143 m渔业运输船冷冻系统设计

田正军，顾 忱，郭月娇，王翔桢，冯国增

(1.招商局邮轮研究院(上海)有限公司，上海 200137；2.江苏科技大学，江苏 镇江 212000)

0 引言

目前，随着渔业运输船呈现大型化、运输长距离化的发展趋势，国内现有的渔船冷冻系统大多选用氢氯氟烃(HCFC)类物质，如氟利昂，但其对臭氧层具有破坏作用。国内外学者对采用各种新型制冷剂的冷冻系统进行了大量研究与比较，分析了以氨为制冷剂在渔业运输船上应用的可行性，发现氨单位质量制冷量大，价格便宜，易于获得，是优良的制冷剂[1-3]。因此，应用以氨为制冷剂的大型渔业运输船冷冻系统，对我国新型环保型冷冻系统设计理论发展具有重要的理论和实践意义。

本文以某143 m渔业运输船冷冻系统为研究对象，对各个冷藏舱室的冷负荷进行计算并对制冷设备进行选型，通过对关键制冷系统原理与特点的分析与设计，满足渔获冷藏需求，保障海洋运输健康可持续发展。

1 工程概况

143 m渔业运输船主要参数为：总长143.38 m，型宽19.6 m，型深11.7 m，设计吃水6.8 m，总吨位约8 100 t。该船共有12个冷藏舱，每层各4个，冷藏舱净舱容为11 000 m3，储藏吨位7 150 t。冷藏舱布置见图1。各冷藏舱容积见表1。

表1 各冷藏舱容积

图1 143 m渔业运输船平面布置图

渔获物在放入冷冻间后，需转存至舱内温度为-25 ℃的冷藏舱，经24 h将温度从-15 ℃降到-22 ℃，全部货物出舱温度保持在-22～-20 ℃。库外计算温度根据冷库规范查取。该冷库所在地是海上，外界环境空气温度为2～45 ℃。

为减少冷库围护结构的冷量损耗，该船在围护结构间添加隔热材料[4]。隔热材料多数使用挤塑聚苯乙烯和硬质聚氨酯。隔热层采用双面彩钢板复合内保温结构。计算得到：冻结物冷藏间外墙的传热系数为0.66 W/(m2·K)，内墙的传热系数为0.71 W/(m2·K)，冷库顶板传热系数为0.71 W/(m2·K)，底板的传热系数为1.03 W/(m2·K)。

冷藏舱的总负荷应按式(1)计算：

Q=Q1+Q2+Q3+Q4+Q5

(1)

式中：Q为冷间总负荷，W；Q1为冷间围护结构负荷，W；Q2为冷间内货物负荷，W；Q3为冷间通风换气热流量，W；Q4为冷间内电动机运转负荷，W；Q5为冷间操作负荷，W。

冷藏舱的机械负荷按式(2)计算：

Qj=(n1Q1+n2Q2+n3Q3+n4Q4+n5Q5)R

(2)

式中：Qj为冷间的机械负荷，W；n1为围护结构的机械修正系数，此处取值为1；n2为冷间货物热流量折减系数，此处取值为0.65；n3为同期换气系数，宜取0.5～1.0；n4为电动机同期运转系数，取值为0.4；n5为同期操作系数，取值为0.4；R为制冷装置和管道等冷损耗补偿系数，取值为1.07。

按12个冷藏舱房间号顺序对各冷间围护结构负荷、冷间内货物负荷、电动机负荷、冷间操作负荷进行计算，得到制冷总负荷和机械负荷，计算结果见表2。

表2 各冷藏舱负荷汇总表

2 制冷设备选型

2.1 制冷压缩机的选择

制冷压缩机的选型一般根据压缩机的制冷量来确定。压缩机的制冷量应该和制冷装置的机械负荷相等或接近，蒸发温度相近的冷间把必需的制冷量尽量集中在一个机组中，按照系统不同的蒸发温度分别选配压缩机[5-8]，尽可能让每台(每组)压缩机能够分别提供一种蒸发温度，以确保制冷系统经济、可靠运行[9]。当机械负荷偏大时，尽量选用大型压缩机；同一制冷系统中如需多台压缩机，应选同一系列，且台数要适宜[10]；冷凝压力与蒸发压力的比值，如：氨>8，氟利昂>10时，应采用双级压缩[10]。压缩机处于不同的工况下，消耗不同的功率，应按照运行的工况校核压缩机来配用电动机的功率。对处于变工况下工作的压缩机，应该按照最大轴功率工况来选配电动机。

本次设计所涉及的冷库为中型冷库，所以压缩机台数不宜少于2台，总制冷量以满足生产要求为准。选择制冷压缩机的条件应符合制造厂家给定运行工况或国标规定的压缩机使用条件[11-14]。

本文选择的开启式螺杆式压缩机，特点是易损件少、检修周期长，单机容量介于离心式和活塞式之间。由于蒸发温度为-36 ℃，根据适用范围来判定，蒸发温度处于-35 ℃和-50 ℃之间的选用双级螺杆机。设计蒸发温度为-36 ℃，冷凝温度为38 ℃，计算各冷藏舱的耗冷量乘以系数得到制冷量，根据压缩机在设计工况下的制冷量，确定压缩机的型号。最终选择3台型号为CJJZVLGA193TW的螺杆式压缩机，留1台备用。

2.2 冷凝器的选型

船用冷凝器通常采用壳管式换热器[15]，作用是将压缩机排出的高温蒸汽冷却凝结成液体。渔船冷冻系统使用海水作为冷源进行冷却。

冷凝器传热面积按式(3)计算：

(3)

式中：Qk为冷凝器的热负荷(冷凝器热量)，W；K为冷凝器的传热系数，W/(m2·K)；Δtm为冷凝器的对数平均温差，℃，按式(4)计算。

(4)

式中：t1为冷却介质进冷凝器的温度，℃；t2为冷却介质出冷凝器的温度，℃；tk为冷凝温度，℃。

以氨为制冷剂的卧式冷凝器的传热系数K的取值范围为800～1 000 W/(m2·K)，设计时取1 000 W/(m2·K)。综合考虑供热要求与系统经济性等因素后，氨制冷的卧式壳管式换热器进出冷凝器温差t2-t1为4～6 ℃，这里取4 ℃，计算对数平均温差为Δtm=5 ℃。

冷凝器热负荷按式(5)来计算

Qk=ΨQ0

(5)

式中：Ψ为冷凝器的负荷系数，冷凝温度为38 ℃时查取Ψ值为1.34；Q0为制冷系统的制冷量，根据冷库规范计算。

根据冷藏舱所需的冷凝器传热面积和冷却介质流量，选择型号为CWNA100的船用冷凝器2台：1台左式，1台右式。

2.3 冷却设备的选型

蒸发器是制冷系统中输出冷量、直接实现制冷的关键设备，应根据使用目的和条件分别加以选用。采用冷却液体载冷剂的蒸发器可以选择卧式、壳管式、立管式等。

冷藏舱内的冷却设备根据适用条件来选择冷风机或是冷排管，并且应符合现行的氨制冷却设备标准的要求。冷风机具有结构紧凑、传热效果好等优点，适合作为冷却间、冻结间和冷却物冷藏间的冷却设备。采用带液位控制的满液式蒸发器，冷风机采用热载冷剂融霜，以LM-8型冰河冷媒作为载冷剂通过壳管式换热器与氨制冷系统进行热交换，冷媒进口温度为-29 ℃，出口温度为-33 ℃。

冷风机冷却面积按式(6)来计算：

(6)

式中：Qq为冷却设备负荷，W；K′为冷风机传热系数，W/(m2·K)；Δtm′为冷间空气温度与制冷温度的对数平均温差，℃。

各冷藏舱的Qq按表1查取。K′根据手册经验表格选取，蒸发温度-38 ℃时氨翅片管冷风机传热系数为11.6 W/(m2·K)。Δtm′一般可按规定采用，冷却间、冻结物冷藏间、冷藏舱宜取10 ℃。

根据冷藏舱的冷却面积选择2台船用满液式蒸发器CWZA-130；24台风冷式蒸发器，每个冷藏舱各2台；3台低温载冷剂循环泵(1台备用)；2台融霜载冷剂循环泵(1台备用)。

2.4 氨液分离器和分液器的选型

氨液分离器的作用是分离液态制冷剂与制冷剂蒸汽，常用于重力供液系统。作为库房用气液分离器可以分离流经节流阀的气液混合物，只让氨液进入蒸发器，兼有分配液体的作用。氨液分离器的桶径根据式(7)来计算：

(7)

式中：d为氨液分离器的直径，m；v为蒸发温度对应饱和蒸汽比体积，m3/kg；qm为每小时通过氨液分离器的氨液量，kg/h；ω为分集液器内流速，ω=0.5 m/s。

分液器能够将制冷剂氨较为平均分给各个冷藏舱的管壁四周的冷排管[16]。分液器分为3种类型：文丘里式、压降式和离心式。本文渔船冷库采用离心式的分集液器。该分集液器由一个中心镂空的转盘和相应的各个输出端组成，各个输出端在转盘外等距离排布。

一般分液管的额定能力是指按照管长1 m、压降50 kPa时，分液管能够允许制冷剂通量流过的制冷能力。本文选用分液管直径为50 mm的离心式分液器。

3 制冷系统原理及特点

3.1 制冷系统原理

制冷系统原理见图2。制冷压缩机低压吸入的蒸发器低温低压的氨气体经阴阳转子压缩成高压高温气体，从高压出口排出的高温高压制冷剂气体经过机组自带的高效油分离器进行油气分离；分离后的高温高压氨气被排到冷凝器，海水将高温高压气体通过壳管式冷凝器冷凝成高压液体流入到高压贮液器，再送到螺杆机组经济器内过冷；过冷后经过液位调节阀组和节流器进入满液式蒸发器；通过蒸发器实现和载冷介质的热量交换，从蒸发器出来的低压氨气再被压缩机吸入。冷媒介质在蒸发器进行热交换后，变成低温载冷剂，再通过冷媒水泵进入空气冷却器(冷风机)，通过风机把冷气通过风道吹向冷藏舱货物，不断吸收渔获物及外界渗入热量，从而逐步达到设定的温度。冷风机采用热载冷剂融霜，载冷剂经汽水换热板加热。

1—膨胀箱；2—压缩机；3—蒸发器；4—冷凝换热器；5—储液(汽)罐。

本船在冷冻机室旁设有岐水管间，通过手动操作每个舱的载冷剂阀门实现制冷与融霜的切换。冷藏舱内设有温度监测，每舱设4个温度探头，可对各舱室进行温度测量。

3.2 制冷系统特点

3.2.1 安全保护

系统中装有安全压力保护器。当冷凝器断水或水压不足、系统高压部分压力过高时，系统自动报警，若故障不排除，系统将停止运行，压缩机再次启动时，需手动复位。系统还设有油压保护压差控制器。当润滑油系统压差过低时，保护装置报警；若压差不回升，则制冷系统将停止运行。

3.2.2 自动控制

机组运行时，可根据设定吸气压力和冷媒出水温度来实现自动开/停机，使参数始终维持在稳定的范围内。在机组运行过程中实时显示吸气压力、排气压力、排气温度等参数。对以上所有测量点的参数可进行控制点设定、偏差设定、事故预报警、报警停机设定。

4 结论

(1)建议渔业运输船冷冻系统选用新型环保、高效、有发展前景的制冷剂，尽量避免使用对臭氧层具有破坏作用的氟利昂等传统制冷剂。 (2)冷冻系统选用氨这类有危险性的制冷剂时应注意配套安全保护系统，及时发现并切断危险源，以免造成安全事故。

(3)为满足关键舱室冷冻保鲜的要求，需要能够调节温度的高度自动化系统以满足不同渔获物储藏的条件。