船舶制冷技術應用現狀和節能措施

李培銘

● （海軍裝備部，北京 100071）

船舶制冷技術應用現狀和節能措施

李培銘

● （海軍裝備部，北京 100071）

闡述國內外船舶制冷技術應用的現狀，并根據其型式和主要特點以及船舶制冷技術的發展情況，探討了幾種簡單易行的節能措施。

船舶；制冷技術；節能措施

0 前言

船舶制冷技術是一種在陸用制冷技術基礎上的擴展和延伸，目前陸上廣泛應用的各種制冷技術，無論是滿足生活需求還是工藝性要求的制冷型式，均已在船舶上得到應用。本文闡述了國內外船舶制冷技術應用的現狀，并根據其型式和主要特點以及船舶制冷技術的發展情況，探討了幾種簡單易行的節能措施。

1 船舶制冷技術現狀

1.1 常用制冷原理

目前在各類船舶上已有應用的制冷方式有機械驅動和熱驅動相變制冷循環兩大類。機械驅動主要有蒸汽壓縮式，熱驅動主要有吸收式和噴射式。

蒸汽壓縮式制冷循環是利用某些工質相變產生潛熱的特性，采用機械驅動，通過壓縮、冷凝、節流、蒸發四個過程周而復始的閉式循環，在蒸發段吸收外界熱量，冷凝段放出熱量，從而達到制冷目的。

在船舶上應用的蒸汽壓縮式制冷機組，根據其采用的壓縮機型式可分為容積型和速度型兩種；所謂容積型是通過減少空間容積的辦法壓縮蒸汽，從而使蒸汽獲得能量，典型的壓縮機有活塞式、螺桿式等；而速度型則是利用旋轉機械，連續地將角動量轉給蒸汽，并使該動量轉為壓力能，最典型的壓縮機就是離心式。

吸收式制冷循環是采用熱能驅動二元溶液，通過發生、冷凝、蒸發、吸收四個過程周而復始的閉式循環，在蒸發段吸收外界熱量，冷凝段、吸收段放出熱量，從而達到制冷目的。在船舶上應用的有溴化鋰吸收式制冷機。

噴射式制冷循環是利用中、低壓水蒸汽本身的能量，通過噴嘴產生高速流引射蒸發器內蒸汽，一方面使蒸發器處于高真空狀態，保持冷劑水蒸發吸熱，另一方面，引射后的混合汽經擴壓后，冷凝、節流成冷劑水蒸發制冷。

1.2 國內外各類制冷機組的應用現狀

1.2.1 離心式制冷機組

離心式制冷機組具有單位重量、體積容量大，結構簡單、工作可靠、幾乎沒有磨損，運轉時剩余慣性力極微、運轉平穩，無級能調范圍寬，制冷劑混入的潤滑油極少，對換熱器換熱效果影響小、效率最高等顯著優點，但不適合小能量的場合[1,2]。離心式制冷機組容量一般在 50萬kcal/h以上，在國內船舶上應用較少，我國的第一代遠洋測量船等曾經有過應用。

而在國外船舶上則應用較多，如：美國水面、水下艦船幾乎全部應用了各種規格的離心式制冷機組；俄羅斯的航空母艦也應用了離心式冷水機組；英國的航空母艦采用了離心式冷水機組和活塞式冷水機組相結合的方式；西班牙的航空母艦采用了離心式冷水機組；印度的航空母艦也采用離心式冷水機組和活塞式冷水機組相結合的方式；法國的輕型巡洋艦采用了離心式冷水機組，護衛艦采用離心式冷水機組與活塞式冷水機組相結合的方式。

而豪華郵輪則全部采用了離心式冷水機組。

從應用情況看，國外明顯比國內多得多，主要原因還是國內大噸位、大熱負荷的船舶建造還較少。從國外船舶上應用情況看，離心式制冷技術與其它制冷型式一樣，也已相當成熟。隨著我國造船工業的快速發展，大容量的離心式制冷技術也必將在我國的船舶上得到應用。

1.2.2 螺桿式制冷機組

螺桿式制冷機組具有結構簡單、零件少、振動小、可在較大壓縮比下工作等優點，但轉子加工要求高[2]，因此其普及應用相對晚一些。

螺桿式制冷機組既大量應用于空調，也應用于低溫凍結。

在國內，單機能量從(6～30)萬kcal/h螺桿式冷水機組應用于各類艦艇的空調系統；一些人員負荷較大的客貨輪、客滾船也采用螺桿式冷水機組，新建的遠洋測量船則全部采用了螺桿式冷水機組；

在國外，德國的掃雷艇采用了螺桿式冷水機組與活塞式冷水機組相結合的方式應用于空調。

低溫螺桿式制冷機組較多的應用于捕魚加工船上的魚品凍結，特別是金槍魚的低溫保鮮。

目前，在我國船舶制冷機組設計上，大容量機組還是以螺桿式制冷機組為首選，因為在大約(10～50)萬 kcal/h能量范圍內，螺桿式制冷機組的效率和能量調節性能占有優勢。

1.2.3 活塞式制冷機組

活塞式制冷機組廣泛應用于小能量的場合，在船舶上應用最多。大多數貨輪、工程船舶、小型艦艇都應用活塞式制冷機組，包括用于空調和冷藏。

許多大型船舶采用了活塞式制冷機組和其它類型機組結合使用的方式。

大多數船舶熱負荷都不大，并由于考慮系統可靠性和分區的需要，單機制冷量大都不超過20萬kcal/h。所以，活塞式制冷機組在船舶領域將繼續具有廣泛的市場。

1.2.4 溴化鋰吸收式制冷機組

溴化鋰吸收式制冷機可以以低勢熱能作為加熱源，并在真空狀態下運行，無臭、無毒、無爆炸危險，變負荷性能好，振動噪聲小。因此理論上講最適合使用溴化鋰吸收式制冷機的船舶是以蒸汽為動力的水下船舶—核潛艇。

1.2.5 蒸汽噴射式制冷機組

蒸汽噴射式制冷機組以中、低壓水蒸氣為動力，并以其噴射后混合汽冷凝節流后制冷，運行安全，但效率較低，冷凝負荷大。在我國舒適性空調領域已無應用，而在船舶上從未應用過。國外目前僅俄羅斯還在開展研究工作[3]，在其艦艇上也有應用。

2 船舶制冷技術的發展情況和節能措施

2.1 船舶制冷技術的發展情況

同陸用制冷技術一樣，隨著能源價格的不斷上漲、保護大氣臭氧層和防止全球變暖的國際公約在世界范圍的實施，設備的環保、節能也必然成為船舶制冷技術的發展趨勢。

制冷設備的環保首先會想到制冷工質，這在業界已有廣泛的研究和不少成果。作為船舶制冷設備應跟蹤世界最新成果，同時結合各類船舶的航區，在國際公約的框架下，充分利用政策的空間，選擇合適的制冷劑。目前，R134a、R404a、R407c等環保工質已在船舶制冷設備上廣泛應用。但作者建議，在國內航行的船舶，既考慮環保要求，也要考慮效率和經濟性，在選擇制冷工質上不必超前。

另外，采用CO2等自然工質的制冷機還未看到在船舶上應用的迫切性。

耗能設備的節能永遠是發展的重點，制冷設備也不例外。但在船舶制冷領域關注度并不高，但設計人員還是有所考慮，一般有如下途徑：

1）根據不同的能量范圍選用適用的性能更優的壓縮機機型；

2）盡可能減少使用分散式小容量機組，采用集中供冷，基本負荷采用能效比相對高的大容量機組；

3）變負荷運行采用變頻調速壓縮機、電子膨脹閥調節流量等方式；

但利用廢熱進行制冷的吸收式、吸附式制冷方式，由于體積大，使用不方便等原因，目前還不可能在船舶上推廣應用。

2.2 實現船舶制冷應用節能的其它措施

2.2.1 采用換熱溫差更小的蒸發器型式

一般冷水機組的蒸發器最常用的型式有干式蒸發器和滿液式蒸發器。

在換熱方式上，干式蒸發器管側走制冷劑，殼側走水，換熱形式為液--氣液混合物換熱，特別在后半程，不可避免地會產生換熱效率下降，還有分配不均勻的問題，有效換熱面積不能得到充分利用，它的傳熱溫差一般為5℃；而滿液式蒸發器管側走水，殼側為液態制冷劑，制冷劑充滿殼側整個容積的大約70%左右，換熱形式基本以液--液換熱為主，傳熱溫度差一般為 2℃，換熱效率顯然比液-氣液混合物高。

而隨著制造技術的發展，目前真空釬焊的板式蒸發器也已得到應用，按使用經驗，它的傳熱溫度差也能夠達到2℃。

由于傳熱溫差小，即可提高機組蒸發溫度，從而在相同的制冷量下，提高機組能效比，達到節能目的。

所以，對于使用活塞式制冷壓縮機和中小型螺桿式制冷壓縮機的冷水機組，建議采用板式蒸發器，而使用大型螺桿式制冷壓縮機的冷水機組，在保證足夠分油效果的情況下盡量采用滿液式蒸發器，而使用離心式制冷壓縮機的冷水機組，滿液式蒸發器是不二的選擇。

2.2.2 優化冷卻水量設計

船舶在江河湖海上航行，冷卻水取之不盡。一般來說，加大冷卻水量，可提高流速，增強換熱效率；還可降低傳熱溫差，縮小設備尺寸。但在海上，流速受到了所用冷凝管材質的耐海水腐蝕性能的制約。同時，冷凝器的熱力性能計算過程表明,高于一定流速，由于受管外冷凝熱阻的影響，換熱效率的提高微乎其微，但增加了冷卻水泵的能耗，并會嚴重影響冷凝管的耐海水腐蝕性能。

作者在綜合考慮了效率、耐腐蝕性能等方面的因素，推薦設計流速如表1所示。

根據文獻[4]的分析，冷卻水溫差控制在 4.3℃～4.5℃比較理想，比通常推薦的2℃～4℃[5]要高，從而降低冷卻水量。雖然在較高海水溫度時，降低冷卻水量會提高冷凝溫度，但通過適當降低冷卻水量，既能提高設備耐海水腐蝕性能，又能保持性能基本不變，并能長期降低冷卻水泵能耗，也是制冷機組節能的一種方法之一。

表1 不同材料冷凝管設計流速推薦值

3 結束語

制冷對于所有船舶來說是必需的，而其運行更高效、更節能，是我們的追求目標。通過研發新型高效制冷劑、能效比更高的壓縮機等是一種方法；改善制冷循環、優化部件設計也是一種方法，并且是一種簡單、更容易得到實施方法。

[1]尉遲斌, 顧安忠.船舶制冷裝置[M].北京: 國防工業出版社, 1980.

[2]董天祿等.離心式/螺桿式制冷機組及應用[M].北京:機械工業出版社, 2002.

[3]М.А.希爾曼等.蒸噴式制冷機的改進[J].制冷裝置(俄), 1997(6).

[4]周瑋.海水流量對制冷空調機組性能的影響[J].機電設備, 2004(2): 20-21.

[5]《船舶設計實用手冊冷藏通風》編寫組編.船舶設計實用手冊第六分冊[M].北京: 國防工業出版社, 1975.

中國船級社與鋼鐵研究總院簽署技術合作協議

2月28日，中國船級社（CCS）總裁孫立成會見了前來拜訪的鋼鐵研究總院田志凌常務副院長及該院工程用鋼研究所所長楊才福、副所長蘇航、焊接技術研究所副所長馬成勇等。雙方就技術合作進行了積極有效的交流和溝通，并簽署了技術合作協議。雙方認為，充分發揮CCS在國際航運界最新技術信息掌握、相關技術標準制訂和新技術要求在實踐中應用、聯系航運造船產業鏈的紐帶作用等方面的優勢；充分發揮鋼鐵研究總院在船舶和海洋工程金屬材料的研發、檢測、試驗能力等方面的雄厚實力和專長，通過加強雙方的互補合作，一定會為中國鋼鐵、造船行業的發展和技術進步做出更大的貢獻。

CCS孫峰副總裁和田志凌分別代表雙方在技術合作協議上進行了簽署。雙方有關領導和專家參加了交流活動并出席了簽字儀式。

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

李培銘（1974-），男，工程師。研究方向：船舶輪機。