143 m漁業(yè)運輸船冷凍系統(tǒng)設(shè)計

田正軍，顧 忱，郭月嬌，王翔楨，馮國增

(1.招商局郵輪研究院(上海)有限公司，上海 200137；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

目前，隨著漁業(yè)運輸船呈現(xiàn)大型化、運輸長距離化的發(fā)展趨勢，國內(nèi)現(xiàn)有的漁船冷凍系統(tǒng)大多選用氫氯氟烴(HCFC)類物質(zhì)，如氟利昂，但其對臭氧層具有破壞作用。國內(nèi)外學(xué)者對采用各種新型制冷劑的冷凍系統(tǒng)進行了大量研究與比較，分析了以氨為制冷劑在漁業(yè)運輸船上應(yīng)用的可行性，發(fā)現(xiàn)氨單位質(zhì)量制冷量大，價格便宜，易于獲得，是優(yōu)良的制冷劑[1-3]。因此，應(yīng)用以氨為制冷劑的大型漁業(yè)運輸船冷凍系統(tǒng)，對我國新型環(huán)保型冷凍系統(tǒng)設(shè)計理論發(fā)展具有重要的理論和實踐意義。

本文以某143 m漁業(yè)運輸船冷凍系統(tǒng)為研究對象，對各個冷藏艙室的冷負荷進行計算并對制冷設(shè)備進行選型，通過對關(guān)鍵制冷系統(tǒng)原理與特點的分析與設(shè)計，滿足漁獲冷藏需求，保障海洋運輸健康可持續(xù)發(fā)展。

1 工程概況

143 m漁業(yè)運輸船主要參數(shù)為：總長143.38 m，型寬19.6 m，型深11.7 m，設(shè)計吃水6.8 m，總噸位約8 100 t。該船共有12個冷藏艙，每層各4個，冷藏艙凈艙容為11 000 m3，儲藏噸位7 150 t。冷藏艙布置見圖1。各冷藏艙容積見表1。

表1 各冷藏艙容積

圖1 143 m漁業(yè)運輸船平面布置圖

漁獲物在放入冷凍間后，需轉(zhuǎn)存至艙內(nèi)溫度為-25 ℃的冷藏艙，經(jīng)24 h將溫度從-15 ℃降到-22 ℃，全部貨物出艙溫度保持在-22～-20 ℃。庫外計算溫度根據(jù)冷庫規(guī)范查取。該冷庫所在地是海上，外界環(huán)境空氣溫度為2～45 ℃。

為減少冷庫圍護結(jié)構(gòu)的冷量損耗，該船在圍護結(jié)構(gòu)間添加隔熱材料[4]。隔熱材料多數(shù)使用擠塑聚苯乙烯和硬質(zhì)聚氨酯。隔熱層采用雙面彩鋼板復(fù)合內(nèi)保溫結(jié)構(gòu)。計算得到：凍結(jié)物冷藏間外墻的傳熱系數(shù)為0.66 W/(m2·K)，內(nèi)墻的傳熱系數(shù)為0.71 W/(m2·K)，冷庫頂板傳熱系數(shù)為0.71 W/(m2·K)，底板的傳熱系數(shù)為1.03 W/(m2·K)。

冷藏艙的總負荷應(yīng)按式(1)計算：

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(1)

式中：Q為冷間總負荷，W；Q1為冷間圍護結(jié)構(gòu)負荷，W；Q2為冷間內(nèi)貨物負荷，W；Q3為冷間通風(fēng)換氣熱流量，W；Q4為冷間內(nèi)電動機運轉(zhuǎn)負荷，W；Q5為冷間操作負荷，W。

冷藏艙的機械負荷按式(2)計算：

Qj=(n1Q1+n2Q2+n3Q3+n4Q4+n5Q5)R

(2)

式中：Qj為冷間的機械負荷，W；n1為圍護結(jié)構(gòu)的機械修正系數(shù)，此處取值為1；n2為冷間貨物熱流量折減系數(shù)，此處取值為0.65；n3為同期換氣系數(shù)，宜取0.5～1.0；n4為電動機同期運轉(zhuǎn)系數(shù)，取值為0.4；n5為同期操作系數(shù)，取值為0.4；R為制冷裝置和管道等冷損耗補償系數(shù)，取值為1.07。

按12個冷藏艙房間號順序?qū)Ω骼溟g圍護結(jié)構(gòu)負荷、冷間內(nèi)貨物負荷、電動機負荷、冷間操作負荷進行計算，得到制冷總負荷和機械負荷，計算結(jié)果見表2。

表2 各冷藏艙負荷匯總表

2 制冷設(shè)備選型

2.1 制冷壓縮機的選擇

制冷壓縮機的選型一般根據(jù)壓縮機的制冷量來確定。壓縮機的制冷量應(yīng)該和制冷裝置的機械負荷相等或接近，蒸發(fā)溫度相近的冷間把必需的制冷量盡量集中在一個機組中，按照系統(tǒng)不同的蒸發(fā)溫度分別選配壓縮機[5-8]，盡可能讓每臺(每組)壓縮機能夠分別提供一種蒸發(fā)溫度，以確保制冷系統(tǒng)經(jīng)濟、可靠運行[9]。當(dāng)機械負荷偏大時，盡量選用大型壓縮機；同一制冷系統(tǒng)中如需多臺壓縮機，應(yīng)選同一系列，且臺數(shù)要適宜[10]；冷凝壓力與蒸發(fā)壓力的比值，如：氨>8，氟利昂>10時，應(yīng)采用雙級壓縮[10]。壓縮機處于不同的工況下，消耗不同的功率，應(yīng)按照運行的工況校核壓縮機來配用電動機的功率。對處于變工況下工作的壓縮機，應(yīng)該按照最大軸功率工況來選配電動機。

本次設(shè)計所涉及的冷庫為中型冷庫，所以壓縮機臺數(shù)不宜少于2臺，總制冷量以滿足生產(chǎn)要求為準。選擇制冷壓縮機的條件應(yīng)符合制造廠家給定運行工況或國標(biāo)規(guī)定的壓縮機使用條件[11-14]。

本文選擇的開啟式螺桿式壓縮機，特點是易損件少、檢修周期長，單機容量介于離心式和活塞式之間。由于蒸發(fā)溫度為-36 ℃，根據(jù)適用范圍來判定，蒸發(fā)溫度處于-35 ℃和-50 ℃之間的選用雙級螺桿機。設(shè)計蒸發(fā)溫度為-36 ℃，冷凝溫度為38 ℃，計算各冷藏艙的耗冷量乘以系數(shù)得到制冷量，根據(jù)壓縮機在設(shè)計工況下的制冷量，確定壓縮機的型號。最終選擇3臺型號為CJJZVLGA193TW的螺桿式壓縮機，留1臺備用。

2.2 冷凝器的選型

船用冷凝器通常采用殼管式換熱器[15]，作用是將壓縮機排出的高溫蒸汽冷卻凝結(jié)成液體。漁船冷凍系統(tǒng)使用海水作為冷源進行冷卻。

冷凝器傳熱面積按式(3)計算：

(3)

式中：Qk為冷凝器的熱負荷(冷凝器熱量)，W；K為冷凝器的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Δtm為冷凝器的對數(shù)平均溫差，℃，按式(4)計算。

(4)

式中：t1為冷卻介質(zhì)進冷凝器的溫度，℃；t2為冷卻介質(zhì)出冷凝器的溫度，℃；tk為冷凝溫度，℃。

以氨為制冷劑的臥式冷凝器的傳熱系數(shù)K的取值范圍為800～1 000 W/(m2·K)，設(shè)計時取1 000 W/(m2·K)。綜合考慮供熱要求與系統(tǒng)經(jīng)濟性等因素后，氨制冷的臥式殼管式換熱器進出冷凝器溫差t2-t1為4～6 ℃，這里取4 ℃，計算對數(shù)平均溫差為Δtm=5 ℃。

冷凝器熱負荷按式(5)來計算

Qk=ΨQ0

(5)

式中：Ψ為冷凝器的負荷系數(shù)，冷凝溫度為38 ℃時查取Ψ值為1.34；Q0為制冷系統(tǒng)的制冷量，根據(jù)冷庫規(guī)范計算。

根據(jù)冷藏艙所需的冷凝器傳熱面積和冷卻介質(zhì)流量，選擇型號為CWNA100的船用冷凝器2臺：1臺左式，1臺右式。

2.3 冷卻設(shè)備的選型

蒸發(fā)器是制冷系統(tǒng)中輸出冷量、直接實現(xiàn)制冷的關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)根據(jù)使用目的和條件分別加以選用。采用冷卻液體載冷劑的蒸發(fā)器可以選擇臥式、殼管式、立管式等。

冷藏艙內(nèi)的冷卻設(shè)備根據(jù)適用條件來選擇冷風(fēng)機或是冷排管，并且應(yīng)符合現(xiàn)行的氨制冷卻設(shè)備標(biāo)準的要求。冷風(fēng)機具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳熱效果好等優(yōu)點，適合作為冷卻間、凍結(jié)間和冷卻物冷藏間的冷卻設(shè)備。采用帶液位控制的滿液式蒸發(fā)器，冷風(fēng)機采用熱載冷劑融霜，以LM-8型冰河冷媒作為載冷劑通過殼管式換熱器與氨制冷系統(tǒng)進行熱交換，冷媒進口溫度為-29 ℃，出口溫度為-33 ℃。

冷風(fēng)機冷卻面積按式(6)來計算：

(6)

式中：Qq為冷卻設(shè)備負荷，W；K′為冷風(fēng)機傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Δtm′為冷間空氣溫度與制冷溫度的對數(shù)平均溫差，℃。

各冷藏艙的Qq按表1查取。K′根據(jù)手冊經(jīng)驗表格選取，蒸發(fā)溫度-38 ℃時氨翅片管冷風(fēng)機傳熱系數(shù)為11.6 W/(m2·K)。Δtm′一般可按規(guī)定采用，冷卻間、凍結(jié)物冷藏間、冷藏艙宜取10 ℃。

根據(jù)冷藏艙的冷卻面積選擇2臺船用滿液式蒸發(fā)器CWZA-130；24臺風(fēng)冷式蒸發(fā)器，每個冷藏艙各2臺；3臺低溫載冷劑循環(huán)泵(1臺備用)；2臺融霜載冷劑循環(huán)泵(1臺備用)。

2.4 氨液分離器和分液器的選型

氨液分離器的作用是分離液態(tài)制冷劑與制冷劑蒸汽，常用于重力供液系統(tǒng)。作為庫房用氣液分離器可以分離流經(jīng)節(jié)流閥的氣液混合物，只讓氨液進入蒸發(fā)器，兼有分配液體的作用。氨液分離器的桶徑根據(jù)式(7)來計算：

(7)

式中：d為氨液分離器的直徑，m；v為蒸發(fā)溫度對應(yīng)飽和蒸汽比體積，m3/kg；qm為每小時通過氨液分離器的氨液量，kg/h；ω為分集液器內(nèi)流速，ω=0.5 m/s。

分液器能夠?qū)⒅评鋭┌陛^為平均分給各個冷藏艙的管壁四周的冷排管[16]。分液器分為3種類型：文丘里式、壓降式和離心式。本文漁船冷庫采用離心式的分集液器。該分集液器由一個中心鏤空的轉(zhuǎn)盤和相應(yīng)的各個輸出端組成，各個輸出端在轉(zhuǎn)盤外等距離排布。

一般分液管的額定能力是指按照管長1 m、壓降50 kPa時，分液管能夠允許制冷劑通量流過的制冷能力。本文選用分液管直徑為50 mm的離心式分液器。

3 制冷系統(tǒng)原理及特點

3.1 制冷系統(tǒng)原理

制冷系統(tǒng)原理見圖2。制冷壓縮機低壓吸入的蒸發(fā)器低溫低壓的氨氣體經(jīng)陰陽轉(zhuǎn)子壓縮成高壓高溫氣體，從高壓出口排出的高溫高壓制冷劑氣體經(jīng)過機組自帶的高效油分離器進行油氣分離；分離后的高溫高壓氨氣被排到冷凝器，海水將高溫高壓氣體通過殼管式冷凝器冷凝成高壓液體流入到高壓貯液器，再送到螺桿機組經(jīng)濟器內(nèi)過冷；過冷后經(jīng)過液位調(diào)節(jié)閥組和節(jié)流器進入滿液式蒸發(fā)器；通過蒸發(fā)器實現(xiàn)和載冷介質(zhì)的熱量交換，從蒸發(fā)器出來的低壓氨氣再被壓縮機吸入。冷媒介質(zhì)在蒸發(fā)器進行熱交換后，變成低溫載冷劑，再通過冷媒水泵進入空氣冷卻器(冷風(fēng)機)，通過風(fēng)機把冷氣通過風(fēng)道吹向冷藏艙貨物，不斷吸收漁獲物及外界滲入熱量，從而逐步達到設(shè)定的溫度。冷風(fēng)機采用熱載冷劑融霜，載冷劑經(jīng)汽水換熱板加熱。

1—膨脹箱；2—壓縮機；3—蒸發(fā)器；4—冷凝換熱器；5—儲液(汽)罐。

本船在冷凍機室旁設(shè)有岐水管間，通過手動操作每個艙的載冷劑閥門實現(xiàn)制冷與融霜的切換。冷藏艙內(nèi)設(shè)有溫度監(jiān)測，每艙設(shè)4個溫度探頭，可對各艙室進行溫度測量。

3.2 制冷系統(tǒng)特點

3.2.1 安全保護

系統(tǒng)中裝有安全壓力保護器。當(dāng)冷凝器斷水或水壓不足、系統(tǒng)高壓部分壓力過高時，系統(tǒng)自動報警，若故障不排除，系統(tǒng)將停止運行，壓縮機再次啟動時，需手動復(fù)位。系統(tǒng)還設(shè)有油壓保護壓差控制器。當(dāng)潤滑油系統(tǒng)壓差過低時，保護裝置報警；若壓差不回升，則制冷系統(tǒng)將停止運行。

3.2.2 自動控制

機組運行時，可根據(jù)設(shè)定吸氣壓力和冷媒出水溫度來實現(xiàn)自動開/停機，使參數(shù)始終維持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)。在機組運行過程中實時顯示吸氣壓力、排氣壓力、排氣溫度等參數(shù)。對以上所有測量點的參數(shù)可進行控制點設(shè)定、偏差設(shè)定、事故預(yù)報警、報警停機設(shè)定。

4 結(jié)論

(1)建議漁業(yè)運輸船冷凍系統(tǒng)選用新型環(huán)保、高效、有發(fā)展前景的制冷劑，盡量避免使用對臭氧層具有破壞作用的氟利昂等傳統(tǒng)制冷劑。 (2)冷凍系統(tǒng)選用氨這類有危險性的制冷劑時應(yīng)注意配套安全保護系統(tǒng)，及時發(fā)現(xiàn)并切斷危險源，以免造成安全事故。

(3)為滿足關(guān)鍵艙室冷凍保鮮的要求，需要能夠調(diào)節(jié)溫度的高度自動化系統(tǒng)以滿足不同漁獲物儲藏的條件。