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摘要　卫星电池舱空调净化系统具有高压、小流量、低温、洁净、直流等特点。介绍了该特
殊系统的设计方案和运行情况。
关键词　卫星电池舱　空调　净化　设计
De s i g n of t h e a ir c o n diti o ni n g a n d
c l e a ni n g s ys t e m f or a s a t e llit e b a tt e ry c a bi n
By Li Zhaojian ★ and Wan Caida
Abs t r a c t 　The a i r c ondi t i oni ng a nd c l e a ni ng s ys t ems f o r s a t e l l i t e b a t t e r y c a bi ns ha ve t he
c ha r a c t e r i s t i c s of hi gh p r e s s ur e , a sma l l qua n t i t y of a i r f l ow , l ow t emp e r a t ur e , c l e a ni ng a nd
di r e c t e xha us t . P r e s e n t s t he d e s i gn s c heme a nd op e r a t i ng s i t ua t i on of t he s p e c i a l s ys t em.
Ke ywo r ds 　s a t e l l i t e b a t t e r y c a bi n , a i r c ondi t i oni ng , c l e a ni ng , d e s i gn
1①　概况
根据中美签定的有关合同,太原
卫星发射中心承接了美国休斯公司
为摩托罗拉公司制造的12 颗铱通讯
卫星(以下简称铱星) 的发射任务。
铱星自带的电池在发射之前需充电,
充电时将产生大量热量,如果不采取
措施,卫星电池舱内的温度将迅速升
高,危及卫星的安全,为此美方要求
太原卫星发射中心的卫星发射塔必
须设置卫星电池空调净化系统,为铱
星的电池舱提供高压、低温、低湿、洁
净的空气。该系统具有送风压力高、
风量小、温度低、湿度低、洁净度高等
特点, 由于多种技术难题交织在一
起,其设计研究难度大。太原卫星发
射中心通过对多家设计研究单位的
方案比较,最后确定由我院承担该系
统的设计研究工作。该工作于1995
年1 月开始,1995 年8 月完成。1996
年7 月系统安装调试完毕,其各项性
能达到设计要求,通过验收正式交付
使用。
2 　设计参数要求
送风温度为(10 ±3) ℃; 相对湿
度为30 %～60 % ; 流量为0. 4～4. 5
m3/ min ;送风机压力为35 kPa ,送风
口压力为14 kPa (均为表压) ;洁净度
为1 万级。
3 　设计特点
3. 1 　高压空调净化系统
由于铱星电池舱空间很小,气流
阻力大,要将空气送入电池舱必须有
较大的压力,根据美方的要求,风机
压力需达到35 kPa ,送风口压力需达
到14 kPa。而普通空调净化系统风
机出口压力通常不超过2 kPa ,系统
管道和设备都不能承受高压。高压
空调净化系统设计没有现成设计规
范可循,也没有先例可以借鉴,系统
的设计计算和设备的研制是新的难
题。
3. 2 　冬季工况时加湿和降温互相矛
盾
冬季工况时,为了解决超声波加
湿设备不能在高压环境中工作的问
题,必须在风机入口的低压段加湿,
为了达到较好的加湿效果,进入超声
波加湿器的空气应有较高的温度,通
常不能低于15 ℃,经过风机加压后
空气温度更是大幅度上升,为了满足
低温送风的要求,需开制冷机降温,
而直接蒸发器在降温的同时具有除
湿作用,加湿和降温互相矛盾给设计
带来困难。
3. 3 　直流系统送风参数波动大
太原卫星发射中心气候条件十
分恶劣,其室外气温变化大,冬季最
低温度低于30 ℃,夏季最高气温高
于35 ℃,全年温差高达65 ℃。一天
内室外气温变化也可能超过20 ℃。
该系统为直流式系统,新风状态的大
幅度变化,将造成系统处理状态的大
幅度变化,甚至会在一天内出现冬夏
季工况反复转换的情况,使系统送风
参数稳定的难度增大

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3. 4 　高压小流量空气的处理和输送
难度大
该系统要求的送风量很小,总送
风量仅为0. 4～4. 5 m3/ min ,高压力
小流量给空气处理、管道输送和送风
参数保证都带来了困难。对管道和
设备的密封和保温性能要求大大提
高,由于没有定型设备可选,加热器、
直接蒸发器、高效过滤器等设备必须
进行非标设计。
图1 　卫星电池空调净化系统流程图
3. 5 　对系统工作可靠性要求高
由于该系统的作用是在铱星发
射前为卫星电池舱送风,其性能的好
坏关系着铱星发射的成败,因此对该
系统的可靠性提出了很高的要求。
4 　设计方案
根据该系统的特殊要求,本着确
保参数要求、系统工作可靠、节省投
资、操作简单的设计原则,进行了多
方面的设计研究,通过大量的计算分
析和对多种方案的对比,确定了合理
的流程方案(见图1) ,并对系统参数
进行优化,系统主要工作原理如下。
4. 1 　冬季工况
除湿旁路关闭,加湿旁路开通。
新风经粗效过滤,通过第一级电加热
器加热后进入超声波加湿器加湿,通
过罗茨鼓风机加压,然后经第二级电
加热器加热(过渡季节时开启第三级
风冷直接蒸发制冷机组降温达到设
计参数) ,经进入中效过滤器二次过
滤后,一部分空气旁通回新风口,其
余空气经高效过滤器过滤后进入送
风管。
4. 2 　夏季工况
除湿旁路开通,加湿旁路关闭。
新风经过粗效过滤后经第一级风冷
直接蒸发制冷机组的冷却,通过硅胶
转轮除湿机除湿,然后经过第二级风
冷直接蒸发制冷机组的冷却,进入罗
茨风机加压,风机出口空气的一小部
分供给转轮除湿机作为再生气源,以
提高系统的除湿能力,大部分经过第
三级风冷直接蒸发制冷机组的冷却
达到设计参数,经过中效过滤器二次
过滤后,一部分空气旁通回新风口,
其余空气经过高效过滤器过滤后送
入送风管。

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4. 3 　系统调控方案
采用高可靠性的工业控制机,实现系统流程、设备运行状态和实测参数的自动显示、控制、储存和打印。夏季通过控制三套风冷直接蒸发冷夏季通过控制三套风冷直接蒸发冷调节。冬季热量的大幅度调节通过对第一级电加热器进行分组调节来实现。通过控制再生温度的方法进行除湿机的除湿量调节。通过控制电压的方法进行超声波加湿器加湿量的调节。风量由空调机房内旁通阀调节。主要设备均具有自动和手动两种控制方式,工作可靠性高。
4. 4 　主要技术难题的解决方案
4. 4. 1 　高压问题的解决
如果用于该空调系统的所有空气处理设备全部非标研制,将使系统投资大幅度增加。在进行系统流程设计时,尽量将选用的非标研制难度和投资大的设备,如转轮除湿机和超声波加湿器,设置在风机入口前的低压段, 对于只能设置在高压段的设备,如电加热器、直接蒸发器、高效过滤器均进行非标设计,以提高耐高压能力。采用圆形风管和蝶阀,以提高系统管道的耐压能力和密封性能。
4. 4. 2 　加湿方案
铱星在充电时和充电后,如果送风相对湿度太低,会出现严重的静电现象,有可能危及铱星的安全,因此冬季送风时必须进行加湿处理。由于发射塔塔架上没有蒸汽源,而系统需要的加湿量也很小,通过比较确定采用超声波加湿器进行加湿。但该设备不能承受高压,为了确定设置加湿器的最佳位置,进行了多次试验研究,通过对理论和试验结果的分析,确定将加湿器设在一级预热电加热器后面离电加热器2 m 处,靠近风机入口处的低压段,其加湿性能较好,且受电加热器的影响较小, 安全性好.
4. 4. 3 　冬季工况时加湿和降温矛盾的处理
该高压空调净化系统将出现冬季需要开制冷机降温的情况,带来了加湿和降温互相矛盾的问题。在设计中采用远离超声波加湿器的第三级制冷机对系统进行冷却,并适当提高其蒸发温度(定为5 ℃) ,减小了降温带来的除湿效应。运行结果表明,该措施效果良好。
4. 4. 4 　稳定送风参数的技术措施
采用系统部分风量通过机房室内旁通循环的方法,即将空调机房作为一个稳定器,在不增加系统设备投资的情况下,提高了系统新风参数的稳定性,从而提高了系统对室外气温剧烈变化的适应能力和送风参数的稳定性。
4. 4. 5 风管保温
由于系统风量很小,采用普通的保温材料和作法, 送风管道温降很大,无法保证送风口的温湿度参数。通过计算,送风管道采用新型PVC/NBR 保温材料保温,厚度为75 mm。另外加湿器的供水箱设置在空调机房屋顶上的固定平台上,其供水管暴露在室外,由于供水量很小,同时冬季室外温度很低,这段水管很容易冻堵,为此采用电加热带缠绕外加保温,实际使用效果良好。
4. 4. 6 　系统可靠性设计采用四项主要措施提高系统的可靠性。a) 主要设备均采用高可靠性的产品,如转轮除湿机采用进口硅胶转轮除湿机,三套制冷机的压缩机均采用全封闭压缩机,加湿器采用工业专用超声波加湿器。b) 对关键且容易发生故障的部件设置备用,如三套制冷机的压缩机均一用一备。c)系统空气处理能力预留有一定的裕量。d) 具有自动和手动两套控制方式,以提高控制系统的可靠性。

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4. 5 　主要设计参数
加压风机采用1 台罗茨鼓风机L33 , ,风压为49 kPa ,流量为9. 89 m3/min ,额定功率为15 kW。一级电加热器分三挡控制,最大功率为12 kW(6kW+ 3 kW+ 3 kW) 。二级电加热器采用可控硅无级调节, 最大功率为6kW。加湿采用1 台工业专用超声波加湿器,型号为YC2L/ 5 ,其有效加湿量为4. 5 kg/ h ,功率为250 W。除湿采用1 台硅胶转轮除湿机, 型号为ML690 ,最大处理风量为690 m3/ h ,功率为7. 8 kW。一级风冷直接蒸发冷凝机组制冷量为14. 9 kW,功率为4. 9kW。蒸发温度为0 ℃。二级风冷直接蒸发冷凝机组蒸发温度为0 ℃,制冷量为14. 9 kW,功率为4. 9 kW。三级风冷直接蒸发冷凝机组制冷量为10. 32 kW,功率为4. 5 kW,夏季蒸发温度为0 ℃,冬季蒸发温度为5 ℃。三级制冷机的制冷剂均为R22。
5 　主要测试结果
5. 1 　调试结果
1996 年1 月和7 月进行了冬季和夏季两种工况的调试,测试结果表明该系统各设备工作正常,其主要测试结果如下:a) 送风温度夏季可降到8 ℃,冬季可升到19 ℃,升温和降温能力满足要求。
b) 相对湿度冬季加湿可达到45 % ( 13 ℃时) , 夏季除湿可达到27. 9 %(6. 3 ℃时) ,加湿和除湿能力满足要求。
c) 送风量大于400 m3/ h ( 6. 7m3/ min) ,满足大于4. 5 m3/ min 的要求。
d) 送风机压力49 kPa ,送风口压力大于14 kPa。
e) 洁净度达到1 万级。
实测数据表明,该系统加热、降温、加湿、除湿能力均达到了设计要求,并有一定的余量。系统的送风量、送风洁净度、送风温度和湿度、送风压力均满足要求,其自动控制系统工作正常,控制精度满足要求。
5. 2 　使用情况
该系统于1996 年7 月投入使用以来,通过了7 次不同季节卫星发射的实际考验,证明该系统工作可靠、适应性强、各项性能参数均满足使用要求,该设计方案是成功的。
6 　结语
总结该特殊空调净化系统设计、调试和运行考核中的一些经验和教训,得出以下一些体会,供设计类似工程时参考。
6. 1 　高压空调系统的温升和承压问题
普通空调系统风机前后的温升通常不大于3 ℃,但高压空调系统风机的温升大大增加,本系统实测风机温升达到15 ℃,在系统热力计算、制冷和加热设备选型计算时应充分考虑该因素,在风机前后应采用不同压力的h2d 图进行计算分析。为了提高系统管道的耐压能力和密封性能,风管宜采用圆形风管,阀门应采用蝶阀,电加热器和直接蒸发器等空调设备的外密封可采用加厚镀锌钢板焊接。高压风机的振动较大,其前后应采用软接头隔振,但目前常用的橡胶耐压软接头,其隔振效果较差,容易造成接口法兰与风管的连接处疲劳断裂。另外高压空调系统阀门的开关应缓慢,否则可能对高效过滤器和温湿度传感器造成损坏。
6. 2 　一些特殊工况时的问题
该系统将出现冬季需要开制冷机降温的情况,这将带来加湿和降温互相矛盾的问题。另外,对于直流式系统,新风状态大幅度变化,将造成系统处理状态的大幅度变化,甚至会在一天的时间内,出现冬夏季工况反复转换的情况,对此在系统和控制设计中应充分考虑。
6. 3 　直流式空调系统送风参数的稳定控制
设计中将部分风量通过小机房旁通循环,将空调机房作为一个稳定器,以提高系统对室外气温剧烈变化的适应能力和送风参数的稳定性,实测结果表明,该方法经济有效。
6. 4 　小风量系统的管道保温要求高由于系统风量很小,采用普通的保温材料和作法,送风管道温降(或温升) 很大,15 m 长的送风管道冬季温降可以达到30 ℃,如果不采取特殊的保温措施,将无法保证送风口的温湿度参数。同时控制点温湿度传感器应尽可能设置在送风口处,以减小由于风管温度变化造成的控制误差.