柜式气调冷库在中小型船舶上应用

朱向蒙张晓红

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

柜式气调冷库在中小型船舶上应用

朱向蒙1张晓红2

（中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011）

目前气调技术已广泛应用于陆用冷库中，但在船舶上的应用还存在一些问题。柜式气调冷库是在传统整体气调冷库基础上改进而成。文中结合实际中小型船舶的成本和空间限制的特点，通过分析比较得出柜式气调冷库在船舶上使用的优点和适用性，为气调冷库在船舶中的发展提供参考。

柜式气调冷库；冷库成本；安全性

引 言

船舶在海上航行时间较长，为保证船员氨基酸和维生素的摄取，需要延长蔬果等食品的储存期并保证其营养成分不流失。气调冷库是目前最先进的果蔬保鲜储藏方法之一。它是在冷藏的基础上配备一套气调系统，通过对贮藏环境中温度、湿度和气体成分（二氧化碳、氧气浓度和乙烯浓度等）进行环境控制，抑制果蔬呼吸作用、延缓其新陈代谢过程，延长果蔬贮藏期［1］。

目前，气调技术在陆用大型冷库上的应用已经很成熟。船舶由于存在空间小等局限性，气调技术的应用还不广泛，现今已有的应用主要包括冷藏集装箱、冷藏货舱和伙食冷库三方面，其中伙食冷库由于人员进出比较频繁，气调工艺参数难以维持，使用和发展受到一定程度的限制［2］。

柜式气调冷库是在传统的气调冷库的基础上改进而成，本文从冷库成本和安全性两方面分析该型冷库的优越性和使用前景。

1 柜式气调冷库结构简介

柜式气调冷库由气调库、制冷系统、气调系统和测控系统等构成。气调库包括库体、气密通舱件等［3］，其中，柜式气调库在普通库体的基础上进行改进：将若干个气密的气调金属柜代替搁架，并采用集中气源独立控制，将优化的普通高温库板代替气密性较好的气调库板。制冷系统包括冷藏机组、制冷管道、阀门和控制元件组成，用以维持设计温度范围的库内环境。相对湿度对于蔬果保鲜起到关键作用，相对湿度可通过气调柜内的湿度探测器控制加湿管路中的电磁阀及电极式蒸汽发生器开关。气调系统由气体调节设备、管道、阀门等组成，用以保证气调库内气体成分达到所需的要求并保持相对稳定［4］。测控系统包括气体浓度检测仪、氮气充注系统、管路及附件，通过监测气调冷库内气体浓度来控制氮气的充注量，使冷库内气体浓度维持在设定范围内［5］。

柜式气调冷库与常规气调冷库的区别在于：柜式气调冷库将氮气调节区域大大减小，节省了冷库气调所需的氮气量；对于柜式气调冷库的二氧化碳浓度和相对湿度，与常规气调库处理方式相似，区别在于将二氧化碳浓度和相对湿度的调节范围局限于气调柜内。柜式气调冷库不仅降低了气调库的全寿命成本，而且还大大提高了气调冷库的安全性。柜式气调冷库的外形、质量、尺寸等参数需根据实际船型来确定，本文不作具体介绍。

2 柜式气调冷库性能分析

2.1 冷库成本分析

在船舶气调冷库中，制氮机和库板在冷库成本中占据很大的比例［6］，下文将分别予以分析。其中，常规气调库与柜式气调冷库的定量比较，均在保鲜蔬果量、保鲜时间、保鲜质量等相同的前提下。

2.1.1 气体置换量分析

设冷库容积为V，氮气初始浓度为C0，注入氮气浓度为C，注入流量为P，假定注入氮气与冷库内原有空气迅速充分混合并以相同的进气量排出冷库，则冷库内氮气浓度随时间t变化为C（t），经过后，氮气的浓度计算如下：

积分后得：

其中

式中：v为食品的库容系数，m3/t，通常参照冷库设计规范（GB50072-2010）选取（冷库设计规范的值偏小，因为船舶冷库一般都比较小，所以每吨食品所占体积较大）；n为食品分配系数，人×天；w为食品分配量，千克/（人·天）［7］。

某小型工程船冷库布置如图1所示。

图1 某小型工程船冷库布置图

由图1可知，该冷库可布置上下两层共26个气调柜，每个气调柜体积V1=0.6 m3，氮气充注流量P=12 m3/h，为简化模型，设大气由氮气和氧气组成，其中氮气浓度为79%，氧气浓度为21%，充注氮气浓度C0=100%。为实现果蔬保鲜的目的，首先把气调冷库内氧气的浓度降至5%，再通过果蔬呼吸作用降至3%［8］。

根据式（3），将每个气调库内氧气浓度降至目标浓度所需时间t1=0.07 h，所需氮气充注量Q1=P·t·n=12×0.07×26=22 m3。考虑最不利情况，工程船自持力为25天，共45人。根据式（4），每日所需库容为V=0.36 m3＜0.6 m3，故每天仅需开一个气调柜（由式（3）计算得每个气调柜冲注量为0.84 m3），在航行期间内柜式气调冷库的氮气充注量为Q11=0.84×25=21 m3。

假设该冷库为普通气调冷库，气调库总体积V=30 m3，由式（3）计算可得，把氧气浓度降至目标浓度，所需时间为t=4.8 h，氮气充注量Q=P·t= 12×4.8=58 m3，充注总量为Q=58×25=1 450 m3。

通过以上计算可知，在一个为期25天的航行时间内，柜式气调冷库用于气体置换的氮气消耗量远小于普通的气调冷库。因而在中小型船舶的柜式气调冷库中可以取消制氮机，采用氮气瓶作为氮气源。在吊口附近配置一个能够容纳10个氮气瓶的架子，当船舶进入港口补给时更换，可以节省制氮机和高效气密库板成本（市场上普通氮气瓶为40 L，充注压力为12～13 MPa即可释放5.6 m3的氮气）。

据市场调研，普通瓶装氮气价格约200元/40升，全年运行所需消耗的氮气成本约12 000元，单个气调柜的制作成本约2 000元。按照10年全寿命计算，本船柜式气调冷库的设备全寿命成本约16.6万元，而一台制氮机的初始投资约30～50万元，由此可见，柜式气调冷库的全寿命成本大大降低。此外，冷库库板的成本也可以降低（下文将对此作简要阐述）。

标准氮气瓶图纸参见图2。

图2 标准氮气瓶图纸

2.1.2 库板成本分析

库板是冷库的重要组成部分，常规气调冷库为保证气密性，通常采用两面都有彩镀钢板护面的夹心板，气密性和防潮隔气性都很好，对各板面间的每条接缝处做好密封，才能保证整个围护结构具有良好的气密性。库门也是气调库容易产生气体泄漏之处，为保证库门与库体之间的密封， 可以将库门的气密条做成充气式，充气式库门成本也很高。柜式气调冷库采用的独立冷柜代替搁架，因而柜式气调冷库采用普通库板即可，这也大大节省了冷库的初始成本。

2.2 安全性分析

普通气调冷库内的含氧量远远低于正常值。为避免进出船员出现窒息现象，气调冷库中通常配有供氧风机，并在醒目位置安装警告牌［9］。由于目前小容器的气密性工艺成熟，在柜式气调冷库中，可以将气调柜做成冰箱结构，采用五面焊接、一面封条密封的方式，即可保证气柜的气密性。此外，船员每次取食物时仅需打开一个气调柜，减少了冷库与外界的气体交换，进一步确保船员的安全。

3 结 论

通过上述分析可知，与普通气调冷库相比，柜式气调库能够取消制氮机，改用普通库板，很大程度上节约了冷库成本；此外，其气密性远远优于普通气调冷库，能够充分保证进出船员的安全。虽然目前还没有形成规模生产，但随着气调技术的不断发展，柜式气调冷库将逐步广泛用于船舶领域。

［1］李家庆.果蔬保鲜手册［M］.北京： 中国轻工业出版社，2003： 26-27.

［2］赵家禄， 黄清华， 李彩琴.小型果蔬气调库［M］.北京：科学出版社， 2000： 88-92.

［3］卢士勋，杨万枫.制冷技术及其工程应用［M］.上海：上海交通大学出版社，2010： 293-296.

［4］薛殿华.空气调节［M］.北京： 清华大学出版社，2005.

［5］中华人民共和国商务部. GB 50072 - 2001， 冷库设计规范［S］. 2010.

［6］郭晓光，管大勇.气调库及气调库设备［J］.制冷，2003（12） ： 34-37.

［7］赵家禄，黄清华，李彩琴.小型果蔬气调库［M］. 北京：科学出版社， 2000.

［8］ 朱华，汪海燕.科考船的空调系统设计［J］.船舶，2014（2）：55-57.

［9］ 赵磊，张慧.气调保鲜库在现代船舶上的运用［J］.船舶，2008（4）：8-12.

Application of cabinet controlled atmosphere storage on small and medium ships

ZHU Xiang-meng ZHANG Xiao-hong
(Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China)

The controlled atmosphere storage （CAS） technology has been widely applied on land， however there are some problems for the application on ships. The advantages and applicability of the cabinet CAS transformed from traditional CAS are analyzed and compared in view of the cost and space limitation for small or medium ships. It can provide reference for improving the CAS application on ships in future.

cabinet controlled atmosphere storage； cost； safety

U664.87

A

1001-9855（2015）06-0061-03

2014-12-11；

2015-11-18

朱向蒙（1981-），男，工程师，研究方向：船舶空财、冷藏设计。

张晓红（1987-），女，硕士，助理工程师，研究方向：船舶空调、冷藏设计。