某海上養殖工船的制冷系統設計

王永生，王靖，董登攀

(1.中國水產科學研究院 漁業機械儀器研究所，上海 200092；2.中國海洋大學，山東 青島266000)

某海上養殖工船的制冷系統設計

王永生1，王靖1，董登攀2

(1.中國水產科學研究院 漁業機械儀器研究所，上海 200092；2.中國海洋大學，山東 青島266000)

為回收利用制冷系統中的冷量,實現船舶的節能減排，以海上養殖工船為目標船，采用制冷機組和板式熱交換器組合設計，根據板式熱交換器的進出口的溫差分析制冷機組的制冷量、板式熱交換器的換熱量及面積。結果表明，在制冷機組前加板式熱交換器，可實現節能，降低營運成本。

制冷系統；板式熱交換器；能耗

近年來，隨著漁業資源的日益枯竭和國家對捕撈的嚴格限制，人們越來越開始關注深遠海的漁業資源。但是，目前漁業主要是以漁船的捕撈為主，現代養殖業尚處于探索階段。因此養殖工船的設計與建造，是為了在海上開展集約化生產的工業化養殖模式，實現海洋漁業由“捕”向“養”的根本性轉變，同時躲避惡劣海況與海域污染的大型海上養殖工廠[1]，推進海上養殖設施向深遠海發展。養殖工船作為一個新的養殖載體，將海洋工程裝備業與工業化養殖、新能源開發、海洋生物資源開發相結合，較好地解決了傳統養殖業發展不可持續的問題，具有可移動性、污染小、綠色高效等優勢，是離岸養殖業發展的一個新方向[2]。本文利用工廠化循環水養殖的原理，對水溫、濁度、溶解氧、pH值等基于PLC的單參數控制應用于循環水養殖系統[3]，結合冷水團養殖工船為目標，僅對養魚艙的水溫制冷系統進行分析。由于此冷水團養殖工船主要養殖的冷水魚類為高附加值魚，養魚艙的適宜溫度較低。因此，為保證魚的最佳生長水溫，設計時需對養魚水艙進行制冷。

1 養殖工船及主要參數

1.1 養殖工船基本情況

該養殖工船為一條改裝船，原船為甲板運輸船,入CCS船級社，主要用于養殖高附加值的魚類。此魚類主要生活在水下約40 m處，適宜溫度為15 ℃。本船設14個養魚水艙,正常工作情況下，魚艙采用水下40 m取水，用于養魚水艙的換水，以保證魚類的生成和繁殖。當魚類為成品魚需運輸碼頭或者出現臺風時，需對設計的2個養魚水艙進行制冷。

1.2 主要參數

養殖漁船的主要尺度和參數見表1。

表1 養殖工船的主要尺度和參數

2 制冷系統

當出現臺風或養殖工船至碼頭時,為保證魚類的生成與繁殖,需進行對NO.1養魚艙(P)及NO.1養魚艙(S)制冷。本船魚艙的制冷系統采用開式[4]冷水機組形式，通過冷凍泵將舷外海水制冷后排至養魚水艙，養魚水艙的水經過潛水泵排至舷外，保證魚艙的換水和適宜的溫度及養分。

2.1 魚艙制冷量

根據船東提供的水文參數，養殖工船的主要作業水域溫度約為28 ℃，NO.1養魚艙(P)及NO.1養魚艙(S)各190 t，魚艙要求的水溫為15 ℃。根據常規計算，魚艙制冷量需224.7 kW。見表2。

表2 制冷量計算

2.2 制冷系統冷量回收

本文通過對魚艙制冷系統加板式熱交換器的設計和板式熱交換器進出口的溫差來分析制冷機組的參數、板冷換熱量及換熱面積。

方案設計一。圖1為常規制冷系統，海水(28 ℃)經過冷凍泵后至制冷設備制冷后(15 ℃)排至NO.1養魚艙(P)及NO.1養魚艙(S)，經潛水泵排至舷外，完成養魚艙的水的循環過程，同時保證魚艙的適宜水溫以及高附加魚類的生長或繁殖。

方案設計二。圖2為常規制冷系統加板式熱交換器，海水t1(28 ℃)經過冷凍泵后至板式交換器降溫后t2，再經過制冷設備制冷后排至NO.1養魚艙(P)及NO.1養魚艙(S)(15 ℃)，后經潛水泵排至板式熱交換器后至舷外，完成養魚水艙的循環過程，以保證魚艙的適宜水溫。

兩種方式對比。常規制冷系統中，假設養魚艙的水循環后的溫度約為17 ℃，經過潛水泵排至舷外，此時冷量約190.13 kW。現采用制冷設備加板式熱交換器系統設計，利用此冷量通過潛水泵后進入板式熱交換器與舷外的海水進口進行熱交換，再進入制冷系統后至養魚艙，能回收大量的冷量。

2.3 溫差對制冷系統的影響

通過對海水進口t1(28 ℃)與板式熱交換器出口t2的溫差分析，對制冷機組及熱交換量等參數對比見表3。

由表3可見，板式熱交換器的進出口的溫差tc與制冷量Pr成反比，與板冷換熱量Pc成拋物線走勢，與板冷換熱面積S成正比。其中，當溫差tc為8 ℃時，板式換熱量為最高點。

3 基于船舶能耗的分析

根據表3中的制冷量和板冷換熱量，分析設備參數，見表4。

表4 溫差對能耗的分析

由表4可見：

1)采用常規制冷機組時，所需的電力負荷約為83 kW。

2)采用制冷機組加板式熱交換器時，當溫差為6 ℃時，所需電力負荷約為39.2 kW；當溫差為8 ℃時，所需電力負荷約為34 kW。

3)采用制冷機組加板式熱交換器，可以節省能耗。溫差8 ℃為溫差約為6 ℃時的能耗的86.7%，為不加板冷的40.9%。

4 結論

采用制冷機組加板式熱交換器，可較好地降低船舶能耗。通過調整板式熱交換器的進出口溫差，利用溫差對制冷量及板式熱交換量等曲線，來選取合適的板冷及制冷機組。該計算方法可進一步運用到特殊的制冷設計，以充分達到節能減排的效果，促進養殖工船的發展。

[1] 徐皓，江濤.我國離岸養殖工船發展策略[J].漁業現代化，2012，39(4)：1-7.

[2] 李堯，謝晉斌，嚴謹，等.構建南海大型綠色可移動養殖漁船的可行性研究[J].農業與生態環境，2015，28：87-89.

[3] Phillip G L. Process control and artificial intelligence software for aquaculture[J]. Aquaculture engineering,2000，23:13-26.

[4] 杜恩杰，王森.風冷冷水機組在漁業養殖中的應用[J].制冷空調，2004，25(2)：60-63.

[5] 中國船舶工業集團公司.船舶設計手冊：輪機分冊[M].北京：國防工業出版社，2013.

Design of Refrigerating System for Feeding Vessel

WANG Yong-sheng1, WANG Jing1, DONG Deng-pan2

(1.Fishery Machinery and Instrument Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Shanghai 200092, China;2.Ocean University Of China, Qingdao Shandong 26600, China)

In order to recycle the cooling capacity of refrigeration system for energy-saving and emission reduction of the ship, a scheme of combining the refrigeration units with the plate cooler was designed for the feeding vessel. The cooling capacity of refrigeration units, heat transfer of the plate cooler and cooling plate area were analyzed by the cold plate temperature difference between imports and exports for the refrigeration units. The results showed that by equipping the cold plate in front of refrigeration units can save energy effect and reduce operating costs.

refrigerating system; plate cooler; energy consumption

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.02.031

2016-08-02

上海市科學技術委員會科研計劃項目 (15DZ1202100)；鰲山科技創新計劃 (2015ASKJ02-03)

王永生 (1981—)，男，學士，工程師

U664.87

A

1671-7953(2017)02-0132-03

修回日期：2016-08-18

研究方向:船舶輪機設計