冷鏈技術簡介
——第Ⅴ部分 漁船應用設備

Paul de LARMINAT（著）

（江森自控，法國卡爾克富 44473）

邵月月**，范薇，王亞薇，田甜（譯）

（中國制冷學會，北京 100142）

0 引言

漁船的主要任務是捕魚，為保證魚運抵到岸，需要配備船用冷鏈設備。如果魚不是用來新鮮食用，就會以不同的方式進行加工，例如做成預制菜、冷凍或者罐裝。這些加工可以在陸地工廠或大型捕撈船上進行，加工過程大多都需要制冷。制冷方式取決于漁船的打撈方式和魚的處理方式。本文介紹了漁船上與冷鏈有關的加工工藝要求和應用場景，目前使用的制冷技術和制冷劑，新制冷系統可能使用的替代制冷劑，與現行管理體系有關的問題及其對執行《蒙特利爾議定書》的影響。

1 冷藏漁船概述

1.1 漁船種類

捕魚方式的不同和從捕撈到消費者之間路徑的不同，使得漁業及其相關產業高度多樣化。如果魚不是在當地新鮮食用，需要不同的方式處理，如整條魚直接冷凍、加工成魚片、制成預備菜肴或者罐裝成魚罐頭。這些加工過程可以在陸地工廠完成，也可以在海上通過“工廠船”完成。據估計，全球漁船總數約為440 萬艘，其中超過80%的漁船長度小于12 m，亞太地區擁有最大的捕魚船隊，占世界總數的73%。其中大約2%的機械化漁船是24 m 以上的工業化漁船。漁船使用的漁具種類也不同。對于大規模捕魚，最廣泛使用的方法是圍網捕魚和長線捕魚。

小型漁船沒有安裝制冷系統，每天早上從港口裝載一些冰塊即可出海捕魚。因為其捕魚時間只有幾個小時，在此期間捕獲的魚用冰塊保存即可。中型到大型的商業捕魚船只進行中距離航行（大約兩周的航程）。船上通常裝有海水冷卻（RSW）罐和制冰機。大型工業捕魚船只進行長途航行（通常是幾個月的航程）需要對魚深度冷凍來保存。根據所捕獲魚的種類、漁具和加工工藝需要，這些船通常有完整的工業制冷設備，有各種組合的風冷式冷凍機、平板式冷凍機、海水冷卻儲罐和制冰機。

1.2 制冷技術

1.2.1 鹽水冷卻和冷卻海水

金槍魚、沙丁魚或鳳尾魚等是制作罐頭的首選，魚的罐裝通常是在陸地加工廠進行的。常見的做法是在魚被捕獲后立即將整條魚浸泡在-20 ℃左右的鹽水箱中冷凍起來，然后直接儲存在罐中或冷庫中。圍網捕魚的漁船上廣泛使用鹽水罐，因為這是是快速凍結大量魚類產品的理想方法。

氣候溫暖時，需將魚浸泡在冷卻海水中快速預冷后再放入冰中保鮮。海水通常被冷卻到接近或略高于冰點（-2 ℃）。在沒有制冷設備的小船上，可通過融化儲存在海水冷卻罐里的冰來冷卻海水。

1.2.2 平板式和風冷式速凍機

食用薄魚片一般在平板速凍機中進行速凍，而較大的魚片（包括大的整條魚）則在鹽水箱或風冷式速凍間中速凍。圖1所示為盛有魚片的托盤在平板速凍機中堆疊放置。這些托盤通過速凍板內制冷劑的蒸發而制冷。托盤中的貨物則通過與速凍板之間的緊密接觸傳熱。速凍間的傳熱過程與平板速凍機不同。在速凍間中，冷風機將空氣冷卻后吹到要冷凍的貨物上，如圖2所示。這兩種方式都可使魚達到-40 ℃或更低的溫度。對于一些特殊商品（如壽司或生魚片）的儲存，最好降到-70 ℃的超低溫。

圖1 平板式速凍機

圖2 風冷式速凍機

1.2.3 空氣冷卻

在加工過程的各個階段都需要對空氣進行冷卻。工作區域需要潔凈、有溫度控制和衛生措施的房間。在儲存環節，尤其是溫暖的國家，溫度在0 ℃以上的空氣也需要冷卻。工廠船上的冷凍貨物儲存在-25 ℃的冷庫里。

本文側重“捕撈產品加工過程”中的制冷需求，不涉及為工作人員提供空調和日常生活中的制冷需求。

2 當前的問題和市場趨勢

2.1 漁船加工需求

漁船上的大多數加工需求與陸地類似，如在潔凈室切割和加工，使用速凍平板或速凍間進行速凍，在冷庫中儲存等。因此，很多漁船上使用的制冷技術來源于陸地，并根據海洋環境進行了特殊定制（“海洋化”）。

考慮到海洋環境這一重大約束條件，漁船上的設備需要具有很高的可靠性。如設備必須適應船舶的運動，并經得起腐蝕。海水冷卻系統的冷卻器材料適應性也受到限制；通常冷凝器采用殼管冷凝器。銅鎳管可以用于海水和部分制冷劑（如R22），但銅合金不適用于NH3。實際上，鈦是唯一能同時適用于NH3和海水的材料。

2.2 系統架構

用于加工流程的制冷系統可以有多種方式。各種制冷需求可以由獨立的制冷系統分別滿足，或者采用集中制冷系統來滿足所有的需求（海水冷卻、速凍和凍藏）。一般而言，船越大制冷系統的整合程度越高。

大型漁船通常由集中制冷系統提供兩種蒸發溫度的冷量輸出，冷凍溫度為-38 ℃（低溫LT），其他制冷需求溫度為-8 ℃，如工作區域和貨艙的空氣冷卻、海水冷卻等（中溫MT）。大型系統通常是泵供液系統，目前使用的是單組分制冷劑，通常是R22，但NH3的使用正在增加。在這樣的系統中，制冷劑的用量很大，且管道長、連接部位多，制冷劑泄漏的可能性相對較高。

較小的系統通常是直接膨脹系統，末端主要采用冷風機（貨艙和冷藏室）。平板式速凍機則不適用于該系統。直接膨脹系統的能源效率不如泵供液系統，但初始成本更低，而且需要的制冷劑費用也更低（大約幾百公斤）。

2.3 氣候因素

捕魚行業具有特殊性，漁船需要在極端和不同的氣候下工作。漁船上的冷凝器通常用海水冷卻。即使在較溫暖的氣候中，海水實際溫度也不會超過32 ℃。這使得冷凝器設計比較簡單。雖然設計時也須考慮氣候因素，但這不是主要的技術難點。

2.4 船上安全管理

制冷設備必須按照現行設備安全標準制造，如EN-378 或同等標準。對于船用制冷系統，目前國際上還沒有統一的建造規范。按照行業慣例，設計決策應基于與船級社、保險公司、其他關鍵行業和公共部門利益相關者之間的協調，并進行穩健風險分析。這樣的安全管理方法是所有類型制冷劑和制冷技術所必需采納的。

一些國家執行的海事標準也適用于漁船。如圖3所示，大部分制冷系統機房內都安裝了泄漏報警器和足夠的通風設施，并設有非常嚴格的進出限制，特別是在使用易燃制冷劑的情況下。

圖3 使用單一制冷劑的泵供液系統R22 或NH3

雖然不易燃的制冷劑是首選，但在提供相應的系統設計、進行相應的人員培訓、具備相應的操作程序和維護等安全措施時，采用NH3可行。只使用非易燃制冷劑，特別是在工作區域，從安全性上講是首選。這也是為什么CO2現在被廣泛認為適用于海洋制冷系統的主要原因，此外CO2制冷的效率高，特別是用于復疊系統低溫級時。當高溫級采用NH3時，低溫級使用CO2有助于將NH3限制在機房內。圖4所示為在工作區域采用間接制冷系統的原理。鹽水劑有NH3、HFC、HFO 和混合制冷劑。CO2用于低溫級，鹽水系統用于中溫級。注意，許多其他的系統結構也是可行的。

圖4 工作區域采用間接制冷系統的原理

3 當前制冷劑和潛在的長期替代品

3.1 現有冷藏系統

據估計，全球70%的漁船仍然在使用R22 制冷劑。在遵守《蒙特利爾議定書》要求之前，出于效率、成本和安全性的考慮，R22 是首選。過去20年建造的漁船中有一些使用的是HFCs，如R404A或R507。在最近建造或改造的一些船中已開始使用NH3/CO2復疊制冷系統。

3.2 混合與單組分制冷劑

替代制冷劑技術是否可行取決于制冷系統結構。設計人員可以選擇使用單組分制冷劑或混合制冷劑，但所有混合制冷劑替代R22 時都有一定的溫度“滑移”，如R407A、R407F、R438A、R448A、R449A 和R449B。所有這些混合制冷劑的全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）雖然在1,300～2,400，約R404A 或R507 的50%，但溫度滑移卻有約6～7 K。這在直接膨脹系統中通常可以接受，但是在大型滿液式系統中不理想，溫度滑移可能導致較大的性能損失。

3.3 低GWP 制冷劑新系統

對于直接膨脹系統，如上所述，R22 的替代品GWP 約為1,300～2,400 的非可燃混合制冷劑。由于溫度滑移，它們比單組分制冷劑處理起來更復雜。因此,系統必須仔細設計并認真考慮其作為HCFCs替代品的價值。

對于鹽水和海水制冷機，大多數海水制冷機由陸地制冷機衍生而來。因為制冷劑的用量有限，而且泄漏率要低得多，制冷劑的選擇對這種制冷機來說并不像大型滿液式系統那么重要。制冷平均溫度在-10 ℃時，一般使用中至低GWP 氟化制冷劑（如R134A）或GWP 較低的HFOs 或R513A 等混合物。溫度低于-10 ℃時，制冷劑目前主要使用的是R404A 或R507。R404A 或R507 的合適替代品可以是GWP 相對較低的R410A。R32 也適宜，但存在可燃性問題。如果風險管理中認為可以接受NH3的毒性和可燃性，NH3也是上述制冷劑替代時的一種選擇。

集中泵供液系統能同時滿足中溫和低溫制冷需求且GWP 低的制冷劑中，NH3在技術上是R22明確的替代品。它具有成本效益和能源效率，但存在安全限制。一種可能的替代方法是使用復疊制冷系統，將CO2用于低溫級。CO2系統結構緊湊，效率很高，在低溫下的優良傳熱特性改善了制冷性能，降低了投資成本，提高了生產效率。如果在低溫級使用CO2，剩下的問題是哪種液體用于中溫級。一種方法是采用跨臨界CO2，這在理論上是可行的，但還不能用于漁船。另一種方法是在復疊制冷系統中溫級使用非CO2制冷劑。目前使用最廣泛的是NH3。在NH3/CO2復疊制冷系統中，安全管理比純NH3系統更容易。因為NH3可以被控制在機房中，且費用更低。R134a 或其他GWP 較低的替代品也可用于中溫級。另一種選擇是使用間接制冷系統。在這種情況下，制冷機將鹽水冷卻到所需的“中間”溫度-8 ℃左右。該鹽水制冷機用于滿足這個溫度水平的用冷需要，也用于冷凝低溫循環的CO2，如圖8所示。像海水制冷機一樣，這臺鹽水制冷機可以使用各種制冷劑，如NH3、HFCs、HFOs 或合適的混合制冷劑。

CO2的一個缺陷是不能達到特定應用所需的超低溫度（-50 ℃以下），例如用于壽司的優質冷凍魚。對于超低溫，沒有一種技術得到廣泛接受。R23理論上可以使用，但具有極高的GWP。乙烷在技術上是合適的，但它高度易燃。像空氣循環這樣的非實物技術是可行的，但效率很低，而且非常昂貴。R32 或R410A 可能是最好的、可接受的妥協方案。

3.4 改造

在改造現有系統的各種限制中，制冷劑的物性必須保持相似；操作壓力不應明顯高于原來的制冷劑；特別是船上的電力供應有限時，效率不應降低；還必須考慮與材料（如油）的相容性。為了安全起見，易燃制冷劑不能用于不易燃的R22 系統改造。

雖然有這些限制，但還是可以找到可接受的混合制冷劑來改造中小型的直接膨脹系統。強烈建議在進行大規模推廣之前應先行試點。

對于大型滿液式制冷系統，情況要復雜得多。如，R22 改造為NH3，NH3的材料兼容性和安全性與R22 是不同的。以往采用R404A 進行的改造測試，在技術上也并不令人滿意。而且R404A 具有很高的 GWP，因此不適合用于改造項目。使用HFC/HFO 共沸混合制冷劑也有很大的問題，因為溫度滑移使他們在大型滿液式系統中應用得并不理想。因此，目前還沒有改造大型滿液式制冷系統的成功案例。由于這個原因，一些仍然有很長預期壽命的漁船只能采用全新的系統，特別是采用NH3/CO2系統進行徹底翻新。這種系統改造的成本很高，但由于能源效率和生產效率的提高，可能會具有成本效益。

4 發展前景和挑戰

無論是用于新船、全部更換現有制冷系統，還是在可行的情況下進行系統改造，所使用的制冷系統都必須采用具有較低GWP 的制冷劑。對于新建或更換新制冷系統，已經有了足夠的制冷技術來實現這一目標。對于制冷新技術與傳統技術相比的增量成本和運營成本，應該仔細評估，以了解自身經濟狀況和通過國際或本地平臺可以獲得的融資。

真正緊迫的挑戰是管理現有使用R22 的船只。這些漁船上通常載有好幾噸的R22。船舶具有復雜的法律地位，因為它們可以在不同的地方建造、標記、操作和服務。服務是一個主要問題，在一些島國，如果為這樣大的船用制冷系統充注R22 制冷劑會消耗分配給他們的很大一部分R22 份額，并為逐步淘汰氟氯化碳計劃的實施帶來困難。這帶來了技術、經濟、法律和政策等多方面的問題。

從技術層面而言，改造方案在大多數情況下適用于中小型直接膨脹系統，但不適用于大型滿液式系統。可實施的減少R22 保有量和消耗量的聯合措施有：更好的泄漏檢測和維修、在可能的情況下改造系統、報廢一些現有船只、從經濟角度考慮大型船只剩余壽命再采用合適的替代方案，并盡可能對原有的制冷劑進行回收和再利用。但無論如何仍需要使用大量的R22。

由于太平洋乃至全球有1,000 多艘不同國籍的漁船在捕撈金槍魚，迫切需要建立機制來監測和控制制冷劑的消耗。這將確保各國，特別是太平洋島嶼國家，能夠履行《蒙特利爾議定書》以及有關的國際或區域承諾[1-2]。

5 結論

R22 仍然是海上漁船的主要制冷劑。對于新的中小型直接膨脹系統，短期解決方案是使用中等GWP 制冷劑，主要是HFCs 和HFOs 的混合制冷劑，其中一些是不易燃的。在設計系統時必須考慮到混和制冷劑的溫度“滑移”。這些混合制冷劑也可以用來改進現有的R22 直接膨脹系統。

低溫級使用CO2、中溫級使用NH3的復疊制冷系統作為一種替代原有R22大型滿液式制冷系統的新方案非常有吸引力。在實施適當的培訓和操作流程下，NH3已經被證明是安全的。在中溫級間接系統中采用非易燃的替代品也是可行的，并能大幅減少CO2系統費用。但這些技術只適用于新建制冷系統，不能用于系統改造，直接采用帶有溫度滑移的混合制冷劑也不是特別好的選擇。因此，對于大型滿液式R22 系統的改造，目前還沒有令人滿意的解決方案。對于剩余壽命較長的漁船，需要對現有制冷系統進行徹底更換。對于較老的船只，可以考慮繼續使用R22 系統直到使用壽命結束。