密闭空间温湿度条件对LiOH吸收效率的影响.pdf

V0 1 1 8 No 5 1 4 载人航天 Ma n n e d S p a c e fl i g h t 第 1 8卷第 5期 2 0 1 2年 9月 密闭空间温湿度条件对 L i O H吸收效率的影响 杨国威 ，卞 强，余青霓，魏巍 ( 中国航天员科研训练 中心 ， 北京 1 0 0 0 9 4 ) 摘要针 对航天器故 障状态下，密闭空间温湿度可能会 出现较 大变化的问题 ，提 出 探 索温湿度 变化与 L i O H吸收效率的关系。通过模拟产品使 用工况 ，采取 小样试验的方法， 探 索不 同温湿度条件 的模拟 气体对 L i O H吸收效率 的影响。结果表 明，相 同温度条件 下， 相对湿度在 7 0 以下 ，不会形成游 离水和大块水合结晶；水蒸汽在 临近饱和状 态，尤其是 相对湿度 9 5 以上 ，材料表面会形成局部冷凝水溶液和 大块水合结晶 ，阻碍反应进行 ，使 L i O H吸收效率显著降低 。相 同湿度条件 下，温度对反应器有效工作 时间影响不大，对吸收 剂 L i O H 的吸 收效 率影 响不 明显 。 关键词 密闭空间；温湿度 ；有Ez - 作时间；吸收效率 中图分类号：V 4 1 6 5 文献标识码 ：A文章编号 ：1 6 7 4 5 8 2 5 ( 2 0 1 2 )0 5 0 0 1 4 0 5 l引 言 一 般情况下 ， C O 在空气中的含量 1j ( 体积分数 ) 为 0 0 3 0 0 4 ，当室 内 C O 2 浓度大于 1 5 时 ， 会 引起人体呼 吸困难和呼吸频率加快 、改变血液 p H 值 、 减弱人的活动能力等 ； 当浓度大于 3 时 ， 会引起 头疼 、 眩晕 、 和恶心 ； 当浓度大于 6 8 时 ， 可导致 昏迷和死亡。因此严格控制室内， 尤其是控制密闭空 间中人体代谢产生的 C O ： 浓度至关重要。 当前 ，国际上短期载人飞行和便携生保系统中 大量使用 L i O H作为 C O ： 吸收剂， 这是由于非再生情 况下 ， L i O H不仅分子量相对较小 ，可以有效降低发 射成本 ， 而且强碱与 C O 的化学反应剧烈 ， 在接触面 积充分的情况下 ， 反应非常彻底 。 工程设计上虽然充 分考虑了 C O 净化器的结构设计 、 装填物 L i O H的成 形方式对吸收效率的影响 ，但是产品在实际工作过 程中， 在温度 、 湿度、 气体流动等因素的共同作用下， C O 净化器 内部微观物理化学过程异常复杂 ，不仅 包含有蒸发、 扩散、 溶解等物理过程， 而且交织着化 学反应过程 ， 不 同过程之间也存在着相互关联影响。 载人航天器密闭空间有人驻 留的环境 中，正常条件 下系统控制的温度为 1 7 一 2 5 ，相对湿度为 3 0 7 0 ； 但是当系统控制出现故障时， 温湿度参数可能 会 出现较大 的波动 。环境 因素 的变化有可能影 响 C O 净化器 内部微观物理化学过程 ，导致 C O 吸收 剂孑 L 隙状态发生变化 ，最终影响 C O 净化器的净化 效率。 本文 旨在摸清故障状态下 ， 温湿度波动对 L i O H 吸收 C O ： 能力的影响 ，从而预估该工况条件下 C O 净化器的真实净化能力 ， 为决策提供参考依据。 2试验 2 1试验材料 试验所用的 C O 为北京兆格气体科技有 限公司 生产 ， N ： 为北京普莱克斯 实用气体有 限公司生产 ， L I O H为特制 ， C a C 1 ： 为北京奥博 星生物技术有 限公 司生产 。 2 2试验流程 试验采用 C O ： 和 N 纯气配成 C O 浓度为 0 3 的人 口气体 ， 加湿器调节湿度 ， 通过 匣温水浴槽调节 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 2 0 7 ； 修回 日期 ： 2 0 1 2 0 7 0 3 作者简介 ： 杨 国威( 1 9 8 5 - ) ， 男 ， 硕士 ， 助理研 究员 ， 主要从事大气净化 、 系统设计 等工作 。E - ma i l ： y a n g g u o w e i 1 9 8 5 1 6 3 c U m 万方数据 第 5期 杨国威 等： 密闭空间温湿度条件对 L i O H吸收效率的影响 1 5 温度( 加湿器放入水浴槽 中) ， 从而得到所需温度 、 湿 度 、 C O ： 浓度的模拟气体 ，气体通过装有 L i O H吸收 剂 的反 应 器 ，发 生化 学反 应 2 L i O H+ C O 2 = L i C O ， + H 0， 从而 吸收混合气 中的 C O ： ， 剩余气体经过干燥 管滤除水分后，进人 C O 分析仪从而获取反应器出 口的 C O 浓度 ， 当出口浓度达到 0 2 1 时停止试验 ， 整个试验过程参数通 过数字采集装置 实时记 录数 据。具体试验流程如下图所示 ： 图 1 试验流程图 2 _ 3评价及测试方法 ( 1 )反应器有效工作时间 ：即在某种环境条件 下 ，反应器控制出 口 C O 浓度在 O 2 1 内所维持的 时间。本次试验设计 的指标均来源于 C O 净化器性 能试验相关技术指标，该时间等效反映了C O 净化 器的有效工作时间。 ( 2 ) L i O H利 用 率 = 发 生 反应 的量 总装 填 量 = r I 0 8 8 6 1 ( 0 0 0 3 一 C ) 总装填量 ， 根据数字采集装 J U 置采集 的数据 ， 通过积分方法获得 C O 吸收总量 ， 进 而计算出发生化学反应的 L i O H量 ， 从而获取最终的 利用率。 ( 3 ) 微观形貌 ： 通过扫描 电子显微镜观察 L i O H 微观形貌 ， 电镜为北师大分析测试中心 日立 S - 4 8 0 0 场发射扫描电镜。 根据故障状态下一飞行器座舱密闭空间温湿度 可能出现的波动范围，确定本试验模拟气体的温度 和湿度的控制值及其组合方式，以研究不同温度和 不同湿度对 L i O H吸收效率 的影响。 3结果与讨论 3 1相同温度条件下， 湿度对材料吸收效率的影响 表 1 为模拟气体温度条件为 2 3 ：E，湿度条件分 别为 5 0 、 7 0 、 9 5 三种样品的有效工作时间 ， 其 中 L i O H通过控制样品体积来控制装填量 ， 表 中数据显 示装填量差别不大 ， 与 1 #和 2 #样 品相 比， 3 #样品有 效工作时间较短 ，即模拟气体温度为 2 3 、湿度为 9 5 情况下 ， 该反应器吸收 C O ： 能力相对较差 。 图 2为 2 3 条件下不同湿度对 L i O H利用率的 表 1 2 3 条件下三种样 品不 同湿度条 件下的有效工作时间 L i O H 气体温度 气体湿度 初始 L i O H 有效工作 样 品编号 ( ) ( ) 装填量 ( g ) 时间( h ) 1 # 2 3 5 0 3 44 1 1 8 6 7 2 # 2 3 7 0 3 4 2 5 1 1 9 8 0 3 # 2 3 9 5 3 6 4 2 6 3 0 3 影响曲线 ，从 图中可以看 出 3 #样品利用率最低 ， 只 有 4 3 3 2 ； 而 1 #和 2 #样 品 L i O H利用率差别不大 ， 并且相对较高。 试验中观察反应器发现 ， 3 #样品表面 湿度较大 ， L i O H药粒粘结在一起 ， 不易分开 ； 观察药 粒断层， 3 # 存在大块结晶现象， 而其余两种样品均没 有 ， 这是 由于在 9 5 的湿度条件下 ， 随着化学反应生 成水的增加 ， 水分在局部范围内形成饱和 ， 在材料表 面凝结 ， 从而会出现 L i O H的局部溶解嘲 或者 L i O H H ： 0结晶 ( L i C O 3 没有水合结晶) 3 _ ，阻止部分 L i O H 的反应 ； 而在 5 0 或 7 0 湿度条件下 ， 化学反应生成 水通过扩散形成蒸汽， 提高局部气体含湿量， 但不足 以使水汽饱和 ，随气流流向下游 。因此在 2 3 条件 下 ， 湿度对材料 吸收效率影响较大 ， 其中湿度为 9 5 时， L i O H利用率较低。 ， 、 、- 褂 旺 王 Q 一 图 2 2 3 条件 下不 同湿度对 L i O H利用率的影晌 万方数据 万方数据 第 5 期 赵守军 等： 液氧煤油载人运载火箭二级伺服机构系统方案 1 7 度条件下 ， HO H利用率均在 5 0 左右 ，可以说 明温 度在 1 6 E 2 8 C范围 内对吸收剂 L i O H的吸收效率 影 响不大。 表 3 9 5 湿度条件下三种样品在 不同温度条件 下的有效 工作时间 L i O H样 品 气体 温度 气体湿度 初始 L i O H 有效工作 时 编号 ( ) ( ) 装填量( g ) 间( h ) 7 # 1 6 9 5 3 3 46 6 44 7 3 # 2 3 9 5 3 6 42 63 O 3 28 9 5 3 4 8 1 6 3 5 7 ， 、 斛 畦 Q J 温度 ，( () 图 7 相对湿度 9 5 条件下不 同温度对 L i O H利用率的影响 同样为 了验证上述结果 的正确性 ，本文开展 了 5 0 湿度条件下 ，舱内温度对材料吸收效率影响的 试验 。表 4和图 8为 5 0 湿度条件下三种样 品在不 同温度条件下的有效工作时间和利用率 ，同样可以 发现模拟气体温度在 2 3 c I = 一 3 3 时， 反应器有效工作 时间差别不大； 湿度相同的条件下， 温度对 L i O H吸 收效率影响不大。 表 4 5 0 湿度条件 下三种样品在不 同温度条件下的有效 工作时间 L i O H样品 气体温度 气体湿度 初始 L i O H 有 效工作 时 编号 ( ) ( ) 装填量( g ) 间( h ) 1 # 2 3 5 0 3 4 4 1 1 8 6 7 甜 2 8 5 0 3 5 5 4 l 2 448 8 # 3 3 5 0 3 2 8 4 1 0 88 7 一 一 斛 旺 Z Q 图 8 相对湿度 5 0 条件 下不 同温度对 L i O H利用率的影响 4 结 论 1 ) 2 3 和 2 8 两组温度条件下 ， 湿度对 L i O H的 影响规律相似 ， 即相同温度条件下 ， 相对湿度在 7 0 以下 ， 不会形成游离水和大块 L i O H H 0； 相对湿度 9 5 以上 ， 材料表面会形成水溶液和大块水合结晶 ， 阻碍反应进行 ， 最终使 L i O H吸收效率明显降低 。 2 ) 5 0 和 9 5 两组湿度条件下 ， 温度对 L i O H的 影响规律类似 ， 即在 1 6 C 3 3 C 范围内， 温度对反应 器有效工作时间影响不大， 对吸收剂 L i O H的吸收效 率影响不明显。 3 ) 在正常人体舒适条件下 ， 即密 闭环境 中气体 温度 2 2 q C 2 4 ， 相对湿度为 5 0 7 0 条件下 ， L i 0 H 利用效率较高 ； 在故障状态下 ， 临近饱和的湿度将会 严重影响 L i O H利用效率 ， 需要引起注意。 参考文献 1 朱天乐， 郝吉明 室内空气污染物控制 化学工业出版社 ， 北京， 2 0 0 3 2 赵卓，傅平丰 L i O H H 2 0水合结晶与 C 0 2的反应动力学 航天 医学与医学工程 ， 2 0 0 7 ， 2 0 ( 5 ) ： 3 4 4 3 4 8 3 天津化工研究院等编 无机盐工业手册( 第二版) 下册 化学工业 出版社 ， 北京 ， 2 0 0 3 4 尉迟斌 ， 卢士勋， 周祖毅 实用制冷与空调工程手册 机械工业出 版社 ， 北京 ， 2 0 0 3 万方数据 1 8 载人航天 第 1 8卷 I nflue nc e o f Te mpe r a t u r e a nd Humi di t y o n Abs o r pt i o n Effi c i e nc y o f Li OH i n Co n fin e d S p a c e YANG Gu o