Разработка и исследование энергоэффективных систем регенерации воздуха для изолированных объектов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Миникаева Елена Анатольевна

• Миникаева Елена Анатольевна
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Миникаева Елена Анатольевна

Реферат

Synopsis

Введение

ГЛАВА 1. ТЕХНОЛОГИИ ПОДДЕРЖАНИЯ ТРЕБУЕМЫХ ПАРАМЕТРОВ ГАЗОВОЗДУШНОЙ СРЕДЫ В ИЗОЛИРОВАННЫХ ОБЪЕКТАХ

1.1 Способы поглощения углекислого газа из газо-воздушной среды в системах регенерации

1.2 Абсорбционный способ поглощения углекислого газа

1.3 Способы генерации кислорода в системах регенерации воздуха

1.4 Химические процессы генерации кислорода

1.5 Устройства поддержания заданных температурных и влажностных параметров воздуха

1.6 Обоснование выбора технологий для разработки энергоэффективной системы регенерации воздуха

1.7 Выводы по главе

ГЛАВА 2. Теоретический анализ основных процессов в системах регенерации воздуха

2.1 Основные технологические процессы в системе регенерации воздуха

2.2 Методика расчета абсорбера

2.2.1 Выбор типа абсорбера

2.2.2 Обоснование выбора поглотителя

2.2.3 Оценка эффективности выбранного способа поглощения углекислого газа

2.3 Методика расчета генератора кислорода

2.3.1 Конструктивные особенности генератора кислорода

2.3.2 Выбор химических реагентов

2.3.3 Физико-химические характеристики СаОг и перспективы применения

2.3.4 Химические процессы и оценка их эффективности

2.3.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Разработка принципиальной схемы энергоэффективной системы регенерации воздуха и особенности расчета

3.1 Математическая модель энергоэффективной системы регенерации воздуха

3.2 Расчетно-экспериментальные исследования рабочих процессов системы регенерации воздуха

3.2.1 Описание экспериментального стенда

3.2.2 Методика проведения экспериментальных исследований

3.2.3 Химический способ получений кислорода из смеси СаО2 + Са(ОН)2

3.2.4 Термическая деструкция пероксида кальция в безводных условиях

3.2.5 Зависимости объема выделившегося кислорода от концентрации пероксида кальция в смеси реагентов

3.2.6 Интенсивность выделения кислорода от расхода смеси реагентов

3.2.7 Поглощение углекислого газа разбавленной щёлочью №ОИ

3.2.8 Выводы по главе

Заключение

Список литературы

Приложение 1. Акт внедрения

Приложение 2. Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование энергоэффективных систем регенерации воздуха для изолированных объектов»

Актуальность исследования.

Современные герметичные технические комплексы находят широкое применение при исследовании глубоководных и космических пространств. Функционирование данных объектов напрямую зависит от эффективности систем обеспечения кислородом и поглощения СО2, которые могут реализовывать различные принципы генерации дыхательного компонента. Настоящее исследование сосредоточено на изучении технологий, связанных с получением кислорода и поглощением углекислого газа (С02) в условиях замкнутых систем и изолированных объектов. Основная цель работы включает анализ методов производства кислорода, их эффективность и возможные пути улучшения, а также изучение процессов утилизации СО2 для повышения экологической безопасности и автономности таких систем. В рамках исследования осуществляется всесторонняя оценка существующих технологий и методов, применимых для обеспечения жизнедеятельности в условиях ограниченного ресурса, а также их сравнительный анализ с точки зрения надежности, экономической эффективности и возможности интеграции в комплексные системы. Особое внимание уделяется оптимизации параметров функционирования регенерационных систем и технологическим аспектам повышения скорости и качества поглощения СО2. Полученные результаты позволят сделать обоснованные рекомендации по улучшению технологий получения кислорода и поглощения СО2 в замкнутых системах, что особенно актуально для исследовательских подводных модулей.

В ходе комплексного анализа различных методов получения кислорода было установлено, что использование пероксида кальция представляет собой оптимальное решение с точки зрения экологических и экономических параметров. Данное соединение привлекает особое внимание исследователей - уникальному

свойству — способности сохранять кислород в активной форме, находясь при этом в твердом агрегатном состоянии.

Твердофазное состояние пероксида кальция обеспечивает значительные преимущества при хранении и транспортировке по сравнению с газообразными или жидкими источниками кислорода, что существенно расширяет сферу его практического применения в различных отраслях промышленности и медицины.

Расчетные данные свидетельствуют о высокой эффективности данного соединения: теоретический выход кислорода составляет 156 литров на один килограмм пероксида кальция. Эта характеристика делает данное вещество особенно ценным ресурсом в условиях, требующих автономного обеспечения кислородом.

В рамках экспериментальной части нашего исследования были апробированы два принципиально различных химических метода извлечения кислорода из пероксида кальция. Первый метод основывался на процессе разложения водной суспензии данного соединения, второй — на применении высокотемпературной термической обработки твердого вещества.

Сопоставление эффективности указанных методов позволило выявить их специфические особенности и определить оптимальные условия для максимального извлечения кислорода из пероксида кальция, а также поглощения СО2. Полученные результаты создают фундамент для дальнейшей оптимизации технологических процессов получения кислорода и поглощения СО2.

Цель исследования.

Разработка и исследование энергоэффективной системы регенерации воздуха для замкнутых изолированных объектов, разработанной на основе систем жизнеобеспечения, создание экспериментального стенда и апробация принятых технических и технологических решений на примере исследовательского подводного модуля.

Задачи работы.

1. Выполнить обзорный анализ аппаратов и процессов систем регенерации воздуха с учетом минимальных энергозатрат;

2. Разработать уточненную математическую модель и методику расчета энергоэффективной системы регенерации воздуха для изолированных объектов;

3. Спроектировать и изготовить экспериментальный стенд опытной системы регенерации воздуха;

4. Выполнить экспериментальные исследования опытного образца системы регенерации воздуха;

5. Провести верификацию предложенной уточненной математической модели;

6. Подтвердить эффективность предложенной конструктивной и технологической схем системы регенерации воздуха;

7. Подготовить рекомендации по разработке энергоэффективных систем регенерации воздуха для изолированных объектов.

Научная новизна работы.

Разработаны уточненная математическая модель, методика расчета энергоэффективных систем регенерации воздуха для герметично изолированных объектов

Теоретическая и практическая значимость.

Теоретическая ценность работы состоит в создании уточненной математической модели и методики расчета системы регенерации воздушной среды, адаптированной для применения в условиях изолированных объектов, в условиях ограниченного энергопотребления. Практическая значимость работы заключается в разработке и исследовании технологических и конструктивных решений систем регенерации воздуха для изолированных объектов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Результаты анализа и сравнительной оценки различных способов получения кислорода и поглощения углекислого газа;

2. Уточненная математическая модель и методика расчёта регенерации газо-воздушной смеси при минимальных энерго затратах;

3. Экспериментальный стенд энергоэффективной системы для изолированных объектов;

4. Результаты расчетно-экспериментальных исследований основных элементов регенерации воздуха для замкнутых объектов;

5. Обоснованные рекомендации по разработке энергоэффективных систем регенерации воздуха.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертации обсуждались и докладывались на различных профильных конференциях, в том числе всероссийского и международного уровня:

1. Конгресс молодых ученых XIII 08.04.2024;

2. Международная научно-техническая конференция "Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства 2024" 12.03.2024;

3. Пятьдесят третья (ЬШ) научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО (ППС) 29.01.2024;

4. XI Международная научно-техническая конференция «Искусственный холод в XXI веке» 15.11.2024;

5. XII КМУ ИТМО 2023 03.04.2023;

6. ЬП научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО 31.01.2023;

7. XI КОНГРЕСС МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ 04.04.2022;

8. VII Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов в рамках VII всероссийского молодежного научного форума «Наука будущего - наука молодых» 29.03.2022;

9. LI научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО 02.02.2022;

10. Юбилейная X Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке» 27.10.2021.

Достоверность научных достижений.

Полученные в работе выводы характеризуются высокой степенью достоверности, что обусловлено комплексом факторов: во-первых, применением валидированных научных методологий при формировании математической модели; во-вторых, логической обоснованностью принятых теоретических допущений; в-третьих, значительным уровнем соответствия между расчетными прогнозами и данными, полученными в ходе экспериментальной апробации.

Особую значимость исследованию придает его практическая реализация в нескольких взаимосвязанных направлениях. Разработанные автором подходы и методики были успешно интегрированы в научно-исследовательскую деятельность Университета ИТМО, в частности, при реализации проектов №2 621285 и №2 623120, ориентированных на развитие инновационных компрессорных технологий в рамках экологически ориентированных концепций smart и green.

Внедрение результатов работы.

Помимо научно-прикладного применения, результаты работы нашли отражение в образовательном процессе магистерской программы «Энергоэффективные инженерные системы и технологии СПГ» по направлению 16.04.03 «Холодильная, криогенная техника и системы жизнеобеспечения». Материалы исследования были включены в учебно-методический комплекс

дисциплины «Технологии и системы очистки газовоздушных выбросов», что способствует формированию у обучающихся актуальных компетенций в области энергоэффективных технологий. Результаты работы внедрены на ООО «Компрессор Газ».

Публикации.

По материалам проведенного исследования автором подготовлено и опубликовано 5 научных статей, из которых 2 размещены в рецензируемых изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией (ВАК), и 1 представлена в журнале, индексируемом международной наукометрической базой Scopus. Данный факт свидетельствует о признании полученных результатов научным сообществом как на национальном, так и на международном уровне.

Структура и объем диссертации.

Архитектоника диссертации отражает логику исследовательского процесса и включает в себя следующие структурные элементы: реферат, введение, основную часть из трёх взаимосвязанных глав, заключение, библиографический список, насчитывающий 105 источников и приложение. Основной текст работы изложен на 228 страницах и содержит 32 иллюстративных материалов (рисунков) и 36 аналитических таблиц, что обеспечивает наглядность представления полученных результатов.

Содержание работы.

Во вводной части работы обосновывается релевантность выбранной тематики в контексте современных научно-технических вызовов, определяется предметную область исследования, формулирует цель и задачи работы, раскрываются элементы научной новизны, теоретическую и практическую

значимость полученных результатов. Особое внимание уделяется артикуляции положений, выносимых на защиту, а также презентации сведений об апробации исследования, степени достоверности научных достижений, практической имплементации полученных результатов и публикационной активности автора.

Глава 1 посвящена технологии поддержания требуемых параметров газовоздушной среды в изолированных объектах.

Для обеспечения жизнедеятельности человека в замкнутых системах ограниченного объёма необходимо решить проблему регенерации кислорода, а также организовать систему непрерывной очистки воздуха от углекислого газа.

Существует несколько способов очистки воздуха от углекислого газа, которые условно можно разделить на две основные категории: методы, основанные на взаимодействии газа с твердым веществом, и методы, использующие жидкую фазу. Первый подход относится к адсорбционным способам, при которых диоксид углерода захватывается на поверхности твердых поглотителей. Второй — к абсорбционным техникам, при которых СОг растворяется в жидкости [1].

Процедуры удаления углекислого газа из воздуха могут базироваться на использовании различных типов поглотителей. К ним относятся химические поглотители, которые расходуются в процессе и требуют постоянного восстановления, а также регенерируемые средства — включая жидкие аминовые растворы, твердые молекулярные сита, аминовые абсорбенты и другие. Помимо этого, применяются также электрохимические методы и криогенное удаление, основанное на замораживании газов при экстремально низких температурах [2].

Несмотря на многочисленные усилия по оптимизации материалов и технологических процессов, внедрение единого процесса разделения по-прежнему является довольно энергоемким и дорогостоящим.

Адсорбционный метод применяют преимущественно для газообразных сред с небольшим содержанием вредных парообразных примесей. У адсорбционных установок есть несколько недостатков: высокое гидравлическое сопротивление, а следовательно, и энергозатраты; малая интенсивность реакторов

и высокие затраты на регенерацию адсорбентов. Эти недостатки частично можно устранить путем применения непрерывных методов очистки. Но для их реализации требуются высокопрочные сорбенты промышленного назначения [3].

Существует прямое улавливание углекислого газа из воздуха с помощью адсорбентов на основе извести [4, 5]. Гранулированный известняк обладает эффективной диффузионной способностью из-за своей большей пористости. Общая реакция в таком случае может быть записана следующим образом:

Са(ОН)2 + С02 = СаС03 + Н20 Схема экспериментальной установки показана на Рисунок 1. Компрессор (1) использовался для циркуляции атмосферного воздуха через водяной барботер (2), а затем через уплотненный слой сорбента (3). Поток воздуха, выходящий из слоя, направлялся в онлайн-газоанализатор (4) для определения остаточного содержания С02 в потоке, выходящем из системы.

Рисунок 1 Экспериментальная установка [4] Помимо адсорбции и абсорбционного поглощения, мембранные процессы являются еще одной ключевой технологией разделения газов. Мембраны требуют высокой селективности для достижения чистоты не более чем за две стадии. Удельные энергозатраты в целом выше, чем в процессах адсорбции и абсорбции, а также более высокий уровень производительности [6]. Материалами для мембран служат стеклообразные, резиновые, аминополимеры и др. Полимерные мембраны, как стеклообразные, так и каучуковые, в основном используются для селективного выделения CO2. Например, некоторые стеклообразные полимеры (полисульфон, полиэфирсульфон, полиэфиримид, полиимиды) обладают достаточными характеристиками для газоразделения. Большинство полимеров были

протестированы на удаление СО2 из метана (обогащение природного газа) в качестве основного метода мембранного разделения газов. Помимо высокой воспроизводимости и хороших механических свойств, стеклообразные полимеры доказали эффективность разделения С02 в зависимости от их физико-химических свойств. Стеклообразные полимеры, как правило, обладают высокой селективностью, но низкой проницаемостью, связанной с их структурой, а также физическими или химическими воздействиями, приводящими к значительному снижению эксплуатационных характеристик. Более того, у некоторых полимеров наблюдается снижение проницаемости из-за физического старения. Однако большинство из них имеют узкие поры, но достаточно открытые для проникновения С02. В то же время некоторые из них, такие как полиацетилены, поли(1-триметилсилил-1-пропин), обладают высокой проницаемостью, что объясняется их большим фракционным объемом. Документально подтверждено, что такая высокая проницаемость достигается благодаря жестким двойным связям полимерной основы и объемным боковым группам, препятствующим сегментному движению цепи и одновременно препятствующим эффективной упаковке полимерных цепей.

Существующие исследования убедительно демонстрируют значительный потенциал адсорбционных материалов для связывания и улавливания углекислого газа в условиях его повышенного содержания в газовых смесях. Данные материалы зарекомендовали себя как надежные инструменты для решения задач, связанных с обработкой потоков с высокой концентрацией С02.

Однако актуальным остается вопрос о степени применимости адсорбционных технологий в контексте регулирования качества воздуха внутри зданий и сооружений. В частности, целесообразность и эффективность использования адсорбентов для элиминации малых концентраций углекислого газа из воздушной среды закрытых помещений требует дальнейшего всестороннего изучения.

Необходимость дополнительных исследований в данном направлении обусловлена специфическими условиями функционирования адсорбционных

систем при низких парциальных давлениях С02, что может существенно влиять на кинетику и термодинамику адсорбционных процессов. Таким образом, разработка эффективных методов очистки воздуха от незначительных примесей углекислого газа с использованием адсорбентов представляет собой актуальную научно-техническую задачу, требующую комплексного решения с учетом особенностей микроклимата закрытых помещений.

Метод адсорбционной очистки является избирательным и обратимым, что позволяет использовать его для разделения газовых смесей и получения растворов газов в жидкостях.

В первые годы пилотируемых космических полетов были опробованы различные физико-химические методы. В ранних космических миссиях использовались канистры (Рисунок 2) с гидроксидом лития (ЬЮН), которые удаляют углекислый газ путем преобразования атмосферного С02 в карбонат лития (Ь12СОз) [11].

Рисунок 2 Замена аккумулятора

После использования канистры необходимо заменить, поскольку химическая реакция необратима. Хранение кислорода обычно осуществлялось в жидком виде под высоким давлением или химически связанном состоянии. Однако в последнее время потребность в литии для производства аккумуляторов, используемых в электромобилях, значительно выросла, и цена LiOH соответственно также возросла [12].

Адсорбер в простом исполнении представляет собой колонну, засыпанную специально подобранными слоями адсорбентов - гранулированными веществами, которые селективно поглощают легко адсорбируемые компоненты газовой смеси.

Главным преимуществом кислородных установок на основе метода адсорбции является низкая себестоимость получения кислорода, но при условии, что нет строгих требований к чистоте получаемого кислорода [18]. б) Электролизные установки

Современная международная космическая станция оснащена специализированными системами, обеспечивающими поддержание оптимального состава атмосферы, включающими технологии элиминации углекислого газа и регенерации кислорода. Система «Электрон-ВМ», предназначенная для восстановления кислорода, схематично представлена на Рисунок 3. Принцип функционирования данной установки базируется на электрохимическом разложении воды в щелочной среде гидроксида калия.

Рисунок 3 Внешний вид установки «Электрон-ВМ» Водный компонент раствора содержит 89% связанного кислорода, который высвобождается в процессе электролиза при прохождении электрического тока, с одновременным выделением водорода. Генерируемый кислород транспортируется непосредственно в обитаемый отсек станции. Конструктивно электролизный блок представляет собой комплекс из 12 электрохимических ячеек, размещенных в корпусе с повышенной взрывозащищенностью. Процесс деструкции 1 кг воды

протекает с интенсивностью выделения 25 литров кислорода за час, что обеспечивает потребности в дыхательной смеси для одного космонавта на протяжении суток. Энергетические затраты данного процесса составляют менее 1 кВт при обеспечении двух членов исследователей в течение 24 часов. Производительность комплекса варьируется в диапазоне от 25 до 160 дм3 кислорода в час, что достаточно для жизнеобеспечения шести человек.

Альтернативный метод генерации кислорода реализован в твердотопливных генераторах, где происходит термическая декомпозиция кислородсодержащих соединений. Объем кислорода, высвобождаемого при активации одной кассеты, достигает 600 литров, а кинетика процесса разложения кислородсодержащего субстрата характеризуется длительностью 5-20 минут при температурном режиме реакции 450-500 °С [19].

Полученный водород в таких системах может использоваться для поглощения углекислого газа, который был получен электролизом воды. Далее происходит реакция Сабатье (уравнение 1,2) с получением питьевой воды [20].

2Н20 ^ 2Н2 + 02 С02 + 4Н2 ^ СН4 + 2Н20 Произведенный метан выбрасывается в космос. Мольные количества кислорода и углекислого газа почти равны. Но стехиометрические уравнения (1,2) показывают, что существует водородный дисбаланс, его недостаток должен быть компенсирован дополнительными запасами водорода, либо избыток С02 должен быть удален путем абсорбции с помощью материалов, которые превращаются в мусор. Таким образом, даже в настоящее время все методы, используемые для восстановления воздуха, являются физико-химическими, а не регенеративными. В них используется много расходных материалов и образуется много отходов, поэтому они применимы только для ближних миссий с легким пополнением запасов с Земли.

в) Биорегенеративное восстановление воздуха

Для восстановления воздуха и рециркуляции углерода возможно использование фотосинтетических биологических систем, на основе растений,

водорослей и цианобактерий, в сочетании с производством съедобной биомассы. Фотосинтетическая активность этих организмов захватывает углекислый газ и воду для производства съедобной биомассы и кислорода. Первые идеи по этой теме были разработаны примерно в 1900 году, а процесс разработки начался уже в 1960-х годах, еще до того, как первый человек полетел в космос. Во второй половине 20-го века было предпринято множество различных попыток получить биологическую установку. В частности, советская космическая программа очень рано исследовала различные подходы с использованием микроводорослей и высших растений [21, 22].

Кроме того, на Земле было создано несколько испытательных полигонов. Некоторыми примерами крупных наземных исследований являются проект БИОС-I, в котором водоросли Chlorella обеспечивали кислородом одного человека, и проект БИОС-III, в котором проживали три члена исследователя; испытания с использованием растений и зеленых водорослей, проведенных на установке БИОС (Рисунок 4) в Красноярске (Сибирь, Россия) [23]. Данное исследование было приостановлено в 1980-х годах из-за недостаточного финансирования. Сейчас в институте биофизики СО РАН предпринимаются попытки создания БИОС-4, усовершенственную версию советской установки. В Китае был создан исследовательский центр Lunar Palace 1, который изучал систему, состоящую из растений, насекомых и трех членов исследователей, в течение 105 дней.

Рисунок 4 БИОС с растениями и участником эксперимента

Как показывают исследования, данные биологические системы могут функционировать в космосе до 12 месяцев, однако, понимание эффектов микрогравитации и радиации на растения остается ограниченным.

Вентиляция воздуха в камерах-убежищах. В горнодобывающей промышленности первые изолированные камеры-убежища были разработаны около двадцати лет назад. Воздушный шлюз в зоне входа поддерживает давление внутри камеры, даже когда работники входят в убежище. Ключевым преимуществом этой системы является защита людей, независимо от внешней атмосферы: камера-убежище представляет собой коллективный "изолирующий противогаз"; внешний воздух в камеру не поступает. В экстренной ситуации такая камера-убежище не требует внешнего источника питания. Это устраняет другие факторы риска (взрывозащита, отказ питания), и вся система может функционировать полностью независимо от внешних условий. Система не требует практически никаких расходных материалов и практически не имеет отходов (использованные фильтры, например, должны утилизироваться как специальные отходы). Следует лишь контролировать состояние баллонов со сжатым воздухом. Такую систему разрабатывает немецкая компания Drager (Рисунок 5).

Воздух для дыхания в изолированной системе подается либо из баллонов со сжатым воздухом, либо путем установки системы регенерации дыхательного воздуха, использующей натриевую известь для поглощения выдыхаемого СО2. Эту систему рекомендуется использовать для убежищ, рассчитанных на среднее и большое количество пользователей и длительное пребывание. Система с регенеративными установками привлекательна не только с точки зрения безопасности, но и с точки зрения затрат: затраты на фильтровентиляционную систему и на изолирующую систему с подачей воздуха из баллонов со сжатым воздухом растут экспоненциально с увеличением расчетного количества пользователей временного убежища и продолжительности их пребывания в нём, а затраты на использование регенеративных установок возрастают линейно [24].

Обнаружение I взрывоопасных/ | токсичных веществ или пламени

ВА 3(огаде = Роуег (положительное давление сознается подачей дыхательного воздуха)

Скруббер СО, Подача О, = Обработка и подача дыхательного воздуха

сн4

Нов

ЫНз

Рисунок 5 Камера-убежище Системы управления микроклиматом представляют собой интегрированный комплекс технических средств, предназначенный для формирования и стабилизации заданных атмосферных параметров внутри помещений вне зависимости от флуктуаций внешних условий и внутренних теплопритоков.

Типологизация систем климатического контроля может быть проведена по нескольким основным критериям:

1. По функциональному назначению поддерживаемых параметров выделяют:

• Технологические системы климатического контроля -обеспечивают стабильность атмосферных показателей, критичных для производственных процессов и сохранения качества выпускаемой продукции;

• Комфортные системы климатического регулирования -ориентированы на поддержание оптимальных микроклиматических условий для обеспечения физиологического комфорта и работоспособности человека в жилых и рабочих пространствах.

2. По архитектурно-планировочному принципу организации выделяют:

• Централизованные комплексы климатического контроля применяются для обслуживания крупных административно-бытовых и производственных объектов. Основное оборудование таких систем размещается в выделенных технических помещениях, а подготовленная воздушная среда транспортируется к обслуживаемым зонам по системе воздуховодов с последующим распределением через диффузоры или вентиляционные решетки. Отличительной характеристикой данных систем является возможность дифференцированного регулирования параметров воздушной среды в различных обслуживаемых помещениях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Миникаева Елена Анатольевна, 2025 год

Литература

1. Гладышев Н.Ф., Гладышева Т.В., Дворецкий С.И. Системы и средства регенеращш и очистки воздуха обитаемых герметичных объектов. М.: Издательский дом «Спектр». 2016. 204 с.

2. Дворецкий C.IL, Гладышев Н.Ф., Гладышева Т.В., Суворова Ю.А., Плотников М.Ю. Новый подход к регенерацгпг воздуха в герметичных обггтаемых объектах // Вопросы современной науки гг практггки. Универсгггет им. В.II. Вернадского. Специальный выпуск(39).2012. С. 159-165.

3. Клюшенкова М.И., Назаров В.П., Попов А.П. Технггка и технология поддержашгя жизни в замкнутом пространстве // Вестник государственного унггверсигета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. 2018. С. 1255-1263.

■УДК 661.937.6

Анализ способов получения кислорода для обеспечения жизнедеятельности герметично изолированных объектов

Д-р техн. наук В. А. ПРОНИН1, Е. А. КАЛАШНИКОВА , В. А ЦВЕТКОВ3, А. В. КОВАНОВ4, канд. техн. наук О. В. ДОЛГОВСКАЯ

[e-mail], 2kalaslmikova. elena. [e-mail], [e-mail], 4Kovanov76@yaiidex.m, [e-mail] Университет IITMO

Специальные закрытые аппараты начин широкое применение при проведении исследований на больших глубинах и в космосе. Данные технические средства имеют ограниченный запас кислорода, который можно получить с помощью различных методов. В данной работе рассмотрены способы получения кислорода для герметично изолированных объектов. Целью работы является повышение эффективности процессов генерации кислорода, в зависимости от различных способов получения кислорода при разных рабочих параметрах системы регенерации. Для этого были проведены анализ различных способов получения кислорода в системах регенерации воздуха и сравнительная оценка возможности их применения для замкнутых систем. В ходе сравнения наиболее экономичным и экологическим способам было выбрано получение кислорода из пероксида кальция. Пероксид кальция является востребованным веществом, благодаря его свойству сохранять в себе активный кислород, находясь при этом в твердом состоянии. Один килограмм пероксида кальция теоретически содержит 156 литров активного кислорода. Опытным путем кислород был извлечен двумя химическими способами: при разложении водной суспензии пероксида кальция и при использовании высокотемпературного прокаливания. Ключевые слова: кислород, получение кислорода, изолированные объекты, регенерация воздуха, пероксид кальция.

Информация о статье:

Поступила в редакцию 15.03.2022, одобрена после рецензирования 25.05.2022. принята к печати 31.05.2022 DOI: 10.17586/1606-4313-2022-21-3-13-20 Язык статьи — русский Для цитирования:

Пронин В. А., Калашникова Е. А., Цветков В. А., Кованое А. В.,Долговская О. В. Анализ способов получения кислорода для обеспечения жизнедеятельности герметично изолированных объектов. // Вестник Международной академии холода. 2022. № 3. С. 13-20. DOI: 10.17586/1606-4313-2022-21-3-13-20

Methods for obtaining oxygen for life support in hermetically isolated objects

D. Sc. V. A. PRONIN1, E. A. KALASHNIKOVA2, V. A. TSVETKOV3, A. V. KOVANOV4, Ph. D. О. V. DOLGOVSKA1A

[e-mail], 2kalashnikova. elena. [e-mail], iwadimts\>[e-mail],

[e-mail], [e-mail] ITMO University

It is necessary> to use special closed apparatus in the study of outer space or the depths of water objects. These technologies have a limited supply of oxygen, which can be obtained with various methods. Therefore, methods for obtaining oxygen for hermetically isolated objects are considered in this paper. The purpose of the article is the efficiency of oxygen generation processes' increase depending on various methods of oxygen production at different operating parameters of the regeneration system. An analysis of various methods of obtaining oxygen in air regeneration systems and a comparative assessment of the possibility of their use for closed systems are given. The production of oxygen from calcium peroxide was chosen as the most economical and environmentally friendly method in the comparison. Calcium peroxide is a sought-after substance due to its property to retain active oxygen while in a solid state. One kilogram of calcium peroxide theoretically contains 156 liters of active oxygen. Experimentally, oxygen was extracted by two chemical methods: by decomposing an aqueous suspension of calcium peroxide and by using high-temperature calcination. Keywords: oxygen, oxygen production, isolated objects, air regeneration, calcium peroxide.

Article info:

Received 15/03/2022, approved after reviewing 25/05/2022, accepted 31/05/2022 DOI: 10.17586/1606-4313-2022-21-3-13-20 Article in Russian For citation:

Pronin V. A., Kalashnikova E. A., Tsvetkov V. A., Kovanov A. V., Dolgovskaia O. V. Methods for obtaining oxygen for life support in hermetically isolated objects. Journal of International Academy of Refrigeration. 2022. No 3. p. 13-20. DOI: 10.17586/1606-4313-2022-21-3-13-20

Введение

Для обеспечения нормальной жизнедеятельности живых существ, необходимо поступление таких важных источников, как воздух, вода и пища, обогащенная питательными веществами. Если без воды и еды можно прожить около 10 сут, то нахождение без воздуха более 10 мин приведет к летальному исходу.

В повседневной жизни людей кислород (0:) является свободно доступным, т. к. атмосфера функционирует как бесконечный буферный резервуар для 02, производимого фотосинтетической биосферой Земли. Однако для исследования безвоздушных пространств, таких как воды мирового океана или космос, возникает необходимость в применении закрытых космических кораблей или специальных глубоководных аппаратов, соответственно. Данные технические средства не имеют бесконечного запаса кислорода. Процесс дыхания человека влечет снижение концентрации 02, в то время как концентрация углекислого газа со временем увеличивается внутри замкнутой среды обитания. Типичная частота дыхания здорового взрослого человека в состоянии покоя составляет примерно 20 000 вдохов в день [1]. В космических аппаратах считается, что один стандартный член экипажа весом 82 кг потребляет 0,82 кг/ сут кислорода и производит 1,04 кг/сут углекислого газа (СО,) [2].

Объекты, имеющие достаточный запас энергии (атомные подводные лодки, космические станции, высотные самолеты и другие) применяют системы, работающие с помощью электролиза воды для получения кислорода. Объекты с низким энергообеспечением (неатомные подводные лодки, убежища) использую системы химической регенерации воздуха на основе надпе-роксидов, хлоратов и гидроксидов металлов. Но системы, функционирующие на основе химической реакции, имеют вредные продукты распада, например хлор, а также отличаются высокой стоимостью используемых материалов. Поэтому разработка экологических систем генерации кислорода, потребляющих минимум энергии, является актуальной задачей.

Целью работы является повышение эффективности процессов генерации кислорода, в зависимости от различных способов получения кислорода при разных рабочих параметрах системы регенерации. Для достижения цели определены следующие задачи: анализ различных способов получения кислорода в системах регенерации воздуха и сравнительная оценка возможности их применения для замкнутых систем, проведение экспериментальных исследований получения кислорода при разной температуре реакции и с использованием различных катализаторов.

Источники кислорода в замкнутых системах

Работа систем регенерации воздуха направлена на поддержание концентрации кислорода на комфортном для человека уровне и удаление диоксида углерода [3].

В качестве источника кислорода используют:

— чистый кислород, который хранится в баллонах;

— электролиз воды, при котором под действием электрического тока происходит ее разложение с использованием катода и анода;

— твердые источники, такие как хлораты, перхлораты и др., которые выделяют активный кислород при определенных условиях [4, 5];

— биорегенеративное восстановление воздуха, использующее различные виды растений, такие как водоросли, которые активно выделяют кислород при фотосинтезе [6].

Системы регенерации воздуха подбираются исходя из различных показателей, таких как массогабаритные характеристики, энергопотребление, трудоемкость обслуживания и стоимость эксплуатации системы [7]. Важными требованиями являются производительность системы при определенных концентрациях кислорода и диоксида углерода, надежность, безопасность и, главное, экономическая эффективность.

Сравнительный анализ методов получения кислорода

Потребление кислорода для человека средней массы (70 кг) может изменяться в диапазоне 0,5-1,0 кг/сут в зависимости от физической активности. Система кислоро-дообеспечения должна обеспечивать подачу в атмосферу обитаемого отсека кислорода в количестве 0,9 кг/сут (на одного человека).

Но так как даже кратковременное воздействие гипоксии может вызывать серьезные последствия для организма, принято в расчет использовать потребление кислорода в виде 1 кг/сут для проектирования систем обеспечения жизнедеятельности [4].

В табл. 1 приведены методы и эксплуатационные затраты на получение 1 м5 кислорода.

Исходя из данного сравнения, можно сделать вывод, что использование биологической системы получения кислорода требует больших пространств для размещения растений, что является невозможным при использовании в условиях ограниченных герметичных объектов. При использовании готовых баллонов с газом необходимо использовать баллоны и манометры, которые работают под высоким давлением, а также кислород в чистом виде является взрывоопасным при нарушении условий хранения [14-17]. Электролиз воды требует высоких энергети-

Перокгид кальция и его свойства

Пероксид кальция — это белый или светло-кремовый порошкообразный материал, имеющий высокую термическую устойчивость. Только при температуре выше 375-425 °С происходит его интенсивное и полное разложение. Данный материал плохо растворяется в воде, аммонийных растворах. Также не вступает в реакцию с сухим углекислым газом, но в присутствии воды и при температуре выше 150 °С начинает процесс разложения [20].

Благодаря термодинамической устойчивости Са02 может сохранять свои свойства длительное время без введения каких-либо добавок или стабилизаторов. Но в то же время он может разрушаться при неподходящих способах упаковки и условий хранений, а также, если в составе присутствует примеси, возникшие при синтезе.

Важнейший фактор, влияющий на качество СаСЬ является влажность. При длительном хранении влага реагирует с пероксидом, образуя при этом продукты гидролиза, что в свою очередь приводит к потере основного вещества. Для его хранения рекомендуют стеклянные колбы с резиновой пробкой и герметичные металлические емкости, таким способом пероксид кальция можно хранить 7-17 лет. Потеря основного вещества составит меньше 0,1% [21].

Пероксид кальция является востребованным веществом, благодаря его свойству сохранять в себе активный кислород, находясь при этом в твердом состоянии. Один килограмм пероксида кальция теоретически содержит 156 литров активного кислорода.

Материалы и методы

Теоретические расчеты химической генерации кислорода.

Рассмотрим химический способ получения кислорода из Са02.

Са02 в чистом виде промышленностью не поставляется. Обычно активная часть Са02 в поставляемом порошке составляет не выше 70%. Остальная часть представляет собой Са(ОН)2. В России пероксид кальция производится в г. Дзержинске (Нижегородская обл.) в виде препарата «Прана» по ТУ 261133-001-49775126-2015 [22]. Массовая доля пероксида кальция не менее 50%.

Таким образом, в 1 кг сухого порошка, выпускаемого промышленностью, находится не более 10-13% 02.

Реакция получения кислорода из пероксида кальция происходит по схеме:

Са02 + 2H20 = Са(ОН)2 + H202; (1)

2Н202 —» H20 + 02f. (2)

Реакция проходит при температуре 50 °С с выделением тепла, что является положительным отличием от пероксидов щелочных металлов.

Разложение пероксида кальция в суспензии происходит в два этапа. Первоначально Са02 гидратирует на гидроксид кальция и перекись водорода, затем перекись водорода разлагается с образованием воды и атомарного кислорода. Присутствие обычных для разложения пероксида водорода катализаторов сокращает время существования перекиси водорода.

Возможен другой способ разложения Са02, которой происходит по схеме, при температуре 250-300 °С:

(3)

Рассчитаем теоретическое количество гидроксида кальция и перекиси водорода образовавшегося при реакции 100 г пероксида кальция и необходимое количество воды.

Са02 + 2Н,0 = Са(ОН)2 + Н202; (4)

юо+г=х+у.

Таким образом, теоретически:

— масса воды, необходимая для реагирования 100 г пероксида кальция, равна 50 г;

— масса полученного гидроксида кальция равна 102,8 г;

— масса образовавшейся перекиси водорода равна 47,2 г.

Аналогично рассчитываем теоретическое количество воды и кислорода, исходя из уравнения разложения 47,2 г перекиси водорода.

2Н202 —» Н20+ 02; (6)

47,2 =Л> К

Молярная масса 2Н202 = 2(1 ■ 2 + 16 ■ 2) = 68.

Молярная масса 02 = 16 ■ 2 = 32.

Молярная масса 2Н20 = 2 (1 ■ 2 + 16) = 36.

47,2/68 =Х/Зб, ^Х= (47,2 ■ 36)/68 = 25 г.

47,2/68 = У/32, — У= (47,2 ■ 32)/68 = 22,2 г. (7)

Таким образом, теоретически:

— масса полученной воды равна 25 г;

— масса выделенного кислорода равна 22,2 г.

Рассчитаем объем кислорода массой 22,2 г при нормальных условиях

У = 0п У„ум, (8)

где У,„ — молярный объем идеального газа, Ут = 22,4 л/ моль.

К(Оз) = (22,2 • 22,4)/32 = 15,5 л. (9)

Таким образом, теоретически для получения 22,2 г (15,5 л) кислорода необходимо 100 г пероксида кальция.

Химический способ получений кислорода из смеси СаО,+ Са (ОН),

Первый вариант — использование водной суспензии смеси Са02+ Са (ОН)2.

Разложение пероксида кальция в суспензии происходит в два этапа. Первоначально смесь Са02 + Са(0Н)2 гидратирует на гидроксид кальция и перекись водорода.

2Са02 —> 2СаО+ 02|.

Молярная масса Са02= 40 + 16 ■ 2 = 72. Молярная масса 2Н20 = 2 (1 • 2 + 16) = 36. Молярная масса Са(ОН)2 = 40 + 2 (16 + 1) = 74. Молярная масса Н202 = 1 ■ 2 + 16 • 2 = 34. По правилу пропорций рассчитываем значения X, У Z: 100/72 =ХПЛ, ->Х= (100 ■ 74)/72 = 102,8 г; 100/72 = У/24, -> У = (100 ■ 34)/72 = 47,2 г; (5) 100/72 = Z/36, — Z = (100 ■ 36)/72 = 50 г.

Затраты на получение 1 м3 кислорода The cost of 1 m3 of oxygen

Таблица 1 Table 1

—^^^^ Характеристика Способ .....— Материал, цена на осень 2021 г Электроэнергия Массогабаритные характеристики

Сжа1 ый кислород (баллон) Кислород из атмосферы. 0 руб. Закачка — 700-1200 руб. 3 кВт 1 баллон объемом 40 л, вмещает 6 м3кислорода [8]

Электролиз (установка) Вода 1,7 л; 0.6 руб. 8.73 кВт [9] 64x48x101 см. 120 кг [10, 11]

Твердые источники 2,4 кг хим. вещества; 240 руб. 26 Вт 1,55 дм3

Биологический Хлорелла 8 м3; вода — 14x19x2,5 м, объем 315 м3 [12, 13]

ческих затрат. Поэтому наиболее экономичным и экологическим является использование систем на основе химических соединений, содержащий в своем составе кислород.

Для извлечения кислорода из твердых носителей используются различные реакции и физические воздействия. В табл. 2 показано количество кислорода в наиболее часто используемых соединениях.

Оценка затрат, необходимых для получения 1 м5 кислорода приведена в табл. 3. В расчет взяты минимальные оптовые цены, предложенные на рынке рассматриваемых химических веществ (осень 2021 г).

Исходя из данных табл. 3, наиболее затратными, с финансовой точки зрения, веществами являются над-пероксиды натрия и калия. Остальные вещества находятся примерно в одной ценовой категории.

Выделение кислорода с использованием перхлоратов и хлоратов обуславливается необходимостью охлаждения выделяемого кислорода из-за специфики данной технологии (температура в зоне горения может превышать 800 °С), а также выделение хлора, который при взаимодействии со слизистыми оболочками человека образует соляную кислоту, которая может вызвать различные негативные последствия для организма [18].

Согласно [19] пероксид натрия и калия относятся к 3-му классу опасности по степени воздействия на организм человека (умеренно-опасные химические вещества), а пероксид кальция относится к 4-му классу опасности (малоопасные вещества). Поэтому наиболее безопасным будет являться пероксид кальция, который и выбран для проведения исследования.

Содержание кислорода в веществах [4]

The content of oxygen in the substances [4]

Таблица 2 Table 2

Название вещества Химическая формула Химическая реакция Содержание кислорода

% мае. дм3/кг

Пероксид кальция СаО, СаО, + 2Н,0 = Ca (ОН) : + Н:0: 44,4 310,6

Надпероксид натрия N802 4NaOi + 2Н,0 = 4NaOH + ЗО, 58,2 407,3

Хлорат натрия КаСЮ3 2NaC103 = 2NaCl + ЗСЬ 45,1 315,7

Хлорат калия КСЮ3 2КСЮ3 = 2КС1 + ЗО, 39,2 274,2

Хлорат лития 1лС1С>5 2LiC10j = 2LiCl + ЗО, 53,1 371,7

Перхлорат натрия КаСЮ4 NaC104 = NaCl + 20> 52,3 365,9

Перхлорат калия КСЮ4 КС104 = КС1 + 20, 46,2 323,4

Перхлорат лития 1лСЮ4 LiC104=LiCl + 20, 60,2 421,1

Стоимость химических веществ

The cost of chemical agents

Таблица 3 Table 3

№ Вещество Цена, руо кг Для получения 1 м3 02, кг Стоимость, руб

1 Пероксид кальция 250-350 6,43 1607,5-2250,5

2 Пероксид натрия 1150-1250 6,97 8015,5-8712,5

3 Пероксид водорода 30-50 (40%) 7,59 227,7-379,5

4 Надпероксид натрия. калия 12 500 ЗД7 4,29 40875 53625

5 Хлорат натрия, калия 300-500 3,17 3,65 951-1585 1095-1825

6 Перхлорат натрия. калия 250-500 2,74 3,09 685-1370 772,5-1545

Результаты опыта разложения смеси Са02 + Са(ОН)2 The results of the experiment on the decomposition of CaO: + Ca(OH)2 mixture

Таблица 4 Table 4

Продолжительность, ч: мин 00:00 02:00 04:00 04:30

m (О,), г 0 12 15 16

Количество кислорода, % от массы порошка 0 6 7,5 8

Результаты опыта no прокаливанию смеси Са02 + Ca(OH)2 The results of the experiment on the ignition of CaO, + Ca(OH)2 mixture

Таблица 5 Table 5

Масса смеси СаО, + Са(ОН)2, г Масса установки с порошком, г Масса предполагаемого кислорода, г Время прокаливания, час: мин

100 531,5 0 0:00

87 518.5 13 0:55

86,5 518 13,5 1:50

86,5 518 13,5 3:10

85.5 517 14,5 4:10

85,5 517 14,5 5:00

100 г в течение первого часа теряется около 13% массы порошка (табл. 5).

Таким образом, данный порошок потерял 14,5% от массы.

Выводы по опыту:

— при прокаливании теряется не менее 14% массы, из них часть приходится на влажность порошка (не более

1%);

— при прокаливании пероксид кальция переходит в оксид кальция, что подтверждает теоретические данные.

Заключение

В данной работе был проведен анализ имеющихся способов получения кислорода, их достоинства и недостатки. Проведен сравнительный анализ энергозатрат по способам получения кислорода. Наиболее экологиче-

ским и экономичным способом выбрано получение кислорода из пероксида кальция.

Теоретически было рассчитано, что для получения 22,2 г (15,5 л) кислорода необходимо 100 г пероксида кальция. Извлечение кислорода опытным путем было осуществлено двумя способами:

1. При разложении водной суспензии пероксида кальция, при которой выделилось 8% кислорода.

2. При использовании высокотемпературного прокаливания, при котором получено 14,5% кислорода.

Процесс получения кислорода из пероксида кальция сопровождается экзотермической реакцией. Следовательно, в дальнейшем будет рассчитан полученный тепловой эффект данной реакции и рассмотрены возможные способы применения или утилизации образующегося тепла.

Литература

1. Fahrion J., ets. Use of photobioreactors in regenerative life support systems for human space exploration // Front Microbiol. 2021.

2. Crockett A. J., Schemer, T. R., Eston, R. G. Kinanthrometry and exercise physiology. Routledge. 2018. pp. 225—250.

3. Путин С. Б. Математическое моделирование и управление процессом регенерации воздуха. М.: Машиностроение, 2008. 176 с.

4. Гладышев Н. Ф„ Гладышева Т. В., Дворецкий С. И. Системы и средства регенерации и очистки воздуха обитаемых герметичных объектов. М.: Издательский дом «Спектр». 2016. 204 с.

5. Дворецкий С. И., Гладышев Н. Ф„ Гладышева Т. В., Суворова Ю. А., Плотников М. Ю. Новый подход к регенерации воздуха в герметичных обитаемых объектах // Вопросы современной науки и практики. 2012. (39). С. 159-165.

References

Fahrion J., ets. Use of Photobioreactors in Regenerative Life Support Systems for Human Space Exploration. Front Microbio. 2021.

Crockett A. J.. Scherrner T. R.. Eston R G. Kinanthrometry and exercise physiology. Routledge. 2018. pp. 225-250. Putin S. B. Mathematical modeling and control of the air regeneration process. Moscow, Mashinostroenie, 2008. p. 176. (in Russian)

Gladyshev N. F.. Gladysheva T. Y.. Dvoretsky S.I. Systems and facilities for ail' regeneration and purification of inhabited sealed objects. Moscow, Spektr Publishing House. 2016. p. 204. (in Russian) Dvoretsky S. I.. Gladyshev N, F., Gladysheva T. Y., Suvorova Y. A.. Plotnikov M. Y. A new approach to air regeneration in hermetic habitable objects. Questions of modem science and practice. University. V. I. Vernadsky. 2012. (39). pp. 159-165. (in Russian)

6. Fu Y. el al. How to establish a bioregenerative life support system for long-term crewed missions to the moon or mars. // Astrobiology. 2016. (16). pp. 925-936.

7. Система регенерации воздуха: Патент РФ 2516017: А62В7/08/ Копытов Ю. Ф., Гудков С. В.. Путин С. Б.; заявитель и патентообладатель ОАО «Корпорация Росхнмзащнта»; опубл. 20.05.2014.

8. ГОСТ 5583-78 (ИСО 2046-73) Кислород газообразный технический и медицинский. М.. 1980.

9. Sakurai М, Тегао Т., Sone Y. Development of Water Electrolysis System for Oxygen Production Aimed at Energy Saving and High Safety // 45th International Conference on Environmental Systems, 2015. pp. 1-7.

10. Генераторы кислорода [Электронный ресурс] URL: http:// www.energokomplet.eu/produkcija/ tekhnologicheskie-sredy/ generatory-chistykh-gazov/hydrogenics-belgija/ (дата обращения 20.11.2021)

11. Клюшенкова M. И., Назаров В. И., Попов А. П. Техника и технология поддержания жизни в замкнутом пространстве // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. 2018. №6 (52). С. 1255-1263.

12. Гузенбер: А. С., Железняков А. Г., Романов С. Ю„ Телегин .J. А., Юргин А. В. Выбор комплекса жизнеобеспечения для экипажей долговременных космических станций // Космическая техника н технологии. 2015.

13. Niederwieser Т., KociolekP., Klaus D. A review of algal research in space. // Acta Astrounatica. 2018. pp. 359-367.

14. Мирошниченко Ю. В., Еникеева P. А., Кассу E. M. Характеристика способов получения кислорода медицинского и перспективы их применения в военном здравоохранении 7 Вестник Российской военно-медицинской академии №2 (54), 2016. С. 157-163.

15. Клюшенкова М. II, Назаров В. II, Попов А. П. Техника и технология поддержания жизни в замкнутом пространстве // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. 2018. С. 1255-1263

16. Гузенберг А. С., Железняков А. Г., Романов С. Ю., Телегин А. А., Юргин А. В. Выбор комплекса жизнеобеспечения для экипажей долговременных космических станций // Космическая техника н технологии 2015. №1. С. 67-80.

17. Anderson М. S„ Ewert М. К., Keener J. F. Life Support Baseline Values and Assumptions Document. Report Number NASA/TP-2015-218570/REY1, 2018. p. 219

18. Булатова О. Ф„ Ключарева Е. В., Назаров М. Н., Сергеева JI. Г. Неорганические окислители и перекисные соединения. Сер. Молекулы и реакции. Уфа: УГНТУ, 2015. 51 с.

19. ГОСТ 12.1.007-76 Вредные вещества. М., 1977

20. Hefei W., Yongsheng Z., Tianyi L., Zhen C., Yinan W., Chuanyu O. Properties of calcium peroxide for release of hydrogen peroxide and oxygen: A kinetics study // Chemical Engineering Journal. 2016.

21. Гладъпиев H. Ф., Гладышева Т. В., Лемешева Д. Г. Перок-сндные соединения кальция. Синтез. Свойства. Применение. М.: Издательский дом «Спектр». 2013. 216 с.

22. Пероксид кальция [Электронный ресурс] URL: https://supl. biz/peroksid-kaltsiya-pl48819/ (дата обращения 20.12.2021)

6. Fu Y. et al. How to establish a bioregenerative life support system for long-term crewed missions to the moon or mars. Astro-biology. 2016. (16). pp. 925-936.

7. Air regeneration system: RF Patent 2516017: A62B7/08/ Kopy-tov Y. E, Gudkov S. Y, Putin S. B.: applicant and patent holder JSC Roskliimzashcliita Corporation: publ. 20.05.2014. (in Russian)

8. State standard 5583-78 (ISO 2046-73) Technical and medical gaseous oxygen. Moscow. 1980. (in Russian)

9. Sakurai M., Terao T.. Sone Y. Development of Water Electrolysis System for Oxygen Production Aimed at Energy Saving and High Safety. 45th International Conference oil Environmental Systems, 2015. pp. 1-7.

10. Oxygen generators [Electronic resource] URL: http://www.en-ei'gokomplet.eu/prodiikcija/tekhnologicheskie-sredy/generato-ry-chistykh-gazov/hydrogenics-belgija/ (accessed 20.11.2021). (in Russian)

11. Klyushenkova M I., Nazarov Y. I.. Popov A. P. Technique and technology for maintaining life in a confined space. Bulletin of the State University of the Sea and River Fleet named after Admirals. O. Makarov, 2018. No. 6 (52). pp. 1255-1263. (in Russian)

12. Guzenberg A. S., Zheleznyakov A. G.. Romanov S. Y., Telegin A. A. Yurgin A. Y. The choice of a life support complex for crews of long-term space stations. Space technics and technologies, 2015. (in Russian)

13. Niedenvieser T.. Kociolek P.. Klaus D. A review of algal research in space. Acta Astiounatica. 2018. pp. 359-367.

14. Miroshnichenko Y. Y, Enikeeva R. A.KassuE. M. Characteristics of methods for obtaining medical oxygen and the prospects for their use in military healthcare. Bulletin of the Russian Military Medical Academy. 2016. No. 2 (54), pp. 157-163. (in Russian)

15. Klyushenkova M I, Nazarov Y I.. Popov A. P. Technique and technology for maintaining life in a confined space. Bulletin of the State University of the Sea and River Fleet named after Admiral S. O. Makaiova, 2018. pp. 1255-1263. (in Russian)

16. Guzenberg A. S.. Zheleznyakov A. G., Romanov S. Yu., Telegin A A. Yurgin A. Y. The choice of a life support complex for crews of long-term space stations. Space Technique and Technologies. No. 1. 2015. pp. 67-80. (in Russian)

17. Anderson M. S.. Ewert M. K.. Keener J. F. Life Support Baseline Yalues and Assumptions Document. Report Number NASA/ TP-2015-218570/REY1, 2018. p. 219

18. Bulatova O. F.. Klyuchareva E. Y, Nazarov M. N.. Sergeeva L. G. Inorganic oxidizing agents and peroxide compounds. Ser. Molecules and reactions. Ufa: UGNTU, 2015. p. 51. (in Russian)

19. State standard 12.1.007-76 Harmful substances. M„ 1977. (in Russian)

20. Hefei W„ Yongsheng Z., Tianyi L.. Zhen C., Yinan W., Chuanyu Q. Properties of calcium peroxide for release of hydrogen peroxide and oxygen: A kinetics study. Chemical Engineering Journal, 2016.

21. Gladyshev N. F„ Gladysheva T. Y, Lemesheva D. G. Calcium peroxide compounds. Synthesis. Properties. Application. M.: Spektr Publishing House, 2013. p. 216. (in Russian)

22. Calcium peroxide [Electronic resource] URL: https://supl.biz/ peroksid-kaltsiya-p148819/ (accessed 20.12.2021). (in Russian)

0 O

0 C C

o o

Q <D

W O

Q. O

<0-

/, AIP

Publishing

Modelling of Capacity Regulation of Single-Rotor Screw Compressor Using a Rotary Regulator Ring

V. Proninb), V. Tsvetkova>, A. Kovanovc) and E. Kalashnikovad]

ITMO University, 49 Kromerksky pr„ St. Petersburg, Russian Federation

Corresponding author:[e-mail] '"[e-mail] "Ko i ano\'76@yandex. ru d'kalash niko \ a. e lena. 96@mail. ru

Abstract. Ilie paper describes the constniction and operation of the built-m volume capacity' regulator for single-rotor screw compressor (SSC) with a circumferential cutoff tooth shape in the form of a rotary regulator ring. The method of calculating the volumetric capacity of SSC in the process of its regulation by means of mathematical modelling is discussed in detail The result is the development of the theoretical basis in the field of volume flow regulation of SSC as well as its algoritlwiisatiou. >

f

INTRODUCTION I

|

In refrigeration systems, air conditioning systems, pneumatics, oil refineries, etc compressors operate in part- g

load conditions, which is done by regulating the capacity of these machines. The capacity of screw compressors is often controlled by integrated capacity regulators. For a screw single-rotor compressor (SSC) [1] the authors propose the design of an integrated capacity regulator in the form of a rotary ring, its advantages in comparison with alternative methods of regulation have been previously substantiated [2].

At this stage of the study, it will be appropriate to use the method of mathematical modelling, which is universal and reliable for describing the processes that occur in technical systems.

The purpose of this paper is to develop a mathematical model for regulating the capacity of SSC by means of a rotary regulator ring. To achieve die purpose, the following tasks are defined:

1. Describe the construction and operation of the rotary regulator ring:

2. Provide justification for the design of the rotary ring, according to the position and dimensions of the window coinciding with the discharge window and the by-pass window which by-passes a part of the compressed medium into the inlet area:

3. Determine the dependence of the axial movement of the by-pass w indow on the rotary ring ou the axial coordinate of the rotor screw groove edges (as a fiuiction of the angle of rotation of the cut-off device);

4. Detennine the method for calculating the effective area of the bypass zone with a change in the angle of the shut-off device;

? Propose a computational model for the process of regulating the capacity of tie SSC: 6 Make a block diagram of a program analysing the performance characteristics of SSC during capacity control using a rotary ring

In the literanire [3-7]. ways of regulating the capacity of Ziminem type SSC [8] are considered, mainly by-means of the built-in regulator - slide valve system. Howev er, for SSC of type [1], taking into account features of its

Oil and Cat ijtgmrering (OGF.-1022) AtPConf. Proc. 27«. 030027-1 030027-8; hops'...cbi.org 10.I063'5.0I40383 Publish«! by AIP PiibliAmjj. 978-0-73544513-0 $30.00

030027-1

design, regulation of capacity using the built-in capacity regulator has not been described mathematically before. The proposed model will allow to determine influence of geometrical parameters of elements of the rotary ring and their different positions relating to the discharge window and screw-rotor grooves cn the process of operation of SSC at regulation of its capacity.

PRINCIPLES OF CONSTRUCTION AND OPERATION OF THE ROTARY REGULATOR RINC

The rotary ring is intended to be mounted in the bore of the casing in the area of SSC discharge windows. The planned construction is arranged in such a way thai when it is rotated in the compressor casing, by-pass w indow opens which connects the cavity formed by the screw cavity and the cut-off tooth with the suction area. This also changes the discharge window areas, which, in turn, maintains the same geometric compression ratio of the SSC as its capacity varies. The rotary ring is controlled by an external driver and is linked to the operating mode of the compressor [9].

DESIGN BASIS: LOCATION AND DIMENSIONS OF THE WINDOW COINCIDING WITH THE DISCHARGE WINDOW AND BY-PASS WINDOW

Figure 1 is a sketch of the position of tire rotary ring (discharge slotted window and by-pass window) at full capacity. The sketch shows the rotor screw, the rotary imp and part of the casing in a rectangular coordinate system.

discharge side

FIGURE 1. Flat section drawing of the rotor screw (2 grooves), rotary regulator ring and casing part in a coordinate system: a) central rotor-screw, b) screw groove (cavity): c) inlet window; d) rotary regulator ring: e) d:scharge window: f) window on rotary ring, coinciding with the discharge window: g) bypass window, i) rotor-screw and rotary ring rotation direction: I is first groove; II is second groove: LGE is lefl groove edge; RGE is right groove edge

In accordance with the SSC principle, the LGE first reaches the intersection witl. the by-pass window contour and then the RGE. Figure -1 shows the moment groove I approaches the discharge window, with the groove outside the by-pass window contour and not communicating with groove IT. which lias not yet been cut off from the inlet area by the cut-off tooth Therefore, in this position of the rotary regulator ring ther: is no communication of the compression cavity of groove I with the cavity of groove II and therefore also with the inlet area. In this case, the SSC is operating at full capacity.

In order to analyse the control characteristics of the rotary ring (SSC capacity), it is necessary to calculate the discharge and bv-pass window areas in case they are overlapped by the considered design of fee rotary ring. Let us

030027-2

refer again to Fig. 1. Here x is displacement of the rotary ring; dx is distance between the initial position of ilie bypass window and the point A 011 groove line 11. The geometric characteristics of the rotary ring are related to the cut-off angle p and Ax.

Wlien the LGE of groove n passes through point 2, the by-pass port opens for groove II and then part of the working medium and working cavity formed by groove I returns to the inlet area through the cavity of groove II (lower pressure area). When the RGE of groove I has passed through point 4 and the LGE of this groove approaches point 5 and starts to match the discharge window contour, thereby isolating itself from the by-pass port and groove II cavity- by the inside surface of the casing, the working medium is compressed.

In order to calculate the geometric characteristics of the proposed window design on the ring, it is necessary to define a bounding contour in the discharge area. The by-pass region consists of the curve of the RGE of groove I. the LGE of groove H, and otherwise fee by-pass window contour projecting onto the groove area. The equations of these boundary contours can be represented as LGE (1). RGE (2), curves bounding the bypass window (3).

I:

= (awtgP:n -

lcos{S

Jro \ Icostl)

(1)

where Xj(/?) is abscissa of LGE of fee rotor screw groove: aw is centre distance between cut-off device and rotor screw, 111111: tJ> is angle of rotation of the cut-off device, rad; r0 is tooth radius of the cut-off device, mm; /?,„ is angle of cut-off device at the start of suction, rad: y/(/?) is ordinate of LGE of the rotor screw groove: z is the number of teeth of the cut-offdevice: R1 is outer radius of the rotor screw, mm.

[yr(fi) = zRl(fi-Px)

(2)

where x, (/?) is abscissa of RGE of fee rotor screw groove: yr (/3) is ordinate ofRGL of the rotoi screw groove.

(3)

where xx is abscissa of reference point 1: dx is distance between the reference point N and RGE of fee by-pass window in its initial position, 111111; x2 is abscissa of reference point 2; Ax is width of bypass window, 111111; y^ is reference point ordinate 1: y2 is reference point ordinate 2; /1 is height of bypass window, mm.

DETERMINATION OF THE DEPENDENCE OF THE AXIAL MOVEMENT OF THE BY-PASS WINDOW ON THE ROTARY RING ON THE AXIAL COORDINATE OF THE GROOVE EDGES OF THE SCREW ROTOR

According to the meshing characteristics, the required angle of inclination of fee groove profiles for axial displacement Ax depends on the axial coordinate of the groove profiles. Therefore, it is necessary to fix the values of such angles, which are formed at the moment of intersection of the RGE and LGE profiles with the reference points of the bypass window Call such angles characteristic angles. They can be obtained from fee axial coordinates of the groove profiles.

LGE will intersect with the reference points in sequence, with the cut-off device rotation angles equal to Pn,. According to equation (1). fee coordinates of each reference point must satisfy the system (4) The abscissa and ordinate of the reference points are calculated using equation (3). Similarly, the characteristic angles are determined pn, at fee moment when the RGE intersects fee reference points (5).

where i is reference point

(4)

030027-3

(*r(ft-t) = xt

lyAßri) =yi

Table 1 shows the characteristic angles and corresponding positions of the working cavities.

T.VBLE 1. Characteristic cut-otf device rotation angles.

Characteristic angles

Position in relation to reference points

Pu LGE- 1

Pt2 LGE-2

Pu LGE - 3

P|4 LGE-4

Pa RGE - 1

Pr> RGE-2

PJ RGE - 3

Pt4 RGE-4

Pouil LGE-5

PooO RGE-5

Poul3 LGE-6

Pout4 RGE-6

METHOD FOR CALCULATING THE EFFECTIVE BY-PASS ZONE AREA WHEN THE ANGLE OF ROTATION OF THE SHUT-OFF DEVICE IS CHANGED

The formation of different shapes of the effective bypass zone when changing the angle of rotation of the cut-off device makes the process of calculating it complicated. One possible method is to calculate by calculating two areas - S[ and in separately. S] consists of an LGE and a boundary contour, the area sn consists also of an LGE and a boundary contour. S! and Sj can be calculated using equations (6) and (7) (Fig. 2).

s, S, 1

> "TBI \

X

yXLGE II

RGE

FIGURE 2. Sketch representation of areas St and sn

030027-4

CONCLUSION

The paper has described The principles of construction and operation of the built-in SSC capacity regulator in the form of a rotary adjusting ring The dependences of bypass window movement on coordinates of screw-rotor groove edges have been determined, the method of calculating the effective area of bypass zene with changing the angle of cut-off device rotation and the calculation model of the process of SSC capacity regulation have been proposed Graphic block diagram has been prepared for implementation of the calculation programme. Thus, the work provides theoretical justification for further research in the field of SSC capacity regulation, setting up a numerical experiment by CAE modelling methods, setting up a full-scale experiment and verification of the results.

REFERENCES

>

I

i

P-

$

s

030027-8

1. L. G. Kuznetsov, Y. L. Kuznetsov, V. A. Pronin, A. V. Burakov, A. V. Bozhedomov and N. A. Kotlov. Russian Patent № 199030 (8 July 2020)

2. V. A. Pronin, V. A. Tsvetkov, A. V. Kovanov and D V. Zhignovskaya, AIP Conf. Proceed. 2412. 030040 (2021).

3. W. Wu andZ. Zhang. Proc. Inst. Mech. Eng. E: J. Process Mech. Eng. 236(2), 738-751 (2022).

4. C. Wang, Machines Щ1). 62 (2022).

5. Y. Wu et al.. Energies 9(7). 478 (2016).

6. Z. Wang. AppL Therm Eng. 110. 1172-1182 (2017).

7. Z. Wang. Z. Liu, F. Liu. X. Yu and Q. Feng. Proc Inst. Mech. Eng. A: J. Power Energy 228(8). 965-977 (2014).

8. В Zimniem and G. C. Patel, "Design and Operating Characteristics of the Zimiiiem Single Screw Compressor" in International Compressor Engineering Conference (1972). Paper 16.

9. V. A Pronin, [S^tíic Single-rotor Compressors for Refrigeration Equipment and Pnewnatics], (SPb, 1998). 226 p. Russian

10 V I. Pekarev and A. V Amifriev, [ Turbines and compressors], 3, 4 (28, 29), 22-27 (2004). Russian.

11 L. Shen et al., Energy 153(C), 45-55 (20180.

12 Z. Wang, Appl. Therm Eng. 103, 139-149 (2016)

13 Z. Xing, Screw Compressor-theory, Design and Application, (5th ed. Beijing: China Machine Press. 2000).

14 M. M. Rathore. Thennal Engineering, (Tata McGraw-Hill Education. 2010).

15. P. II. Oosthuizcn and W. E. Carscallen, Introduction to Compressible Fluid Flow, (CRC press, 2013).

Энергоэффектпвные 1шженерные системы и технологии СПГ_

УДК 628.87

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ РЕГЕНЕРАЦИИ ВОЗДУХА ДНЯ ГЕРМЕТИЧНО ИЗОЛИРОВАННЬЕХ ОБЪЕКТОВ

Миникаева Е.А.1

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Пронин В.А.1

1 - Университет ИТМО

Введение

Процесс дыхання человека влечет снижение концентращш кислорода, в то время как концентрация углекислого газа со временем увеличивается внутри замкнутой среды обитания. Система регенерации воздуха - это система, направленная на поддержание концентращш кислорода на комфортном для человека уровне и удаление диоксида углерода. Системы регенерации воздуха подбираются исходя из различных показателей, таких как массогабаритные характеристики, энергопотребление, трудоемкость обслуживания и стоимость эксплуатащш системы.

Основная часть

Объекты с низким энергообеспечением используют системы химической регенерации воздуха на основе пероксидов металлов [1]. Наиболее безопасным и недорогим материалом является пероксид кальция. Для обеспечения минимального энергопотребления учитывались результаты экспериментов получения кислорода различными способами. Оптимальным было использование смешение с водой [2] и выделение кислорода из малоконцентрированного раствора [3] с использованием катализатора. Для поглощения углекислого газа также используется химическая реакция со щелочью. Таким образом, система регенерации воздуха состоит из генератора кислорода, поглотнля углекислого газа, а также теплообменника и осушителя.

С помощью математической модели описываются процессы в герметичном отсеке с системой регенерации. Расчет производится для экипажа из трех человек. Принятые условия и допущения: стационарный, установившийся режим работы системы; корпус, блоки и магистрали теплоизолированные; изменения парциальных давлений компонентов воздуха не учитываются; воздух на выходе из абсорбера и генератора насыщенный влажный; коэффициенты теплопередачи теплообменников не зависят от расходов. Составлен общий тепловой баланс отсека.

Выводы

Расчитано необходимое количество исходных веществ для работы макета регенерации воздуха при минимальных энергетических затратах. Составлена математическая модель для каждого оборудования, а именно генератора кислорода, абсорбера для удаления углекислого газа, теплообменника для охлаждения полученной кислородно-воздушной смеси и осушителя в случае превышения допустимых норм влажности.

Литература

1. Клюшенкова М.Н., Назаров В.П., Попов А.П. Техника и технология поддержания жизни в замкнутом пространстве // Вестник Государственного универагтета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. 2018. №6(52). С. 1255-1263.

2. Пронин В.А., Калашникова Е.А., Цветков В.А., Кованов A.B., Долговская О.В. Анализ способов получения кислорода для обеспечения жизнедеятельности герметично изолированных объектов // Вестник Международной академии холода. 2022. № 3(84). С. 13-20.

3. Калашникова Е.А., Долговская О.В. К вопросу проектирования макетного образца получения кислорода внутри замкнутой среды об1ггания//Энергоэффектнвные инженерные системы, технологии спг, Водородная энергетика. Сборник тезисов XII Конгресса молодых ученых. 2023. С. 134.

УДК 628.87

Особенности проектирования энергоэффективных систем регенерации воздуха для герметично изолированных объектов

Д-р техн. наук В. А. ПРОНИН1, Е. А. МИНИКАЕВА:,

канд. техн. наук О. В. ДОДГОВСКАЯ3 1та1ог.ргошп@шаИ.ш, :ка1а5Ьшкоуа[e-mail],5о\с1 о^о \'5кат@1 тю.ш

Университет 1ГГМО

В данной статье рассматривается проблема создания энергоэффективногй системы регенерации воздуха. Для достижения поставленной цели необходимо решить две основные задачи: получение кислорода с минимальными энергозатратами и поглощение углекислого газа при наименьшем сопротивлении и энергопотреблении технологического модуля, поглощающего углекислый газ. Анализ известных способов получения кислорода показывает, что для решения данной задачи наиболее приемлемым является способ, основанный на химических реакциях. При оценке методов поглощения углекислого газа был выбран абсорбционный метод, т. к абсорбционные колонны обладают незначительным сопротивлением, следовательно этот метод позволяет минимизировать энергозатраты. Для проверки правильности выбранных концепций и проведения серии натурных испытаний спроектирована принципиальная схема стенда и изготовлен экспериментальный образец. При проектировании стенда было рассчитано и подобрано необходимое оборудование, а также рассмотрены технологические процессы, обеспечивающие заданные параметры. Энергопотребление модуля определяется интегрированием всех компонентов системы регенерации воздуха. Ключевые слова: регенерация воздуха, генератор кислорода, поглощение диоксида углерода, энергоэффектнвность, герметичный отсек.

Информация о статье:

Поступила в редакцию 01.03.2024, одобрена после рецензирования 22.07.2024, принята к печати 30.07.2024 DOI:'lO. 17586/1606-4313-2024-23-3-11-17 Язык статьи — русский Для цитирования:

Пронин В. А., Миникаева Е. А., Долговская О. В. Особенности проектирования энергоэффективных систем регенерации воздуха для герметично изолированных объектов. // Вестнпк Международной академии холода. 2024. № 3. С. 11-17. DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-3-11-17

Designing energy-efficient air regeneration systems for hermetically sealed objects

D. Sc. V. A. PRONIN1, E. A. MINIKAEYA , Ph. D. О. V. DOLGOVSKAIA3

1 [e-mail], :[e-mail], ![e-mail]

ITMO University

Tliis article discusses the problem of desogning an energy-efficient air regeneration system. To achie\'e this goal, it is necessary to solve two main tasks: obtaining oxygen with minimal energy consumption and absorbing carbon dioxide with the least resistance and energy consumption for the technological module absorbing carbon dioxide. An analysis of known methods for producing oxygen shows that a method based on chemical reactions is the most acceptable for solving this problem. When evaluating the methods of carbon dioxide absorption, the absorption method was chosen due to absorption columns' having low resistance, therefore, this method minimizes energy consumption. To verify the correctness of the selected concepts, it is necessary to design and manufacture an experimental stand and conduct a series of field tests. The schematic diagram of the stand is shown. When designing the stand, the necessary equipment was calculated and selected, as well as technological processes providing the specified parameters were considered. The energy consumption of the module is determined by the integration of all components of the air regeneration system. Keywords: air regeneration, oxygen generator, carbon dioxide absorption, energy efficiency, sealed compartment.

Article info:

Received 01/03/2024, approved after reviewing 22/07/2024, accepted 30/07/2024 DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-3-11-17 Article in Russian

For citation:

Pronin V. A., Minikaeva E. A., Dolgovskaia O. V. Designing energy-efficient air regeneration systems for hermetically sealed objects. Journal of Internationa! Academy of Refrigeration. 2024. No 3. p. DOI: 10.17586/1606-4313-2024-23-3-11-17

Введение

Обеспечение пригодной для дыхания человека атмосферы в замкнутом пространстве безопасным и экономичным способом с высокой надежностью в течение длительного времени является актуальной задачей. Согласно исследованиям [1, 2], один человек потребляет 0,3-1 м5 кислорода и выделяет около 0,83 м3 углекислого газа в суткн. С точки зрения логистики не всегда возможно пополнять запас кислорода, а удаление избытка углекислого газа явно требует использования дополнительного оборудования и энергопотребления.

Существуют системы получения кислорода и утилизации углекислого газа, которые не ограничены в запасах энергии [3]-[5], но в целом ряде случаев приходится решать задачу минимизации энергопотребления.

Целью настоящей работы является создание системы регенерации воздуха для замкнутых изолированных объектов при минимальном энергопотреблении. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:

— сравнительный анализ способов получения кислорода и утилизации углекислого газа в системах регенерации воздуха;

— оценка возможности их применения в условиях герметичного объекта;

— разработка экспериментального стенда;

— проведение натурных экспериментов;

— определение энергозатрат установки.

Способы получения 02 в системах регенерации воздуха

Количество кислорода, потребляемого человеком, может меняться в зависимости от различных факторов, поэтому необходимо, чтобы система регенерации воздуха обеспечивала подачу кислорода не менее одного кубометра в сутки на человека.

Самым простым источником является чистый кислород, который хранится в специальных баллонах под давлением. Однако, как описано в работах [6, 7], такой способ хранения кислорода является пожароопасным, а также связан с целым рядом технологических сложностей. Довольно распространенным способом получения кислорода является электролиз. Но данный способ требует значительных энергозатрат, около 9 кВт на производство одного куба кислорода, а также значительную площадь для размещения электролизной установки [8]. Самым экологичным является биологический способ получения кислорода [9], однако он требует наличия больших площадей, освещения, воды и постоянного ухода за растениями, что предполагает введения дополнительного обслуживающего персонала [10]. Одним из перспективных способов получения кислорода является извлечение его из химических веществ.

При этом способе протекают различные реакции и физические процессы, которые подробно описаны в статье [11]. Исследованиями установлено, что надперокспды

натрия и калия могут быть использованы для получения кислорода, однако они являются самыми дорогостоящими веществами. Использование перхлоратов и хлоратов для получения кислорода возможно при высокой температуре процесса и может привести к образованию хлора, который опасен для организма человека. Согласно источнику [12], перокснды натрия и калия относятся к 3-му классу опасности, а перокспд кальция — к 4-му классу опасности, таким образом последний более предпочтительным для применения в системах регенеращш воздуха. Поэтому для дальнейших исследований выбран пе-роксид кальция.

Пероксид кальция представляет собой порошкообразный материал с высокой термической устойчивостью. Он не вступает в реакцию с сухим углекислым газом, однако начинает разлагаться при взаимодействии с водой. Сохранение пероксида кальция в стеклянных пли металлических емкостях с минимальной влажностью необходимо для поддержания его качества [13]. Правильный способ хранения позволяет сохранить это вещество до 7-17 лет с потерей основного вещества менее 0,1% [14].

Способы поглощения СО, в системах регенерации воздуха

Существует несколько методов очистки воздуха от углекислого газа [15], основные из которых можно разделить на «газ — твердое тело» и «газ — жидкость». Первый метод относится к адсорбционным методам поглощения, второй — к абсорбционным. Адсорбционный метод применяют преимущественно для газообразных сред с небольшим содержанием вредных парообразных или газообразных прпмесеп. У адсорбционных установок есть несколько недостатков: высокое гидравлическое сопротивление, а следовательно, и энергозатраты; малая интенсивность реакторов и высокие затраты на регенерацию адсорбентов. Эти недостатки частично можно устранить путем применения непрерывных методов очистки. Но для их реализации требуются высокопрочные сорбенты промышленного назначения [16]. Метод абсорбционной очистки является избирательным и обратимым, что позволяет использовать его для разделения газовых смесей и получения растворов газов в жидкостях. По данным [17] можно заключить, что наибольшей эффективностью в поглощении диоксида углерода обладает гндроксид лития, а на втором месте —гидроксид натрия. В табл. 1 показаны необходимое количество п затраты на удаление одного кубометра углекислого газа.

Таблица 1

Материалы для поглощения углекислого газа

Table 1

Materials for carbon dioxide absorption

Материал руб'кг (на 2023 г.) Электроэнергия, кВт ч Количество материала, кг

Гпдроксиа лития 1500 5,18 4,6

Гпдрокспд натрпя 100 1,92 7

Проектирование экспериментального стенда системы регенерации воздуха

Назначение экспериментального стенда состоит в апробации предлагаемых технических и технологических решений при разработке энергоэффективной системы регенерации воздуха.

Проектирование стенда производится из расчета обслуживающего персонала, состоящего нз трех человек. Исходные данные для проектирования представлены в табл. 2.

Таблица 2

Исходные данные для проектирования стенда

Table 2

Initial data for designing the stand

Показатель Обозначение Значение

Объем помещения, м3 Vu 35

Температура в помещении. °С 'о 20

Давление воздуха в помещении. кПа Po 101,3

Относительная влажность в помешешш. % Фо 50

Принятые условия и допущения:

— режим работы системы: стационарный, установившийся;

— корпус, блоки и магистрали теплоизолированные;

— изменения парциальных давлений компонентов воздуха не учитываются;

— воздух на выходе из абсорбера и генератора кислорода насыщенный влажный;

— коэффициенты теплопередачи теплообменников не зависят от расходов насосов.

Количество потребляемого кислорода т0 на трех человек при средней интенсивности работы определяем согласно табл. 3 [18].

т0г =0,14-0,21 м3/ч.

Таблица 3

Потребление кислорода одного среднестатистического человека в зависимости от различной физической нагрузки

Table 3

Oxygen consumption by an average person depending on their physical activity

Вид физической нагрузки Потребление кислорода, м3/ч

Без нагрузки 0,012-0.024

Легкая нагрузка 0,024-0,048

Средняя нагрузка 0.048-0,072

Тяжелый вид нагрузки 0.072-0,174

Максимальный ши нагрузки Более 0,18

Данное количества кислорода необходимо получить нз пероксида кальция. При взаимодействии пероксида кальция п воды происходит образование перекиси водорода, которая является неустойчивой и быстро разлагается на воду и кислород.

Са02+2Н20=Са (ОН) 2+(Н20+02Т). (1)

Оптимальные условия для прохождения реакции получения кислорода является использование теплой воды (55 °С). Для экономш1 энергии для нагрева воды будем использовать специальный катализатор. Например, оксид марганца Мп02 ускоряет реакцию разложения пероксида водорода (Н202), но сам при этом не расходуется, его можно использовать многократно [19].

Для расчета количества катализатора используем формулу:

(2)

где — концентрация катализатора, MCa0j —молярная масса пероксида кальция, At — коэффициент активности катализатора.

Удельный расход пероксида кальция на килограмм кислорода определим исходя нз теоретических расчетов [20].

Также определяем количество углекислого газа, выделяемое персоналом нз трех человек. Внутреннее выделение углекислого газа тт принимается согласно табл. 4 [21]: