某海上養(yǎng)殖工船的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王永生，王靖，董登攀

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2.中國海洋大學(xué)，山東 青島266000)

某海上養(yǎng)殖工船的制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王永生1，王靖1，董登攀2

(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院 漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092；2.中國海洋大學(xué)，山東 青島266000)

為回收利用制冷系統(tǒng)中的冷量,實(shí)現(xiàn)船舶的節(jié)能減排，以海上養(yǎng)殖工船為目標(biāo)船，采用制冷機(jī)組和板式熱交換器組合設(shè)計(jì)，根據(jù)板式熱交換器的進(jìn)出口的溫差分析制冷機(jī)組的制冷量、板式熱交換器的換熱量及面積。結(jié)果表明，在制冷機(jī)組前加板式熱交換器，可實(shí)現(xiàn)節(jié)能，降低營運(yùn)成本。

制冷系統(tǒng)；板式熱交換器；能耗

近年來，隨著漁業(yè)資源的日益枯竭和國家對(duì)捕撈的嚴(yán)格限制，人們?cè)絹碓介_始關(guān)注深遠(yuǎn)海的漁業(yè)資源。但是，目前漁業(yè)主要是以漁船的捕撈為主，現(xiàn)代養(yǎng)殖業(yè)尚處于探索階段。因此養(yǎng)殖工船的設(shè)計(jì)與建造，是為了在海上開展集約化生產(chǎn)的工業(yè)化養(yǎng)殖模式，實(shí)現(xiàn)海洋漁業(yè)由“捕”向“養(yǎng)”的根本性轉(zhuǎn)變，同時(shí)躲避惡劣海況與海域污染的大型海上養(yǎng)殖工廠[1]，推進(jìn)海上養(yǎng)殖設(shè)施向深遠(yuǎn)海發(fā)展。養(yǎng)殖工船作為一個(gè)新的養(yǎng)殖載體，將海洋工程裝備業(yè)與工業(yè)化養(yǎng)殖、新能源開發(fā)、海洋生物資源開發(fā)相結(jié)合，較好地解決了傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展不可持續(xù)的問題，具有可移動(dòng)性、污染小、綠色高效等優(yōu)勢(shì)，是離岸養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的一個(gè)新方向[2]。本文利用工廠化循環(huán)水養(yǎng)殖的原理，對(duì)水溫、濁度、溶解氧、pH值等基于PLC的單參數(shù)控制應(yīng)用于循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)[3]，結(jié)合冷水團(tuán)養(yǎng)殖工船為目標(biāo)，僅對(duì)養(yǎng)魚艙的水溫制冷系統(tǒng)進(jìn)行分析。由于此冷水團(tuán)養(yǎng)殖工船主要養(yǎng)殖的冷水魚類為高附加值魚，養(yǎng)魚艙的適宜溫度較低。因此，為保證魚的最佳生長水溫，設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)養(yǎng)魚水艙進(jìn)行制冷。

1 養(yǎng)殖工船及主要參數(shù)

1.1 養(yǎng)殖工船基本情況

該養(yǎng)殖工船為一條改裝船，原船為甲板運(yùn)輸船,入CCS船級(jí)社，主要用于養(yǎng)殖高附加值的魚類。此魚類主要生活在水下約40 m處，適宜溫度為15 ℃。本船設(shè)14個(gè)養(yǎng)魚水艙,正常工作情況下，魚艙采用水下40 m取水，用于養(yǎng)魚水艙的換水，以保證魚類的生成和繁殖。當(dāng)魚類為成品魚需運(yùn)輸碼頭或者出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)時(shí)，需對(duì)設(shè)計(jì)的2個(gè)養(yǎng)魚水艙進(jìn)行制冷。

1.2 主要參數(shù)

養(yǎng)殖漁船的主要尺度和參數(shù)見表1。

表1 養(yǎng)殖工船的主要尺度和參數(shù)

2 制冷系統(tǒng)

當(dāng)出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)或養(yǎng)殖工船至碼頭時(shí),為保證魚類的生成與繁殖,需進(jìn)行對(duì)NO.1養(yǎng)魚艙(P)及NO.1養(yǎng)魚艙(S)制冷。本船魚艙的制冷系統(tǒng)采用開式[4]冷水機(jī)組形式，通過冷凍泵將舷外海水制冷后排至養(yǎng)魚水艙，養(yǎng)魚水艙的水經(jīng)過潛水泵排至舷外，保證魚艙的換水和適宜的溫度及養(yǎng)分。

2.1 魚艙制冷量

根據(jù)船東提供的水文參數(shù)，養(yǎng)殖工船的主要作業(yè)水域溫度約為28 ℃，NO.1養(yǎng)魚艙(P)及NO.1養(yǎng)魚艙(S)各190 t，魚艙要求的水溫為15 ℃。根據(jù)常規(guī)計(jì)算，魚艙制冷量需224.7 kW。見表2。

表2 制冷量計(jì)算

2.2 制冷系統(tǒng)冷量回收

本文通過對(duì)魚艙制冷系統(tǒng)加板式熱交換器的設(shè)計(jì)和板式熱交換器進(jìn)出口的溫差來分析制冷機(jī)組的參數(shù)、板冷換熱量及換熱面積。

方案設(shè)計(jì)一。圖1為常規(guī)制冷系統(tǒng)，海水(28 ℃)經(jīng)過冷凍泵后至制冷設(shè)備制冷后(15 ℃)排至NO.1養(yǎng)魚艙(P)及NO.1養(yǎng)魚艙(S)，經(jīng)潛水泵排至舷外，完成養(yǎng)魚艙的水的循環(huán)過程，同時(shí)保證魚艙的適宜水溫以及高附加魚類的生長或繁殖。

方案設(shè)計(jì)二。圖2為常規(guī)制冷系統(tǒng)加板式熱交換器，海水t1(28 ℃)經(jīng)過冷凍泵后至板式交換器降溫后t2，再經(jīng)過制冷設(shè)備制冷后排至NO.1養(yǎng)魚艙(P)及NO.1養(yǎng)魚艙(S)(15 ℃)，后經(jīng)潛水泵排至板式熱交換器后至舷外，完成養(yǎng)魚水艙的循環(huán)過程，以保證魚艙的適宜水溫。

兩種方式對(duì)比。常規(guī)制冷系統(tǒng)中，假設(shè)養(yǎng)魚艙的水循環(huán)后的溫度約為17 ℃，經(jīng)過潛水泵排至舷外，此時(shí)冷量約190.13 kW?，F(xiàn)采用制冷設(shè)備加板式熱交換器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，利用此冷量通過潛水泵后進(jìn)入板式熱交換器與舷外的海水進(jìn)口進(jìn)行熱交換，再進(jìn)入制冷系統(tǒng)后至養(yǎng)魚艙，能回收大量的冷量。

2.3 溫差對(duì)制冷系統(tǒng)的影響

通過對(duì)海水進(jìn)口t1(28 ℃)與板式熱交換器出口t2的溫差分析，對(duì)制冷機(jī)組及熱交換量等參數(shù)對(duì)比見表3。

由表3可見，板式熱交換器的進(jìn)出口的溫差tc與制冷量Pr成反比，與板冷換熱量Pc成拋物線走勢(shì)，與板冷換熱面積S成正比。其中，當(dāng)溫差tc為8 ℃時(shí)，板式換熱量為最高點(diǎn)。

3 基于船舶能耗的分析

根據(jù)表3中的制冷量和板冷換熱量，分析設(shè)備參數(shù)，見表4。

表4 溫差對(duì)能耗的分析

由表4可見：

1)采用常規(guī)制冷機(jī)組時(shí)，所需的電力負(fù)荷約為83 kW。

2)采用制冷機(jī)組加板式熱交換器時(shí)，當(dāng)溫差為6 ℃時(shí)，所需電力負(fù)荷約為39.2 kW；當(dāng)溫差為8 ℃時(shí)，所需電力負(fù)荷約為34 kW。

3)采用制冷機(jī)組加板式熱交換器，可以節(jié)省能耗。溫差8 ℃為溫差約為6 ℃時(shí)的能耗的86.7%，為不加板冷的40.9%。

4 結(jié)論

采用制冷機(jī)組加板式熱交換器，可較好地降低船舶能耗。通過調(diào)整板式熱交換器的進(jìn)出口溫差，利用溫差對(duì)制冷量及板式熱交換量等曲線，來選取合適的板冷及制冷機(jī)組。該計(jì)算方法可進(jìn)一步運(yùn)用到特殊的制冷設(shè)計(jì)，以充分達(dá)到節(jié)能減排的效果，促進(jìn)養(yǎng)殖工船的發(fā)展。

[1] 徐皓，江濤.我國離岸養(yǎng)殖工船發(fā)展策略[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2012，39(4)：1-7.

[2] 李堯，謝晉斌，嚴(yán)謹(jǐn)，等.構(gòu)建南海大型綠色可移動(dòng)養(yǎng)殖漁船的可行性研究[J].農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境，2015，28：87-89.

[3] Phillip G L. Process control and artificial intelligence software for aquaculture[J]. Aquaculture engineering,2000，23:13-26.

[4] 杜恩杰，王森.風(fēng)冷冷水機(jī)組在漁業(yè)養(yǎng)殖中的應(yīng)用[J].制冷空調(diào)，2004，25(2)：60-63.

[5] 中國船舶工業(yè)集團(tuán)公司.船舶設(shè)計(jì)手冊(cè)：輪機(jī)分冊(cè)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013.

Design of Refrigerating System for Feeding Vessel

WANG Yong-sheng1, WANG Jing1, DONG Deng-pan2

(1.Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200092, China;2.Ocean University Of China, Qingdao Shandong 26600, China)

In order to recycle the cooling capacity of refrigeration system for energy-saving and emission reduction of the ship, a scheme of combining the refrigeration units with the plate cooler was designed for the feeding vessel. The cooling capacity of refrigeration units, heat transfer of the plate cooler and cooling plate area were analyzed by the cold plate temperature difference between imports and exports for the refrigeration units. The results showed that by equipping the cold plate in front of refrigeration units can save energy effect and reduce operating costs.

refrigerating system; plate cooler; energy consumption

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.031

2016-08-02

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科研計(jì)劃項(xiàng)目 (15DZ1202100)；鰲山科技創(chuàng)新計(jì)劃 (2015ASKJ02-03)

王永生 (1981—)，男，學(xué)士，工程師

U664.87

A

1671-7953(2017)02-0132-03

修回日期：2016-08-18

研究方向:船舶輪機(jī)設(shè)計(jì)