熱循環試驗中結露的產生與預防

趙光平

(蘭州空間技術物理研究所，甘肅蘭州730000)

1 引言

熱循環試驗是指在常壓下進行試件溫度循環的試驗，主要目的是為了暴露產品中潛在的材料缺陷和制造質量缺陷，消除早期失效，提高產品可靠性。隨著航天器在軌壽命的提高，對航天器可靠性有了更高的要求，在航天器發射之前，需要對其產品進行溫度應力篩選，有利于檢測組件之間的熱接口和機械接口，驗證總裝后產品的硬件、相互連接的單元以及熱控系統的可靠性，暴露出通電條件下星上儀器的早期故障，提高航天產品可靠性。但是在熱循環試驗過程中，由于溫度變化大，試驗箱內或產品表面會出現結露現象，影響產品質量。

根據國軍標GJB1027A－2005中對熱循環試驗的規定，在非密封性系統試驗時，應采取措施避免在低溫時產品表面和內部產生結露。由此可見，熱循環試驗中的結露現象是非常普遍的，但在國軍標中并未提出具體預防措施或方法。在實際試驗中，因為沒有采取相應的措施，導致結露產生的水滴對試驗中產品造成了損壞。為了避免結露對試驗產品造成的損壞，需要了解結露產生的原因，采取正確的方法防止結露的產生。

2 結露產生的原因分析

根據熱力學原理［1］，當一定溫度的空氣中水蒸汽的分壓力pv達到該溫度下水蒸汽的飽和蒸汽分壓力pvb時，水蒸汽就會放出熱量凝結成水。結露條件可以表示為:

結露過程為一階相變過程，空氣中水蒸汽的飽和分壓力僅與溫度有關系，一定溫度下飽和水蒸汽分壓力pvb為固定值，所以在一定的空氣飽和溫度下，結露是否發生則取決于空氣中水蒸汽的分壓力pv，空氣中的水蒸汽含量越高，即pv越高，則式(1)越容易滿足，越容易結露。

同樣，當空氣中的水蒸汽含量不變，即水蒸汽的分壓力不變時，空氣的溫度逐漸降低達到該壓力水蒸汽的飽和溫度時，也會產生結露。該溫度為該壓力下空氣的露點T1，特別是當空氣與某一冷固體表面接觸時，若表面溫度為TW，則壁面結露的條件可以寫為:

由式(2)可知，影響TW和T1的因素均會影響結露的產生。當空氣本身沒有達到飽和，而與空氣接觸的物體、空隙部位、表面及內部冷卻到低于空氣的飽和溫度時，則界面附近空氣中所含的水蒸汽也會凝結成水而變成水滴，也出現了結露。即使接觸到比空氣飽和溫度低一點的物體，結露也會發生。因此，在溫度發生變化時，必須減少空氣中水蒸汽的含量，可有效防止結露發生。

3 結露的預防

通過分析結露產生的原因，結合實際工作中的結露問題，提出采用低露點氣體置換法，計算出氣體置換量，保證試驗箱內空氣被完全的置換;針對相對濕度較低的熱循環試驗箱，提出采用吸附式干燥法。

3.1 低露點氣體置換法

在進行熱循環試驗時，根據試驗要求有溫度急劇變化的情況。在這樣的過程中熱容量大的部位容易結露。假設某熱循環試驗箱進行溫度試驗，需要在20 min時間內使試驗箱內的溫度從70～－35℃變化，試驗箱的容積為1 m3。

當試驗箱內的溫度進行70～－35℃的變化，試驗箱內的空氣會重復發生膨脹與收縮的現象。

已知當地大氣壓p1=8.5×104Pa;T1=343 K;T2=238 K;V1=V2=1 m3。根據公式pV=RT得:

當V1=V2時，溫度從70～－35℃，如果沒有外界空氣的滲入，箱內的壓力將減小到5.9×104Pa。由于試驗箱不是完全密封的，因此就有外界空氣的滲入，使試驗箱內氣壓從5.9×104Pa增加到8.5×104Pa，進入試驗箱的空氣為0.31 m3。

進入試驗箱的空氣增加0.31 m3，箱內的水分也相應增加。由于溫度的下降，使試驗箱中處于0℃以下的蒸發器結霜。在－35℃的運行中，空氣中的大部分水分都在蒸發器上結了霜，箱內空氣的絕對濕度很小，也就是說箱內是干燥的。如果試驗箱從－35℃～70℃，已結成霜的水分就要溶解而變成水蒸汽。因此試驗箱內空氣中的絕對濕度就會上升。溫度急劇上升時，試樣與試驗箱的內部結構材料由于熱容量不能跟隨空氣溫度的上升而一起變化。由于試驗箱內空氣溫度及與試驗箱的內部結構溫差的加大，故容易產生結露。

因此，在防止試樣結露時，必須保證沒有外界空氣的滲入，須向試驗箱內置換低露點氣體。通常內容積為1 m3的熱循環試驗箱，在標準大氣壓下、0℃時，提供100 L/min［2］的低露點氣體。低露點的置換氣體可以選用低露點的空氣或干燥氮氣。這種方法需配制一套氮氣發生器或空氣壓縮機，其生產的氣量必須大于200 L/min。

3.2 吸附式干燥法

在工業上，常用的空氣干燥方法有化學法、凍結法和吸附法［3］。化學法干燥空氣是以固體苛性、苛性鉀、氯化鈣等能從空氣中有效地吸收水分的特性為基礎。在實際試驗過程中，由于這些化學吸收劑的化學特性，不適用于高低溫試驗中。

凍結法干燥空氣是通過制冷的方法，使空氣通過表面溫度低于被冷卻空氣的露點溫度，空氣在冷卻過程中有一部分水析出，從而達到干燥空氣的目的。凍結法干燥器具有流量大、結構簡單、除濕量大等優點，但其缺點是噪音大、壓力露點高等。

吸附法干燥空氣是利用具有吸濕性能的吸附劑來吸收空氣中的水分以達到干燥的目的，常用的吸附劑有硅膠、分子篩、活性氧化鋁。空氣的溫度對吸附劑的吸附能力有重大影響，溫度升高，吸附劑吸附容量減少，在相對濕度＜30%時，分子篩的吸水量比硅膠和活性氧化鋁都高，隨著相對濕度的下降，分子篩的優越性越顯著;但在相對濕度＞40%時最好用硅膠［4］。吸附劑的再生方法以往采用加熱再生，目前則用變壓吸附技術;此外還發展了微熱再生，用加熱設備提高逆向沖洗再生氣的溫度，然后去再生吸附劑，這樣可以延長工作周期，在同樣干燥度下，再生氣耗量可以降低。微熱再生方法綜合運用了變溫吸附和變壓吸附的長處，有明顯的優越性。吸附法干燥器具有壓力露點低、噪音小、體積小和節能等優點。

根據上述干燥方法的特點，在熱循環試驗箱中選用吸附式干燥器，由吸附式干燥器產生干燥的空氣送入循環箱內。這種方法簡便可行，可靠性高，且不會影響試驗箱原來的結構，只需定期更換吸附劑。

4 結論

熱循環試驗中結露現象是不可避免的，主要原因是空氣中水蒸汽含量大，在溫度巨變過程中導致結露。根據這個原因，在試驗中采用低露點氣體置換箱內的空氣或使用吸附式干燥器等方法降低試驗箱中水汽的含量，可有效預防結露發生。這兩種方法在熱循環試驗中已經進行實驗驗證，效果明顯、可靠性較高。

［1］沈維道，鄭佩芝，蔣淡安.工程熱力學［M］.高等教育出版社，1995.

［2］孫玉玉，王鳳車，刑征錦，等.溫、濕試驗中結露的產生與預防措施探討［J］.環境技術，2008，6:11－14.

［3］張祉佑，石秉三.低溫技術原理與裝置［M］.機械工業出版社，1981.

［4］劉仕技.干燥器在高低溫濕熱試驗箱中的應用［J］.電子質量，2003，12:36－37.