载人航天器冷凝干燥器降温除湿热分析

干燥器调节舱内气体温度与湿度的方法，以及在实际使用中存在的问与解决方法，为今后冷凝干燥器的改进设计提供了依据。
1前言冷凝干燥器是载人航天器气密舱内控制舱内气体温度与湿度的重要设备。无论是飞船空间实验室空间站还是航天飞机的热控系统的冷却回路里均设置有冷凝干燥器，用来调节舱内气体的温度与湿度。国际上载人航天器的飞行实践证明，采用冷凝干燥器控制舱内气体的温度与湿度均取得了良好的效果，满足了气密舱内气体温度与湿度的要求。冷凝干燥器控制舱内气体温度与湿度采用的是热量吸收降温传递和排除的方法。这种方法把舱内气体的温度控制与湿度控制结合为体，冷凝干燥器以舱内气体温度为主要控制对象，在控制温度的同时，实现了舱内气体的湿度控制。需要指出的是，载人航天器的外面均进行了隔热设计，通常是在气密舱整个外面包扎多层隔热材料，使舱体外面向空间凝干燥器迁移至液体冷却回路。但是，由于飞行任务与舱外面散热量较大的情况下，舱内气体温度会偏低，并接近要求的下限，致使允许冷凝干燥器迁移使用中，不考虑舱内气体温度偏低的实际情况，而把舱内气体的湿度作为主要控制对象，仍试利用冷凝干燥器降温除湿来实现舱内气体湿度的控制，其结果是既不能实现湿度控制，又使温度超出了要求行的热分析，来说明在冷凝干燥器设计与实际使用过程中应该重点分析和注意的问。
2冷凝干燥器热分析2.1冷凝干燥器降温除湿原理冷凝干燥器实际上是种气液换热器，换热器流过载有热负荷与湿气的热气体。冷凝干燥器工作时，冷凝风机把气密舱内载有热负荷与湿气的气体，吸进冷凝干燥器内，气体流过低温液体壁面时，与低温液体壁面换热，热气体把热量传递给冷却工质，气体温度降低，达到排除舱内热气体热量的目的。与此同时，由于热气体里湿气的热换面温度低于露点温度而被凝结。在换热面凝结的水被吸水材料吸收并贮存起来，达到除湿的目的。1了冷凝干燥器2.2换热计算公式根据1的冷凝干燥器的工作原理可以分析冷凝干燥器工作时的能量平衡，并进行换热计算。
热湿气体流过冷凝干燥器让低温流体工质带走热湿气体进入冷凝干燥器的焓；1热湿气体流出冷凝干燥器的焓，热湿气体进入冷凝干燥器的含湿量，2热湿气体流出冷凝干燥器的含湿量；热湿气体的总焓由气体与蒸汽的焓组成h=Cp，1气体的定压比热；1热湿气体的温度，气体的含湿量；0蒸汽的焓；蒸汽的定压比热。
将式⑵代入式⑴得到流进冷凝干燥器气体的温度，流进冷凝千燥器气体的含湿量；Cp流进冷凝干燥器蒸汽的定压比热；82流出冷凝干燥器气体的定压比热；12流出冷凝干燥器气体的温度；02流出冷凝干燥器气体的含湿量；流出冷凝干燥器蒸汽的定压比热。
由于与12相差不大，可以认为。口=9=，8工01=2计时是已知值，由式4就可求出冷凝千燥器带走的热量。在实际应用过程中，可以通过测量温度参数，再应用式4来计算冷凝干燥器实际迁移的热量或除湿量。
计算热湿气体流过冷凝干燥器让低温液体工质带走的热量，也可以应用气体对流换热公式来计算气体对流换热面积；18热湿气体的平均温度；低温流体工质的平均温度。
算得出，它也常被用来分析问和设计计算。
冷凝干燥器让低温流体工质带走的热量，也常利用液体工质载热量的变化进行计算液体工质的平均比热；流进冷凝干燥器液体工质的温度；流出冷凝干燥器液体工质的温度量值。在实际使用中应用式6就能比较容易地计算出冷凝干燥器传给低温液体工质的热量。
分析计算。
2.3冷凝干燥器热设计冷凝干燥器是按大热负荷来设计的。大热负荷是已知值，在应用式5进行设计计算时，是已知值，通常取9.在选定风机后，就可确定流过冷凝干燥器的大风量，并可计算或测定出流经冷凝干燥器的风速，而求出雷诺数此，再由实验公式求出气体对流换热系数。后，按照式5就可求出冷凝干燥器所需的换热面积，进行冷凝干燥器结构设计。
3冷凝干燥器控温方法热分析3.1气体温度理论调节方法对气密舱内气体温度控制而言，其调节过程为在大热负荷时，冷凝干燥器风机风门的开度接近大，能把舱内气体携带的热量传给液体冷却工质，使舱内气体温度不超过允许的上限值25；在低热负荷时，流过冷凝干燥器的热气体可以通过风机风门的开度调节部分旁路，使这部分旁路的气体不经过冷凝干燥器散热降温，直接回到舱内，而经过冷凝干燥器散热降温后的气体，与直接回到舱内的气体混合后，仍能维持舱内气体的温度在允许的下限值17之上。采用风门开度调节旁路气体流量，其早期的设计是由航天员根据对温度感受的舒适程度，由手动调节来完成；现时的设计均已改为自动调节，使舱内气体的温度保持在适合航天员生活的范围内。
3.2气体温度实际调节方法冷凝干燥器的设计，有时与实际使用条件相差甚大。例如，在冷凝干燥器设计时，为了保证舱内气体的散热，过于保守地把需要冷凝干燥器迁移走的气体的大热负荷取值过大，把冷凝干燥器大热负荷取为舱内的大热负荷，而实际冷的大热负荷只有设计值的几分之。因为气密舱舱壁的外面要直接向空间散热，舱内高功率和高功率密度大证其要求的温度范围。另外，由于舱内热负荷常常变化不大，为保持合适的舱内气体温度，冷凝干燥器风机风门的开度需要保持定值不变，才能使舱内气体保持定的温度水平，即保持在要求的下限温度值之上；如果冷凝干燥器风机风门的开度大到定值，流过冷凝干燥器的气体流量增加，液体工质带走温度水平上，此温度有可能超出允许的低限值；如果冷凝干燥器风机风门的开度小到定值，或者全部关闭，那么舱内气体的温度将稳定在要求的下限温度水平之上，即可改善和提高气体的温度。但是，由于冷凝干燥器风机风门的开度小或关闭，将使冷凝干燥器降低除湿能力或丧失除湿能力，因此对始终在低热负荷运行下的冷凝干燥器，其风门的开度只能维持在较小的定值水平上例如，既不能开大，也不能关小，才能使舱内气体的温度保持在要求的指标下限值17弋之上，并具有定的除湿能力。然而，这将无法实现原先设计的通过冷凝干燥器风机风门的开度来调节舱内气体温度的主动控温的目的，冷凝干燥器也成为与冷板液液换热器样冷凝干燥器始终在低热负荷下运行时，实际调节舱内气体温度的方法是种被动控温方法。舱内总发热量通过舱外壁直接向空间散热与通过冷凝干燥器和冷板把热量传给液体工质带走。总发热量与这种散热方式的平衡，决定了舱内气体的温度水平。在这种散热方式中，冷凝干燥器风机的风门开度例如10不能改变，冷板换热不变，唯能改变的就是舱外壁向空间的直接散热，也就是通过改变舱外壁面热控涂层的热辐射特性，升高舱外壁面的温度来提高舱内的温度使其满足指标要求。
旦舱外壁面热控涂层确定之后，气密舱在轨运行时的气体温度水平就确定了。因此，实际调节舱内气体温度的方法是在设计时采用的方法。载人航天器在轨飞行时，其舱内气体温度由设计保证在要求的范围内，并不能进行调节。
4冷凝干燥器控湿方法热分析4.1气体相对湿度理论调节方法调节舱内气体的湿度没有另外的专门设备。正确的冷凝干燥器设计，能保证其在完成舱内气体温度调节的同时，也能完成舱内气体相对湿度的调节，满足舱内气体相对湿度职=3070的指标要求。
4.1.1低相对湿度1=30指标的控制方法舱内气体相对湿度的下限指标是1=30.
那么，载人航天器在轨飞行时其舱内气体的相对湿度是否会下降至职30.根据前面说明的冷凝干燥器的设计参数，载人航天器在轨飞行中决不会出现舱内气体相对湿度130的情况。在舱内气体温度高时，才会出现相对湿度低的情况。出于安全与保守的考虑，现以舱内气体温度上限值25当舱内气体的温度保持在25丈时，相对湿度1=30，其气体露点温度为6.5弋，这时低温液体工质的平均温度为9，高于露点温度，因此在热湿气体流过冷凝干燥器时，就不会出现结露现象，只能降低气体的温度。随着航天员不断地排出湿气，舱内又无结露现象，致使舱内气体的相对湿度增加，相应9时，热湿气体流过冷凝干燥器，才会出现结露现象。此时，冷凝干燥器才具有除湿能力。冷凝干燥器的除湿能力可由式4计算得出，也可通过试验实际测量。
根据现有的冷凝干燥器的设计参数，舱内允许册=37时，其露点温度才能达到9，此时冷凝干燥器才开始除湿。也就是说，现有冷凝干燥器的设计不会使舱内气体的相对湿度出现职30的情况。当舱内气体的温度为25丈在轨飞行的低相对湿度达到犯1=37时，才具有除湿能力。4.2在轨相对湿度RH70的理论调节方法当舱内气体的温度接近下限值17时，会出现舱内相对湿度高的情况。因此，在冷凝干燥器设计时，应根据气体温度的下限指标17和允许的舱内相对湿度的上限指标肋=70应用式4，经热分析提出冷凝干燥器的小热负荷，并确定流过冷凝干燥器的小气体流量即风机风门小开度。例如，设计的冷凝干燥器小的热负荷为150，相应冷凝干燥器风机风门的小开度为10，此时仍能保持舱内气体的温度高于171.当舱内气体的相对湿度达到RH凝干燥器仍具有除湿能力，而且要求其除湿能力能与排湿量相平衡。冷凝干燥器除湿能力的大小也可以应用式4进行校核计算，终以能真实代载人航天器在轨飞行进行的实际测量为准。
通常，在进行冷凝干燥器设计时，要求小热负荷以及相对应的流过冷凝干燥器的小风量，在保证舱内气体温度高于17时，应能保证除湿能力大于排湿童的15左右。
4.2气体相对湿度上限指标职=70实际控制方法4.2.1冷凝干燥器除湿热分析当冷凝干燥器只能在低热负荷下运行时，为了保证舱内气体温度高于17丈的指标，冷凝干燥器风机风门的开度不能大，因为风门的开度增大例如大于，流过冷凝干燥器的气体流量增加，流速增大6增大，使式5中的换热系数增大，传给低温液体工质的热量增大，致使舱内气体的温度低于17的下限指标要求。但是，冷凝十燥器风机风门的开度也不能小，因为风门的开度小，由式4可以看出，冷凝干燥器的散热量减小换热量减小除湿量减小，使本来由于风门的开度小除湿量不能满足要求的情况更加严重。冷凝干燥器风机的风门也不能关闭，因为风门关闭，相当于冷凝干燥器不工作，尽管气体的温度有所升高，也不会达到气体温度的上限值25冷凝干燥器风机风门关闭，意味着该设备丧失除湿能力，这也是不希望的。
冷凝干燥器在低热负荷下运行时，由于风机风门开度小，致使流过的气体流量小，在保证舱内大相对湿度70的前提下，载人航天器在轨飞行时的除湿量常常小于每个航天员每天的排湿量，因此还需要采取另外的气体除湿措施，才能保证舱内气体的相对湿度册70指标。
4.2.2在轨相对湿度170的控制当冷凝干燥器在低热负荷下运行时，为了保证舱内气体的温度高于下限指标17冷凝干燥器风机的风门必须保持较小的开度并不变，致使除湿能力受到极大限制，常常不能满足载人航天器在轨飞行产湿与除湿量相平衡的要求，这就是要进行被动湿控设计的重要原因。
被动湿控设计的目的是，要求冷凝干燥器正常工作时，在保证舱内气体的相对湿度，70的前提下，能吸收产湿量大于除湿量的差值，把低温面散热面冷板管路等面的凝结水吸收并储存起来，使它们不会流动或飘浮，保证载人航天器在轨飞行期间冷凝干燥器的排湿量与吸湿吸水量相平衡。被动湿控设计的另个目的是，在载人航天器的待发射段与上升段，气密舱内无冷源的情况下，仍能保持舱内气体的相对湿度财1706被动湿控设计的优点是在吸湿或吸水时，不将舱内气体的热量迁移至外部空间，因此在控湿的同时不降低气体温度；不耗电，也无运动部件。
被动湿控措施通常采用两种材料种是吸湿材料；种是吸水材料。
吸湿材料能直接吸收气体中的水汽。吸湿材料可以做成柱状，放在热控风机的进口管道上；也可以做成片状，放在航天员活动区的壁面上。储存时用胶纸封好，不能吸湿。需要吸湿时，将胶纸揭开，就能吸湿。
吸水材料能把散热面的水导走，并吸收储存。结合结构的形式，吸水材料也可以做成布状，分别布设在舱体的散热面或低温面舱壁冷板和液体管路等面，用来收集凝结水。
被动湿控设计与冷凝干燥器主动除湿设计起可以保证吸湿量和吸水量较多地超过排湿量。在布设吸湿材料和吸水材料时，要将它们准确地布设在合理的位置，使其能直接吸收湿气和凝结水。除了通过热分析来确定被动湿控材料的用量和布设位置夕，终还需要通过试验验证来确定湿控材料的用量和布设位置。
42.3临射前相对湿度70的控制载人航天器临发射前，航天员进舱以后，将以75外的产湿量排入舱内。设舱内气体容积为6.0，13，对湿度下达到饱和湿度的时间气体温度为17沱。
载人航天器临发射前，航天员进舱至发射般需等待两个多小时。由2可以看出，在半小时，舱内气5结论舱内气体相对湿度体的湿度已经达到饱和，这是不允许的，必须采取专门的被动除湿措施。
载人航天器临发射前，在液体地面调温工作阶段，地面冷源系统把进入冷凝干燥器的液体工质的温度降低至9弋以下可以通过调节冷凝干燥器风机风门的开度来降温除湿。液体地面调温工作停止后，管路里液体工质的温度很快回升。由于冷凝干燥器没有冷源，不能除湿，因此舱内气体的相对湿度控制需要依靠被动湿控设计来实现。
4.2.4主动段相对湿度班170的控制载人航天器在上升段飞行时，其内外回路不工作，冷凝干燥器也不能除湿。载人航天器人轨后的第圈，由于辐射器和流体冷却回路系统的热惯性，也不能使冷凝干燥器液体工质的温度达到要求的指标9，冷凝干燥器也不能除湿。在此阶段，舱内气体打开专用吸湿材料的胶纸，即可控制舱内气体的相对湿度册70在要求的指标范围内，根据载人航天器冷凝干燥器降温除湿的热分析与舱内气体温湿度控制的讨论，可以得出如下结论现有的舱内气体和液体工质参数，决定了不会使舱内气体相对湿度出现小于30的工况，无需采取任何调节措施。舱内气体相对湿度调节的难点，在于相对湿度上限指标册70的控制。
冷凝干燥器在轨长期处于低热负荷运行时，由于风机风门开度小，流过冷凝干燥器工质的流量小，除湿量常常低于产湿量。此时，需要采取被动湿控措施吸收气体中的水蒸汽，补充冷凝干燥器除湿能力的不足在保证舱内气体的相对湿度170差值，满足除湿量等于产湿量的要求，并能把低温面除湿的主要优点，在于它不带走舱内气体的热量，起到保温除湿的作用。
在射前阶段上升段和入轨初期，由于内外回路不工作或内回路的液体工质达不到冷凝干燥器除湿温度，因此不能除湿。为保证舱内气体的相对湿度班170，也需要采取被动湿控措施。
冷凝干燥器应根据热负荷的特点进行设计。如果采用高热负荷设计，在低热负荷实际工况使用中，不仅会增加冷凝干燥器的重量，也将增加功耗，这是应该尽量避免的。，叵苗