CN102814104B - 基于微重力下亲水/疏水复合微孔膜除湿的新装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种“基于亲水/疏水复合微孔膜的空气降温除湿”新装置，用于微重力条件下航天器舱内温湿度控制。该装置采用管壳式结构，低温冷水在数量众多的膜管管内流过，待处理的湿空气由膜管外侧流过。膜管管壁为“疏水-亲水性”复合材料，膜管的内壁为疏水性，使得管内的低温液体在正常或较低压力下不能向管外侧渗透；而膜管外壁为亲水性，有效保证了水蒸汽在其表面冷凝后顺利进入膜内微孔、以及冷凝水由膜管外壁向膜管内壁传递的单向性。随着湿空气焓热的不断加入，膜管内低温冷水温度升高，升温后的凉水经航天器的辐射散热器向宇宙空间辐射散热、降低温度，再次成为低温冷水，可供冷却除湿循环使用；湿空气中的水蒸汽冷凝后进入管内冷却水，被重复利用。

Description

基于微重力下亲水/疏水复合微孔膜除湿的新装置

技术领域

本发明提出一种“气-液型”膜空气除湿装置，通过亲水/疏水复合微孔膜对航天器舱内热湿空气进行脱湿除热，是微重力下“膜除湿和水蒸汽回收”合二为一的一种新技术。

技术背景

随着载人航天事业的飞速发展，发射长期在轨、内载多人的宇宙飞船和空间站等大型航天器是未来几年、几十年内终将完成的重大任务。其中如何对这些航天器舱内的空气湿度进行可靠、高效、节能、长期稳定的控制，且水蒸汽可循环利用，是飞船和空间站环境控制和生命保障分系统的关键技术难题之一。

航天器舱内的空气温湿度控制极为重要，但微重力下气液无法自然分离，因此造成舱内空气湿度的控制非常困难。航天器舱内环境的湿度控制主要采用露点除湿后再气液分离的方法。但现有方法要么需要消耗较大的电功率、且有运动机械，要么需要一次性吸水材料且不能将冷凝水回收利用，不适于大量和长期使用。因此，目前航天器舱内的空气湿度控制技术均存在一定的不足。开发、研制新型除湿技术是解决航天器舱内微重力下空气除湿、水汽分离难题的关键。

本发明针对上述难题，提出了“基于膜”的微重力环境下空气除湿新的解决方案。

发明内容

针对航天器内空气除湿的特点，本发明提供一种针对微重力条件下空气湿度控制的新装置——基于亲水和疏水复合微孔膜的水蒸汽冷凝回收型空气减焓除湿装置，与传统的航天器除湿系统相比，本发明装置结构简单，不仅巧妙地解决了微重力下气液分离的难题，省去了原系统中的水汽分离装置，从而大幅度降低了系统的重量；还可直接全部回收航天器舱内宝贵的水蒸汽。

由于复合膜的除湿过程靠具有亲水性的膜管外壁对热湿空气进行除湿，而复合膜管的内壁为疏水性，使得管内的冷水在正常或较低压力下不能向管外侧渗透，保证了水蒸气由膜管外壁向膜管内壁传递的单向性。

根据本发明的一个方面，提供了一种适用于微重力环境的复合膜除湿装置，其特征在于包括：

复合膜除湿器，用于使所述微重力环境中的热湿空气与流过所述除湿器的冷水进行脱湿换热，

一个辐射散热器，用于把所述冷水经由复合膜除湿器后所获得的热量散失到外界。

附图说明

图1显示了根据本发明的一个实施例的复合膜管结构详图。

图2显示了根据本发明的一个实施例的复合膜冷却除湿器示意图。

图3显示了根据本发明的一个实施例的复合膜除湿系统图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式具体说明本发明的技术方案。

图1为根据本发明的一个实施例的亲水/疏水复合微孔膜管5的横截面图。除湿器内的中空膜管管壁为亲水/疏水复合微孔膜结构，复合膜管的内壁是疏水性膜层3，使得管内的冷水在正常或较低压力下不能向管外侧渗透；而膜管外壁是亲水性膜层2，有效保证了水蒸汽在其表面冷凝后顺利进入膜内微孔，且由膜管外壁向膜管内壁传递的单向性。

如图2所示，根据本发明的一个实施例的膜除湿器包括：热湿空气入口21，干冷空气出口22，冷水入口23，冷水出口24，壳体25，中空纤维膜管束26，挡板27。壳体25通常为圆筒形，内部装有中空复合膜管束26；中空纤维膜管束26的两端固定在挡板27上。冷水流经复合膜管束26，吸收热湿空气中的潜热和显热，焓值增加，热湿空气减焓减湿；风机32(图3)将热湿空气从入口21抽入壳体25内，热湿空气流经复合膜管管束26外侧，水蒸汽经膜管5的亲水层2、疏水层3后最终进入膜管5内的冷水，从而完成除湿过程，从热湿空气入口21进入的热湿空气经过降温和除湿后变为从干冷空气出口22排出的干冷空气而重新进入航天器舱内环境。随着湿空气焓热的不断加入，膜管内冷水温度升高，升温后的冷却水流经航天器的辐射散热器34(图3)向太空散热降低温度，从而再次成为低温冷水，供冷却除湿循环使用；冷却水因冷凝而多出的部分则可以被重复利用。

如图3所示，根据本发明的一个实施例的基于微重力下亲水/疏水复合微孔膜除湿系统包括：除湿器31，风机32，水泵33，辐射散热器34以及储液罐35。

膜除湿换热回路的运行方式是：风机32推动航天器舱内热湿空气流入膜除湿循环回路，经膜除湿换热器31中的亲水/疏水复合微孔膜层2和3(图1)进行脱湿换热，其中水蒸气微层4中的水蒸气由冷水吸收；冷却水由水泵33驱动循环流动，经膜除湿器31吸收来自热湿空气的热量升温后，由辐射散热器34将热量辐射到太空中，使水温下降重新变为冷水，进入除湿器31循环使用；循环冷水吸收的由热湿空气中水蒸汽转变而成的液态水存于储液罐35中。

本发明的有益特点包括：

(1)本发明的除湿器中所用的膜为亲水/疏水复合微孔膜，由于复合膜管的内壁具有疏水性，使得管内的冷水在正常或较低压力下不能向管外侧渗透；而膜管外壁具有亲水性，有效保证了水蒸汽在其表面冷凝后顺利进入膜内微孔，且由膜管外壁向膜管内壁传递的单向性。

(2)本发明装置，在微重力下的除湿过程，通过膜内微孔的表面张力作用，巧妙避免了传统方法带来的气液分离难题。

(3)全部回收航天器舱内热湿空气中的水蒸汽，形成的液态水可以被重复利用，对于长期、多人在轨的航天器，意义重大。

(4)膜法除湿主要利用膜的选择透过性进行除湿，与其他除湿方法相比，具有除湿过程连续进行、无运动部件、工作可靠、分离效率高、能耗小等突出优点，在航天器舱内空气除湿方面具有明显优势。

Claims (5)

1.一种适用于微重力环境的复合膜除湿装置，其特征在于包括：

复合膜除湿器(31)，用于使所述微重力环境中的热湿空气与流过所述复合膜除湿器的冷水进行脱湿换热，

一个辐射散热器(34)，用于把所述冷水经由复合膜除湿器(31)后所获得的热量散失到外界，

一个储液罐(35)，用于储存所述冷水与所述热湿空气进行脱湿换热而回收的水，

一个水泵(33)，用于提供所述冷水的循环动力，

风机(32)，应用推动所述热湿空气在除湿回路中循环流动，

其中：

所述复合膜除湿器(31)包括亲水/疏水复合微孔膜管(5)，亲水/疏水复合微孔膜管(5)的中空膜管的管壁为亲水/疏水复合微孔膜结构并包括：

作为内壁的疏水性膜层(3)，用于使管内流过的所述冷水在正常和/或较低压力下不能向亲水/疏水复合微孔膜管(5)的外侧渗透；

作为外壁的亲水性膜层(2)，用于保证热湿空气中的水蒸汽在亲水性膜层(2)的表面冷凝后顺利进入亲水性膜层(2)内的微孔。

2.根据权利要求1所述的复合膜除湿装置，其特征在于：

储液罐(35)设置于辐射散热器(34)上游，以保证经辐射散热器之后的冷水直接进入复合膜除湿器(31)，减少冷量损失。

3.根据权利要求2所述的复合膜除湿装置，其特征在于进一步包括：

设置在储液罐(35)之前的单向阀门(36)。

4.根据权利要求1所述的复合膜除湿装置，其特征在于：

复合膜除湿器(31)又是换热组件，可看作是管壳式换热器，以封闭在壳体中的中空纤维管束的壁面作为传热面的间壁式换热器。

5.根据权利要求要求1所述的复合膜除湿装置，其特征在于：

冷水流经复合膜除湿器(31)的中空纤维管束后会吸收热湿空气的热量使自身温度升高，该部分热量通过辐射散热器(34)散放到太空中。