柜式氣調(diào)冷庫(kù)在中小型船舶上應(yīng)用

朱向蒙張曉紅

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

柜式氣調(diào)冷庫(kù)在中小型船舶上應(yīng)用

朱向蒙1張曉紅2

（中國(guó)船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200011）

目前氣調(diào)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于陸用冷庫(kù)中，但在船舶上的應(yīng)用還存在一些問(wèn)題。柜式氣調(diào)冷庫(kù)是在傳統(tǒng)整體氣調(diào)冷庫(kù)基礎(chǔ)上改進(jìn)而成。文中結(jié)合實(shí)際中小型船舶的成本和空間限制的特點(diǎn)，通過(guò)分析比較得出柜式氣調(diào)冷庫(kù)在船舶上使用的優(yōu)點(diǎn)和適用性，為氣調(diào)冷庫(kù)在船舶中的發(fā)展提供參考。

柜式氣調(diào)冷庫(kù)；冷庫(kù)成本；安全性

引 言

船舶在海上航行時(shí)間較長(zhǎng)，為保證船員氨基酸和維生素的攝取，需要延長(zhǎng)蔬果等食品的儲(chǔ)存期并保證其營(yíng)養(yǎng)成分不流失。氣調(diào)冷庫(kù)是目前最先進(jìn)的果蔬保鮮儲(chǔ)藏方法之一。它是在冷藏的基礎(chǔ)上配備一套氣調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)貯藏環(huán)境中溫度、濕度和氣體成分（二氧化碳、氧氣濃度和乙烯濃度等）進(jìn)行環(huán)境控制，抑制果蔬呼吸作用、延緩其新陳代謝過(guò)程，延長(zhǎng)果蔬貯藏期［1］。

目前，氣調(diào)技術(shù)在陸用大型冷庫(kù)上的應(yīng)用已經(jīng)很成熟。船舶由于存在空間小等局限性，氣調(diào)技術(shù)的應(yīng)用還不廣泛，現(xiàn)今已有的應(yīng)用主要包括冷藏集裝箱、冷藏貨艙和伙食冷庫(kù)三方面，其中伙食冷庫(kù)由于人員進(jìn)出比較頻繁，氣調(diào)工藝參數(shù)難以維持，使用和發(fā)展受到一定程度的限制［2］。

柜式氣調(diào)冷庫(kù)是在傳統(tǒng)的氣調(diào)冷庫(kù)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，本文從冷庫(kù)成本和安全性?xún)煞矫娣治鲈撔屠鋷?kù)的優(yōu)越性和使用前景。

1 柜式氣調(diào)冷庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

柜式氣調(diào)冷庫(kù)由氣調(diào)庫(kù)、制冷系統(tǒng)、氣調(diào)系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)等構(gòu)成。氣調(diào)庫(kù)包括庫(kù)體、氣密通艙件等［3］，其中，柜式氣調(diào)庫(kù)在普通庫(kù)體的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)：將若干個(gè)氣密的氣調(diào)金屬柜代替擱架，并采用集中氣源獨(dú)立控制，將優(yōu)化的普通高溫庫(kù)板代替氣密性較好的氣調(diào)庫(kù)板。制冷系統(tǒng)包括冷藏機(jī)組、制冷管道、閥門(mén)和控制元件組成，用以維持設(shè)計(jì)溫度范圍的庫(kù)內(nèi)環(huán)境。相對(duì)濕度對(duì)于蔬果保鮮起到關(guān)鍵作用，相對(duì)濕度可通過(guò)氣調(diào)柜內(nèi)的濕度探測(cè)器控制加濕管路中的電磁閥及電極式蒸汽發(fā)生器開(kāi)關(guān)。氣調(diào)系統(tǒng)由氣體調(diào)節(jié)設(shè)備、管道、閥門(mén)等組成，用以保證氣調(diào)庫(kù)內(nèi)氣體成分達(dá)到所需的要求并保持相對(duì)穩(wěn)定［4］。測(cè)控系統(tǒng)包括氣體濃度檢測(cè)儀、氮?dú)獬渥⑾到y(tǒng)、管路及附件，通過(guò)監(jiān)測(cè)氣調(diào)冷庫(kù)內(nèi)氣體濃度來(lái)控制氮?dú)獾某渥⒘?，使冷?kù)內(nèi)氣體濃度維持在設(shè)定范圍內(nèi)［5］。

柜式氣調(diào)冷庫(kù)與常規(guī)氣調(diào)冷庫(kù)的區(qū)別在于：柜式氣調(diào)冷庫(kù)將氮?dú)庹{(diào)節(jié)區(qū)域大大減小，節(jié)省了冷庫(kù)氣調(diào)所需的氮?dú)饬?；?duì)于柜式氣調(diào)冷庫(kù)的二氧化碳濃度和相對(duì)濕度，與常規(guī)氣調(diào)庫(kù)處理方式相似，區(qū)別在于將二氧化碳濃度和相對(duì)濕度的調(diào)節(jié)范圍局限于氣調(diào)柜內(nèi)。柜式氣調(diào)冷庫(kù)不僅降低了氣調(diào)庫(kù)的全壽命成本，而且還大大提高了氣調(diào)冷庫(kù)的安全性。柜式氣調(diào)冷庫(kù)的外形、質(zhì)量、尺寸等參數(shù)需根據(jù)實(shí)際船型來(lái)確定，本文不作具體介紹。

2 柜式氣調(diào)冷庫(kù)性能分析

2.1 冷庫(kù)成本分析

在船舶氣調(diào)冷庫(kù)中，制氮機(jī)和庫(kù)板在冷庫(kù)成本中占據(jù)很大的比例［6］，下文將分別予以分析。其中，常規(guī)氣調(diào)庫(kù)與柜式氣調(diào)冷庫(kù)的定量比較，均在保鮮蔬果量、保鮮時(shí)間、保鮮質(zhì)量等相同的前提下。

2.1.1 氣體置換量分析

設(shè)冷庫(kù)容積為V，氮?dú)獬跏紳舛葹镃0，注入氮?dú)鉂舛葹镃，注入流量為P，假定注入氮?dú)馀c冷庫(kù)內(nèi)原有空氣迅速充分混合并以相同的進(jìn)氣量排出冷庫(kù)，則冷庫(kù)內(nèi)氮?dú)鉂舛入S時(shí)間t變化為C（t），經(jīng)過(guò)后，氮?dú)獾臐舛扔?jì)算如下：

積分后得：

其中

式中：v為食品的庫(kù)容系數(shù)，m3/t，通常參照冷庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50072-2010）選?。ɡ鋷?kù)設(shè)計(jì)規(guī)范的值偏小，因?yàn)榇袄鋷?kù)一般都比較小，所以每噸食品所占體積較大）；n為食品分配系數(shù)，人×天；w為食品分配量，千克/（人·天）［7］。

某小型工程船冷庫(kù)布置如圖1所示。

圖1 某小型工程船冷庫(kù)布置圖

由圖1可知，該冷庫(kù)可布置上下兩層共26個(gè)氣調(diào)柜，每個(gè)氣調(diào)柜體積V1=0.6 m3，氮?dú)獬渥⒘髁縋=12 m3/h，為簡(jiǎn)化模型，設(shè)大氣由氮?dú)夂脱鯕饨M成，其中氮?dú)鉂舛葹?9%，氧氣濃度為21%，充注氮?dú)鉂舛菴0=100%。為實(shí)現(xiàn)果蔬保鮮的目的，首先把氣調(diào)冷庫(kù)內(nèi)氧氣的濃度降至5%，再通過(guò)果蔬呼吸作用降至3%［8］。

根據(jù)式（3），將每個(gè)氣調(diào)庫(kù)內(nèi)氧氣濃度降至目標(biāo)濃度所需時(shí)間t1=0.07 h，所需氮?dú)獬渥⒘縌1=P·t·n=12×0.07×26=22 m3。考慮最不利情況，工程船自持力為25天，共45人。根據(jù)式（4），每日所需庫(kù)容為V=0.36 m3＜0.6 m3，故每天僅需開(kāi)一個(gè)氣調(diào)柜（由式（3）計(jì)算得每個(gè)氣調(diào)柜沖注量為0.84 m3），在航行期間內(nèi)柜式氣調(diào)冷庫(kù)的氮?dú)獬渥⒘繛镼11=0.84×25=21 m3。

假設(shè)該冷庫(kù)為普通氣調(diào)冷庫(kù)，氣調(diào)庫(kù)總體積V=30 m3，由式（3）計(jì)算可得，把氧氣濃度降至目標(biāo)濃度，所需時(shí)間為t=4.8 h，氮?dú)獬渥⒘縌=P·t= 12×4.8=58 m3，充注總量為Q=58×25=1 450 m3。

通過(guò)以上計(jì)算可知，在一個(gè)為期25天的航行時(shí)間內(nèi)，柜式氣調(diào)冷庫(kù)用于氣體置換的氮?dú)庀牧窟h(yuǎn)小于普通的氣調(diào)冷庫(kù)。因而在中小型船舶的柜式氣調(diào)冷庫(kù)中可以取消制氮機(jī)，采用氮?dú)馄孔鳛榈獨(dú)庠?。在吊口附近配置一個(gè)能夠容納10個(gè)氮?dú)馄康募茏?，?dāng)船舶進(jìn)入港口補(bǔ)給時(shí)更換，可以節(jié)省制氮機(jī)和高效氣密庫(kù)板成本（市場(chǎng)上普通氮?dú)馄繛?0 L，充注壓力為12～13 MPa即可釋放5.6 m3的氮?dú)猓?/p>

據(jù)市場(chǎng)調(diào)研，普通瓶裝氮?dú)鈨r(jià)格約200元/40升，全年運(yùn)行所需消耗的氮?dú)獬杀炯s12 000元，單個(gè)氣調(diào)柜的制作成本約2 000元。按照10年全壽命計(jì)算，本船柜式氣調(diào)冷庫(kù)的設(shè)備全壽命成本約16.6萬(wàn)元，而一臺(tái)制氮機(jī)的初始投資約30～50萬(wàn)元，由此可見(jiàn)，柜式氣調(diào)冷庫(kù)的全壽命成本大大降低。此外，冷庫(kù)庫(kù)板的成本也可以降低（下文將對(duì)此作簡(jiǎn)要闡述）。

標(biāo)準(zhǔn)氮?dú)馄繄D紙參見(jiàn)圖2。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)氮?dú)馄繄D紙

2.1.2 庫(kù)板成本分析

庫(kù)板是冷庫(kù)的重要組成部分，常規(guī)氣調(diào)冷庫(kù)為保證氣密性，通常采用兩面都有彩鍍鋼板護(hù)面的夾心板，氣密性和防潮隔氣性都很好，對(duì)各板面間的每條接縫處做好密封，才能保證整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)具有良好的氣密性。庫(kù)門(mén)也是氣調(diào)庫(kù)容易產(chǎn)生氣體泄漏之處，為保證庫(kù)門(mén)與庫(kù)體之間的密封， 可以將庫(kù)門(mén)的氣密條做成充氣式，充氣式庫(kù)門(mén)成本也很高。柜式氣調(diào)冷庫(kù)采用的獨(dú)立冷柜代替擱架，因而柜式氣調(diào)冷庫(kù)采用普通庫(kù)板即可，這也大大節(jié)省了冷庫(kù)的初始成本。

2.2 安全性分析

普通氣調(diào)冷庫(kù)內(nèi)的含氧量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于正常值。為避免進(jìn)出船員出現(xiàn)窒息現(xiàn)象，氣調(diào)冷庫(kù)中通常配有供氧風(fēng)機(jī)，并在醒目位置安裝警告牌［9］。由于目前小容器的氣密性工藝成熟，在柜式氣調(diào)冷庫(kù)中，可以將氣調(diào)柜做成冰箱結(jié)構(gòu)，采用五面焊接、一面封條密封的方式，即可保證氣柜的氣密性。此外，船員每次取食物時(shí)僅需打開(kāi)一個(gè)氣調(diào)柜，減少了冷庫(kù)與外界的氣體交換，進(jìn)一步確保船員的安全。

3 結(jié) 論

通過(guò)上述分析可知，與普通氣調(diào)冷庫(kù)相比，柜式氣調(diào)庫(kù)能夠取消制氮機(jī)，改用普通庫(kù)板，很大程度上節(jié)約了冷庫(kù)成本；此外，其氣密性遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通氣調(diào)冷庫(kù)，能夠充分保證進(jìn)出船員的安全。雖然目前還沒(méi)有形成規(guī)模生產(chǎn)，但隨著氣調(diào)技術(shù)的不斷發(fā)展，柜式氣調(diào)冷庫(kù)將逐步廣泛用于船舶領(lǐng)域。

［1］李家慶.果蔬保鮮手冊(cè)［M］.北京： 中國(guó)輕工業(yè)出版社，2003： 26-27.

［2］趙家祿， 黃清華， 李彩琴.小型果蔬氣調(diào)庫(kù)［M］.北京：科學(xué)出版社， 2000： 88-92.

［3］盧士勛，楊萬(wàn)楓.制冷技術(shù)及其工程應(yīng)用［M］.上海：上海交通大學(xué)出版社，2010： 293-296.

［4］薛殿華.空氣調(diào)節(jié)［M］.北京： 清華大學(xué)出版社，2005.

［5］中華人民共和國(guó)商務(wù)部. GB 50072 - 2001， 冷庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］. 2010.

［6］郭曉光，管大勇.氣調(diào)庫(kù)及氣調(diào)庫(kù)設(shè)備［J］.制冷，2003（12） ： 34-37.

［7］趙家祿，黃清華，李彩琴.小型果蔬氣調(diào)庫(kù)［M］. 北京：科學(xué)出版社， 2000.

［8］ 朱華，汪海燕.科考船的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.船舶，2014（2）：55-57.

［9］ 趙磊，張慧.氣調(diào)保鮮庫(kù)在現(xiàn)代船舶上的運(yùn)用［J］.船舶，2008（4）：8-12.

Application of cabinet controlled atmosphere storage on small and medium ships

ZHU Xiang-meng ZHANG Xiao-hong
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The controlled atmosphere storage （CAS） technology has been widely applied on land， however there are some problems for the application on ships. The advantages and applicability of the cabinet CAS transformed from traditional CAS are analyzed and compared in view of the cost and space limitation for small or medium ships. It can provide reference for improving the CAS application on ships in future.

cabinet controlled atmosphere storage； cost； safety

U664.87

A

1001-9855（2015）06-0061-03

2014-12-11；

2015-11-18

朱向蒙（1981-），男，工程師，研究方向：船舶空財(cái)、冷藏設(shè)計(jì)。

張曉紅（1987-），女，碩士，助理工程師，研究方向：船舶空調(diào)、冷藏設(shè)計(jì)。