热循环试验中结露的产生与预防

2012-12-04赵光平

真空与低温 2012年4期

赵光平

(兰州空间技术物理研究所，甘肃兰州730000)

1 引言

热循环试验是指在常压下进行试件温度循环的试验，主要目的是为了暴露产品中潜在的材料缺陷和制造质量缺陷，消除早期失效，提高产品可靠性。随着航天器在轨寿命的提高，对航天器可靠性有了更高的要求，在航天器发射之前，需要对其产品进行温度应力筛选，有利于检测组件之间的热接口和机械接口，验证总装后产品的硬件、相互连接的单元以及热控系统的可靠性，暴露出通电条件下星上仪器的早期故障，提高航天产品可靠性。但是在热循环试验过程中，由于温度变化大，试验箱内或产品表面会出现结露现象，影响产品质量。

根据国军标GJB1027A－2005中对热循环试验的规定，在非密封性系统试验时，应采取措施避免在低温时产品表面和内部产生结露。由此可见，热循环试验中的结露现象是非常普遍的，但在国军标中并未提出具体预防措施或方法。在实际试验中，因为没有采取相应的措施，导致结露产生的水滴对试验中产品造成了损坏。为了避免结露对试验产品造成的损坏，需要了解结露产生的原因，采取正确的方法防止结露的产生。

2 结露产生的原因分析

根据热力学原理［1］，当一定温度的空气中水蒸汽的分压力pv达到该温度下水蒸汽的饱和蒸汽分压力pvb时，水蒸汽就会放出热量凝结成水。结露条件可以表示为:

结露过程为一阶相变过程，空气中水蒸汽的饱和分压力仅与温度有关系，一定温度下饱和水蒸汽分压力pvb为固定值，所以在一定的空气饱和温度下，结露是否发生则取决于空气中水蒸汽的分压力pv，空气中的水蒸汽含量越高，即pv越高，则式(1)越容易满足，越容易结露。

同样，当空气中的水蒸汽含量不变，即水蒸汽的分压力不变时，空气的温度逐渐降低达到该压力水蒸汽的饱和温度时，也会产生结露。该温度为该压力下空气的露点T1，特别是当空气与某一冷固体表面接触时，若表面温度为TW，则壁面结露的条件可以写为:

由式(2)可知，影响TW和T1的因素均会影响结露的产生。当空气本身没有达到饱和，而与空气接触的物体、空隙部位、表面及内部冷却到低于空气的饱和温度时，则界面附近空气中所含的水蒸汽也会凝结成水而变成水滴，也出现了结露。即使接触到比空气饱和温度低一点的物体，结露也会发生。因此，在温度发生变化时，必须减少空气中水蒸汽的含量，可有效防止结露发生。

3 结露的预防

通过分析结露产生的原因，结合实际工作中的结露问题，提出采用低露点气体置换法，计算出气体置换量，保证试验箱内空气被完全的置换;针对相对湿度较低的热循环试验箱，提出采用吸附式干燥法。

3.1 低露点气体置换法

在进行热循环试验时，根据试验要求有温度急剧变化的情况。在这样的过程中热容量大的部位容易结露。假设某热循环试验箱进行温度试验，需要在20 min时间内使试验箱内的温度从70～－35℃变化，试验箱的容积为1 m3。

当试验箱内的温度进行70～－35℃的变化，试验箱内的空气会重复发生膨胀与收缩的现象。

已知当地大气压p1=8.5×104Pa;T1=343 K;T2=238 K;V1=V2=1 m3。根据公式pV=RT得:

当V1=V2时，温度从70～－35℃，如果没有外界空气的渗入，箱内的压力将减小到5.9×104Pa。由于试验箱不是完全密封的，因此就有外界空气的渗入，使试验箱内气压从5.9×104Pa增加到8.5×104Pa，进入试验箱的空气为0.31 m3。

进入试验箱的空气增加0.31 m3，箱内的水分也相应增加。由于温度的下降，使试验箱中处于0℃以下的蒸发器结霜。在－35℃的运行中，空气中的大部分水分都在蒸发器上结了霜，箱内空气的绝对湿度很小，也就是说箱内是干燥的。如果试验箱从－35℃～70℃，已结成霜的水分就要溶解而变成水蒸汽。因此试验箱内空气中的绝对湿度就会上升。温度急剧上升时，试样与试验箱的内部结构材料由于热容量不能跟随空气温度的上升而一起变化。由于试验箱内空气温度及与试验箱的内部结构温差的加大，故容易产生结露。

因此，在防止试样结露时，必须保证没有外界空气的渗入，须向试验箱内置换低露点气体。通常内容积为1 m3的热循环试验箱，在标准大气压下、0℃时，提供100 L/min［2］的低露点气体。低露点的置换气体可以选用低露点的空气或干燥氮气。这种方法需配制一套氮气发生器或空气压缩机，其生产的气量必须大于200 L/min。

3.2 吸附式干燥法

在工业上，常用的空气干燥方法有化学法、冻结法和吸附法［3］。化学法干燥空气是以固体苛性、苛性钾、氯化钙等能从空气中有效地吸收水分的特性为基础。在实际试验过程中，由于这些化学吸收剂的化学特性，不适用于高低温试验中。

冻结法干燥空气是通过制冷的方法，使空气通过表面温度低于被冷却空气的露点温度，空气在冷却过程中有一部分水析出，从而达到干燥空气的目的。冻结法干燥器具有流量大、结构简单、除湿量大等优点，但其缺点是噪音大、压力露点高等。

吸附法干燥空气是利用具有吸湿性能的吸附剂来吸收空气中的水分以达到干燥的目的，常用的吸附剂有硅胶、分子筛、活性氧化铝。空气的温度对吸附剂的吸附能力有重大影响，温度升高，吸附剂吸附容量减少，在相对湿度＜30%时，分子筛的吸水量比硅胶和活性氧化铝都高，随着相对湿度的下降，分子筛的优越性越显著;但在相对湿度＞40%时最好用硅胶［4］。吸附剂的再生方法以往采用加热再生，目前则用变压吸附技术;此外还发展了微热再生，用加热设备提高逆向冲洗再生气的温度，然后去再生吸附剂，这样可以延长工作周期，在同样干燥度下，再生气耗量可以降低。微热再生方法综合运用了变温吸附和变压吸附的长处，有明显的优越性。吸附法干燥器具有压力露点低、噪音小、体积小和节能等优点。

根据上述干燥方法的特点，在热循环试验箱中选用吸附式干燥器，由吸附式干燥器产生干燥的空气送入循环箱内。这种方法简便可行，可靠性高，且不会影响试验箱原来的结构，只需定期更换吸附剂。