船舶伙食冷庫節能運行的控制分析

林 國 良

(廈門海洋職業技術學院，福建 廈門 361012)

船舶節能影響到燃料資源、環境保護以及船舶運營經濟效益等問題，已成為世界各國造船界和航運界研究的重要課題，是直接關系到國民經濟發展的問題。隨著航運作業半徑的擴展和船員生活質量的提高，船舶伙食冷庫能量損耗和安全運行等問題也不可小覷。在冷庫的設計上，可以考慮加大冷凝器和蒸發器的換熱面積，或采用目前廣泛應用的變頻技術，來實現系統的節能需要。本文主要針對船舶伙食冷庫正常運行過程中，提出合理的控制管理和維護保養等措施，來確保該系統在正常工作狀態下長期節能運轉。

1 船舶伙食冷庫系統簡述

以蒸汽壓縮式制冷系統為例，制冷劑為R22，制冷系統由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器組成。在整個工作循環中，壓縮機是整個系統的心臟，抽取蒸發器中的過熱氣態制冷劑，通過做功壓縮，產生高溫高壓的過熱蒸汽，最后輸送至冷凝器；在冷凝器中，通過冷媒的吸熱，高溫高壓的制冷劑放出熱量，冷凝為高壓過冷液體；而處于過冷液體的制冷劑通過膨脹閥或其他節流元件進入蒸發器，節流閥對制冷劑起節流降壓作用并調節進入蒸發器的制冷劑流量；蒸發器中濕蒸汽在低壓低溫下氣化大量吸收潛熱，吸收冷庫中伙食的熱量，保證伙食在低溫狀態下長時間保存[1]。

在船舶上冷庫的管理工作經常被忽視，能源浪費現象較為嚴重，所以加強制冷系統的維護管理和技術改造，以保證系統長期安全節能地運行。

2 冷庫節能運行的措施分析

根據制冷理論循環的熱力學知識可知，影響制冷壓縮機工況和整個冷庫耗能的因素有：在冷凝器中制冷劑的冷凝溫度、在蒸發器中蒸發溫度、在冷凝器出口的過冷度和在蒸發器出口的過熱度等。而過冷度主要受到冷凝器的換熱面積、換熱面的傳熱系數和冷卻水的流量和溫度等參數影響，與冷凝溫度的影響參數相關；而過熱度直接由熱力膨脹閥進行調節，故過冷度和過熱度在闡述冷凝溫度和蒸發溫度的影響因素中將涉及到，故這里不對這兩個參數單獨進行詳細說明。當然減少額外熱量侵入，也是影響冷庫節能的重要因素[2]。

2.1 控制制冷系統的冷凝溫度

由制冷壓縮機的制冷量、軸功率和制冷系數的數學公式可得：當冷凝溫度過高，制冷量下降，壓縮機軸功率增加，制冷系數減小。導致冷凝溫度偏高的原因有：冷凝器換熱能力下降、制冷劑中混入不凝性氣體和制冷劑充注過多等。

2.1.1 提高冷凝器換熱效果

造成冷凝器換熱能力不足的原因很多，比如：冷卻海水溫度過高或流量不足；液態制冷劑過多導致冷凝器有效換熱面積下降；換熱面臟污導致換熱系數下降。為此，為降低冷凝溫度和增加過冷度，在系統運行中檢查冷卻水泵的流量；平時保養中檢查制冷劑的充注量，避免制冷劑充注過多；養成定期檢查和清洗冷凝器表面水垢的習慣。據統計，冷凝器表面的水垢厚度達1mm，將使冷凝溫度上升1.9℃，系統的耗電增大6.4%；冷凝器中油膜厚度達0.1mm，將使冷凝溫度上升1.1℃，制冷量下降1.8%，耗電增加3.2%，故系統正常運行2 000h左右后，可以考慮對冷凝器的換熱面進行清洗。針對以上問題，系統正常運行中，主要是通過調節冷凝器中冷卻海水的流量來控制制冷劑的冷凝溫度和過冷度，但為避免冷卻水流量過高造成冷凝器表面的刷蝕，也要嚴格控制冷卻水在冷凝器進出口溫差在2～4℃的范圍內。

2.1.2 排除不凝性氣體

若在維修或保養中，因抽真空不夠或制冷劑充注時不規范等原因，將直接導致不凝性氣體(即空氣)混入制冷系統制冷劑之中。空氣在制冷系統中是有害的，在冷凝器中它無法冷凝為液體而影響制冷劑蒸汽的冷凝放熱，導致冷凝器的工作壓力升高。比如，制冷系統在某一時刻的冷凝溫度為42℃，查R22的壓焓圖得，對應的飽和冷凝壓力為1.63MPa，可系統實際壓力為1.66MPa，根據道爾頓定律，冷凝器中含有0.03MPa的空氣。正因為空氣的存在，導致壓縮機排氣壓力和溫度升高，冷凝溫度增大，過冷度減小，制冷系數下降，系統的制冷量減少而耗電量增加，所以必須清除高壓系統中的空氣。采取對策：在系統停機情況下，可以考慮從制冷系統的高壓端高處(排氣口或冷凝器放氣閥處)進行放氣操作，在放氣過程中，嚴格同時控制冷凝器中的冷凝溫度和冷凝壓力的數值，使兩個參數正好滿足R22的壓焓圖中所示的飽和蒸氣溫度和壓力的一一對應時停止放氣，保證系統在冷劑損耗量少前提下空氣全部排出。

2.1.3 防止制冷劑充注過量

制冷劑沖注過多，由于多余的液態制冷劑會占據冷凝器的面積，造成冷凝面積減少，使冷凝效果變差，造成冷凝壓力也會升高，冷凝溫度增大和過冷度降低。為此，要提高冷凝器的換熱效果，可以考慮在儲液器的出口回收多余的制冷劑。

冷凝壓力的減小，冷凝溫度隨之下降，在一定程度上將導致增大系統的制冷量和降低壓縮機的軸功率，但冷凝壓力太小，反而導致通過膨脹閥的制冷劑不足，造成進入蒸發器的制冷劑流量下降，從另一方面導致系統制冷量的不足。導致冷凝壓力過低的主要原因是壓縮機故障或冷凝器冷凝能力過強。比如吸排出閥片漏泄、活塞環密封不嚴或壓縮機無法增載，直接造成壓縮機排壓過低。而冷卻水溫度過低或流量過大，也將導致冷凝壓力的下降。故為保證系統正常運行，輪機員應時常檢查壓縮機的密封性能，控制冷卻水的流量，保證壓縮機的排氣壓力在1.61MPa左右，冷凝器中制冷劑的溫度在40.5℃左右變化，保證系統安全經濟運行。

2.2 控制制冷系統的蒸發溫度

由制冷壓縮機的制冷量、軸功率和制冷系數的數學公式可得：蒸發溫度偏低，將造成系統制冷量下降，制冷系數減小，間接導致冷庫耗能增加。經過估算，在冷凝溫度不變情況下，蒸發溫度降低2.5℃，要獲得相同的制冷量，整個冷庫耗電將增大10%左右，壓縮機制冷系數降低。導致制冷系統蒸發溫度偏低的因素頗多，例如制冷劑不足；制冷劑流量不足；蒸發器換熱能力差和壓縮機無法正常卸載等。根據不同的情況，采取對應的解決措施，保證實際的蒸發溫度與冷庫溫度的差值保持在5～10℃，避免冷庫制冷系數過低。

2.2.1 防止系統制冷劑不足

系統中制冷劑太少，甚至膨脹閥全開流經的濕蒸氣量仍達不到要求，將導致：(1)低溫庫中蒸發器后段的結霜融化；而高溫庫中蒸發器盤管結霜嚴重。(2)壓縮機的吸入壓力和排出壓力下降，而吸氣過熱度大幅度增大。系統制冷量過小，造成壓縮機長時間運轉而庫溫無法降至設計溫度，嚴重時直接造成壓縮機因吸氣壓力過低而停車，最終導致壓縮機頻繁啟動和停車，大大增加系統的耗能而冷庫的溫度無法滿足要求。當然如前所述，制冷劑充注量過多，將導致系統冷凝溫度過高，制冷量反而下降、系統耗能增加的后果。為此要嚴格控制制冷劑的充注量，冷庫制冷系統要求制冷劑全部回收時儲液器液位高度在80%左右；或系統正常工作時，保證儲液器中制冷劑液位維持在1/3～1/2之間。若發現制冷劑少量不足，可以考慮在壓縮機吸入口充入氣態制冷劑；若制冷劑的量嚴重不足，可以在儲液器處大量充注液態制冷劑，來保證制冷劑的總量符合設計要求。

2.2.2 提高蒸發器換熱能力

據統計，蒸發器內冷凍機油厚度增加0.2mm，將造成蒸發溫度下降5℃，同時系統電能損耗增加2.1%。同時低溫庫中蒸發器盤管的結霜，也將導致蒸發器換熱能力的下降，蒸發溫度的降低，制冷量的下降和系統耗能的增加。為此，運行中要經常檢查蒸發器的內表面積油程度，根據實際情況做到及時放油；同時定期利用熱氣化霜，保證蒸發器換熱能力一直處于理想狀態。

2.2.3 控制制冷劑流量

導致蒸發器內制冷劑蒸發溫度偏低另一個常見的原因是制冷劑流量不足，引起這種現象的產生可能是系統出現制冷劑管路流動不暢或者熱力膨脹閥故障引起制冷劑節流后減少等。

2.2.3.1 防止冰塞的產生

系統內水分較多時，隨制冷劑循環，水分將逐漸凝結在溫度低于0℃處，阻礙制冷劑流動，俗稱“冰塞”。冰塞一般發生在系統管路狹窄處，如膨脹閥閥孔通道和濾器等處[3]。 當冰塞程度較輕時，會引起進入蒸發器的制冷劑不足，造成冷庫溫度無法達到設計值；而冰塞嚴重時導致壓縮機停車時間長，運轉時間反而更短，造成制冷系統不能正常工作。出現這種情況，可以停止壓縮機運轉一段時間，并用開水澆燙易出現冰塞的部位，同時接入干燥過濾器，然后啟動壓縮機。運行1h后，若系統沒有出現類似情況，就可以判斷系統已經排除冰塞，為避免制冷劑阻力過大導致提前閃發等，可以把系統中干燥過濾器重新旁通。

2.2.3.2 清洗濾器和管路

制冷系統出現堵塞位置常見有管路狹窄處、干燥過濾器和膨脹閥吸入口濾器等。對于干燥過濾器而言，只有在系統出現“冰塞”、充注制冷劑、更換冷凍機油或進行維修等可能混入水分時，才將干燥過濾器接入系統進行吸收水分。而在裝置正常運行中，干燥過濾器經常處于被旁通狀態。膨脹閥進口處濾網出現堵塞引起故障，經常會被輪機員所忽略。當然這些部位出現堵塞，造成的后果雷同于“冰塞”，即：輕度將降低蒸發器中制冷劑的流量，造成制冷量不足；嚴重時直接造成冷庫溫度無法下降，而壓縮機啟動時間短和停車時間長等現象。

判斷某些部位是否出現堵塞，可以觀察它后面的管路是否結霜或發涼，若存在這種現象，表明液態制冷劑在該處節流降壓，引起少量制冷劑提前散發大量吸熱，所以可以確定該處出現堵塞，消除的方法比較簡單，就是對該處抽空后拆卸元件進行濾器清洗或干燥劑更換等操作，從而排除故障。

2.2.3.3 合理調節熱力膨脹閥

熱力膨脹閥的作用就是感受蒸發器出口氣態制冷劑的過熱度，控制進入蒸發器的制冷劑流量，以調節制冷系統工況。系統正常運行中，對于R22這種制冷劑而言，熱力膨脹閥將保證蒸發器出口過熱度的變動在3～6℃的范圍內。因過熱度過大，將導致蒸發器中制冷劑流量偏少，同時降低蒸發器換熱能力，造成制冷量不足；而過熱度過小，又引起有害過熱偏大和壓縮機易出現液擊現象的頻發。所以在熱力膨脹閥的彈簧預緊力等原因，導致過熱度偏離設定值，應該對膨脹閥進行重新調整。在熱力膨脹閥調整中，注意先對蒸發器進行融霜操作，保證系統正常運行，同時考慮系統的熱惰性，控制每次調節量和一段時間后，再來讀取過熱度，從而保證熱力膨脹閥調整操作的準確性。

2.3 減少環境熱量侵入

冷庫外熱量侵入，主要包含冷庫本身的隔熱性能、冷庫內的照明耗能、打開冷庫門的次數和持續的時間等。當然，這些外部熱源直接導致冷庫全熱負荷大幅度增加。據報道，冷庫中大氣侵入的熱量占總負荷的14%左右。因此，保證冷庫隔熱條件良好的狀態下，要盡量減少庫門開啟次數，養成隨手關門、關燈的習慣，盡可能降低外部熱量給冷庫帶來太大的負擔，造成能量大量損耗。

3 結語

隨著國際航運業的不斷發展和壯大，研究船舶冷庫運行特性，提高制冷裝置工作效率，實現制冷節能已經成為船舶運輸行業越來越重視的課題。而根據遠洋船舶航行特點和伙食冷庫運行特性，輪機員針對異常狀況時采取正確處理措施，提高制冷裝置操作管理水平，是制冷節能的重要保證。

參考文獻：

[1]費千.船舶輔機[M].大連：大連海事大學出版社，2005.

[2]湖北工業建筑設計院.冷藏庫設計[M].北京：中國建筑出版社，1990.

[3]李福海.船舶伙食制冷系統冷劑流量不足故障一例[J].航海技術，2009，(2).

[4]何昌偉.船舶教學實驗冷庫的設計與建造[J].青島遠洋船員學院學報，2008，(2).

[5]韓厚德.遠洋船舶伙食冷藏系統節能技術研究[J].節能，1997，(7).