[科普中国]-产水率

产水率(water production rate)是指载人航天器系统单位时间的产水量。载人航天器的一些设备的产物或副产物是航天员赖以生存的宝贵物质资源——水。美国载人飞船、航天飞机乃至空间站，都使用燃料电池作为能源，其副产物水是乘员的主要水源。

简介产水率(water production rate)是指载人航天器系统单位时间的产水量。载人航天器的一些设备的产物或副产物是航天员赖以生存的宝贵物质资源——水。美国载人飞船、航天飞机乃至空间站，都使用燃料电池作为能源，其副产物水是乘员的主要水源。“和平号”空间站的尿液处理设备的产物——纯净水是电解制氧的水源。萨巴蒂埃二氧化碳还原系统产生的水是乘员饮用的部分水源。这些产水设备的水产量是至关重要的参数。“阿波罗”飞船使用的燃料电池的产水率为0.35 kg/(kW·h)。就环境控制和生命保障系统252W的用电功率，每天6.1kW·h的电耗而言，产水率为每天2.1kg。显然产水率受用电情况的制约，是变量。尿液再生设备产水率为每天1.8kg，但也随设备的状态而改变。萨巴蒂埃二氧化碳还原系统的产水率是二氧化碳输入量和氢气与二氧化碳的比例的函数，但就平均值来说，一个4人乘员组的空间站中该系统的产水率为每人2.5kg或每年912kg1。

膜蒸馏膜蒸馏是一种新型膜分离技术，它利用高分子膜的某些结构上的功能，来达到蒸馏的目的。在长期载人航天器的水回收与再生系统中，热电集成膜蒸馏子系统TIMES (Thermoelectric Integrated Membrane Evaporation Subsystem)已经成功地将尿液处理成为卫生水文献但由于TIMES中的热电制冷元件成本很高，使膜蒸馏这一高效率的水处理技术的地面应用受到很大的限制。蒸汽压缩热泵技术十分成熟，而且高温蒸汽压缩热泵己经成功应用于油田工业废热回收。因此，有学者提出了用蒸汽压缩热泵代替热电制冷的热回收新方案2。

工作原理及可行性分析本系统包括膜蒸馏和热回收两大子系统。膜蒸馏系统由疏水性中空纤维膜组件、循环泵、真空机组、真空集液器和二级冷凝器构成。热回收系统包括:压缩机、蒸发器、冷凝器和毛细管。系统中存在三个相互关联的流动传热回路:蒸汽压缩制冷回路、循环水加热回路和水蒸气冷凝和收集通道。

循环废水在冷凝器中吸收来自制冷剂的冷凝潜热，温度升高后，进入中空纤维膜组件中，在膜两侧的饱和压力差作用下，部分水在膜的外表面蒸发成为饱和水蒸气。水蒸气在制冷系统的蒸发器中向制冷剂放热而冷凝成液态水、通过二次冷凝器和真空机组收集。绝大部分废水则回到制冷系统的冷凝器中再次被加热。压缩机则将来自蒸发器的制冷剂蒸汽压缩，提高温度和压力后，回到制冷系统的冷凝器中冷凝，将热量传递给循环废水，维持整个系统的正常工作。当循环废水温度较高时，废水中的有机物容易分解，分解产物会和水蒸气一起穿过蒸馏膜的微孔，影响净水的水质。因此要求通过膜纤维的循环水温度不高于700℃，相应的饱和蒸汽压力低于31kPa。系统实验所需的真空度由微型真空泵维持。水蒸气侧的绝对压力可达3.8kPa。

采用蒸汽压缩制冷代替半导体热电制冷，在保证产水率的条件下，系统的制冷系数不能太低，否则会使系统的运行成本过高失去价值。TIMES中，半导体热电制冷的制冷系数在3~4之间，对于常用的氟利昂小型蒸汽压缩制冷系统，当蒸发温度为5℃冷凝温度为45℃时，制冷系数约为2.8~3.2。从膜蒸馏的原理讲，还允许提高制冷系统的冷凝温度和蒸发温度，减小制冷温差。因此，只要匹配合适系统的制冷系数有望再提高一些2。

冷凝水处理航天员在载人航天器中生活和工作时，由于生命的需要，会和周围环境进行物质和能量的代谢。其中每人每天通过呼吸、排汗等正常代谢活动大约可产生1.5kg左右的水汽，日常生活中所使用的毛巾物品也会散发出少量水汽。这些构成了冷凝水的来源。

俄罗斯开展冷凝水处理研究相对较早，自礼炮4号空间站开始，航天员的饮用水是从冷凝水回收的。处理工艺相对简单，冷凝水再被收集后注入储水罐中，罐内含有离子交换树脂和活性炭，然后送入过滤器过滤，往饮水中加入所必需的矿物质，经加热，再加入银制剂以控制水中微生物作为饮用水存储起来。

美国开展冷凝水处理研究相对较晚，与俄罗斯不同，国际空间站美国舱内没有单独的冷凝水处理系统，由冷凝水、还原气体中二氧化碳过程产生的水、燃料电池工作产生的水、洗漱废水和预处理后的尿液组成的混合废水有一套废水深度处理系统 (Water Processor Assembly, WPA)进行处理，处理后的废水可达到饮用水级别。WPA系统主要包含两个主要处理单元，一个是多层过滤单元(Multifiltration Unit, MF)，一个是催化氧化单元(Volatile Removal Assembly Unit, VRA)。

2002年4月，国际空间站上美国舱添加了一套冷凝水输送单元(Condensate Feed Unit, CFU)，美国舱内产生的冷凝水不再与其它废水混合，不再通过VRA单元处理，而是由CFU单元直接输送到俄罗斯舱SRVK系统进行处理。

随着2007年中国国防科学技术工业委员发布《航天发展“十一五”规划》，建立长期载人飞行的空间站是我国航天未来的发展方向，但环境控制生命保障系统技术的研究还处于起步阶段，对于空间站中所产生的冷凝水的处理方法研究还处在探索阶段，未见公开报道1。

热电膜蒸发废水再生所谓渗透蒸发是指被分离物透过膜时, 在膜两侧组分的蒸汽分压差的作用下, 液体混合物部分地蒸发, 从而达到分离目的的一种分离方法。它不同于常规膜分离方法, 它在渗透过程中将产生由液相到气相的转变。其分离机制可分为三步：

（1）被分离的物质在膜的一侧表面上有选择性地被吸附并被溶解

（2）以扩散形式在膜内渗透;

（3）在膜的另一侧变成气相脱附而与膜分离开来。

根据渗透蒸发的原理, 设计了尿液处理装置, 它由废水循环部分、膜蒸发箱、冷凝及潜热回收系统、真空及净水收集系统和测量系统五个部分组成。

废水循环部分：由废水循环箱、循环泵、电加热器构成, 其作用是给膜蒸发箱供料及给水的蒸发提供能量, 即以循环废水的显热来提供水蒸发的汽化热;同时, 从热电泵系统中回收冷凝潜热, 并消除膜蒸发箱中由于水的蒸发所引起的膜面上的浓差极化。

膜蒸发箱：由于尿液的腐蚀性和操作条件的严格性, 一般的渗透蒸发膜难以满足要求, 因而选定一种对称均质无孔的优先透水膜—全氟磺酸膜, 它是由全氟磺酰氟树脂经熔融加工成型后, 再经化学反应转化而成。

冷凝及潜热回收系统：从膜发器出来的蒸汽, 需冷凝成水, 依靠相变进一步与易挥发性的物质分离, 在这一过程中有大量的冷凝潜热放出, 如何利用这些能量, 降低系统的功耗, 是空间应用必须考虑的, 为此采用半导体致冷元件与板式换热器组成的系统对蒸汽进行冷凝, 回收冷凝潜热对循环废水进行加温。

真空及净水收集系统：由于尿液中的主要成份超过65℃将有一定的分解, 影响净化水的水质, 为保证在此温度下水份的蒸发, 需维持一定的真空度, 同时依靠真空的抽吸将不可冷凝挥发性物质排出。而冷凝的水蒸汽进入净水收集罐中。

测量系统：测量系统有两部分, 一部分是对系统工作状况的测量, 由温度、压力、流量等传感器组成, 另一部分是对水质进行检测, 由pH 、电导传感器组成。采集的数据送计算机进行处理2。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所