某海上养殖工船的制冷系统设计

王永生，王靖，董登攀

(1.中国水产科学研究院 渔业机械仪器研究所，上海 200092；2.中国海洋大学，山东 青岛266000)

某海上养殖工船的制冷系统设计

王永生1，王靖1，董登攀2

(1.中国水产科学研究院 渔业机械仪器研究所，上海 200092；2.中国海洋大学，山东 青岛266000)

为回收利用制冷系统中的冷量,实现船舶的节能减排，以海上养殖工船为目标船，采用制冷机组和板式热交换器组合设计，根据板式热交换器的进出口的温差分析制冷机组的制冷量、板式热交换器的换热量及面积。结果表明，在制冷机组前加板式热交换器，可实现节能，降低营运成本。

制冷系统；板式热交换器；能耗

近年来，随着渔业资源的日益枯竭和国家对捕捞的严格限制，人们越来越开始关注深远海的渔业资源。但是，目前渔业主要是以渔船的捕捞为主，现代养殖业尚处于探索阶段。因此养殖工船的设计与建造，是为了在海上开展集约化生产的工业化养殖模式，实现海洋渔业由“捕”向“养”的根本性转变，同时躲避恶劣海况与海域污染的大型海上养殖工厂[1]，推进海上养殖设施向深远海发展。养殖工船作为一个新的养殖载体，将海洋工程装备业与工业化养殖、新能源开发、海洋生物资源开发相结合，较好地解决了传统养殖业发展不可持续的问题，具有可移动性、污染小、绿色高效等优势，是离岸养殖业发展的一个新方向[2]。本文利用工厂化循环水养殖的原理，对水温、浊度、溶解氧、pH值等基于PLC的单参数控制应用于循环水养殖系统[3]，结合冷水团养殖工船为目标，仅对养鱼舱的水温制冷系统进行分析。由于此冷水团养殖工船主要养殖的冷水鱼类为高附加值鱼，养鱼舱的适宜温度较低。因此，为保证鱼的最佳生长水温，设计时需对养鱼水舱进行制冷。

1 养殖工船及主要参数

1.1 养殖工船基本情况

该养殖工船为一条改装船，原船为甲板运输船,入CCS船级社，主要用于养殖高附加值的鱼类。此鱼类主要生活在水下约40 m处，适宜温度为15 ℃。本船设14个养鱼水舱,正常工作情况下，鱼舱采用水下40 m取水，用于养鱼水舱的换水，以保证鱼类的生成和繁殖。当鱼类为成品鱼需运输码头或者出现台风时，需对设计的2个养鱼水舱进行制冷。

1.2 主要参数

养殖渔船的主要尺度和参数见表1。

表1 养殖工船的主要尺度和参数

2 制冷系统

当出现台风或养殖工船至码头时,为保证鱼类的生成与繁殖,需进行对NO.1养鱼舱(P)及NO.1养鱼舱(S)制冷。本船鱼舱的制冷系统采用开式[4]冷水机组形式，通过冷冻泵将舷外海水制冷后排至养鱼水舱，养鱼水舱的水经过潜水泵排至舷外，保证鱼舱的换水和适宜的温度及养分。

2.1 鱼舱制冷量

根据船东提供的水文参数，养殖工船的主要作业水域温度约为28 ℃，NO.1养鱼舱(P)及NO.1养鱼舱(S)各190 t，鱼舱要求的水温为15 ℃。根据常规计算，鱼舱制冷量需224.7 kW。见表2。

表2 制冷量计算

2.2 制冷系统冷量回收

本文通过对鱼舱制冷系统加板式热交换器的设计和板式热交换器进出口的温差来分析制冷机组的参数、板冷换热量及换热面积。

方案设计一。图1为常规制冷系统，海水(28 ℃)经过冷冻泵后至制冷设备制冷后(15 ℃)排至NO.1养鱼舱(P)及NO.1养鱼舱(S)，经潜水泵排至舷外，完成养鱼舱的水的循环过程，同时保证鱼舱的适宜水温以及高附加鱼类的生长或繁殖。

方案设计二。图2为常规制冷系统加板式热交换器，海水t1(28 ℃)经过冷冻泵后至板式交换器降温后t2，再经过制冷设备制冷后排至NO.1养鱼舱(P)及NO.1养鱼舱(S)(15 ℃)，后经潜水泵排至板式热交换器后至舷外，完成养鱼水舱的循环过程，以保证鱼舱的适宜水温。

两种方式对比。常规制冷系统中，假设养鱼舱的水循环后的温度约为17 ℃，经过潜水泵排至舷外，此时冷量约190.13 kW。现采用制冷设备加板式热交换器系统设计，利用此冷量通过潜水泵后进入板式热交换器与舷外的海水进口进行热交换，再进入制冷系统后至养鱼舱，能回收大量的冷量。

2.3 温差对制冷系统的影响

通过对海水进口t1(28 ℃)与板式热交换器出口t2的温差分析，对制冷机组及热交换量等参数对比见表3。

由表3可见，板式热交换器的进出口的温差tc与制冷量Pr成反比，与板冷换热量Pc成抛物线走势，与板冷换热面积S成正比。其中，当温差tc为8 ℃时，板式换热量为最高点。

3 基于船舶能耗的分析

根据表3中的制冷量和板冷换热量，分析设备参数，见表4。

表4 温差对能耗的分析

由表4可见：

1)采用常规制冷机组时，所需的电力负荷约为83 kW。

2)采用制冷机组加板式热交换器时，当温差为6 ℃时，所需电力负荷约为39.2 kW；当温差为8 ℃时，所需电力负荷约为34 kW。

3)采用制冷机组加板式热交换器，可以节省能耗。温差8 ℃为温差约为6 ℃时的能耗的86.7%，为不加板冷的40.9%。

4 结论

采用制冷机组加板式热交换器，可较好地降低船舶能耗。通过调整板式热交换器的进出口温差，利用温差对制冷量及板式热交换量等曲线，来选取合适的板冷及制冷机组。该计算方法可进一步运用到特殊的制冷设计，以充分达到节能减排的效果，促进养殖工船的发展。

[1] 徐皓，江涛.我国离岸养殖工船发展策略[J].渔业现代化，2012，39(4)：1-7.

[2] 李尧，谢晋斌，严谨，等.构建南海大型绿色可移动养殖渔船的可行性研究[J].农业与生态环境，2015，28：87-89.

[3] Phillip G L. Process control and artificial intelligence software for aquaculture[J]. Aquaculture engineering,2000，23:13-26.

[4] 杜恩杰，王森.风冷冷水机组在渔业养殖中的应用[J].制冷空调，2004，25(2)：60-63.

[5] 中国船舶工业集团公司.船舶设计手册：轮机分册[M].北京：国防工业出版社，2013.

Design of Refrigerating System for Feeding Vessel

WANG Yong-sheng1, WANG Jing1, DONG Deng-pan2

(1.Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200092, China;2.Ocean University Of China, Qingdao Shandong 26600, China)

In order to recycle the cooling capacity of refrigeration system for energy-saving and emission reduction of the ship, a scheme of combining the refrigeration units with the plate cooler was designed for the feeding vessel. The cooling capacity of refrigeration units, heat transfer of the plate cooler and cooling plate area were analyzed by the cold plate temperature difference between imports and exports for the refrigeration units. The results showed that by equipping the cold plate in front of refrigeration units can save energy effect and reduce operating costs.

refrigerating system; plate cooler; energy consumption

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.031

2016-08-02

上海市科学技术委员会科研计划项目 (15DZ1202100)；鳌山科技创新计划 (2015ASKJ02-03)

王永生 (1981—)，男，学士，工程师

U664.87

A

1671-7953(2017)02-0132-03

修回日期：2016-08-18

研究方向:船舶轮机设计