柜式氣調(diào)冷庫在中小型船舶上應用

朱向蒙張曉紅

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

柜式氣調(diào)冷庫在中小型船舶上應用

朱向蒙1張曉紅2

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

目前氣調(diào)技術已廣泛應用于陸用冷庫中，但在船舶上的應用還存在一些問題。柜式氣調(diào)冷庫是在傳統(tǒng)整體氣調(diào)冷庫基礎上改進而成。文中結(jié)合實際中小型船舶的成本和空間限制的特點，通過分析比較得出柜式氣調(diào)冷庫在船舶上使用的優(yōu)點和適用性，為氣調(diào)冷庫在船舶中的發(fā)展提供參考。

柜式氣調(diào)冷庫；冷庫成本；安全性

引 言

船舶在海上航行時間較長，為保證船員氨基酸和維生素的攝取，需要延長蔬果等食品的儲存期并保證其營養(yǎng)成分不流失。氣調(diào)冷庫是目前最先進的果蔬保鮮儲藏方法之一。它是在冷藏的基礎上配備一套氣調(diào)系統(tǒng)，通過對貯藏環(huán)境中溫度、濕度和氣體成分（二氧化碳、氧氣濃度和乙烯濃度等）進行環(huán)境控制，抑制果蔬呼吸作用、延緩其新陳代謝過程，延長果蔬貯藏期［1］。

目前，氣調(diào)技術在陸用大型冷庫上的應用已經(jīng)很成熟。船舶由于存在空間小等局限性，氣調(diào)技術的應用還不廣泛，現(xiàn)今已有的應用主要包括冷藏集裝箱、冷藏貨艙和伙食冷庫三方面，其中伙食冷庫由于人員進出比較頻繁，氣調(diào)工藝參數(shù)難以維持，使用和發(fā)展受到一定程度的限制［2］。

柜式氣調(diào)冷庫是在傳統(tǒng)的氣調(diào)冷庫的基礎上改進而成，本文從冷庫成本和安全性兩方面分析該型冷庫的優(yōu)越性和使用前景。

1 柜式氣調(diào)冷庫結(jié)構(gòu)簡介

柜式氣調(diào)冷庫由氣調(diào)庫、制冷系統(tǒng)、氣調(diào)系統(tǒng)和測控系統(tǒng)等構(gòu)成。氣調(diào)庫包括庫體、氣密通艙件等［3］，其中，柜式氣調(diào)庫在普通庫體的基礎上進行改進：將若干個氣密的氣調(diào)金屬柜代替擱架，并采用集中氣源獨立控制，將優(yōu)化的普通高溫庫板代替氣密性較好的氣調(diào)庫板。制冷系統(tǒng)包括冷藏機組、制冷管道、閥門和控制元件組成，用以維持設計溫度范圍的庫內(nèi)環(huán)境。相對濕度對于蔬果保鮮起到關鍵作用，相對濕度可通過氣調(diào)柜內(nèi)的濕度探測器控制加濕管路中的電磁閥及電極式蒸汽發(fā)生器開關。氣調(diào)系統(tǒng)由氣體調(diào)節(jié)設備、管道、閥門等組成，用以保證氣調(diào)庫內(nèi)氣體成分達到所需的要求并保持相對穩(wěn)定［4］。測控系統(tǒng)包括氣體濃度檢測儀、氮氣充注系統(tǒng)、管路及附件，通過監(jiān)測氣調(diào)冷庫內(nèi)氣體濃度來控制氮氣的充注量，使冷庫內(nèi)氣體濃度維持在設定范圍內(nèi)［5］。

柜式氣調(diào)冷庫與常規(guī)氣調(diào)冷庫的區(qū)別在于：柜式氣調(diào)冷庫將氮氣調(diào)節(jié)區(qū)域大大減小，節(jié)省了冷庫氣調(diào)所需的氮氣量；對于柜式氣調(diào)冷庫的二氧化碳濃度和相對濕度，與常規(guī)氣調(diào)庫處理方式相似，區(qū)別在于將二氧化碳濃度和相對濕度的調(diào)節(jié)范圍局限于氣調(diào)柜內(nèi)。柜式氣調(diào)冷庫不僅降低了氣調(diào)庫的全壽命成本，而且還大大提高了氣調(diào)冷庫的安全性。柜式氣調(diào)冷庫的外形、質(zhì)量、尺寸等參數(shù)需根據(jù)實際船型來確定，本文不作具體介紹。

2 柜式氣調(diào)冷庫性能分析

2.1 冷庫成本分析

在船舶氣調(diào)冷庫中，制氮機和庫板在冷庫成本中占據(jù)很大的比例［6］，下文將分別予以分析。其中，常規(guī)氣調(diào)庫與柜式氣調(diào)冷庫的定量比較，均在保鮮蔬果量、保鮮時間、保鮮質(zhì)量等相同的前提下。

2.1.1 氣體置換量分析

設冷庫容積為V，氮氣初始濃度為C0，注入氮氣濃度為C，注入流量為P，假定注入氮氣與冷庫內(nèi)原有空氣迅速充分混合并以相同的進氣量排出冷庫，則冷庫內(nèi)氮氣濃度隨時間t變化為C（t），經(jīng)過后，氮氣的濃度計算如下：

積分后得：

其中

式中：v為食品的庫容系數(shù)，m3/t，通常參照冷庫設計規(guī)范（GB50072-2010）選取（冷庫設計規(guī)范的值偏小，因為船舶冷庫一般都比較小，所以每噸食品所占體積較大）；n為食品分配系數(shù)，人×天；w為食品分配量，千克/（人·天）［7］。

某小型工程船冷庫布置如圖1所示。

圖1 某小型工程船冷庫布置圖

由圖1可知，該冷庫可布置上下兩層共26個氣調(diào)柜，每個氣調(diào)柜體積V1=0.6 m3，氮氣充注流量P=12 m3/h，為簡化模型，設大氣由氮氣和氧氣組成，其中氮氣濃度為79%，氧氣濃度為21%，充注氮氣濃度C0=100%。為實現(xiàn)果蔬保鮮的目的，首先把氣調(diào)冷庫內(nèi)氧氣的濃度降至5%，再通過果蔬呼吸作用降至3%［8］。

根據(jù)式（3），將每個氣調(diào)庫內(nèi)氧氣濃度降至目標濃度所需時間t1=0.07 h，所需氮氣充注量Q1=P·t·n=12×0.07×26=22 m3。考慮最不利情況，工程船自持力為25天，共45人。根據(jù)式（4），每日所需庫容為V=0.36 m3＜0.6 m3，故每天僅需開一個氣調(diào)柜（由式（3）計算得每個氣調(diào)柜沖注量為0.84 m3），在航行期間內(nèi)柜式氣調(diào)冷庫的氮氣充注量為Q11=0.84×25=21 m3。

假設該冷庫為普通氣調(diào)冷庫，氣調(diào)庫總體積V=30 m3，由式（3）計算可得，把氧氣濃度降至目標濃度，所需時間為t=4.8 h，氮氣充注量Q=P·t= 12×4.8=58 m3，充注總量為Q=58×25=1 450 m3。

通過以上計算可知，在一個為期25天的航行時間內(nèi)，柜式氣調(diào)冷庫用于氣體置換的氮氣消耗量遠小于普通的氣調(diào)冷庫。因而在中小型船舶的柜式氣調(diào)冷庫中可以取消制氮機，采用氮氣瓶作為氮氣源。在吊口附近配置一個能夠容納10個氮氣瓶的架子，當船舶進入港口補給時更換，可以節(jié)省制氮機和高效氣密庫板成本（市場上普通氮氣瓶為40 L，充注壓力為12～13 MPa即可釋放5.6 m3的氮氣）。

據(jù)市場調(diào)研，普通瓶裝氮氣價格約200元/40升，全年運行所需消耗的氮氣成本約12 000元，單個氣調(diào)柜的制作成本約2 000元。按照10年全壽命計算，本船柜式氣調(diào)冷庫的設備全壽命成本約16.6萬元，而一臺制氮機的初始投資約30～50萬元，由此可見，柜式氣調(diào)冷庫的全壽命成本大大降低。此外，冷庫庫板的成本也可以降低（下文將對此作簡要闡述）。

標準氮氣瓶圖紙參見圖2。

圖2 標準氮氣瓶圖紙

2.1.2 庫板成本分析

庫板是冷庫的重要組成部分，常規(guī)氣調(diào)冷庫為保證氣密性，通常采用兩面都有彩鍍鋼板護面的夾心板，氣密性和防潮隔氣性都很好，對各板面間的每條接縫處做好密封，才能保證整個圍護結(jié)構(gòu)具有良好的氣密性。庫門也是氣調(diào)庫容易產(chǎn)生氣體泄漏之處，為保證庫門與庫體之間的密封， 可以將庫門的氣密條做成充氣式，充氣式庫門成本也很高。柜式氣調(diào)冷庫采用的獨立冷柜代替擱架，因而柜式氣調(diào)冷庫采用普通庫板即可，這也大大節(jié)省了冷庫的初始成本。

2.2 安全性分析

普通氣調(diào)冷庫內(nèi)的含氧量遠遠低于正常值。為避免進出船員出現(xiàn)窒息現(xiàn)象，氣調(diào)冷庫中通常配有供氧風機，并在醒目位置安裝警告牌［9］。由于目前小容器的氣密性工藝成熟，在柜式氣調(diào)冷庫中，可以將氣調(diào)柜做成冰箱結(jié)構(gòu)，采用五面焊接、一面封條密封的方式，即可保證氣柜的氣密性。此外，船員每次取食物時僅需打開一個氣調(diào)柜，減少了冷庫與外界的氣體交換，進一步確保船員的安全。

3 結(jié) 論

通過上述分析可知，與普通氣調(diào)冷庫相比，柜式氣調(diào)庫能夠取消制氮機，改用普通庫板，很大程度上節(jié)約了冷庫成本；此外，其氣密性遠遠優(yōu)于普通氣調(diào)冷庫，能夠充分保證進出船員的安全。雖然目前還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)，但隨著氣調(diào)技術的不斷發(fā)展，柜式氣調(diào)冷庫將逐步廣泛用于船舶領域。

［1］李家慶.果蔬保鮮手冊［M］.北京： 中國輕工業(yè)出版社，2003： 26-27.

［2］趙家祿， 黃清華， 李彩琴.小型果蔬氣調(diào)庫［M］.北京：科學出版社， 2000： 88-92.

［3］盧士勛，楊萬楓.制冷技術及其工程應用［M］.上海：上海交通大學出版社，2010： 293-296.

［4］薛殿華.空氣調(diào)節(jié)［M］.北京： 清華大學出版社，2005.

［5］中華人民共和國商務部. GB 50072 - 2001， 冷庫設計規(guī)范［S］. 2010.

［6］郭曉光，管大勇.氣調(diào)庫及氣調(diào)庫設備［J］.制冷，2003（12） ： 34-37.

［7］趙家祿，黃清華，李彩琴.小型果蔬氣調(diào)庫［M］. 北京：科學出版社， 2000.

［8］ 朱華，汪海燕.科考船的空調(diào)系統(tǒng)設計［J］.船舶，2014（2）：55-57.

［9］ 趙磊，張慧.氣調(diào)保鮮庫在現(xiàn)代船舶上的運用［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，工程師，研究方向：船舶空財、冷藏設計。

張曉紅（1987-），女，碩士，助理工程師，研究方向：船舶空調(diào)、冷藏設計。