船舶制冷技术应用现状和节能措施

李培铭

● （海军装备部，北京 100071）

船舶制冷技术应用现状和节能措施

李培铭

● （海军装备部，北京 100071）

阐述国内外船舶制冷技术应用的现状，并根据其型式和主要特点以及船舶制冷技术的发展情况，探讨了几种简单易行的节能措施。

船舶；制冷技术；节能措施

0 前言

船舶制冷技术是一种在陆用制冷技术基础上的扩展和延伸，目前陆上广泛应用的各种制冷技术，无论是满足生活需求还是工艺性要求的制冷型式，均已在船舶上得到应用。本文阐述了国内外船舶制冷技术应用的现状，并根据其型式和主要特点以及船舶制冷技术的发展情况，探讨了几种简单易行的节能措施。

1 船舶制冷技术现状

1.1 常用制冷原理

目前在各类船舶上已有应用的制冷方式有机械驱动和热驱动相变制冷循环两大类。机械驱动主要有蒸汽压缩式，热驱动主要有吸收式和喷射式。

蒸汽压缩式制冷循环是利用某些工质相变产生潜热的特性，采用机械驱动，通过压缩、冷凝、节流、蒸发四个过程周而复始的闭式循环，在蒸发段吸收外界热量，冷凝段放出热量，从而达到制冷目的。

在船舶上应用的蒸汽压缩式制冷机组，根据其采用的压缩机型式可分为容积型和速度型两种；所谓容积型是通过减少空间容积的办法压缩蒸汽，从而使蒸汽获得能量，典型的压缩机有活塞式、螺杆式等；而速度型则是利用旋转机械，连续地将角动量转给蒸汽，并使该动量转为压力能，最典型的压缩机就是离心式。

吸收式制冷循环是采用热能驱动二元溶液，通过发生、冷凝、蒸发、吸收四个过程周而复始的闭式循环，在蒸发段吸收外界热量，冷凝段、吸收段放出热量，从而达到制冷目的。在船舶上应用的有溴化锂吸收式制冷机。

喷射式制冷循环是利用中、低压水蒸汽本身的能量，通过喷嘴产生高速流引射蒸发器内蒸汽，一方面使蒸发器处于高真空状态，保持冷剂水蒸发吸热，另一方面，引射后的混合汽经扩压后，冷凝、节流成冷剂水蒸发制冷。

1.2 国内外各类制冷机组的应用现状

1.2.1 离心式制冷机组

离心式制冷机组具有单位重量、体积容量大，结构简单、工作可靠、几乎没有磨损，运转时剩余惯性力极微、运转平稳，无级能调范围宽，制冷剂混入的润滑油极少，对换热器换热效果影响小、效率最高等显著优点，但不适合小能量的场合[1,2]。离心式制冷机组容量一般在 50万kcal/h以上，在国内船舶上应用较少，我国的第一代远洋测量船等曾经有过应用。

而在国外船舶上则应用较多，如：美国水面、水下舰船几乎全部应用了各种规格的离心式制冷机组；俄罗斯的航空母舰也应用了离心式冷水机组；英国的航空母舰采用了离心式冷水机组和活塞式冷水机组相结合的方式；西班牙的航空母舰采用了离心式冷水机组；印度的航空母舰也采用离心式冷水机组和活塞式冷水机组相结合的方式；法国的轻型巡洋舰采用了离心式冷水机组，护卫舰采用离心式冷水机组与活塞式冷水机组相结合的方式。

而豪华邮轮则全部采用了离心式冷水机组。

从应用情况看，国外明显比国内多得多，主要原因还是国内大吨位、大热负荷的船舶建造还较少。从国外船舶上应用情况看，离心式制冷技术与其它制冷型式一样，也已相当成熟。随着我国造船工业的快速发展，大容量的离心式制冷技术也必将在我国的船舶上得到应用。

1.2.2 螺杆式制冷机组

螺杆式制冷机组具有结构简单、零件少、振动小、可在较大压缩比下工作等优点，但转子加工要求高[2]，因此其普及应用相对晚一些。

螺杆式制冷机组既大量应用于空调，也应用于低温冻结。

在国内，单机能量从(6～30)万kcal/h螺杆式冷水机组应用于各类舰艇的空调系统；一些人员负荷较大的客货轮、客滚船也采用螺杆式冷水机组，新建的远洋测量船则全部采用了螺杆式冷水机组；

在国外，德国的扫雷艇采用了螺杆式冷水机组与活塞式冷水机组相结合的方式应用于空调。

低温螺杆式制冷机组较多的应用于捕鱼加工船上的鱼品冻结，特别是金枪鱼的低温保鲜。

目前，在我国船舶制冷机组设计上，大容量机组还是以螺杆式制冷机组为首选，因为在大约(10～50)万 kcal/h能量范围内，螺杆式制冷机组的效率和能量调节性能占有优势。

1.2.3 活塞式制冷机组

活塞式制冷机组广泛应用于小能量的场合，在船舶上应用最多。大多数货轮、工程船舶、小型舰艇都应用活塞式制冷机组，包括用于空调和冷藏。

许多大型船舶采用了活塞式制冷机组和其它类型机组结合使用的方式。

大多数船舶热负荷都不大，并由于考虑系统可靠性和分区的需要，单机制冷量大都不超过20万kcal/h。所以，活塞式制冷机组在船舶领域将继续具有广泛的市场。

1.2.4 溴化锂吸收式制冷机组

溴化锂吸收式制冷机可以以低势热能作为加热源，并在真空状态下运行，无臭、无毒、无爆炸危险，变负荷性能好，振动噪声小。因此理论上讲最适合使用溴化锂吸收式制冷机的船舶是以蒸汽为动力的水下船舶—核潜艇。

1.2.5 蒸汽喷射式制冷机组

蒸汽喷射式制冷机组以中、低压水蒸气为动力，并以其喷射后混合汽冷凝节流后制冷，运行安全，但效率较低，冷凝负荷大。在我国舒适性空调领域已无应用，而在船舶上从未应用过。国外目前仅俄罗斯还在开展研究工作[3]，在其舰艇上也有应用。

2 船舶制冷技术的发展情况和节能措施

2.1 船舶制冷技术的发展情况

同陆用制冷技术一样，随着能源价格的不断上涨、保护大气臭氧层和防止全球变暖的国际公约在世界范围的实施，设备的环保、节能也必然成为船舶制冷技术的发展趋势。

制冷设备的环保首先会想到制冷工质，这在业界已有广泛的研究和不少成果。作为船舶制冷设备应跟踪世界最新成果，同时结合各类船舶的航区，在国际公约的框架下，充分利用政策的空间，选择合适的制冷剂。目前，R134a、R404a、R407c等环保工质已在船舶制冷设备上广泛应用。但作者建议，在国内航行的船舶，既考虑环保要求，也要考虑效率和经济性，在选择制冷工质上不必超前。

另外，采用CO2等自然工质的制冷机还未看到在船舶上应用的迫切性。

耗能设备的节能永远是发展的重点，制冷设备也不例外。但在船舶制冷领域关注度并不高，但设计人员还是有所考虑，一般有如下途径：

1）根据不同的能量范围选用适用的性能更优的压缩机机型；

2）尽可能减少使用分散式小容量机组，采用集中供冷，基本负荷采用能效比相对高的大容量机组；

3）变负荷运行采用变频调速压缩机、电子膨胀阀调节流量等方式；

但利用废热进行制冷的吸收式、吸附式制冷方式，由于体积大，使用不方便等原因，目前还不可能在船舶上推广应用。

2.2 实现船舶制冷应用节能的其它措施

2.2.1 采用换热温差更小的蒸发器型式

一般冷水机组的蒸发器最常用的型式有干式蒸发器和满液式蒸发器。

在换热方式上，干式蒸发器管侧走制冷剂，壳侧走水，换热形式为液--气液混合物换热，特别在后半程，不可避免地会产生换热效率下降，还有分配不均匀的问题，有效换热面积不能得到充分利用，它的传热温差一般为5℃；而满液式蒸发器管侧走水，壳侧为液态制冷剂，制冷剂充满壳侧整个容积的大约70%左右，换热形式基本以液--液换热为主，传热温度差一般为 2℃，换热效率显然比液-气液混合物高。

而随着制造技术的发展，目前真空钎焊的板式蒸发器也已得到应用，按使用经验，它的传热温度差也能够达到2℃。

由于传热温差小，即可提高机组蒸发温度，从而在相同的制冷量下，提高机组能效比，达到节能目的。

所以，对于使用活塞式制冷压缩机和中小型螺杆式制冷压缩机的冷水机组，建议采用板式蒸发器，而使用大型螺杆式制冷压缩机的冷水机组，在保证足够分油效果的情况下尽量采用满液式蒸发器，而使用离心式制冷压缩机的冷水机组，满液式蒸发器是不二的选择。

2.2.2 优化冷却水量设计

船舶在江河湖海上航行，冷却水取之不尽。一般来说，加大冷却水量，可提高流速，增强换热效率；还可降低传热温差，缩小设备尺寸。但在海上，流速受到了所用冷凝管材质的耐海水腐蚀性能的制约。同时，冷凝器的热力性能计算过程表明,高于一定流速，由于受管外冷凝热阻的影响，换热效率的提高微乎其微，但增加了冷却水泵的能耗，并会严重影响冷凝管的耐海水腐蚀性能。

作者在综合考虑了效率、耐腐蚀性能等方面的因素，推荐设计流速如表1所示。

根据文献[4]的分析，冷却水温差控制在 4.3℃～4.5℃比较理想，比通常推荐的2℃～4℃[5]要高，从而降低冷却水量。虽然在较高海水温度时，降低冷却水量会提高冷凝温度，但通过适当降低冷却水量，既能提高设备耐海水腐蚀性能，又能保持性能基本不变，并能长期降低冷却水泵能耗，也是制冷机组节能的一种方法之一。

表1 不同材料冷凝管设计流速推荐值

3 结束语

制冷对于所有船舶来说是必需的，而其运行更高效、更节能，是我们的追求目标。通过研发新型高效制冷剂、能效比更高的压缩机等是一种方法；改善制冷循环、优化部件设计也是一种方法，并且是一种简单、更容易得到实施方法。

[1]尉迟斌, 顾安忠.船舶制冷装置[M].北京: 国防工业出版社, 1980.

[2]董天禄等.离心式/螺杆式制冷机组及应用[M].北京:机械工业出版社, 2002.

[3]М.А.希尔曼等.蒸喷式制冷机的改进[J].制冷装置(俄), 1997(6).

[4]周玮.海水流量对制冷空调机组性能的影响[J].机电设备, 2004(2): 20-21.

[5]《船舶设计实用手册冷藏通风》编写组编.船舶设计实用手册第六分册[M].北京: 国防工业出版社, 1975.

中国船级社与钢铁研究总院签署技术合作协议

2月28日，中国船级社（CCS）总裁孙立成会见了前来拜访的钢铁研究总院田志凌常务副院长及该院工程用钢研究所所长杨才福、副所长苏航、焊接技术研究所副所长马成勇等。双方就技术合作进行了积极有效的交流和沟通，并签署了技术合作协议。双方认为，充分发挥CCS在国际航运界最新技术信息掌握、相关技术标准制订和新技术要求在实践中应用、联系航运造船产业链的纽带作用等方面的优势；充分发挥钢铁研究总院在船舶和海洋工程金属材料的研发、检测、试验能力等方面的雄厚实力和专长，通过加强双方的互补合作，一定会为中国钢铁、造船行业的发展和技术进步做出更大的贡献。

CCS孙峰副总裁和田志凌分别代表双方在技术合作协议上进行了签署。双方有关领导和专家参加了交流活动并出席了签字仪式。

Application and Energy Saving Measures of Marine Refrigeration Technology

LI Pei-ming
(Naval Equipment Department, Beijing 100071, China)

This article discusses the applications of marine refrigeration technology both in China and abroad.Some measures to save energy are proposed according to the types, main characteristics and attained developments of marine refrigeration technology.

ship; refrigeration technology; energy saving

U664

A

李培铭（1974-），男，工程师。研究方向：船舶轮机。