船舶伙食冷庫節(jié)能運行的控制分析

林 國 良

(廈門海洋職業(yè)技術學院，福建 廈門 361012)

船舶節(jié)能影響到燃料資源、環(huán)境保護以及船舶運營經濟效益等問題，已成為世界各國造船界和航運界研究的重要課題，是直接關系到國民經濟發(fā)展的問題。隨著航運作業(yè)半徑的擴展和船員生活質量的提高，船舶伙食冷庫能量損耗和安全運行等問題也不可小覷。在冷庫的設計上，可以考慮加大冷凝器和蒸發(fā)器的換熱面積，或采用目前廣泛應用的變頻技術，來實現(xiàn)系統(tǒng)的節(jié)能需要。本文主要針對船舶伙食冷庫正常運行過程中，提出合理的控制管理和維護保養(yǎng)等措施，來確保該系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下長期節(jié)能運轉。

1 船舶伙食冷庫系統(tǒng)簡述

以蒸汽壓縮式制冷系統(tǒng)為例，制冷劑為R22，制冷系統(tǒng)由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器組成。在整個工作循環(huán)中，壓縮機是整個系統(tǒng)的心臟，抽取蒸發(fā)器中的過熱氣態(tài)制冷劑，通過做功壓縮，產生高溫高壓的過熱蒸汽，最后輸送至冷凝器；在冷凝器中，通過冷媒的吸熱，高溫高壓的制冷劑放出熱量，冷凝為高壓過冷液體；而處于過冷液體的制冷劑通過膨脹閥或其他節(jié)流元件進入蒸發(fā)器，節(jié)流閥對制冷劑起節(jié)流降壓作用并調節(jié)進入蒸發(fā)器的制冷劑流量；蒸發(fā)器中濕蒸汽在低壓低溫下氣化大量吸收潛熱，吸收冷庫中伙食的熱量，保證伙食在低溫狀態(tài)下長時間保存[1]。

在船舶上冷庫的管理工作經常被忽視，能源浪費現(xiàn)象較為嚴重，所以加強制冷系統(tǒng)的維護管理和技術改造，以保證系統(tǒng)長期安全節(jié)能地運行。

2 冷庫節(jié)能運行的措施分析

根據(jù)制冷理論循環(huán)的熱力學知識可知，影響制冷壓縮機工況和整個冷庫耗能的因素有：在冷凝器中制冷劑的冷凝溫度、在蒸發(fā)器中蒸發(fā)溫度、在冷凝器出口的過冷度和在蒸發(fā)器出口的過熱度等。而過冷度主要受到冷凝器的換熱面積、換熱面的傳熱系數(shù)和冷卻水的流量和溫度等參數(shù)影響，與冷凝溫度的影響參數(shù)相關；而過熱度直接由熱力膨脹閥進行調節(jié)，故過冷度和過熱度在闡述冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的影響因素中將涉及到，故這里不對這兩個參數(shù)單獨進行詳細說明。當然減少額外熱量侵入，也是影響冷庫節(jié)能的重要因素[2]。

2.1 控制制冷系統(tǒng)的冷凝溫度

由制冷壓縮機的制冷量、軸功率和制冷系數(shù)的數(shù)學公式可得：當冷凝溫度過高，制冷量下降，壓縮機軸功率增加，制冷系數(shù)減小。導致冷凝溫度偏高的原因有：冷凝器換熱能力下降、制冷劑中混入不凝性氣體和制冷劑充注過多等。

2.1.1 提高冷凝器換熱效果

造成冷凝器換熱能力不足的原因很多，比如：冷卻海水溫度過高或流量不足；液態(tài)制冷劑過多導致冷凝器有效換熱面積下降；換熱面臟污導致?lián)Q熱系數(shù)下降。為此，為降低冷凝溫度和增加過冷度，在系統(tǒng)運行中檢查冷卻水泵的流量；平時保養(yǎng)中檢查制冷劑的充注量，避免制冷劑充注過多；養(yǎng)成定期檢查和清洗冷凝器表面水垢的習慣。據(jù)統(tǒng)計，冷凝器表面的水垢厚度達1mm，將使冷凝溫度上升1.9℃，系統(tǒng)的耗電增大6.4%；冷凝器中油膜厚度達0.1mm，將使冷凝溫度上升1.1℃，制冷量下降1.8%，耗電增加3.2%，故系統(tǒng)正常運行2 000h左右后，可以考慮對冷凝器的換熱面進行清洗。針對以上問題，系統(tǒng)正常運行中，主要是通過調節(jié)冷凝器中冷卻海水的流量來控制制冷劑的冷凝溫度和過冷度，但為避免冷卻水流量過高造成冷凝器表面的刷蝕，也要嚴格控制冷卻水在冷凝器進出口溫差在2～4℃的范圍內。

2.1.2 排除不凝性氣體

若在維修或保養(yǎng)中，因抽真空不夠或制冷劑充注時不規(guī)范等原因，將直接導致不凝性氣體(即空氣)混入制冷系統(tǒng)制冷劑之中?？諝庠谥评湎到y(tǒng)中是有害的，在冷凝器中它無法冷凝為液體而影響制冷劑蒸汽的冷凝放熱，導致冷凝器的工作壓力升高。比如，制冷系統(tǒng)在某一時刻的冷凝溫度為42℃，查R22的壓焓圖得，對應的飽和冷凝壓力為1.63MPa，可系統(tǒng)實際壓力為1.66MPa，根據(jù)道爾頓定律，冷凝器中含有0.03MPa的空氣。正因為空氣的存在，導致壓縮機排氣壓力和溫度升高，冷凝溫度增大，過冷度減小，制冷系數(shù)下降，系統(tǒng)的制冷量減少而耗電量增加，所以必須清除高壓系統(tǒng)中的空氣。采取對策：在系統(tǒng)停機情況下，可以考慮從制冷系統(tǒng)的高壓端高處(排氣口或冷凝器放氣閥處)進行放氣操作，在放氣過程中，嚴格同時控制冷凝器中的冷凝溫度和冷凝壓力的數(shù)值，使兩個參數(shù)正好滿足R22的壓焓圖中所示的飽和蒸氣溫度和壓力的一一對應時停止放氣，保證系統(tǒng)在冷劑損耗量少前提下空氣全部排出。

2.1.3 防止制冷劑充注過量

制冷劑沖注過多，由于多余的液態(tài)制冷劑會占據(jù)冷凝器的面積，造成冷凝面積減少，使冷凝效果變差，造成冷凝壓力也會升高，冷凝溫度增大和過冷度降低。為此，要提高冷凝器的換熱效果，可以考慮在儲液器的出口回收多余的制冷劑。

冷凝壓力的減小，冷凝溫度隨之下降，在一定程度上將導致增大系統(tǒng)的制冷量和降低壓縮機的軸功率，但冷凝壓力太小，反而導致通過膨脹閥的制冷劑不足，造成進入蒸發(fā)器的制冷劑流量下降，從另一方面導致系統(tǒng)制冷量的不足。導致冷凝壓力過低的主要原因是壓縮機故障或冷凝器冷凝能力過強。比如吸排出閥片漏泄、活塞環(huán)密封不嚴或壓縮機無法增載，直接造成壓縮機排壓過低。而冷卻水溫度過低或流量過大，也將導致冷凝壓力的下降。故為保證系統(tǒng)正常運行，輪機員應時常檢查壓縮機的密封性能，控制冷卻水的流量，保證壓縮機的排氣壓力在1.61MPa左右，冷凝器中制冷劑的溫度在40.5℃左右變化，保證系統(tǒng)安全經濟運行。

2.2 控制制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)溫度

由制冷壓縮機的制冷量、軸功率和制冷系數(shù)的數(shù)學公式可得：蒸發(fā)溫度偏低，將造成系統(tǒng)制冷量下降，制冷系數(shù)減小，間接導致冷庫耗能增加。經過估算，在冷凝溫度不變情況下，蒸發(fā)溫度降低2.5℃，要獲得相同的制冷量，整個冷庫耗電將增大10%左右，壓縮機制冷系數(shù)降低。導致制冷系統(tǒng)蒸發(fā)溫度偏低的因素頗多，例如制冷劑不足；制冷劑流量不足；蒸發(fā)器換熱能力差和壓縮機無法正常卸載等。根據(jù)不同的情況，采取對應的解決措施，保證實際的蒸發(fā)溫度與冷庫溫度的差值保持在5～10℃，避免冷庫制冷系數(shù)過低。

2.2.1 防止系統(tǒng)制冷劑不足

系統(tǒng)中制冷劑太少，甚至膨脹閥全開流經的濕蒸氣量仍達不到要求，將導致：(1)低溫庫中蒸發(fā)器后段的結霜融化；而高溫庫中蒸發(fā)器盤管結霜嚴重。(2)壓縮機的吸入壓力和排出壓力下降，而吸氣過熱度大幅度增大。系統(tǒng)制冷量過小，造成壓縮機長時間運轉而庫溫無法降至設計溫度，嚴重時直接造成壓縮機因吸氣壓力過低而停車，最終導致壓縮機頻繁啟動和停車，大大增加系統(tǒng)的耗能而冷庫的溫度無法滿足要求。當然如前所述，制冷劑充注量過多，將導致系統(tǒng)冷凝溫度過高，制冷量反而下降、系統(tǒng)耗能增加的后果。為此要嚴格控制制冷劑的充注量，冷庫制冷系統(tǒng)要求制冷劑全部回收時儲液器液位高度在80%左右；或系統(tǒng)正常工作時，保證儲液器中制冷劑液位維持在1/3～1/2之間。若發(fā)現(xiàn)制冷劑少量不足，可以考慮在壓縮機吸入口充入氣態(tài)制冷劑；若制冷劑的量嚴重不足，可以在儲液器處大量充注液態(tài)制冷劑，來保證制冷劑的總量符合設計要求。

2.2.2 提高蒸發(fā)器換熱能力

據(jù)統(tǒng)計，蒸發(fā)器內冷凍機油厚度增加0.2mm，將造成蒸發(fā)溫度下降5℃，同時系統(tǒng)電能損耗增加2.1%。同時低溫庫中蒸發(fā)器盤管的結霜，也將導致蒸發(fā)器換熱能力的下降，蒸發(fā)溫度的降低，制冷量的下降和系統(tǒng)耗能的增加。為此，運行中要經常檢查蒸發(fā)器的內表面積油程度，根據(jù)實際情況做到及時放油；同時定期利用熱氣化霜，保證蒸發(fā)器換熱能力一直處于理想狀態(tài)。

2.2.3 控制制冷劑流量

導致蒸發(fā)器內制冷劑蒸發(fā)溫度偏低另一個常見的原因是制冷劑流量不足，引起這種現(xiàn)象的產生可能是系統(tǒng)出現(xiàn)制冷劑管路流動不暢或者熱力膨脹閥故障引起制冷劑節(jié)流后減少等。

2.2.3.1 防止冰塞的產生

系統(tǒng)內水分較多時，隨制冷劑循環(huán)，水分將逐漸凝結在溫度低于0℃處，阻礙制冷劑流動，俗稱“冰塞”。冰塞一般發(fā)生在系統(tǒng)管路狹窄處，如膨脹閥閥孔通道和濾器等處[3]。 當冰塞程度較輕時，會引起進入蒸發(fā)器的制冷劑不足，造成冷庫溫度無法達到設計值；而冰塞嚴重時導致壓縮機停車時間長，運轉時間反而更短，造成制冷系統(tǒng)不能正常工作。出現(xiàn)這種情況，可以停止壓縮機運轉一段時間，并用開水澆燙易出現(xiàn)冰塞的部位，同時接入干燥過濾器，然后啟動壓縮機。運行1h后，若系統(tǒng)沒有出現(xiàn)類似情況，就可以判斷系統(tǒng)已經排除冰塞，為避免制冷劑阻力過大導致提前閃發(fā)等，可以把系統(tǒng)中干燥過濾器重新旁通。

2.2.3.2 清洗濾器和管路

制冷系統(tǒng)出現(xiàn)堵塞位置常見有管路狹窄處、干燥過濾器和膨脹閥吸入口濾器等。對于干燥過濾器而言，只有在系統(tǒng)出現(xiàn)“冰塞”、充注制冷劑、更換冷凍機油或進行維修等可能混入水分時，才將干燥過濾器接入系統(tǒng)進行吸收水分。而在裝置正常運行中，干燥過濾器經常處于被旁通狀態(tài)。膨脹閥進口處濾網出現(xiàn)堵塞引起故障，經常會被輪機員所忽略。當然這些部位出現(xiàn)堵塞，造成的后果雷同于“冰塞”，即：輕度將降低蒸發(fā)器中制冷劑的流量，造成制冷量不足；嚴重時直接造成冷庫溫度無法下降，而壓縮機啟動時間短和停車時間長等現(xiàn)象。

判斷某些部位是否出現(xiàn)堵塞，可以觀察它后面的管路是否結霜或發(fā)涼，若存在這種現(xiàn)象，表明液態(tài)制冷劑在該處節(jié)流降壓，引起少量制冷劑提前散發(fā)大量吸熱，所以可以確定該處出現(xiàn)堵塞，消除的方法比較簡單，就是對該處抽空后拆卸元件進行濾器清洗或干燥劑更換等操作，從而排除故障。

2.2.3.3 合理調節(jié)熱力膨脹閥

熱力膨脹閥的作用就是感受蒸發(fā)器出口氣態(tài)制冷劑的過熱度，控制進入蒸發(fā)器的制冷劑流量，以調節(jié)制冷系統(tǒng)工況。系統(tǒng)正常運行中，對于R22這種制冷劑而言，熱力膨脹閥將保證蒸發(fā)器出口過熱度的變動在3～6℃的范圍內。因過熱度過大，將導致蒸發(fā)器中制冷劑流量偏少，同時降低蒸發(fā)器換熱能力，造成制冷量不足；而過熱度過小，又引起有害過熱偏大和壓縮機易出現(xiàn)液擊現(xiàn)象的頻發(fā)。所以在熱力膨脹閥的彈簧預緊力等原因，導致過熱度偏離設定值，應該對膨脹閥進行重新調整。在熱力膨脹閥調整中，注意先對蒸發(fā)器進行融霜操作，保證系統(tǒng)正常運行，同時考慮系統(tǒng)的熱惰性，控制每次調節(jié)量和一段時間后，再來讀取過熱度，從而保證熱力膨脹閥調整操作的準確性。

2.3 減少環(huán)境熱量侵入

冷庫外熱量侵入，主要包含冷庫本身的隔熱性能、冷庫內的照明耗能、打開冷庫門的次數(shù)和持續(xù)的時間等。當然，這些外部熱源直接導致冷庫全熱負荷大幅度增加。據(jù)報道，冷庫中大氣侵入的熱量占總負荷的14%左右。因此，保證冷庫隔熱條件良好的狀態(tài)下，要盡量減少庫門開啟次數(shù)，養(yǎng)成隨手關門、關燈的習慣，盡可能降低外部熱量給冷庫帶來太大的負擔，造成能量大量損耗。

3 結語

隨著國際航運業(yè)的不斷發(fā)展和壯大，研究船舶冷庫運行特性，提高制冷裝置工作效率，實現(xiàn)制冷節(jié)能已經成為船舶運輸行業(yè)越來越重視的課題。而根據(jù)遠洋船舶航行特點和伙食冷庫運行特性，輪機員針對異常狀況時采取正確處理措施，提高制冷裝置操作管理水平，是制冷節(jié)能的重要保證。

參考文獻：

[1]費千.船舶輔機[M].大連：大連海事大學出版社，2005.

[2]湖北工業(yè)建筑設計院.冷藏庫設計[M].北京：中國建筑出版社，1990.

[3]李福海.船舶伙食制冷系統(tǒng)冷劑流量不足故障一例[J].航海技術，2009，(2).

[4]何昌偉.船舶教學實驗冷庫的設計與建造[J].青島遠洋船員學院學報，2008，(2).

[5]韓厚德.遠洋船舶伙食冷藏系統(tǒng)節(jié)能技術研究[J].節(jié)能，1997，(7).