автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.02, диссертация на тему:Тепловые режимы электролизной системы генерации кислорода для экипажей космических аппаратов

На правах рукописи УДК 629.7.048

ПРОШКИН ВЛАДИМИР ЮРЬЕВИЧ

ТЕПЛОВЫЕ РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРОЛИЗНОЙ СИСТЕМЫ ГЕНЕРАЦИИ КИСЛОРОДА ДЛЯ ЭКИПАЖЕЙ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Специальность: 05.26.02 - БЕЗОПАСНОСТЬ. ЗАЩИТА; СПАСЕНИЕМ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЕ НАСЕЛЕНИЯ В ЧРЕЗВЫЧ/ ' НЫХ СИТУАЦИЯХ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-V-

МОСКВА-1998

Работа выполнена в Научно - Исследовательском и Конструкторском Институте Химического Машиностроения

Научный руководитель:

доктор технических наук Курмазенко Э.А.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Синяк Ю.Е. кандидат химических наук Чернышев С.Ф.

Ведущая организация: РКК "Энергия" (г. Королев, МО)

Защита состоится "__"___ 1998 г. на заседании

Диссертационного совета ССД 053.04.13 при Московском государственном авиационном институте (техническом университете), Волоколамское шоссе, д. 4.

Ваш отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью, просим прислать по адресу: Москва 125871, Волоколамское шоссе, д. 4, Московский государственный авиационный институт (технический университет).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного Авиационного Института (технического Университета)

Автореферат разослан "_"_1998 г.

Ученый секретарь Диссертаци-онногосоветаССД053.04.13, / доктор технических наук ¡/ ^ Курмазенко Э.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. При создании электролизной системы генерации кислорода (СГК) тепловые режимы работы оказывают существенное влияние на характеристики физико-химических и технологических процессов, протекающих в системе и на выработку ресурса ее агрегатами. Улучшение массоэнергетических характеристик системы предопределяет необходимость увеличения тока питания, что требует анализа динамики тепловыделений, т.к. нарушение нормального теплового режима агрегатов может привести к их отказу. Температура СГК позволяет судить о соответствии условий ее функционирования штатному режиму работы и получать информацию об отказе или возникновении нештатной ситуации.

Размещение всех основных агрегатов (электролизера, блока холодильников, блока разделителей, жидкостной части буферной емкости, насосов и регулирующей аппаратуры) в герметичной капсуле, заполненной азотом при избыточном давлении, с целью обеспечения условий пожаро- и взрывобезопасности приводит к тому, что теплообмен протекает в "стесненных" условиях в присутствии всех механизмов теплопередачи: конвекции, кондукции и излучения. Дополнительные сложности для теплообмена создают условия микрогравитации на околоземной орбите.

В настоящий момент отсутствуют методики расчета тепловых режимов СГК. Математическое описание стационарных и нестационарных режимов функционирования системы не объединены в логическую систему, позволяющую проводить проектные исследования.

Разработка подобной методики необходима как для сопровождения эксплуатации СГК, так и дня создания систем следующего поколения.

Цель исследования: создание методики анализа тепловых режимов системы генерации кислорода на основе имитационной модели для проведения проектных исследований и анализа функционирования в штатных и

нештатных режимах эксплуатации.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие основные задачи:

=> формирование формализованных описаний основных тепло- и мас-сообменных процессов, протекающих в агрегатах СГК (электролизная ячейка, электролизер, блок холодильников, блок разделителей и капсула);

=> разработка математической модели, описывающей тепловые режимы работы агрегатов системы с учетом параметров внешней окружающей среды и ее программная реализация; => проверка математической модели на адекватность на основе экспериментальных исследований эксплуатационно-технических параметров системы в натурных испытаниях; => выработка практических рекомендаций для проектирования и эксплуатации СГК на борту космического летательного аппарата.

Научная новизна работы определяется: => разработкой и реализацией в программном обеспечении имитационной модели электролизной СГК, предназначенной для анализа тепловых режимов системы в штатных и нештатных условиях функционирования; => созданием комплексного формализованного описания СГК, учитывающего все тепловые связи системы, влияние окружающей среды и неуправляемый процесс электролиза в подводящих и отводящих коллекторах электролизера; => возможностью прогнозирования работы СГК в условиях микрогравитации;

=> новыми экспериментальными данными по тепловым режимам функционирования системы, полученными на основе вычислительных и

натурных экспериментов. Практическая ценность работы заключается в предложенной методике анализа тепловых режимов системы при проектных исследованиях и сопровождении штатной эксплуатации и рекомендациях по конструктивному оформлению отдельных аппаратов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается строгой математической постановкой задачи исследования, применением известных и апробированных численных методов при программной реализации и сопоставлением результатов вычислительных экспериментов с данными, полученными при проведении натурных испытаний.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались:

=> на 27 — Международной Конференции по Системам Сред Обитания.

Озеро Тахо, Невада, США. 1997 г.; => на б"— Европейском Симпозиуме по Космическим Системам

Жизнеобеспечения. Нордвик, Нидерланды. 1997 г.; => на Научно - Техническом Совете НИИХИММАШа. Москва. 1998 г.; => на Научно - Техническом Семинаре кафедры № 607 Московского Государственного Авиационного Института (Технического Университета). Москва. 1998 г. Публикации. Основные результаты работы изложены в двух опубликованных статьях и шести научно-технических отчетах.

Реализация полученных результатов. Результаты работы внедрены в Отделении систем жизнеобеспечения НИИХИММАШа при выполнении НИ и ОКР по разработке и созданию системы генерации кислорода "Электрон-ВМ" и создании обобщенной методики для анализа функционирования системы при сопровождении эксплуатации в реальных условиях; а также в учебном процессе МАИ при подготовке инженеров по специальности 1311.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, трех приложений и содержит 186 стр., включая: 126 стр. текста, 16 таблиц, 72 рис.; список литературы включает 93 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, ее цель, решаемые задачи, научная новизна и практическая значимость результатов исследований.

В первой главе приведен аналитический обзор литературных источников, касающихся различных типов СГК и их тепловых режимов. Обоснована целесообразность анализа тепловых режимов СГК с принудительной циркуляцией электролита через катодную и анодную камеры электролизера с последующем разделением газожидкостной смеси (ГЖС) на гидрофильных пористых мембранах. В качестве объекта исследования взята система электролиза воды "Электрон-В", схема которой представлена на рис. 1.

Показано, что как существу- ----

тических рекомендациях для проведения проектно-конструкторских разработок.

Во второй главе приведено формализованное описание электролизной СГК, которое включает формализованное описание электролизной ячейки, как основу для описания электролизера, и формализованное описание всей системы в составе электролизера, блока холодильников, блока разделителей и капсулы.

матическому моделированию задач подобного рода не дает возможность сделать выводы о каких-либо прак-

ющие математические модели, описывающие тепловой режим СГК, так и общий методический подход к мате-

Рис. 1. Схема системы "Электроп-В"

Составлены алгоритмы моделирования как отдельной электролизной ячейки, так и СГК в целом и дана их программная реализация.

При составлении формализованного описания приняты следующие основные допущения:

=> каждый из участков электролизной ячейки и каждый из агрегатов системы рассматривается как объект с сосредоточенными параметрами (без учета эффектов второго порядка малости) на основе представления структур технологических потоков приближением идеального смешения;

=> массовые потоки кислорода и водорода рассчитываются алгебраическими соотношениями, вследствие малого времени переходного процесса потоку;

=> теплофизические параметры конструкционных материалов принимаются постоянными в рассматриваемом диапазоне температур;

=> теплоемкости трубопроводов учитываются в полной теплоемкости конструкции каждого из агрегатов;

=> транспортным запаздыванием в трубопроводах можно пренебречь.

Тепловой режим СГК и формирование ее температурных полей определяется процессами в электролизере (источником тепловыделений в системе), основным элементом которого является электролизная ячейка.

Каждая из электролизных ячеек состоит из плоских цилиндрических анодной (кислородной) и катодной (водородной) камер, разделенных пористой диафрагмой и примыкающих к ним тококоллекторов (рис. 2).

Конструкция ячейки обеспечивает плотное поджатие сетчатых электродов к диафрагме. Циркуляция электролита (28% раствор КОН) через камеры и отвод ГЖС осуществляется подводящими и отводящими коллекторами электролизера. Между электродами и тококоллектором установлена металлическая сетка с более крупной ячейкой, чем у электродов, что обеспечивает как равномерный подвод

электролита ко всей поверхности электродов и отвод газов и теплоты, так и работоспособность электролизера в условиях микрогравитации.

Гидродинамическая структура потоков в анодной и катодной камерах ячейки описывается "ячеечной моделью", в соответствии с которой, каждая камера представляется в виде к последовательно соединенных участков и выходные характеристики потоков предыдущего участка являются входными для последующего. Исходя из конструкции электролизера, ячейка рассматривается как адиабатическая.

Электролит, Электролит, кислород водород

Анодная камера Пористая диафрагма Катодная камера Тококоллектор

Я1х021 ЙгЯ,/

Электролит Электролит

Рис. 2. Расчетная схема /'-участка электролизной ячейки

катодной и анодной полостей и запишется в виде: Ат

С учетом принятых допущений и расчетной схемы (рис. 2), формализованное описание любого /-'— участка электролизной ячейки в момент времени г будет аналогичным для

Т? = Т

т— 1

I>С,,Г)1Ф Ат

т-(QT ~QT +£?r +QZ )■

(i) (2)

С. = С, + y/-- (}'(U)Ca n - К С, +v )

I ' У v ' * ' ucm I

Р i

Математическая модель электролизной ячейки реализована в операционной среде Borland Pascal, версия 7.0. Общая блок-схема алгоритма моделирования электролизной ячейки показана на рис. 3. Составленная на основ алгоритма имитационная компьютерная модель позволяет определять параметры потоков ГЖС на каждом из к участков разбиения анодной и катодной камер электролизной ячейки в зависимости от времени работы Г для любых начальных и входных условий, физико-химических и технических параметров ячейки и схем течения потоков.

Блок задания и сходных данных, начальных и входных условии

Блок счета площадей участков разбиения

Л

Блок расчета параметров уса участка катодной и анодной полостей_

Да *

Формализованное описание СГК включает описание основных технологических агрегатов системы (электролизер, блок холодильников, блок разделителей) и герметичной капсулы, в которой они расположены. Формализованное описание

электролизера составляется на основе описания электролизной ячейки. Формализованное описание капсулы производится по трем отдельным участкам в составе описания агрегатов.

Электролизер состоит из 12 - электролизных ячеек и представляет собой цилиндрическую конструкцию фильтр-прессного типа с биполярными электродами. Ячейки соединены между собой параллельно с помощью коллекторов, осуществляющих подвод электролита и отвод ПЖС.

Блок холодильников (БХ) предназначен для охлаждения ПЖС и представляет собой цилиндрический теплообменный аппарат пластинчатого типа с плоскими камерами. Газожидкостные камеры двух видов (кислородная и водородная, соединены последовательно для каждого вида) последовательно чередуются с камерами хладагента (соединены параллельно). Камеры хладагента и ГЖС разделенны электроизоляционными прокладками.

Блок разделителей (БР) предназначен для разделения фаз ГЖС, которое осуществляется фильтрацией электролита из потока ГЖС через мелкопористые гидрофильные мембраны под действием перепада давления. В пределах ресурса работы обеспечивается полное отделение капельной жидкости от газа. Конструкция разделителей - цилиндрическая, фильтр-прессного типа. Газожидкостные камеры чередуются с жидкостными. Соединение газожидкостных камер параллельно - последовательное, жидкостных - параллельное. С учетом особенностей конструкции системы "Электрон-В", можно пренебречь теплопередачей на тор-

-Нет

Да

Рис. 3. Блок-схема алгоритма моделирования электролизной я чейкч

це БР со стороны капсулы.

Капсула представляет собой герметичную цилиндрическую конструкцию, заполненную азотом при избыточном давлении, внутри которой размещены электролизер, БХ и БР. В системе "Электрон-В" крепление оборудования внутри капсулы осуществляется через электроизоляционные прокладки, имеющие большое термическое сопротивление, поэтому кондуктивной теплопередачей с агрегатов на капсулу можно пренебречь.

Формализованное описание электролизной СГК типа "Электрон-В" (рис. 1) с учетом принятых допущений и расчетной схемы (рис. 4) записывается в следующем виде:

Тт — Г кол . ...

для электролизера: (3)

".У + КК„:,

ит=п\етк+ ета +ак + аа + 0,001 (ьк+Ьа) &

(4)

/г =/-/г- С5)

кол 1 1зл' У '

Капсула

Блок разделителей

Электролизер

Блок холодильников

Рис. 4. Расчетная схема системы "Электрон-В"

&ог =п

Ло1_ F

¡1, {Ло!+ Лн)11т

2F

(6)

^ЦгКт

= и

¿¡ьЧл , (л01+ АН1)Ч,Х1

---н —--

2Г

(7)

(8)

(9)

-гт _ (^)'л(т) , лг _ __ ^эл^разд(г) __ ^эл->хол(г) _

1 эл Ух-вх ^¿э 7 ¡¿бок Иторец ¿¿торец

г) . Гг-1. (10)

^¿выхНг ' Г ^ 'эл '

_ / ~м-»«апс(0 _ „капс-ю.с.(т) _ ^капс{т) _ ¡^капс(т) т-г-1

Ч:п!и:{у() — едгж(эл) ^¿копд{хт) ¿¿коид{ра]д) ' ^ эл кипе {л).

^ капе капе

Для блока холодильников: (11)

' вЫХО] 1 вЫХО; Т

0хш(т) ^ дл'Л—>г) __ ^г __,-уХгг1—*о с ( г)__| ^хол-^капе(т) _ ^хал(т)

ЧХ02 ^ У торец '¿01-*ха.1 дХ-та рет/ д (ю* УвыхО2 (]2) +----4--------4-з---7

Ср1жс(о2)"'гжс(ог) + С£т1тХ(11

0 _ 7-ш1(г-1) ,

' ПЫХ И 2 1 выхн 2

6хол(т) ^ у-)Эл->хол(т) _ пг ^ 2 г) __ X _ 0ХОЛ(Т)

ИХ Н 2 2 т"РеЧ ^ ^-торсч/ ^ «-бок *~/!>.!Х Н 2 (]3)

СрГЖС(Н 2)тГЖС{Н г) + ®>25С1халтха1

ТТ _ -гт-1 ,

1 вых.х/н ~ 1 вых.х1н

е'МО.Лг + Ог - _|_0Л;»л-»0.с.(г) _ А рхил-укапе(т) _ 0х/н(т)

вх 02 х<>1 //2 -> хт г)*-* торец о ~6ак *~вых (14)

-------------—----А-------------------—- Ах\

Срх/нтх/н + 0,5С^штХ()Л

ехол-^капс(т) ^капс(т) __ кале (г) __ ^лкапс->о.е.{г) Г* бок ИкомО(хол) Чомг) (ход) Убох(хт) .

* капс(хол) I капс(хол) ~ Хол • V

^капе^капе

Для блока разделителей:

Тт _ тт-\ разй(г) „г,-»ршй(г) _ пР"*)(г) _

1 рак) ~ ' pan) + \\¿ex02 + УвхН2 iím«pci( У«ых02

разд(т) празд(т) _pajd-»ranc(r). ______(16)

Увых1/2 ~ УвыхКОН ~ УГхж > г ,„

^Epajó 'рак)

rpT __л-ÍV1 у , глк*

' капе (рак)) ~ ' капе(рак)) \ Умж +

_Q.KalK(T) _ ,y™c->o.c.(rK ___

У1 кошЦрам) Убок(ран)) / ^ рак) >

капе ^кагк

(17)

G^G^ + rf^Gk; (18)

GXr) = G&, + rfbGb,; (19)

Gfo„ = G- С?ЬД1 + - GTH2(\ + dxHl)\ (20)

, ч, 27,6+0,23(rprajd-273)

=(1-2,447(C^) • j 07>,ln o^r ~ Iw*

1,5 > 2

P

* p азд

x 100%;

27,6+ 0,23(Гис.-273) диапазона: 0 < С^,"/ < 0,4; 278 К < 7ргя31) < 313ЛГ; 278К < То с <313К\

(21)

^ = (22) °2 У'1 г

= С23)

Н2

m£H™o = G- G¿OH . (24)

Условия микрогравитации учитываются при расчете конвективных составляющих тепловых потоков между поверхностями агрегатов в виде коэффициентов конвекции £= 1. Для наземных условий £ зависит от физико-технических параметров агрегатов и принимает значение 1.

Математическая модель электролизной СГК реализована в операционной среде LAB VIEW версия 3.1. Общая блок-схема алгоритма моделирования показана на рис. 5. Составленная на основе алгоритма имитационная компьютерная модель позволяет определять температуры, тепловые потоки и другие рабочие характерис-

тики СГК в зависимости от времени Г при любых начальных условиях и физико-химических и технических параметрах системы.

Таким образом, создана и реализована в программном обеспечении имитационная модель СГК, позволяющая провести расчет тепловых режимов системы, необходимый для анализа ее функционирования.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований электролизной СГК (схема испытательной установки, методика проведения и режимы и спытаний и методика обработки экспериментальных данных). Объектом испытаний являлась система "Электрон-В", на базе которой создан испытательный стенд.

Целью эксперимента являлась проверка математической модели и методики расчета тепловых режимов электролизной СГК на адекватность.

Измерялась температура агрегатов системы в зависимости от времени работы и определялось вл ияние изменения параметров функционирования СГК на ее тепловой режим. Влияние условий микрогравитации на тепловой режим учитывалось путем изменения давления в герметичной капсуле (надув и вакууми-рование капсулы и испытания со снятой капсулой.

Разработана методика обработки результатов эксперимента, которая позволила определить величину тепловых потоков в системе и вклад каждого из тепловых стоков в поддержание ее теплового режима. При анализе точности измерений использовались 2-^-5 независимых измерений температуры агрегатов системы. При обработке экспериментальных данных учитывались системати-

Да

Рис. 5. Блок-схема алгоритма моделирования СГК "Электрон-В"

ческие, случайные и грубые ошибки. Для оценки погрешности результатов применялся метод доверительного интервала со значением доверительной вероятности 0,95 в соответствии с распределением Стьюдента. Определялись коэффициенты корреляции и детерминации и среднеквадратичное отклонение. Обсуждение данных натурного эксперимента и их сопоставление с результатами расчетов на математической модели приведено в главе4.

В четвертой главе сопоставлены результаты вычислительных и натурных экспериментов для электролизной СГК и приведены результаты моделирования отдельной электролизной ячейки. Проведен анализ тепловых режимов СГК при различных условиях функционирования и разработана обобщенная математическая модель системы, учитывающая ее возможные отказы.

Для электролизной СГК "Электрон-В" сопоставлены результаты моделирования (при коэффициентах конвекции £= 1) и натурного эксперимента (для наземных условий функционирования). Обработка полученных данных позволила определить величину тепловых стоков на различных участках системы. Типовые результаты (для условий: ток питания электролизера 64 А, температура входа хладагента 10°С, расход электролита 15 л/ч, расход хладагента 100 л/ч) представлены на рис. 6 и 7.

Анализ полученных результатов показывает, что погрешность результатов моделирования составляет не более 7 % по отношению к экспериментальным данным. Время тепловой стабилизации системы составляет ~ 45 мин., что много больше времени стабилизации системы по другим параметрам (напряжение на электролизере, производительность, примеси и т.д.). Условия микрогравитации не оказывают существенного влияния на тепловой режим системы, что объясняется плотной конструкционной компоновкой и малой долей тепловых потерь с поверхность системы (~ 5 % от общей отводимой теплоты). Это дает возможность с помощью разработанной имитационной модели прогнозировать работу системы в условиях микрогравитации.

а-

1 * | |

Электра БР

'■■м- ■■6--1 в-

Обозначение Наименование

Результаты моделирования (давление в капсуле 220 кПа)

■ □ □ Результаты эксперимента (давление в капсуле 220 кПа)

♦ ОО Результаты эксперимента (давление в капсуле 6 кПа)

▲ А Результаты эксперимента (со снятой капсулой)

Время работы системы [мин]

Время работы системы [мин]

Рис. 6. Типовые результаты моделирования температур СГК

Таким образом, предложенная методика моделирования терморегулирования электролизной СГК и разработанная имитационная модель системы может использоваться при разработке, проектировании и оценке режимов функционирования и технических характеристик системы "Электрон-В" и других подобных систем.

Для уточнения харак-

0 15 30 45 60 75 9»

Врмпр.боты систшы¡чин] ТврИСТИК СГК ПрОВвДвНО

моделирование отдельной электролизной ячейки для разбиения катодной и анодной камер на 5, 10 и 20 последовательно соединенных участков, при различных токах питания электролизера и различных температурах электролита на входе. Рассмотрен вариант ячейки при краевой подаче электролита для прямотока, противотока и перекрестного тока потоков ГЖС в катодной и анодной ка-

| 12.5

3

ГЖС

У '■А ■ ♦ , < : ♦

к. 4 4

% у А ХлаЛагент

Гк

Потери теплоты с поверхности капсулы в окружающею среду 3,0%

Рис. 7. Отвод теплоты в СГК "Электрон-В" (результатымоделирования)

С 8 в5

П

Е «

|150

!

_ 35

То! ^ерпЮ чхгм* на огшци

1

/ г« 1 (черп$мчн)

Т,„ {пера 2 л ин)

о: (■»«рп]ми О Г0 (чергг I мам)

1/ 1 Я" расиоИ ЦОДа чи къяпрожт н 1 •рСКрлПКИ 0 П кэ я ячейке |

0.75 *

0.5

И

I е

? о $ с

II «« 81

б 8 10 12 14 16 18 20 Номер участка риби»ния яч»й*и

0 2 4 6 в 10 12 14 16 1» Номер участка разбиения ячейки

Рис. 8. Типовые результаты моделирования электролизной ячейки (ток питания электролизера 80 А, температура входа 20 °С)

мерах по отношению друг к другу и адиабатических условий работы. Другой рассмотренный вариант -подача электролита в камеры осуществлялась в их центральной части при адиабатических и изотермических условиях в ячейке. Типовые результаты моделирования анодной камеры приведены на рис. 8. Результаты моделирования катодной камеры имеют аналогичный вид и количественно отличаются от результатов моделирования анодной камеры не более чем на 5 %.

Анализ полученных результатов моделирования отдельной электролизной ячейки показал, что для определения профиля температур и объемных концентраций газов по направлению движения ГЖС с погрешностью не более 7 % достаточно проводить разбиение ячейки на 5 участков. Конструкция электролизера определяет реальные условия проведения процесса в ячейке близкие к адиабатическим, при которых (особенно в ячейки с краевой подачей электролита) существует большой перепад температур по ходу потока ГЖС. Это ограничивает ток питания электролизера 654-70 А (т.е. ограничивает производительность системы по кислороду). Данное ограничение снимается при обеспечении условий проведения процесса в электролизной ячейке близких к изотермическим. Принципиальная схема такой ячейки предложена в диссертации.

Разработанная имитационная модель электролизной ячейки позволяет определять параметры потока ГЖС внутри катодной и анодной камер и служит основой для моделирования электролизера.

Основной отводтеплоты в системе "Электрон-В" (~ 95 %) осуществляется в БХ. Однако, конструкция БХ и схема системы в целом (охлаждение ГЖС, содержащей по объему более 90 % газа) не обеспечивает эффективного теплосъема, что ограничивает ток питания электролизера и, следовательно, производительность по кислороду. Для устранения этого недостатка предложена электролизная СГК с использованием единого холодильника разделителя для охлаждения и разделения потоков ГЖС и жидкостно-жидкостного теплообменника для

охлаждения электролита (рис. 9). ^ТР

Рис. 9. Предлагаемая схема Математическая модель электролизной электролизной СГК

СГК доработана с учетом возможных отказов системы, приведено физическое

и математическое описание отказов, связанных с нарушением нормального те-

плового режима системы и разработана ее обобщенная математическая модель. На рис. 10 показана общая блок-схема модели. Обобщенная математическая модель реализована в операционной среде LAB VIEW версия 3.1 и применяется:

=> для проведения анализа стационарных и нестационарных тепловых режи-

Рис. 10. Блок-схема обобщенной математической модели

мов и расчета температур СГК при ее функционировании в любых условиях с учетом внутренних характеристик и влияния окружающей среды; => для моделирования штатных и нештатных режимов работы системы с учетом

ее возможных отказов; => для проведения проектно-конструкторских разработок; => для сопровождения натурных испытаний, с целью сокращения объема экспериментальной отработки как всей системы, так и ее отдельных агрегатов; => для отработки алгоритма автоматического контроля и управления системой и его взаимодействия с системой управления всего космического корабля; для сопровождения эксплуатации системы; => для анализа причин нарушений штатных режимов функционирования и отказов системы при ее эксплуатации.

Таким образом, в результате выполнения комплексных расчетов и экспериментальных работ создана методика анализа тепловых режимов электролизной СГК на основе ее имитационной модели для проведения проектных исследований и анализа функционирования в штатных и нештатных режимах эксплуатации. По-

лучены результаты, которые использованы при создании СГК "Электрон-ВМ" для международной космической станции "Альфа".

ВЫВОДЫ

1. Разработана, реализована в программном обеспечении и проверена на адекватность имитационная модель электролизной СГК, предназначенная для анализа тепловых режимов системы в штатных и нештатных условиях функционирования; показано, что погрешность моделирования по значениям контролируемых параметров не превышает 7 % отданных натурных испытаний.

2. Сформировано формализованное описание ячейки электролизера как объекта с распределенными параметрами в приближении "зонной модели", реализованное в программном обеспечении, позволяющее определять профиль температур и объемных концентраций газа по направлению движения потоков ГЖС с погрешностью не более 7 % при 5-участках разбиения.

3. Показано на основе результатов расчетов предложенной модели электролизной ячейки,что:

=>краевая подача электролита в ячейку (прямоток, противоток и перекрестный ток) не обеспечивает равномерную температуру в ячейке, что приводит к высокой скорости коррозии элементов конструкции и ограничивает температуру на входе в электролизер ~ 25°С при токе питания электролизера- 65 А;

=>электролизная ячейка с центральной подачей электролита и камерой термостатирования имеет условия работы близкие к изотермическим (рост температуры ~ 5°С), что в ~ 2 раза снижает скорости коррозии элементов конструкции по сравнению с другими рассмотренными вариантами (при одинаковой температуре входа), позволяет проводить процесс при температурах до ~ 85°С и снимает тепловые ограничения потоку питания электролизера.

4. Показано на основе результатов исследования тепловых режимов СГК, что наиболее теплонагруженным агрегатом системы является блок холодильников

(обеспечивает ~ 95 % сброса выделяемой теплоты), но его конструкция ограничивает теплосъем в системе, вследствие высокого термического сопротивления электроизолирующей прокладки.

5. Разработанная имитационная модель системы генерации кислорода, дополненная описанием возможных отказов, рекомендована к использованию в составе обобщенной модели для анализа функционирования системы при сопровождении эксплуатации системы в реальных условиях.

6. Показано на основе исследования температурно-влажностных режимов системы "Электрон-ВМ", что температура хладагента на входе в блок холодильников, при которой отсутствует конден ция паров воды в потоках электролизных газов, должна быть не менее чем на «1,5 °С ниже температуры окружающей среды в зоне расположения системы.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Прошкин В.Ю., Королев В.П. Разработка и исследование конструкции щелочного электролизера с активными электродами. НТО по теме № 9.10319. М„ НИИХИММАШ, 1994.22 с.

2. Прошкин В.Ю., Королев В.П. Разработка и исследование конструкции щелочного электролизера с полимерными проставками. НТО по теме № 9.10319. М, НИИХИММАШ, 1994.13 с.

3. N.S. Farafonov, Е.А. Kurmazenko, I.V. Dokunin, V.Ju. Proshkin. Oxygen Generation Assembly. Models and Algoritms (6155 MA). Contract № HN 4833. M., NIICHIMMASH, 1995. P. 65.

4. Курмазенко Э.А., Докунин И.В., Прошкин В.Ю. и др. АктЛз 7064-34-10/495. Результаты проверки математической модели /алгоритмаустройства генерации кислорода. М., НИИХИММАШ, 1995.16с.

5.ПрошкинВ.Ю., Королев В.П. Разработка, исследование и математическое моделирование системы электролиза воды сэлектролизером на основе твердой полимерной ионообменной мембраны и керамическим пористым разделителем. НТОпотеме№9.10319.М.,НИИХИММАШ, 1997.43 с.

6. N.M. Samsonov, Е.А. Kurmazenko, V.Ju. Proshkin, &al. Simulation Subsystem Models for Analysis of the Integrated Life Support System Functioning. Proc. of the Sixth European Symposium on Space Environmental Control Systems. ESA SP-400. 1997. P. 693-698.

7. N.M. Samsonov, E.A. Kurmazenko,V.Ju. Proshkin, &al. Analysis Procedure of Heat Modesfor the Oxygen Generation System. SEA Technical Paper Series. № 972536. 1997. P. 1-8.

8. Курмазенко ЭЛ., Прошкин В.Ю., Королев В.П. и др. АктЛе 5736-12-10/498 по результатам расчета температурно-влажностных режимов системы "Электрон-ВМ". М„ НИИХИММАШ, 1998.20 с.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Электролизная ячейка: С - объемная концентрация газа в потоке ГЖС; Т -температура участка; V - объемный расход ГЖС; Vucm , - скорость образования газа; Ур , - объем ГЖС; ^(УСрУ)тэф , - эффективная массовая теплоемкость многофазной системы; Ат- расчетный шаг по времени.

СГК: A0i,AHi - химические эквиваленты кислорода и водорода; ак, Ьк, зд, Ьа - константы Тафеля для катода и анода; CXli, CLml, С^хпд - приведенные удельные теплоемкости электролизера, БХи БР; Срг?кс(ог) > сРгжс( н2) > Ci>xh<, - - удельные теплоемкости ГЖС в кислородной и водородной линиях БХ, кладагента и материала капсулы; С^щ - массовая концентрация раствора элек-

тролита; с1*н2,с1о2~ массовое влагосодержание в выходных потоках водорода и кислорода; ехк,ета- теоретические потенциалы катода и анода; Р - постоянная Фарадея; ,- массовый расход выделяемого газа в кислородной и водородной полостях электролизера; Сг^ ,Сн2_>о2 - массовый расход кислорода, вьщелившегося в водородной полости и водорода, выделившегося в кислородной полости; ,С\он -массовые расходы водорода, кислорода и электроли-

та на выходе из БР; I - ток питания электролизера; 1\л, Гтл - токи, проходящие через электролизную ячейку и через коллектор; т^щ^о - секундное потребление воды системой электролиза; тхн, тгжс(о2 ), тгжс(н2) - массы хладагента в БХ и ГЖС в кислородной и в водородной полостях БХ; та, ттл, тра]д - массы электролизера, БХ и БР; т?а„с, т""пс, т^"*' - приведенные массы капсулы в местах расположения электролизера, БХ и БР; п - число ячеек электролизера; Р0 - нормальное атмосферное давление; Ррам) - давление в газовых полостях БР; , - электрические сопротивления коллектора и всех п ячеек электролизера; 5я - площадь электролизной ячейки; Т^д" температуры электролизера и БР; ТТьао, ,Тхв°ыхн], Т1ых.х/„-температуры выходных потоков ГЖС в кислородной и водородной линиях БХ и в линии хладагента; Т^„фл), Ттка„с{хол), Т1апс(разд) - температуры капсулы в зонах расположения электролизера, БХ и БР; 11т - напряжение на электролизере; Хо2вН2, Хн2ео2 - объемное процентное содержание кислорода в водороде и водорода в кислороде на выходе из БР (до блока дожигания); - относительная влажность выходящих из СГК газов; А т- расчетный шаг по времени.

Индексы: г и /-1 - рассматриваемый и предыдущий участок электролизной ячейки; г и г-1 рассматриваемый и предыдущий (т-Лт) моменты времени.