冷藏集裝箱運輸對支線箱船的設(shè)計影響

王亞磊,何新宇,王國強

(上海船舶研究設(shè)計院,上海 201203)

0 引言

隨著人類生活品質(zhì)的提高,全球冷鏈運輸需求日益旺盛。冷藏貨物海運模式已經(jīng)從專業(yè)冷藏船運輸轉(zhuǎn)向冷藏集裝箱運輸,因此集裝箱船的冷藏箱裝載量呈上升趨勢[1]。

支線型集裝箱船作為短距離支線運輸?shù)闹髁?在冷藏集裝箱運輸中發(fā)揮著不可替代的作用。對于傳統(tǒng)支線集裝箱船,冷藏箱裝載量通常占總箱位的10%～20%,這種裝載能力無法滿足市場需求。因此,近年來出現(xiàn)了全冷藏集裝箱船型,即全船每個40 ft箱位都可以裝載冷藏箱。冷藏箱對布置、操作、維修、散熱等方面的要求遠高于普通集裝箱,對船舶尺度小、空間緊湊的支線型集裝箱船帶來了很大的影響。為了解決該問題,本文通過分析冷藏集裝箱的工作原理,開展支線型專用冷藏集裝箱船的冷藏箱布置、貨艙通風(fēng)、電力配置等方面的研究,從而提高冷藏箱的裝載量。

1 冷藏集裝箱特點

冷藏集裝箱是一種有良好隔熱且能維持一定低溫要求,適用于各類易腐食品的運輸、貯存的特殊集裝箱。ISO 668:2020中規(guī)定冷藏集裝箱常用標(biāo)準(zhǔn)尺寸為20 ft和40 ft標(biāo)準(zhǔn)箱(箱高2 591 mm)、 20 ft和40 ft超高箱(箱高2 896 mm)等箱型,其中以40 ft超高箱為主流箱型。冷藏集裝箱類型有很多種,其中應(yīng)用最為廣泛的是機械式冷藏集裝箱(含壓縮式制冷機組)。制冷機組由電腦、壓縮機、冷凝器、冷凝風(fēng)機、蒸發(fā)器、蒸發(fā)風(fēng)機及各種控制閥件等組成[2]。

冷藏集裝箱根據(jù)制冷機組的冷凝器冷卻方式,分為風(fēng)冷和水冷2種形式[2]。風(fēng)冷冷凝器是由銅制盤管外部套有鋁質(zhì)翅片制成,冷凝風(fēng)扇位于盤管上部,風(fēng)機開啟受冷凝壓力控制。當(dāng)機組運行時,空氣由盤管底部吸入,從上部風(fēng)扇網(wǎng)罩水平吹出。水冷式冷凝器是由容器與盤管制成,需要配備獨立的冷卻水系統(tǒng)[2]?？梢?不同散熱方式的冷藏集裝箱對船舶設(shè)計影響很大。由于水冷式集裝箱不常見,在冷藏箱市場的占有率很低,因此本文研究內(nèi)容主要基于風(fēng)冷式冷藏箱的特點。

2 冷藏集裝箱布置

為提高支線箱船冷藏箱裝載數(shù)量,需滿足在緊湊的布置空間中實現(xiàn)高比例甚至全冷藏箱量的布置需求。冷藏箱裝載區(qū)域一般分為甲板上和貨艙內(nèi)。

2.1 甲板上冷藏箱的布置特點

對于小型支線型箱船,通常不設(shè)置綁扎橋或僅設(shè)置一層綁扎橋?？紤]到冷藏箱的操作和檢修,原則上冷藏箱堆放高于船員可以到達的平臺,但最多超出一層箱高。這樣船員可以采用便攜梯子完成操作,更高位置無法堆放。例如:沒有綁扎橋的船舶,冷藏箱在甲板面上只能堆放兩層,這樣大大降低了冷藏箱的裝載量。為了解決該問題,可以考慮在艙口之間的橫向甲板以上設(shè)置一層或幾層冷藏箱操作平臺保證船員巡檢,實現(xiàn)甲板面以上的冷藏箱裝載層數(shù)不受限制。冷藏箱操作平臺與綁扎橋的結(jié)構(gòu)形式不同,其僅作為操作平臺,無綁扎眼板,不具備綁扎功能,因此質(zhì)量比綁扎橋要輕。同時,該平臺也設(shè)置在綁扎橋以上,同綁扎橋組合使用。

2.2 貨艙內(nèi)冷藏箱的布置特點

2.2.1 貨艙平臺高度選取

貨艙平臺高度與集裝箱高度保持一致?？紤]到冷藏箱的主流箱型為2 896 mm高箱,對于專用冷藏箱船,平臺高度按照2 896 mm高度設(shè)計可以方便巡檢,貨艙平臺圖見圖1(a)。傳統(tǒng)支線型箱船貨艙內(nèi)冷藏箱數(shù)量少,大多數(shù)集裝箱是普通標(biāo)箱,平臺高度按照普通2 591 mm箱高設(shè)計,見圖1(b)。

圖1 貨艙平臺圖(單位:mm)

貨艙內(nèi)的冷藏箱數(shù)量、尺寸等因素,影響貨艙平臺高度選取,進而影響型深的選取。

2.2.2 半開放式橫向抗扭箱設(shè)計

傳統(tǒng)箱船貨艙內(nèi)最頂層箱位是不能裝載冷藏集裝箱的。因為橫艙壁的橫向抗扭箱前后兩側(cè)都為閉式強框結(jié)構(gòu),沒有通風(fēng)和操作空間。為了實現(xiàn)專用冷藏箱船裝載量最大化的需求,保證貨艙內(nèi)的每個箱位均可以裝載冷藏箱,橫向抗扭箱采用半開放式結(jié)構(gòu)形式,即一側(cè)采用強框結(jié)構(gòu),另一側(cè)為弱框結(jié)構(gòu),在艙壁間每一檔均設(shè)有縱向強框架[3],用于補償抗扭箱的強度,見圖2。面向冷藏箱制冷機組一側(cè)為弱框結(jié)構(gòu),從而解決了冷藏箱操作、檢修和供風(fēng)口布置等一系列問題。

R—冷藏箱。

2.2.3 貨艙平臺寬度選取

在確定橫艙壁間平臺的寬度時,應(yīng)綜合考慮貨艙通風(fēng)布置、貨艙內(nèi)通道、甲板面綁扎通道、冷藏箱操作平臺等方面。

貨艙通風(fēng)布置由冷藏箱數(shù)量決定。冷藏箱數(shù)量越多,風(fēng)機功率和尺寸越大,通風(fēng)管的管徑越大。

澳大利亞海事安全局(AMSA)要求:貨艙通道凈尺寸垂向不小于2 000 mm,寬度不小于750 mm,如有結(jié)構(gòu)構(gòu)件的區(qū)域可以減少至600 mm。由于貨艙內(nèi)冷藏箱數(shù)量多,為降低船員日常巡檢的工作強度,艙內(nèi)多采用斜梯形式,對空間要求比直梯更高。

選取貨艙平臺寬度時,還要考慮貨艙區(qū)域上方甲板面的實際布置情況,如:甲板面綁扎通道需要滿足IMO貨物系固和綁扎規(guī)則(CSS Code)的要求,冷藏箱操作平臺布置空間是否足夠等。

2.2.4 檢修手孔設(shè)計

貨艙內(nèi)2 591 mm和2 896 mm不同高度的集裝箱混裝時,可能會出現(xiàn)冷藏箱與平臺錯層的情況,甚至冷藏箱壓縮機組被平臺擋住,這樣會導(dǎo)致檢修不便。為解決此問題,在貨艙平臺上設(shè)置深度約為450 mm的維修凹槽,從而保證船員有足夠的空間將壓縮機拆卸出來。凹槽處鋪設(shè)可以反轉(zhuǎn)的格柵蓋板,以滿足通道寬度要求。

3 冷藏集裝箱貨艙通風(fēng)設(shè)計

貨艙通風(fēng)布置與貨艙平臺通道布置、艙內(nèi)冷藏箱的數(shù)量、風(fēng)機選型和數(shù)量和艙口間橫向甲板布置等因素相關(guān)。

3.1 縱向布置

常見的冷藏箱及其通風(fēng)系統(tǒng)多采用貨艙平臺兩側(cè)和單側(cè)布置。

對于傳統(tǒng)支線箱船,當(dāng)貨艙內(nèi)裝載的冷藏箱數(shù)量不多時,考慮到散熱量不大,則貨艙平臺單側(cè)或兩側(cè)冷藏箱布置均可,根據(jù)實際布置需求確定。

而專用冷藏箱船的貨艙內(nèi)冷藏箱數(shù)量過大,冷箱制冷機組面對面裝載時,支撐艙壁處的熱量過于集中,會產(chǎn)生互相間的熱輻射,因此應(yīng)避免冷箱對裝的積載方式,盡量采用單側(cè)冷藏箱布置方式,見圖3。

R—冷藏箱。

風(fēng)機位置與貨艙橫向艙口圍板間距及艙口圍板高度有關(guān)。如果橫向艙口圍板間距窄,無法布置風(fēng)機,風(fēng)機可布置在貨艙的橫向抗扭箱里,在甲板面上采用菌形通風(fēng)帽或矩形通風(fēng)筒配百葉窗等形式[4]。

3.2 橫向布置

由于傳統(tǒng)支線箱船艙內(nèi)冷藏箱數(shù)量較少,采用定點機械送風(fēng)和自然排風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)即可達到良好的通風(fēng)效果,但缺點是艙內(nèi)風(fēng)管林立,上、下平臺間的通道只能布置直梯,并且如果某一路風(fēng)機出現(xiàn)故障,就無法給對應(yīng)的冷藏箱送風(fēng)[5]。

而對于專用冷藏箱船,艙內(nèi)熱量高且容易局部聚集,通風(fēng)布置不合理將會造成貨損。如果采用傳統(tǒng)的定點送風(fēng)方式,通風(fēng)量很大,風(fēng)機和風(fēng)管數(shù)量、尺寸過大會影響通道布置。因此,可以采用綜合式通風(fēng)系統(tǒng),即:中間機械送風(fēng)+兩側(cè)機械抽風(fēng)+自然出風(fēng)相結(jié)合。機械送風(fēng)機位于貨艙艙壁的中部,機械抽風(fēng)機位于貨艙橫艙壁的兩舷,自然出風(fēng)通過貨艙蓋兩側(cè)百葉窗,見圖4。這種通風(fēng)系統(tǒng)可以將冷藏箱壓縮機側(cè)的熱量吹趕到貨艙左右兩舷,然后快速有效地抽出貨艙。機械抽風(fēng)機既能快速排出艙內(nèi)熱量,還能加快壓縮機側(cè)通風(fēng)流速,改善通風(fēng)流場[5-6]。此外,該通風(fēng)系統(tǒng)可以節(jié)省貨艙風(fēng)管,留出貨艙斜梯布置空間。

圖4 綜合式通風(fēng)系統(tǒng)布置

3.3 垂向布置

根據(jù)冷藏箱制冷原理,貨艙送風(fēng)口盡量正對冷藏箱的壓縮機散熱器(距箱底約1/3處),這樣布置冷卻效果最佳。但如果艙內(nèi)存在不同高度的集裝箱混裝,風(fēng)口和冷箱壓縮機散熱器的位置會出現(xiàn)錯位,甚至出現(xiàn)送風(fēng)口與冷藏箱自帶的冷凝器風(fēng)扇對吹的情況。因此,可以在送風(fēng)口處設(shè)置可調(diào)風(fēng)柵,根據(jù)壓縮機的實際位置,調(diào)節(jié)風(fēng)向。

4 冷藏集裝箱電氣系統(tǒng)設(shè)計

專用冷藏箱船的冷藏箱電力需求大,因此發(fā)電機功率大、尺寸大、數(shù)量多,而支線船的空間狹小,需要在方案初期核查機艙布置空間。另外,配電系統(tǒng)要綜合考慮成本和船舶營運管理等因素。一般而言,對于電站容量小于10 MW的船舶,大多采用低壓系統(tǒng);10～11 MW的船舶,處于低、中壓臨界狀態(tài);超過11 MW的船舶,采用中壓系統(tǒng)為宜。

標(biāo)準(zhǔn)冷藏箱自備電纜約18.3 m[2]。冷藏箱供電插座應(yīng)考慮該距離,盡量布置在冷藏箱附近。對于冷藏箱數(shù)量多的箱船,通常配備冷藏箱監(jiān)控系統(tǒng),便于船員遠程監(jiān)控冷藏箱制冷情況,從而減少船員工作量。設(shè)計過程中,還應(yīng)該充分考慮電纜走向、分電箱布置等問題。

5 結(jié)論

(1)專用冷藏集裝箱船的冷藏箱裝載力是傳統(tǒng)支線集裝箱船無法比擬的。通過采用冷藏箱操作平臺、半開放橫向抗扭箱結(jié)構(gòu)、維修凹槽的設(shè)計,保證了冷藏箱的操作、檢修,實現(xiàn)了冷藏箱裝載最大化。

(2)采用綜合式通風(fēng)系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)設(shè)計中冷藏集裝箱點對點供風(fēng)的局限性,提高了貨艙通風(fēng)效果和可靠性,可以為冷藏箱提供可靠的運輸環(huán)境,消除貨損隱患。

(3)半開放式橫向抗扭箱和綜合式通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計已分別通過有限元計算和CFD數(shù)字化模擬得以驗證,實船營運反饋良好。

(4)冷藏箱的裝載量影響貨艙平臺高度和寬度,進而影響型深和船長等主尺度的選取。由于支線箱船布置緊湊,因此需要在設(shè)計初期盡早確定貨艙和機艙的總體布置。