艙外航天服除濕裝置除濕及再生特性

張 震,楊潤澤,卞 強,臧華兵,梁志偉,李廣利,尚文錦

(1.中國航天員科研訓練中心,北京 100094; 2.人因工程全國重點實驗室(中國航天員科研訓練中心),北京 100094)

艙外航天服是出艙活動必備的個人防護裝備,為滿足空間環境使用要求,艙外航天服為航天員出艙活動提供安全有效的環境防護、密閉環境的環境控制和生命保障、出艙作業所需的操作工效保障[1]。其中,環境控制與生命保障系統簡稱環控生保系統,主要由供氣調壓系統、通風凈化系統、溫濕度控制系統、測量與供配電系統以及乘員保障系統組成,該系統主要用于維持航天服里規定的壓力,供給航天員呼吸用的氧氣,通風散熱和除濕,向液冷服提供循環水,清除人體排出的廢氣[2-3]。

作為艙外航天服環控生保系統的關鍵技術,艙外航天服內部環境參數的測量,既能完成航天服環控生保系統工作狀態的監測,也是評價航天員安全環境的重要依據[4]。特別是航天服內部的CO2分壓傳感器直接涉及航天員的生命安全,其測量靈敏度、響應時間、使用壽命等指標受氣體中的濕度影響較為明顯。因此,需要在氣體進入CO2分壓傳感器前進行干燥除濕處理,以保證CO2分壓傳感器能夠精確檢測航天服內CO2分壓,保障航天員安全。

除濕裝置作為航天服環控生保系統的產品,采用雙通道并聯式結構,每個除濕通道內裝填一定量的干燥劑,能夠去除濕氣對CO2分壓傳感器測量精度的影響,保障航天員安全。為研究分析除濕裝置的除濕以及再生特性,本文對比研究了常用幾種干燥劑的除濕性能,基于綜合分析選用變色硅膠作為除濕裝置裝填的干燥劑;同時開展了除濕裝置使用模式對比研究,從而獲得除濕性能、再生性能及使用模式最佳的除濕裝置,提高了CO2分壓傳感器的測量精度。

1 試驗試劑、裝置和方法

1.1 試驗試劑及儀器

本文選擇常用的CaCl2以及硅膠作為除濕裝置的干燥劑進行試驗對比分析,由于普通CaCl2為大顆粒的晶體,無法滿足裝填要求。因此,本文對其進行了物理處理,即搗碎后采用標準篩網篩分出一定大小的CaCl2顆粒進行裝填。同時,由于硅膠內部具有網狀結構并存在許多空隙,空隙的毛細管孔徑不同,因此硅膠的吸附性能力也各有不同[5]。本文采用細孔硅膠和變色硅膠分別進行裝填,從而對比分析不同干燥劑的除濕性能。

本文采用維薩拉HMI36A型號溫濕度測試儀測試除濕裝置進出口氣體的絕對濕度,采用Alicat型號為MC-200SCCM-D的氣體質量流量控制器控制除濕裝置除濕試驗中的氣瓶供氣流量,采用Alicat型號為KM0212的氣體質量流量控制器控制除濕裝置再生實驗中的氣瓶供氣流量。

1.2 試驗裝置及方法

1.2.1 除濕裝置除濕性能實驗

試驗裝置如圖1所示,實驗時將混氣瓶放置于恒溫水浴中,水浴溫度設定為26 ℃。氧氣氣瓶供氣流量設定為150 mL/min±10 mL/min,調整調節閥使得混氣瓶中的氣體絕對濕度控制在16.0 g/kg±0.2 g/kg,采用溫濕度計測量除濕裝置吸濕通道出口的絕對濕度。

圖1 除濕裝置除濕性能試驗原理Fig.1 Schematic of dehumidification performance test for dehumidifier

CaCl2和變色硅膠的對比實驗中,待除濕裝置單個通道吸濕8 h后停止該通道吸濕,同樣方法測試另一個通道的除濕性能,試驗結束后觀察除濕裝置出口絕對濕度變化以及通道內干燥劑的狀態。

硅膠吸濕性能對比實驗中,待除濕裝置出口絕對濕度達到9.9 g/kg時停止除濕裝置除濕實驗。

1.2.2 除濕裝置使用模式對比實驗

1)按照圖1所示裝置開展除濕裝置除濕實驗,其中氧氣氣瓶供氣流量設定為150 mL/min±10 mL/min,調整調節閥使得混氣瓶中的氣體絕對濕度控制在16.0 g/kg±0.2 g/kg,采用溫濕度計測量除濕裝置吸濕通道出口的絕對濕度。

2)除濕裝置正常使用模式。除濕裝置每個通道連續吸濕10 h,整個試驗過程中除濕裝置的出口絕對濕度應低于9.9 g/kg。除濕試驗完成后按照圖2所示進行除濕裝置再生實驗,其中實驗時將氧氣氣瓶供氣流量設定為300 mL/min±10 mL/min,連續吹掃5.5 h。干燥劑吹掃再生時除濕裝置的兩個通道串聯連接(其中,除濕裝置第1次吸濕后再生時通道1出口連接通道2入口,除濕裝置第2次吸濕后再生時通道2出口連接通道1入口)。

圖2 除濕裝置再生試驗原理Fig.2 Schematic of regenerative test for dehumidifier

3)除濕裝置間斷使用模式。除濕裝置每個通道連續吸濕5 h后停止試驗,間隔3 h后繼續對每個通道進行5 h的除濕試驗。兩個通道均完成上述試驗后進行除濕裝置再生,再生方法保持不變。

2 結果與討論

2.1 干燥劑選型分析

2.1.1 CaCl2和變色硅膠的對比分析

在整個試驗過程中,裝填CaCl2的除濕裝置出口絕對濕度一直保持在0.7 g/kg以下;裝填變色硅膠的除濕裝置出口露點一直保持在1.2 g/kg以下,兩種干燥劑都能夠去除進入除濕裝置氣體中的水氣。硅膠的吸水量一般只有10%～20%,而且吸附速率慢,CaCl2對水的吸附量達到50%～60%[6],因此,相同試驗條件下CaCl2顆粒的除濕效果優于變色硅膠顆粒。但是,CaCl2顆粒在使用過程中容易出現膨脹結塊、傳質阻力增大等問題[7-8]。試驗結束后對除濕裝置進行拆解發現,吸濕后除濕裝置中的CaCl2干燥劑出現了坍塌短路的現象,局部CaCl2吸濕過量出現流淌現象,導致除濕裝置的通道堵塞。此外,由于除濕裝置在上行過程中會經受一定量級的振動、沖擊等環境考核,因此,CaCl2顆粒在上行過程中必然會相互摩擦,產生一定量粉塵黏附在除濕裝置出口過濾層上,從而會出現上述坍塌短路甚至是流淌的現象,導致除濕裝置流阻異常增大。

相比而言,變色硅膠為較規則的球形顆粒,物理性能較好,上行過程中不易磨損和出粉。因此,試驗結束后對除濕裝置進行拆解發現,吸濕后的硅膠除顏色發生變化外,其他物理性能未發生明顯變化。為進一步考核硅膠過量吸濕后的物理性能變化情況,對硅膠進行了浸泡試驗,將從試驗完成后拆解出的變色硅膠放入燒杯,用純凈水浸泡48 h后,硅膠顏色進一步變淺,其他物理性能未發生明顯變化,證明硅膠在過量吸濕后,不會坍塌,不會流淌甚至堵塞通道。從而說明在滿足除濕性能的前提下,硅膠的綜合性能相對較好,適用于除濕裝置的裝填。

2.1.2 變色硅膠和細孔硅膠的對比分析

由于硅膠的物理性能較好,除濕裝置使用過程中能夠避免出現坍塌短路或者流淌的現象,因此,本文進一步對比了變色硅膠和細孔硅膠的連續除濕性能,從而得到滿足除濕裝置出口濕度要求(絕對濕度不高于9.9 g/kg)前提下連續除濕時間更長的硅膠干燥劑類型。

圖3所示為裝填變色硅膠和細孔硅膠的除濕裝置出口絕對濕度隨時間的變化規律。由圖3可知,隨著時間的增加,無論是變色硅膠還是細孔硅膠,裝填后的除濕裝置出口絕對濕度先減小后增大。初始狀態的硅膠干燥劑借助其表面的多孔結構,除濕效果最佳,在入口氣體恒定濕度前提下除濕裝置出口的絕對濕度會有所減小。隨著時間的增加以及硅膠除濕過程的進行,硅膠吸濕量逐漸趨于穩定,從而達到吸濕平衡過程[9],此時除濕裝置出口絕對濕度變化曲線會逐漸趨于平穩,但是隨著入口氣體的繼續通入,硅膠除濕能力降低,進而導致除濕裝置出口絕對濕度逐漸增大直至試驗結束。

圖3 除濕裝置出口絕對濕度變化曲線Fig.3 Variation curve of outlet absolute humidity for dehumidifier

此外,在相同入口氣體流量以及入口濕度前提下,除濕裝置連續除濕性能實驗結束時(出口絕對濕度達到9.9 g/kg),變色硅膠的連續除濕時間為32 h,而細孔硅膠的連續除濕時間為23 h,這說明連續除濕過程中變色硅膠的除濕持續時間更長。產生上述現象的主要原因是:在一定濕度條件下,細孔硅膠的吸濕能力略優于變色硅膠,因而在除濕過程中相同時間內細孔硅膠吸濕量較大,吸濕速率較快,更容易達到吸濕平衡狀態,因此,相比于變色硅膠,裝填細孔硅膠的除濕裝置出口的絕對濕度到達規定數值的時間快,連續除濕時間短。

2.2 正常模式和間斷模式對比研究

硅膠在使用過程中因吸附了介質中的水氣致使其吸附能力下降,可通過再生后重復使用。硅膠的脫水再生,比較傳統的采用烘箱烘烤式熱力烘干方法、微波加熱再生方法[10-11]、超聲波再生方法[12-13]、電滲再生[14-15]等,但是都存在功耗要求等問題。由于航天員每次出艙結束后服裝內的氧瓶均會剩余部分氧氣,考慮到除濕裝置吸濕后裝置內硅膠的含濕量較高,而氧瓶中的剩余氧氣(露點低于-50 ℃)較為干燥,因此可以借助干燥氧氣和吸濕后硅膠之間存在的含濕量梯度差,在干燥氧氣吹掃硅膠過程中將硅膠中的部分水分脫出揮發到氧氣中實現硅膠的部分干燥再生。為適應艙外航天服的使用模式、出艙時間要求,同時延長除濕裝置在艙外航天服中的使用次數,本文提出了除濕裝置單次出艙完成除濕性能后使用艙外航天服氧瓶剩余氧氣進行硅膠吹掃再生的方法,較上述傳統的硅膠再生方法,該方法具有再生方式簡單、無功耗要求等特點。圖4所示為正常模式(除濕過程為連續10 h除濕)下除濕裝置兩個通道的出口絕對濕度隨時間的變化規律。試驗結果表明,通過干燥純氧吹掃方式能夠脫除除濕裝置中的部分濕氣實現硅膠的部分再生,并且通過上述再生方式能夠滿足除濕裝置除濕3次,從而滿足艙外航天服多次出艙使用的需求。

圖4 正常模式下除濕性能曲線(連續除濕10 h)Fig.4 Dehumidification performance curve in normal mode (continuous dehumidification for 10 h)

此外,本文針對間斷除濕的時間間隔對除濕裝置使用次數及出口濕度影響進行了試驗研究。由于除濕裝置的兩個通道3次除濕過程中出口絕對濕度隨時間的變化規律基本一致,因此,本文選取了除濕裝置其中一個通道(通道1)的出口絕對濕度變化規律開展了正常模式除濕性能與間斷模式(除濕過程為連續5 h除濕,間隔3 h后繼續連續5 h除濕)除濕性能對比分析,試驗對比結果如圖5所示。

由圖5可知,無論是正常模式還是間斷模式,第1次除濕時硅膠的除濕效果均較好,除濕裝置第1次除濕時的出口絕對濕度相對較低。隨著除濕時間的增加,硅膠中的含水量有所增加,吸水能力相對減弱,第2次和第3次除濕試驗時的出口絕對濕度會明顯增大。相對正常模式除濕試驗,間斷模式第1次除濕時前5 h的出口絕對濕度變化規律與正常模式基本一致,出口絕對濕度均會隨著時間的增加而有所減小,并且兩條曲線基本重合,但是除濕過程經過3 h的暫停后,間斷模式的出口絕對濕度隨著除濕時間的增加而有所增大,并且均高于正常模式下的出口絕對濕度,這說明除濕裝置的除濕過程經過間斷后會對除濕裝置的除濕性能產生明顯的影響。產生上述現象的主要原因是:無論是正常模式還是間斷模式下,前5 h的除濕過程中除濕裝置通道中靠近入口端的硅膠起主要的除濕作用,因而靠近入口端的硅膠含水量比較高。經過3 h的實驗暫停后,由于通道內入口端至出口端硅膠含水量分布的不均衡,整個通道內會出現部分水氣從通道入口端硅膠向出口端硅膠遷移,進行通道內硅膠含水量的重新分配現象。間隔3 h繼續進行5 h的除濕試驗時,除濕裝置入口通入氣體的含濕量與通道內各區域硅膠的含濕量梯度差相對較小(正常模式下通入氣體的含濕量與通道內中間及出口端硅膠含濕量梯度差較大),因此間斷模式下硅膠的吸濕量會有所減少,除濕裝置出口絕對濕度會有所增大。

此外,圖5還表明,由于氧氣吹掃再生原因,正常模式下干燥再生時通道內硅膠中的水氣也會發生遷移和硅膠含水量再分配現象,第2次和第3次除濕試驗時,除濕裝置中的各區域硅膠基本達到吸濕平衡狀態,因而除濕裝置出口絕對濕度變化曲線會逐漸趨于平穩。對于間斷模式而言,由于吸濕間斷原因導致通道內硅膠含水量的重新分配,但是第1次干燥再生時,干燥氧氣由通道入口端吹向出口端,導致入口端硅膠中的部分濕氣會進一步遷移至出口端硅膠,出口端硅膠含濕量明顯高于入口端硅膠,使得第2次除濕試驗時出口端硅膠中的部分濕氣會從硅膠中脫出,除濕裝置出口絕對濕度會逐漸增大,直到第3次除濕試驗時除濕裝置中的硅膠吸濕過程基本達到了平衡狀態,此時除濕裝置出口絕對濕度逐漸趨于穩定。

3 結 論

1)與CaCl2相比,硅膠干燥劑物理性能較穩定,上行過程中不易磨損和出粉;并且在過量吸濕后,不會出現坍塌、流淌甚至堵塞通道的現象,硅膠更適用于除濕裝置。

2)與細孔硅膠相比,在相同入口氣體流量和濕度以及相同出口濕度限制條件下,連續除濕過程中變色硅膠的除濕持續時間更長,更適用于除濕裝置。

3)氧瓶剩余氧氣吹掃能夠進行除濕裝置中硅膠的部分再生,并且通過上述再生方式能夠滿足除濕裝置除濕3次,從而滿足艙外航天服多次出艙使用的需求。

4)除濕裝置的除濕過程經過間斷后會引起除濕裝置內硅膠含水量的再分配,弱化除濕裝置的多次除濕性能,正常使用模式綜合效果優于間斷使用模式。