產水率

產水率(water production rate)是指載人太空飛行器系統單位時間的產水量。載人太空飛行器的一些設備的產物或副產物是航天員賴以生存的寶貴物質資源——水。美國載人飛船、太空梭乃至空間站，都使用燃料電池作為能源，其副產物水是乘員的主要水源。

基本介紹

• 中文名：產水率
• 外文名：water production rate
• 學科：航空工程
• 領域：航天
• 釋義：載人太空飛行器系統單位時間的產水量
• 主要水源：副產物水

簡介

產水率(water production rate)是指載人太空飛行器系統單位時間的產水量。載人太空飛行器的一些設備的產物或副產物是航天員賴以生存的寶貴物質資源——水。美國載人飛船、太空梭乃至空間站，都使用燃料電池作為能源，其副產物水是乘員的主要水源。“和平號”空間站的尿液處理設備的產物——純淨水是電解制氧的水源。薩巴蒂埃二氧化碳還原系統產生的水是乘員飲用的部分水源。這些產水設備的水產量是至關重要的參數。“阿波羅”飛船使用的燃料電池的產水率為0.35 kg/(kW·h)。就環境控制和生命保障系統252W的用電功率，每天6.1kW·h的電耗而言，產水率為每天2.1kg。顯然產水率受用電情況的制約，是變數。尿液再生設備產水率為每天1.8kg，但也隨設備的狀態而改變。薩巴蒂埃二氧化碳還原系統的產水率是二氧化碳輸入量和氫氣與二氧化碳的比例的函式，但就平均值來說，一個4人乘員組的空間站中該系統的產水率為每人2.5kg或每年912kg。

膜蒸餾

膜蒸餾是一種新型膜分離技術，它利用高分子膜的某些結構上的功能，來達到蒸餾的目的。在長期載人太空飛行器的水回收與再生系統中，熱電集成膜蒸餾子系統TIMES (Thermoelectric Integrated Membrane Evaporation Subsystem)已經成功地將尿液處理成為衛生水文獻但由於TIMES中的熱電製冷元件成本很高，使膜蒸餾這一高效率的水處理技術的地面套用受到很大的限制。蒸汽壓縮熱泵技術十分成熟，而且高溫蒸汽壓縮熱泵己經成功套用於油田工業廢熱回收。因此，有學者提出了用蒸汽壓縮熱泵代替熱電製冷的熱回收新方案。

工作原理及可行性分析

本系統包括膜蒸餾和熱回收兩大子系統。膜蒸餾系統由疏水性中空纖維膜組件、循環泵、真空機組、真空集液器和二級冷凝器構成。熱回收系統包括:壓縮機、蒸發器、冷凝器和毛細管。系統中存在三個相互關聯的流動傳熱迴路:蒸汽壓縮製冷迴路、循環水加熱迴路和水蒸氣冷凝和收集通道。

循環廢水在冷凝器中吸收來自製冷劑的冷凝潛熱，溫度升高后，進入中空纖維膜組件中，在膜兩側的飽和壓力差作用下，部分水在膜的外表面蒸發成為飽和水蒸氣。水蒸氣在製冷系統的蒸發器中向製冷劑放熱而冷凝成液態水、通過二次冷凝器和真空機組收集。絕大部分廢水則回到製冷系統的冷凝器中再次被加熱。壓縮機則將來自蒸發器的製冷劑蒸汽壓縮，提高溫度和壓力後，回到製冷系統的冷凝器中冷凝，將熱量傳遞給循環廢水，維持整個系統的正常工作。當循環廢水溫度較高時，廢水中的有機物容易分解，分解產物會和水蒸氣一起穿過蒸餾膜的微孔，影響淨水的水質。因此要求通過膜纖維的循環水溫度不高於700℃，相應的飽和蒸汽壓力低於31kPa。系統實驗所需的真空度由微型真空泵維持。水蒸氣側的絕對壓力可達3.8kPa。

採用蒸汽壓縮製冷代替半導體熱電製冷，在保證產水率的條件下，系統的製冷係數不能太低，否則會使系統的運行成本過高失去價值。TIMES中，半導體熱電製冷的製冷係數在3~4之間，對於常用的氟利昂小型蒸汽壓縮製冷系統，當蒸發溫度為5℃冷凝溫度為45℃時，製冷係數約為2.8~3.2。從膜蒸餾的原理講，還允許提高製冷系統的冷凝溫度和蒸發溫度，減小製冷溫差。因此，只要匹配合適系統的製冷係數有望再提高一些。

冷凝水處理

航天員在載人太空飛行器中生活和工作時，由於生命的需要，會和周圍環境進行物質和能量的代謝。其中每人每天通過呼吸、排汗等正常代謝活動大約可產生1.5kg左右的水汽，日常生活中所使用的毛巾物品也會散發出少量水汽。這些構成了冷凝水的來源。

俄羅斯開展冷凝水處理研究相對較早，自禮炮4號空間站開始，航天員的飲用水是從冷凝水回收的。處理工藝相對簡單，冷凝水再被收集後注入儲水罐中，罐內含有離子交換樹脂和活性炭，然後送入過濾器過濾，往飲水中加入所必需的礦物質，經加熱，再加入銀製劑以控制水中微生物作為飲用水存儲起來。

美國開展冷凝水處理研究相對較晚，與俄羅斯不同，國際空間站美國艙內沒有單獨的冷凝水處理系統，由冷凝水、還原氣體中二氧化碳過程產生的水、燃料電池工作產生的水、洗漱廢水和預處理後的尿液組成的混合廢水有一套廢水深度處理系統 (Water Processor Assembly, WPA)進行處理，處理後的廢水可達到飲用水級別。WPA系統主要包含兩個主要處理單元，一個是多層過濾單元(Multifiltration Unit, MF)，一個是催化氧化單元(Volatile Removal Assembly Unit, VRA)。

2002年4月，國際空間站上美國艙添加了一套冷凝水輸送單元(Condensate Feed Unit, CFU)，美國艙內產生的冷凝水不再與其它廢水混合，不再通過VRA單元處理，而是由CFU單元直接輸送到俄羅斯艙SRVK系統進行處理。

隨著2007年中國國防科學技術工業委員發布《航天發展“十一五”規劃》，建立長期載人飛行的空間站是我國航天未來的發展方向，但環境控制生命保障系統技術的研究還處於起步階段，對於空間站中所產生的冷凝水的處理方法研究還處在探索階段，未見公開報導。

熱電膜蒸發廢水再生

所謂滲透蒸發是指被分離物透過膜時, 在膜兩側組分的蒸汽分壓差的作用下, 液體混合物部分地蒸發, 從而達到分離目的的一種分離方法。它不同於常規膜分離方法, 它在滲透過程中將產生由液相到氣相的轉變。其分離機制可分為三步：

（1）被分離的物質在膜的一側表面上有選擇性地被吸附並被溶解

（2）以擴散形式在膜內滲透;

（3）在膜的另一側變成氣相脫附而與膜分離開來。

根據滲透蒸發的原理, 設計了尿液處理裝置, 它由廢水循環部分、膜蒸發箱、冷凝及潛熱回收系統、真空及淨水收集系統和測量系統五個部分組成。

廢水循環部分：由廢水循環箱、循環泵、電加熱器構成, 其作用是給膜蒸發箱供料及給水的蒸發提供能量, 即以循環廢水的顯熱來提供水蒸發的汽化熱;同時, 從熱電泵系統中回收冷凝潛熱, 並消除膜蒸發箱中由於水的蒸發所引起的膜面上的濃差極化。

膜蒸發箱：由於尿液的腐蝕性和操作條件的嚴格性, 一般的滲透蒸發膜難以滿足要求, 因而選定一種對稱均質無孔的優先透水膜—全氟磺酸膜, 它是由全氟磺醯氟樹脂經熔融加工成型後, 再經化學反應轉化而成。

冷凝及潛熱回收系統：從膜發器出來的蒸汽, 需冷凝成水, 依靠相變進一步與易揮發性的物質分離, 在這一過程中有大量的冷凝潛熱放出, 如何利用這些能量, 降低系統的功耗, 是空間套用必須考慮的, 為此採用半導體致冷元件與板式換熱器組成的系統對蒸汽進行冷凝, 回收冷凝潛熱對循環廢水進行加溫。

真空及淨水收集系統：由於尿液中的主要成份超過65℃將有一定的分解, 影響淨化水的水質, 為保證在此溫度下水份的蒸發, 需維持一定的真空度, 同時依靠真空的抽吸將不可冷凝揮發性物質排出。而冷凝的水蒸汽進入淨水收集罐中。

測量系統：測量系統有兩部分, 一部分是對系統工作狀況的測量, 由溫度、壓力、流量等感測器組成, 另一部分是對水質進行檢測, 由pH 、電導感測器組成。採集的數據送計算機進行處理。