漁船用冷凍冷藏系統的研究進展

朱世新 謝 晶 郭耀君 王金鋒 湯元睿（1.上海海洋大學食品學院，上海 201306；2.上海水產品加工與貯藏工程技術研究中心，上海 201306）

海產品富含蛋白質、礦物質以及不飽和脂肪酸等營養物質［1］，容易受外界環境的影響而發生腐敗變質，直接影響著漁獲物本身的營養價值與經濟價值，因而在漁業作業過程中，對捕撈的漁獲物進行及時有效的冷藏保鮮處理非常必要，目前漁船上常用的保鮮方式主要有4種：冰藏保鮮［2］（－1～0℃）、冷海水保鮮［3］（－1～0℃）、微凍保鮮［4］（－5～－3℃）及凍結保鮮［5］（－18℃及以下）。冰藏保鮮、冷海水保鮮及微凍保鮮方式的保鮮期一般不超過2周［6］，其中冰藏保鮮與冷海水保鮮方式的保鮮期僅約1周［7］左右，其較短的儲藏期僅適用于近海漁業作業，通常采用單級壓縮制冷系統即可制取其所需的低溫環境。對于進行遠洋漁業作業的漁船，則需要采取凍結保鮮的方式來長期儲藏漁獲物，中國的漁船一般采用單機雙級活塞式壓縮制冷系統來實現漁獲物的凍結保鮮。一般情況下，大多數漁獲物在－18℃的冷藏溫度下就可以長期儲藏，而某些特殊漁獲物則需要更低的冷凍冷藏溫度，如：南極磷蝦采用－40℃凍結、－35℃冷藏［8］；金槍魚采用－55℃凍結、－50℃冷藏［9］。

在世界范圍內，漁業漁船向著大型化、自動化和信息化［10］的方向發展，遠洋漁船的漁獲物保鮮方式也向著低溫趨勢發展。在漁船建造方面中國處于世界領先水平，但落后的配套設施、不完善的冷凍冷藏系統及設備方案嚴重制約了中國遠洋漁業的發展［11］。文章重點綜述了漁船用制冷系統形式、冷藏艙的保溫研究現狀及漁船用制冷系統中替代制冷劑的研究現狀，以期為中國漁船配套冷凍冷藏系統的優化設計及R22替代制冷劑的研究提供參考。

1 漁船用制冷系統

1.1 單級壓縮制冷系統

單級壓縮制冷系統在漁船上有著廣泛的應用，通過對制冷劑流量的調節來控制系統的制冷量，使冷藏艙溫度處于一個較小的范圍內波動，較冰藏保鮮而言冷藏艙的溫度控制更為方便。試驗［10］研究表明，擁有單級制冷壓縮系統的中小型漁船的漁業作業方式具有較大的靈活性，且長期運行時經濟效益較好。

傳統的碎冰保鮮方式通常需要消耗大量的碎冰，且隨著碎冰的不斷消耗，保鮮的效果不能得到良好的保證。為此，徐玉成等［12］提出在447kW的對拖漁輪上采用2F10單級壓縮制冷機組風冷與碎冰保鮮同時使用的保鮮保藏方法，該制冷機組采用R22為制冷劑，標準工況下制冷量為16.28kW，通過單級壓縮制冷機組來使冷藏艙控溫為（0±1）℃，同時，利用單級壓縮機組使得碎冰消耗大大減少。

馮毅等［13］研究了冷海水保鮮方式在漁船上的應用，利用單級壓縮制冷系統來制?。?～0℃的冷海水，為了強化傳熱效果，系統采用錫黃銅管水冷冷凝器和鈦管蒸發器，換熱效果明顯提高，這不僅保證了冷海水保鮮的效果，而且縮小了單級壓縮制冷系統的占地面積；詹鋆等［14］在新型燈光圍網漁船上，將冷海水保鮮作為漁獲物處理的第一步，采用CYF8F2S10單級壓縮制冷機組，以R22為制冷劑，為漁船提供0℃的冷海水，以便在捕獲的第一時間對漁獲物進行初步冷卻處理。

在大量的試驗研究［12－14］中，單級制冷壓縮系統在漁船上應用的靈活性可見一斑，無論是在減少碎冰消耗還是在延長漁船航行周期方面（傳統攜冰保鮮漁船航行周期受制于碎冰的消耗），單級制冷壓縮系統在漁船上的使用都顯示了其長期運行較經濟的優勢。

1.2 單機雙級活塞式壓縮制冷系統

在遠洋漁業作業過程中，為了更長時間地保鮮貯藏漁獲物，通常采取凍結保鮮方式來處理漁獲物。一般漁獲物凍結保鮮的推薦溫度為－18℃，對于某些特殊魚類，如金槍魚，最佳的凍結保鮮溫度為－55℃，因而對于金槍魚漁船而言，通常需要設置溫度為－55℃的低溫冷藏艙。目前，中國大部分漁船采用單機雙級活塞式壓縮制冷系統來制取相應的低溫環境。

楊富華等［15］介紹了由大連冰山集團采用中國國產設備自主開發的超低溫金槍魚延繩釣船用速凍裝置，采用的CJZS812.5CDW雙級壓縮制冷機組，以R22為制冷劑，該機組蒸發溫度可達－70℃，通過采用高可靠性的、高效的內導向氣閥及油冷卻器與中間冷卻器合二為一的結構等，提高了系統運行性能，且使外型尺寸更緊湊，占地面積更??；李紅波［16］介紹了520GT超低溫金槍魚延繩釣船制冷系統，選用3臺高速多氣缸雙級壓縮機，采用R22直接膨脹制冷，為了實現了對制冷劑流量精確的控制，系統采用NCC控制器接收設置在凍結室內及制冷劑回氣管上設置的傳感器發出的信號，并向對應的電子膨脹閥發出指令，使系統更加節能高效；蔡秀安［17］設計了－60℃超低溫單絲延繩釣漁船，該船選用SFW62型單機雙級壓縮制冷機組，采用R22直接膨脹供液方式，系統采用水冷臥式殼管式冷凝器，且在冷凝器上設置放空氣器，簡化系統的同時可以排出低壓側長期處于負壓運行時滲入的不凝性空氣，確保了系統的安全運行。

雙級壓縮制冷系統的應用不僅為漁獲物的長期儲存提供了可能，而且在低溫環境下漁獲物的魚品也得以較好的保存，經濟效益顯著。然而，雙級壓縮制冷系統在漁船上的使用還存在部分問題，尤其在系統性能優化及制冷劑方面還有待改進，很多學者［15－17］已經做了相應研究。目前中國中低溫制冷劑仍以R22為主體，作為即將面臨淘汰的制冷劑，中國可以使用的時間有限，尋找新型環保、高效、安全制冷劑迫在眉睫。

1.3 其他制冷系統

傳統的冰藏保鮮方式通常在漁船出航時將大量的碎冰裝入冷藏艙，以備冷藏漁獲物。然而，隨船攜冰的方式不僅麻煩，而且隨著冰的不斷消耗，漁獲物的保鮮效果也會受到影響。因此，不少學者［18－21］研究了利用漁船主機排煙余熱驅動的吸收式/吸附式制冰機，希望可以更加合理地利用漁船動力余熱資源來獲得冰藏保鮮所需的冰塊。為了驗證利用主機排煙余熱驅動的吸收式制冷在漁船上進行制冰的可行性，王維偉等［22］通過對某配備了主機功率4 963kW的漁船進行了試驗分析，將漁船制冷系統中的一臺制冷壓縮機由吸收式制冷機取代，表明漁船主機排氣余熱足以用于驅動相當于60kW壓縮機制冷量的吸收式制冷機，且替代后的制冷系統運行更加經濟；齊朝暉等［23］采用CaCl2和NH3為吸附工質對，以112kW漁船柴油機排出的尾氣為熱源，成功實現了日產片冰800kg；姜周曙等［24］提出了一種柴油機余熱驅動的漁輪吸附式制冰系統，以Z6170ZLCZ－3型船用柴油機為例，利用柴油機排煙余熱驅動以活性炭—甲醇為工質對的固體吸附式制冰系統，通過試驗分析發現，吸附式制冰機的制冷量可達13.57kW，制冰量約為98.28kg/h，漁輪每天開動10h可制冰1t。

吸收式/吸附式制冷系統利用主機排煙余熱來驅動，符合節能環保的新要求，然而在漁船所處的搖擺環境下，吸收式/吸附式制冷系統還存在運行不穩定等問題，在漁船上的實際應用推廣還需要進行深入的研究與探討。在吸收式/吸附式制冷系統研究方面，應當注重對系統進行改進，增加其在漁船上使用時的穩定性，提高其運行時的系統性能，使其在漁船上使用時不僅節能環保，而且穩定高效。

2 漁船冷藏艙研究進展

對于遠洋漁船而言，漁船冷藏艙是作業漁船必不可少的部分。具有良好保溫性能的冷藏艙是漁船節能及漁獲物保鮮效果良好的保證。馮毅等［13］對某漁船冷藏艙進行了漁獲物保鮮試驗，冷藏艙用150mm厚的保溫隔熱板分成三間，分別進行冷藏風冷保鮮、冷海水保鮮與冰藏保鮮試驗。在冷藏艙內，鈦管蒸發器均勻布置在試驗艙頂部，并使用直流風扇強化傳熱，保鮮艙溫度設定在－1～0℃，同時設有海水噴霧裝置，每隔12h噴霧一次以降低漁獲物的干耗，結果表明冷藏艙保鮮的魚的口感與外觀優于冷海水保鮮及冰藏保鮮；詹鋆等［14］在新型燈光圍網漁船上采用“冷海水保鮮→凍結→冷藏”的保鮮方式，漁獲物經過冷海水預處理后進行凍結，最終進入冷藏艙，該冷藏艙設計冷藏溫度為－20℃，冷藏艙壁布置蒸發排管，材質為無縫鋼管，艙壁采用發泡厚度為200 mm的聚氨酯材料保溫，并設有玻璃鋼保護層。

目前，漁船低溫冷藏艙中常使用的蒸發器形式分兩種：冷風機和直接蒸發盤管。然而在實際使用過程中，采用冷風機易導致艙內溫度波動較大，且有漁獲物干耗大的現象，因而金槍魚漁船的冷藏艙一般采用直接蒸發式冷卻盤管，盤管一般設置在艙頂、舷側、艙壁和艙底，以便直接吸收艙外滲入熱［25］。對于金槍魚的貯藏艙因要求控制在－50℃，所需蒸發面積非常大，若盤管全部采用鋼質材料，系統的重量會大大增加而影響船艙穩定性。為此王國永等［26］指出遠洋金槍魚釣船的冷藏艙和凍結艙的艙頂蒸發器可采用鋁質翅片管，但考慮到鋁質較軟易變形，在艙的舷側、艙壁和艙底則仍采用鋼質光滑盤管，這樣在考慮到漁船安全平穩運行的同時，可適當減少漁船重量；蔡秀安［17］設計了－60℃超低溫單絲延繩釣漁船，冷藏艙設計溫度－55℃，冷藏艙頂部、舷側壁及其他壁面分別采用厚250，250，200mm的聚氨脂泡沫塑料保溫，冷藏艙頂部和壁面布置鋁合金翅片管，底部光滑冷卻盤管采用無縫鋼管，為減少冷卻盤管過多占用艙內容積，冷卻盤管均安裝在加強橫梁和肋骨之間的凹處，在試驗運行過程中，冷藏艙的保溫性能良好。

3 漁船制冷系統用制冷劑替代的研究

目前，中國及世界上大部分的漁船用制冷系統一般采用R22作為制冷劑，然而，根據《蒙特利爾議定書》，發達國家和發展中國家最晚將分別于2020年和2030年全面禁止使用該制冷劑。考慮到漁船運行時的搖擺環境及空間的有限性，尋找一種安全、高效、環保的可長期替代R22的制冷劑顯得尤為重要。目前，可用于替代R22的制冷劑可分為兩類：HFC類工質、自然工質。

3.1 HFC類替代工質

作為替代R22的HFC類制冷劑，研究相對成熟的主要有R410A、R407C及R134a。毛海萍［27］在對比國內外實際使用情況的基礎上，對這幾種制冷劑進行了深入研究，認為R134a作為替代R22的制冷劑無替代風險，但其單位容積制冷量比R22小40%，使用時其充注量約為R22的2倍；R410A在工作壓力及制冷量方面均比R22高出約50%左右，其優良的制冷性能，使其替代R22成為可能，但R410A的使用需要進行設備的更新，成本較高；R407C無論在工作壓力還是制冷量方面均與R22相當，但其溫度滑移較大，在實際操作運行過程中實際的制冷量和系統運行COP均會降低［28］。

Xu Xing等［29］提出R32在環境性能方面優于R22與R410A，其ODP為0，GWP僅為543，熱工性能良好，但排氣溫度及排氣壓力過高，限制了其推廣應用；劉靖等［30］通過理論分析提出用R152a和R134a多比例混合制冷劑替代R22，指出這些混合制冷劑的ODP為0，GWP值很小，且其溫度滑移特性優于R407C，運行COP較R407C高出8%左右，且潤滑性能良好，值得再深入研究；史琳等［31］提出新型替代R22的三元混合制冷劑THR03，其ODP為0，GWP為954，并進行試驗分析認為其熱工性能與R22相當，在原R22系統使用時僅需要將原潤滑油改為酯類油，具有一定的應用前景，但還需要進行更深入的研究。

3.2 自然替代工質

自然替代工質中，NH3與CO2的研究相對成熟。NH3作為中溫制冷劑使用歷史悠久，其ODP為0、GWP接近0，且易于獲得，傳熱性能好，然而，因其具有一定的毒性，且具有易燃易爆等缺點使得其在船上使用還有待進一步研究。CO2的ODP為0和GWP為1，同時CO2具有良好的熱物理性能，但因其較高的臨界壓力和較低的臨界溫度［32］使得其制冷循環通常為超臨界循環，操作壓力較高，在船上使用易造成事故。趙新穎等［33］提出NH3/CO2復疊式制冷系統，充分利用兩種介質在各自工作溫度區間的優勢，避免了CO2的跨臨界循環，且可以通過系統的分離設置使氨系統部分遠離貨物區，只在有限的空間中循環，降低了發生事故的概率，但其船用系統還需深入研究。

陳永強等［34］通過試驗分析了R290替代R22的可行性，認為R290與R22的性能相近且部分性能，如汽化潛熱、導熱系數等，優于R22，同時R290的充注量僅為R22的40%左右，COP系數比R22高出12%左右，節能效果顯著，只是在可燃性方面還有待進一步研究，是具有前途的替代制冷劑；Chang等［35］在ASHRAE標準規定的工況下對幾種自然工質（主要包含丙烯、丙烷、丁烷和異丁烷）混合制冷劑進行試驗分析，表明該幾種混合型制冷劑的優勢在于物性參數接近R22，且制冷循環系數接近R22，甚至超越R22；王松嶺等［36］提出用R290與R152a混合制冷劑代替R22，通過試驗分析認為65%的R290與35%的R152a混合時，其溫度滑移較小，優于R407C，且在壓力特性、排氣溫度方面均優于R22，但該混合制冷劑具有一定的可燃性，在安全性方面還需作進一步研究；Dalkilic等［37］對基于 R134a，R152a，R32，R290，R1270，R600和R600a的多比例混合制冷劑在蒸汽壓縮式制冷系統中的使用性能進行試驗分析，認為質量分數為20%的R290與80%的R1270的混合物的ODP為0、GWP約為20，且COP與R22相當，是替代R22的最佳選擇。

根據《蒙特利爾議定書》，HFC類制冷劑由于對臭氧層具有一定的破壞作用，因而尋找新的環保、安全、高效的制冷劑來替代HFC類制冷劑勢在必行。國內外大批學者［38－41］對用于替代HFC類工質的制冷劑做了大量的研究，其中混合工質制冷劑的研究成為主流趨勢?；旌现评鋭┩ㄟ^對混合成分的比例的控制，不僅使得新型混合制冷劑繼承了其組成成分環保（低ODP，低GWP）的優點，同時通過加入安全制冷劑組分來達到抑制燃燒、爆炸的效果，確保了新型混合制冷劑的安全性，同時通過對混合成分比例的調整有望使混合制冷劑具有優秀的熱物性能，從而使得新型替代制冷劑不僅環保，而且安全、高效。

4 展望與討論

中國漁業發展起步較晚，且受到漁業發達國家技術封鎖政策的影響，中國漁船的配套設施及漁業技術一直處于較低水平。中國的漁船用制冷系統幾乎全部采用R22作為制冷劑，在漁船制冷系統、冷凍冷藏設備及漁獲物保鮮技術方面均承襲于漁業發達國家。為保證中國漁業更好、更快的發展，筆者認為可從以下4個方面考慮：

（1）中國使用的大部分大型漁船均為國外淘汰的二手船，即使近幾年在國內新建的大型漁船其配套的冷凍冷藏系統與設備的核心部件也都依賴進口，這不僅增加了漁業成本，同時也制約了中國對遠洋漁業開發的力度，中國應當加快自主開發研究進度，早日實現船用配套的冷凍冷藏系統與設備的國產化，提升中國遠洋漁業競爭力；

（2）對利用漁船主機排煙余熱驅動的吸附式/吸收式制冷系統在船上的使用作進一步研究，尋找合適的工質對，同時對系統進行改進，使得其在漁船上運行更加穩定，不僅更合理利用了主機燃料能源的余熱，而且還能節約成本為中小型漁船提供碎冰來冰藏漁獲物；

（3）制冷劑在一定程度上決定了制冷系統的性能，具有優秀的制冷性能的制冷劑可以使制冷系統小巧，且較低的工作壓力還能使系統運行更加安全，因而在尋找合適的制冷劑來替代船用制冷系統中R22的應用應加大研究力度；

（4）遠洋漁業的發展需要配套的超低溫制冷系統的支撐，理論上自復疊式制冷系統較雙級壓縮系統可以更輕易地獲取低溫，且系統結構緊湊，占地面積較小，在系統制冷性能方面比雙級壓縮制冷優越，雖然自復疊系統在混合制冷劑選擇、制冷劑配比以及制冷劑流量控制方面還需要做大量的研究，但在漁船上，尤其是配備超低溫冷藏漁艙的應用研究，值得深入的探討。

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