5 600 m3超低溫冷藏運輸船冷藏系統傳熱計算分析

董良雄，徐宏勛，江波

(1.浙江海洋學院港航學院，浙江 舟山 316022;2.浙江增州造船有限公司，浙江 舟山 316052)

5 600 m3超低溫冷藏運輸船冷藏系統傳熱計算分析

董良雄1，徐宏勛2，江波2

(1.浙江海洋學院港航學院，浙江 舟山 316022;2.浙江增州造船有限公司，浙江 舟山 316052)

為了評估5 600 m3超低溫冷藏船的冷藏系統功能，進行冷藏艙的空艙降溫試驗、保溫試驗和熱平衡試驗。針對各試驗指標的特點與冷藏艙熱負荷的復雜性，采用熱平衡試驗數據計算冷藏艙絕熱結構的平均傳熱系數并與試驗值進行對比。結果表明，冷藏艙保溫效果達到設計標準，滿足船舶營運過程中魚貨的快速冷凍與持續保溫要求。

超低溫冷藏船;保溫試驗;熱平衡試驗;熱負荷計算

超低溫冷藏運輸船是技術標準很高的船舶，主要用于特殊魚貨的遠洋運輸，由于運輸批量大，對于發展遠洋漁業起著至關重要的作用。在遠洋漁業中，金槍魚漁業由于經濟價值極高而具有舉足輕重的地位，為了保鮮，金槍魚被捕撈上船后要迅速制冷，并在-50℃以下保存和運輸。為了避免溫度升高而影響金槍魚的品質，該類運輸船低溫冷藏和運輸的要求很高，冷藏運輸船必須確保在運輸貯藏中以消耗最小的能源來最大限度地保持漁貨的原有風味和質量，冷藏船建造完工后也必須采用有效的方法對其冷藏性能進行試驗［l］。文中在綜合分析目前冷藏船試驗方法的基礎上，提出利用平均傳熱系數計算各試驗指標理論值的方法。結合某5 600 m3冷藏船舶出廠試驗數據，對冷藏艙熱負荷和傳熱系數進行計算和對比，以期為評估船舶冷藏艙隔熱性能，優化制冷系統設計提供參考。

1 冷藏艙設計與性能試驗

在超低溫冷藏運輸船的冷藏艙設計中，要力求在投資最少的情況下得到最優的效果，避免造成容量過大致使設備初投資及運行費用增加，或者容量不夠達不到設想的要求。目前一般采用經驗估算的方法，因此新造冷藏艙制冷系統在安裝，吹污、檢漏、調試結束后，都要通過空艙負荷下的效用試驗，鑒定冷藏艙的性能是否達到要求，其中還包括空艙降溫試驗、保溫試驗、熱平衡試驗和隔熱層絕熱效能試驗。

以某船廠新建的一艘超低溫冷藏運輸船為例。該船總長96.92 m，型寬15.50 m，設計吃水5.50 m，排水量約5 150 t;總噸位約3 100 t，配冷凍機4臺，每臺制冷量497 896 kJ/h，通過分艙優化技術，魚貨艙容積達到5 600 m3。由于鋼材的導熱系數很大，滲入熱量較嚴重，必須敷設隔熱防潮層并使用合適的絕熱材料保證隔熱保溫效果。單純地增加隔熱層的厚度會使船體空間減小，并不能達到隔熱的理想效果。所以該冷藏運輸船在制冷裝置不影響船體強度的前提下，將冷藏艙圍壁扶強材放在隔熱層外，并敷設導熱系數小、吸濕率小的隔熱材料，使在隔熱厚度相等的情況下盡量減少冷損失［2］。設計中采取如下經驗條件估計壓縮機制冷量與隔熱材料的導熱系數，相應地，在效用試驗時要對這種估算帶來的誤差與影響進行評估。

式中:Q——實際壓縮機制冷量;

Q＇——冷庫所需的理論制冷量。

頂棚和邊墻的隔熱材料的導熱系數為2.30 kJ/(m·h·℃);各冷藏艙之間隔墻隔熱材料的導熱系數取2.51 kJ/(m·h·℃);地板的導熱系數取2.34 kJ/(m·h·℃)。

2 冷庫熱平衡試驗與傳熱系數的估算

2．1 熱平衡試驗原理

熱平衡試驗是使裝置在自動調節工況下運行并保持艙溫穩定在某個值，在試驗期間如果艙溫波動在規定范圍以內就算合格。因此能夠判斷制冷系統的絕熱結構性能和溫度自動調節性能是否正常。進行熱平衡試驗時，要讓冷藏艙在設計艙溫下保持一段較長時間，以便隔熱結構充分冷透而不致因其溫度的不穩定而影響熱平衡試驗結果［3］。

在冷藏艙的保溫性能評價指標中，空艙降溫率與溫度回升率能從總體上反應冷藏艙的隔熱效果，但其與隔熱結構的傳熱系數、熱容量、傳熱溫差以及艙壁面積與艙容比值等許多因素有關，其數值大小也很難說明隔熱結構的絕對優劣程度。相比之下，熱平衡試驗則減少了上述因素的影響。因此可采用熱平衡試驗計算冷藏艙絕熱結構的平均傳熱系數，進而結合空艙降溫和保溫試驗評估冷藏艙絕熱性能。

2．2 熱平衡試驗熱負荷分析

船舶冷藏系統根據冷庫的不同類型，熱負荷也有眾多類型，主要包括滲入熱、貨物熱、開門操作熱、風機動力熱及通風換氣熱，等。空艙進行熱平衡試驗時，冷藏艙的熱負荷Qf只包括滲入熱Qi和循環風機的設備熱Qs，所以外界通過絕熱結構滲入的熱量Qi為

設備熱是指庫內電機運轉時由電能轉化為熱能所造成的制冷負荷，主要是指冷藏艙中由風機運轉所產生的熱負荷，設備熱Qs由下式計算得出。

式中:Ni——各電動機的額定功率;

ζi——熱轉化系數，電機在艙內時取值為1;電機不在艙內時取值為0．75;

ρi——電機運轉時間系數，冷藏艙冷風機配用的電動機取值為1。

由于在熱平衡試驗中，艙溫保持穩定，因此Qf又應與制冷裝置的制冷量相等。所以只要測得試驗時裝置的蒸發壓力、冷凝壓力，以及制冷壓縮機運行的工作缸數和運轉時間，便可按該型壓縮機的性能曲線確定裝置在試驗時的實際制冷量Qf［4］。

式中:Qoc——冷凍機制冷量;

ηE——能量利用系數。

2．3 冷藏艙傳熱系數計算

冷庫尺度同樣是影響冷庫保溫性能的重要因素，根據式(1)～(3)，計算得到Qi值后，再根據冷藏艙四周和上下共6塊壁面面積，便可算出絕熱結構平均傳熱系數K值。若K值等于或小于設計值ˉK0，便可認為合格(通常平均傳熱系數值為2.09～2.51 kJ/(m2·h·℃)，本船熱平衡數據計算過程見表1。

表1 冷藏艙傳熱系數評估計算

根據表1的計算結果，Qi只占總負荷18%，計算所得的評價傳熱系數為2.34 kJ/m2·h·℃，小于設計平均傳熱系數2.472 kJ/m2·h·℃。由于冷庫圍護結構的隔熱性能直接影響庫內魚貨的冷凍冷藏質量、制冷設備的冷負荷大小和經營費用的高低。所以從理論上說，隔熱層越厚，冷庫總的熱負荷就越小，制冷設備的運行費用也就越低。但是隔熱層越厚，冷庫的初投資也就越高。據對各類冷藏艙的統計表明，一般冷藏艙中除了貨物熱負荷外就是圍護結構傳熱量Qi所占的比例較大，約占冷藏艙總熱負荷的20%～35%。小冷藏艙占的比例更大。對于分配性冷藏艙，Qi可占制冷設備總負荷的50%［5］，所以該船冷藏艙性能既滿足了設計要求，也不會造成隔熱系統初投資過大。

3 基于傳熱系數的保溫實驗效果分析

保溫實驗是按照《柴油機動力船舶系泊及航行試驗大綱》的相關要求，在魚貨艙內溫度為設計要求的最低溫度時，停止制冷壓縮機組的運轉，在密閉狀態下保溫6 h，記錄魚貨艙及冷庫溫度和大氣溫度，并計算溫度回升值與回升率，以此評價冷藏艙保溫性能［6］。

其中:平均每小時回升溫度值為

平均每小時溫度回升率N為

式中:△t——試驗過程中冷藏艙溫度上升值;

δ0——初溫差;

Z——試驗時間。

平均每小時回升溫度值是衡量冷藏艙絕熱性能的重要指標，但由于不同船舶回升溫度值差別較大，目前我國還沒有這方面的規定衡準數值。因此，可利用熱平衡試驗得到的平均傳熱系數計算滲入熱，進而得出標準回升溫度值。

在保溫試驗過程中，外界熱量則是以對流、傳導和輻射等多種形式不斷傳到低溫冷庫內的，其計算公式為

式中:tw——外側計算溫度;

tn——庫內設計溫度;

F——傳熱面積。

保溫試驗時間為6 h，冷藏艙處于密閉狀態下，制冷壓縮機組停止工作，期間每隔30 min記錄溫度數據。試驗進行過程中，冷藏艙溫度尚未到達設計的最低溫度，可根據艙外內的溫差計算滲入熱以及相應的溫度回升值見表2，如溫度回升不超過表中的規定值，則可判斷絕熱結構的隔熱性能滿足要求。

在保溫試驗中，利用魚艙溫度記錄儀記錄每小時艙內外溫度，并計算各艙平均每小時回升溫度值與回升率，結果見表3。

表2 保溫試驗的溫差標準計算

表3 保溫試驗21 h實測值

設計經驗一般認為，保溫試驗中每小時溫度回升率以不大于5%為宜，該值與利用熱平衡試驗傳熱系數的計算值相吻合。該船各魚艙平均每小時溫度回升率都小于5%，各魚艙的平均每小時回升溫度值在3℃之內，溫度回升值都小于設計計算值，可以認為符合要求。

4 基于傳熱系數的降溫實驗效果分析

空艙降溫試驗是測定未裝貨的冷藏艙由試驗時的環境氣溫降到設計艙溫的降溫速度，借以檢驗制冷裝置的制冷量及冷藏艙的隔熱結構性能和密封性是否良好。制冷試驗在空艙狀態下進行，開動全部的制冷壓縮機組，使所有的魚貨艙從大氣溫度冷卻到設計要求的最低溫度，記錄所需時間(每隔1 h作一次全面記錄)，并檢驗制冷壓縮機組及其各附屬設備的工作情況，記錄冷庫制冷過程的溫度變化。在魚貨艙溫度達到設計要求的最低溫度后，持續制冷，保持設計要求的最低溫度8 h以上，以吸收潛熱，保證試驗結果的準確性［7］。

空艙降溫試驗結束后，計算空艙降溫率(即每小時能降溫的度數)，以此衡量各船空艙降溫程度優劣，即試驗時降溫值與所需時間之比θ式中:t0——試驗開始時艙溫;

tn——試驗結束時艙溫;

Z——所需時間。

空艙降溫率直接衡量魚貨的速凍能力，與冷藏船制冷系統容量大小以設計運輸能力有關，在利用經驗公式設計時，根據對同類型船舶冷庫設計數據的綜合分析，船舶冷庫的凈庫容同空倉降溫率存在著一定的函數關系與標準范圍［8］，但由于受營運因素影響較大，該指標不能直接反應冷藏艙的絕熱性能。因此，采用滲入熱計算方法對空倉降溫試驗中吸收潛熱和滲入熱進行計算，進而推導理論空倉降溫率，并與實際降溫率進行對比作為冷藏艙絕熱性能的判斷依據。該方法比采用經驗公式方法更加準確。空艙降溫率的理論計算值及實測數據見表4。

由表4可見，實際空倉降溫率滿足設計要求。相比根據經驗公式計算的平均水平，該船空艙降溫率比現有金槍魚船冷藏艙提高超過10%。

表4 空倉降溫試驗標準計算與實測數據

5 結論

利用冷藏艙熱平衡試驗計算的傳熱系數，可較好地與保溫試驗和空倉降溫試驗的結果相吻合，而且計算過程簡捷、準確度高，對于超低溫冷藏船的性能評估具有一定的實用價值。該計算方法可進一步運用到對冷藏艙的設計與優化階段，以使冷藏系統各部分性能匹配達到最優。

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Design and Experimental Study of the Refrigeration Unit in 5 600 m3Ultralow Temperature Refrigerator Ship

DONG Liang-xiong1，XU Hong-xun2，JIANG Bo2
(1.Maritime School of Zhejiang Ocean University，Zhoushan Zhejiang 316022，China; 2.Zhejiang Zengzhou Shipbuilding Co.，Ltd，Zhoushan Zhejiang 316052，China)

To evaluate the performance of the refrigeration system for the 5 600 m3 ultra-low temperature refrigerator ship，the experiments of refrigerating，cold insulating and thermal equilibrium of the refrigeration system are carried out.Considering the complexity of thermal load in the refrigerating hold，the average heat transfer coefficient of the insulation structures is calculated by the testing data of thermal equilibrium experiment，and compared with the data of experiment.It is shown that the refrigeration system is effective to ensure rapid freezing and long-time preservation of the fishes for the refrigerator ship during the voyage.

ultra-low temperature refrigerator ship;experiment of refrigerating;cold insulating;thermal load calculation

U692.3

A

1671-7953(2015)02-0054-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.02.014

2014-11-23

修回日期:2014-12-19

浙江省重大科技專項(2013C03033);舟山市科技計劃項目(2013C11015)

董良雄(1974-)，男，博士，講師

研究方向:船舶性能測試與分析技術

E-mail:dongliangxiong@163.com