董良雄，徐宏勛，江波

(1.浙江海洋學(xué)院港航學(xué)院，浙江 舟山 316022;2.浙江增州造船有限公司，浙江 舟山 316052)

5 600 m3超低溫冷藏運(yùn)輸船冷藏系統(tǒng)傳熱計(jì)算分析

董良雄1，徐宏勛2，江波2

(1.浙江海洋學(xué)院港航學(xué)院，浙江 舟山 316022;2.浙江增州造船有限公司，浙江 舟山 316052)

為了評(píng)估5 600 m3超低溫冷藏船的冷藏系統(tǒng)功能，進(jìn)行冷藏艙的空艙降溫試驗(yàn)、保溫試驗(yàn)和熱平衡試驗(yàn)。針對(duì)各試驗(yàn)指標(biāo)的特點(diǎn)與冷藏艙熱負(fù)荷的復(fù)雜性，采用熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算冷藏艙絕熱結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，冷藏艙保溫效果達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，滿(mǎn)足船舶營(yíng)運(yùn)過(guò)程中魚(yú)貨的快速冷凍與持續(xù)保溫要求。

超低溫冷藏船;保溫試驗(yàn);熱平衡試驗(yàn);熱負(fù)荷計(jì)算

超低溫冷藏運(yùn)輸船是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)很高的船舶，主要用于特殊魚(yú)貨的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸，由于運(yùn)輸批量大，對(duì)于發(fā)展遠(yuǎn)洋漁業(yè)起著至關(guān)重要的作用。在遠(yuǎn)洋漁業(yè)中，金槍魚(yú)漁業(yè)由于經(jīng)濟(jì)價(jià)值極高而具有舉足輕重的地位，為了保鮮，金槍魚(yú)被捕撈上船后要迅速制冷，并在-50℃以下保存和運(yùn)輸。為了避免溫度升高而影響金槍魚(yú)的品質(zhì)，該類(lèi)運(yùn)輸船低溫冷藏和運(yùn)輸?shù)囊蠛芨?，冷藏運(yùn)輸船必須確保在運(yùn)輸貯藏中以消耗最小的能源來(lái)最大限度地保持漁貨的原有風(fēng)味和質(zhì)量，冷藏船建造完工后也必須采用有效的方法對(duì)其冷藏性能進(jìn)行試驗(yàn)［l］。文中在綜合分析目前冷藏船試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，提出利用平均傳熱系數(shù)計(jì)算各試驗(yàn)指標(biāo)理論值的方法。結(jié)合某5 600 m3冷藏船舶出廠(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)冷藏艙熱負(fù)荷和傳熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算和對(duì)比，以期為評(píng)估船舶冷藏艙隔熱性能，優(yōu)化制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

1 冷藏艙設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)

在超低溫冷藏運(yùn)輸船的冷藏艙設(shè)計(jì)中，要力求在投資最少的情況下得到最優(yōu)的效果，避免造成容量過(guò)大致使設(shè)備初投資及運(yùn)行費(fèi)用增加，或者容量不夠達(dá)不到設(shè)想的要求。目前一般采用經(jīng)驗(yàn)估算的方法，因此新造冷藏艙制冷系統(tǒng)在安裝，吹污、檢漏、調(diào)試結(jié)束后，都要通過(guò)空艙負(fù)荷下的效用試驗(yàn)，鑒定冷藏艙的性能是否達(dá)到要求，其中還包括空艙降溫試驗(yàn)、保溫試驗(yàn)、熱平衡試驗(yàn)和隔熱層絕熱效能試驗(yàn)。

以某船廠(chǎng)新建的一艘超低溫冷藏運(yùn)輸船為例。該船總長(zhǎng)96.92 m，型寬15.50 m，設(shè)計(jì)吃水5.50 m，排水量約5 150 t;總噸位約3 100 t，配冷凍機(jī)4臺(tái)，每臺(tái)制冷量497 896 kJ/h，通過(guò)分艙優(yōu)化技術(shù)，魚(yú)貨艙容積達(dá)到5 600 m3。由于鋼材的導(dǎo)熱系數(shù)很大，滲入熱量較嚴(yán)重，必須敷設(shè)隔熱防潮層并使用合適的絕熱材料保證隔熱保溫效果。單純地增加隔熱層的厚度會(huì)使船體空間減小，并不能達(dá)到隔熱的理想效果。所以該冷藏運(yùn)輸船在制冷裝置不影響船體強(qiáng)度的前提下，將冷藏艙圍壁扶強(qiáng)材放在隔熱層外，并敷設(shè)導(dǎo)熱系數(shù)小、吸濕率小的隔熱材料，使在隔熱厚度相等的情況下盡量減少冷損失［2］。設(shè)計(jì)中采取如下經(jīng)驗(yàn)條件估計(jì)壓縮機(jī)制冷量與隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，相應(yīng)地，在效用試驗(yàn)時(shí)要對(duì)這種估算帶來(lái)的誤差與影響進(jìn)行評(píng)估。

式中:Q——實(shí)際壓縮機(jī)制冷量;

Q＇——冷庫(kù)所需的理論制冷量。

頂棚和邊墻的隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)為2.30 kJ/(m·h·℃);各冷藏艙之間隔墻隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)取2.51 kJ/(m·h·℃);地板的導(dǎo)熱系數(shù)取2.34 kJ/(m·h·℃)。

2 冷庫(kù)熱平衡試驗(yàn)與傳熱系數(shù)的估算

2．1 熱平衡試驗(yàn)原理

熱平衡試驗(yàn)是使裝置在自動(dòng)調(diào)節(jié)工況下運(yùn)行并保持艙溫穩(wěn)定在某個(gè)值，在試驗(yàn)期間如果艙溫波動(dòng)在規(guī)定范圍以?xún)?nèi)就算合格。因此能夠判斷制冷系統(tǒng)的絕熱結(jié)構(gòu)性能和溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)性能是否正常。進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)時(shí)，要讓冷藏艙在設(shè)計(jì)艙溫下保持一段較長(zhǎng)時(shí)間，以便隔熱結(jié)構(gòu)充分冷透而不致因其溫度的不穩(wěn)定而影響熱平衡試驗(yàn)結(jié)果［3］。

在冷藏艙的保溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)中，空艙降溫率與溫度回升率能從總體上反應(yīng)冷藏艙的隔熱效果，但其與隔熱結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)、熱容量、傳熱溫差以及艙壁面積與艙容比值等許多因素有關(guān)，其數(shù)值大小也很難說(shuō)明隔熱結(jié)構(gòu)的絕對(duì)優(yōu)劣程度。相比之下，熱平衡試驗(yàn)則減少了上述因素的影響。因此可采用熱平衡試驗(yàn)計(jì)算冷藏艙絕熱結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)，進(jìn)而結(jié)合空艙降溫和保溫試驗(yàn)評(píng)估冷藏艙絕熱性能。

2．2 熱平衡試驗(yàn)熱負(fù)荷分析

船舶冷藏系統(tǒng)根據(jù)冷庫(kù)的不同類(lèi)型，熱負(fù)荷也有眾多類(lèi)型，主要包括滲入熱、貨物熱、開(kāi)門(mén)操作熱、風(fēng)機(jī)動(dòng)力熱及通風(fēng)換氣熱，等?？张撨M(jìn)行熱平衡試驗(yàn)時(shí)，冷藏艙的熱負(fù)荷Qf只包括滲入熱Qi和循環(huán)風(fēng)機(jī)的設(shè)備熱Qs，所以外界通過(guò)絕熱結(jié)構(gòu)滲入的熱量Qi為

設(shè)備熱是指庫(kù)內(nèi)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)由電能轉(zhuǎn)化為熱能所造成的制冷負(fù)荷，主要是指冷藏艙中由風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的熱負(fù)荷，設(shè)備熱Qs由下式計(jì)算得出。

式中:Ni——各電動(dòng)機(jī)的額定功率;

ζi——熱轉(zhuǎn)化系數(shù)，電機(jī)在艙內(nèi)時(shí)取值為1;電機(jī)不在艙內(nèi)時(shí)取值為0．75;

ρi——電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間系數(shù)，冷藏艙冷風(fēng)機(jī)配用的電動(dòng)機(jī)取值為1。

由于在熱平衡試驗(yàn)中，艙溫保持穩(wěn)定，因此Qf又應(yīng)與制冷裝置的制冷量相等。所以只要測(cè)得試驗(yàn)時(shí)裝置的蒸發(fā)壓力、冷凝壓力，以及制冷壓縮機(jī)運(yùn)行的工作缸數(shù)和運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，便可按該型壓縮機(jī)的性能曲線(xiàn)確定裝置在試驗(yàn)時(shí)的實(shí)際制冷量Qf［4］。

式中:Qoc——冷凍機(jī)制冷量;

ηE——能量利用系數(shù)。

2．3 冷藏艙傳熱系數(shù)計(jì)算

冷庫(kù)尺度同樣是影響冷庫(kù)保溫性能的重要因素，根據(jù)式(1)～(3)，計(jì)算得到Qi值后，再根據(jù)冷藏艙四周和上下共6塊壁面面積，便可算出絕熱結(jié)構(gòu)平均傳熱系數(shù)K值。若K值等于或小于設(shè)計(jì)值ˉK0，便可認(rèn)為合格(通常平均傳熱系數(shù)值為2.09～2.51 kJ/(m2·h·℃)，本船熱平衡數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表1。

表1 冷藏艙傳熱系數(shù)評(píng)估計(jì)算

根據(jù)表1的計(jì)算結(jié)果，Qi只占總負(fù)荷18%，計(jì)算所得的評(píng)價(jià)傳熱系數(shù)為2.34 kJ/m2·h·℃，小于設(shè)計(jì)平均傳熱系數(shù)2.472 kJ/m2·h·℃。由于冷庫(kù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔熱性能直接影響庫(kù)內(nèi)魚(yú)貨的冷凍冷藏質(zhì)量、制冷設(shè)備的冷負(fù)荷大小和經(jīng)營(yíng)費(fèi)用的高低。所以從理論上說(shuō)，隔熱層越厚，冷庫(kù)總的熱負(fù)荷就越小，制冷設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用也就越低。但是隔熱層越厚，冷庫(kù)的初投資也就越高。據(jù)對(duì)各類(lèi)冷藏艙的統(tǒng)計(jì)表明，一般冷藏艙中除了貨物熱負(fù)荷外就是圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱量Qi所占的比例較大，約占冷藏艙總熱負(fù)荷的20%～35%。小冷藏艙占的比例更大。對(duì)于分配性冷藏艙，Qi可占制冷設(shè)備總負(fù)荷的50%［5］，所以該船冷藏艙性能既滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求，也不會(huì)造成隔熱系統(tǒng)初投資過(guò)大。

3 基于傳熱系數(shù)的保溫實(shí)驗(yàn)效果分析

保溫實(shí)驗(yàn)是按照《柴油機(jī)動(dòng)力船舶系泊及航行試驗(yàn)大綱》的相關(guān)要求，在魚(yú)貨艙內(nèi)溫度為設(shè)計(jì)要求的最低溫度時(shí)，停止制冷壓縮機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)，在密閉狀態(tài)下保溫6 h，記錄魚(yú)貨艙及冷庫(kù)溫度和大氣溫度，并計(jì)算溫度回升值與回升率，以此評(píng)價(jià)冷藏艙保溫性能［6］。

其中:平均每小時(shí)回升溫度值為

平均每小時(shí)溫度回升率N為

式中:△t——試驗(yàn)過(guò)程中冷藏艙溫度上升值;

δ0——初溫差;

Z——試驗(yàn)時(shí)間。

平均每小時(shí)回升溫度值是衡量冷藏艙絕熱性能的重要指標(biāo)，但由于不同船舶回升溫度值差別較大，目前我國(guó)還沒(méi)有這方面的規(guī)定衡準(zhǔn)數(shù)值。因此，可利用熱平衡試驗(yàn)得到的平均傳熱系數(shù)計(jì)算滲入熱，進(jìn)而得出標(biāo)準(zhǔn)回升溫度值。

在保溫試驗(yàn)過(guò)程中，外界熱量則是以對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射等多種形式不斷傳到低溫冷庫(kù)內(nèi)的，其計(jì)算公式為

式中:tw——外側(cè)計(jì)算溫度;

tn——庫(kù)內(nèi)設(shè)計(jì)溫度;

F——傳熱面積。

保溫試驗(yàn)時(shí)間為6 h，冷藏艙處于密閉狀態(tài)下，制冷壓縮機(jī)組停止工作，期間每隔30 min記錄溫度數(shù)據(jù)。試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中，冷藏艙溫度尚未到達(dá)設(shè)計(jì)的最低溫度，可根據(jù)艙外內(nèi)的溫差計(jì)算滲入熱以及相應(yīng)的溫度回升值見(jiàn)表2，如溫度回升不超過(guò)表中的規(guī)定值，則可判斷絕熱結(jié)構(gòu)的隔熱性能滿(mǎn)足要求。

在保溫試驗(yàn)中，利用魚(yú)艙溫度記錄儀記錄每小時(shí)艙內(nèi)外溫度，并計(jì)算各艙平均每小時(shí)回升溫度值與回升率，結(jié)果見(jiàn)表3。

表2 保溫試驗(yàn)的溫差標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算

表3 保溫試驗(yàn)21 h實(shí)測(cè)值

設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)一般認(rèn)為，保溫試驗(yàn)中每小時(shí)溫度回升率以不大于5%為宜，該值與利用熱平衡試驗(yàn)傳熱系數(shù)的計(jì)算值相吻合。該船各魚(yú)艙平均每小時(shí)溫度回升率都小于5%，各魚(yú)艙的平均每小時(shí)回升溫度值在3℃之內(nèi)，溫度回升值都小于設(shè)計(jì)計(jì)算值，可以認(rèn)為符合要求。

4 基于傳熱系數(shù)的降溫實(shí)驗(yàn)效果分析

空艙降溫試驗(yàn)是測(cè)定未裝貨的冷藏艙由試驗(yàn)時(shí)的環(huán)境氣溫降到設(shè)計(jì)艙溫的降溫速度，借以檢驗(yàn)制冷裝置的制冷量及冷藏艙的隔熱結(jié)構(gòu)性能和密封性是否良好。制冷試驗(yàn)在空艙狀態(tài)下進(jìn)行，開(kāi)動(dòng)全部的制冷壓縮機(jī)組，使所有的魚(yú)貨艙從大氣溫度冷卻到設(shè)計(jì)要求的最低溫度，記錄所需時(shí)間(每隔1 h作一次全面記錄)，并檢驗(yàn)制冷壓縮機(jī)組及其各附屬設(shè)備的工作情況，記錄冷庫(kù)制冷過(guò)程的溫度變化。在魚(yú)貨艙溫度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最低溫度后，持續(xù)制冷，保持設(shè)計(jì)要求的最低溫度8 h以上，以吸收潛熱，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性［7］。

空艙降溫試驗(yàn)結(jié)束后，計(jì)算空艙降溫率(即每小時(shí)能降溫的度數(shù))，以此衡量各船空艙降溫程度優(yōu)劣，即試驗(yàn)時(shí)降溫值與所需時(shí)間之比θ式中:t0——試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)艙溫;

tn——試驗(yàn)結(jié)束時(shí)艙溫;

Z——所需時(shí)間。

空艙降溫率直接衡量魚(yú)貨的速凍能力，與冷藏船制冷系統(tǒng)容量大小以設(shè)計(jì)運(yùn)輸能力有關(guān)，在利用經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)對(duì)同類(lèi)型船舶冷庫(kù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的綜合分析，船舶冷庫(kù)的凈庫(kù)容同空倉(cāng)降溫率存在著一定的函數(shù)關(guān)系與標(biāo)準(zhǔn)范圍［8］，但由于受營(yíng)運(yùn)因素影響較大，該指標(biāo)不能直接反應(yīng)冷藏艙的絕熱性能。因此，采用滲入熱計(jì)算方法對(duì)空倉(cāng)降溫試驗(yàn)中吸收潛熱和滲入熱進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而推導(dǎo)理論空倉(cāng)降溫率，并與實(shí)際降溫率進(jìn)行對(duì)比作為冷藏艙絕熱性能的判斷依據(jù)。該方法比采用經(jīng)驗(yàn)公式方法更加準(zhǔn)確?？张摻禍芈实睦碚撚?jì)算值及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

由表4可見(jiàn)，實(shí)際空倉(cāng)降溫率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。相比根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的平均水平，該船空艙降溫率比現(xiàn)有金槍魚(yú)船冷藏艙提高超過(guò)10%。

表4 空倉(cāng)降溫試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

利用冷藏艙熱平衡試驗(yàn)計(jì)算的傳熱系數(shù)，可較好地與保溫試驗(yàn)和空倉(cāng)降溫試驗(yàn)的結(jié)果相吻合，而且計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)捷、準(zhǔn)確度高，對(duì)于超低溫冷藏船的性能評(píng)估具有一定的實(shí)用價(jià)值。該計(jì)算方法可進(jìn)一步運(yùn)用到對(duì)冷藏艙的設(shè)計(jì)與優(yōu)化階段，以使冷藏系統(tǒng)各部分性能匹配達(dá)到最優(yōu)。

［1］吳稼樂(lè)，朱富強(qiáng)，陳堅(jiān)超.低溫金槍魚(yú)在現(xiàn)代低溫物流中的關(guān)鍵技術(shù)［J］.制冷技術(shù)，2006(1):39-43.

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Design and Experimental Study of the Refrigeration Unit in 5 600 m3Ultralow Temperature Refrigerator Ship

DONG Liang-xiong1，XU Hong-xun2，JIANG Bo2
(1.Maritime School of Zhejiang Ocean University，Zhoushan Zhejiang 316022，China; 2.Zhejiang Zengzhou Shipbuilding Co.，Ltd，Zhoushan Zhejiang 316052，China)

To evaluate the performance of the refrigeration system for the 5 600 m3 ultra-low temperature refrigerator ship，the experiments of refrigerating，cold insulating and thermal equilibrium of the refrigeration system are carried out.Considering the complexity of thermal load in the refrigerating hold，the average heat transfer coefficient of the insulation structures is calculated by the testing data of thermal equilibrium experiment，and compared with the data of experiment.It is shown that the refrigeration system is effective to ensure rapid freezing and long-time preservation of the fishes for the refrigerator ship during the voyage.

ultra-low temperature refrigerator ship;experiment of refrigerating;cold insulating;thermal load calculation

U692.3

A

1671-7953(2015)02-0054-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.014

2014-11-23

修回日期:2014-12-19

浙江省重大科技專(zhuān)項(xiàng)(2013C03033);舟山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013C11015)

董良雄(1974-)，男，博士，講師

研究方向:船舶性能測(cè)試與分析技術(shù)

E-mail:dongliangxiong@163.com