RU2500590C1 - Spacecraft regenerative life support system - Google Patents
Spacecraft regenerative life support system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2500590C1 RU2500590C1 RU2012122867/11A RU2012122867A RU2500590C1 RU 2500590 C1 RU2500590 C1 RU 2500590C1 RU 2012122867/11 A RU2012122867/11 A RU 2012122867/11A RU 2012122867 A RU2012122867 A RU 2012122867A RU 2500590 C1 RU2500590 C1 RU 2500590C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon dioxide
- hydrogen
- water
- carbon
- adsorber
- Prior art date
Links
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области создания регенерационных физико-химических максимально замкнутых систем жизнеобеспечения экипажа космического аппарата длительного функционирования.The present invention relates to the field of creating regenerative physico-chemical maximally closed life support systems for the crew of a spacecraft of long-term functioning.
Изобретение может быть также использовано в воздушных, наземных, подземных, надводных и подводных специальных гермообъектах.The invention can also be used in air, ground, underground, surface and underwater special seals.
Известно, что существующая система жизнеобеспечения, например, Международной космической станции является частично замкнутой и основана как на запасах основных веществ (кислорода и воды), так и на их регенерации. Пополнение запаса основных веществ осуществляется периодически грузовыми кораблями типа «Прогресс».It is known that the existing life support system, for example, of the International Space Station, is partially closed and is based both on the stocks of basic substances (oxygen and water) and on their regeneration. The replenishment of the main substances is carried out periodically by cargo ships of the Progress type.
В настоящее время в такой системе из-за отсутствия узла (системы, блока) переработки диоксида углерода и водорода, диоксид углерода из поглотителя, содержащий значительное количество кислорода, и водород, выделяемый из электролизера при разложении воды, удаляют за борт и исключают из круговорота основных веществ, что следует считать нерациональным.Currently, in such a system, due to the absence of a unit (system, unit) for processing carbon dioxide and hydrogen, carbon dioxide from the absorber containing a significant amount of oxygen and hydrogen released from the electrolyzer during water decomposition are removed overboard and excluded from the main cycle substances that should be considered irrational.
При осуществлении космических полетов вне земной орбиты целесообразно максимально использовать вещества, выделяемые в процессе жизнедеятельности экипажа, т.е. система должна быть максимально замкнута и основана на регенерационном принципе.When performing space flights outside the earth's orbit, it is advisable to maximize the use of substances released during the life of the crew, i.e. the system should be as closed as possible and based on the regenerative principle.
Известен общий подход к созданию частично замкнутой физико-химической системы жизнеобеспечения с подсистемой регенерации воздуха (Б.Г.Гришаенков. Регенерация и кондиционирование воздуха. Основы космической биологии и медицины. Под общ. ред. О.Г.Газенко и М.Кальвина. М.: Наука, 1975. Т.3, с.70; А.С.Гузенберг. Регенерация и кондиционирование воздуха. Космическая биология и медицина. Под общ. ред. О.Г.Газенко, А.И.Григорьева и А.Е.Никогосяна, С.Р.Молера. М.: Наука, 1994. Т.2, с.253). Блок-схема такой системы состоит из гермокабины с экипажем, блока очистки и концентрирования диоксида углерода, физико-химической системы получения кислорода из диоксида углерода и воды, блока переработки и очистки твердых и жидких отходов, сборника питьевой воды, сборника воды, сборника кислорода и сборника отходов.A common approach to the creation of a partially closed physical and chemical life support system with an air regeneration subsystem is known (B. G. Grishaenkov. Air regeneration and conditioning. Fundamentals of space biology and medicine. Edited by O. G. Gazenko and M. Kalvin. M .: Nauka, 1975. Vol. 3, p. 70; A. S. Gusenberg. Regeneration and air conditioning. Space biology and medicine. Under the general editorship of OG Gazenko, A. I. Grigoriev and A. E Nikoghosyan, S.R. Molera, Moscow: Nauka, 1994.V.2, p.253). The block diagram of such a system consists of a pressurized cabin with a crew, a unit for cleaning and concentrating carbon dioxide, a physical and chemical system for producing oxygen from carbon dioxide and water, a unit for processing and treating solid and liquid wastes, a drinking water tank, a water tank, an oxygen tank and a tank waste.
Известен вариант физико-химической системы жизнеобеспечения, в которой система регенерации газовой среды основана на очистке атмосферы от вредных примесей, на очистке атмосферы от диоксида углерода при помощи адсорбентов с последующей регенерацией и концентрированном диоксидом углерода, каталитическом гидрировании диоксида углерода до метана и воды с последующим крекингом метана, получении кислорода из воды с использованием электролиза водного раствора щелочи (Б.Г.Гришаенков. Регенерация и кондиционирование воздуха. Основы космической биологии и медицины. Под общ. ред. О.Г.Газенко и М.Кальвина. М.: Наука, 1975. Т.3, с.114-118; А.С.Гузенберг. Регенерация и кондиционирование воздуха. Космическая биология и медицина. Под общ. ред. О.Г.Газенко, А.И.Григорьева и А.Е.Никогосяна, С.Р.Молера. М.: Наука, 1994. Т.2, с.282-283).A known version of the physicochemical life support system in which the gas environment regeneration system is based on cleaning the atmosphere of harmful impurities, cleaning the atmosphere of carbon dioxide using adsorbents, followed by regeneration and concentrated carbon dioxide, catalytic hydrogenation of carbon dioxide to methane and water, followed by cracking methane production of oxygen from water using electrolysis of an aqueous solution of alkali (B.G. Grishaenkov. Regeneration and air conditioning. Basics of space biology and medicine. Under the general editorship of OG Gazenko and M. Kalvin. M .: Nauka, 1975. Vol. 3, p. 114-118; A. Gusenberg. Regeneration and air conditioning. Space biology and medicine, edited by O.G.Gazenko, A.I. Grigoriev, and A.E. Nikoghosyan, S.R. Molera, ed., Moscow: Nauka, 1994, vol. 2, pp. 282-283).
Реакцию с образованием метана и воды проводят при температуре 250-300°С в присутствии катализатора и с выделением тепла (при исходном соотношении диоксида углерода к водороду 1:4). Одним из главных преимуществ метановой реакции является возможность осуществления ее со степенью, близкой к 1 при рекомендуемом соотношении масс диоксида углерода и водорода 1:9 (по стехиометрии 1:5,45). Вторую стадию этого процесса - пиролиз метана - осуществляют при температуре 1030°С на катализаторе с выпадением на нем кристаллического углерода. Для баланса кислорода в системе дополнительно используют разложение 0,5 кг воды/чел.сут.The reaction with the formation of methane and water is carried out at a temperature of 250-300 ° C in the presence of a catalyst and with the release of heat (with an initial ratio of carbon dioxide to hydrogen of 1: 4). One of the main advantages of the methane reaction is the possibility of carrying out it with a degree close to 1 with a recommended mass ratio of carbon dioxide and hydrogen of 1: 9 (according to stoichiometry 1: 5.45). The second stage of this process — methane pyrolysis — is carried out at a temperature of 1030 ° C on a catalyst with crystalline carbon deposited on it. For oxygen balance in the system, an additional decomposition of 0.5 kg of water / person / day is additionally used.
К недостаткам такой системы регенерации газовой среды относятся значительная инерционность системы вследствие использования традиционного теплового нагрева для регенерации диоксида углерода, необходимость охлаждения реактора при проведении первой стадии процесса переработки диоксида углерода и водорода; удаление за борт космического аппарата метана, содержащего значительное количество водорода; высокая температура реактора при проведении второй стадии процесса - крекинга метана, сложность удаления кристаллического углерода из газовой коммуникации, необходимость очистки образующейся воды от примесей, более высокое содержание водорода в исходной смеси газов, необходимость иметь на борту космического аппарата запас водорода, возможность прохождения побочных реакций.The disadvantages of such a system for the regeneration of a gaseous medium include a significant inertia of the system due to the use of traditional thermal heating for the regeneration of carbon dioxide, the need to cool the reactor during the first stage of the processing of carbon dioxide and hydrogen; removal of methane containing a significant amount of hydrogen overboard; the high temperature of the reactor during the second stage of the process - methane cracking, the difficulty of removing crystalline carbon from gas communication, the need to purify the resulting water from impurities, the higher hydrogen content in the initial gas mixture, the need to have hydrogen on board the spacecraft, the possibility of side reactions.
Известен также вариант физико-химической системы жизнеобеспечения, в которой система регенерации газовой среды основана на очистке атмосферы от вредных примесей, на очистке атмосферы от диоксида углерода при помощи адсорбентов с последующей регенерацией и концентрированном диоксида углерода, прямом разложении диоксида углерода до кислорода и оксида углерода в электролизере с твердым электролитом с последующей каталитической переработкой оксида углерода до углерода и диоксида углерода, получении кислорода из воды с использованием электролиза водного раствора щелочи (Б.Г.Гришаенков. Регенерация и кондиционирование воздуха. Основы космической биологии и медицины. Под общ. ред. О.Г.Газенко и М.Кальвина. М.: Наука, 1975. Т.3, с.114-118; А.С.Гузенберг. Регенерация и кондиционирование воздуха. Космическая биология и медицина. Под общ. ред. О.Г.Газенко А.И.Григорьева и А.Е.Никогосяна, С.Р.Молера. М.: Наука, 1994. Т.2, с.283-284).A variant of the physicochemical life support system is also known, in which the gas environment regeneration system is based on cleaning the atmosphere from harmful impurities, cleaning the atmosphere from carbon dioxide using adsorbents, followed by regeneration and concentrated carbon dioxide, direct decomposition of carbon dioxide to oxygen and carbon monoxide in electrolyzer with a solid electrolyte, followed by catalytic processing of carbon monoxide to carbon and carbon dioxide, obtaining oxygen from water using electrolysis of an aqueous solution of alkali (B. G. Grishaenkov. Regeneration and air conditioning. Fundamentals of space biology and medicine. Under the general editorship of O. G. Gazenko and M. Kalvin. M .: Nauka, 1975. V.3, p. 114-118; A.S. Gusenberg. Regeneration and air conditioning. Space biology and medicine. Under the general editorship of OGGazenko A.I. Grigoriev and A.E. Nikoghosyan, S.R. Moler. M. : Science, 1994.V.2, p.283-284).
Высокотемпературный электролиз диоксида углерода осуществляют на твердых керамических электролитах с образованием оксида углерода и кислорода. Процесс электролиза проводят при температуре 800-900°С. Вторую стадию этого процесса с образованием из оксида углерода диоксида углерода и углерода осуществляют на катализаторе при температуре 500°С. После второй стадии диоксид углерода возвращают в цикл на электролиз. Таким образом, производят полное извлечение кислорода из диоксида углерода, минуя стадию получения воды. Недостающий для баланса кислород получают при подаче 0,17 кг воды/чел.сут совместно с диоксидом углерода на вход электролизера с твердым керамическим электролитом.High-temperature electrolysis of carbon dioxide is carried out on solid ceramic electrolytes with the formation of carbon monoxide and oxygen. The electrolysis process is carried out at a temperature of 800-900 ° C. The second stage of this process with the formation of carbon dioxide carbon dioxide and carbon is carried out on the catalyst at a temperature of 500 ° C. After the second stage, carbon dioxide is returned to the cycle for electrolysis. Thus, complete extraction of oxygen from carbon dioxide is carried out, bypassing the stage of obtaining water. Lack of oxygen for balance is obtained when 0.17 kg of water / person is supplied per day together with carbon dioxide at the inlet of the electrolyzer with a solid ceramic electrolyte.
Недостатками данной системы являются высокая температура процесса, которая является запредельной для металла реактора, и его тепловая инерционность, образование во второй стадии процесса переработки углерода и сложность его удаления из газовой магистрали, необходимость отделения водорода и его складирование или удаление за борт космического аппарата и исключение из круговорота как реагента.The disadvantages of this system are the high temperature of the process, which is prohibitive for the metal of the reactor, and its thermal inertia, the formation of carbon in the second stage of the carbon processing process and the difficulty of its removal from the gas main, the necessity of hydrogen separation and its storage or removal overboard the spacecraft and exclusion from circulation as a reagent.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является вариант физико-химической системы жизнеобеспечения, в которой система регенерации газовой среды основана на очистке атмосферы от вредных примесей, на очистке атмосферы от диоксида углерода при помощи адсорбентов с последующей регенерацией и концентрированном диоксидом углерода, каталитическом гидрировании диоксида углерода до оксида углерода и воды с последующей каталитической переработкой оксида углерода до углерода и диоксида углерода, получении кислорода из воды с использованием электролиза водного раствора щелочи (Б.Г.Гришаенков. Регенерация и кондиционирование воздуха. Основы космической биологии и медицины. Под общ. ред. О.Г.Газенко и М.Кальвина. М.: Наука, 1975. Т.3, с.114).The closest in technical essence to the proposed technical solution is a variant of the physicochemical life support system, in which the gas medium regeneration system is based on cleaning the atmosphere from harmful impurities, on cleaning the atmosphere from carbon dioxide using adsorbents, followed by regeneration and concentrated carbon dioxide, catalytic hydrogenation carbon dioxide to carbon monoxide and water, followed by catalytic processing of carbon monoxide to carbon and carbon dioxide, oxygen from water using electrolysis of an aqueous solution of alkali (B. G. Grishaenkov. Regeneration and air conditioning. Fundamentals of space biology and medicine. Under the general editorship of O. G. Gazenko and M. Kalvin. M .: Nauka, 1975. T.3, p.114).
Предложенное расположение узлов и блоков в известной схеме и направления потоков газов и воды обеспечивает очистку атмосферы от диоксида углерода и вредных примесей; подачу кислорода и воды в жилой отсек; переработку диоксида углерода и водорода с образованием воды, которая по мере необходимости поступает в электролизер, углерода и водорода, поступающих на рецикл и в сборник отходов.The proposed arrangement of nodes and blocks in a known scheme and the direction of gas and water flows ensures the purification of the atmosphere from carbon dioxide and harmful impurities; supply of oxygen and water to the living compartment; processing of carbon dioxide and hydrogen to form water, which, as necessary, enters the electrolyzer, carbon and hydrogen, which are recycled and the waste collection.
В известной блок-схеме системы (прототип) первую стадию процесса переработки диоксида углерода и водорода (при стехиометрическом соотношении 1:2) до оксида углерода и воды осуществляют в присутствии катализатора и температуре до 600°С с преобразованием до 30% диоксида углерода за один проход газовой смеси. Вторую стадию процесса проводят также на катализаторе при температуре 500°С с образованием углерода и диоксида углерода. При этом образующийся и непрореагировавший диоксид углерода и водород возвращают в цикл на рециркуляцию для полного извлечения кислорода из диоксида углерода, обеспечивая стехиометрическое соотношение диоксида углерода и водорода 1:2. Для замыкания процесса регенерации кислорода используют дополнительное разложение 0,17 кг воды/чел.сут.In the known system block diagram (prototype), the first stage of the process of processing carbon dioxide and hydrogen (with a stoichiometric ratio of 1: 2) to carbon monoxide and water is carried out in the presence of a catalyst and a temperature of up to 600 ° C with conversion of up to 30% carbon dioxide in one pass gas mixture. The second stage of the process is also carried out on the catalyst at a temperature of 500 ° C with the formation of carbon and carbon dioxide. In this case, the formed and unreacted carbon dioxide and hydrogen are returned to the cycle for recycling to completely extract oxygen from carbon dioxide, providing a stoichiometric ratio of carbon dioxide and hydrogen of 1: 2. To close the oxygen regeneration process, an additional decomposition of 0.17 kg of water / person per day is used.
Недостатками такой системы регенерации газовой среды являются низкая степень преобразования диоксида углерода за один проход газовой смеси, значительная инерционность системы вследствие использования традиционного теплового нагрева при регенерации диоксида углерода, для переработки диоксида углерода и водорода; необходимость частой очистки катализатора от углерода, сложность удаления углерода из системы без разгерметизации газовой коммуникации, возможность прохождения побочных реакций, значительные затраты энергии на нагрев реактора.The disadvantages of such a system for the regeneration of a gas medium are the low degree of conversion of carbon dioxide in one pass of the gas mixture, the significant inertia of the system due to the use of traditional thermal heating during the regeneration of carbon dioxide, for the processing of carbon dioxide and hydrogen; the need for frequent cleaning of the catalyst from carbon, the difficulty of removing carbon from the system without depressurization of gas communication, the possibility of side reactions, significant energy costs for heating the reactor.
Общим существенным недостатком таких систем является высокая температура стенок реакторов при проведении технологических процессов и, как следствие, значительная тепловая инерционность, препятствующая созданию безынерционных адаптивных систем жизнеобеспечения нового поколения; образование в результате реакций трудноудаляемого углерода.A common significant drawback of such systems is the high temperature of the walls of the reactors during technological processes and, as a result, significant thermal inertia, which impedes the creation of inertialess adaptive life-support systems of a new generation; formation of hard-to-remove carbon from reactions.
В известной системе (прототип) для нагрева сорбента в режиме десорбции диоксида углерода и переработки диоксида углерода и водорода применяют традиционный тепловой нагрев.In the known system (prototype), traditional thermal heating is used to heat the sorbent in the mode of desorption of carbon dioxide and the processing of carbon dioxide and hydrogen.
Недостатками данной системы являются:The disadvantages of this system are:
- образование углерода во второй стадии процесса переработки диоксида углерода и водорода и сложность его эвакуации из газовой коммуникации без ее разгерметизации;- carbon formation in the second stage of the processing of carbon dioxide and hydrogen and the difficulty of evacuating it from gas communication without its depressurization;
- частая замена катализатора во второй стадии процесса;- frequent replacement of the catalyst in the second stage of the process;
- использование традиционного теплового нагрева.- the use of traditional thermal heating.
Задача и технический результат заключаются в создании максимально замкнутой регенерационной системы жизнеобеспечения экипажа космического корабля; исключение второй стадии процесса переработки диоксида углерода и водорода - образование углерода.The task and the technical result are to create the most closed regenerative life support system for the crew of the spacecraft; the exception of the second stage of the process of processing carbon dioxide and hydrogen is the formation of carbon.
Поставленная задача решается тем, что в известной регенерационной системе жизнеобеспечения экипажа космического аппарата, содержащей жилой отсек, систему очистки от вредных примесей, систему очистки от диоксида углерода, содержащую адсорбент и нагревательные элементы, концентратор диоксида углерода, так же содержащий адсорбент, систему переработки диоксида углерода и водорода, содержащую нагревательные элементы, блок электролитического разложения воды, систему регенерации твердых и жидких отходов, сборник воды, сборник воды метаболической, сборник отходов, после системы переработки диоксида углерода и водорода установлен дожигатель оксида углерода с палладиевым катализатором; после дожигателя оксида углерода установлен адсорбер водорода с интерметаллидом; между блоком электролитического разложения воды и блоком переработки диоксида углерода и водорода установлен аккумулятор водорода с интерметаллидом, а блок электролитического разложения воды и дожигатель оксида углерода соединены между собой через адсорбер кислорода.The problem is solved in that in the well-known life support system for the crew of a spacecraft containing a living compartment, a system for purifying harmful impurities, a carbon dioxide purification system containing an adsorbent and heating elements, a carbon dioxide concentrator also containing an adsorbent, a carbon dioxide processing system and hydrogen containing heating elements, an electrolytic decomposition unit for water, a solid and liquid waste recovery system, a water collector, a metabolic water collector of it, a waste collector, after a carbon dioxide and hydrogen processing system, a carbon monoxide burner with a palladium catalyst is installed; after the carbon monoxide burner, a hydrogen adsorber with an intermetallic compound is installed; a hydrogen accumulator with intermetallide is installed between the electrolytic decomposition unit of water and the carbon dioxide and hydrogen processing unit, and the electrolytic decomposition unit of water and the carbon monoxide burner are interconnected via an oxygen adsorber.
В системе очистки от диоксида углерода, концентраторе диоксида углерода и адсорбере кислорода в качестве адсорбента могут быть использованы, например, цеолиты, поглощающие высокочастотную электромагнитную энергию.In the carbon dioxide purification system, carbon dioxide concentrator and oxygen adsorber, for example, zeolites absorbing high frequency electromagnetic energy can be used as adsorbent.
В системе очистки от диоксида углерода и системе переработки диоксида углерода и водорода в качестве нагревательных элементов могут быть установлены приспособления, создающие тлеющий высокочастотный разряд переменного тока, и/или приспособления, создающие энергию высокочастотного электромагнитного поля.In the carbon dioxide and carbon dioxide and hydrogen dioxide treatment system, devices that create a glow high-frequency discharge of alternating current and / or devices that create energy of a high-frequency electromagnetic field can be installed as heating elements.
Установка дожигателя оксида углерода с палладиевым катализатором после блока переработки диоксида углерода и водорода является неизвестным техническим решением, которое обеспечивает окисление оксида углерода до диоксида углерода без образования углерода. Размещение аккумулятора водорода с интерметаллидом между непрерывно работающим блоком электролитического разложения воды и блоком переработки диоксида углерода и водорода также является неизвестным техническим решением, которое обеспечивает цикличную подачу водорода совместно с цикличной подачей диоксида углерода из блока его концентрирования.The installation of a carbon monoxide burner with a palladium catalyst after the carbon dioxide and hydrogen processing unit is an unknown technical solution that provides the oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide without the formation of carbon. Placing a hydrogen accumulator with an intermetallic metal between a continuously operating electrolytic decomposition unit of water and a carbon dioxide and hydrogen processing unit is also an unknown technical solution that provides a cyclic supply of hydrogen together with a cyclic supply of carbon dioxide from its concentration unit.
Использование адсорбера кислорода в системе известно (Смирнов И.А., Фомкин А.А., Солдатов П.Э., Смоленская Т.С., Ильин В.К. Система получения и резервирования кислорода для перспективных долговременных обитаемых космических объектов. Материалы международной конференции: СИСТЕМЫ ЖИЗНЕОБЕСПЕЧЕНИЯ КАК СРЕДСТВО ОСВОЕНИЯ ЧЕЛОВЕКОМ ДАЛЬНЕГО КОСМОСА. Москва. 24-27 сентября 2008 г., с.89-90). Однако подача кислорода в дожигатель оксида углерода для окисления его до диоксида углерода является новым техническим решением, существенно улучшающим работу системы в целом. При этом адсорбер кислорода может быть использован совместно с собственным электролизером как система получения и резервирования кислорода, так и отдельно со штатным электролизером. Количество адсорбента кислорода выбирают из условия обеспечения полного окисления оксида углерода до диоксида углерода, а также для дыхания экипажа.The use of an oxygen adsorber in the system is known (Smirnov I.A., Fomkin A.A., Soldatov P.E., Smolenskaya T.S., Ilyin V.K. System for the production and reservation of oxygen for promising long-term inhabited space objects. Materials of the international conferences: LIFE SYSTEMS AS A MEANS OF DEVELOPING FAR SPACE BY A HUMAN. Moscow. September 24-27, 2008, p. 89-90). However, the supply of oxygen to the carbon monoxide burner to oxidize it to carbon dioxide is a new technical solution that significantly improves the operation of the system as a whole. In this case, the oxygen adsorber can be used in conjunction with its own electrolyzer as a system for the production and reservation of oxygen, and separately with a standard electrolyzer. The amount of oxygen adsorbent is selected from the condition for the complete oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide, as well as for breathing the crew.
Окисление оксида углерода до диоксида углерода позволяет исключить образование трудноудаляемого из системы углерода.Oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide eliminates the formation of carbon that is difficult to remove from the system.
Размещение адсорбера водорода после дожигателя оксида углерода является новым техническим решением, позволяющим поглотить водород из газовой смеси после переработки диоксида углерода и водорода. Установка циклично работающего аккумулятора водорода между блоком электролитического разложения воды и блоком переработки диоксида углерода и водорода обеспечивает согласование непрерывно работающего блока электролитического разложения воды с циклично работающим концентратором диоксида углерода. Выбор состава и количества интерметаллида в аккумуляторе и адсорбере водорода осуществляют экспериментальным путем при условии полного поглощения водорода из газовой смеси.Placing a hydrogen adsorber after a carbon monoxide afterburner is a new technical solution that allows absorbing hydrogen from a gas mixture after processing carbon dioxide and hydrogen. The installation of a cyclically operating hydrogen accumulator between the electrolytic decomposition unit of water and the carbon dioxide and hydrogen processing unit ensures the coordination of the continuously operating electrolytic decomposition unit of water with a cyclically operating carbon dioxide concentrator. The composition and amount of intermetallic acid in the accumulator and hydrogen adsorber are selected experimentally, provided that hydrogen is completely absorbed from the gas mixture.
Для быстрого, объемного и безынерционного нагрева адсорбентов диоксида углерода и кислорода применяют высокочастотную электромагнитную энергию.For fast, volumetric and inertialess heating of adsorbents of carbon dioxide and oxygen, high-frequency electromagnetic energy is used.
Для безынерционной плазмохимической переработки диоксида углерода и водорода в системе используют энергию электрического разряда (например, тлеющего), работающего на повышенной частоте переменного тока, или энергию высокочастотного электромагнитного поля, либо их комбинацию. Тип разряда и его мощность выбирают экспериментальным путем на минимальном уровне, обеспечивающем переработку диоксида углерода и водорода с максимально возможной степенью превращения.For inertialess plasma-chemical processing of carbon dioxide and hydrogen, the system uses the energy of an electric discharge (for example, glow) operating at an increased frequency of alternating current, or the energy of a high-frequency electromagnetic field, or a combination thereof. The type of discharge and its power are selected experimentally at a minimum level that ensures the processing of carbon dioxide and hydrogen with the highest possible degree of conversion.
Для эффективного поглощения высокочастотной электромагнитной энергии в системе очистки от диоксида углерода, концентраторе диоксида углерода и адсорбере кислорода применяют адсорбенты, хорошо поглощающие высокочастотную энергию, например, цеолиты.For efficient absorption of high-frequency electromagnetic energy in the carbon dioxide removal system, carbon dioxide concentrator and oxygen adsorber, adsorbents are used that absorb high-frequency energy well, for example, zeolites.
В качестве аккумулятора и адсорбента водорода в одноименных блоках применяют интерметаллид на основе сплава LaNi5.As a battery and a hydrogen adsorbent in the blocks of the same name, an intermetallic compound based on the LaNi 5 alloy is used.
Предлагаемое техническое решение иллюстрирует фиг.1, на которой приведена блок-схема системы.The proposed technical solution is illustrated in figure 1, which shows a block diagram of a system.
Регенерационная система жизнеобеспечения экипажа космического аппарата состоит из: жилого отсека 1; системы 2 очистки атмосферы от вредных примесей; блока 3 переработки диоксида углерода и водорода; блока 4 электролитического разложения воды; аккумулятора водорода 5 с интерметаллидом; системы 6 регенерации твердых и жидких отходов жизнедеятельности экипажа; сборника питьевой воды 7; сборника метаболической воды 8; сборника отходов 9; системы очистки атмосферы от диоксида углерода и паров воды 10; концентратора диоксида углерода 11; адсорбера кислорода 12; дожигателя оксида углерода 13; адсорбера водорода 14 с интерметаллидом.The regenerative life support system for the crew of the spacecraft consists of: a living compartment 1; system 2 purification of the atmosphere from harmful impurities; block 3 processing carbon dioxide and hydrogen; block 4 electrolytic decomposition of water; hydrogen accumulator 5 with intermetallic acid; systems 6 of regeneration of solid and liquid wastes of the crew; a collection of drinking water 7; metabolic water collection 8; waste collection 9; systems for cleaning the atmosphere of carbon dioxide and water vapor 10; carbon dioxide concentrator 11; oxygen adsorber 12; carbon monoxide afterburner 13; hydrogen adsorber 14 with intermetallic acid.
Перечисленные узлы и блоки регенерационной системы жизнеобеспечения экипажа космического аппарата взаимосвязаны между собой следующим образом: жилой отсек 1 одним из выходов соединен со входом системы 2 очистки от вредных примесей, а другой выход из жилого отсека 1 соединен со входом системы 6 регенерации твердых и жидких отходов жизнедеятельности экипажа, при этом выход системы 2 очистки от вредных примесей соединен со входом системы 10 очистки атмосферы от диоксида углерода и паров воды, которая одним из выходов соединена со входом концентратора диоксида углерода 11; другой выход системы 10 очистки атмосферы от диоксида углерода и паров воды соединен с одним из входов в жилой отсек 1; третий выход системы 10 очистки атмосферы от диоксида углерода и паров воды соединен со вторым входом системы 6 регенерации твердых и жидких отходов жизнедеятельности экипажа так же как и третий выход концентратора диоксида углерода 11; при этом первый выход концентратора диоксида углерода 11 соединен со входом в жилой отсек 1, а второй выход - с одним из входов блока переработки диоксида углерода и водорода 3; блок электролитического разложения воды 4 первым выходом соединен со вторым входом жилого отсека 1, вторым выходом - со входом адсорбера кислорода 12, а третьим - со входом аккумулятора водорода 5; со своей стороны выход аккумулятора водорода 5 соединен со вторым входом блока переработки диоксида углерода и водорода 3; первый выход блока переработки диоксида углерода и водорода 3 соединен с первым входом дожигателя оксида углерода 13, а второй выход блока 3 со вторым входом в блок электролитического разложения воды 4; первый выход адсорбера кислорода 12 соединен со вторым входом в жилой отсек 1, а второй выход из адсорбера кислорода 12 соединен со вторым входом дожигателя оксида углерода 13, выход которого соединен со входом в адсорбер водорода 14, один из выходов которого в, свою очередь, соединен со вторым входом в аккумулятор водорода 5, другим выходом соединен со вторым входом системы очистки атмосферы от вредных примесей 2, а третьим - с оранжереей или забортным вакуумом; первый выход системы регенерации твердых и жидких отходов 6 соединен со сборником воды 7, второй выход системы 6 соединен со сборником воды метаболической 8, третий выход системы 6 соединен со сборником отходов 9; выход сборника воды 7 соединен с третьим входом в жилой отсек 1; выход сборника воды метаболической 8 соединен со вторым входом в блок электролитического разложения воды 4.The listed units and blocks of the spacecraft crew life support regeneration system are interconnected as follows: living compartment 1 is connected to the input of harmful impurity cleaning system 2 by one of the outputs, and the other exit from living space 1 is connected to the input of solid and liquid waste management system 6 crew, while the output of the system 2 for cleaning harmful impurities is connected to the input of the system 10 for cleaning the atmosphere from carbon dioxide and water vapor, which is connected to the input ntratora carbon dioxide 11; another output of the system 10 for cleaning the atmosphere of carbon dioxide and water vapor is connected to one of the entrances to the living compartment 1; the third output of the system 10 for cleaning the atmosphere of carbon dioxide and water vapor is connected to the second input of the solid and liquid waste management system 6 of the crew, as well as the third output of the carbon dioxide concentrator 11; wherein the first exit of the carbon dioxide concentrator 11 is connected to the entrance to the living compartment 1, and the second exit to one of the inputs of the carbon dioxide and hydrogen processing unit 3; the unit for electrolytic decomposition of water 4, the first output is connected to the second input of the living compartment 1, the second output to the input of the oxygen adsorber 12, and the third to the input of the hydrogen accumulator 5; for its part, the output of the hydrogen accumulator 5 is connected to the second input of the carbon dioxide and hydrogen 3 processing unit; the first output of the carbon dioxide and hydrogen processing unit 3 is connected to the first input of the carbon monoxide afterburner 13, and the second output of the unit 3 with the second input to the electrolytic decomposition unit of water 4; the first output of the oxygen adsorber 12 is connected to the second entrance to the living compartment 1, and the second output of the oxygen adsorber 12 is connected to the second input of the carbon monoxide burner 13, the output of which is connected to the entrance to the hydrogen adsorber 14, one of whose outputs, in turn, is connected with a second entrance to the hydrogen accumulator 5, another output connected to the second input of the system for cleaning the atmosphere from harmful impurities 2, and the third to a greenhouse or outboard vacuum; the first output of the solid and liquid waste recovery system 6 is connected to the water collector 7, the second output of the system 6 is connected to the metabolic water collector 8, the third output of the system 6 is connected to the waste collector 9; the outlet of the water collector 7 is connected to the third entrance to the living compartment 1; the output of the metabolic water collector 8 is connected to the second entrance to the electrolytic decomposition unit of water 4.
Регенерационная система жизнеобеспечения экипажа космического аппарата работает следующим образом: воздух с вредными примесями, диоксидом углерода и парами воды из жилого отсека 1 подают в систему 2 очистки от вредных примесей, после которой воздух с диоксидом углерода и парами воды направляют в систему 10 очистки от диоксида углерода и очищенным возвращают в жилой отсек 1; одновременно с этим непрерывно работающий блок 4 электролитического разложения воды выделяет кислород в жилой отсек и адсорбер кислорода 12, а водород - в аккумулятор 5 с интерметаллидом, где он накапливается при нормальных условиях в связанном состоянии; по мере поступления, в системе 6 регенерации твердых и жидких отходов происходит выделение воды, которая поступает как для питья через сборник воды 7 в жилой отсек 1, так и через сборник воды метаболической 8 в блок 4 электролитического разложения воды; время сорбции диоксида углерода, водорода и кислорода, а также количество адсорбентов выбирают экспериментальным путем с учетом их цикличной работы и количества членов экипажа.The regenerative life support system for the crew of the spacecraft operates as follows: air with harmful impurities, carbon dioxide and water vapor from the living compartment 1 is fed to the system 2 for cleaning harmful impurities, after which air with carbon dioxide and water vapor is sent to the carbon dioxide cleaning system 10 and cleaned return to the living compartment 1; at the same time, the continuously working unit 4 for electrolytic decomposition of water releases oxygen into the living compartment and oxygen adsorber 12, and hydrogen into the battery 5 with intermetallic compound, where it accumulates under normal conditions in a bound state; upon receipt, in the solid and liquid waste recovery system 6, water is released, which is supplied both for drinking through the water collector 7 to the living compartment 1, and through the metabolic water collector 8 to the electrolytic decomposition unit 4; the sorption time of carbon dioxide, hydrogen and oxygen, as well as the number of adsorbents are chosen experimentally, taking into account their cyclical work and the number of crew members.
Процесс концентрирования диоксида углерода происходит по следующей схеме: под действием нагрева высокочастотным электромагнитным полем из системы очистки от диоксида углерода 10 вначале удаляют воздух, который возвращают в жилой отсек 1, а затем создают повышенное давление диоксида углерода; после этого диоксид углерода из системы 10 стравливают в концентратор диоксида углерода 11; при этом выделившуюся при нагреве воду из системы очистки от диоксида углерода 10 направляют в систему регенерации твердых и жидких отходов 6; после десорбции диоксида углерода в системе очистки от диоксида углерода 10 получают пониженное давление, обеспечивающее в последующем сокращение времени сорбции диоксида углерода, а значит и цикла в целом.The process of concentration of carbon dioxide occurs according to the following scheme: under the influence of heating by a high-frequency electromagnetic field from the carbon dioxide purification system 10, air is first removed, which is returned to the living compartment 1, and then an increased pressure of carbon dioxide is created; then carbon dioxide from the system 10 is poured into a carbon dioxide concentrator 11; while the water released during heating from the carbon dioxide purification system 10 is sent to the solid and liquid waste recovery system 6; after desorption of carbon dioxide in the carbon dioxide purification system 10, a reduced pressure is obtained, which subsequently reduces the time of carbon dioxide sorption, and hence the cycle as a whole.
По окончании процесса концентрирования диоксида углерода, сорбции водорода и кислорода осуществляют процесс переработки диоксида углерода и водорода в следующей последовательности: в аккумуляторе водорода 5 электрическим нагревателем производят нагрев интерметаллида; затем в адсорбере кислорода 12 высокочастотной электромагнитной энергией осуществляют нагрев адсорбента кислорода; после этого высокочастотную электромагнитную энергию подводят к концентратору диоксида углерода 11 для его нагрева, из которого вначале удаляют возможное наличие воздуха и возвращают в жилой отсек 1; в результате нагрева в этих блоках создают повышенное давление.At the end of the process of concentration of carbon dioxide, sorption of hydrogen and oxygen, the process of processing carbon dioxide and hydrogen is carried out in the following sequence: in the hydrogen accumulator 5, an intermetallic is heated by an electric heater; then, in the oxygen adsorber 12, high-frequency electromagnetic energy is used to heat the oxygen adsorbent; after that, high-frequency electromagnetic energy is supplied to the carbon dioxide concentrator 11 for heating it, from which the possible presence of air is first removed and returned to the living compartment 1; as a result of heating in these blocks create increased pressure.
По окончании процессов нагрева диоксид углерода из концентратора 11 и водород из аккумулятора 5 в соотношении 1:2 соответственно стравливают с постоянным расходом в систему переработки диоксида углерода и водорода 3; величину давления в этих блоках выбирают экспериментальным путем для поддержания постоянной скорости смеси этих газов, обеспечивающей максимальную степень превращения диоксида углерода; переработку диоксида углерода и водорода осуществляют плазмохимическим методом с использованием безынерционного тлеющего или высокочастотного разряда, либо их комбинации; образовавшуюся в результате гидрирования диоксида углерода воду подают в электролизер 4 для разложения на кислород и водород; выделившуюся в результате нагрева концентратора диоксида углерода 11 воду направляют в систему регенерации твердых и жидких отходов 6.At the end of the heating processes, carbon dioxide from the concentrator 11 and hydrogen from the accumulator 5 in a ratio of 1: 2, respectively, are vented at a constant flow rate into the carbon dioxide and hydrogen 3 processing system; the pressure value in these blocks is chosen experimentally to maintain a constant speed of a mixture of these gases, providing the maximum degree of conversion of carbon dioxide; the processing of carbon dioxide and hydrogen is carried out by the plasma-chemical method using inertialess glow or high-frequency discharge, or a combination thereof; the water formed as a result of hydrogenation of carbon dioxide is supplied to the electrolyzer 4 for decomposition into oxygen and hydrogen; the water released as a result of heating the carbon dioxide concentrator 11 is sent to the solid and liquid waste recovery system 6.
После системы переработки диоксида углерода и водорода 3 смесь оксида углерода, непрореагировавший диоксид углерода и водород направляют в дожигатель оксида углерода 13, в который одновременно с этим из адсорбера кислорода 12 стравливают с определенной скоростью необходимый для окисления оксида углерода кислород; затем образовавшийся диоксид углерода и водород пропускают через адсорбер водорода 14 для поглощения из этой смеси газов водорода; далее непрореагировавший и образовавшийся в результате окисления оксида углерода диоксид углерода направляют в систему очистки атмосферы 2, в которой смешивают с поступающим из жилого отсека 1 воздухом; кроме этого диоксид углерода направляют, например, в оранжерею для питания растений или при необходимости - за борт космического аппарата, водород при этом из адсорбера 14 по окончании процесса переработки подают в аккумулятор водорода 5; после этого система не работает до начала следующего цикла переработки.After the system for processing carbon dioxide and hydrogen 3, a mixture of carbon monoxide, unreacted carbon dioxide and hydrogen is sent to a carbon monoxide burner 13, into which, at the same time, oxygen necessary for oxidizing carbon monoxide is vented from oxygen adsorber 12 at a certain rate; then the resulting carbon dioxide and hydrogen are passed through a hydrogen adsorber 14 to absorb hydrogen gases from this mixture; Further, unreacted and formed as a result of oxidation of carbon monoxide, carbon dioxide is sent to the atmosphere cleaning system 2, in which it is mixed with air coming from the living compartment 1; in addition, carbon dioxide is sent, for example, to the greenhouse for plant nutrition or, if necessary, overboard the spacecraft, while hydrogen from adsorber 14 is fed to the hydrogen accumulator 5 at the end of the processing process; after that, the system does not work until the start of the next processing cycle.
В перерывах между циклами высокочастотную электромагнитную энергию применяют, например, для обеззараживания и нагрева воды, а также нагрева рационов питания.In between cycles, high-frequency electromagnetic energy is used, for example, for disinfecting and heating water, as well as heating food rations.
Таким образом, предложенное расположение систем, узлов и блоков в предлагаемом техническом решении позволяет в максимальной степени использовать вещества, выделяемые в процесс жизнедеятельности экипажа космического аппарата, обеспечить тепловую безынерционность функционирования основных узлов и блоков системы, исключить образование в качестве продукта реакции трудноудаляемого углерода.Thus, the proposed arrangement of systems, nodes and blocks in the proposed technical solution allows to use to the maximum extent the substances released into the life process of the crew of the spacecraft, to ensure thermal inertia of the functioning of the main nodes and blocks of the system, and to exclude the formation of hard-to-remove carbon as a reaction product.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012122867/11A RU2500590C1 (en) | 2012-06-04 | 2012-06-04 | Spacecraft regenerative life support system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012122867/11A RU2500590C1 (en) | 2012-06-04 | 2012-06-04 | Spacecraft regenerative life support system |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2500590C1 true RU2500590C1 (en) | 2013-12-10 |
Family
ID=49710941
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012122867/11A RU2500590C1 (en) | 2012-06-04 | 2012-06-04 | Spacecraft regenerative life support system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2500590C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3670362A1 (en) * | 2018-12-21 | 2020-06-24 | Airbus Defence and Space | Closed environmental compartment to accommodate humans |
| RU2809171C1 (en) * | 2023-07-06 | 2023-12-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических проблем Российской академии наук (ГНЦ РФ - ИМБП РАН) | Carbon dioxide and hydrogen recycling system |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2097115C1 (en) * | 1995-07-28 | 1997-11-27 | Научно-производственное предприятие "Технолог" | System for removing carbon dioxide from air |
| US6142151A (en) * | 1999-04-16 | 2000-11-07 | United Technologies Corporation | Spool valve for switching air flows between two beds |
| RU2164429C1 (en) * | 2000-05-25 | 2001-03-27 | Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского | Process complex for air regeneration in sealed rooms of special objects |
| CN101036826A (en) * | 2006-03-14 | 2007-09-19 | 陶好训 | Air cleaning system in closed cabin and the control method |
-
2012
- 2012-06-04 RU RU2012122867/11A patent/RU2500590C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2097115C1 (en) * | 1995-07-28 | 1997-11-27 | Научно-производственное предприятие "Технолог" | System for removing carbon dioxide from air |
| US6142151A (en) * | 1999-04-16 | 2000-11-07 | United Technologies Corporation | Spool valve for switching air flows between two beds |
| RU2164429C1 (en) * | 2000-05-25 | 2001-03-27 | Военный инженерно-космический университет им. А.Ф. Можайского | Process complex for air regeneration in sealed rooms of special objects |
| CN101036826A (en) * | 2006-03-14 | 2007-09-19 | 陶好训 | Air cleaning system in closed cabin and the control method |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3670362A1 (en) * | 2018-12-21 | 2020-06-24 | Airbus Defence and Space | Closed environmental compartment to accommodate humans |
| RU2809171C1 (en) * | 2023-07-06 | 2023-12-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр Российской Федерации - Институт медико-биологических проблем Российской академии наук (ГНЦ РФ - ИМБП РАН) | Carbon dioxide and hydrogen recycling system |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3479950B1 (en) | Environmental purification circulation type water electrolysis device | |
| US10315936B2 (en) | Forward osmosis separation processes | |
| US8227127B2 (en) | Electrochemical apparatus to generate hydrogen and sequester carbon dioxide | |
| US20100263832A1 (en) | Thermochemical Energy Storage System | |
| RU2007137645A (en) | SYSTEMS AND METHODS USING A FUEL PROCESSOR WITHOUT MIXING | |
| WO2020233030A1 (en) | Device and method for synergistic recover of sulfur and hydrogen resources from hydrogen sulfide acid gas | |
| US20160310898A1 (en) | Advanced tritium system and advanced permeation system for separation of tritium from radioactive wastes | |
| KR20130101520A (en) | Osmotically driven membrane processes and systems and methods for draw solute recovery | |
| JP2004174369A (en) | Gas treatment method and system therefor | |
| JP7181367B2 (en) | A new tritium system and a new permeation system for separating tritium from radioactive waste | |
| RU2380144C1 (en) | Method of water purification from tritium by means of catalytic isotopic exchange between water and hydrogen | |
| RU2500590C1 (en) | Spacecraft regenerative life support system | |
| JP4501160B2 (en) | How to use ammonia | |
| JPH07316571A (en) | Energy recovery system | |
| RU2646607C1 (en) | Method and mobile device for disposing methane from non-controlled sources | |
| RU2809171C1 (en) | Carbon dioxide and hydrogen recycling system | |
| RU2182562C2 (en) | Method of producing biologically active potable water with reduced content of deuterium and device for production of said water | |
| RU98938U1 (en) | INSTALLATION FOR CONCENTRATION OF CARBON DIOXIDE REMOVED FROM THE ATMOSPHERE (OPTIONS) | |
| CN112037958A (en) | High-concentration tritium water treatment device | |
| CN216864347U (en) | Air regeneration's normal position resource utilization system | |
| JP2004174371A (en) | Method for treating gas and system therefor | |
| JP2017100090A (en) | Tritium separation system | |
| Ivey et al. | ECLSS Air Revitalization Technology Review 2022: Review of Current Published Units and their Fault Modes | |
| JP2004176622A (en) | Gas turbine power generation system | |
| Diamant | Technologies for ECLSS Evolution |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180605 |