集裝箱船冷藏集裝箱水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

夏小浩 康德軍 張 震 鮑超超 郁惠民 陳星達(dá)

（1.揚(yáng)帆集團(tuán)股份有限公司 船舶設(shè)計(jì)研究院 舟山316100；2.浙江海洋大學(xué) 船舶與機(jī)電工程學(xué)院 舟山316022）

引 言

近幾年來，隨著支線航運(yùn)市場(chǎng)對(duì)冷藏貨物運(yùn)輸?shù)男枨笕找嬖龆?，同時(shí)對(duì)貨物冷藏效果要求也越來越高，因此建造冷藏集裝箱裝載量大，冷藏效果好的集裝箱船勢(shì)在必行。目前市場(chǎng)上集裝箱船中的一體型冷藏集裝箱有兩類；一類是風(fēng)冷式（配套機(jī)械通風(fēng)冷卻系統(tǒng)），一類是水冷式（配套淡水冷卻系統(tǒng)）。目前市場(chǎng)上多數(shù)為風(fēng)冷式，但在實(shí)船運(yùn)營(yíng)過程中，水冷式相比風(fēng)冷式能耗低、環(huán)境影響小、控溫穩(wěn)定、冷藏效果更好［1-4］，特別有利于運(yùn)輸水果等對(duì)儲(chǔ)存溫度變化敏感的冷藏食品，所以冷藏集裝箱淡水冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為一個(gè)熱點(diǎn)。本文結(jié)合2 200標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船（310標(biāo)準(zhǔn)箱水冷式冷藏集裝箱箱位）實(shí)例介紹冷藏集裝箱船的水冷卻系統(tǒng)的典型設(shè)計(jì)。

1 冷藏集裝箱冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)前期技術(shù)準(zhǔn)備

1.1.1 冷藏集裝箱數(shù)量及布置位置

本文以2 200標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船（3 10標(biāo)準(zhǔn)箱水冷式冷藏集裝箱箱位）為例，共設(shè)5個(gè)貨艙（No.1 CH～No.5 CH）。冷藏集裝箱每個(gè)貨艙數(shù)量分配分別為18只、84只、92只、90只、26只。

根據(jù)集裝箱箱位布置圖，對(duì)同個(gè)貨艙內(nèi)冷箱數(shù)量進(jìn)行簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)，為后期分配進(jìn)出水接口支管做準(zhǔn)備，如圖1所示。

1.1.2 冷凝器及環(huán)境參數(shù)

與船東確認(rèn)冷藏集裝箱的冷凝器參數(shù)及環(huán)境參數(shù)，如表1所示。

1.1.3 主要設(shè)備參數(shù)

與船東確認(rèn)系統(tǒng)主要設(shè)備選型配置，如表2所示。

圖1 貨艙冷藏箱數(shù)分配（一個(gè)Rw對(duì)應(yīng)一組進(jìn)出水支管）

表1 冷藏集裝箱冷凝器參數(shù)

表2 冷卻器及冷卻泵配置方案

1.2 主要設(shè)備配置方案及參數(shù)確定

1.2.1 冷藏箱冷卻器及冷卻泵方案

冷卻器、冷藏箱淡水泵及海水泵的配置方案通常有幾種方案，如表2所示。

1.2.2 冷藏箱冷卻器及冷卻泵參數(shù)確定

本文結(jié)合實(shí)際2 200標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船建造，以“常用方案Ⅱ”配置介紹。以32℃海水溫度為計(jì)算依據(jù)，冷藏箱冷卻器的額定熱交換量及冷藏箱冷卻泵的額定排量根據(jù)冷藏箱冷卻水系統(tǒng)熱平衡計(jì)算得出，如圖2所示。

圖2 2 200標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船冷藏箱冷卻水系統(tǒng)熱平衡計(jì)算圖

1.3 冷藏箱冷卻水系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)

1.3.1 冷藏箱冷卻水冷卻的原理

1.3.1.1 淡水側(cè)

該系統(tǒng)以36℃淡水為冷卻介質(zhì)。在淡水系統(tǒng)中，冷卻冷藏箱冷凝器的淡水由冷藏箱淡水泵（No.1 & No.2）壓入進(jìn)水總管；由此進(jìn)入No.1 CH～No.5 CH，分配到每個(gè)進(jìn)水支管，再通過進(jìn)水軟管與貨艙中的冷藏箱冷凝器直接相連接，進(jìn)入冷藏箱冷凝器，帶走冷凝器中的熱量，通過出水軟管連接冷藏箱冷凝器出口與貨艙內(nèi)冷卻水管；然后回到出水總管，被引至冷藏箱淡水冷卻器（No.1 & No.2），由海水系統(tǒng)冷卻，冷卻后的淡水又被冷藏箱淡水泵（No.1 & No.2）壓入進(jìn)水總管，形成封閉的循環(huán)冷卻。系統(tǒng)中設(shè)有自動(dòng)三通溫控閥來維持其出口溫度為36℃。當(dāng)溫控閥淡水出口溫度高于36℃，溫控閥將增大旁通口的開度，即增大冷藏箱冷卻回水進(jìn)入淡水冷卻器（No.1 & No.2）的水量，讓其充分被海水冷卻降溫，使溫控閥淡水出口溫度維持在36℃，反之亦然［5］。

1.3.1.2 海水側(cè)

該系統(tǒng)采用開式海水冷卻。海水通過冷藏箱海水冷卻泵（No.1 & No.2）將舷外海水壓入冷藏箱淡水冷卻器（No.1 & No.2）海水側(cè)，在冷卻器內(nèi)部與冷藏箱淡水進(jìn)行熱量的交換，帶走多余熱量，直接排出舷外。

1.3.2 輔助功能

該系統(tǒng)的輔助功能包括備用冷卻泵自動(dòng)啟動(dòng)功能以及膨脹水箱的自動(dòng)補(bǔ)水功能，并可根據(jù)船東要求及船舶入級(jí)符號(hào)綜合考慮設(shè)計(jì)。

下頁(yè)圖3所示為2 200標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船冷藏箱冷卻水系統(tǒng)實(shí)例，貨艙區(qū)域僅顯示一個(gè)貨艙，其他貨艙管路系統(tǒng)類似。

圖3 2 200標(biāo)準(zhǔn)箱集裝箱船冷藏箱冷卻水系統(tǒng)實(shí)例局部

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中注意事項(xiàng)

2.1 流量分配關(guān)系

貨艙冷藏集裝箱數(shù)量眾多，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需考慮冷藏箱之間的流量合理分配關(guān)系，其影響主要因素是各支管間阻力，阻力越小通過流量越大，反之亦然。因此只有解決各支管間的阻力問題，才能解決流量分配問題。

下頁(yè)圖4所示為2 200標(biāo)準(zhǔn)箱冷藏箱冷卻水貨艙區(qū)域的總管布置形式。此處進(jìn)行了近進(jìn)遠(yuǎn)出、遠(yuǎn)進(jìn)近出的布置關(guān)系，以確保冷藏箱淡水冷卻泵至各貨艙間的管路理論距離相等。No.5 CH冷卻水進(jìn)口端在進(jìn)水總管的最遠(yuǎn)端接入，回水端在回水總管的最近端接入，No.1 CH的冷卻水進(jìn)口端在進(jìn)水總管的最近端接入，回水端在回水總管的最遠(yuǎn)端接入，（A-B管路長(zhǎng)度）+（K-A管路長(zhǎng)度）=（A-F管路長(zhǎng)度）+（G-A管路長(zhǎng)度）。

下頁(yè)圖5所示為2 200標(biāo)準(zhǔn)箱貨艙內(nèi)總管至各箱位之間的管路亦采用近進(jìn)遠(yuǎn)出、遠(yuǎn)進(jìn)近出的布置，確保每個(gè)冷藏箱與貨艙內(nèi)冷卻水進(jìn)出口總管的管路長(zhǎng)度相等。

在實(shí)船生產(chǎn)設(shè)計(jì)時(shí)難免會(huì)受到結(jié)構(gòu)空間限制，局部管路的走向可能存在不一致現(xiàn)象，也有可能導(dǎo)致阻力變化。為解決這一不確定因素，在管路設(shè)計(jì)時(shí)在每列冷藏箱的冷卻水供水管設(shè)置節(jié)流孔板并在每個(gè)貨艙的回水總管上設(shè)置調(diào)壓閥如圖3中所示。當(dāng)出現(xiàn)上述現(xiàn)象時(shí)通過節(jié)流孔板和調(diào)壓閥的調(diào)節(jié)來解決各冷藏箱的流量問題。［6-7］

2.2 氣閥、泄閥設(shè)置

貨艙區(qū)每路支管的最高點(diǎn)設(shè)置放氣閥，確保在系統(tǒng)注水時(shí)管內(nèi)空氣能被充分?jǐn)D壓排出，提高換熱效率；最低點(diǎn)設(shè)置放泄閥，避免冬季管路凍結(jié)。

2.3 膨脹水箱設(shè)置

膨脹水箱需在一定高度安裝，以保持冷卻淡水泵吸入口的正壓頭以及補(bǔ)充管路淡水泄漏損失和熱膨脹。

圖4 2 200標(biāo)準(zhǔn)箱冷藏箱冷卻水貨艙區(qū)域總管布置形式

圖5 2 200標(biāo)準(zhǔn)箱冷藏集裝箱冷卻水貨艙內(nèi)管路布置形式

3 系統(tǒng)效果測(cè)試方法與結(jié)果

由于實(shí)際不能夠提供相當(dāng)?shù)乃淅洳叵鋪頊y(cè)試其效果，因此根據(jù)設(shè)計(jì)原理，采用超聲波式流量計(jì)測(cè)量所有箱位的冷卻水流量，測(cè)量值是否是25 L/min（5%偏差）為目的，其流量分配參見圖2。

該系統(tǒng)主要的測(cè)試步驟如下（以No.5 CH為例，No.5 CH測(cè)試試驗(yàn)圖見下頁(yè)圖6）：

（1）準(zhǔn)備超聲波流量計(jì)（便攜式）1支，冷藏箱冷凝器連接軟管（數(shù)量與冷箱數(shù)匹配），將軟管與支管進(jìn)出相連，形成回路；

（2）啟動(dòng)No.1或No.2冷藏箱淡水泵，流量計(jì)測(cè)量淡水泵出口總管管路的冷卻水流量Qpump為465 m3/h；

（3）流量計(jì)安裝在圖示“No.5 CH進(jìn)水總管”位置，測(cè)量貨艙進(jìn)水總管冷卻水流量Q0；

（4）流量計(jì)安裝在圖示“總管1”位置，測(cè)量貨艙內(nèi)的每列冷藏箱總管中的冷卻水流量q1；

圖6 No.5艙測(cè)試試驗(yàn)圖

（5）流量計(jì)安裝在圖示“支管11”位置，測(cè)量貨艙內(nèi)的每個(gè)冷藏箱的冷卻水流量q11；

（6）依次根據(jù)（4）、（5）所述方法測(cè)量圖示位置相關(guān)流量，見表3；

表3 各冷卻水管流量測(cè)試記錄表

（7）調(diào)節(jié)背壓閥以及節(jié)流孔板等輔助流量調(diào)節(jié)裝置來控制水流量，以達(dá)到設(shè)計(jì)值。

根據(jù)No.5 CH 各冷卻水管流量測(cè)試記錄表，得出：

（1）進(jìn)水總管Q0與設(shè)計(jì)值650 L/min基本吻合；

（2）各路支管qn與設(shè)計(jì)值25 L/min基本吻合（偏差5%）；

（3）進(jìn)水總管Q0與測(cè)試值（q1+q2+q2+q3+q4+q5+q6+q7+q8）基本吻合，校驗(yàn)證明測(cè)試方式、讀數(shù)、操作正確。

在2 200標(biāo)準(zhǔn)箱的流量測(cè)試中，由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)候充分考慮各管路的阻力分配，采用新穎的近進(jìn)遠(yuǎn)出、遠(yuǎn)進(jìn)近出的管路布置，均勻分配各冷藏箱的冷卻管路長(zhǎng)度，并在測(cè)試中采用可靠方便的測(cè)試儀器，從“主干”到“支路”的測(cè)試方法大大縮短了測(cè)試時(shí)間，快捷有序地完成了310個(gè)冷藏箱流量的測(cè)試工作，測(cè)量值都在允許范圍內(nèi)，滿足了冷藏箱冷凝器的技術(shù)要求，并在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中船東反饋效果良好。［8］

4 結(jié) 語(yǔ)

本文所述為集裝箱船冷藏箱冷卻水系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)過程及設(shè)計(jì)中疑難點(diǎn)的解決措施并通過實(shí)船應(yīng)用驗(yàn)證，提出一種設(shè)計(jì)思路與檢測(cè)方法，為今后大中型集裝箱船冷藏箱冷卻水系統(tǒng)應(yīng)用提供可靠的設(shè)計(jì)依據(jù)。