Министерство науки и высшего образования РФ Московский Авиационный институт (национальный исследовательский университет) Кафедра 614 «Экология, системы жизнеобеспечения и безопасность жизнедеятельности» Реферат по дисциплине «Автономные системы обеспечения жизнедеятельности» на тему: «Применение эффекта Пельтье в системах очистки атмосферы от углекислого газа» Выполнил: студент гр. М6О-504С Евдокимов Сергей Петрович Проверил: препод. каф. 614 Васин Ю. А. Москва - 2020 г. Оглавление. Введение. .................................................................................................................. 3 Массообмен с окружающей средой. ..................................................................... 4 Система обеспечения газового состава................................................................. 5 Удаление и концентрирование углекислого газа путем вымораживания......... 8 Применение эффекта Пельте в системах вымораживания углекислого газа. 10 Плюсы и минусы использование элементов Пельте. ........................................ 13 Список литературы. .............................................................................................. 14 2 Введение. Система жизнеобеспечения экипажа космического летательного аппарата является одним из важнейших условий успешного выполнения любой программы пилотируемой космонавтики. В соответствии с ГОСТ 28040-89 "Система жизнеобеспечения космонавта в пилотируемом космическом аппарате" – СЖО космонавта – это "Совокупность функционально взаимосвязанных средств и мероприятий, предназначенных космического для создания аппарата в обитаемом условий, отсеке пилотируемого обеспечивающих поддержание энергомассообмена организма космонавта с окружающей средой на уровне, необходимом для сохранения его здоровья и работоспособности". В состав СЖО космонавта входят следующие системы: СОГС – система обеспечения газового состава, СВО – система водообеспечения, ССГО – система санитарно-гигиенического обеспечения, СОП – система обеспечения питанием, СОТР – система обеспечения теплового режима. Системы жизнеобеспечения (СЖО) обитаемых космических объектов (космических кораблей, орбитальных станций, Лунных, Марсианских баз и поселений) предназначены для решения следующих задач: обеспечение экипажа кислородом, удаление диоксида углерода, удаление вредных микропримесей, поддержание физических и химических характеристик атмосферы (оптимальной температуры, состава, давления, влажности, аэроионного состава, скорости вентиляции газовой среды, оптимальных уровней электростатических и электромагнитных полей), снабжение экипажа необходимым количеством питьевой воды и воды для санитарно-гигиенических и бытовых нужд, 3 снабжение экипажа необходимым количеством пищи заданного состава и калорийности, витаминами и минеральными солями, обеспечение санитарно-гигиенических процедур и бытовых нужд экипажа, обеспечение микробиологической безопасности, обеспечение стабилизации (обеззараживания), хранения (консервации) и / или трансформации физиологических и бытовых отходов, обеспечение радиационной безопасности, обеспечение оперативного анализа, оперативного контроля и управления качеством среды обитания, а также штатного протекания технологических процессов в различных звеньях системы. От надежной работы космических систем жизнеобеспечения зависит выполнение программ полетов и безопасность экипажей космических кораблей, орбитальных комплексов, инопланетных баз и поселений. Облик СЖО зависит от длительности полета, энерговооруженности космического обитаемого объекта, от условий и места функционирования (на борту орбитальной космической станции, в составе пилотируемого межпланетного корабля или на поверхности планеты), от возможности использования местных ресурсов. Массообмен с окружающей средой. Человек в процессе дыхания и питания потребляет из окружающей среды компоненты. Выделение отходов жизнедеятельности протекает в процессе дыхания, осуществляется через специальные органы с мочой, калом, потом. Всего в установившемся режиме человек потребляет из окружающей среды около 4 кг веществ в сутки и примерно столько же выделяет в окружающую среду (рис. 1). Основной газообмен происходит через легкие (98–99%), незначительный газообмен – через кожу и желудочно-кишечный тракт. В 4 общей сложности человек и его микрофлора выделяют в окружающую среду около 400 наименований веществ, из которых основным (по массе) является углекислый газ. Рис. 1. «Схема массообмена условного человека со средой». Система обеспечения газового состава. Важной системой на космическом аппарате, является система обеспечения газового состава. Она состоит из двух подсистем: Система кислородообеспечения – СКО обеспечивает подачу в атмосферу КА кислорода и поддерживает парциальное давление кислорода на заданном уровне; Система очистки атмосферы – СОА обеспечивает сбор и удаление/концентрирование из атмосферы углекислого газа, а также обеспечивает очистку выделяемых человеком атмосферы и от вредных оборудованием. микропримесей, Способы очистки представлены на рис. 2. Системы очистки газовой среды удаляют механические и газообразные 5 продукты жизнедеятельности, интерьера и технических систем. Рис. 2. «Способы очистки атмосферы от углекислого газа». Механические фильтры удаляют пыль, в составе которой находятся волокна, образуемые при истирании одежды, постельного белья, эпителиальные чешуйки, крошки пищи и т.п. Для удаления газообразных примесей используют химические и физические сорбенты. Химические системы очистки атмосферы от углекислого газа основаны на использовании в качестве активного вещества оксидов или гидроксидов щелочных металлов. Одни из самых распространенных являются соединения лития. Они обладают большой стехиометрической емкостью. Реакции поглощения углекислого газа имеют вид 2LiOH + CO2 = Li2 CO3 + H2 O ; Li2 O + CO2 = Li2 CO3 . Однако присутствие паров воды приводит к образованию гидратированных соединений гидроксида лития (LiOH ∙ 𝑛H2 O), что вызывает образование кашеобразной массы, которая подсыхает и спекается, ограничивая доступ очищаемого газа к поверхности гранул активного 6 вещества. Если не вводить цементирующие добавки, то емкость гидроксида лития уменьшится. Физические системы очистки атмосферы на основе адсорбентов (твердых поглотителей) широко используются в космический технике (рис. 3). Они способны поглощать газообразные примеси из атмосферы при температуре и парциальных давлениях компонентов, которые являются благоприятными для обитаемых отсеков. С повышением температуры или понижением давления их адсорбционная способность уменьшается. Поэтому их модно регенерировать, например, сбрасывая поглощенные примеси в космическое пространство. В системах газ — твердое тело в качестве адсорбента применяются молекулярные сита, синтетические цеолиты, обладающие избирательной поглощающей способностью по отношению к углекислому газу. Процесс адсорбции протекает независимо от действия силы земного притяжения и может быть осуществлен в условиях реального космического полета. 1 – воздух из кабины; 2 – воздух в кабину; 3,14 – адсорберы воды; 4,15 – нагреватели адсорберов воды; 5,7 – адсорберы CO2 ; 6,8 – нагреватели адсорберов CO2 ; 9 – вакуумный насос; 10 – воздух в кабину; 11 – хранилище CO2 ; 12 – редуктор; 13 – выход концентрированного CO2 в блок. Рис. 3. «Принципиальная схема удаления углекислого газа на основе синтетических цеолитов». 7 В зависимости от способа регенерации кислорода, определяемого длительностью полета, выбирается тот или иной способ десорбции CO2 . При использовании запасов кислорода целесообразно применять вакуумную и термовакуумную десорбцию CO2 в космическое пространство. К физическим методам очистки атмосферы от углекислого относятся вымораживание, центрифугирование, диффузия. Разработка методов очистки, основанных на вымораживании и центрифугировании, находится в стадии расчетно-теоретических исследований. Диффузионный же способ очистки атмосферы от CO2 является малоэнергоемким, простым и перспективным. Удаление и концентрирование углекислого газа путем вымораживания. При абсолютном давлении 760 мм. рт. ст. двуокись углерода переходит в твердое состояние при температуре −78,9 ℃. Тройная точка двуокиси углерода соответствует температуре −56,6 ℃ и абсолютному давлению 5,28 кг⁄ 2 . см Ниже этого давления и температуры двуокись углерода переходит в твердое состояние, минуя жидкую фазу. Парциальное абсолютное давление двуокиси углерода при наиболее высоких давлениях в воздухоразделительных аппаратах может достигать величины 0,06 кг⁄ 2 . Поэтому выделение см двуокиси углерода из воздуха в аппарате возможно только в твердом виде. Вымораживание двуокиси углерода производится в регенераторах или в специальных теплообменниках–вымораживателях. Применяются различные конструкции вымораживателей: плоские (установки П. JI. Капицы), витые трубчатые высокого давления с прохождением очищаемого воздуха внутри трубок, низкого давления с прямыми трубками и прохождением очищаемого воздуха в межтрубном пространстве. Для достижения заданной степени очистки воздуха процесс вымораживания углекислого газа должен осуществляться при тепловом 8 режиме, обеспечивающем его кристаллизацию только на холодной стенке без выпадения снега в потоке воздуха. В этом случае количество CO2 в очищенном воздухе будет равно или меньше содержания CO2 в воздухе при насыщении для данной температуры и давления. Разность температур воздуха и холодной стенки не должна превышать 30 ℃, а скорость потока воздуха во избежание срыва инея со стенок и уноса кристаллов с углекислого газа должна быть не выше 3 м⁄с. Вымораживание двуокиси углерода начинается в том сечении теплообменного аппарата, где температура воздуха равна температуре точки росы CO2 в воздушном потоке. Продолжительность работы вымораживателя до его заполнения пропорциональна его максимальной удельной нагрузке, т. е. количеству CO2 в кг⁄ м ∙ час , высаживающейся в наиболее напряженном сечении. Для приближения максимальной удельной нагрузки к средней нагрузке следует подбирать такое соотношение потоков, чтобы разность температур на теплом конце вымораживателя не превышала среднелогарифмической разности температур. В системах обеспечения жизнедеятельности экипажей космических кораблей или планетных станций метод вымораживания углекислого газа может найти практическое применение благодаря простоте организации технологического процесса и аппаратурного оформления. В реальных системах, естественно, вымораживатель будет состоять из двух контуров. В одном будет осуществляться удаление CO2 из воздуха, а в другом — преобразование Принципиальная схема углекислоты удаления в углекислого представлена на рис. 4. 9 газообразное газа состояние. вымораживанием 1 – воздух из кабины; 2,7 – водяные холодильники-теплообменники; 3,6 – углекислотные холодильникитеплообменники; 4 – циркуляция жидкостного хладоносителя; 5 – космический радиатор-теплообменник; 8 – хранилище углекислого газа; 9 – выход углекислого газа в блок утилизации; 10 – воздух в кабину. Рис. 4. «Принципиальная схема удаления углекислого газа вымораживанием» Применение эффекта Пельте в системах вымораживания углекислого газа. Эффект Пельтье заключается в выделении или поглощении теплоты при прохождении электрического тока через контакт (спай) двух разных проводников. Был открыт в 1834 г. Ж. Пельтье, который обнаружил, что при прохождении тока через спай двух разных проводников температура спая изменяется (рис. 5). Рис. 5. «Демонстрация эффекта пельтье». 10 В 1838 г. Э. Х. Ленц показал, что при достаточно большой силе тока можно либо заморозить, либо довести до кипения каплю воды, нанесенную на спай, изменяя направление тока. Сущность эффекта Пельтье состоит в том, что при прохождении электрического тока через контакт двух металлов или полупроводников в области их контакта в дополнение к обычному Джоулеву теплу выделяется или поглощается дополнительное количество тепла, называемого теплом Пельтье – 𝑄п . В отличие от джоулева тепла, которое пропорционально квадрату силы тока, величина 𝑄п пропорциональна первой степени тока. 𝑄п = П · 𝐼 · 𝑡, где 𝑡 − время прохождения тока, 𝐼 − сила тока, Π − коэффициент Пельтье, зависящий от природы материалов, образующих контакт. Теоретические представления позволяют выразить коэффициент Пельтье через микроскопические характеристики электронов проводимости, в виде П = Т · ∆𝛼, где 𝑇 − абсолютная температура, ∆𝛼 − разность термоэлектрических коэффициентов проводников. Эффект Пельтье особенно велик у полупроводников, что используется для создания охлаждающих и обогревающих полупроводниковых элементов, в том числе для создания микрохолодильников в холодильных установках. Такие элементы называются элементами Пельтье (рис. 6). Использование данных элементов помогает создать системы нагрева или охлаждения с широким спектром регулировки температуры. С помощью элементов Пельтье можно создавать панели, которые будут иметь переменную температуру в разных зонах, что позволит системе нагрева/охлаждения постепенно изменять температуру рабочего объекта. 11 Рис. 6. «Элемент Пельте». Рассмотрим идею системы удаления углекислого газа методом вымораживания, основанную на элементах Пельте. Холодильный аппарат данной системы будет состоять из плоских трубок и установленных на эти трубки температурных панелей, основа которых – элементы Пельтье. Структурная схема системы состоит из: компрессора, система очистки, системы концентрирования и фильтрационной системы. Принцип работы: забираемый компрессором из отсека воздух проходит фильтрацию от различного мелкого мусора, частичек пищи и других нежелательных примесей. Очищенный от мусора воздух попадает в систему очистки и прогоняется по холодильному аппарату. В нем углекислый поэтапно охлаждается до температуры замерзания и налипает на стенки трубки. После заполнения трубки твердой двуокисью углерода происходит переполюсовка температурных панелей, позволяющая с помощью быстрого нагрева трубки 12 снять налипший слой СО2 для дальнейшего его концентрирования. Поток воздуха проходит выходную фильтрационную систему и попадает в отсек. Плюсы и минусы использование элементов Пельте. Преимуществами использование элементов Пельтье является их небольшая стоимость, простота использования, точность регулировки температуры, посредством изменения подаваемого напряжения, малые габариты установки ввиду компактности самих охлаждающих элементов, большой срок службы самих элементов и их быстрая замена в установке (можно сделать установку из больших пластин и менять их целиком при поломке или использовать вариант с большим количеством малых пластин, что позволит создать необходимый градиент температур и точечно менять пластины при их выходе из строя). Одним из самых главных минусов является высокое потребление энергии элементами Пельтье. Для их работы необходим мощный источник питания, что в настоящее время является проблемой и препятствием для использования больших систем и установок на элементах Пельтье. Возможно, в будущем, человечество найдет альтернативные источники энергии большой мощности, что позволит использовать элементы Пельтье в КА для уменьшения габаритов охлаждающих установок и увеличения и эффективности не только для вымораживания углекислого газа, но и для других приборов и задач. 13 Список литературы. 1. Рожнов В.Ф. Космические системы жизнеобеспечения. – М.: МАИПринт, 209, 344 с. 2. Малоземов В.В. и др. Системы жизнеобеспечения экипажей летательных аппаратов. – М.: Машиностроение, 1986, 584 с. 3. Синяк Ю.Е. Системы жизнеобеспечения обитаемых космических объектов. – Москва, 2008. 4. Эффект Пельтье [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D1%84%D1%84%D0%B5%D 0%BA%D1%82_%D0%9F%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D1%82%D1 %8C%D0%B5. 5. Элемент Пельтье [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BC% D0%B5%D0%BD%D1%82_%D0%9F%D0%B5%D0%BB%D1%8C% D1%82%D1%8C%D0%B5. 14
