田正軍，顧 忱，郭月嬌，王翔楨，馮國(guó)增

(1.招商局郵輪研究院(上海)有限公司，上海 200137；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

目前，隨著漁業(yè)運(yùn)輸船呈現(xiàn)大型化、運(yùn)輸長(zhǎng)距離化的發(fā)展趨勢(shì)，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的漁船冷凍系統(tǒng)大多選用氫氯氟烴(HCFC)類物質(zhì)，如氟利昂，但其對(duì)臭氧層具有破壞作用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采用各種新型制冷劑的冷凍系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究與比較，分析了以氨為制冷劑在漁業(yè)運(yùn)輸船上應(yīng)用的可行性，發(fā)現(xiàn)氨單位質(zhì)量制冷量大，價(jià)格便宜，易于獲得，是優(yōu)良的制冷劑[1-3]。因此，應(yīng)用以氨為制冷劑的大型漁業(yè)運(yùn)輸船冷凍系統(tǒng)，對(duì)我國(guó)新型環(huán)保型冷凍系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐意義。

本文以某143 m漁業(yè)運(yùn)輸船冷凍系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)各個(gè)冷藏艙室的冷負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算并對(duì)制冷設(shè)備進(jìn)行選型，通過(guò)對(duì)關(guān)鍵制冷系統(tǒng)原理與特點(diǎn)的分析與設(shè)計(jì)，滿足漁獲冷藏需求，保障海洋運(yùn)輸健康可持續(xù)發(fā)展。

1 工程概況

143 m漁業(yè)運(yùn)輸船主要參數(shù)為：總長(zhǎng)143.38 m，型寬19.6 m，型深11.7 m，設(shè)計(jì)吃水6.8 m，總噸位約8 100 t。該船共有12個(gè)冷藏艙，每層各4個(gè)，冷藏艙凈艙容為11 000 m3，儲(chǔ)藏噸位7 150 t。冷藏艙布置見(jiàn)圖1。各冷藏艙容積見(jiàn)表1。

表1 各冷藏艙容積

圖1 143 m漁業(yè)運(yùn)輸船平面布置圖

漁獲物在放入冷凍間后，需轉(zhuǎn)存至艙內(nèi)溫度為-25 ℃的冷藏艙，經(jīng)24 h將溫度從-15 ℃降到-22 ℃，全部貨物出艙溫度保持在-22～-20 ℃。庫(kù)外計(jì)算溫度根據(jù)冷庫(kù)規(guī)范查取。該冷庫(kù)所在地是海上，外界環(huán)境空氣溫度為2～45 ℃。

為減少冷庫(kù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的冷量損耗，該船在圍護(hù)結(jié)構(gòu)間添加隔熱材料[4]。隔熱材料多數(shù)使用擠塑聚苯乙烯和硬質(zhì)聚氨酯。隔熱層采用雙面彩鋼板復(fù)合內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)。計(jì)算得到：凍結(jié)物冷藏間外墻的傳熱系數(shù)為0.66 W/(m2·K)，內(nèi)墻的傳熱系數(shù)為0.71 W/(m2·K)，冷庫(kù)頂板傳熱系數(shù)為0.71 W/(m2·K)，底板的傳熱系數(shù)為1.03 W/(m2·K)。

冷藏艙的總負(fù)荷應(yīng)按式(1)計(jì)算：

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(1)

式中：Q為冷間總負(fù)荷，W；Q1為冷間圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷，W；Q2為冷間內(nèi)貨物負(fù)荷，W；Q3為冷間通風(fēng)換氣熱流量，W；Q4為冷間內(nèi)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷，W；Q5為冷間操作負(fù)荷，W。

冷藏艙的機(jī)械負(fù)荷按式(2)計(jì)算：

Qj=(n1Q1+n2Q2+n3Q3+n4Q4+n5Q5)R

(2)

式中：Qj為冷間的機(jī)械負(fù)荷，W；n1為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的機(jī)械修正系數(shù)，此處取值為1；n2為冷間貨物熱流量折減系數(shù)，此處取值為0.65；n3為同期換氣系數(shù)，宜取0.5～1.0；n4為電動(dòng)機(jī)同期運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，取值為0.4；n5為同期操作系數(shù)，取值為0.4；R為制冷裝置和管道等冷損耗補(bǔ)償系數(shù)，取值為1.07。

按12個(gè)冷藏艙房間號(hào)順序?qū)Ω骼溟g圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、冷間內(nèi)貨物負(fù)荷、電動(dòng)機(jī)負(fù)荷、冷間操作負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算，得到制冷總負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 各冷藏艙負(fù)荷匯總表

2 制冷設(shè)備選型

2.1 制冷壓縮機(jī)的選擇

制冷壓縮機(jī)的選型一般根據(jù)壓縮機(jī)的制冷量來(lái)確定。壓縮機(jī)的制冷量應(yīng)該和制冷裝置的機(jī)械負(fù)荷相等或接近，蒸發(fā)溫度相近的冷間把必需的制冷量盡量集中在一個(gè)機(jī)組中，按照系統(tǒng)不同的蒸發(fā)溫度分別選配壓縮機(jī)[5-8]，盡可能讓每臺(tái)(每組)壓縮機(jī)能夠分別提供一種蒸發(fā)溫度，以確保制冷系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、可靠運(yùn)行[9]。當(dāng)機(jī)械負(fù)荷偏大時(shí)，盡量選用大型壓縮機(jī)；同一制冷系統(tǒng)中如需多臺(tái)壓縮機(jī)，應(yīng)選同一系列，且臺(tái)數(shù)要適宜[10]；冷凝壓力與蒸發(fā)壓力的比值，如：氨>8，氟利昂>10時(shí)，應(yīng)采用雙級(jí)壓縮[10]。壓縮機(jī)處于不同的工況下，消耗不同的功率，應(yīng)按照運(yùn)行的工況校核壓縮機(jī)來(lái)配用電動(dòng)機(jī)的功率。對(duì)處于變工況下工作的壓縮機(jī)，應(yīng)該按照最大軸功率工況來(lái)選配電動(dòng)機(jī)。

本次設(shè)計(jì)所涉及的冷庫(kù)為中型冷庫(kù)，所以壓縮機(jī)臺(tái)數(shù)不宜少于2臺(tái)，總制冷量以滿足生產(chǎn)要求為準(zhǔn)。選擇制冷壓縮機(jī)的條件應(yīng)符合制造廠家給定運(yùn)行工況或國(guó)標(biāo)規(guī)定的壓縮機(jī)使用條件[11-14]。

本文選擇的開(kāi)啟式螺桿式壓縮機(jī)，特點(diǎn)是易損件少、檢修周期長(zhǎng)，單機(jī)容量介于離心式和活塞式之間。由于蒸發(fā)溫度為-36 ℃，根據(jù)適用范圍來(lái)判定，蒸發(fā)溫度處于-35 ℃和-50 ℃之間的選用雙級(jí)螺桿機(jī)。設(shè)計(jì)蒸發(fā)溫度為-36 ℃，冷凝溫度為38 ℃，計(jì)算各冷藏艙的耗冷量乘以系數(shù)得到制冷量，根據(jù)壓縮機(jī)在設(shè)計(jì)工況下的制冷量，確定壓縮機(jī)的型號(hào)。最終選擇3臺(tái)型號(hào)為CJJZVLGA193TW的螺桿式壓縮機(jī)，留1臺(tái)備用。

2.2 冷凝器的選型

船用冷凝器通常采用殼管式換熱器[15]，作用是將壓縮機(jī)排出的高溫蒸汽冷卻凝結(jié)成液體。漁船冷凍系統(tǒng)使用海水作為冷源進(jìn)行冷卻。

冷凝器傳熱面積按式(3)計(jì)算：

(3)

式中：Qk為冷凝器的熱負(fù)荷(冷凝器熱量)，W；K為冷凝器的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Δtm為冷凝器的對(duì)數(shù)平均溫差，℃，按式(4)計(jì)算。

(4)

式中：t1為冷卻介質(zhì)進(jìn)冷凝器的溫度，℃；t2為冷卻介質(zhì)出冷凝器的溫度，℃；tk為冷凝溫度，℃。

以氨為制冷劑的臥式冷凝器的傳熱系數(shù)K的取值范圍為800～1 000 W/(m2·K)，設(shè)計(jì)時(shí)取1 000 W/(m2·K)。綜合考慮供熱要求與系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性等因素后，氨制冷的臥式殼管式換熱器進(jìn)出冷凝器溫差t2-t1為4～6 ℃，這里取4 ℃，計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差為Δtm=5 ℃。

冷凝器熱負(fù)荷按式(5)來(lái)計(jì)算

Qk=ΨQ0

(5)

式中：Ψ為冷凝器的負(fù)荷系數(shù)，冷凝溫度為38 ℃時(shí)查取Ψ值為1.34；Q0為制冷系統(tǒng)的制冷量，根據(jù)冷庫(kù)規(guī)范計(jì)算。

根據(jù)冷藏艙所需的冷凝器傳熱面積和冷卻介質(zhì)流量，選擇型號(hào)為CWNA100的船用冷凝器2臺(tái)：1臺(tái)左式，1臺(tái)右式。

2.3 冷卻設(shè)備的選型

蒸發(fā)器是制冷系統(tǒng)中輸出冷量、直接實(shí)現(xiàn)制冷的關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)根據(jù)使用目的和條件分別加以選用。采用冷卻液體載冷劑的蒸發(fā)器可以選擇臥式、殼管式、立管式等。

冷藏艙內(nèi)的冷卻設(shè)備根據(jù)適用條件來(lái)選擇冷風(fēng)機(jī)或是冷排管，并且應(yīng)符合現(xiàn)行的氨制冷卻設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的要求。冷風(fēng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效果好等優(yōu)點(diǎn)，適合作為冷卻間、凍結(jié)間和冷卻物冷藏間的冷卻設(shè)備。采用帶液位控制的滿液式蒸發(fā)器，冷風(fēng)機(jī)采用熱載冷劑融霜，以LM-8型冰河冷媒作為載冷劑通過(guò)殼管式換熱器與氨制冷系統(tǒng)進(jìn)行熱交換，冷媒進(jìn)口溫度為-29 ℃，出口溫度為-33 ℃。

冷風(fēng)機(jī)冷卻面積按式(6)來(lái)計(jì)算：

(6)

式中：Qq為冷卻設(shè)備負(fù)荷，W；K′為冷風(fēng)機(jī)傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Δtm′為冷間空氣溫度與制冷溫度的對(duì)數(shù)平均溫差，℃。

各冷藏艙的Qq按表1查取。K′根據(jù)手冊(cè)經(jīng)驗(yàn)表格選取，蒸發(fā)溫度-38 ℃時(shí)氨翅片管冷風(fēng)機(jī)傳熱系數(shù)為11.6 W/(m2·K)。Δtm′一般可按規(guī)定采用，冷卻間、凍結(jié)物冷藏間、冷藏艙宜取10 ℃。

根據(jù)冷藏艙的冷卻面積選擇2臺(tái)船用滿液式蒸發(fā)器CWZA-130；24臺(tái)風(fēng)冷式蒸發(fā)器，每個(gè)冷藏艙各2臺(tái)；3臺(tái)低溫載冷劑循環(huán)泵(1臺(tái)備用)；2臺(tái)融霜載冷劑循環(huán)泵(1臺(tái)備用)。

2.4 氨液分離器和分液器的選型

氨液分離器的作用是分離液態(tài)制冷劑與制冷劑蒸汽，常用于重力供液系統(tǒng)。作為庫(kù)房用氣液分離器可以分離流經(jīng)節(jié)流閥的氣液混合物，只讓氨液進(jìn)入蒸發(fā)器，兼有分配液體的作用。氨液分離器的桶徑根據(jù)式(7)來(lái)計(jì)算：

(7)

式中：d為氨液分離器的直徑，m；v為蒸發(fā)溫度對(duì)應(yīng)飽和蒸汽比體積，m3/kg；qm為每小時(shí)通過(guò)氨液分離器的氨液量，kg/h；ω為分集液器內(nèi)流速，ω=0.5 m/s。

分液器能夠?qū)⒅评鋭┌陛^為平均分給各個(gè)冷藏艙的管壁四周的冷排管[16]。分液器分為3種類型：文丘里式、壓降式和離心式。本文漁船冷庫(kù)采用離心式的分集液器。該分集液器由一個(gè)中心鏤空的轉(zhuǎn)盤和相應(yīng)的各個(gè)輸出端組成，各個(gè)輸出端在轉(zhuǎn)盤外等距離排布。

一般分液管的額定能力是指按照管長(zhǎng)1 m、壓降50 kPa時(shí)，分液管能夠允許制冷劑通量流過(guò)的制冷能力。本文選用分液管直徑為50 mm的離心式分液器。

3 制冷系統(tǒng)原理及特點(diǎn)

3.1 制冷系統(tǒng)原理

制冷系統(tǒng)原理見(jiàn)圖2。制冷壓縮機(jī)低壓吸入的蒸發(fā)器低溫低壓的氨氣體經(jīng)陰陽(yáng)轉(zhuǎn)子壓縮成高壓高溫氣體，從高壓出口排出的高溫高壓制冷劑氣體經(jīng)過(guò)機(jī)組自帶的高效油分離器進(jìn)行油氣分離；分離后的高溫高壓氨氣被排到冷凝器，海水將高溫高壓氣體通過(guò)殼管式冷凝器冷凝成高壓液體流入到高壓貯液器，再送到螺桿機(jī)組經(jīng)濟(jì)器內(nèi)過(guò)冷；過(guò)冷后經(jīng)過(guò)液位調(diào)節(jié)閥組和節(jié)流器進(jìn)入滿液式蒸發(fā)器；通過(guò)蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)和載冷介質(zhì)的熱量交換，從蒸發(fā)器出來(lái)的低壓氨氣再被壓縮機(jī)吸入。冷媒介質(zhì)在蒸發(fā)器進(jìn)行熱交換后，變成低溫載冷劑，再通過(guò)冷媒水泵進(jìn)入空氣冷卻器(冷風(fēng)機(jī))，通過(guò)風(fēng)機(jī)把冷氣通過(guò)風(fēng)道吹向冷藏艙貨物，不斷吸收漁獲物及外界滲入熱量，從而逐步達(dá)到設(shè)定的溫度。冷風(fēng)機(jī)采用熱載冷劑融霜，載冷劑經(jīng)汽水換熱板加熱。

1—膨脹箱；2—壓縮機(jī)；3—蒸發(fā)器；4—冷凝換熱器；5—儲(chǔ)液(汽)罐。

本船在冷凍機(jī)室旁設(shè)有岐水管間，通過(guò)手動(dòng)操作每個(gè)艙的載冷劑閥門實(shí)現(xiàn)制冷與融霜的切換。冷藏艙內(nèi)設(shè)有溫度監(jiān)測(cè)，每艙設(shè)4個(gè)溫度探頭，可對(duì)各艙室進(jìn)行溫度測(cè)量。

3.2 制冷系統(tǒng)特點(diǎn)

3.2.1 安全保護(hù)

系統(tǒng)中裝有安全壓力保護(hù)器。當(dāng)冷凝器斷水或水壓不足、系統(tǒng)高壓部分壓力過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，若故障不排除，系統(tǒng)將停止運(yùn)行，壓縮機(jī)再次啟動(dòng)時(shí)，需手動(dòng)復(fù)位。系統(tǒng)還設(shè)有油壓保護(hù)壓差控制器。當(dāng)潤(rùn)滑油系統(tǒng)壓差過(guò)低時(shí)，保護(hù)裝置報(bào)警；若壓差不回升，則制冷系統(tǒng)將停止運(yùn)行。

3.2.2 自動(dòng)控制

機(jī)組運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)設(shè)定吸氣壓力和冷媒出水溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)/停機(jī)，使參數(shù)始終維持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中實(shí)時(shí)顯示吸氣壓力、排氣壓力、排氣溫度等參數(shù)。對(duì)以上所有測(cè)量點(diǎn)的參數(shù)可進(jìn)行控制點(diǎn)設(shè)定、偏差設(shè)定、事故預(yù)報(bào)警、報(bào)警停機(jī)設(shè)定。

4 結(jié)論

(1)建議漁業(yè)運(yùn)輸船冷凍系統(tǒng)選用新型環(huán)保、高效、有發(fā)展前景的制冷劑，盡量避免使用對(duì)臭氧層具有破壞作用的氟利昂等傳統(tǒng)制冷劑。 (2)冷凍系統(tǒng)選用氨這類有危險(xiǎn)性的制冷劑時(shí)應(yīng)注意配套安全保護(hù)系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并切斷危險(xiǎn)源，以免造成安全事故。

(3)為滿足關(guān)鍵艙室冷凍保鮮的要求，需要能夠調(diào)節(jié)溫度的高度自動(dòng)化系統(tǒng)以滿足不同漁獲物儲(chǔ)藏的條件。