船舶制冷裝置的基本原理和環境保護

王曉中

摘 要：蒸氣壓縮式制冷裝置一般使用沸點很低的氟利昂作為制冷劑，通過壓縮機和膨脹閥來改變其飽和溫度，使之可以被常溫的冷卻介質冷凝或者可以吸收低溫空間的熱量。但是含氯的氟利昂升至高空臭氧層后，會釋放出氯離子，進而大量損耗臭氧。使用不含有氯原子的氟利昂制冷劑，即氫氟烴來替代傳統的含氯氟利昂冷劑，可以有效地保護臭氧層。

關鍵詞：蒸氣壓縮式制冷 飽和溫度 氟利昂 臭氧層 氫氟烴

中圖分類號：U664.52 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（c）-0079-01

制冷就是從某一物體或空間吸取熱量，并將其轉移給周圍環境介質，使該物體或空間的溫度低于環境的溫度，并維持這一低溫的過程。用于完成制冷過程的設備稱為制冷機或制冷裝置，用于存放低溫物體的空間稱為冷藏室或冷庫，實現熱量轉移的工作介質稱制冷劑，單位時間內從被冷物體或空間吸收的熱量稱為制冷量。實現制冷的途徑有天然制冷和人工制冷。天然制冷是以天然冰為冷源，利用冰融化過程吸收融解熱而實現制冷。人工制冷是借助制冷裝置并消耗一定的外功或熱能作“代價”，將低溫物體或空間的熱量轉移至高溫環境介質而實現制冷的。船舶制冷的目的是實現貨物的冷藏運輸，并為船舶空調提供冷源。船舶制冷裝置一般采用蒸氣壓縮式制冷。

1 船舶制冷裝置的基本原理

蒸氣壓縮式制冷裝置是由壓縮機，冷凝器、膨脹閥和蒸發器四個基本的設備組成。低溫低壓的液態制冷劑進入蒸發器中，吸收冷庫內被冷物體釋放的熱量而不斷沸騰汽化，壓縮機進而將蒸發器內排出的低壓冷劑蒸氣吸入氣缸內，并將其壓縮成高溫高壓的制冷劑蒸氣，壓縮機對冷劑施加高壓的目的是提高其飽和溫度（沸點），使其沸點高于常溫的冷卻介質，再將其排至冷凝器。冷劑進入冷凝器時處于過熱蒸氣的狀態，其實際溫度高于其壓力所對應的沸點，在冷凝器中高溫的制冷劑蒸氣先被循環的冷卻介質冷卻降溫，當溫度降低至沸點后再進一步被冷凝成液態制冷劑。在冷凝過程中，制冷劑把從冷庫中帶出的熱量和壓縮機的壓縮功傳遞給冷卻介質，船舶制冷裝置冷凝器中一般使用海水或中央冷卻水系統的低溫淡水作為冷卻介質。接著液態制冷劑經膨脹閥節流降壓降溫成為低溫低壓的冷劑濕蒸氣（氣液混合物），少量冷劑在經過膨脹閥節流降壓時已經發生了氣化。膨脹閥對冷劑降壓的目的是降低其飽和溫度，由于經過膨脹閥后冷劑處于濕蒸氣的狀態，故其實際溫度就是壓力降低后所對應的較低的飽和溫度，該沸點低于冷庫的庫溫，因此制冷劑重新進入蒸發器后可以立即汽化吸熱。制冷循環不斷地進行，冷庫的熱量也就不斷地通過循環的冷劑轉移給外界冷卻介質，從而達到并維持冷庫溫度在一定的低溫范圍內。

蒸發器是使液體冷劑氣化吸熱，被冷物體或冷媒放熱降溫，實現熱量傳遞的熱交換器。按其冷卻介質的不同，可分為冷卻空氣的直接冷卻式蒸發器和冷卻淡水、鹽水或其他載冷劑的間接冷卻式蒸發器兩大類。直接冷卻式蒸發器的結構多為盤管式，制冷劑在管內蒸發，空氣在管外放熱。這類蒸發器若是靠空氣自然對流換熱，則稱為蒸發盤管；若借助風機使空氣強迫對流換熱，則稱為冷風機。由于前者空氣的流速很低，傳熱系數小，因而降溫速度較慢，目前僅在冷庫和家用冰箱中采用。后者則采用風機強迫空氣作定向流動，強迫對流提高了傳熱系數，因而降溫速度較快。冷風機的結構緊湊，在現代船舶的冷藏艙和伙食冷庫中已有明顯取代蒸發盤管的趨勢。間接冷卻式蒸發器則往往用于船舶中央空調系統，氟利昂制冷劑在蒸發器中冷卻冷媒（淡水），再將降溫后的淡水送往中央空調器冷卻空氣。

2 含氯氟利昂冷劑對大氣的污染及替代

蒸氣壓縮式制冷是選擇沸點很低的液體，例如在標準大氣壓下沸點為-40.8 ℃的氟利昂22作為制冷劑。氟利昂是一類透明、無味、基本無毒，又不易燃燒、爆炸、化學性能穩定的制冷劑。液體制冷劑經膨脹閥節流進入冷庫內的蒸發盤管中，制冷劑就會在較低的壓力下吸熱氣化，從冷庫中吸收熱量，使庫溫降低，從而實現制冷。

20世紀70年代初，研究大氣的科研人員發現大氣臭氧層有不斷耗減的趨勢，并于1985年首次在南極上空發現臭氧層空洞，同時全球氣候有變暖的跡象。1973年日本召開的一次國際學術會議上，一些環境科學家認為臭氧層內臭氧濃度的下降是因為人類活動所散發的物質進入臭氧層并參加使臭氧消亡的反應，破壞臭氧層內的自然動態平衡所導致的。1974年美國加州大學化學系的羅蘭德教授和莫尼娜博士首次在英國學術雜志《Nature》上提出含有氯原子的氟利昂制冷劑可能會分解臭氧，威脅臭氧層的厚度。雖然對臭氧層是否耗減及何種機制引起耗減的問題曾在科學界、企業界、各國政府部門內進行長達10年之久的激烈爭論，但事實上經各國科學家長期而大量的觀察研究確定含氯氟利昂是破壞臭氧層的主要因素之一。美國宇航局（NASA）為尋求揭示臭氧層空洞的生成機制，于1986年及1987年兩次牽頭組織數十名科學家赴南極進行“國家臭氧探險”活動，考察結果很好的解釋了含氯氟利昂耗減臭氧層的原因和機理。含氯的氟利昂升至高空臭氧層后，在強烈的紫外線作用下釋放出氯離子，會起催化作用而大量損耗臭氧，破壞臭氧的生成和分解平衡，降低臭氧的濃度，使到達地面的紫外線顯著增強，對人類的健康和農作物、海洋浮游生物的生長不利，并可能引起氣候異常。為了避免對臭氧層造成破壞，目前普遍使用不含有氯原子的氟利昂制冷劑，即氫氟烴或幾種氫氟烴按特定比例混合的非共沸混合物來替代傳統的含氯氟利昂冷劑，主要有R134a、R404A、R407C等。傳統冷劑R717（氨，NH3）價格低廉，標準大氣壓力下的沸點為-33.4 ℃，它的單位容積制冷量大，而且粘度比氟利昂低不少，熱導率大很多，與大多數材料相容（除銅及磷青銅以外的銅合金）。但由于其缺點過于明顯，即有強烈的刺激性氣味，在空氣中容積含量達0.5%～0.6%時對人的呼吸器官和粘膜就會有刺激作用，人在其中停留半小時以上就會中毒，含量達11%～14%可燃，16%～25%可以爆炸。故氨作為制冷劑目前主要用于陸地冷庫和某些水產品加工船。

3 結語

臭氧能有效地吸收對動植物有害的太陽紫外線UV-B和UV-C，而對生物基本無害的太陽紫外線UV-A卻能全部通過。正是由于有臭氧層這道天然屏障，才使得地球上的人類和其它生物能夠正常生長和世代繁衍。保護臭氧層至關重要，我們必須使防污染與造機、造船、航運的發展保持同步，決不能偏廢或忽視污染物的排放。

參考文獻

[1] 江彥橋.海洋船舶防污染技術[M].上海交通大學出版社，2000.

[2] 孫永明.海洋與港口船舶防污染技術[M].人民交通出版社，2010.endprint