CC BY
37УДК 629.7.048:612.002.68.004.86
применение центробежной вакуумной дистилляции для регенерации воды из урины и санитарно-гигиенической воды на космической станции
© 2020 г. Андрейчук П.О.1, Аракчеев д.в.2, Бобе л.С.2, Железняков А.г.1,
Кочетков А.А.2, романов С.Ю.1, Сальников н.А.2
'Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») Ул. Ленина, 4А, г. Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070, e-mail: post@rsce.ru
2АО «Научно-исследовательский и конструкторский институт химического машиностроения» (АО «НИИхиммаш») Ул. Большая Новодмитровская, 14, г. Москва, Российская Федерация, 127015,
e-mail: info@niichimmash.com
В связи с планированием освоения Луны и дальнего космоса большое значение имеет организация санитарно-гигиенического обеспечения экипажа с замкнутым циклом использования воды. В настоящее время в России и США проводятся работы по исследованию процесса регенерации санитарно-гигиенической воды с использованием обратного осмоса, как наиболее экономичного в части энергозатрат. В то же время, в России разработана и проходит опытную эксплуатацию на Международной космической станции система регенерации воды из урины СРВ -У-РС, основанная на методе вакуумной дистилляции с рекуперацией тепловой энергии, затраты электрической энергии в которой сравнимы с затратами при проведении очистки санитарно-гигиенической воды методом обратного осмоса. Поэтому были организованы и проведены исследования и испытания прототипа комплексной системы регенерации воды из урины и санитарно-гигиенической воды применительно к условиям работы на космической станции. Исследования показали возможность регенерации санитарно-гигиенической воды, в т. ч. в смеси с уриной, методом вакуумной дистилляции в системе типа научной аппаратуры СРВ-У-РС. Полученные результаты обеспечивают разработку комплексной системы регенерации воды из урины и санитарно-гигиенической воды.
Ключевые слова: космическая станция, система жизнеобеспечения, регенерация воды, дистилляция, санитарно-гигиеническая вода, урина, рекуперация энергии.
DOI 10.33950/spacetech-2308-7625-2020-4-21-31
use of rotary vacuum distillation for water recovery from urine and hygiene water aboard the space station
Andreychuk p.O.1, Arakcheev D.V.2, Bobe L.S.2, Zheleznyakov A.G.1, Kochetkov A.A.2, Romanov S.Yu.1, Salnikov N.A.2
1S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin str., Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail:post@rsce.ru
2Scientific research and design institute of chemical engineering (NlIchimmash) 14 Bolshaya Novodmitrovskaya str., Moscow, 127015, Russian Federation, e-mail: info@niichimmash.com
Due to planning of the Moon and deep space exploration programs, the crew sanitary hygiene support with a closed loop of hygiene water assumes great importance. Currently, Russia and the USA are investigating the hygiene water recovery process using reverse osmosis as the most energy efficient method. In the meantime, the urine water processor (SRV-U-RS) based on vacuum distillation method with thermal energy recovery has been developed in Russia and is being tested aboard the ISS. The processor energy consumption is comparable with the energy consumption in hygiene water recovery through reverse osmosis. Therefore, research and testing of a prototype integrated urine water and hygiene water processor as applied to the space station conditions have been arranged and conducted. The investigations demonstrated the recoverability of the hygiene water, including its mixture with urine by vacuum distillation in science hardware SRV-U-RS-type system. The results obtained ensure development of an integrated urine water and hygiene water processing system.
Key words: space station, life support system, water recovery, distillation, hygiene water, urine, energy recovery.
АНДРЕЙЧУК П.О.
АРАКЧЕЕВ д.в.
бобе л.с.
железняков а.г.
кочетков а.а.
романов с.ю.
сальников н.а.
АНДРЕЙЧУК Петр Олегович — начальник сектора РКК «Энергия», e-mail: рetr.аndreychuk@rsce.ru
ANDREYCHUK Petr Olegovich — Head of Subdepartment at RSC Energia, e-mail: рetr.аndreychuk@rsce.ru
АРАКЧЕЕВ Дмитрий Викторович — старший научный сотрудник АО «НИИхиммаш», e-mail: arakcheev@niichimmash.ru
ARAKCHEEV Dmitry Viktorovich — Senior research scientist at NIIchimmash, e-mail: arakcheev@niichimmash.ru
БОБЕ Леонид Сергеевич — доктор технических наук, профессор, начальник отдела АО «НИИхиммаш», e- mail: l_bobe@niichimmash.ru BOBE Leonid Sergeevich — Doctor of Science (Engineering), Professor, Head of Department at NIIchimmash, e-mail: l_bobe@niichimmash.ru
ЖЕЛЕЗНЯКОВ Александр Григорьевич — кандидат технических наук, руководитель Центра РКК «Энергия», e-mail: alexander.g.jeleznyakov@rsce.ru
ZHELEZNYAKOV Aleksandr Grigoryevich — Candidate of Science (Engineering), Head of Center at RSC Energia, e-mail: alexander.g.jeleznyakov@rsce.ru
КОЧЕТКОВ Алексей Анатольевич — главный конструктор АО «НИИхиммаш», e-mail: a_kochetkov@niichimmash.ru
KOCHETKOV Aleksey Anatolyevich — Chief Designer of Nllchimmash, e-mail: a_kochetkov@niichimmash.ru
РОМАНОВ Сергей Юрьевич — доктор технических наук, Первый заместитель генерального директора - первый заместитель главного конструктора, e-mail: post@rsce.ru ROMANOV Sergey Yuryevich — Doctor of Science (Engineering),
First Deputy General Director - First Deputy General Designer of RSC Energia, e-mail: post@rsce.ru
САЛЬНИКОВ Николай Александрович — научный сотрудник АО «НИИхиммаш», e-mail: salnikov@niichimmash.ru
SALNIKOV Nikolay Aleksandrovich — Research scientist at Nllchimmash, e-mail: salnikov@niichimmash.ru
введение
В настоящее время в основном сформирована структура комплекса систем регенерации воды и атмосферы для перспективных космических станций [1]. В состав комплекса систем жизнеобеспечения предполагается ввести средства санитарно-гигиенического обеспечения (ССГО) с водными процедурами и систему регенерации санитарно-гигиенической воды (СРВ-СГ). Организуется замкнутый контур водообеспечения, в котором очистка воды будет проводиться до уровня требований к санитарно-гигиенической воде (СГВ) [2-5]. В результате ранее проведённых исследований [2, 6-8] была показана эффективность регенерации воды методом обратного осмоса при организации автономного цикла использования и очистки СГВ.
В то же время, в России разработана и проходит опытную эксплуатацию на Международной космической станции система регенерации воды из урины (СРВ-У-РС), основанная на методе вакуумной дистилляции с рекуперацией тепловой энергии, затраты электрической энергии в которой сравнимы с затратами при проведении очистки СГВ методом обратного осмоса. Поэтому были организованы и проведены [8-10] исследования и испытания прототипа комплексной системы регенерации воды из урины и СГВ на основе конст-рукторско-технологического макета системы СРВ-У-РС. Исследования показали реализуемость данного способа регенерации. При осуществлении регенерации
СГВ методом вакуумной дистилляции с предварительной фильтрацией достижима степень извлечения чистой воды до 98%. При добавлении урины коэффициент извлечения воды пропорционально уменьшается до 85% при дистилляции только урины.
При извлечении 98% воды из СГВ и конечной концентрации раствора обычного бытового моющего средства «Адажио» 250 г/л химическое потребление кислорода (ХПК) составляет до 40 000 мгО2/дм3. Содержание органических примесей в воде (ХПК), очищенной методом вакуумной дистилляции, составляет 70-90 мгО2/дм3, неорганические примеси практически отсутствуют. Наличие СГВ не отражается на содержании примесей в дистилляте, характерном при переработке урины. После до-очистки дистиллята в системе регенерации воды из конденсата атмосферной влаги СРВ-К2М полученная вода может быть использована для питьевых целей и для электролизного получения кислорода. При этом в системе СРВ-К2М дистиллят проходит каталитическую очистку, на выходе регенерированная вода насыщается минеральными солями и микроэлементами и полностью готова для питья и приготовления пищи.
Среднее энергопотребление системы при работе по схеме с забортным вакуумом не превышает 330 Вт. Удельные энергозатраты на регенерацию составляют не более 85 Вт-ч/л при регенерации натурной СГВ и не более 110 Вт-ч/л — при регенерации смеси урины и СГВ при содержании урины более 75%.
Особенностью процесса совместной регенерации СГВ и урины является режим отвода упаренного раствора. В связи с пенообразованием при работе с СГВ отвод упаренного раствора целесообразно проводить не внешним насосом, а с использованием черпаковых насосов дистиллятора без его остановки и раз-вакуумирования. Кроме того, следует обратить особое внимание на предварительное фильтрование и обеззараживание подаваемой на дистилляцию СГВ.
Полученные результаты создают предпосылки для разработки универсальной системы регенерации воды, способной регенерировать воду из различных источников. Предполагается, что такая система в штатном режиме будет проводить регенерацию воды из одного источника, а при возникновении нештатной ситуации принимать на себя потоки загрязненных вод из других источников.
экспериментальная установка
Исследования проводились на конст-рукторско-технологическом макете системы регенерации воды из урины СРВ-У-РС, структурная схема которой приведена на рис. 1. Проводилась дистилляция имитатора СГВ, натурной СГВ после мытья рук и лица, урины и их смеси в различных соотношениях.
Система регенерации воды из урины основана на методе дистилляции с центробежным многоступенчатым вакуумным дистиллятором (ЦМВД) и термоэлектрическим тепловым насосом (ТТН). Ключевым аппаратом системы является ЦМВД. Встроенные черпаковые насосы и вращающиеся диски (теплообменные поверхности) дистиллятора обеспечивают циркуляцию урины и дистиллята через ТТН и многоступенчатую вакуумную дистилляцию с рекуперацией теплоты конденсации для испарения воды из урины. Теплота конденсации пара, образующегося в 1-й ступени дистиллятора, используется для испарения воды из урины во 2-й ступени, теплота конденсации пара из 2-й ступени — для испарения в 3-й и так далее.
Разность температур конденсации и испарения обеспечивается разностью давлений. Давление уменьшается от ступени к ступени. В 1-й ступени испарение происходит за счёт тепла, получаемого циркулирующей уриной из внешнего источника — ТТН. Вакуум-насос ВН-1 осуществляет первичное вакуумирование дистиллятора и ресивера; ВН-2 вакуумирует корпуса ёмкости дистиллята (Е-Д объёмом 5,1 л), ёмкости для воды (ЕДВ) с уриной или СГВ (ЕДВ-У (СГВ)) и ёмкости-ресивера (Е-Р); ВН-3 дополнительно вакуумирует дистиллятор при работе в режиме дистилляции.
Система работает циклически по следующему алгоритму: вакуумирова-ние дистиллятора и ёмкостей; дистилляция воды из урины (подаваемой из ЕДВ-У) до заполнения ёмкости Е-Д; вытеснение насосом МН упаренного раствора из контура дистилляции в ёмкость ЕДВ-О исходной уриной из ЕДВ-У; перекачка дистиллята из ёмкости Е-Д в ёмкость ЕДВ-Д для последующей до-очистки и потребления.
Рис. 1. Система регенерации воды из урины СРВ-У-РС: ЦМВД — центробежный тг
Далее цикл повторяется.
многоступенчатый дистиллятор; ТТН — термоэлектрический тепловой насос; ^ 1
МН — насос откачки концентрата; ВН-1, ВН-2, ВН-3 — вакуум-насосы; СС — статический Дистиллят из ёмкос-
сепаратор; Ф — сменный фильтр; Е-Р — ёмкость-ресивер; Е-Д — ёмкость заданного ти ЕДВ-Д подаётся бло-
объёма (5,1 л) для приёма дистиллята; НД — насос откачки дистиллята; ЕДВ-У (СГВ) — х^.-.,.,, „„„,,,„ »-пцттоцсчгп ти ^ , л ^ -л ч ти тт ком подачи конденссна
емкость ЕДВ с уриной (исходной санитарно-гигиенической водой); ЕДВ-Д — емкость ТТОЛД
ЕДВ для дистиллята; ЕДВ-О — ёмкость для остатка (концентрата); СТР — система в систему СрВ А,2!^
терморегулирования; Р — редуктор вакуумной линии, соединенной с космическим вакуумом проходит сорбционно-
каталитическую очистку, соленасыщение, пастеризацию и используется для потребления. Дистиллят после сорбционно-каталитической очистки может также подаваться на электролизное получение кислорода.
Коэффициент извлечения воды из исходной жидкости определяется соотношением
К =
V
Е-Д
(^-Д + Кр) '
(1)
где 7е-д — объём ёмкости Е-Д, равный 5,0-5,2 л; V — объём промывающей жидкости, подаваемой насосом МН, задаваемый с пульта управления (0-1,5 л со скважностью 25 мл).
Ожидаемые энергетические параметры при работе на СГВ с использованием космического вакуума. В пятиступенчатом дистилляторе коэффициент рекуперации тепловой энергии (при КПД = 0,9) составляет 4,5. В ТТН, установленном в контуре циркуляции урины (СГВ) и конденсата, тепло конденсации для нагрева урины (СГВ) дополнительно рекуперируется с тепловым коэффициентом & = 2,2-3,5 в зависимости от разности температур между горячим и холодным контурами. Таким образом, средний суммарный коэффициент рекуперации тепловой энергии составляет ~12,8. При мощности ТТН 215 Вт производительность ЦМВД составит (215 Вт ■ 12,8) : 680 Вт-ч/л = 4 л/ч (680 Вт-ч/л — скрытая теплота испарения воды). С учётом мощности привода (115 Вт) удельные затраты составят 330 : 4 = 82,5 Вт-ч/л. Общий выигрыш в затратах энергии на дистилляцию составит 8,2.
регенерация имитатора санитарно-гигиенической воды
Испытания проводились на имитаторе СГВ, представлявшем собой раствор обычного антибактериального моющего средства (МС) — жидкого мыла «Адажио» -в дистиллированной воде. На основании проведённых ранее натурных экспериментов по мытью рук и лица, душевым процедурам и стирке белья [2, 8] начальная концентрация моющего средства была принята 5 г/л. Исследования проводились при максимальных коэффициентах извлечения воды до 0,98-0,99, концентрация МС в ЦМВД составляла при этом 250-500 г/л. В соответствии
с соотношением (1), объём (V ) отводимого упаренного раствора (концентрата) составлял 100-50 мл соответственно коэффициенту извлечения. Работа системы проводилась в режиме имитации забортного вакуума.
При дистилляции имитатора СГВ с концентрацией МС 5 г/л при коэффициенте извлечения чистой воды 0,98 (отвод 100 мл концентрата) после выхода на стационарный режим концентрация МС в ЦМВД в конце цикла дистилляции составляла 250 г/л — процесс проходил устойчиво. Гидроавтоматы системы СРВ-У-РС и черпаки ЦМВД работали штатно, без замечаний. Уноса пены в вакуумную магистраль для сброса газов при номинальных оборотах ротора ЦМВД (п = 1 100 об/мин) во время вакуумирования и проведения дистилляций не обнаружено. Параметры дистилляции имитатора СГВ не отличаются от параметров работы на дистиллированной воде.
При работе в режиме вытеснения концентрата наблюдалось снижение объёма доз насоса МН (см. рис. 1): число ходов насоса превышало расчётное, необходимое для отвода 100 мл жидкости. Вероятной причиной является пено-образование. Необходимо отработать режим отвода концентрата за счёт напорного черпака при вращении ЦМВД. Кроме того, при концентрации МС в циркуляционном контуре, превышающей 250 г/л, наблюдалось снижение скорости вращения ЦМВД до 1 000 об/мин, которая в ряде случаев восстанавливалась до штатных значений (1 100+50 об/мин). При снижении оборотов наблюдался унос пены в вакуумную магистраль для сброса газов. Указанные явления объясняются повышением уровня жидкости в дистилляторе за счёт снижения давления на черпаковом насосе подпитки при образовании пены.
При дистилляции имитатора СГВ с концентрацией в циркуляционном контуре 500 г/л скорость вращения ЦМВД снижалась до 300-500 об/мин и не восстанавливалась. Дистилляция прерывалась. При повторном включении с данной концентрацией в контуре дистиллятор не выходил на заданные обороты и аварийно останавливался. Вероятно, это вызвано частичным или полным переходом имитатора СГВ из жидкого состояния в состояние плотной пены, при работе
на которой на черпаке подпитки не создаётся необходимое противодавление. Для лучшего понимания специфики работы на СГВ с концентрацией МС большей, чем 250 г/л, и определения мероприятий по доработке ЦМВД необходимы дополнительные исследования. Можно повысить равномерность концентрирования СГВ путём введения в циркуляционный контур ёмкости постоянного объёма. Такая организация дистилляции повысит стабильность работы ЦМВД при концентрировании СГВ.
Качество дистиллята, полученного при экспериментах по дистилляции имитатора СГВ, оценивалось по содержанию органических примесей — бихромат-ной окисляемости (ХПК), и по содержанию неорганических примесей — удельной электропроводности (УЭП). Данные по качеству дистиллята (конденсата) представлены на рис. 2 и 3.
100 200 300 400 500 Концентрация MC в контуре, г/л
Рис. 2. Изменение бихроматной окисляемости (ХПК) дистиллята (конденсата) имитатора санитарно-гигиенической воды в зависимости от концентрации моющего средства в контуре
160
-У 120
О
К
100 80 60 40 20
0
1 1 1 УЭП, ХПК со = 1 1 1 1 1 1 1 1 зтяетстяую! идя 3
50 мгО Л м
/
о
■ ► % <
4 ч <
00 200 300 400 500 Концентрация МС в контуре, г/л
Рис. 3. Изменение удельной электропроводности (УЭП) дистиллята (конденсата) имитатора санитарно-гигиенической воды в зависимости от концентрации моющего средства в контуре
Результаты подтвердили практическое отсутствие капельного уноса жидкости из зоны испарения в зону конденсации. Как видно, показатели ХПК и УЭП значительно ниже нормируемых ГОСТ [3]
для очищенной СГВ. Следует отметить, что содержание примесей в фильтрате при обратноосмотической очистке имитатора СГВ несколько выше, чем при дистилляции. Проведённые испытания по очистке дистиллята в макете блока сорбционно-каталитической очистки системы СРВ-К2М показали полное соответствие очищенной воды нормативам. Ресурс по очистке составляет более 1 800 л.
дистилляция имитатора конденсата атмосферной влаги
Проведены проверочные экспериментальные исследования по дистилляции имитатора конденсата атмосферной влаги (КАВ) в конструкторско-технологическом макете системы СРВ-У-РС. Эксперименты подтвердили, что метод вакуумной дистилляции малоэффективен для регенерации воды из КАВ. Летучие примеси из конденсата переходят в дистиллят в соответствии с константой распределения. Интегральное содержание органических примесей в дистилляте по ХПК составляет 70% от их содержания в исходном имитаторе КАВ. Содержание неорганических примесей снижается: электропроводность дистиллята в два раза ниже электропроводности имитатора КАВ.
дистилляция натурной санитарно-гигиенической воды
Проводилась дистилляция натурной СГВ, полученной после мытья рук и лица с использованием моющего средства «Адажио». В качестве исходной воды для мытья рук и лица использовалась дистиллированная вода. Перед подачей на дистилляцию СГВ фильтровалась в 10 мкм фильтре. Зависимость качества дистиллята по ХПК и УЭП от концентрации МС в контуре представлена на рис. 4.
Среднее содержание моющего средства (или загрязнений) в СГВ составляло (по УЭП) ~5 г/л. Коэффициент извлечения чистой воды обеспечивался отводом 100 мл концентрата, что по расчёту составляет 0,98.
При дистилляции натурной СГВ качество дистиллята по ХПК соответствовало требованиям ГОСТ [3] на СГВ. Значения ХПК не превышали 100 мгО2/дм3 при норме 150 мгО2/дм3. При ежесуточной работе качество дистиллята практически
не зависело от концентрации МС. После простоя конструкторско-техноло-гического макета СРВ-У-РС в течение 21 сут качество дистиллята ухудшилось, но затем восстановилось. На этот факт следует обратить особое внимание: проводить предварительное фильтрование СГВ и усилить консервирующие свойства моющего средства.
Рис. 4. Зависимость бихроматной окисляемости (ХПК) и удельной электропроводности (УЭП) дистиллята (конденсата) от концентрации моющего средства (МС) в контуре при регенерации натурной санитарно-гигиенической воды: ф — ХПК дистиллята при штатном функционировании; ▲ — УЭП дистиллята при штатном функционировании; $ — ХПК дистиллята после простоя в течение 21 сут; Д — УЭП дистиллята после простоя в течение 21 сут
Гидроавтоматы системы СРВ-У-РС и черпаки ЦМВД работали на натурной СГВ без замечаний. Уноса пены в вакуумную магистраль для сброса газов при номинальных оборотах ротора ЦМВД (п = 1 100 об/мин) во время вакууми-рования и проведения дистилляций не обнаружено. При отводе концентрата подтвердились замечания по выдаче недостаточной дозы насосом МН, особенно после перерыва в работе.
дистилляция смеси урины и натурной санитарно-гигиенической воды
Дистилляция смеси урины и натурной СГВ, полученной при мытье рук и лица, проводилась в следующих соотношениях:
• 25% урины - 75% натурной СГВ, К = 0,95;
извл ' 7
• 50% урины - 50% натурной СГВ, К = 0,90;
извл
• 75% урины - 25% натурной СГВ, К = 0,87;
извл
• 100% урины без добавления СГВ, К = 0,85.
извл
Качество дистиллята, полученного после регенерации смеси урины и СГВ,
удовлетворяет требованиям нормативов [3]. Дистиллят, полученный после регенерации консервированной урины, требует дальнейшей доочистки до требований ГОСТ [3]. Динамика изменения качества дистиллята (конденсата) при изменении соотношения СГВ и урины в регенерируемой жидкости представлена на рис. 5 и 6.
Рис. 5. Динамика изменения бихроматной окисляемости (ХПК) дистиллята при изменении соотношения санитарно-гигиенической воды и урины в регенерируемой жидкости
Рис. 6. Динамика изменения удельной электропровод -ности (УЭП) дистиллята при изменении соотношения санитарно-гигиенической воды и урины в регенерируемой жидкости
С увеличением доли урины в регенерируемой жидкости ХПК дистиллята возрастало. При переходе к регенерации консервированной урины в дистилляте наблюдалось незначительное превышение норматива на СГВ.
При штатных циклах дистилляции урины значения ХПК дистиллята составляют в среднем 100...200 мгО2/дм3, что соответствует УЭП на уровне 100.210 мкСм/см. Таким образом, полученные значения ХПК фильтрата из урины после работы на СГВ соответствуют значениям ХПК при работе на урине.
С увеличением доли урины в регенерируемой жидкости УЭП дистиллята в среднем остается на одном уровне, так как в урине содержится малое количество летучих диссоциирующих соединений, а электропроводность определяется
количеством таких соединений в МС. Незначительное снижение электропроводности, наблюдаемое на рис. 6, связано с разбавлением СГВ уриной. При очистке смеси урины и СГВ унос солей отсутствует. На протяжении всех экспериментов в дистилляте не наблюдалось превышения нормативов [3] на СГВ.
Проводя сравнение интегральных показателей содержания органических (ХПК) и минеральных (УЭП) веществ в дистилляте после очистки имитатора СГВ на конструкторско-технологическом макете СРВ-У-РС, можно сделать вывод о неизменном содержании минеральных веществ и слабо нарастающем содержании органических веществ в дистилляте при регенерации как СГВ, так и смесей СГВ с уриной. Выпадения солей в осадок не выявлено.
Основные показатели качества воды, регенерированной из СГВ при концентрации МС в циркуляционном контуре 250 г/л методами обратного осмоса и вакуумной дистилляции, приведены в таблице. Как видно, содержание примесей намного ниже установленных нормативов [3].
Испытания по очистке дистиллята в макете блока колонок очистки системы СРВ-К2М без предварительной обработки в фильтре-реакторе показали, что блок обеспечивает доочистку не менее 1 100 л.
Очищено 1 125 л (в пересчёте на полноразмерный блок) дистиллята смеси натурной СГВ и урины, при этом ресурс блока колонок очистки не выработан. Очищенная вода соответствует требованиям ГОСТ [3] по физико-химическим показателям.
В ходе испытаний гидроавтоматы системы СРВ-У-РС и черпаки ЦМВД работали без замечаний. Уноса пены в вакуумную магистраль для сброса газов при номинальных оборотах ротора ЦМВД (п = 1 100 об/мин) во время ваку-умирования и проведения дистилляций не обнаружено.
При работе на натурной СГВ и смеси натурной СГВ с уриной наблюдались сбои в работе насоса МН при вытеснении концентрата из ЦМВД. Насос МН не выдавал номинальную дозу регенерируемой жидкости, что, вероятно, связано с интенсивным пенообразованием в ёмкости ЕДВ-У (СГВ) с этой жидкостью. По мере увеличения доли урины в очищаемой жидкости стабильность работы насоса МН повышается, и при работе на чистой урине работоспособность насоса полностью восстанавливается.
Для обеспечения полноценного вытеснения фиксированного объёма концентрированного остатка из контура ЦМВД в качестве альтернативы насосу
Содержание примесей в исходной (загрязнённой) воде и воде, регенерированной из санитарно-гигиенической воды (СТБ) при концентрации моющего средства
в циркуляционном контуре 250 г/л, при использовании обратного осмоса и вакуумной дистилляции до 98%
Примеси Исходная загрязнённая СГВ Концентрат СГВ в контуре при Кизвл = 0,98 Обратный осмос Вакуумная дистилляция Нормы по ГОСТ Р 50804-95 (не более)
Моющее средство, г/л до 10 250 до 0,8 до 0,5 0,8*
Показатель рН, ед 6-10 6-8 6,3-8,6 5-7 5-9
Содержание органических примесей по бихроматной окисляемости (ХПК), мгО2/дм3 до 2 000-5 000 33 000-40 000 100-150 40-90 150
Общее содержание органического углерода, мгС/л — — — 0,7-3,9 80
Общая жёсткость, мг-экв/л 0,6-1,0 — 0,03-0,90 0,02-1,20 0-7
Азот аммиака, мг/л до 60 — 0,3-8,7 0-9,6 10
Содержание хлоридов, мг/л до 300 — 0,7- 0,5 0,2-4,5 350
Содержание сульфатов, мг/л до 40 — — 0,1-8,6 250
Примечание. * — Значение получено в результате пересчета показателя химического потребления кислорода.
МН предлагается два варианта отвода остатка: через вращающийся ЦМВД при вакуумированных корпусах ёмкости с исходной жидкостью (ЕДВ-У) и ёмкости остатка или с использованием ёмкости урины мембранной (ЕУМ) системы СРВ-УМ.
При дистилляции СГВ и смеси СГВ с уриной использовался вариант работы СРВ-У-РС с забортным вакуумом. При этом среднее энергопотребление системы (без пульта управления) не превышало 330 Вт.
При росте содержания урины в регенерируемой жидкости от 0 до 75% наблюдалась стабильная производительность СРВ-У-РС (3,5-4,0 л/ч). Средняя производительность системы по дистилляту (конденсату) в режиме дистилляции (при работе на имитаторе СГВ и смесях: 25% урины - 75% натурной СГВ; 50% урины - 50% натурной СГВ) составила ~4,0 л/ч (при среднем значении давления в ЦМВД 390 мм вод. ст.). Удельные энергозатраты на дистилляцию составили менее 85 Вт-ч/л регенерированной воды. При росте содержания урины в регенерируемой жидкости от 75 до 100% наблюдалось снижение производительности СРВ-У-РС (до 2,5-3,0 л/ч). Данное обстоятельство связано с повышением содержания неконденсирующихся газов в паре и температурной депрессией.
Рис. 7. Принципиальная структурная схема комплексной системы регенерации воды из урины и санитарно-гигиенической воды СРВ-У-СГВ: АСУ-СПК-У — система приёма и консервации урины; СПВП — система принятия водных процедур и стирки; СРВ-У — система регенерации воды из урины (ПД — подсистема дистилляции); СРВ-К — система регенерации воды из конденсата атмосферной влаги; СРВ—СГ — система регенерации санитарно-гигиенической воды (ПФ — подсистема фильтрации); СВО-ЗВ — система водообеспечения на запасах воды; ССБО — система сбора отходов; СКВ — система кондиционирования воздуха; БПК — блок подачи конденсата; СОВ — система очистки воды для электролиза; «Электрон-ВМ» — система электролизного получения кислорода; СПУГ — система переработки углекислого газа; КАВ — конденсат атмосферной влаги; СГВ — санитарно-гигиеническая вода; «Загр.» — загрязнённая; «Рег.» — регенерированная; К — концентрированный остаток; ПВ — вода для потребления
Удельные энергозатраты на дистилляцию составили менее 110 Вт-ч/л регенерированной воды. Как видно, параметры энергопотребления хорошо совпали с рассчитанными в первом разделе статьи при анализе энергетических параметров системы СРВ-У-РС.
комплексная система регенерации воды
На основе результатов проведённых работ предложен вариант комплексной системы регенерации воды, принципиальная структурная схема которой представлена на рис. 7.
Основной особенностью системы является возможность регенерации СГВ методом вакуумной дистилляции. В этом случае прошедшая очистку в подсистеме фильтрации СГВ направляется в подсистему дистилляции СРВ-У. Дистиллят возвращается в СПВП. Как подтвердили описанные в данной статье исследования, дистилляция конденсата атмосферной влаги нецелесообразна, поэтому он направляется непосредственно в СРВ-К на сорбционно-каталитическую очистку совместно с дистиллятом. При наличии возможности регенерация СГВ в замкнутом контуре СПВП-СРВ-СГ является предпочтительной. При введении в комплекс СЖО витаминной оранжереи пары воды поступают в СКВ и затем — в СРВ-К, извлечение воды из солевых растворов возможно путём дистилляции в системе СРВ-У.
заключение
Метод вакуумной дистилляции показал свою эффективность при регенерации натурной санитарно-гигиенической воды и смеси санитарно-гигиенической воды с уриной. Система регенерации воды из урины может быть использована как универсальная система регенерации воды из урины и санитарно-гигиенической воды при условии проведения дополнительных мероприятий по отработке режима
отвода остатка, фильтрования и обеззараживания загрязнённой санитарно-гигиенической воды.
По результатам исследований предложена принципиальная структурная схема комплексной системы регенерации воды из урины и санитарно-гигиенической воды СРВ-У-СГВ.
Список литературы
1. Бобе Л.С., Кочетков А.А., Романов С.Ю, Андрейчук П.О., Железняков А.Г., Синяк Ю.Е. Перспективы развития реге-нерационного водообеспечения пилотируемых космических станций // Пилотируемые полеты в космос. 2014. № 2(11). С. 51-60.
2. Сальников Н.А., Бобе Л.С., Кочетков А.А., Синяк Ю.Е. Регенерация санитарно-гигиенической воды на перспективных космических станциях // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2017. Т. 51. № 5. С. 47-54.
3. ГОСТ Р 50804-95. Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом корабле. Общие медико-технические требования. М.: ИПК Издательство стандартов, 1995. 118 с.
4. Andreychuk P., Romanov S, Zeleznyakov A., Bobe L., Kochetkov A., Tsygankov A., Arakcheev D., Sinyak Yu. Water supply of long-term space flights on the basis of physical-chemical processes for water regeneration // Papers of the 49th International Conference on Environmental Systems, 7-11 July 2019, Boston, Massachusetts. Режим доступа: https://ttu-ir.tdl.org/handle/2346/84923 (дата обращения 26.08.2020 г.).
5. Andreychuk P., Romanov S., Zeleznyakov A., Bobe L, Kochetkov A., Tsygankov A., Arakcheev D., Sinyak Yu.
The water management on the ISS and prospective space stations // Papers of the 50th International Conference on Environmental Systems, 31 July 2020. Режим доступа: https://ttu-ir.tdl.org/handle/2346/86448 (дата обращения 26.08.2020 г.).
6. Сальников Н.А., Бобе Л.С., Кочетков А.А., Железняков А.Г., Андрейчук П.О., Шамшина Н.А. Применение мембранной аппаратуры для регенерации санитарно-гигиенической воды на космической станции // Космическая техника и технологии. 2018. № 4(23). С. 29-39.
7. Бобе Л. С., Сальников Н.А. Анализ и расчёт процесса низконапорного обратного осмоса при регенерации санитарно-гигиенической воды // Космическая техника и технологии. 2019. № 2(25). С. 28-35.
8. Аракчеев Д.В., Бобе Л.С., Кочетков А.А., Сальников Н.А. Технология регенерации санитарно-гигиенической воды // Авиакосмическая и экологическая медицина. 2018. Т. 52. № 7s. С. 10-11.
9. Бобе Л.С., Кочетков А.А., Аракчеев Д.В., Сальников Н.А., Андрейчук П.О. Регенерация санитарно-гигиенической воды методом вакуумной дистилляции // Пилотируемые полеты в космос. Сб. материалов XIII международной научно-практической конференции. 13-15 ноября 2019 г., Звёздный городок. С. 66-67.
10. Бобе Л.С., Кочетков А.А., Аракчеев Д.В., Сальников Н.А., Андрейчук П.О. Комплексная система регенерации воды из урины и санитарно-гигиенической воды для космической станции // Сб. материалов 18-й международной конференции «Авиация и космонавтика». 18-22 ноября 2019 г. М.: МАИ. С. 129.
Статья поступила в редакцию 15.06.2020 г. Окончательный вариант — 29.07.2020 г.
Reference
1. Bobe L.S., Kochetkov A.A., Romanov S.Yu, Andreichuk P.O., Zheleznyakov A.G., Sinyak Yu.E. Perspektivy razvitiya regeneratsionnogo vodoobespecheniya pilotiruemykh kosmicheskikh stantsii [Prospects for development of regeneration water supply for manned space stations]. Pilotiruemyepolety v kosmos, 2014, no. 2(11), pp. 51-60.
2. Sal'nikov N.A., Bobe L.S., Kochetkov A.A., Sinyak Yu.E. Regeneratsiya sanitarno-gigienicheskoi vody na perspektivnykh kosmicheskikh stantsiyakh [Recycling sanitary/hygienic water in future space stations]. Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2017, vol. 51, no. 5, pp. 47-54.
3. GOST R 50804-95. Sreda obitaniya kosmonavta v pilotiruemom kosmicheskom korable. Obshchie mediko-tekhnicheskie trebovaniya [Cosmonaut's habitable environments on board of manned spacecraft. General medicotechnical requirements]. Moscow, IPKIzdatel'stvo standartovpubl, 1995. 118p.
4. Andreychuk P., Romanov S, Zheleznyakov A., Bobe L, Kochetkov A., Tsygankov A., Arakcheev D., Sinyak Yu. Water supply of long-term space flights on the basis of physical-chemical processes for water regeneration. Papers of the 49th International Conference on Environmental Systems, 7-11 July 2019, Boston, Massachusetts. Available at: https://ttu-ir.tdl.org/handle/2346/84923 (accessed26.08. 2020).
5. Andreychuk P., Romanov S, Zheleznyakov A., Bobe L, Kochetkov A., Tsygankov A., Arakcheev D., Sinyak Yu. The water management on the ISS and prospective space stations. Papers of the 50th International Conference on Environmental Systems, 31 July 2020. Available at: https://ttu-ir.tdl.org/handle/2346/86448 (accessed26.08.2020).
6. Sal'nikov N.A., Bobe L.S., Kochetkov A.A., Zheleznyakov A.G., Andreichuk P.O., Shamshina N.A. Primenenie membrannoi apparatury dlya regeneratsii sanitarno-gigienicheskoi vody na kosmicheskoi stantsii [Use of membrane equipmentfor hygiene water processing aboard the space station]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2018, no. 4(23), pp. 29-39.
7. Bobe L.S., Sal'nikov N.A. Analiz i raschet protsessa nizkonapornogo obratnogo osmosa pri regeneratsii sanitarno-gigienicheskoi vody [Analysis and calculation of the process of low-pressure reverse osmosis during recycling of hygienic water]. Kosmicheskaya tekhnika i tekhnologii, 2019, no. 2(25), pp. 28-35.
8. Arakcheev D.V., Bobe L.S., Kochetkov A.A., Sal'nikov N.A. Tekhnologiya regeneratsii sanitarno-gigienicheskoi vody [Sanitary/hygienic water recycling technology]. Aviakosmicheskaya i ekologicheskaya meditsina, 2018, vol. 52, no. 7s, pp. 10-11.
9. Bobe L.S., Kochetkov A.A., Arakcheev D.V., Sal'nikov N.A., Andreichuk P.O. Regeneratsiya sanitarno-gigienicheskoi vody metodom vakuumnoi distillyatsii [Recycling sanitary/hygienic water using vacuum distillation technique]. Manned spaceflight. Collection of scientific papers from the 13th International research-to-practice conference, 13-15November2019, Zvezdnyigorodok. Pp. 66-67.
10. Bobe L.S., Kochetkov A.A., Arakcheev D.V., Sal'nikov N.A., Andreichuk P.O. Kompleksnaya sistema regeneratsii vody iz uriny i sanitarno-gigienicheskoi vody dlya kosmicheskoi stantsii [Integrated system for recycling water from urine and sanitary/hygienic ware for a space station]. Collected papers of the 18th International conference Aviation and Space - 2019, 18-22 November 2019. Moscow, MAIpubl., p. 129.
