船舶制冷裝置的基本原理和環(huán)境保護(hù)

王曉中

摘 要：蒸氣壓縮式制冷裝置一般使用沸點(diǎn)很低的氟利昂作為制冷劑，通過(guò)壓縮機(jī)和膨脹閥來(lái)改變其飽和溫度，使之可以被常溫的冷卻介質(zhì)冷凝或者可以吸收低溫空間的熱量。但是含氯的氟利昂升至高空臭氧層后，會(huì)釋放出氯離子，進(jìn)而大量損耗臭氧。使用不含有氯原子的氟利昂制冷劑，即氫氟烴來(lái)替代傳統(tǒng)的含氯氟利昂冷劑，可以有效地保護(hù)臭氧層。

關(guān)鍵詞：蒸氣壓縮式制冷 飽和溫度 氟利昂 臭氧層 氫氟烴

中圖分類號(hào)：U664.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）02（c）-0079-01

制冷就是從某一物體或空間吸取熱量，并將其轉(zhuǎn)移給周圍環(huán)境介質(zhì)，使該物體或空間的溫度低于環(huán)境的溫度，并維持這一低溫的過(guò)程。用于完成制冷過(guò)程的設(shè)備稱為制冷機(jī)或制冷裝置，用于存放低溫物體的空間稱為冷藏室或冷庫(kù)，實(shí)現(xiàn)熱量轉(zhuǎn)移的工作介質(zhì)稱制冷劑，單位時(shí)間內(nèi)從被冷物體或空間吸收的熱量稱為制冷量。實(shí)現(xiàn)制冷的途徑有天然制冷和人工制冷。天然制冷是以天然冰為冷源，利用冰融化過(guò)程吸收融解熱而實(shí)現(xiàn)制冷。人工制冷是借助制冷裝置并消耗一定的外功或熱能作“代價(jià)”，將低溫物體或空間的熱量轉(zhuǎn)移至高溫環(huán)境介質(zhì)而實(shí)現(xiàn)制冷的。船舶制冷的目的是實(shí)現(xiàn)貨物的冷藏運(yùn)輸，并為船舶空調(diào)提供冷源。船舶制冷裝置一般采用蒸氣壓縮式制冷。

1 船舶制冷裝置的基本原理

蒸氣壓縮式制冷裝置是由壓縮機(jī)，冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器四個(gè)基本的設(shè)備組成。低溫低壓的液態(tài)制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器中，吸收冷庫(kù)內(nèi)被冷物體釋放的熱量而不斷沸騰汽化，壓縮機(jī)進(jìn)而將蒸發(fā)器內(nèi)排出的低壓冷劑蒸氣吸入氣缸內(nèi)，并將其壓縮成高溫高壓的制冷劑蒸氣，壓縮機(jī)對(duì)冷劑施加高壓的目的是提高其飽和溫度（沸點(diǎn)），使其沸點(diǎn)高于常溫的冷卻介質(zhì)，再將其排至冷凝器。冷劑進(jìn)入冷凝器時(shí)處于過(guò)熱蒸氣的狀態(tài)，其實(shí)際溫度高于其壓力所對(duì)應(yīng)的沸點(diǎn)，在冷凝器中高溫的制冷劑蒸氣先被循環(huán)的冷卻介質(zhì)冷卻降溫，當(dāng)溫度降低至沸點(diǎn)后再進(jìn)一步被冷凝成液態(tài)制冷劑。在冷凝過(guò)程中，制冷劑把從冷庫(kù)中帶出的熱量和壓縮機(jī)的壓縮功傳遞給冷卻介質(zhì)，船舶制冷裝置冷凝器中一般使用海水或中央冷卻水系統(tǒng)的低溫淡水作為冷卻介質(zhì)。接著液態(tài)制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓降溫成為低溫低壓的冷劑濕蒸氣（氣液混合物），少量冷劑在經(jīng)過(guò)膨脹閥節(jié)流降壓時(shí)已經(jīng)發(fā)生了氣化。膨脹閥對(duì)冷劑降壓的目的是降低其飽和溫度，由于經(jīng)過(guò)膨脹閥后冷劑處于濕蒸氣的狀態(tài)，故其實(shí)際溫度就是壓力降低后所對(duì)應(yīng)的較低的飽和溫度，該沸點(diǎn)低于冷庫(kù)的庫(kù)溫，因此制冷劑重新進(jìn)入蒸發(fā)器后可以立即汽化吸熱。制冷循環(huán)不斷地進(jìn)行，冷庫(kù)的熱量也就不斷地通過(guò)循環(huán)的冷劑轉(zhuǎn)移給外界冷卻介質(zhì)，從而達(dá)到并維持冷庫(kù)溫度在一定的低溫范圍內(nèi)。

蒸發(fā)器是使液體冷劑氣化吸熱，被冷物體或冷媒放熱降溫，實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的熱交換器。按其冷卻介質(zhì)的不同，可分為冷卻空氣的直接冷卻式蒸發(fā)器和冷卻淡水、鹽水或其他載冷劑的間接冷卻式蒸發(fā)器兩大類。直接冷卻式蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)多為盤管式，制冷劑在管內(nèi)蒸發(fā)，空氣在管外放熱。這類蒸發(fā)器若是靠空氣自然對(duì)流換熱，則稱為蒸發(fā)盤管；若借助風(fēng)機(jī)使空氣強(qiáng)迫對(duì)流換熱，則稱為冷風(fēng)機(jī)。由于前者空氣的流速很低，傳熱系數(shù)小，因而降溫速度較慢，目前僅在冷庫(kù)和家用冰箱中采用。后者則采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫空氣作定向流動(dòng)，強(qiáng)迫對(duì)流提高了傳熱系數(shù)，因而降溫速度較快。冷風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，在現(xiàn)代船舶的冷藏艙和伙食冷庫(kù)中已有明顯取代蒸發(fā)盤管的趨勢(shì)。間接冷卻式蒸發(fā)器則往往用于船舶中央空調(diào)系統(tǒng)，氟利昂制冷劑在蒸發(fā)器中冷卻冷媒（淡水），再將降溫后的淡水送往中央空調(diào)器冷卻空氣。

2 含氯氟利昂冷劑對(duì)大氣的污染及替代

蒸氣壓縮式制冷是選擇沸點(diǎn)很低的液體，例如在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下沸點(diǎn)為-40.8 ℃的氟利昂22作為制冷劑。氟利昂是一類透明、無(wú)味、基本無(wú)毒，又不易燃燒、爆炸、化學(xué)性能穩(wěn)定的制冷劑。液體制冷劑經(jīng)膨脹閥節(jié)流進(jìn)入冷庫(kù)內(nèi)的蒸發(fā)盤管中，制冷劑就會(huì)在較低的壓力下吸熱氣化，從冷庫(kù)中吸收熱量，使庫(kù)溫降低，從而實(shí)現(xiàn)制冷。

20世紀(jì)70年代初，研究大氣的科研人員發(fā)現(xiàn)大氣臭氧層有不斷耗減的趨勢(shì)，并于1985年首次在南極上空發(fā)現(xiàn)臭氧層空洞，同時(shí)全球氣候有變暖的跡象。1973年日本召開的一次國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議上，一些環(huán)境科學(xué)家認(rèn)為臭氧層內(nèi)臭氧濃度的下降是因?yàn)槿祟惢顒?dòng)所散發(fā)的物質(zhì)進(jìn)入臭氧層并參加使臭氧消亡的反應(yīng)，破壞臭氧層內(nèi)的自然動(dòng)態(tài)平衡所導(dǎo)致的。1974年美國(guó)加州大學(xué)化學(xué)系的羅蘭德教授和莫尼娜博士首次在英國(guó)學(xué)術(shù)雜志《Nature》上提出含有氯原子的氟利昂制冷劑可能會(huì)分解臭氧，威脅臭氧層的厚度。雖然對(duì)臭氧層是否耗減及何種機(jī)制引起耗減的問(wèn)題曾在科學(xué)界、企業(yè)界、各國(guó)政府部門內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)10年之久的激烈爭(zhēng)論，但事實(shí)上經(jīng)各國(guó)科學(xué)家長(zhǎng)期而大量的觀察研究確定含氯氟利昂是破壞臭氧層的主要因素之一。美國(guó)宇航局（NASA）為尋求揭示臭氧層空洞的生成機(jī)制，于1986年及1987年兩次牽頭組織數(shù)十名科學(xué)家赴南極進(jìn)行“國(guó)家臭氧探險(xiǎn)”活動(dòng)，考察結(jié)果很好的解釋了含氯氟利昂耗減臭氧層的原因和機(jī)理。含氯的氟利昂升至高空臭氧層后，在強(qiáng)烈的紫外線作用下釋放出氯離子，會(huì)起催化作用而大量損耗臭氧，破壞臭氧的生成和分解平衡，降低臭氧的濃度，使到達(dá)地面的紫外線顯著增強(qiáng)，對(duì)人類的健康和農(nóng)作物、海洋浮游生物的生長(zhǎng)不利，并可能引起氣候異常。為了避免對(duì)臭氧層造成破壞，目前普遍使用不含有氯原子的氟利昂制冷劑，即氫氟烴或幾種氫氟烴按特定比例混合的非共沸混合物來(lái)替代傳統(tǒng)的含氯氟利昂冷劑，主要有R134a、R404A、R407C等。傳統(tǒng)冷劑R717（氨，NH3）價(jià)格低廉，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力下的沸點(diǎn)為-33.4 ℃，它的單位容積制冷量大，而且粘度比氟利昂低不少，熱導(dǎo)率大很多，與大多數(shù)材料相容（除銅及磷青銅以外的銅合金）。但由于其缺點(diǎn)過(guò)于明顯，即有強(qiáng)烈的刺激性氣味，在空氣中容積含量達(dá)0.5%～0.6%時(shí)對(duì)人的呼吸器官和粘膜就會(huì)有刺激作用，人在其中停留半小時(shí)以上就會(huì)中毒，含量達(dá)11%～14%可燃，16%～25%可以爆炸。故氨作為制冷劑目前主要用于陸地冷庫(kù)和某些水產(chǎn)品加工船。

3 結(jié)語(yǔ)

臭氧能有效地吸收對(duì)動(dòng)植物有害的太陽(yáng)紫外線UV-B和UV-C，而對(duì)生物基本無(wú)害的太陽(yáng)紫外線UV-A卻能全部通過(guò)。正是由于有臭氧層這道天然屏障，才使得地球上的人類和其它生物能夠正常生長(zhǎng)和世代繁衍。保護(hù)臭氧層至關(guān)重要，我們必須使防污染與造機(jī)、造船、航運(yùn)的發(fā)展保持同步，決不能偏廢或忽視污染物的排放。

參考文獻(xiàn)

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