Система регенерации воды из конденсата атмосферной влаги Российский патент 2023 года по МПК B64G1/48 

Предлагаемое изобретение относится к области создания регенерационных физико-химических максимально замкнутых систем жизнеобеспечения экипажа космического аппарата длительного функционирования.

Изобретение также может быть использовано и в специальных гермообъектах различного назначения.

Известен общий подход к разработке системы жизнеобеспечения для пилотируемого космического аппарата, основанный на круговороте (регенерации) основных веществ - кислорода и воды (Гузенберг А.С.Регенерация и кондиционирование воздуха. // Космическая биология и медицина / О.Г. Газенко, А.И. Григорьев (Россия); А.Е. Никогосян, СР. Молер (США), ред. М., 1994. Т. 2. С.252-312; Синяк Ю.Е., Гайдадымов В.Б., Скуратов В.М., Зауер Р.Л., Муррей Р.У. Водообеспечение экипажей. // Космическая биология и медицина / О.Г. Газенко, А.И. Григорьев (Россия); А.Е. Никогосян, С.Р. Молер (США), ред. М., 1994. Т. 2. С.337-374).

Что касается воды, то различные водосодержащие отходы в космическом аппарате регенерируются в индивидуальных для каждого источника воды подсистемах.

Каждая подсистема регенерации воды объединяется с одним или несколькими устройствами, в которых осуществляется сбор водосодержащих отходов. Так, подсистема регенерации воды из конденсата атмосферной влаги сочетается с холодильно-сушильным агрегатом, в котором осуществляется регулирование температуры и влажности атмосферы аппарата и сбор конденсата атмосферной влаги. Подсистема регенерации воды из санитарно-гигиенических отходов соединяется с душевым и умывальным устройствами, а подсистема регенерации воды из мочи - с ассенизационным устройством (Синяк Ю.Е., Гайдадымов В.Б., Скуратов В.М., Зауер Р.Л., Муррей Р.У. Водообеспечение экипажей. // Космическая биология и медицина / О.Г. Газенко, А.И. Григорьев (Россия); А.Е. Никогосян, С.Р. Молер (США), ред. М., 1994. Т. 2. С 361).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является система регенерации воды из конденсата атмосферной влаги, включающая следующие основные процессы: разделение газожидкостной смеси, очистку конденсата от вредных примесей, обогащение минеральными компонентами, консервацию ионами серебра и подогрев. В основу технологического процесса регенерации положен принцип сорбционной очистки ионообменными смолами (катеонитами и анионитами) и активированными углями. Первые предназначены для удаления ионизированных соединений, вторые - органических веществ - неэлектролитов. Система регенерации воды из конденсата атмосферной влаги содержит вентилятор, холодильно-сушильный агрегат, разделители газовой и жидкостной фаз, насосы, колонки с сорбентом для очистки конденсата, кондуктометрический датчик, блок кондиционирования минерального состава регенерированной воды, контейнеры питьевой воды, блок раздачи и подогрева воды. (Синяк Ю.Е., Гайдадымов В.Б., Скуратов В.М., Зауер Р.Л., Муррей Р.У. Водообеспечение экипажей. // Космическая биология и медицина / О.Г. Газенко, А.И. Григорьев (Россия); А.Е. Никогосян, С.Р. Молер (США), ред. М., 1994. Т. 2. С.367-368).

Вместе с конденсатом атмосферной влаги на вход в систему регенерации поступают микроорганизмы, дополнительно загрязняющие блок колонок очистки и размножающиеся в системе регенерации в целом.

Для предотвращения роста микрофлоры на сорбентах во входных и финишных слоях блока колонок очистки конденсата «иногда размещают небольшое количество бактерицидных сорбентов, содержащих серебро или йод», что явно недостаточно. Поэтому проблема стерилизации конденсата атмосферной влаги связана с повышением ресурса сорбентов, входящих в состав блока колонок очистки, за счет полного уничтожения микрофлоры (Синяк Ю.Е., Гайдадымов В.Б., Скуратов В.М., Зауер Р.Л., Муррей Р.У. Водообеспечение экипажей. // Космическая биология и медицина / О.Г. Газенко, А.И. Григорьев (Россия); А.Е. Никогосян, С.Р. Молер (США), ред. М, 1994. Т. 2. С.362).

Недостатками такой системы являются:

- отсутствие стерилизации конденсата атмосферной влаги на входе в систему его регенерации и выходе из нее;

- снижение ресурса работы колонок с сорбентом для очистки конденсата за счет наличия микрофлоры.

Задачей изобретение является предотвращение роста микрофлоры на сорбентах.

Технический результат заявляемого изобретения состоит в обеспечении стерилизации конденсата атмосферной влаги на входе в систему его регенерации и на выходе из нее; повышение ресурса колонок с сорбентом для очистки конденсата.

Технический результат достигается тем, что в систему регенерации воды из конденсата атмосферной влаги, содержащую вентилятор, холодильно-сушильный агрегат, разделители газовой и жидкостной фаз, насосы, колонки с сорбентом для очистки конденсата, кондуктометрический датчик, блок кондиционирования минерального состава регенерированной воды, контейнеры питьевой воды, блок раздачи и подогрева воды, после первого насоса и перед вторым разделителем газовой и жидкостной фаз, вводится СВЧ-устройство для стерилизации поступающего конденсата; после блока кондиционирования минерального состава регенерированной воды и перед контейнерами питьевой воды дополнительно подсоединяется устройство для обработки воды током высокой частоты с одновременным насыщением ее серебром, а на внутренние поверхности трубопроводов, узлов и блоков системы наносится гидрофобное покрытие, например на основе фторопласта.

Применение СВЧ-нагрева для стерилизации конденсата атмосферной влаги на входе в систему его регенерации используется впервые и является неизвестным техническим решением.

При СВЧ-нагреве тепловыделение происходит непосредственно в объеме нагреваемого конденсата и практически без участия механизма теплопроводности. Такой нагрев является скоростным и легко управляемым.

Сочетание СВЧ-нагрева конденсата атмосферной влаги на входе в систему и наличие бактерицидных сорбентов, содержащих серебро или йод, во входных и финишных слоях блока колонок очистки обеспечивает стерилизацию конденсата, зараженного вегетативными формами микроорганизмов.

Применение устройства для подведения тока высокой частоты к регенерированной воде после ее минерализации является неизвестным техническим решением и применяется впервые.

В этом случае высокочастотный ток подводится непосредственно к воде через электроды, расположенные коаксиально по отношению друг к другу, и могут быть выполнены из серебра или с покрытием из серебра, насыщая воду ионами серебра, образующимися под действием высокочастотного тока, уничтожая при этом возможно сохранившуюся остаточную микрофлору. Оптимальная доза серебра в воде при этом определяется экспериментально путем изменения силы высокочастотного тока.

Использование гидрофобного материала для нанесения на различные поверхности в технике известно. Однако, применение такого покрытия на внутренних поверхностях трубопроводов, узлов и блоков системы регенерации воды неизвестно и применяется впервые. Применение такого покрытия усложняет осаждение микроорганизмов в системе в целом и обеспечивает оптимальное функционирование процесса регенерации конденсата атмосферной влаги.

Использование тока высокой частоты на входе в систему регенерации воды из конденсата атмосферной влаги затруднительно из-за низкой удельной электропроводности конденсата (ГОСТ Р50804-95. Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате. Общие медико-технические требования, С.107-108).

Краткое описание рисунка

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется фигурой 1, на которой приведена схема системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги.

Система состоит из: 1 - вентилятора; 2 - холодильно-сушильного агрегата; 3 - разделителей газовой и жидкостной фаз; 4 - насосов; 5 - колонок с сорбентом для очистки конденсата; 6 - кондуктометрического датчика; 7 - блока кондиционирования минерального состава регенерированной воды; 8, 9 - контейнеров питьевой воды; 10 - блока раздачи и подогрева воды; 11 - СВЧ-устройства для стерилизации конденсата; 12 - устройства для обработки воды током высокой частоты.

Заявляемая система включает подсоединенный к вентилятору 1 трубопровод, к которому по ходу движения подключен вход холодильно-сушильного агрегата 2, выход которого соединен со входом первого разделителя газовой и жидкостной фаз 3, к выходу из него подсоединен вход первого насоса 4, выход из него соединен со входом СВЧ-устройства 11 для стерилизации конденсата; к выходу из СВЧ-устройства подключен вход второго разделителя газовой и жидкостной фаз 3, а выход из него ко входу второго насоса 4. Далее выход второго насоса 4 подключен ко входу колонок с сорбентом для очистки конденсата 5, выход из колонок очистки соединен со входом кондуктометрического датчика 6, выход из него соединен со входом блока кондиционирования минерального состава регенерированной воды 7, выход из которого соединен со входом устройства 12 для обработки воды током высокой частоты, выход из него соединен со входом контейнеров питьевой воды 8 и 9, а выход из них - со входом блока раздачи и подогрева воды 10.

Система регенерации воды из конденсата атмосферной влаги функционирует циклично следующим образом (см. фиг.1): вентилятор 1 подает воздух из кабины аппарата на вход холодильно-сушильного агрегата 2 и затем в первый разделитель газовой и жидкостной фаз 3; конденсат, образующийся в холодильно-сушильном агрегате 2 при регулировании влажности атмосферы кабины аппарата, отсасывается первым насосом 4 и подается в первый разделитель газовой и жидкостной фаз 3, где он отделяется от газообразной фазы. Объем порции конденсата ограничивается объемом полости насоса 4. После насоса 4 отсепарированный конденсат собирается в равной по объему полости СВЧ-устройства 11, в котором происходит его нагрев до температуры стерилизации; после этого вторым насосом 4 конденсат отсасывается во второй разделитель газовой и жидкостной фаз 3 с целью отделения растворенной газовой фазы, выделившейся из конденсата при СВЧ-нагреве; далее вторым насосом 4 отсепарированный конденсат подается в блок колонок очистки 5, который содержит последовательно расположенные слои ионитов и активированного угля. Деминерализованная вода поступает в полость кондуктометрического датчика 6, где оценивается ее солесодержание, и направляется в блок кондиционирования регенерированной воды 7. Кондиционирование воды производится путем введения в деминерализованную воду ионов кальция, магния, калия, натрия, бикарбонатов и микроэлементов: фтора и йода. Регенерированная питьевая вода поступает через устройство 12 для обработки воды током высокой частоты в контейнеры питьевой воды 8, 9, откуда потребляется по мере надобности экипажем через блок раздачи и подогрева 10.

СВЧ-устройство 11 для стерилизации конденсата на входе в систему и устройство 12 для обработки воды током высокой частоты на выходе из системы работают асинхронно. После СВЧ-нагрева порции конденсата в статике до температуры стерилизации отключается электропитание СВЧ-устройства 11. При этом в момент отсасывания нагретого конденсата вторым насосом 4 включается электропитание устройства 12 для обработки воды током высокой частоты на выходе из системы. Устройство 12 обеспечивает обработку порции воды в потоке, ограниченной объемом полости насоса 4. По окончании обработки этой порции воды электропитание устройства 12 отключается до начала следующего цикла. Движение жидкости в системе осуществляется порциями по мере ее накопления в холодильно-сушильном агрегате 2.

Таким образом, включение в состав системы регенерации воды из конденсата атмосферной влаги СВЧ-устройства для стерилизации конденсата на входе в систему и устройства для обработки регенерированной воды и насыщения ее серебром на выходе из системы приводит к увеличению ресурса блока колонок очистки конденсата за счет уничтожения вегетативной микрофлоры, загрязняющей блок колонок очистки конденсата и систему в целом. Увеличение ресурса блока колонок очистки конденсата определяется экспериментальным путем.

В системе регенерации воды из конденсата атмосферной влаги также может доочищаться конденсат системы очистки атмосферы, а также вода, образующаяся при переработке диоксида углерода и водорода.

Предлагаемая система регенерации воды из конденсата атмосферной влаги может быть использована в перспективной системе жизнеобеспечения нового поколения.

Изобретение относится к регенерационным системам жизнеобеспечения замкнутого типа, преимущественно для экипажа космического аппарата. Система содержит вентилятор, холодильно-сушильный агрегат, разделители газовой и жидкостной фаз, насосы, колонки с сорбентом для очистки конденсата, кондуктометрический датчик, блок кондиционирования минерального состава регенерированной воды, контейнеры питьевой воды и блок раздачи и подогрева воды. После первого насоса и перед вторым указанным разделителем фаз введено СВЧ-устройство для стерилизации поступающего конденсата. После указанного блока кондиционирования и перед контейнерами питьевой воды подсоединено устройство для обработки воды током высокой частоты с одновременным насыщением ее серебром. На внутренние поверхности трубопроводов, узлов и блоков системы нанесено гидрофобное покрытие, например, на основе фторопласта. Технический результат состоит в повышении ресурса колонок с сорбентом для очистки конденсата атмосферной влаги путем обеспечения стерилизации этого конденсата на входе в систему его регенерации и на выходе из нее. 1 ил.

Система регенерации воды из конденсата атмосферной влаги, содержащая вентилятор, холодильно-сушильный агрегат, разделители газовой и жидкостной фаз, насосы, колонки с сорбентом для очистки конденсата, кондуктометрический датчик, блок кондиционирования минерального состава регенерированной воды, контейнеры питьевой воды, блок раздачи и подогрева воды, отличающаяся тем, что после первого насоса и перед вторым разделителем газовой и жидкостной фаз введено СВЧ-устройство для стерилизации поступающего конденсата, после блока кондиционирования минерального состава регенерированной воды и перед контейнерами питьевой воды дополнительно подсоединено устройство для обработки воды током высокой частоты с одновременным насыщением ее серебром, а на внутренние поверхности трубопроводов, узлов и блоков системы нанесено гидрофобное покрытие, например, на основе фторопласта.