船舶制冷技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和節(jié)能措施

李培銘

● （海軍裝備部，北京 100071）

船舶制冷技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀和節(jié)能措施

李培銘

● （海軍裝備部，北京 100071）

闡述國內(nèi)外船舶制冷技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀，并根據(jù)其型式和主要特點(diǎn)以及船舶制冷技術(shù)的發(fā)展情況，探討了幾種簡單易行的節(jié)能措施。

船舶；制冷技術(shù)；節(jié)能措施

0 前言

船舶制冷技術(shù)是一種在陸用制冷技術(shù)基礎(chǔ)上的擴(kuò)展和延伸，目前陸上廣泛應(yīng)用的各種制冷技術(shù)，無論是滿足生活需求還是工藝性要求的制冷型式，均已在船舶上得到應(yīng)用。本文闡述了國內(nèi)外船舶制冷技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀，并根據(jù)其型式和主要特點(diǎn)以及船舶制冷技術(shù)的發(fā)展情況，探討了幾種簡單易行的節(jié)能措施。

1 船舶制冷技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 常用制冷原理

目前在各類船舶上已有應(yīng)用的制冷方式有機(jī)械驅(qū)動(dòng)和熱驅(qū)動(dòng)相變制冷循環(huán)兩大類。機(jī)械驅(qū)動(dòng)主要有蒸汽壓縮式，熱驅(qū)動(dòng)主要有吸收式和噴射式。

蒸汽壓縮式制冷循環(huán)是利用某些工質(zhì)相變產(chǎn)生潛熱的特性，采用機(jī)械驅(qū)動(dòng)，通過壓縮、冷凝、節(jié)流、蒸發(fā)四個(gè)過程周而復(fù)始的閉式循環(huán)，在蒸發(fā)段吸收外界熱量，冷凝段放出熱量，從而達(dá)到制冷目的。

在船舶上應(yīng)用的蒸汽壓縮式制冷機(jī)組，根據(jù)其采用的壓縮機(jī)型式可分為容積型和速度型兩種；所謂容積型是通過減少空間容積的辦法壓縮蒸汽，從而使蒸汽獲得能量，典型的壓縮機(jī)有活塞式、螺桿式等；而速度型則是利用旋轉(zhuǎn)機(jī)械，連續(xù)地將角動(dòng)量轉(zhuǎn)給蒸汽，并使該動(dòng)量轉(zhuǎn)為壓力能，最典型的壓縮機(jī)就是離心式。

吸收式制冷循環(huán)是采用熱能驅(qū)動(dòng)二元溶液，通過發(fā)生、冷凝、蒸發(fā)、吸收四個(gè)過程周而復(fù)始的閉式循環(huán)，在蒸發(fā)段吸收外界熱量，冷凝段、吸收段放出熱量，從而達(dá)到制冷目的。在船舶上應(yīng)用的有溴化鋰吸收式制冷機(jī)。

噴射式制冷循環(huán)是利用中、低壓水蒸汽本身的能量，通過噴嘴產(chǎn)生高速流引射蒸發(fā)器內(nèi)蒸汽，一方面使蒸發(fā)器處于高真空狀態(tài)，保持冷劑水蒸發(fā)吸熱，另一方面，引射后的混合汽經(jīng)擴(kuò)壓后，冷凝、節(jié)流成冷劑水蒸發(fā)制冷。

1.2 國內(nèi)外各類制冷機(jī)組的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.2.1 離心式制冷機(jī)組

離心式制冷機(jī)組具有單位重量、體積容量大，結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、幾乎沒有磨損，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)剩余慣性力極微、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，無級能調(diào)范圍寬，制冷劑混入的潤滑油極少，對換熱器換熱效果影響小、效率最高等顯著優(yōu)點(diǎn)，但不適合小能量的場合[1,2]。離心式制冷機(jī)組容量一般在 50萬kcal/h以上，在國內(nèi)船舶上應(yīng)用較少，我國的第一代遠(yuǎn)洋測量船等曾經(jīng)有過應(yīng)用。

而在國外船舶上則應(yīng)用較多，如：美國水面、水下艦船幾乎全部應(yīng)用了各種規(guī)格的離心式制冷機(jī)組；俄羅斯的航空母艦也應(yīng)用了離心式冷水機(jī)組；英國的航空母艦采用了離心式冷水機(jī)組和活塞式冷水機(jī)組相結(jié)合的方式；西班牙的航空母艦采用了離心式冷水機(jī)組；印度的航空母艦也采用離心式冷水機(jī)組和活塞式冷水機(jī)組相結(jié)合的方式；法國的輕型巡洋艦采用了離心式冷水機(jī)組，護(hù)衛(wèi)艦采用離心式冷水機(jī)組與活塞式冷水機(jī)組相結(jié)合的方式。

而豪華郵輪則全部采用了離心式冷水機(jī)組。

從應(yīng)用情況看，國外明顯比國內(nèi)多得多，主要原因還是國內(nèi)大噸位、大熱負(fù)荷的船舶建造還較少。從國外船舶上應(yīng)用情況看，離心式制冷技術(shù)與其它制冷型式一樣，也已相當(dāng)成熟。隨著我國造船工業(yè)的快速發(fā)展，大容量的離心式制冷技術(shù)也必將在我國的船舶上得到應(yīng)用。

1.2.2 螺桿式制冷機(jī)組

螺桿式制冷機(jī)組具有結(jié)構(gòu)簡單、零件少、振動(dòng)小、可在較大壓縮比下工作等優(yōu)點(diǎn)，但轉(zhuǎn)子加工要求高[2]，因此其普及應(yīng)用相對晚一些。

螺桿式制冷機(jī)組既大量應(yīng)用于空調(diào)，也應(yīng)用于低溫凍結(jié)。

在國內(nèi)，單機(jī)能量從(6～30)萬kcal/h螺桿式冷水機(jī)組應(yīng)用于各類艦艇的空調(diào)系統(tǒng)；一些人員負(fù)荷較大的客貨輪、客滾船也采用螺桿式冷水機(jī)組，新建的遠(yuǎn)洋測量船則全部采用了螺桿式冷水機(jī)組；

在國外，德國的掃雷艇采用了螺桿式冷水機(jī)組與活塞式冷水機(jī)組相結(jié)合的方式應(yīng)用于空調(diào)。

低溫螺桿式制冷機(jī)組較多的應(yīng)用于捕魚加工船上的魚品凍結(jié)，特別是金槍魚的低溫保鮮。

目前，在我國船舶制冷機(jī)組設(shè)計(jì)上，大容量機(jī)組還是以螺桿式制冷機(jī)組為首選，因?yàn)樵诖蠹s(10～50)萬 kcal/h能量范圍內(nèi)，螺桿式制冷機(jī)組的效率和能量調(diào)節(jié)性能占有優(yōu)勢。

1.2.3 活塞式制冷機(jī)組

活塞式制冷機(jī)組廣泛應(yīng)用于小能量的場合，在船舶上應(yīng)用最多。大多數(shù)貨輪、工程船舶、小型艦艇都應(yīng)用活塞式制冷機(jī)組，包括用于空調(diào)和冷藏。

許多大型船舶采用了活塞式制冷機(jī)組和其它類型機(jī)組結(jié)合使用的方式。

大多數(shù)船舶熱負(fù)荷都不大，并由于考慮系統(tǒng)可靠性和分區(qū)的需要，單機(jī)制冷量大都不超過20萬kcal/h。所以，活塞式制冷機(jī)組在船舶領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)具有廣泛的市場。

1.2.4 溴化鋰吸收式制冷機(jī)組

溴化鋰吸收式制冷機(jī)可以以低勢熱能作為加熱源，并在真空狀態(tài)下運(yùn)行，無臭、無毒、無爆炸危險(xiǎn)，變負(fù)荷性能好，振動(dòng)噪聲小。因此理論上講最適合使用溴化鋰吸收式制冷機(jī)的船舶是以蒸汽為動(dòng)力的水下船舶—核潛艇。

1.2.5 蒸汽噴射式制冷機(jī)組

蒸汽噴射式制冷機(jī)組以中、低壓水蒸氣為動(dòng)力，并以其噴射后混合汽冷凝節(jié)流后制冷，運(yùn)行安全，但效率較低，冷凝負(fù)荷大。在我國舒適性空調(diào)領(lǐng)域已無應(yīng)用，而在船舶上從未應(yīng)用過。國外目前僅俄羅斯還在開展研究工作[3]，在其艦艇上也有應(yīng)用。

2 船舶制冷技術(shù)的發(fā)展情況和節(jié)能措施

2.1 船舶制冷技術(shù)的發(fā)展情況

同陸用制冷技術(shù)一樣，隨著能源價(jià)格的不斷上漲、保護(hù)大氣臭氧層和防止全球變暖的國際公約在世界范圍的實(shí)施，設(shè)備的環(huán)保、節(jié)能也必然成為船舶制冷技術(shù)的發(fā)展趨勢。

制冷設(shè)備的環(huán)保首先會想到制冷工質(zhì)，這在業(yè)界已有廣泛的研究和不少成果。作為船舶制冷設(shè)備應(yīng)跟蹤世界最新成果，同時(shí)結(jié)合各類船舶的航區(qū)，在國際公約的框架下，充分利用政策的空間，選擇合適的制冷劑。目前，R134a、R404a、R407c等環(huán)保工質(zhì)已在船舶制冷設(shè)備上廣泛應(yīng)用。但作者建議，在國內(nèi)航行的船舶，既考慮環(huán)保要求，也要考慮效率和經(jīng)濟(jì)性，在選擇制冷工質(zhì)上不必超前。

另外，采用CO2等自然工質(zhì)的制冷機(jī)還未看到在船舶上應(yīng)用的迫切性。

耗能設(shè)備的節(jié)能永遠(yuǎn)是發(fā)展的重點(diǎn)，制冷設(shè)備也不例外。但在船舶制冷領(lǐng)域關(guān)注度并不高，但設(shè)計(jì)人員還是有所考慮，一般有如下途徑：

1）根據(jù)不同的能量范圍選用適用的性能更優(yōu)的壓縮機(jī)機(jī)型；

2）盡可能減少使用分散式小容量機(jī)組，采用集中供冷，基本負(fù)荷采用能效比相對高的大容量機(jī)組；

3）變負(fù)荷運(yùn)行采用變頻調(diào)速壓縮機(jī)、電子膨脹閥調(diào)節(jié)流量等方式；

但利用廢熱進(jìn)行制冷的吸收式、吸附式制冷方式，由于體積大，使用不方便等原因，目前還不可能在船舶上推廣應(yīng)用。

2.2 實(shí)現(xiàn)船舶制冷應(yīng)用節(jié)能的其它措施

2.2.1 采用換熱溫差更小的蒸發(fā)器型式

一般冷水機(jī)組的蒸發(fā)器最常用的型式有干式蒸發(fā)器和滿液式蒸發(fā)器。

在換熱方式上，干式蒸發(fā)器管側(cè)走制冷劑，殼側(cè)走水，換熱形式為液--氣液混合物換熱，特別在后半程，不可避免地會產(chǎn)生換熱效率下降，還有分配不均勻的問題，有效換熱面積不能得到充分利用，它的傳熱溫差一般為5℃；而滿液式蒸發(fā)器管側(cè)走水，殼側(cè)為液態(tài)制冷劑，制冷劑充滿殼側(cè)整個(gè)容積的大約70%左右，換熱形式基本以液--液換熱為主，傳熱溫度差一般為 2℃，換熱效率顯然比液-氣液混合物高。

而隨著制造技術(shù)的發(fā)展，目前真空釬焊的板式蒸發(fā)器也已得到應(yīng)用，按使用經(jīng)驗(yàn)，它的傳熱溫度差也能夠達(dá)到2℃。

由于傳熱溫差小，即可提高機(jī)組蒸發(fā)溫度，從而在相同的制冷量下，提高機(jī)組能效比，達(dá)到節(jié)能目的。

所以，對于使用活塞式制冷壓縮機(jī)和中小型螺桿式制冷壓縮機(jī)的冷水機(jī)組，建議采用板式蒸發(fā)器，而使用大型螺桿式制冷壓縮機(jī)的冷水機(jī)組，在保證足夠分油效果的情況下盡量采用滿液式蒸發(fā)器，而使用離心式制冷壓縮機(jī)的冷水機(jī)組，滿液式蒸發(fā)器是不二的選擇。

2.2.2 優(yōu)化冷卻水量設(shè)計(jì)

船舶在江河湖海上航行，冷卻水取之不盡。一般來說，加大冷卻水量，可提高流速，增強(qiáng)換熱效率；還可降低傳熱溫差，縮小設(shè)備尺寸。但在海上，流速受到了所用冷凝管材質(zhì)的耐海水腐蝕性能的制約。同時(shí)，冷凝器的熱力性能計(jì)算過程表明,高于一定流速，由于受管外冷凝熱阻的影響，換熱效率的提高微乎其微，但增加了冷卻水泵的能耗，并會嚴(yán)重影響冷凝管的耐海水腐蝕性能。

作者在綜合考慮了效率、耐腐蝕性能等方面的因素，推薦設(shè)計(jì)流速如表1所示。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]的分析，冷卻水溫差控制在 4.3℃～4.5℃比較理想，比通常推薦的2℃～4℃[5]要高，從而降低冷卻水量。雖然在較高海水溫度時(shí)，降低冷卻水量會提高冷凝溫度，但通過適當(dāng)降低冷卻水量，既能提高設(shè)備耐海水腐蝕性能，又能保持性能基本不變，并能長期降低冷卻水泵能耗，也是制冷機(jī)組節(jié)能的一種方法之一。

表1 不同材料冷凝管設(shè)計(jì)流速推薦值

3 結(jié)束語

制冷對于所有船舶來說是必需的，而其運(yùn)行更高效、更節(jié)能，是我們的追求目標(biāo)。通過研發(fā)新型高效制冷劑、能效比更高的壓縮機(jī)等是一種方法；改善制冷循環(huán)、優(yōu)化部件設(shè)計(jì)也是一種方法，并且是一種簡單、更容易得到實(shí)施方法。

[1]尉遲斌, 顧安忠.船舶制冷裝置[M].北京: 國防工業(yè)出版社, 1980.

[2]董天祿等.離心式/螺桿式制冷機(jī)組及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2002.

[3]М.А.希爾曼等.蒸噴式制冷機(jī)的改進(jìn)[J].制冷裝置(俄), 1997(6).

[4]周瑋.海水流量對制冷空調(diào)機(jī)組性能的影響[J].機(jī)電設(shè)備, 2004(2): 20-21.

[5]《船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊冷藏通風(fēng)》編寫組編.船舶設(shè)計(jì)實(shí)用手冊第六分冊[M].北京: 國防工業(yè)出版社, 1975.

中國船級社與鋼鐵研究總院簽署技術(shù)合作協(xié)議

2月28日，中國船級社（CCS）總裁孫立成會見了前來拜訪的鋼鐵研究總院田志凌常務(wù)副院長及該院工程用鋼研究所所長楊才福、副所長蘇航、焊接技術(shù)研究所副所長馬成勇等。雙方就技術(shù)合作進(jìn)行了積極有效的交流和溝通，并簽署了技術(shù)合作協(xié)議。雙方認(rèn)為，充分發(fā)揮CCS在國際航運(yùn)界最新技術(shù)信息掌握、相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制訂和新技術(shù)要求在實(shí)踐中應(yīng)用、聯(lián)系航運(yùn)造船產(chǎn)業(yè)鏈的紐帶作用等方面的優(yōu)勢；充分發(fā)揮鋼鐵研究總院在船舶和海洋工程金屬材料的研發(fā)、檢測、試驗(yàn)?zāi)芰Φ确矫娴男酆駥?shí)力和專長，通過加強(qiáng)雙方的互補(bǔ)合作，一定會為中國鋼鐵、造船行業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進(jìn)步做出更大的貢獻(xiàn)。

CCS孫峰副總裁和田志凌分別代表雙方在技術(shù)合作協(xié)議上進(jìn)行了簽署。雙方有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和專家參加了交流活動(dòng)并出席了簽字儀式。

Application and Energy Saving Measures of Marine Refrigeration Technology

LI Pei-ming
(Naval Equipment Department, Beijing 100071, China)

This article discusses the applications of marine refrigeration technology both in China and abroad.Some measures to save energy are proposed according to the types, main characteristics and attained developments of marine refrigeration technology.

ship; refrigeration technology; energy saving

U664

A

李培銘（1974-），男，工程師。研究方向：船舶輪機(jī)。