Спосіб дегазації рідини

Спосіб дегазації рідин відноситься до всіх галузей промисловості, що використовують в роботі дегазовані рідини, й може бути використаний в ракетній техніці для підготовки компонентів ракетних палив (КРП) при заправці паливних ракетних систем, переважно рушійних установок малої тяги (РУМТ) ракет-носіїв і космічних апаратів (КА). Необхідність дегазації КРП при заправці баків РУМТ і КА визначається потребою багаторазового запуску двигунів в умовах невагомості, коли наявність в КРП розчиненого газу може приводити до утворення газових міхурів, які викликають порушення нормальної роботи реактивних двигунів. Відомий спосіб дегазації рідин (МПК 7: В01Д 19/00 авт. св. СРСР № 793600, заявка 2632947 від 29.06.78 p.), котрий полягає в тому, що через шар рідини, що дегазується, барботують газ, ідентичний розчиненому за умови Ратм > Рдег > Рs , де Ратм - атмосферний тиск; Рдег - тиск дегазації; Ps - тиск насичених парів рідини. Даний спосіб знайшов широке застосування в ракетній техніці і добре досліджений. Основним недоліком цього способу є неможливість отримання низьких залишкових концентрацій газу в КРП, що ви ходить з відомого виразу Генрі для динамічної рівноваги розчиненого і вільного газу. C = (Pг + Нr)Х (1) де С - рівноважна концентрація газу в рідині; Рг - парціальний тиск газу у вільному об'ємі дегазатора; Н - висота шару рідини в дегазаторі; r - густина; Х - коефіцієнт пропорційності (коеф. Генрі); В аналогу вказується, що Рдег > Ps . Оскільки Рдег = Рг + Рs , то очевидне Рг > 0 . Крім того висота шар у рідини, що дегазується, в дегазаторі, як правило, перевищує 1 м ( Hmin ³ 1 м). Розрахунки показують, що при дегазації широко вживаного в ракетній техніці окислювача тетраоксид диазота (N2О4) в умовах H =1 м значення C min завжди перевищуватиме 0,02....0,03 г/л (залежно від величини Рг > 0 ), що підтверджується численними експериментами. У той же час в сучасних розробках РУМТ залишкова концентрація в КРП розчиненого газу не повинна перевищувати 0,01 г/л. З виразу (1) виходить, що вдосконалення відомого способу в частині підвищення глибини дегазації рідини повинне полягати в досягненні умов Рг = 0 , Н = 0 . Найближчим до пропонованого є спосіб дегазації рідин шляхом створення вакуум у в дегазаторі, подачі рідини, що дегазується, в газовий об'єм дегазатора з підігрівом рідини, що подається, в дегазаторі паром цієї рідини і з відведенням газу, що виділився, за межі дегазатора [див. кн. Труб И.А., Литвин О.П. Вакуумные дегазаторы. М. Энергия. 1967 г., стор. 25...34 – прототип]. Даний спосіб дегазації має переваги перед аналогом у тому, що в ньому забезпечуються необхідні умови глибокої дегазації рідини. Це досягається шляхом подачі рідини, що дегазується, в наперед відвакуумований газовий об'єм дегазатора (в його верхню, вільну від рідини частину), при цьому автоматично забезпечується одна з вказаних вище умов глибокої дегазації ( Н = 0 ), а одночасно підігрів рідини, що дегазується, в дегазаторі та вакуум ування дегазатора дозволяють забезпечувати повний тиск в дегазаторі P , близький до величини насичених парів рідини Ps . З виразу (1) ви ходить, що при H = 0 справедливий вираз (2) C = Рг × Х (2) Оскільки Рг = (Р - Рs ) де P - повний тиск в дегазаторі; Ps - тиск насичених парів рідини, то при P @ Ps , величина Рг @ 0 і, отже, величина залишкового газонасичення C може бути достатньо малою величиною. Експериментально була одержана для окислювача N2О4 величина C £ 0,004 г/л (тобто на порядок нижче, ніж в аналогу). Недоліком відомого способу є подача в дегазатор одночасно двох потоків однієї і тієї ж рідини, з яких один потік - це рідина, що дегазується, другий - випаровувана рідина, при цьому виникає необхідність заздалегідь очищати випаровувану рідину від розчиненого газу, що ускладнює устаткування, яке використовується, та погіршує експлуатаційні якості способу. В основу винаходу поставлена задача шляхом використовування ознак прототипу та генерації пару безпосередньо в дегазаторі, поліпшити експлуатаційні якості способу та спростити устатк ування, що використовується, за рахунок випаровування в дегазаторі вже дегазованої (очищеної від газу) рідини. Істотними ознаками пропонованого способу є: - подача рідини, що дегазується, в газовий об'єм дегазатора; - насичення парами рідини об'єму дегазатора, що дегазується, до початку дегазації рідини; - безперервне випаровування дегазованої рідини в дегазаторі із регулюванням температури випаровуваної рідини і повного тиску в дегазаторі. Суть пропонованого способу полягає в тому, що до початку дегазації заправляють в дегазатор рідину, що дегазується, в кількості, достатній для насичення парами рідини всього об'єму дегазатора, та випаровують в дегазаторі заправлену рідину при температурі кипіння рідини, потім продовжують подачу в дегазатор рідини, частину вже дегазованої рідини безперервно випаровують в процесі випаровування регулюють температуру випаровуваної рідини і повний тиск в дегазаторі. Сутність винаходу показано на схемі на прикладі дегазації окислювача N2О4 при його заправці в транспортнозаправний контейнер (ТЗК), що містить паливну місткість і зовнішній кожух, в якому розміщена паливна місткість (саме такі ТЗК використовуються в ракетній техніці для заправки компонентами палива РУМТ і КА). На схемі представлена пневмогідравлічна схема дегазації палива при заправці ПЗК в умовах стенду. На схемі зображено: 1 - паливна місткість ТЗК (дегазатор); 2 - кожух ТЗК; 3, 18 - температурні датчики; 4 - розпилювач палива; 5 дренажний трубопровід; 6, 8, 10, 11 -запірні елементи (вентилі); 7 - трубопровід подачі палива в місткість 1; 9 мановакууметр; 12 - джерело вакууму, наприклад, ежектор; 13 - заправна стендова місткість з компонентом палива; 14 - трубопровід місткості, що видає, 13; 15 - джерело тиску для наддуву місткості 13; 16 - вага; 17заправний трубопровід із запірним елементом; 19 - випаровуваний об'єм палива в місткості 1; 20 - джерело гарячого повітря (тепловентилятор). Пропонований спосіб дегазації КРП може бути проілюстрований наступною технологією робіт щодо дегазації окислювача тетраоксид диазота N2О4. На місткості 1 відкривають вентилі 6, 8, на стенді відкривають вентиль 11. Контролюють тиск в місткості 1 по мановакууметру 9. Тиск повинен бути рівний атмосферному. На вагах 16 установлюють вагу окислювача, рівну G P× V G=K× , R×T де G - вага окислювача, необхідна для заповнення насиченими парами всього об'єму паливної місткості 1; P - тиск у місткості, рівний атмосферному; V - геометричний об'єм паливної місткості 1; R - газова постійна парів окислювача; T - температура кипіння окислювача при атмосферному тиску; K - коефіцієнт запасу, рівний 1,1-1,2. Наприклад, для V =120 л, P =1,0 кгс/см 2, R =9,2 кгм/кг, °KT =294,3°К величина G =0,53 кг. Заправляють в місткість 1 з місткості 13 окислювач в кількості 0,53 кг за показаннями вагів 16, після чого закривають вентиль 8. Включають тепловентилятор 20 і подають всередину кожуха 2 гаряче повітря з температурою ( T =+40...50°К) (можливі й інші відомі способи нагріву КРП в місткості, наприклад, з використанням теплообмінників, розміщуваних усередині місткості 1). Безперервно контролюють температуру по датчику 18. Спостерігають підвищення температури до величини кипіння окислювача ( T ) і потім стабілізацію температури (процес кипіння) й зростання температури (цей момент відповідає повному википанню окислювача в місткості та заповненню парами всього об'єму дегазатора (місткості 1), при цьому газ, що заповнив спочатку об'єм місткості повністю витісняється в дренаж. Установлюють на вагах 16 задану дозу окислювача, закривають вентиль 11 відкривають вентиль 8 і подають в місткість 1 окислювач із стендової місткості 13 видавлюванням його подачею газу від джерела тиску 15. Окислювач по тр убопроводу 14 поступає в місткість 1 (дегазатор) через розпилювач 4 і розпилюється там у вигляді крапель палива в атмосфері насичених парів палива. Оскільки у цей момент в дегазаторі повністю відсутній газ, рідина дегазується також ефективно, так якби рідина вприскувалася в абсолютний вакуум. Дегазована рідина поступає на дно дегазатора й частково випаровується за рахунок тепла, що підводиться від джерела 20. Пари рідини, в яких повністю відсутній газ, інтенсивно підіймаються у верхню частину місткості й підігрівають краплі рідини, що знов поступають, через розпилювач 4. Газ, що міститься в краплях палива, що дегазується, інтенсивно виділяється в оточуючий паровий простір за рахунок концентрованого напору C0 - C ¥ , h де C 0 - початкова концентрація газу в паливі, що дегазується (всередині краплі); C¥ - концентрація газу на зовнішній поверхні краплі дорівнює заданій величині, залишкової концентрації газу в окислювачі ( Cr ); h - товщина дифузійного шару, в якому відбувається зміна концентрації газу від величини C 0 до C¥ ( Cr ). Величина Cг визначається згідно виразу (2) величиною парціального тиску газу Рг у просторі, що оточує краплю палива, що дегазується. З виразу (2) ви ходить, що Сг = С r / Х (3) Оскільки повний тиск в дегазаторі дорівнює сумі парціальних тисків насичених парів окислювача при температурі палива, що дегазується, в місткості 1 (Ps ) та парціального тиску газу ( Рг ), в процесі дегазації необхідно забезпечувати в місткості 1 задану величину повного тиску Р , котру вимірюють по мановакууметру 9. Р = Рг + Рs (4) Для цього в процесі дегазації безперервно контролюють температуру ( t ) в газовому об'ємі дегазатора по датчику 3, температуру дегазованого окислювача, що нагрівається, по датчику 18 і повний тиск по мановакууметру 9. Так як величина Ps є однозначною функцією температури рідини ( Ps = f (t ) ), а величина Рг визначається з виразу 3, то задана (що вимагається) величина Р легко визначається й може коректуватися за наслідками вимірювань в процесі дегазації. За рахунок газу, що виділяється з окислювача, що дегазується, контрольована величина тиску постійно прагнутиме перевищува ти задану величину, P яка визначається з виразу (4). У випадку, якщо задане значення P ³ 1 атм, періодично відкривають вентиль 11 і дренують тиск в дренаж до величини P = Ps , якщо задане значення P