотношением площадей большого и малого поршней, соответственно, 69 и 70.

Поступление конденсата в жидкостную камеру 74 происходит тогда, когда его давление после предохранительного клапана 55 превысит давление в камере 74. При этом шток 71 с поршнями 69 и 70 перемещается в направлении микропереключателя 77. При заполнении жидкостной камеры 74 поршень 69 нажимает на приводной элемент (кнопку) микропереключателя 77, который выдает сигнал на открытие электромагнитного клапана 56 и включение насоса откачки конденсата 41, который подает конденсат в блок сорбционно-каталитической очистки извлеченной воды. При откачке конденсата из жидкостной камеры 74 шток 71 с поршнями 69, 70 перемещается в обратном направлении, пока поршень 70 не нажмет на приводной элемент (кнопку) микропереключателя 78, по сигналу которого закрывается электромагнитный клапан 56 и отключается насос откачки конденсата 41.

При получении сигнала от датчика 13 или 12 об опорожнении емкости 10 или 9 происходит закрытие клапана 19 или 18, открытие клапана 20 и выдается сигнал на замещение упаренного раствора (концентрата), накопившегося в циркуляционном контуре мочи 30 в блоке извлечения воды из мочи, по которому происходит снятие питания с электрического нагревателя 59, закрытие клапанов 23, 25, 57, 58, 37, 38, открытие клапанов 26, 34 и включение насоса 22. Концентрат из циркуляционного контура мочи 30 (исключая дистиллятор 28) насосом 22 вытесняется мочой из емкости 11 через клапаны 20, 26 и 34 в сборник концентрата мочи 31 до получения сигнала от датчика 14 об опорожнении емкости 11, по которому происходит закрытие клапана 20, открытие клапана 17 и выдается сигнал на отключение блока извлечения воды из мочи. По этому сигналу происходит отключение насоса 22, закрытие клапанов 26, 34, 44, снятие питания с электродвигателя 80 дистиллятора 28, открытие клапанов 54, 45, включение микронагнетателя воздуха 52, при этом за счет давления, создаваемого микронагнетателем воздуха 52 между эластичной емкостью и корпусом ресивера 50, эластичная емкость сжимается и неконденсирующиеся газы вместе с сконденсировавшимися парами воды из нее выдавливаются через клапан 45 и обратный клапан 46 в сепаратор 43, откуда неконденсирующиеся газы выбрасываются в атмосферу, а конденсат поступает в эластичную емкость 47. Через заданное время закрывают клапаны 45, 54 и отключают микронагнетатель воздуха 52. На этом цикл регенерации воды из мочи заканчивается. По заполнении емкости 31 (по датчику 32) концентратом ее заменяют на пустую. При получении сигнала от датчика 48 о заполнении емкости конденсата 47 происходит открытие клапана 49, включение насоса откачки конденсата 41 и конденсат подается в блок сорбционно-каталитической очистки извлеченной воды. По сигналу датчика 48 об опорожнении емкости 47 происходит закрытие клапана 49 и отключение насоса откачки конденсата 41.

В случае снабжения системы тепловым насосом, выполненным в виде парового компрессора 60, рабочая полость которого соединена с дистиллятором 28 (второй вариант, фиг. 3), а средство нагрева мочи циркуляционного контура мочи 30 выполнено в виде теплообменника 61, расположенного на электродвигателе компрессора 60, блок извлечения воды из мочи работает аналогично работе схемы с нагревателем 59.

Отличия в работе блока извлечения воды из мочи по сравнению со схемой с нагревателем 59 состоят в следующем:

- вместо нагревателя 59 по тем же командам (сигналам) включают и отключают компрессор пара 60;

- в циркуляционном контуре конденсата 35 клапаны 37, 38 остаются закрытыми, а вместо них по тем же командам открывают и закрывают клапан 63. Клапаны 37, 38 открываются только в случае повышения температуры упариваемой мочи (перерабатываемой жидкости) до предельно заданного значения;

- упариваемая моча из циркуляционного контура мочи 30 через клапан 58 поступает на орошение теплообменной тарелки 83 первой ступени дистиллятора 28. При этом ее нагрев в теплообменнике 29 электродвигателя дистиллятора 28 и теплообменнике 61 компрессора 60 обеспечивает лишь компенсацию тепловых потерь для достижения необходимого температурного уровня процесса дистилляции. Испарение мочи (перерабатываемой жидкости) в первой ступени происходит за счет теплоты конденсации пара, образовавшегося в зоне испарения 84 последней ступени, который, пройдя сепарационное устройство, откачивается компрессором 60 через вход 102, сжимается им и через выход 103 поступает на противоположную сторону теплообменной тарелки 83 зоны конденсации 85 первой ступени дистиллятора 28, где конденсируется при более высоких значениях температуры и давления.

В случае использования в качестве средства нагрева мочи термоэлектрического теплового насоса 64 блок извлечения воды из мочи работает аналогично работе схемы с нагревателем 59 (третий вариант, фиг. 4).

При этом подача электрического питания переводится на термоэлектрической тепловой насос 64 (вместо нагревателя 59), а конденсат прокачивается по циркуляционному контуру конденсата 35 через клапан 38, теплообменник холодной стороны термоэлектрического теплового насоса 64, охлаждающий теплообменник 36 (охлаждаемый хладагентом) и клапан 37 возвращается в камеру сбора конденсата 88 дистиллятора 28. В термоэлектрическом тепловом насосе 64 за счет эффекта Пельтье часть теплоты конденсации пара последней ступени дистиллятора 28 передается от конденсата, циркулирующего через холодный теплообменник теплового насоса 64, к моче (перерабатываемой жидкости), циркулирующей через горячий теплообменник теплового насоса 64, нагревая при этом мочу. Электрическое (Джоулево) тепло, выделяемое в термоэлектрическом тепловом насосе 64, также идет на нагревание мочи, а соответствующая теплота конденсации отводится от циркулирующего конденсата в охлаждающем теплообменнике 36, охлаждаемом хладагентом.

Объем мочи в теплообменнике горячей стороны термоэлектрического теплового насоса 64 равен объему мочи в нагревателе 59, что обеспечивает получение той же степени упаривания мочи, что и в схеме с нагревателем 59.

Насосом откачки конденсата 41 блока извлечения воды из мочи образующийся конденсат подается в емкость 3 смывной воды и прокачивается через датчик контроля качества воды 112, колонки 107 очистки от вредных примесей, датчик контроля качества воды 113 колонки 108 приготовления питьевой воды. Дистиллированная вода поступает в эластичную емкость очищенной воды 110, а питьевая вода - в эластичную емкость питьевой воды 111. В колонках 107 проводят сорбционно-каталитическую очистку от вредных примесей на послойно засыпанных активированном угле с катализатором и анионите с катионитом, а в колонках 108 для приготовления питьевой воды проводят соленасыщение, обеззараживание и консервирование очищенной в колонках 107 воды.

В случае получения сигнала датчика контроля качества воды 120 поступлении загрязненного конденсата закрывается клапан 114, и конденсат поступает в эластичную емкость технической воды 109, а при получении сигнала от датчика контроля качества воды 113 о плохом качестве очищенной воды закрывается клапан 115, и вода также поступает в эластичную емкость технической воды 109, откуда она может быть использована в качестве смывной воды. Для получения только дистиллированной воды для системы электролиза воды закрывают клапан 116.

Таким образом, заявляемая система позволила решить проблему регенерации воды из мочи в условиях микрогравитации. Результаты исследований, расчетно-экспериментальный анализ показали эффективность работы системы в целом и подсистемы (блока) вакуумной дистилляции. Система характеризуется следующими показателями:

- производительность 2,5-3,0 кг/час;

- удельное энергопотребление 320 Втч/кг H₂O при работе с электронагревателем в циркуляционном контуре мочи, 140 Втч/кг H₂O - с термоэлектрическим тепловым насосом и 60 Втч/кг H₂O - с паровым компрессором;

- коэффициент извлечения воды - не менее 90%.

Заявляемая система отвечает высоким техническим требованиям по производительности, энергопотреблению, массе и габаритам.

Более того, использование заявляемого центробежного многоступенчатого вакуумного дистиллятора в совокупности с нагревателем, парокомпрессионным или термоэлектрическим тепловыми насосами обеспечивает полноту рекуперации тепловой энергии и тем самым снижение энергозатрат.

Разработанная конструкция центробежного вакуумного многоступенчатого дистиллятора позволяет устранить побочные процессы дистилляции, связанные с перегревом и разложением мочи. Подача перерабатываемой жидкости в последнюю ступень дистиллятора с последующим перетоком ее в направлении первой ступени, с организацией циркуляции жидкости через первую ступень и циркуляционный контур позволяет уменьшить влияние роста концентрации перерабатываемой жидкости на рост температурного уровня процесса, на снижение производительности дистиллятора, что в итоге приводит к повышению эффективности работы системы в целом, в том числе к снижению энергозатрат и повышению качества регенерированной воды.