СПОСОБ СЕПАРАЦИИ ЖИДКОСТИ ИЗ ГАЗОЖИДКОСТНОГО ПОТОКА В ГЕРМООБЪЕКТЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК B64G1/60 

Изобретение относится к области систем обеспечения жизнедеятельности экипажей герметичных объектов, например космических кораблей, орбитальных станций, а именно к системам водообеспечения, в которых требуется полное отделение газа от жидкости и жидкости от газа из входящего газожидкостного потока.

Известен способ сепарации жидкости из газожидкостного потока (с извлечением жидкости из газа), при котором газожидкостная смесь проходит через сборник, заполненный влагопоглощающим пористым материалом, выполненным в виде насыпки (шихты) из кубиков с размером грани 7-10 мм. По мере прохождения газожидкостной смеси через насыпку жидкость поглощается, а воздух освобождается от жидкости и поступает в отсек герметичного объекта (Серебряков. - М.: Машиностроение, 1983, с.64).

К недостаткам вышеназванного способа относится отсутствие полного отделения газа от жидкости. После насыщения влагопоглощающего материала на 60% по объему начинается унос жидкости с воздухом, и требуется замена сепаратора или удаление жидкости путем обжатия насыпки. При этом выходящая жидкость будет содержать до 30% воздуха, что не позволяет проводить процесс регенерации и требует еще одной ступени сепарации.

Известен способ сепарации жидкости из газожидкостного потока (с полным разделением жидкости и газа), при котором газожидкостная смесь проходит через канал, ограниченный гидрофильной капиллярно-пористой стенкой. Эффект разделения происходит за счет отсоса жидкости через гидрофильную капиллярно-пористую стенку вследствие перепада давления, не превышающего капиллярное (RU 2070149 C1).

К недостаткам вышеназванного способа можно отнести ограничение по единовременному приему большого объема жидкости вследствие возникающей при этом повышенной нагрузки на капиллярно-пористую стенку, через которую необходимо одновременно выводить поступившую жидкость. Так как при прохождении жидкости пористая стенка постепенно забивается, снижается возможность аппарата по приему жидкости, происходит преждевременная выработка ресурса.

В связи с этим возникла техническая задача разработки способа и устройства сепарации жидкости из газожидкостного потока (с полным разделением жидкости и газа), позволяющих обеспечить прием больших объемов жидкости с обеспечением требуемого качества и ресурса по сепарации.

Технический результат: обеспечивается значительное увеличение ресурса устройства сепарации газожидкостной смеси при одновременном снижении загрязненности отсепарированной жидкости.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показана принципиальная схема способа, где 1 - канал, 2 - пористый влагопоглощающий материал; 3 - предфильтр, 4 - капиллярно-пористая мембрана с большим размером пор, 5 - капиллярно-пористая мембрана с меньшим размером пор, 6 - жидкостная полость.

На Фиг.2 показано устройство для сепарации жидкости из газожидкостного потока, где I - полость входа газожидкостной смеси; II - жидкостная полость; 7 - гайка; 8 - болты; 9 - прокладка; 10 - решетка; 11 - втулка; 12 - уплотнительные кольца; 13 - стержень; 14 - засыпка поливинилформаля; 15 - уплотнительные кольца; 16 - крышка; 17 - корпус; 18 -мембранный элемент; А - вход газожидкостной смеси; Б - выход жидкости; В - выход воздуха.

На Фиг.3 показано устройство для сепарации жидкости из газожидкостного потока с внутренним винтовым каналом.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ сепарации жидкости из газожидкостного потока в условиях невесомости, основанный на использовании капиллярных сил, отличающийся тем, что с целью полного отделения жидкости от газа и газа от жидкости и обеспечения приема больших объемов жидкости и ресурса по сепарации, одновременно осуществляют аккумуляцию жидкости во влагоудерживающем пористом материале, транспорт жидкости через пористый материал к гидрофильной капиллярно-пористой поверхности и отсос жидкости через эту поверхность за счет перепада давления, не превышающего капиллярное. Устройство для сепарации жидкости, состоящее из цилиндрического корпуса с коаксиально встроенным мембранным элементом, образующим кольцевой канал для приема газожидкостного потока, штуцерами входа газожидкостной смеси и выхода газа и жидкости, отличающееся тем, что содержит влагопоглощающий и влагоудерживающий материал, контактирующий с капиллярно-пористой мембраной, функцией которого является полное удаление жидкости из газожидкостного потока и транспортирование жидкости к стенке внутреннего цилиндра. Кроме того, в качестве влагопоглощающего и влагоудерживающего материала используется поливинилформаль пористый, в виде засыпки из кусков размером 3×3, 5×5, 10×10 мм.

Кроме того, в устройстве по Фиг.3 в цилиндрическую полость, образованную капиллярно-пористой мембраной, введен коаксиальный винтовой канал, функцией которого является использование центробежных сил для транспортировки жидкости к капиллярно-пористой мембране и создание перепада давления на мембране.

Решение задачи по приему больших порций жидкости в процессе сепарации жидкости из газожидкостного потока состоит в том, что при проведении процесса сепарации одновременно осуществляются: аккумуляция жидкости во влагоудерживающем пористом материале, транспорт жидкости через пористый материал к гидрофильной капиллярно-пористой поверхности и отсос жидкости через эту поверхность за счет перепада давления, не превышающего капиллярное, при сопутствующей очистке жидкости путем фильтрования. Принципиальная схема способа приведена на Фиг.1. Газожидкостная смесь поступает в канал 1, заполненный поливинилформалем пористым 2. За счет того что поливинилформаль пористый обладает высокой влагопоглощающей способностью, жидкость аккумулируется в засыпке и равномерно распределяется по ее объему, воздух проходит между фрагментами засыпки. Канал приема газожидкостной смеси при изготовлении наполняется засыпкой из поливинилформаля пористого таким образом, чтобы был обеспечен контакт с капиллярно-пористой перегородкой. В жидкостной полости создается разрежение. За счет гидрофильности материалов полупроницаемой капиллярно-пористой перегородки газ не может пройти в жидкостную полость. Капиллярно-пористая перегородка представляет из себя предфильтр 3, мембрану с большим размером пор 4 и мембрану с меньшим размером пор 5, такое расположение позволяет увеличить ресурс устройства. Жидкость под действием перепада давления, не превышающего капиллярное, отсасывается в жидкостную полость 6.

Устройство для сепарации жидкости из газожидкостного потока (Фиг.2) представляет собой цилиндрический корпус с приваренным центральным стержнем 13. Стержень служит для концентричной установки и фиксации: мембранного элемента 18 между уплотнительными кольцами 12, втулки 11 с кольцами резиновыми 12, решетки 10. Все это закрепляется на центральном стержне при помощи гайки 7. Устройство закрывается крышкой 16, которая крепится болтами 8 с гайками 7. Герметичность соединения корпуса с крышкой обеспечивается прокладкой 9. Имеются штуцер А для подвода ГЖС, штуцер Б для отвода отсепарированной жидкости и штуцер В для отвода воздуха из устройства. Стенка мембранного элемента делит устройство на две полости: полость входа газожидкостной смеси I и жидкостную II. Полость входа газожидкостной смеси заполняется кусковой засыпкой 14 из влагопоглощающего и влагоудерживающего посеребренного для подавления микрофлоры материала, например из поливинилформаля пористого. Размер фрагментов кусковой засыпки составляет 3×3, 5×5, 10×10 мм. Организация потоков обеспечивается геометрией корпуса и перепадом давлений на мембране. Герметичность конструкции обеспечивается уплотнениями.

Устройство, обеспечивающее заявленный способ сепарации, работает следующим образом.

В исходном состоянии полость входа газожидкостной смеси устройства заполнена засыпкой из влагопоглощающего материала, мембранный элемент предварительно замочен для обеспечения гидрозатвора. Жидкостная полость II и полость входа газожидкостной смеси I заполнены водным раствором ионного серебра. Перед началом работы отсасывается жидкость из полости входа газожидкостной смеси через жидкостную полость, при этом газ в полость приема газожидкостной смеси поступает из гермообъема. За счет гидрофильности материалов капиллярно-пористой стенки и подбора материалов с критическим перепадом давления выше рабочего газ не может пройти в жидкостную полость, тогда как жидкость проходит из полости приема газожидкостной смеси в жидкостную полость. Устройство готово к работе при заполненной жидкостью жидкостной полости и полости входа газожидкостной смеси без свободной жидкости.

Газожидкостная смесь из системы кондиционирования воздуха поступает через штуцер А в полость входа газожидкостной смеси I устройства. Жидкость аккумулируется засыпкой из влагопоглощающего материала и транспортируется за счет влагопроводности к поверхности капиллярно-пористой стенки, засыпка имеет контакт с капиллярно-пористой стенкой. За счет перепада давлений на капиллярно-пористой стенке осуществляется отсос жидкости из засыпки через капиллярно-пористую стенку в жидкостную полость II (в жидкостной полости обеспечивается разрежение насосом постоянного разрежения). Воздух выходит из полости входа газожидкостной смеси, проходя между фрагментами засыпки из влагопоглощающего материала. При этом решетка, установленная на выходе воздуха, препятствует уносу фрагментов засыпки в атмосферу гермообъема. Серебро, которым покрыта поверхность фрагментов влагопоглощающей засыпки, препятствует зарастанию устройства микрофлорой, в результате чего замедляется процесс выработки ресурса устройства по сепарации жидкости из газожидкостного потока.

Движущей силой процесса сепарации газожидкостной смеси является перепад давления на капиллярно-пористой стенке, созданный за счет разрежения, создаваемого в жидкостной полости, и гидравлического сопротивления канала, по которому движется газожидкостная смесь.

Изобретение позволяет осуществить надежную сепарацию жидкости из газожидкостного потока в условиях невесомости при длительном ресурсе устройства по отсепарированной жидкости.

На Фиг.3 представлен вариант схемы устройства для осуществления заявленного способа сепарации жидкости из газожидкостного потока с винтовым каналом в полости входа газожидкостной смеси I, заполненной поливинилформалем.

Центральный стержень 13 выполнен с наружным винтовым каналом для прохождения газожидкостной смеси. Центробежная сила отбрасывает жидкость на капиллярно-пористую стенку.

Наличие винтового канала и увеличение длины пути прохождения газожидкостной смеси в устройстве уменьшает риск проскока жидкости через штуцер выхода газа В, и, как следствие, повышается качество разделения газожидкостной смеси.

Устройство работает следующим образом.

Газожидкостная смесь поступает в устройство через штуцер А. Газожидкостная смесь проходит по винтовому каналу. Отсепарированная в устройстве вода отводится из устройства через штуцер Б. Газ отводится из устройства через штуцер В.

Анализ заявляемого способа сепарации жидкости из газожидкостного потока в гермообъект и известных технических решений показывает, что не имеется совокупности признаков, тождественных по технической сущности заявляемым. Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипами показывает, что заявленное решение отличается от прототипа использованием новой совокупности отличительных признаков.

Таким образом, заявляемые «способ» и «устройство» соответствуют критерию изобретения «новизна». В литературе и практике отсутствуют сведения о способе, идентичном предложенному, и это не следует явным образом из уровня техники. Заявляемое решение соответствует критерию «изобретательский уровень». Предложенное решение обеспечивает достижение технического результата, реализовано в системах водообеспечения гермообъектов и обеспечивает возможность его многократного воспроизведения, что позволяет сделать вывод об удовлетворении заявляемого технического решения критерию «промышленная применимость».

Экспериментальное обоснование

Проводились лабораторные испытания устройства по сепарации конденсата атмосферной влаги из смеси с воздухом. Испытания показали, что ресурс устройства составляет более 1000 л по конденсату, что соответствует шести штатным разделителям, ресурс которых 150 л. На протяжении всей проверки устройство очищало имитатор конденсата атмосферной влаги примерно в 2 раза по показателю фильтруемости жидкости.

Мембранный фильтр-разделитель МФР, реализующий заявляемые способ и устройство, эксплуатируется на Международной космической станции в составе системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги. На 1 июля 2010 года отсепарировано 1200 л конденсата, ресурс не исчерпан.

Изобретения относятся к области систем обеспечения жизнедеятельности экипажей герметичных объектов, например космических кораблей, орбитальных станций, а именно к способу и к устройству сепарации жидкости. Способ основан на использовании капиллярных сил, в котором одновременно осуществляют аккумуляцию жидкости во влагоудерживающем пористом материале, транспорт жидкости через пористый материал к гидрофильной капиллярно-пористой поверхности и отсос жидкости через эту поверхность за счет перепада давления. Устройство состоит из цилиндрического корпуса с коаксиально встроенным мембранным элементом, штуцерами входа газожидкостной смеси и выхода газа и жидкости. Устройство содержит влагопоглощающий и влагоудерживающий материал, контактирующий с капиллярно-пористой мембраной. Достигается увеличение ресурса устройства сепарации газожидкостной смеси при одновременном снижении загрязненности отсепарированной жидкости. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ сепарации жидкости, основанный на использовании капиллярных сил, отличающийся тем, что, с целью полного отделения жидкости от газа и газа от жидкости и обеспечения приема больших объемов жидкости и ресурса по сепарации, одновременно осуществляют аккумуляцию жидкости во влагоудерживающем пористом материале, транспорт жидкости через пористый материал к гидрофильной капиллярно-пористой поверхности и отсос жидкости через эту поверхность за счет перепада давления.

2. Устройство для сепарации жидкости, состоящее из цилиндрического корпуса с коаксиально встроенным мембранным элементом, образующим кольцевой канал для приема газожидкостного потока, штуцерами входа газожидкостной смеси и выхода газа и жидкости, отличающееся тем, что содержит влагопоглощающий и влагоудерживающий материал, контактирующий с капиллярно-пористой мембраной.

3. Устройство для сепарации жидкости по п.2, отличающееся тем, что в качестве влагопоглощающего и влагоудерживающего материала используется поливинилформаль пористый в виде засыпки из кусков размером 3×3, 5×5, 10×10 мм.