玻璃鋼漁船傳熱系數(shù)的研究

高 霞，朱陳程，鄭建麗，姚 靜

(1 中創(chuàng)海洋科技股份有限公司，浙江 舟山 316000；2 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機械儀器研究所，上海 200092)

截至 2020 年末，中國漁船總數(shù)56.33萬艘，其中機動漁船37.48萬艘[1]。漁船的總體能耗較大，在國家大力發(fā)展節(jié)能減排技術(shù)的政策背景下，研究漁船的節(jié)能技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義。玻璃鋼漁船由于具有重量輕、強度高、絕熱性和電絕緣性好、耐腐蝕強、抗沖擊強、減震性能好、使用壽命長、維修保養(yǎng)容易、營運成本低等優(yōu)點[2]，需求逐漸增大。研究玻璃鋼漁船的節(jié)能減排技術(shù)對于玻璃鋼漁船的普及和推廣有非常重要的意義。其中冷凍系統(tǒng)的能耗是玻璃鋼漁船能耗的重要部分，是實現(xiàn)漁船節(jié)能減排的重要途徑。制冷系統(tǒng)的能耗主要為維持艙室溫度所需消耗的能量，包括電動機負(fù)荷、艙室滲透熱負(fù)荷、裝載物冷卻負(fù)荷[3]。計算艙室滲透熱負(fù)荷時，通過船舶圍壁傳入室內(nèi)的熱量與圍壁的傳熱系數(shù)近似成正比，選取正確的船舶圍壁傳熱系數(shù)至關(guān)重要?，F(xiàn)有玻璃鋼漁船的圍壁傳熱系數(shù)值因無據(jù)可依，通常借用鋼質(zhì)船殼的傳熱系數(shù)0.41 W/m2·K[4]。然而，玻璃鋼漁船由于結(jié)構(gòu)形式、材料性能與鋼質(zhì)漁船的差異，導(dǎo)致二者導(dǎo)熱系數(shù)相差很大，采用鋼質(zhì)船的傳熱系數(shù)來設(shè)計玻璃鋼漁船制冷系統(tǒng)，會造成船舶圍壁絕熱層厚度選取過大，制冷裝置選型加大，建造成本增加，全船系統(tǒng)能耗增大等弊端。

本研究基于玻璃鋼漁船的特殊結(jié)構(gòu)形式，提出一種適應(yīng)玻璃鋼質(zhì)船圍壁的簡化數(shù)學(xué)模型[5]，推導(dǎo)出玻璃鋼質(zhì)船圍壁傳熱系數(shù)的簡化算法。通過采用理論計算方法研究不同尺度的玻璃鋼漁船在不同設(shè)計溫度下，絕熱層厚度對傳熱系數(shù)及冷凍負(fù)荷影響，提出不同船舶尺度、不同設(shè)計溫度下玻璃鋼漁船的絕熱層厚度及傳熱系數(shù)理論推薦值。

1 玻璃鋼漁船圍壁傳熱數(shù)值的理論計算方法

1.1 玻璃鋼漁船圍壁結(jié)構(gòu)

玻璃鋼漁船根據(jù)用途不同可分冰鮮漁船(-2～2℃)、中低溫冷凍漁船(-18～-35℃)和超低溫冷凍漁船(-55℃)[6]。各魚艙的冷卻溫度、艙容和凍結(jié)能力應(yīng)與航行作業(yè)區(qū)域、漁獲種類、船型等相適應(yīng)。冰鮮漁船一般為近海作業(yè)，船長為20～30 m，排水量為70～100 t；冷凍漁船為遠(yuǎn)海作業(yè)，船長為30～40 m，排水量為400～500 t[6]。

玻璃鋼漁船圍壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計，既要滿足船體結(jié)構(gòu)強度需求，還應(yīng)考慮魚艙絕熱層厚度需求，因此玻璃鋼漁船的圍壁結(jié)構(gòu)不是單一的縱向骨架結(jié)構(gòu)形式，或是橫向骨架結(jié)構(gòu)形式[7-8]，結(jié)構(gòu)形式見圖1。從圖1看出玻璃鋼漁船圍壁結(jié)構(gòu)為縱橫骨架混合結(jié)構(gòu)形式，船體的縱向骨架與橫向骨架的高度會設(shè)計為同一高度，以滿足船體結(jié)構(gòu)強度和魚艙保溫兩方面的需求，船底、舷側(cè)骨材寬度通常取值為90 mm，甲板骨架寬度通常取值為60 mm,骨材的高度及積層厚度依據(jù)結(jié)構(gòu)需求，做相應(yīng)的設(shè)計。

圖1 橫剖面結(jié)構(gòu)圖

圖2 為漁船圍壁結(jié)構(gòu)的詳細(xì)節(jié)點圖，漁船的圍壁結(jié)構(gòu)為縱橫骨架支撐的三明治結(jié)構(gòu)，魚艙外表面為船殼板，中間為縱橫骨架及縱橫骨架圍成的阱，阱內(nèi)填充的聚氨酯發(fā)泡材料，內(nèi)層為玻璃鋼積層。

圖2 船體結(jié)構(gòu)

1.2 玻璃鋼漁船圍壁傳熱系數(shù)的簡化數(shù)學(xué)模型

船舶圍壁結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)可以采用傳熱學(xué)中關(guān)于多層壁的傳熱系數(shù)的計算公式來確定[3]，即：

(1)

玻璃鋼漁船圍壁是由船殼板，骨架，內(nèi)板構(gòu)成的有骨架穿插的“三明治”結(jié)構(gòu)，這使得絕熱結(jié)構(gòu)中熱流情況變得復(fù)雜，為了確定傳熱系數(shù)的大小，可以通過理論分析用數(shù)學(xué)模型表達(dá)出來，具體結(jié)構(gòu)形式見圖3所示。

當(dāng)絕熱結(jié)構(gòu)是由導(dǎo)熱系數(shù)相差不大的材料組成時，可以按整個結(jié)構(gòu)中相同的區(qū)為基礎(chǔ)進(jìn)行計算，然后推及整個機構(gòu)[5,9-10]。圖3為玻璃鋼漁船圍壁結(jié)構(gòu)簡化后絕熱結(jié)構(gòu)，該絕熱結(jié)構(gòu)是由玻璃鋼外板、絕熱材料、玻璃鋼內(nèi)板組成，骨材為玻璃鋼板包覆絕熱材料。按其結(jié)構(gòu)形式可將玻璃鋼外板、骨材積層、玻璃鋼內(nèi)板的組合定位Ⅰ區(qū)，玻璃鋼外板、絕熱材料、骨材積層、內(nèi)板的組合定位Ⅱ區(qū)；玻璃鋼外板、骨材積層、玻璃鋼內(nèi)板的組合定位Ⅲ區(qū)，玻璃鋼外板、絕熱材料、玻璃鋼內(nèi)板的組合定位Ⅳ區(qū)。整個絕熱結(jié)構(gòu)由Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)、Ⅲ區(qū)和Ⅳ區(qū)組成。

圖3 玻璃鋼漁船絕熱結(jié)構(gòu)示意圖

取與畫面垂直的長度為1 m，相鄰的Ⅰ區(qū)與Ⅳ區(qū)共為Sm，則其面積為Sm2。其余尺寸如圖1所示。

第Ⅰ區(qū)傳熱系數(shù)為：

(2)

第Ⅱ區(qū)傳熱系數(shù)為：

(3)

第Ⅲ區(qū)傳熱系數(shù)為：

(4)

第Ⅳ區(qū)傳熱系數(shù)為：

(5)

絕熱結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)為：

(6)

式中：a1為內(nèi)板厚度，m；a2為外板厚度，m；t為骨材積層厚度，m；b為型材寬度，m；d為型材高度，m；d+t為保溫層高度， m；S為骨材間距，m；λi為保溫層傳熱系數(shù)，W/m·K；λm為玻璃鋼傳熱系數(shù)，W/m·K；K1為Ⅰ區(qū)傳熱系數(shù)，W/m·K；K2為Ⅱ區(qū)玻璃鋼傳熱系數(shù)，W/m·K；K3為Ⅲ區(qū)保溫層傳熱系數(shù)，W/m·K；K4為Ⅳ區(qū)玻璃鋼傳熱系數(shù)，W/m·K；Ks為平均傳熱系數(shù)，W/m2·K。

2 結(jié)果與討論

2.1 魚艙圍壁的傳熱系數(shù)

依據(jù)中華人民共和國海事局《玻璃纖維增強塑料漁業(yè)船舶建造規(guī)范(2019)》[11]，及現(xiàn)有玻璃鋼漁船的骨材特點，表1為計算過程中圍壁材料的熱物理特性[12-13]，表2計算了玻璃鋼漁船常用船型的圍壁結(jié)構(gòu)及按照公式計算的傳熱系數(shù)，表3為常用鋼質(zhì)船舶計算滲透熱的圍壁傳熱系數(shù)[6]。

表1 圍壁材料物理特性

表2 常用結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)

表3 鋼質(zhì)船舶計算制冷能力時的滲透熱標(biāo)準(zhǔn)

對比表2與表3中相同絕熱層厚度玻璃鋼質(zhì)船舶與鋼質(zhì)船舶的傳熱系數(shù)，絕熱層厚度為150 mm時，鋼質(zhì)船的傳熱系數(shù)為0.652 W/m2·K，玻璃鋼漁船各結(jié)構(gòu)的最大傳熱系數(shù)為0.077 W/m2·K；絕熱層厚度為200 mm時，鋼質(zhì)船的傳熱系數(shù)為0.489 W/m2·K，玻璃鋼漁船各結(jié)構(gòu)的最大傳熱系數(shù)為0.078 W/m2·K。絕熱層厚度為250 mm時，鋼質(zhì)船的傳熱系數(shù)為0.407 5 W/m2·K，玻璃鋼漁船各結(jié)構(gòu)的最大傳熱系數(shù)為0.066 W/m2·K；相同絕熱層厚度下，鋼質(zhì)船的傳熱系數(shù)約為玻璃鋼質(zhì)船舶的7～8倍。因此現(xiàn)有玻璃鋼漁船的冷凍系統(tǒng)若采用鋼質(zhì)船傳熱系數(shù)0.41 W/m2·K設(shè)計，各船型選擇的絕熱層厚度偏大，造成誤差很大。

2.2 不同絕熱厚度對漁船圍壁結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)的影響

圖4、圖5為不同船長下玻璃鋼漁船圍壁結(jié)構(gòu)在絕熱層厚度為90 mm、120 mm、150 mm、200 mm時的傳熱系數(shù)。

圖4 船長為30～40 m玻璃鋼漁船在不同絕熱厚度下的傳熱系數(shù)

圖5 船長20～30 m玻璃鋼漁船在不同絕熱厚度下的傳熱系數(shù)

從圖4、圖5可以看出，玻璃鋼漁船傳熱系數(shù)很小，總體不大于0.15 W/m2·K，且與絕熱厚度基本成反比關(guān)系。絕熱厚度小于120 mm時，傳熱系數(shù)受絕熱層厚度影響明顯，絕熱層厚度每減少30 mm，傳熱系數(shù)增幅值高于0.025 W/m2.K; 絕熱厚度大于120 mm時，傳熱系數(shù)不大于0.1 W/m2·K，傳熱系數(shù)受絕熱層厚度影響可以忽略不計，絕熱層厚度每減少50 mm，傳熱系數(shù)增幅值約0.015 W/m2·K。

此外，對比圖4，圖5船殼板、甲板、艙壁隨絕熱厚度傳熱系數(shù)的增長幅度可知，當(dāng)絕熱層厚度小于120 mm時，艙壁的傳熱系數(shù)增幅大于甲板及船殼板的；當(dāng)絕熱層厚度大于120 mm時，相同船舶尺度下，各結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)增幅變化不大。由此可以得出，船體結(jié)構(gòu)尺度越小，玻璃鋼漁船傳熱系數(shù)受絕熱層厚度的影響越大。

2.3 不同尺度的玻璃鋼漁船冷凍設(shè)備的選型與傳熱系數(shù)的關(guān)系

2.3.1 船長為30～40 m的玻璃鋼漁船在不同絕熱厚度下制冷設(shè)備的選型

船長30～40 m的玻璃鋼漁船一般為遠(yuǎn)洋漁船，艙室溫度設(shè)計為-55℃的超低溫漁船及-35℃的中低溫漁船[6，14-15]。按《玻璃纖維增強塑料漁業(yè)船舶建造規(guī)范(2019)》[11]計算該尺度船型，最小結(jié)構(gòu)要求高度為150 mm。本研究以某船廠建造的39 m船型為研究對象，分別列出了在不同設(shè)計溫度下計算出不同絕熱厚度下的系統(tǒng)制冷負(fù)荷[16-18]，見表4、表5。

表4 超低溫漁船在不同絕熱層厚度下的制冷負(fù)荷

表5 中低溫漁船在不同絕熱層厚度下的制冷負(fù)荷

從表4及表5可以看出，超低溫漁船在絕熱厚度為250 mm時的制冷系統(tǒng)總負(fù)荷為28.9 kW，絕熱層厚度為150 mm，制冷負(fù)荷為 30.39 kW，兩者僅差1.5 kW。中低溫漁船在絕熱厚度為250 mm時的制冷系統(tǒng)總負(fù)荷為24 kW，絕熱層厚度為150 mm，制冷負(fù)荷為 23.1 kW，系統(tǒng)總負(fù)荷僅減少了0.9 kW。絕熱厚度對系統(tǒng)總負(fù)荷的影響很小。分析其原因，主要是由于玻璃鋼漁船結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷在超低溫漁船及中低溫漁船中的占比很小，表4、表5中，結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷在總負(fù)荷中的占比不超過15%，相較于鋼質(zhì)船中結(jié)構(gòu)熱負(fù)荷在制冷總負(fù)荷30%[19]的比例相差很大。

以制冷劑為R404A的超低溫漁船為例，工況為(-60℃/35℃)時，市場現(xiàn)有可選擇的超低溫制冷壓縮機為：大冷壓縮機[20]CS812.5CDW，單機制冷量為31.4 kW；長谷川HVU-VZL288FM，單機制冷量為45.34 kW。絕熱層厚度150 mm與絕熱層250 mm的1.5 kW的制冷負(fù)荷差值，對于系統(tǒng)制冷壓縮機、儲液器、冷凝器的選型影響相差不大。

對于船長30～40 m的玻璃鋼漁船，圍壁結(jié)構(gòu)的厚度對制冷設(shè)備選型影響較小，絕熱層厚度可依據(jù)船體結(jié)構(gòu)計算的實際骨材高度取值。船長30～35 m的玻璃鋼漁船絕熱層推薦厚度取值為150 mm，傳熱系數(shù)取值0.1 W/m2·K；船長35～40 m的玻璃鋼漁船絕熱層推薦厚度取值為180 mm，傳熱系數(shù)取值0.1 W/m2·K。

2.3.2 船長為20～30 m的玻璃鋼漁船在不同絕熱厚度下制冷設(shè)備的選型

按照玻璃鋼漁船的常用船型需求，船長20～30 m的玻璃鋼漁船多為近海冰鮮漁船，艙室溫度設(shè)計為-1～1℃，魚艙內(nèi)漁獲物的冷卻負(fù)荷由冰融化潛熱提供。按《玻璃纖維增強塑料漁業(yè)船舶建造規(guī)范(2019)》計算該船最小結(jié)構(gòu)要求高度為90 mm。本研究以某船廠建造的23 m漁船為研究對象，表6列出了該船不同絕熱厚度下的系統(tǒng)制冷負(fù)荷。

表6 冰鮮漁船在不同絕熱層厚度下的制冷負(fù)荷

從表6 可以看出，絕熱層厚度90 mm時，制冷系統(tǒng)的總負(fù)荷為2.123 kW，相比于絕熱層厚度為150 mm時的制冷系統(tǒng)總負(fù)荷1.37 kW，增加了約50%。依據(jù)制冷負(fù)荷選擇壓縮機時，在工況為(-18℃/35℃)時，采用R404a制冷劑，A情況下的漁船制冷系統(tǒng)選用比澤爾壓縮機[21]2JES-07Y-40S；B情況下壓縮機應(yīng)選2HES-1Y-40S；C情況下壓縮機選用2GES-2Y-40S。由此可知，對于冰鮮漁船而言，絕熱層厚度越小，所需壓縮機冷凍負(fù)荷越大。因此對于冰鮮船而言，漁船絕熱層厚度的確定需要衡量冷凍負(fù)荷和造船成本，從而確定出合理的絕熱層厚度。

按照圖2所示絕熱層結(jié)構(gòu)，絕熱層厚度增加，引起的生產(chǎn)成本主要為骨材及絕熱材料的材料成本及生產(chǎn)成本。忽略生產(chǎn)成本，參考文獻(xiàn)[22-24]，20～30 m玻璃鋼漁船的橫向骨架及縱向骨架間距設(shè)為500 mm，骨材積層厚度為6 mm，船舶的寬長比取值0.21，深長比取值0.08。則絕熱層厚度每增加1 mm，材料成本的增加值Q推導(dǎo)公式如下。

Q骨材=V1×ρ1×m=0.5L2

(1)

式中：V1為骨材增加體積， m3；V1=V船底+V舷側(cè)+V甲板=13.92×10-6L2；ρ1為骨材玻璃鋼密度，取2.1×103kg/m3；m為玻璃鋼成本，取17元/kg;L為船長,m；Q骨材為絕熱厚度每增加1 mm，骨材玻璃鋼材料增加成本，元/mm。

Q泡沫=V2×n=0.84L2

(2)

式中：V2為骨材增加體積，m3；V1=V船底+V舷側(cè)+V甲板=0.58× 10-3L2；n為泡沫成本，取1 450元/m3，Q泡沫為絕熱厚度每增加1 mm，骨材芯材及泡沫填充增加成本，元/mm。

Q=Q骨材+Q泡沫=1.34L2

(3)

式中：Q為絕熱厚度每增加1 mm，生產(chǎn)增加成本,元/mm。

根據(jù)上述推導(dǎo)，船長為20～30 m的玻璃鋼漁船的材料成本與船長成二次函數(shù)關(guān)系，絕熱厚度每增加30 mm，生產(chǎn)成本增加為16 080～ 36 180元；而制冷成本減少約為1 000元[20]。對于船長為20～30 m冰鮮漁船而言，絕熱層厚度對生產(chǎn)成本的影響遠(yuǎn)大于制冷成本，絕熱層厚度可依據(jù)船體結(jié)構(gòu)計算的實際骨材高度要求取值，圍壁結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)按照絕熱層厚度對應(yīng)傳熱系數(shù)取值。船長20～25 m的玻璃鋼漁船絕熱層推薦厚度取值為90 mm，傳熱系數(shù)取值0.15 W/m2·K；船長25～30 m的玻璃鋼漁船絕熱層推薦厚度取值為120 mm，傳熱系數(shù)取值0.15 W/m2·K。

3 實船驗證

為驗證文中公式推導(dǎo)的絕熱厚度及傳熱系數(shù)推薦值可靠性，研究過程中根據(jù)上述計算結(jié)果，進(jìn)行了實船驗證。因目前國內(nèi)現(xiàn)造的玻璃鋼遠(yuǎn)洋漁船為35 m以上，近海漁船多為25 m以上[22-26]。因此本研究選取船長為39 m超低溫漁船隆興801及27.6 m的冰鮮漁船TEMANIM01作為研究對象。設(shè)計過程中，魚艙的絕熱層厚度及設(shè)計傳熱系數(shù)按照上文推薦的35～40 m玻璃鋼漁船推薦絕熱厚度為180 mm，傳熱系數(shù)取值為0.1 W/m2·K；25～30 m玻璃鋼漁船推薦絕熱厚度為120 mm，傳熱系數(shù)取值為0.15 W/m2·K進(jìn)行取值。為驗證該絕熱層厚度及傳熱系數(shù)取值是否合理，對實船進(jìn)行了空倉降溫試驗及絕熱效應(yīng)試驗[27-30]。

空艙降溫試驗是檢驗結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)、制冷裝置制冷量及冷藏艙隔熱結(jié)構(gòu)是否合理的實踐檢驗方法，試驗在空艙狀態(tài)下進(jìn)行，開動全部的制冷壓縮機組，使所有冷藏魚艙/凍結(jié)艙內(nèi)溫度從大氣溫度冷卻至比設(shè)計溫度低1.5℃后，至少再繼續(xù)運轉(zhuǎn)4 h，按標(biāo)準(zhǔn)《魚艙制冷系統(tǒng)效用試驗技術(shù)要求》中的規(guī)定，-50℃超低溫魚艙降溫所需時間應(yīng)不大于36 h，-18℃普冷魚艙降溫所需時間應(yīng)不大于24 h[27]。從表7可以看出，隆興801及TEMANIM01兩船的傳熱系數(shù)及制冷量選取合理，滿足規(guī)范要求。

表7 實船魚艙降溫試驗

絕熱效應(yīng)試驗是在魚貨艙內(nèi)溫度到達(dá)設(shè)計要求的最低溫度時，停止制冷壓縮機組的運轉(zhuǎn)，在密閉狀態(tài)下保溫6 h，記錄魚貨艙及冷庫溫度和大氣溫度，并計算溫度回升值與回升率，以此評價冷藏艙保溫性能[25]。本研究依照《魚艙制冷系統(tǒng)效用試驗技術(shù)要求》對實船進(jìn)行了絕熱效應(yīng)實驗，實船的溫度回升值記錄見表8。從表8可以看出，隆興801及TEMANIM01兩船溫度回升值均低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，兩船的絕熱厚度選取合理，滿足規(guī)范要求。

表8 實船魚艙回溫試驗

綜上所述，利用本研究提出的理論推薦值來設(shè)計玻璃鋼漁船的制冷系統(tǒng)，制冷設(shè)備選型合理，艙室絕熱性能良好，可以作為生產(chǎn)實踐設(shè)計依據(jù)。

4 結(jié)論

本研究通過玻璃鋼質(zhì)船體結(jié)構(gòu)傳熱理論分析，研究不同船長，不同設(shè)計溫度，不同絕熱層厚度的玻璃鋼漁船的傳熱系數(shù)及熱負(fù)荷，總結(jié)出玻璃鋼漁船的絕熱層厚度及傳熱系數(shù)推薦值。船長30～35 m的玻璃鋼漁船絕熱層推薦厚度取值為150 mm，傳熱系數(shù)取值0.1 W/m2·K；船長35～40 m的玻璃鋼漁船絕熱層推薦厚度取值為180 mm，傳熱系數(shù)取值0.1 W/m2·K。船長20～25 m的玻璃鋼漁船絕熱層推薦厚度取值為90 mm，傳熱系數(shù)取值0.15 W/m2·K；船長25～30 m的玻璃鋼漁船絕熱層推薦厚度取值為120 mm，傳熱系數(shù)取值0.15 W/m2·K。該理論推薦值為今后玻璃鋼漁船艙室絕熱層厚度設(shè)計，船體結(jié)構(gòu)設(shè)計均提供了可靠的理論依據(jù)。但是由于該理論推薦值是基于數(shù)學(xué)分析模型計算的，計算過程中，假定熱流僅通過各個劃分的區(qū)沿同一方向運動，各區(qū)之間假設(shè)為絕熱，該種假設(shè)忽略了熱流的實際運動。因此所推薦的絕熱層厚度及傳熱系數(shù)推薦值僅適應(yīng)于生產(chǎn)實踐快速計算。

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