空间飞行器内结露的理论分析及模拟实验
作者：任建勋 姬朝玥 徐向华 陈泽敬 梁新刚 过增元
单位：清华大学工程力学系，北京 100084
关键词：载人飞船；结露；通风；黑度；热力学；传热学
航天医学与医学工程000510摘要： 目的 探讨防止载人空间飞行器舱内结露的方法。 方法 从热力学和传热学的角度分析和研究了空间飞行器舱内壁面的结露条件及过程，对影响舱内结露的几个因素进行了探讨。 结果 壁面隔热有利于防止结露，局部通风有可能抑制结露。但单独采用隔热或通风的方法均存在一定的局限性。降低外壁黑度有利于防止舱内结露。 结论 采用壁面隔热和局部通风相结合的方法，可以有效地达到防止结露的目的。
中图分类号：R852.82 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(2000)05-0355-05
, 百拇医药 Theoretical Analysis and Simulation Study of Dewing in Spacecraft
REN Jian-xun,JI Chao-yue,XU Xiang-hua,CHEN Ze-jing,LIANG Xin-gang,GUO Zeng-yuan
(Space Medicine & Medical Engineering)
Abstracts: Objective To study the method of preventing dewing on the cabin wall of a spacecraft. Method Theoretical analysis and experimental study of the factors and process of dewing on the cabin wall in a spacecraft were carried out according to principles of thermodynamics and heat transfer.Several factors relating to dewing were discussed and evaluated. Result Thermal insulation could be used to prevent dewing on the wall.Ventilation might be beneficial for suppressing the dewing.Effects of these methods were limited if they were used singly.Decrease of the emmisivity of the outer surface of the wall was favorable for preventing dewing on the inner surface of the cabin wall. Conclusion Dewing on the wall could be prevented effectively by thermal insulation together with local ventilation.
, 百拇医药
Key words:manned spacecraft;dew condensing;ventilation;emmisivity;thermodynamics;heat transfer theory
载人空间飞行器工作舱是一个对太空完全密闭的空间。航天员在其中生活和工作时，会不可避免的散发出水蒸汽到舱内大气环境中。当水蒸汽达到一定浓度时，会在舱内的某些表面凝结成液态水，即发生结露。结露给空间飞行器的运行带来极大的危害，会在微重力环境中造成空间飞行器的电器设备短路，工作失灵，危及空间飞行器的安全运行。而且，结露处易滋生细菌，航天员在这样的舱内环境下生活，其身体健康会受到影响。水分的凝结还会造成回收水困难，而空间飞行器上的水资源十分宝贵，必须重复利用。因此，防止结露是载人空间飞行器热控制和环控生保系统的设计目标之一。
隔热，即在工作舱的壁面上敷设绝热材料，是防止结露的基本措施，在空间飞行器的热设计中占有十分重要的地位[1]。它可以减少壁面热流，提高表面温度，降低结露速度。不过，空间飞行器内有些较易结露的部位，是不能采用覆盖隔热材料的方法来防止结露的，如观察窗舷窗、光学及其它一些探测仪器窗表面。对于这些部位除了采用双层玻璃、中间真空结构等防止结露的措施外，还可以采用局部通风的方法来防止结露，以满足这些特殊部位的使用要求。Boeing公司在进行Freedom空间站工作舱内温控系统(TCS)冷水管表面的热设计时，采用过局部通风防结露的方案[2]。但已有的文献没有给出隔热和通风措施的详细研究结果[1，2]。本文将从热力学和传热学的角度对空间飞行器舱内壁面的结露条件及过程进行理论分析和实验研究。
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结露条件及过程的理论分析
由热力学原理，当一定温度的湿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。结露条件可以表示成：
Pv≥Pvb (1)
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饱和温度有关系，一定饱和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湿空气中水蒸汽的分压力Pv，湿空气中的水蒸汽含量越高，即Pv越高，则条件(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，湿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。该饱和温度为该压力下空气的露点Tl。特别是当湿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：
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Tw≤Tl (2)
由上式可知，影响Tw和Tl的因素均会影响结露的产生。因此，对结露的研究也必须着眼于对影响Tw、Tl因素的研究。
对于空间飞行器舱内的空气来讲，为了维持航天员工作生活所适宜的湿度条件，其平均含湿量d是一定的，其露点Tl也是一定的，所以壁温Tw就成为影响舱内壁面结露的主要因素。由于太空中的背景温度非常低，工作舱的内壁面温度有可能较低。同时，在空间飞行器内热控系统有不少冷媒管道，其表面温度也可能很低，结露有可能发生在这些低温表面上。这里将通过分析空间飞行器舱内壁的传热、温度分布来分析壁面的结露过程。
空间飞行器舱内壁的结露过程是一个复杂的传热传质过程。为了分析问题方便起见，将这一过程简化为一维的传热传质过程。图1所示为空间飞行器工作舱壁的局部剖面示意图。1为贴在舱内壁的隔热层，2为金属舱壁，3为贴在舱外壁的隔热层。当内壁温度低于空气露点时，舱内的湿空气以对流换热方式将显热量传递到1的内表面，同时以对流传质方式将水分传送到壁面，在壁面上结露，结露也伴随着水蒸汽的潜热释放给舱内壁面。这些热量通过导热穿过舱壁至舱外壁面，最后以辐射方式散发至太空。根据上述分析，可以分别写出上述过程的传热方程。
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1.舱壁的导热方程为：
图1 空间飞行器工作舱壁的局部剖面示意图
Fig.1 Local section of spacecraft cabin wall
(3)
式中，Rc为舱壁的总导热热阻，Tw为1的内表面温度，Tc为3的外表面温度。
2.舱内湿空气与舱内壁之间的热交换方程为：
q=α(T∞-Tw)+αD(d∞-dw)γ (4)
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上式中右边第一项为显热交换量，第二项为潜热交换量。T∞为舱内空气的温度，γ为水蒸汽的冷凝潜热。α、αD为对流换热系数和对流传质系数，其无量纲形式分别为Nu数和Sh数(Nu=αL/λ，Sh=αDL/D，L为特征尺度，取内隔热层表面的单位长度，λ为空气的导热系数，D为湿空气的质量扩散系数)。根据传热传质比拟的刘易斯准则：
(5)
若Le已知，则根据α可以方便地得到对流传质系数αD。式(4)中的d∞、dw分别为舱内湿空气与壁面饱和湿空气的含湿量，可由下式计算[3]：
(6)
(7)
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其中，μv、μa为水和空气的摩尔质量，pb为大气压力，pv∞、pvw为舱内湿空气和壁面饱和湿空气中水蒸汽分压。pv∞由Dolton分压定律和状态方程计算而得。pvw与饱和温度的关系可以用Clausius-Clapeyron方程来描述：
(8)
式中，l为相变潜热，ν(l)、ν(ν)为水和水蒸汽的比容。根据它们与温度、压力的关系，可以得到：
(9)
式中的常数一般由实验确定[4]。
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3.舱外壁与太空之间的辐射换热方程为[5]：
q=εσ[T4c-C] (10)
式中，ε为黑度，σ为玻尔兹曼常数，C为与太空等效热沉温度有关的常数。
4.舱内壁的结露速度可以表示为：
(11)
由以上各式可知，结露过程与湿空气的状态、对流传热传质过程、舱壁的导热过程、舱外壁的辐射均有关系。通过求解方程(3)～(11)，可以得到有关因素的影响规律。这些方程为非线性方程组，可采用数值方法进行求解。数值计算是在空气的干球温度T∞和含湿量d∞一定的条件下进行的。图2(a)为不同舱壁导热热阻下，无量纲结露速度M与Nu数的关系；(b)为壁温Tw与Nu数的关系。这里，无量纲结露速度M为结露速度m*与计算工况范围内的最大结露速度
max的比值，即
从图2(a)可以看出，当导热热阻较小时，结露速度随Nu数的变化规律不是单调变化，随着Nu数的增加，结露速度起先是增大，达到某一最大值后，又开始下降，最后下降至0；而导热热阻较大时，Nu数越大，结露速度越小，并且单调降低。这样，可以将图2(a)分为“通风加速结露区”、“通风减弱结露区”和“通风无影响区”3个区域。3个区域的大小受热阻大小的影响。热阻增加，“通风加速结露区”和“通风减弱结露区”会缩小，“通风无影响区”会增大。当热阻增加到某一值时，“通风加速结露区”消失，这时通风可以减弱直至避免结露的发生，图2(a)中Rc=2.5就属于这种情况；当热阻进一步增加时，通风减弱结露区也会消失，这时，无论通风强弱程度如何，壁面都不会结露。从图2(b)所示的壁温变化情况可以看出，舱壁导热热阻越小，内壁温度越低，由式(2)可知，越容易结露。结果表明，隔热材料对防止结露有明显的效果，而通风是否能防止结露，则取决于舱壁热阻的大小以及通风速度，若热阻较小，则通风可能会加速结露，也可能会抑制结露；若热阻较大，则通风会抑制结露。
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图3(a)为舱壁材料的热阻固定时，舱外壁材料黑度ε变化时内壁的结露情况。可以看出，黑度减小会减弱舱内壁的结露过程。因此，在外壁采用低辐射率的材料，有利于防止结露。此外，还可以发现，Nu数较小时，黑度对结露速度的影响较大；Nu数较大时，黑度的影响较小；Nu数大到一定程度时，壁面不再结露，此时黑度无影响。从图3(b)的壁温变化情况来看，热阻一定，舱外壁材料黑度对内壁温度也有影响。黑度增加，壁温降低，Nu数较小时，壁温随着黑度的改变变化较大，而Nu数较大时，黑度对壁温的影响较小。由于在一般情况下，空间飞行器的舱内空气设计风速较低[6,7]，Nu数不是很大，所以降低外壁的黑度对防止结露也有实际意义。
结露的实验装置
在文献[8]的相关实验系统上，对上述理论分析的部分结果进行了实验验证。图4为实验所用模拟舱壁面剖面示意图。壁面由内隔热层、固壁、冷媒通路3部分组成，自左至右排列，在图4中用2、3、4表示。在内壁表面上布置了用于测定结露进程的结露探头，在图中用1表示，其基本工作原理是利用结露时探头的电阻值变化来测得液膜厚度。通风空气沿平行于内壁面的方向纵掠内壁面，与之进行对流换热和传质，通风空气的速度U∞、温度T∞和相对湿度d∞均可以设定。冷媒采用水-乙二醇溶液，由冷冻机组提供。实验系统还包括有控制装置，用来控制模拟舱内空气的流量、温度和湿度。实验时，通过冷媒来逐渐降低固壁3的外表面温度，以此模拟工作舱壁的温度，当表面温度达到一定值后，壁面开始结露。通过测得探头的电阻值，可以定性地了解到检测处的结露情况。有关详细情况参阅文献[8]。
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图2 不同壁面热阻时对流换热对结露的影响
Fig.2 Influence of convection on dewing under different thermal resistance
图3 外壁黑度对结露的影响
Fig.3 Influence of emmisivity of outer wall on dewing
图4 模拟舱壁面剖面示意图
Fig.4 Section of simulated cabin wall
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结露实验的结果及分析
实验时通风风速U∞为1 m/s，空气温度T∞为20℃，相对湿度d∞为50%。内隔热层采用聚苯乙烯材料，热阻为0.03 m2℃/W。4种实验工况如表1所示。“+”表示有隔热或有通风，“-”表示无隔热或无通风。这4种工况对应于图2(a)中的4个点。通过实验测量舱内壁面结露时探头电阻随时间的变化规律，可以得到各工况壁面的结露特性。
表1 四种实验工况
Table 1 Four experiment conditions item
condition
1
2
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3
4
thermal insulation
-
+
-
+
ventilation
-
-
+
+
图5为4种工况的实验结果。纵坐标为相对电阻值，是实际电阻与标准电阻的比值，横坐标是相对时间。未结露时，探头相对电阻值为1.0，若表面结露，则探头相对电阻值会下降，降低幅度反映了结露深度。
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图5 四种工况下的结露特性
Fig.5 Dewing characteristics under four experimental conditions
首先分析无通风时，内隔热层的存在与否对结露过程的影响。从图中可以看出，对于工况1，相对时间从0持续到0.12时，相对电阻值从1.0降至0.067左右，说明无隔热层时，凝结水很快覆盖了裸露的金属内表面，表明结露过程很快。对于工况2，相对时间从0变为0.36时，隔热层表面结露探头的相对电阻值始终为1.0，说明这时隔热层表面未结露。这一实验结果证实了在舱内的低温表面覆盖隔热层确实有助于防止结露，这与前述理论分析的结果是一致的。
无隔热层时壁面通风与否的实验结果由图5中的工况3和工况1给出。可以看出，工况3从开始结露到充分结露，相对时间只用了约0.15，说明没有隔热层情况下，通风使结露过程大大加快，这是由于通风加速了湿空气与冷壁面的直接接触，强化了水蒸汽在壁面的凝结过程。相对地，工况1的结露过程比较缓慢，从开始结露到充分结露的相对时间约为0.75。在无通风的情况下，空气中的水份仅靠扩散方式与冷壁面接触，水份扩散速率要低于通风时的对流输运速率。另一方面，一旦靠近冷壁面的空气中水份凝结，该层空气的露点有所降低，这也会减慢结露进程。因此，无通风的冷表面的结露过程反而比较缓慢。所以在采用通风方法防止结露时，要充分了解通风对传热传质过程的双重作用，选择适当的通风速度。
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通风情况下隔热与否的实验结果，由图5中工况3与工况4对应的两条曲线给出。可以看出，工况3对应的电阻值下降很快，说明壁面结露很快。而工况4的相对电阻值一直稳定在1.0的量级，表明壁面没有结露。这说明，隔热和通风措施相结合能有效提高壁面温度，明显起到防止壁面结露的作用。不隔热或隔热不够充分的情况下，通风无助于防止结露。
综上所述，单独采用隔热层或局部通风来防止舱内壁面结露，均存在一定的局限性。尽管隔热是防止结露的基本措施，但将整个空间飞行器内壁面进行等厚度隔热处理的方法并不符合整体优化原则。单纯的通风措施也不能十分有效地防止结露，使用不当会适得其反。而将两者结合起来，则能收到很好地防止结露的效果。这一点对于空间飞行器防结露措施的采用，有重要的实际意义。
结 论
本文从热力学和传热学的角度分析了空间飞行器舱内壁面的结露条件及过程，对防止结露的方法进行了实验研究和分析探讨。研究结果表明，壁面隔热有利于防止结露；壁面通风有可能抑制结露，也有可能加速结露，跟空气含湿量、壁面温度、通风速度和壁面导热热阻等多种因素有关，视具体条件而定。采取隔热与通风相结合的方法，可以收到良好效果。同时，降低外壁黑度，也有利于防止结露。这些结论对空间飞行器热控及环控生保系统的热设计有一定的参考价值。
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[参考文献]
[1] Ferro C,Moscatelli A.Hermes thermal control subsystem-design concepts[R].SAE,901372:1990
[2] Jouanne RG,Baeker RS,Sitler GA.Dew point analysis for space station freedom[R].SAE,921227:1992
[3] 沈维道，郑佩芝，蒋淡安.工程热力学[M].北京：高等教育出版社,1987: 439～442
[4] 薛殿华.空气调节[M].北京：清华大学出版社,1991: 3～26
[5] 范剑峰.空间站工程概论[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社,1990:186～189
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[6] Davis RG,Reuter JL.Intermodule ventilation studies for the space station[R].SAE,871428:1987
[7] Son CH,Barker RS,McGraw EH.Numerical prediction and evaluation of space station intermodule ventilation and air distribution performance[R].SAE,941509:1994
[8] 任建勋.空间站舱内流动和传热的地面模拟及实验研究[D].博士学位论文，清华大学力学系,1998: 81～96
收稿日期：1999-12-08, 百拇医药
单位：清华大学工程力学系，北京 100084
关键词：载人飞船；结露；通风；黑度；热力学；传热学
航天医学与医学工程000510摘要： 目的 探讨防止载人空间飞行器舱内结露的方法。 方法 从热力学和传热学的角度分析和研究了空间飞行器舱内壁面的结露条件及过程，对影响舱内结露的几个因素进行了探讨。 结果 壁面隔热有利于防止结露，局部通风有可能抑制结露。但单独采用隔热或通风的方法均存在一定的局限性。降低外壁黑度有利于防止舱内结露。 结论 采用壁面隔热和局部通风相结合的方法，可以有效地达到防止结露的目的。
中图分类号：R852.82 文献标识码：A 文章编号：1002-0837(2000)05-0355-05
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REN Jian-xun,JI Chao-yue,XU Xiang-hua,CHEN Ze-jing,LIANG Xin-gang,GUO Zeng-yuan
(Space Medicine & Medical Engineering)
Abstracts: Objective To study the method of preventing dewing on the cabin wall of a spacecraft. Method Theoretical analysis and experimental study of the factors and process of dewing on the cabin wall in a spacecraft were carried out according to principles of thermodynamics and heat transfer.Several factors relating to dewing were discussed and evaluated. Result Thermal insulation could be used to prevent dewing on the wall.Ventilation might be beneficial for suppressing the dewing.Effects of these methods were limited if they were used singly.Decrease of the emmisivity of the outer surface of the wall was favorable for preventing dewing on the inner surface of the cabin wall. Conclusion Dewing on the wall could be prevented effectively by thermal insulation together with local ventilation.
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Key words:manned spacecraft;dew condensing;ventilation;emmisivity;thermodynamics;heat transfer theory
载人空间飞行器工作舱是一个对太空完全密闭的空间。航天员在其中生活和工作时，会不可避免的散发出水蒸汽到舱内大气环境中。当水蒸汽达到一定浓度时，会在舱内的某些表面凝结成液态水，即发生结露。结露给空间飞行器的运行带来极大的危害，会在微重力环境中造成空间飞行器的电器设备短路，工作失灵，危及空间飞行器的安全运行。而且，结露处易滋生细菌，航天员在这样的舱内环境下生活，其身体健康会受到影响。水分的凝结还会造成回收水困难，而空间飞行器上的水资源十分宝贵，必须重复利用。因此，防止结露是载人空间飞行器热控制和环控生保系统的设计目标之一。
隔热，即在工作舱的壁面上敷设绝热材料，是防止结露的基本措施，在空间飞行器的热设计中占有十分重要的地位[1]。它可以减少壁面热流，提高表面温度，降低结露速度。不过，空间飞行器内有些较易结露的部位，是不能采用覆盖隔热材料的方法来防止结露的，如观察窗舷窗、光学及其它一些探测仪器窗表面。对于这些部位除了采用双层玻璃、中间真空结构等防止结露的措施外，还可以采用局部通风的方法来防止结露，以满足这些特殊部位的使用要求。Boeing公司在进行Freedom空间站工作舱内温控系统(TCS)冷水管表面的热设计时，采用过局部通风防结露的方案[2]。但已有的文献没有给出隔热和通风措施的详细研究结果[1，2]。本文将从热力学和传热学的角度对空间飞行器舱内壁面的结露条件及过程进行理论分析和实验研究。
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结露条件及过程的理论分析
由热力学原理，当一定温度的湿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。结露条件可以表示成：
Pv≥Pvb (1)
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饱和温度有关系，一定饱和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湿空气中水蒸汽的分压力Pv，湿空气中的水蒸汽含量越高，即Pv越高，则条件(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，湿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。该饱和温度为该压力下空气的露点Tl。特别是当湿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：
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Tw≤Tl (2)
由上式可知，影响Tw和Tl的因素均会影响结露的产生。因此，对结露的研究也必须着眼于对影响Tw、Tl因素的研究。
对于空间飞行器舱内的空气来讲，为了维持航天员工作生活所适宜的湿度条件，其平均含湿量d是一定的，其露点Tl也是一定的，所以壁温Tw就成为影响舱内壁面结露的主要因素。由于太空中的背景温度非常低，工作舱的内壁面温度有可能较低。同时，在空间飞行器内热控系统有不少冷媒管道，其表面温度也可能很低，结露有可能发生在这些低温表面上。这里将通过分析空间飞行器舱内壁的传热、温度分布来分析壁面的结露过程。
空间飞行器舱内壁的结露过程是一个复杂的传热传质过程。为了分析问题方便起见，将这一过程简化为一维的传热传质过程。图1所示为空间飞行器工作舱壁的局部剖面示意图。1为贴在舱内壁的隔热层，2为金属舱壁，3为贴在舱外壁的隔热层。当内壁温度低于空气露点时，舱内的湿空气以对流换热方式将显热量传递到1的内表面，同时以对流传质方式将水分传送到壁面，在壁面上结露，结露也伴随着水蒸汽的潜热释放给舱内壁面。这些热量通过导热穿过舱壁至舱外壁面，最后以辐射方式散发至太空。根据上述分析，可以分别写出上述过程的传热方程。
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1.舱壁的导热方程为：
图1 空间飞行器工作舱壁的局部剖面示意图
Fig.1 Local section of spacecraft cabin wall
(3)式中，Rc为舱壁的总导热热阻，Tw为1的内表面温度，Tc为3的外表面温度。
2.舱内湿空气与舱内壁之间的热交换方程为：
q=α(T∞-Tw)+αD(d∞-dw)γ (4)
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上式中右边第一项为显热交换量，第二项为潜热交换量。T∞为舱内空气的温度，γ为水蒸汽的冷凝潜热。α、αD为对流换热系数和对流传质系数，其无量纲形式分别为Nu数和Sh数(Nu=αL/λ，Sh=αDL/D，L为特征尺度，取内隔热层表面的单位长度，λ为空气的导热系数，D为湿空气的质量扩散系数)。根据传热传质比拟的刘易斯准则：
(5)若Le已知，则根据α可以方便地得到对流传质系数αD。式(4)中的d∞、dw分别为舱内湿空气与壁面饱和湿空气的含湿量，可由下式计算[3]：
(6) (7), http://www.100md.com
其中，μv、μa为水和空气的摩尔质量，pb为大气压力，pv∞、pvw为舱内湿空气和壁面饱和湿空气中水蒸汽分压。pv∞由Dolton分压定律和状态方程计算而得。pvw与饱和温度的关系可以用Clausius-Clapeyron方程来描述：
(8)式中，l为相变潜热，ν(l)、ν(ν)为水和水蒸汽的比容。根据它们与温度、压力的关系，可以得到：
(9)式中的常数一般由实验确定[4]。
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3.舱外壁与太空之间的辐射换热方程为[5]：
q=εσ[T4c-C] (10)
式中，ε为黑度，σ为玻尔兹曼常数，C为与太空等效热沉温度有关的常数。
4.舱内壁的结露速度可以表示为：
(11)由以上各式可知，结露过程与湿空气的状态、对流传热传质过程、舱壁的导热过程、舱外壁的辐射均有关系。通过求解方程(3)～(11)，可以得到有关因素的影响规律。这些方程为非线性方程组，可采用数值方法进行求解。数值计算是在空气的干球温度T∞和含湿量d∞一定的条件下进行的。图2(a)为不同舱壁导热热阻下，无量纲结露速度M与Nu数的关系；(b)为壁温Tw与Nu数的关系。这里，无量纲结露速度M为结露速度m*与计算工况范围内的最大结露速度
max的比值，即从图2(a)可以看出，当导热热阻较小时，结露速度随Nu数的变化规律不是单调变化，随着Nu数的增加，结露速度起先是增大，达到某一最大值后，又开始下降，最后下降至0；而导热热阻较大时，Nu数越大，结露速度越小，并且单调降低。这样，可以将图2(a)分为“通风加速结露区”、“通风减弱结露区”和“通风无影响区”3个区域。3个区域的大小受热阻大小的影响。热阻增加，“通风加速结露区”和“通风减弱结露区”会缩小，“通风无影响区”会增大。当热阻增加到某一值时，“通风加速结露区”消失，这时通风可以减弱直至避免结露的发生，图2(a)中Rc=2.5就属于这种情况；当热阻进一步增加时，通风减弱结露区也会消失，这时，无论通风强弱程度如何，壁面都不会结露。从图2(b)所示的壁温变化情况可以看出，舱壁导热热阻越小，内壁温度越低，由式(2)可知，越容易结露。结果表明，隔热材料对防止结露有明显的效果，而通风是否能防止结露，则取决于舱壁热阻的大小以及通风速度，若热阻较小，则通风可能会加速结露，也可能会抑制结露；若热阻较大，则通风会抑制结露。, http://www.100md.com
图3(a)为舱壁材料的热阻固定时，舱外壁材料黑度ε变化时内壁的结露情况。可以看出，黑度减小会减弱舱内壁的结露过程。因此，在外壁采用低辐射率的材料，有利于防止结露。此外，还可以发现，Nu数较小时，黑度对结露速度的影响较大；Nu数较大时，黑度的影响较小；Nu数大到一定程度时，壁面不再结露，此时黑度无影响。从图3(b)的壁温变化情况来看，热阻一定，舱外壁材料黑度对内壁温度也有影响。黑度增加，壁温降低，Nu数较小时，壁温随着黑度的改变变化较大，而Nu数较大时，黑度对壁温的影响较小。由于在一般情况下，空间飞行器的舱内空气设计风速较低[6,7]，Nu数不是很大，所以降低外壁的黑度对防止结露也有实际意义。
结露的实验装置
在文献[8]的相关实验系统上，对上述理论分析的部分结果进行了实验验证。图4为实验所用模拟舱壁面剖面示意图。壁面由内隔热层、固壁、冷媒通路3部分组成，自左至右排列，在图4中用2、3、4表示。在内壁表面上布置了用于测定结露进程的结露探头，在图中用1表示，其基本工作原理是利用结露时探头的电阻值变化来测得液膜厚度。通风空气沿平行于内壁面的方向纵掠内壁面，与之进行对流换热和传质，通风空气的速度U∞、温度T∞和相对湿度d∞均可以设定。冷媒采用水-乙二醇溶液，由冷冻机组提供。实验系统还包括有控制装置，用来控制模拟舱内空气的流量、温度和湿度。实验时，通过冷媒来逐渐降低固壁3的外表面温度，以此模拟工作舱壁的温度，当表面温度达到一定值后，壁面开始结露。通过测得探头的电阻值，可以定性地了解到检测处的结露情况。有关详细情况参阅文献[8]。
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图2 不同壁面热阻时对流换热对结露的影响
Fig.2 Influence of convection on dewing under different thermal resistance
图3 外壁黑度对结露的影响
Fig.3 Influence of emmisivity of outer wall on dewing
图4 模拟舱壁面剖面示意图
Fig.4 Section of simulated cabin wall
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结露实验的结果及分析
实验时通风风速U∞为1 m/s，空气温度T∞为20℃，相对湿度d∞为50%。内隔热层采用聚苯乙烯材料，热阻为0.03 m2℃/W。4种实验工况如表1所示。“+”表示有隔热或有通风，“-”表示无隔热或无通风。这4种工况对应于图2(a)中的4个点。通过实验测量舱内壁面结露时探头电阻随时间的变化规律，可以得到各工况壁面的结露特性。
表1 四种实验工况
Table 1 Four experiment conditions item
condition
1
2
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3
4
thermal insulation
-
+
-
+
ventilation
-
-
+
+
图5为4种工况的实验结果。纵坐标为相对电阻值，是实际电阻与标准电阻的比值，横坐标是相对时间。未结露时，探头相对电阻值为1.0，若表面结露，则探头相对电阻值会下降，降低幅度反映了结露深度。
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图5 四种工况下的结露特性
Fig.5 Dewing characteristics under four experimental conditions
首先分析无通风时，内隔热层的存在与否对结露过程的影响。从图中可以看出，对于工况1，相对时间从0持续到0.12时，相对电阻值从1.0降至0.067左右，说明无隔热层时，凝结水很快覆盖了裸露的金属内表面，表明结露过程很快。对于工况2，相对时间从0变为0.36时，隔热层表面结露探头的相对电阻值始终为1.0，说明这时隔热层表面未结露。这一实验结果证实了在舱内的低温表面覆盖隔热层确实有助于防止结露，这与前述理论分析的结果是一致的。
无隔热层时壁面通风与否的实验结果由图5中的工况3和工况1给出。可以看出，工况3从开始结露到充分结露，相对时间只用了约0.15，说明没有隔热层情况下，通风使结露过程大大加快，这是由于通风加速了湿空气与冷壁面的直接接触，强化了水蒸汽在壁面的凝结过程。相对地，工况1的结露过程比较缓慢，从开始结露到充分结露的相对时间约为0.75。在无通风的情况下，空气中的水份仅靠扩散方式与冷壁面接触，水份扩散速率要低于通风时的对流输运速率。另一方面，一旦靠近冷壁面的空气中水份凝结，该层空气的露点有所降低，这也会减慢结露进程。因此，无通风的冷表面的结露过程反而比较缓慢。所以在采用通风方法防止结露时，要充分了解通风对传热传质过程的双重作用，选择适当的通风速度。
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通风情况下隔热与否的实验结果，由图5中工况3与工况4对应的两条曲线给出。可以看出，工况3对应的电阻值下降很快，说明壁面结露很快。而工况4的相对电阻值一直稳定在1.0的量级，表明壁面没有结露。这说明，隔热和通风措施相结合能有效提高壁面温度，明显起到防止壁面结露的作用。不隔热或隔热不够充分的情况下，通风无助于防止结露。
综上所述，单独采用隔热层或局部通风来防止舱内壁面结露，均存在一定的局限性。尽管隔热是防止结露的基本措施，但将整个空间飞行器内壁面进行等厚度隔热处理的方法并不符合整体优化原则。单纯的通风措施也不能十分有效地防止结露，使用不当会适得其反。而将两者结合起来，则能收到很好地防止结露的效果。这一点对于空间飞行器防结露措施的采用，有重要的实际意义。
结 论
本文从热力学和传热学的角度分析了空间飞行器舱内壁面的结露条件及过程，对防止结露的方法进行了实验研究和分析探讨。研究结果表明，壁面隔热有利于防止结露；壁面通风有可能抑制结露，也有可能加速结露，跟空气含湿量、壁面温度、通风速度和壁面导热热阻等多种因素有关，视具体条件而定。采取隔热与通风相结合的方法，可以收到良好效果。同时，降低外壁黑度，也有利于防止结露。这些结论对空间飞行器热控及环控生保系统的热设计有一定的参考价值。
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收稿日期：1999-12-08, 百拇医药