熱循環(huán)試驗(yàn)中結(jié)露的產(chǎn)生與預(yù)防

趙光平

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅蘭州730000)

1 引言

熱循環(huán)試驗(yàn)是指在常壓下進(jìn)行試件溫度循環(huán)的試驗(yàn)，主要目的是為了暴露產(chǎn)品中潛在的材料缺陷和制造質(zhì)量缺陷，消除早期失效，提高產(chǎn)品可靠性。隨著航天器在軌壽命的提高，對(duì)航天器可靠性有了更高的要求，在航天器發(fā)射之前，需要對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行溫度應(yīng)力篩選，有利于檢測(cè)組件之間的熱接口和機(jī)械接口，驗(yàn)證總裝后產(chǎn)品的硬件、相互連接的單元以及熱控系統(tǒng)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(chǎn)品可靠性。但是在熱循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中，由于溫度變化大，試驗(yàn)箱內(nèi)或產(chǎn)品表面會(huì)出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，影響產(chǎn)品質(zhì)量。

根據(jù)國(guó)軍標(biāo)GJB1027A－2005中對(duì)熱循環(huán)試驗(yàn)的規(guī)定，在非密封性系統(tǒng)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)采取措施避免在低溫時(shí)產(chǎn)品表面和內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)露。由此可見(jiàn)，熱循環(huán)試驗(yàn)中的結(jié)露現(xiàn)象是非常普遍的，但在國(guó)軍標(biāo)中并未提出具體預(yù)防措施或方法。在實(shí)際試驗(yàn)中，因?yàn)闆](méi)有采取相應(yīng)的措施，導(dǎo)致結(jié)露產(chǎn)生的水滴對(duì)試驗(yàn)中產(chǎn)品造成了損壞。為了避免結(jié)露對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)品造成的損壞，需要了解結(jié)露產(chǎn)生的原因，采取正確的方法防止結(jié)露的產(chǎn)生。

2 結(jié)露產(chǎn)生的原因分析

根據(jù)熱力學(xué)原理［1］，當(dāng)一定溫度的空氣中水蒸汽的分壓力pv達(dá)到該溫度下水蒸汽的飽和蒸汽分壓力pvb時(shí)，水蒸汽就會(huì)放出熱量凝結(jié)成水。結(jié)露條件可以表示為:

結(jié)露過(guò)程為一階相變過(guò)程，空氣中水蒸汽的飽和分壓力僅與溫度有關(guān)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(jié)露是否發(fā)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(jié)露。

同樣，當(dāng)空氣中的水蒸汽含量不變，即水蒸汽的分壓力不變時(shí)，空氣的溫度逐漸降低達(dá)到該壓力水蒸汽的飽和溫度時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生結(jié)露。該溫度為該壓力下空氣的露點(diǎn)T1，特別是當(dāng)空氣與某一冷固體表面接觸時(shí)，若表面溫度為T(mén)W，則壁面結(jié)露的條件可以寫(xiě)為:

由式(2)可知，影響TW和T1的因素均會(huì)影響結(jié)露的產(chǎn)生。當(dāng)空氣本身沒(méi)有達(dá)到飽和，而與空氣接觸的物體、空隙部位、表面及內(nèi)部冷卻到低于空氣的飽和溫度時(shí)，則界面附近空氣中所含的水蒸汽也會(huì)凝結(jié)成水而變成水滴，也出現(xiàn)了結(jié)露。即使接觸到比空氣飽和溫度低一點(diǎn)的物體，結(jié)露也會(huì)發(fā)生。因此，在溫度發(fā)生變化時(shí)，必須減少空氣中水蒸汽的含量，可有效防止結(jié)露發(fā)生。

3 結(jié)露的預(yù)防

通過(guò)分析結(jié)露產(chǎn)生的原因，結(jié)合實(shí)際工作中的結(jié)露問(wèn)題，提出采用低露點(diǎn)氣體置換法，計(jì)算出氣體置換量，保證試驗(yàn)箱內(nèi)空氣被完全的置換;針對(duì)相對(duì)濕度較低的熱循環(huán)試驗(yàn)箱，提出采用吸附式干燥法。

3.1 低露點(diǎn)氣體置換法

在進(jìn)行熱循環(huán)試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)試驗(yàn)要求有溫度急劇變化的情況。在這樣的過(guò)程中熱容量大的部位容易結(jié)露。假設(shè)某熱循環(huán)試驗(yàn)箱進(jìn)行溫度試驗(yàn)，需要在20 min時(shí)間內(nèi)使試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度從70～－35℃變化，試驗(yàn)箱的容積為1 m3。

當(dāng)試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度進(jìn)行70～－35℃的變化，試驗(yàn)箱內(nèi)的空氣會(huì)重復(fù)發(fā)生膨脹與收縮的現(xiàn)象。

已知當(dāng)?shù)卮髿鈮簆1=8.5×104Pa;T1=343 K;T2=238 K;V1=V2=1 m3。根據(jù)公式pV=RT得:

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

進(jìn)入試驗(yàn)箱的空氣增加0.31 m3，箱內(nèi)的水分也相應(yīng)增加。由于溫度的下降，使試驗(yàn)箱中處于0℃以下的蒸發(fā)器結(jié)霜。在－35℃的運(yùn)行中，空氣中的大部分水分都在蒸發(fā)器上結(jié)了霜，箱內(nèi)空氣的絕對(duì)濕度很小，也就是說(shuō)箱內(nèi)是干燥的。如果試驗(yàn)箱從－35℃～70℃，已結(jié)成霜的水分就要溶解而變成水蒸汽。因此試驗(yàn)箱內(nèi)空氣中的絕對(duì)濕度就會(huì)上升。溫度急劇上升時(shí)，試樣與試驗(yàn)箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(yàn)箱內(nèi)空氣溫度及與試驗(yàn)箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫差的加大，故容易產(chǎn)生結(jié)露。

因此，在防止試樣結(jié)露時(shí)，必須保證沒(méi)有外界空氣的滲入，須向試驗(yàn)箱內(nèi)置換低露點(diǎn)氣體。通常內(nèi)容積為1 m3的熱循環(huán)試驗(yàn)箱，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下、0℃時(shí)，提供100 L/min［2］的低露點(diǎn)氣體。低露點(diǎn)的置換氣體可以選用低露點(diǎn)的空氣或干燥氮?dú)?。這種方法需配制一套氮?dú)獍l(fā)生器或空氣壓縮機(jī)，其生產(chǎn)的氣量必須大于200 L/min。

3.2 吸附式干燥法

在工業(yè)上，常用的空氣干燥方法有化學(xué)法、凍結(jié)法和吸附法［3］。化學(xué)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(chǔ)。在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，由于這些化學(xué)吸收劑的化學(xué)特性，不適用于高低溫試驗(yàn)中。

凍結(jié)法干燥空氣是通過(guò)制冷的方法，使空氣通過(guò)表面溫度低于被冷卻空氣的露點(diǎn)溫度，空氣在冷卻過(guò)程中有一部分水析出，從而達(dá)到干燥空氣的目的。凍結(jié)法干燥器具有流量大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、除濕量大等優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是噪音大、壓力露點(diǎn)高等。

吸附法干燥空氣是利用具有吸濕性能的吸附劑來(lái)吸收空氣中的水分以達(dá)到干燥的目的，常用的吸附劑有硅膠、分子篩、活性氧化鋁?？諝獾臏囟葘?duì)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(duì)濕度＜30%時(shí)，分子篩的吸水量比硅膠和活性氧化鋁都高，隨著相對(duì)濕度的下降，分子篩的優(yōu)越性越顯著;但在相對(duì)濕度＞40%時(shí)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(shù);此外還發(fā)展了微熱再生，用加熱設(shè)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(zhǎng)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(yùn)用了變溫吸附和變壓吸附的長(zhǎng)處，有明顯的優(yōu)越性。吸附法干燥器具有壓力露點(diǎn)低、噪音小、體積小和節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)上述干燥方法的特點(diǎn)，在熱循環(huán)試驗(yàn)箱中選用吸附式干燥器，由吸附式干燥器產(chǎn)生干燥的空氣送入循環(huán)箱內(nèi)。這種方法簡(jiǎn)便可行，可靠性高，且不會(huì)影響試驗(yàn)箱原來(lái)的結(jié)構(gòu)，只需定期更換吸附劑。

4 結(jié)論

熱循環(huán)試驗(yàn)中結(jié)露現(xiàn)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(guò)程中導(dǎo)致結(jié)露。根據(jù)這個(gè)原因，在試驗(yàn)中采用低露點(diǎn)氣體置換箱內(nèi)的空氣或使用吸附式干燥器等方法降低試驗(yàn)箱中水汽的含量，可有效預(yù)防結(jié)露發(fā)生。這兩種方法在熱循環(huán)試驗(yàn)中已經(jīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xué)［M］.高等教育出版社，1995.

［2］孫玉玉，王鳳車(chē)，刑征錦，等.溫、濕試驗(yàn)中結(jié)露的產(chǎn)生與預(yù)防措施探討［J］.環(huán)境技術(shù)，2008，6:11－14.

［3］張祉佑，石秉三.低溫技術(shù)原理與裝置［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，1981.

［4］劉仕技.干燥器在高低溫濕熱試驗(yàn)箱中的應(yīng)用［J］.電子質(zhì)量，2003，12:36－37.