Разработка и модернизация системы отбора проб для оценки качества воздушной среды в НЭК. Часть 2

1  2  3

---

Системы обеспечения жизнедеятельности (СОЖ) НЭК

Каждый модуль комплекса имеет собственную СОЖ, что позволяет обеспечить его автономность и повышает надежность и безопасность при проведении экспериментов.

К основным системам СОЖ относятся:

• Система кондиционирования и вентиляции (СКВ);
• Система очистки атмосферы (СОА);
• Система канализации (СК);
• Система водоснабжения (СВС);
• Система видеонаблюдения (СВ);
• Система электроснабжения МТК;
• Система информационного обеспечения и связи (СИО);
• Система контроля и управления (СКУЭ);
• Система газоснабжения и поддержания атмосферы.

СКВ обеспечивает поддержание заданной температуры и влажности воздуха, очистку от пыли, выравнивание газовой среды по объему модуля.

В СОА происходит удаление продуктов дыхания экипажа при помощи угольных, палладиевых фильтров. Для удаления некоторых микропримесей, микроорганизмов и грибов, содержащихся в атмосфере, могут применяться фотокаталитические установки.

СК предназначена для удаления продуктов жизнедеятельности человека в условиях замкнутого пространства модуля с избыточным давлением.

СВС состоит из двух подсистем:

• подачи бытовой воды для обеспечения работы санузлов и душевой кабины;
• подачи питьевой воды для удовлетворения потребностей экипажа.
• СВ обеспечивает:
• визуальное наблюдение за деятельностью экипажа и контроль проводимых экспериментов;
• удаленный осмотр состояния помещений и оборудования модуля;
• сбор, регистрацию и хранение получаемой в ходе эксперимента видеоинформации.

Видеокамеры установлены таким образом, что позволяют просматривать все помещения модуля, за исключением индивидуальных кают, санузлов и душевой кабины.

На наземном пункте управления (НПУ) размещаются видеорегистраторы, которые оцифровывают поступающие от видеокамер видеосигналы, передают изображение на мониторы пульта оператора и сохраняют видеоинформацию на встроенных жестких дисках.

Имеющаяся на видеокамерах функция «ночное видение» позволяет осуществлять контроль над внутренним пространством модуля при аварийном и даже полностью выключенном освещении (за счет таких слабых источников света, как мониторы ноутбуков).

Система электроснабжения и освещения НЭК обеспечивает бесперебойное снабжение электроэнергией наземного экспериментального комплекса и обслуживающих наземных систем. В случае полного прекращения подачи электропитания из городской сети включается дизель-генераторная установка, обеспечивающая работоспособность комплекса.

СКУЭ обеспечивает управление работой систем и контроль их состояния как персоналом наземного центра управления, так и экипажем. Вся информация выводится на пульты наземного центра управления и пульт управления в модуле ЭУ-150.

СИО служит для осуществления коммуникации с экипажем, загрузки материалов психологической поддержки, хранения данных по экспериментам, личной и служебной переписки.

Режим связи обеспечивается в соответствии с разрабатываемым регламентом связи. При этом соблюдаются определенные ограничения по ведению связи, в частности:

1. Свободный доступ сотрудников УНУ, базовой организации и исследователей к телефонной связи запрещен.
2. Дежурная бригада использует голосовую (телефонную) связь только по вызову экипажа или в нештатных ситуациях.
3. Выход сотрудников УНУ, базовой организации и исследователей на связь с экипажем осуществляется с разрешения организаторов эксперимента.

Система газоснабжения и поддержания атмосферы предназначена для создания и поддержания заданных концентраций кислорода и азота, значений относительного давления в модуле.

Среда обитания НЭК

Базовые параметры среды, определяющие физиологически комфортное соотношение основных компонентов газовой среды и их общее давление в отсеках соответствуют значениям, указанным в ГОСТ Р 50804-95 «Среда обитания космонавта в пилотируемом космическом аппарате».

Для обеспечения токсикологической безопасности газовой среды в отсеках проводится контроль по веществам, указанным в ГОСТ Р 50804-95. Оценка содержания вредных примесей в газовой среде проводится методами отбора и анализа проб воздуха.

В модулях обеспечивается:

• визуальное наблюдение за деятельностью экипажа и контроль проводимых экспериментов;
• автоматическое поддержание температуры газовой среды и возможность ее регулирования в заданных пределах по выбору экипажа или в соответствии с условиями эксперимента;
• автоматическое поддержание заданной относительной влажности газовой среды в заданных пределах и отвод излишков влаги из газовой среды.

В соответствии с согласованной периодичностью проводится контроль уровня микробной обсемененности газовой среды и уровень запыленности на соответствие требованиям ГОСТ Р 50804-95.

Состав модулей НЭК

Модуль ЭУ-50

Модуль ЭУ-50 общим объемом 50 м³ предназначен для имитации посадочного марсианского модуля с расчетом пребывания в нем 4 членов экипажа в течение 2-3 месяцев и включает в себя:

• жилой отсек, включая 4 спальных места и рабочую зону;
• кухню;
• санузел;
• два переходных шлюза с люками для перехода в модуль ЭУ-150 и в шлюзовую камеру имитатора поверхности условной планеты;
• системы обеспечения жизнедеятельности.

Модуль ЭУ-100

Модуль ЭУ-100 общим объемом 100 м³ предназначен для проведения медицинских и психологических экспериментов и включает в себя:

• жилой отсек, включая 2 спальных места и рабочую зону;
• кухню-столовую;
• санузел;
• рабочие места с размещенной на них медицинской аппаратурой;
• переходной шлюз с люками, соединенный с модулем ЭУ-150;
• герметичную дверь в торце модуля и аварийный люк в противоположном торце модуля;
• системы обеспечения жизнедеятельности.

Модуль ЭУ-150

Модуль ЭУ-150 общим объемом 150 м³ предназначен для размещения и обитания 6 членов экипажа и включает в себя:

• 6 индивидуальных кают;
• кают-компанию для отдыха и общих сборов;
• кухню;
• санузел;
• главный пульт управления;
• три переходных шлюза с люками — торцевой для перехода в модуль ЭУ-50, торцевой для перехода в модуль ЭУ-100 и боковой для перехода в модуль ЭУ-250;
• системы обеспечения жизнедеятельности.

Модуль ЭУ-250

Модуль ЭУ-250 общим объемом 250 м³ предназначен для хранения продовольственных запасов, размещения экспериментальной оранжереи, одноразовой посуды, одежды и пр., включает в себя:

• холодильную камеру для хранения пищевых продуктов;
• хранилище со стеллажами для хранения продовольственных запасов, не требующих особых условий хранения, и одноразовой посуды и одежды;
• помещение экспериментальной оранжереи;
• тренажерный зал;
• шлюзовую камеру для удаления отходов;
• три герметичных двери – одна для соединения модуля со шлюзовым переходом в модуль ЭУ-150, две герметичных двери с металлическими лестницами в торцах модуля для предстартовой загрузки запаса продовольствия;
• системы обеспечения жизнедеятельности.

Модуль «Имитатор поверхности условной планеты» (ИП).

Модуль ИП общим объемом 1200 м³ предназначен для имитации марсианской, лунной или иной поверхности условной планеты и включает в себя:

• имитатор марсианской поверхности представляющий негерметичный отсек, предназначенный для пребывания экипажа в скафандрах, изолирующих от внешней среды, также в данном отсеке установлено оборудования для создания виртуальной и дополненной реальности;
• герметичные лестницу и кессон, отделяющий модуль ИП от модуля ЭУ-50 и имеющий кладовую для хранения скафандров, гардероб и переходной шлюз.

Важными составляющими проведения изоляционных экспериментов по моделированию межпланетных полетов являются отработка принципов, методов, средств контроля и мониторинга среды обитания, а также оценка современных технологий систем и средств обеспечения жизнедеятельности и защиты человека с использованием разработанной системы контроля и управления.

Для данных целей в НЭКе установлена система отбор проб воздуха, позволяющая отбирать пробы воздуха изнутри каждого модуля. В настоящее время около каждого из четырех модулей стоять посты с кранами, к которым изнутри модулей подведены силиконовые трубки диаметром 4-5 мм для отбора проб воздуха. Силиконовые трубки имеют множество недостатков: перегибаются, быстро изнашиваются, а также в виду небольшого диаметра и достаточно большой длины требуется создавать довольно большой перепад давлений для прокачки воздуха через них, что не подходит для маломощных насосов.

Кроме того, система из нескольких постов для отбора проб воздуха затрудняет процесс мониторинга состояния атмосферы, т.к. требует переноса оборудования от одного поста к другому.

Линии для отбора заходят через специальные порты в модули, проходят под потолком и выходят в нужных точках модулей. Длина трубки, которая выходит из потолка, примерно 50 см.

В связи с вышеизложенным целью дипломной работы являлась разработка и модернизация системы отбора проб для оценки качества воздушной среды в НЭК.

Задачи дипломной работы

1. Заменить силиконовые трубки более прочными, газонепроницаемыеми.
2. Спроектировать единый пост для отбора проб воздуха, куда будут выведены газовые линии из всех необходимых точек отбора, учитывая необходимость возврата воздуха в модули.
3. Провести гидравлический расчет новой системы и подобрать размеры новых трубок/трубопроводов таким образом, чтобы система из четырех газоанализаторов могла подключаться к каждой точке отбора последовательно и прокачивать воздух (исходя из требований газоанализаторов в части расхода и допустимого разрежения на входе, указанных в паспортах)
4. Рассчитать необходимое время прокачки воздуха через каждую газовую линию для удаления «мертвого объема».

 

Глава 2. Инженерная задача.

 

В основе инженерной задачи лежит разработка систему отбора проб Научного экспериментального комплекса. Суть проводимых исследований заключалась в способности замены силиконовых трубопроводов на более прочный аналог с более высокими газопроницаемыми характеристиками. Ввиду различных физических свойств газовых смесей, спроектировать единый пост для отбора проб воздуха, куда будут выведены газовые линии из всех необходимых точек отбора. Провести гидравлический расчет новой системы и подобрать размеры новых трубок/трубопроводов таким образом, чтобы система из четырех газоанализаторов: оксида углерода, окислов азота, аммиака, сероводорода и диоксида серы могла подключаться к каждой точке отбора последовательно и прокачивать воздух, исходя из требований в части расхода и допустимого разрежения на входе. Рассчитать необходимое время прокачки воздуха через каждую газовую линию для удаления «мертвого объема».

Схема модулей НЭК (экспериментальных установок — ЭУ)

Обозначены точки отбора проб газовой среды:

— в ЭУ-50: середина модуля

— в ЭУ-100: у стены модуля — диагностика и кухня

— в ЭУ-150: середина кают-компании, 1 каюта, командный пост

— в ЭУ-250: середина модуля — спортзал и оранжерея

Гидравлический расчет газопровода

Основные положения гидравлического расчета

Рабочий носитель (жидкость, газ, пар), переносимый проектируемым трубопроводом, в силу своих особых физико-химических свойств определяет характер течения среды в данном трубопроводе. Одним из основных показателей характеризующих рабочий носитель, является динамическая вязкость, характеризуемая коэффициентом динамической вязкости – μ.

Инженер-физик Осборн Рейнольдс (Ирландия), занимавшийся изучением течения различных сред, в 1880 году провел серию испытаний, по результату которых было выведено понятие критерия Рейнолдса (Re) – безразмерной величины, описывающей характер потока жидкости в трубе. Расчет данного критерия проводится по формуле:

Критерий Рейнольдса (Re) дает понятие о соотношении сил инерции к силам вязкого трения в потоке жидкости. Значение критерия характеризует изменение соотношения указанных сил, что, в свою очередь, влияет на характер потока носителя в трубопроводе. Принято выделять следующие режимы потока жидкого носителя в трубе в зависимости от значения данного критерия:

Ламинарный поток (Re<2300), при котором носитель-жидкость движется тонкими слоями, практически не смешивающимися друг с другом;

Переходный режим (2300<Re<4000), который характеризуется нестабильной структурой потока, когда отдельные слои жидкости перемешиваются;

Турбулентный поток (Re>4000) – устойчивый режим, при котором в каждой отдельной точке потока происходит изменение его направления и скорости, что в итоге приводит к выравниванию скорости движения потока по объему трубы.

Критерий Рейнольдса зависит от напора, с которым насос перекачивает жидкость, вязкости носителя при рабочей температуре и геометрических размеров используемой трубы (d, длина). Данный критерий является параметром подобия для течения жидкости,поэтому, используя его, можно осуществлять моделирование реального технологического процесса в уменьшенном масштабе, что удобно при проведении испытаний и экспериментов.

Падение давления в трубопроводных системах и расчет гидравлического сопротивления трубопроводов

Расчет трубопровода производят с целью определения напора, необходимого для преодоления возникающего гидравлического сопротивления, что в свою очередь необходимо для правильного подбора машины для перекачки жидкой или газообразной среды.

Падение давления в трубе может быть рассчитано по следующей формуле:

Δp=λ·(l/d₁)·(ρ/2)·v²

Δp – перепад давления на участке трубы, Па
l – длина участка трубы, м
λ — коэффициент трения
d₁ – диаметр трубы, м
ρ – плотность перекачиваемой среды, кг/м³
v – скорость потока, м/с

Гидравлическое сопротивление может возникать вследствие различных факторов, и выделяют две основные группы: сопротивления трения и местные сопротивления.

Сопротивление трению обусловлено различного рода неровностями и шероховатостями на поверхности трубопровода, соприкасающегося с перекачиваемой средой. При течении жидкости между ней и стенками трубопровода возникает трение, оказывающее тормозящий эффект и требующее дополнительных затрат энергии на свое преодоление. Создаваемое сопротивление во многом зависит от режима течения перекачиваемой среды.

При ламинарном течении и соответствующих ему низких значениях числа Рейнольдса (Re), характеризующимся равномерностью и отсутствием перемешивания соседних слоев жидкости или газа, влияние шероховатости незначительно. Это связано с тем, что крайний вязкий подслой перекачиваемой среды часто оказывается толще, чем слой, образованный неровностями и выступами на поверхности трубопровода. При таких условиях трубопровод считается гидравлически гладким.

При увеличении числа Рейнольдса толщина вязкого подслоя уменьшается, вследствие чего прерывается перекрытие неровностей подслоем и влияние шероховатости на гидравлическое сопротивление возрастает и становится зависимым как от числа Рейнольдса, так и от средней высоты выступов на поверхности трубопровода.

Дальнейшее увеличение числа Рейнольдса переводит перекачиваемую среду в режим турбулентного течения, при котором вязкий подслой полностью разрушается, а создаваемое трение зависит только от величины шероховатости.

Расчет потерь на трение ведется по формуле:

H_Т=[(λ·l)/d_э]·[w²/(2g)]

H_Т – потери напора на сопротивление трению, м

[w₂/(2g)] – скоростной напор, м

λ – коэффициент трения

l – длина трубопровода, м

d_Э – эквивалентный диаметр трубопровода, м

w – скорость потока, м/с

g – ускорение свободного падения, м/с²

В таблице:

e = Δ/d_э
e – относительная шероховатость трубы
Δ – абсолютная шероховатость трубы (мм)
d_э – эквивалентный диаметр трубы (мм)

Re = (w·d_э·ρ)/μ
Re – критерий Рейнольдса
w – скорость потока (м/с)
d_э – эквивалентный диаметр трубы (м)
ρ – плотность среды (кг/м3)
μ – динамическая вязкость (Па·с)

Местные сопротивления

Местные сопротивления создаются различными элементами трубопровода, в которых поток перекачиваемой среды подвергается резким деформациям с изменением направления, скорости или образованием завихрений. Это могут быть задвижки, вентиля, повороты трубопровода, развилки и т.п.

Потери напора в местном сопротивлении рассчитываются следующим образом:

H_мс=ζ_мс·[w²/(2g)]

H_МС – потери напора в местном сопротивлении, м

w²/(2g) – скоростной напор, м

ζ_МС – коэффициент местного сопротивления

w – скорость потока, м/с

g – ускорение свободного падения, м/с²

Как видно из формулы, потери напора в местном сопротивлении зависят только от скорости и от коэффициента местного сопротивления, значения которого для упрощения расчета сведены в таблицы для различных видов местных сопротивлений.

Коэффициенты местных сопротивлений в подавляющем большинстве случаев не зависят от скорости потока перекачиваемой среды и определяются в зависимости от характеристик самого местного сопротивления. Ниже приведены значения коэффициентов сопротивления для наиболее распространенных случаев:

Суммируя приведенные выше уравнения, получаем общее уравнение для расчета напора насоса:

H_об = H_Т+H_МС = (λ·l)/d_э·[w²/(2g)]+∑ζ_МС·[w²/(2g)] = ((λ·l)/d_э+∑ζ_МС)·[w²/(2g)]

∑ζ_МС – сумма всех коэффициентов местных сопротивлений

Тепловое сопротивление

Тепловое сопротивление в газодинамике доказывается, что подвод теплоты к газу движущейся по каналу постоянного сечения, сопровождается уменьшением давления газа, а отвод теплоты – повышением давления. Уменьшение давления газа, обусловленное его подогревом, представляет собой тепловое сопротивление. При охлаждении тепловое сопротивление отрицательно.

Δp_темп.=2 [(ρ₂ w₂^2)/2 — (ρ₁ w₁^2)/2]=2[(t₂-t₁)/T_ср(ρ_ср w_ср^2)/2]

---

1  2  3