朱發(fā)新，李玉樂(lè)，盧金樹(shù)

(浙江海洋學(xué)院港航學(xué)院，浙江舟山316022)

一種超低溫運(yùn)輸船冷藏艙艙室設(shè)計(jì)

朱發(fā)新，李玉樂(lè)，盧金樹(shù)

(浙江海洋學(xué)院港航學(xué)院，浙江舟山316022)

針對(duì)傳統(tǒng)冷藏艙艙室存在的保溫性能較差等缺點(diǎn)與不足,設(shè)計(jì)一種新型球體形艙室的結(jié)構(gòu)。利用三維軟件CAXA建立新型和傳統(tǒng)艙室模型,傳熱面積和傳熱量的計(jì)算結(jié)果表明,在同樣艙室外部條件和體積的情況下,新型艙室的傳熱面積及傳熱量都比傳統(tǒng)型艙室小,即新型圓弧形艙室比傳統(tǒng)型艙室的冷藏保溫能力更好。

超低溫冷藏運(yùn)輸船;艙室;CAXA;傳熱面積;傳熱量

超低溫冷藏運(yùn)輸船是技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)很高的船舶類型之一。在遠(yuǎn)洋漁業(yè)中,由于經(jīng)濟(jì)價(jià)值及營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高,金槍魚(yú)漁業(yè)占據(jù)了舉足輕重的地位。為了盡可能保證魚(yú)貨品質(zhì),金槍魚(yú)被捕撈上船后要迅速冷凍,并在-50℃以下保存和運(yùn)輸,運(yùn)輸環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)運(yùn)很容易造成溫度升高而影響金槍魚(yú)的品質(zhì),因此對(duì)金槍魚(yú)低溫冷藏和運(yùn)輸提出了相當(dāng)高的要求?，F(xiàn)有的超低溫冷藏運(yùn)輸船的冷藏艙一般都是矩形體形艙室(或六面體形艙室),這種傳統(tǒng)型艙室設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、制造方便,與其他船舶艙室及建筑布局配合簡(jiǎn)單。但是這種艙室存在傳熱面積大且傳熱量大的缺點(diǎn)與不足,即需要更多的制冷量才能保證相同的魚(yú)貨品質(zhì)［1-2］。因此,考慮設(shè)計(jì)一種新型的冷藏艙艙室結(jié)構(gòu)。

1 超低溫冷藏艙艙室的設(shè)計(jì)要求分析

針對(duì)超低溫冷藏運(yùn)輸船的結(jié)構(gòu)及魚(yú)貨特點(diǎn),參考鋼質(zhì)海船入級(jí)與建造規(guī)范及其他船舶設(shè)計(jì)資料,確定超低溫冷藏艙艙室設(shè)計(jì)要求。

1)速凍、保溫艙室有效配合,能夠達(dá)到更高效的冷藏保溫(或保冷)效果。

2)在體積相同的情況下,減小艙室傳熱面積和傳熱量,有效利用船舶空間。

3)合理分配速凍和保溫艙室的空間比例,確保冷藏保溫能力。

4)根據(jù)物品的體積和質(zhì)量,冷凍柜承載能力不同,滿足實(shí)際設(shè)計(jì)。

5)為提高制冷循環(huán)效率,設(shè)計(jì)更利于貨物運(yùn)送的隔熱門(mén)、艙蓋和艙壁及風(fēng)機(jī)等設(shè)備。

2 新型超低溫冷藏艙艙室設(shè)計(jì)

2.1 艙室的結(jié)構(gòu)

利用AutoCAD軟件設(shè)計(jì)新型冷藏艙艙室為雙層艙室結(jié)構(gòu),見(jiàn)圖1。包括速凍艙和保溫艙,速凍艙體呈球體形,內(nèi)部設(shè)置有一保溫艙,保溫艙內(nèi)部為圓柱體結(jié)構(gòu),并在速凍艙體與保溫艙體共用壁上設(shè)置有兩道通向保溫艙的隔熱門(mén);在保溫艙外壁上設(shè)置大小不同的速凍柜,在柜下布置冷卻盤(pán)管,艙室內(nèi)部設(shè)置多臺(tái)風(fēng)機(jī)加強(qiáng)空氣流動(dòng),以保證冷藏溫度均勻。

此外,速凍艙體和保溫艙的艙蓋上分別設(shè)有開(kāi)啟或開(kāi)閉艙蓋的起吊裝置,艙室結(jié)構(gòu)上采用速凍艙和保溫艙有效配合,降低熱量散失、加強(qiáng)維護(hù)和管理;該速凍艙體整體呈球體形(或弧線形),相比同體積的六面體(或矩形體),呈球體形的速凍艙體在整體上減小了艙室傳熱面積(或外表面面積),采用速凍艙和保溫艙有效地結(jié)合成一體,能降低熱量散失、加強(qiáng)維護(hù)和管理。同時(shí),艙蓋采用起吊裝置啟閉,便于貨品的冷藏及取用［3-4］。

2.2 艙室的工作原理

如圖1所示,冷藏艙制冷裝置運(yùn)行后,當(dāng)需被速凍的魚(yú)貨運(yùn)送到船上時(shí),從甲板運(yùn)輸?shù)拇鋬鲷~(yú)貨從隔空室門(mén)4送入冷藏艙室中,利用滑輪裝置1打開(kāi)速凍艙室艙蓋23,根據(jù)魚(yú)貨的體積和重量,將物品合理分配于不同的冷藏柜6中。

圖1 新型艙室

速凍完成后,當(dāng)需要快速冷凍時(shí),風(fēng)機(jī)7開(kāi)啟加快冷凍速率,同時(shí)可將凍好的魚(yú)貨通過(guò)隔熱門(mén)12直接轉(zhuǎn)移至保溫艙室19內(nèi)保溫。其中速凍艙18和保溫艙內(nèi)部公用一個(gè)艙壁15和17,速凍艙室內(nèi)風(fēng)機(jī)7在工作,加大了速凍艙室內(nèi)部熱量的散失,其溫度低于保溫艙室內(nèi)的溫度。這樣當(dāng)保溫艙室的保溫性能受到影響時(shí),速凍艙室對(duì)保溫艙室也起到了“保冷”的作用,大大提高了艙室的工作效率和制冷循環(huán)的循環(huán)效率。冷藏好的魚(yú)貨需要取用時(shí),可通過(guò)滑輪3將保溫艙艙蓋22打開(kāi),取用冷藏魚(yú)貨,當(dāng)艙室內(nèi)部貨物需快速轉(zhuǎn)移時(shí),可打開(kāi)大通艙門(mén)14,快速運(yùn)送貨物。

2.3 艙室的性能參數(shù)及材料選用

由于艙室的工作性質(zhì),艙室內(nèi)、外壁材料傳熱系數(shù)應(yīng)越小越好,即減少散熱。內(nèi)壁由于緊貼蒸發(fā)盤(pán)管,因此要求其傳熱系數(shù)越大越好,即增強(qiáng)導(dǎo)熱。因此,速凍艙外壁選用鋼板材料,中層采用泡沫,內(nèi)壁選用傳熱性能好的鋰合金。保溫艙惟一的區(qū)別是內(nèi)壁采用網(wǎng)狀木板。其中鋼板固定支撐艙室,塑料起防熱,防水等作用,泡沫具有隔熱作用,網(wǎng)狀木板可以加強(qiáng)保溫、保護(hù)盤(pán)管,網(wǎng)狀鋰合金則具有加強(qiáng)制冷等功能［5-7］,見(jiàn)圖2。

圖2 艙室艙壁的材料分布

由于艙室側(cè)壁內(nèi)部直接受熱源輻射及對(duì)流作用,升溫較快,與艙壁外部溫差較大,大量熱量將通過(guò)艙壁向周?chē)撌覕U(kuò)散。因此對(duì)其保溫性能也要有特殊規(guī)定,原則上要求冷庫(kù)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,同時(shí)8 h壓力上升不大于1 333 Pa。對(duì)于冷藏船艙室其壁面重要特征之一是在其表面布置蒸發(fā)盤(pán)管,不同類型的蒸發(fā)換熱器對(duì)壁面的影響差別很大。

船舶蒸發(fā)換熱器主要有管殼式或板式熱交換器兩種,冷卻器多為管殼式熱交換器。管殼式熱交換器具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、易于制造、適應(yīng)性強(qiáng)、熱容量大、壓力損失小及密封性較好等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于用制冷機(jī)(氟利昂等)作冷卻介質(zhì)的熱交換器,其穩(wěn)定性更高。板式熱交換器在船上有多種用途,如中央冷卻器、活塞水冷卻器等,具有換熱系數(shù)高、結(jié)構(gòu)緊湊、維修方便及極易增減傳熱面積等優(yōu)點(diǎn),但其費(fèi)用較高,容易漏泄,因此設(shè)計(jì)要求艙室選用管殼式熱交換器［8-10］。

3 新型冷藏艙艙室CAXA模型分析

3.1 艙室CAXA模型建模

根據(jù)前面的新型超低溫冷藏艙艙室的設(shè)計(jì)模型,以三維設(shè)計(jì)軟件CAXA為建模平臺(tái),建立新型球體形超低溫冷藏艙艙室CAXA模型,見(jiàn)圖3。同時(shí),在相同體積前提下,建立傳統(tǒng)六面體形冷藏艙艙室CAXA模型,見(jiàn)圖4。

3.2 冷藏保溫能力分析

以相同體積V為兩種艙室模型的已知條件,分別計(jì)算新型艙室和傳統(tǒng)艙室的傳熱面積及傳熱量,比較兩型艙室的冷藏保溫能力。

圖3 新型冷藏艙艙室的CAXA模型

圖4 傳統(tǒng)艙室的CAXA模型

1)傳熱面積S。

新型艙室的體積:

式中:r2=R2-h2。

表面積為:

式中:h——新型艙室高度的1/2;

R——球體的半徑;

r——圓筒半徑。

由此根據(jù)數(shù)學(xué)分析方法和極限放縮原理得:

式中:k、j——常系數(shù)。

根據(jù)放縮法,當(dāng)k和j分別滿足0≤k≤0.74、 0.67≤j≤1時(shí),即圓筒半徑和圓柱高度分別滿足: 0＜r＜0.74R或者0.67R＜h＜R時(shí),則有S傳統(tǒng)＞S新型。

同時(shí)根據(jù)理論計(jì)算,當(dāng)r=0.74R時(shí),即h= 0.67R,此時(shí)有新型艙室在滿足條件的情況下,散熱面積最小,即k=0.74時(shí),為新型艙室的最優(yōu)比例。

2)傳熱量Q。

超低溫冷藏運(yùn)輸船的艙室與外界的傳熱方式主要為熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流。艙室傳給環(huán)境的冷量或環(huán)境傳給艙室的熱量符合牛頓冷卻公式,即對(duì)流換熱量為

式中:Q——對(duì)流換熱量;

α——對(duì)流換熱系數(shù);

S——換熱面積;

tw——外部環(huán)境溫度;

tf——速凍/保溫艙室內(nèi)部溫度。

在艙室隔熱材料和內(nèi)外環(huán)境溫差均相同的情況下,根據(jù)牛頓冷卻公式有:Q與S成正比,即在滿足設(shè)計(jì)要求時(shí),Q傳統(tǒng)＞Q新型。

因此,在同樣外部條件(艙壁隔熱材料和內(nèi)外溫差)和艙室體積的情況下,S傳統(tǒng)＞S新型,Q傳統(tǒng)＞Q新型,即新型冷藏艙艙室的傳熱面積和傳熱量都小于傳統(tǒng)型冷藏艙艙室的傳熱面積和傳熱量。因此,新型圓弧形艙室比傳統(tǒng)型艙室的冷藏保溫效果更好。

4 結(jié)論

新型球體形艙室結(jié)構(gòu)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)六面體型艙室傳熱面積大、傳熱量大等不足。這種艙室具有實(shí)際可操作性,且應(yīng)用范圍廣,節(jié)能降耗作用明顯等優(yōu)點(diǎn),可廣泛應(yīng)用于中、低溫及超低溫冷藏船上。隨著艙室內(nèi)外壁材料和制冷裝置技術(shù)進(jìn)一步提高,對(duì)流換熱系數(shù)α也有所降低,新型球體形超低溫冷藏艙艙室的冷藏保溫效果更好。

文中的超低溫冷藏艙艙室設(shè)計(jì)屬于前期研究,其研究從冷藏保溫效果方面驗(yàn)證了新型冷藏艙艙室的合理性,但是也存在一定不足。如新型艙室的位置選擇、與其他艙室及船舶建筑的合理連接以及在艙室的有效分艙等方面還需要進(jìn)一步的討論分析。

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Design of the Ultra Low-temperature Refrigerated Hold in the Refrigerated Vessel

ZHU Fa-xin,LIYu-le,LU Jin-shu
(School of Shipping and Ports Architecture Engineering,Zhejiang Ocean University,Zhoushan Zhejiang 316022,China)

Considering the poor heat retaining capacity and other defects of the traditional refrigerated holds,a new type of globular cabin is designed.The 3Dmodels of the new cabin and the traditional one are established in CAXA to carry out the heat transfer calculation.The results show that the heat-transfer areas and capacity of the new cabin are smaller than the traditional one in the cases of the same external condition and volume of the cabin.Therefore,the performance of the heat preservation in the new cabin is better than the traditional one.

ultra low-temperature refrigerated vessel;3D model;CAXA;heat-transfer area;heat-transfer capacity.

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.03.005

U663.4

A

1671-7953(2015)03-0019-04

2015-01-28

修回日期:2015-03-05

2013年浙江省重大科技項(xiàng)目(2013C03033);浙江省高等教育課堂教學(xué)改革項(xiàng)目(kg2013194)

朱新發(fā)(1982-),男,碩士,講師

研究方向:輪機(jī)工程、船舶安全與污染控制

E-mail:zhufax7758@163.com

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