|
|
При продолжительных полетах
(несколько месяцев) в герметической кабине автономного типа выгодным
представляется физико-химический способ регенерации газовой среды в кабине,
использующий для получения кислорода продукты обмена веществ человека. В углекислом
газе и парах воды, выделяемых человеком в сутки, содержится приблизительно 2,8 кг кислорода, что существенно превышает суточную норму потребления кислорода одним человеком.
Таким образом, имеется принципиальная возможность получать 02 из продуктов жизнедеятельности
человека. Из углекислого газа, выделяемого в сутки одним человеком (~0,9 кг),
можно получить 0,65 кг кислорода, а для получения недостающих 0,15—0,25 кг
кислорода потребуется лишь 0,17—0,28 кг воды, в качестве которой можно
использовать «излишнюю» метаболическую воду„ выделяющуюся организмом в
процессе обмена веществ.
Система физико-химической регенерации может быть основана
на использовании реакции Сабатье. Таким образом, конечным продуктом
для получения кислорода служит вода, поступающая в электролизер, который
является одним из основных узлов системы физико-химической регенерации
газовой среды в кабине. В подобной системе регенерации для сорбции С02 могут
быть использованы цеолиты, а для удаления из кабины избытка
влаги—холодильно-сушиль- ные агрегаты (ХСА) ( 4.2), обеспечивающие
конденсацию паров воды.
Если осуществляются все этапы восстановления кислорода, то
необходимое для реакции Сабатье количество водорода обеспечивается
электролизом воды и пиролизом метана, который требует значительных
энергозатрат.
Структурная схема физико-химической системы регенерации. Система
работает следующим образом. Воздух из кабины посредством вентиляторов В
циркулирует по двум контурам: через цеолиты Ц и ХСА, в которых происходит
сорбция СОг и конденсация влаги. Цеолитовые поглотители соединены в два
параллельных блока и работают попеременно—один в режиме сорбции, другой в
режиме десорбции. Поглощенная цеолитами углекислота подается через
конденсатор С02 в метановый реактор, куда также подается через концентратор
водород из катодного пространства электролизера. В метановом реакторе при
соответствующих условиях происходит разложение С02 по реакции Сабатье до воды
и метана. Вода из реактора подается в электролизер, а метан выводится из
контура. Некоторая часть воды поступает в электролизер и от поглотителей Н20,
стоящих перед цеолито- выми патронами.
Следовательно, выбирается электролит, имеющий наименьшее
значение р0. Это достигается выбором электролита и его ©полне определенной
концентрации (для КОН — 30—33°/о). Величина перенапряжения г\ складывается из
величин э.д.с. .концентрационной и химической поляризации. Как видно из
уравнений (4.8) и (4.9), в процессе электролиза концентрация гидроксильных
ионов в катодном пространстве увеличивается, в анодном—уменьшается. Это
приводит к возникновению концентрационной э.д.с., направленной против э.д.с.
внешнего -источника тока. Возникновение э.д.с. химической поляризации,
направленной также против э.д.с. внешнего источника тока, связано с
замедленностью разряда ионов на электродах я наличием стадии образования
молекулярного 02 и Н2 из .атомарного. Практически величина зависит от
следующих факторов: материала электродов, температуры, плотности тока,
природы и концентрации электролита. Как показывает опыт, из металлов,
устойчивых в щелочах, наиболее низким значением характеризуются металлы
группы железа, которые и применяются на практике. Повышение температуры
электролита приводит к снижению перенапряжения. Однако при Этом значительно
возрастает унос паров электролита выделяющимися газами. На практике обычно
проводят электролиз при температурах, не превышающих 80°С. Значительное ,
влияние на величину т] оказывает плотность тока. Перенапряжение уменьшается с
уменьшением плотности тока. Поэтому выгодно работать с электродами, имеющими
возможно большую поверхность.
Указанное количество кислорода близко к средней суточной
норме потребления его человеком. Отсюда следует, что для обеспечения
кислородом одного человека необходимо пропускать ток через электролизную
установку порядка 120 А. Средняя допустимая плотность тока лежит в пределах
0,1—0,15 А/см2. Поэтому общая поверхность электродов электролизера будет
лежать в пределах 800—1200 см2, а с учетом увеличения потребления 62 при
большой физической нагрузке общая поверхность электродов должна быть
увеличена в 2—3 раза.
Выделяющиеся при этом на активной поверхности электродов
молекулы водорода и кислорода проходят через крупные поры электродов к их
внешней поверхности и выдавливаются в соответствующие газовые камеры. В
электродах образуется подвижная граница «газ—электролит», положение которой
определяется соотношением диаметров пор в элементах ячейки и наличием
противодавления в газовых камерах. При повышении давления в последних эта
граница перемещается внутрь, так как электролит выдавливается из крупных пор
электродов, оставаясь лишь в мелких. При этом пары электролита, увлекаемые
газами, будут оседать на стенках освободившихся крупных пор и возвращаться в
диафрагму благодаря ее вса-
Возможная схема электролизной установки представлена на
4.5. Полученные в электролизере Эл кислород и водород поступают в уравнитель
давлений УД. При повышении давления в одной из магистралей упругая мембрана
прогибается, уменьшая отвод, другого газа и выравнивая тем самым давление в
газовых камерах. В холодильнике-разделителе ХР отделяются пары эдектролита,
конденсируясь на стенках теплообменника, омьщаемых хладагентом." Фильтр
Ф и колонка дожигания КД (нагретые катализаторы) окончательно очищают
кислород, который приобретает нужную температуру в теплообменнике ТО. Далее
кислород поступает в систему кислородного питания экипажа.
Водород от электролизера поступает в метановый реактор. Перспективной
физико-химической системой является система, основанная на электролизе солей
(карбонаты калия, например). Здесь в самой электролизной ячейке происходит
поглощение С02 из воздуха кабины и выделение из него в результате промежуточных
реакций газообразного кислорода.
|