董良雄，徐宏勋，江波

(1.浙江海洋学院港航学院，浙江 舟山 316022;2.浙江增州造船有限公司，浙江 舟山 316052)

5 600 m3超低温冷藏运输船冷藏系统传热计算分析

董良雄1，徐宏勋2，江波2

(1.浙江海洋学院港航学院，浙江 舟山 316022;2.浙江增州造船有限公司，浙江 舟山 316052)

为了评估5 600 m3超低温冷藏船的冷藏系统功能，进行冷藏舱的空舱降温试验、保温试验和热平衡试验。针对各试验指标的特点与冷藏舱热负荷的复杂性，采用热平衡试验数据计算冷藏舱绝热结构的平均传热系数并与试验值进行对比。结果表明，冷藏舱保温效果达到设计标准，满足船舶营运过程中鱼货的快速冷冻与持续保温要求。

超低温冷藏船;保温试验;热平衡试验;热负荷计算

超低温冷藏运输船是技术标准很高的船舶，主要用于特殊鱼货的远洋运输，由于运输批量大，对于发展远洋渔业起着至关重要的作用。在远洋渔业中，金枪鱼渔业由于经济价值极高而具有举足轻重的地位，为了保鲜，金枪鱼被捕捞上船后要迅速制冷，并在-50℃以下保存和运输。为了避免温度升高而影响金枪鱼的品质，该类运输船低温冷藏和运输的要求很高，冷藏运输船必须确保在运输贮藏中以消耗最小的能源来最大限度地保持渔货的原有风味和质量，冷藏船建造完工后也必须采用有效的方法对其冷藏性能进行试验［l］。文中在综合分析目前冷藏船试验方法的基础上，提出利用平均传热系数计算各试验指标理论值的方法。结合某5 600 m3冷藏船舶出厂试验数据，对冷藏舱热负荷和传热系数进行计算和对比，以期为评估船舶冷藏舱隔热性能，优化制冷系统设计提供参考。

1 冷藏舱设计与性能试验

在超低温冷藏运输船的冷藏舱设计中，要力求在投资最少的情况下得到最优的效果，避免造成容量过大致使设备初投资及运行费用增加，或者容量不够达不到设想的要求。目前一般采用经验估算的方法，因此新造冷藏舱制冷系统在安装，吹污、检漏、调试结束后，都要通过空舱负荷下的效用试验，鉴定冷藏舱的性能是否达到要求，其中还包括空舱降温试验、保温试验、热平衡试验和隔热层绝热效能试验。

以某船厂新建的一艘超低温冷藏运输船为例。该船总长96.92 m，型宽15.50 m，设计吃水5.50 m，排水量约5 150 t;总吨位约3 100 t，配冷冻机4台，每台制冷量497 896 kJ/h，通过分舱优化技术，鱼货舱容积达到5 600 m3。由于钢材的导热系数很大，渗入热量较严重，必须敷设隔热防潮层并使用合适的绝热材料保证隔热保温效果。单纯地增加隔热层的厚度会使船体空间减小，并不能达到隔热的理想效果。所以该冷藏运输船在制冷装置不影响船体强度的前提下，将冷藏舱围壁扶强材放在隔热层外，并敷设导热系数小、吸湿率小的隔热材料，使在隔热厚度相等的情况下尽量减少冷损失［2］。设计中采取如下经验条件估计压缩机制冷量与隔热材料的导热系数，相应地，在效用试验时要对这种估算带来的误差与影响进行评估。

式中:Q——实际压缩机制冷量;

Q＇——冷库所需的理论制冷量。

顶棚和边墙的隔热材料的导热系数为2.30 kJ/(m·h·℃);各冷藏舱之间隔墙隔热材料的导热系数取2.51 kJ/(m·h·℃);地板的导热系数取2.34 kJ/(m·h·℃)。

2 冷库热平衡试验与传热系数的估算

2．1 热平衡试验原理

热平衡试验是使装置在自动调节工况下运行并保持舱温稳定在某个值，在试验期间如果舱温波动在规定范围以内就算合格。因此能够判断制冷系统的绝热结构性能和温度自动调节性能是否正常。进行热平衡试验时，要让冷藏舱在设计舱温下保持一段较长时间，以便隔热结构充分冷透而不致因其温度的不稳定而影响热平衡试验结果［3］。

在冷藏舱的保温性能评价指标中，空舱降温率与温度回升率能从总体上反应冷藏舱的隔热效果，但其与隔热结构的传热系数、热容量、传热温差以及舱壁面积与舱容比值等许多因素有关，其数值大小也很难说明隔热结构的绝对优劣程度。相比之下，热平衡试验则减少了上述因素的影响。因此可采用热平衡试验计算冷藏舱绝热结构的平均传热系数，进而结合空舱降温和保温试验评估冷藏舱绝热性能。

2．2 热平衡试验热负荷分析

船舶冷藏系统根据冷库的不同类型，热负荷也有众多类型，主要包括渗入热、货物热、开门操作热、风机动力热及通风换气热，等。空舱进行热平衡试验时，冷藏舱的热负荷Qf只包括渗入热Qi和循环风机的设备热Qs，所以外界通过绝热结构渗入的热量Qi为

设备热是指库内电机运转时由电能转化为热能所造成的制冷负荷，主要是指冷藏舱中由风机运转所产生的热负荷，设备热Qs由下式计算得出。

式中:Ni——各电动机的额定功率;

ζi——热转化系数，电机在舱内时取值为1;电机不在舱内时取值为0．75;

ρi——电机运转时间系数，冷藏舱冷风机配用的电动机取值为1。

由于在热平衡试验中，舱温保持稳定，因此Qf又应与制冷装置的制冷量相等。所以只要测得试验时装置的蒸发压力、冷凝压力，以及制冷压缩机运行的工作缸数和运转时间，便可按该型压缩机的性能曲线确定装置在试验时的实际制冷量Qf［4］。

式中:Qoc——冷冻机制冷量;

ηE——能量利用系数。

2．3 冷藏舱传热系数计算

冷库尺度同样是影响冷库保温性能的重要因素，根据式(1)～(3)，计算得到Qi值后，再根据冷藏舱四周和上下共6块壁面面积，便可算出绝热结构平均传热系数K值。若K值等于或小于设计值ˉK0，便可认为合格(通常平均传热系数值为2.09～2.51 kJ/(m2·h·℃)，本船热平衡数据计算过程见表1。

表1 冷藏舱传热系数评估计算

根据表1的计算结果，Qi只占总负荷18%，计算所得的评价传热系数为2.34 kJ/m2·h·℃，小于设计平均传热系数2.472 kJ/m2·h·℃。由于冷库围护结构的隔热性能直接影响库内鱼货的冷冻冷藏质量、制冷设备的冷负荷大小和经营费用的高低。所以从理论上说，隔热层越厚，冷库总的热负荷就越小，制冷设备的运行费用也就越低。但是隔热层越厚，冷库的初投资也就越高。据对各类冷藏舱的统计表明，一般冷藏舱中除了货物热负荷外就是围护结构传热量Qi所占的比例较大，约占冷藏舱总热负荷的20%～35%。小冷藏舱占的比例更大。对于分配性冷藏舱，Qi可占制冷设备总负荷的50%［5］，所以该船冷藏舱性能既满足了设计要求，也不会造成隔热系统初投资过大。

3 基于传热系数的保温实验效果分析

保温实验是按照《柴油机动力船舶系泊及航行试验大纲》的相关要求，在鱼货舱内温度为设计要求的最低温度时，停止制冷压缩机组的运转，在密闭状态下保温6 h，记录鱼货舱及冷库温度和大气温度，并计算温度回升值与回升率，以此评价冷藏舱保温性能［6］。

其中:平均每小时回升温度值为

平均每小时温度回升率N为

式中:△t——试验过程中冷藏舱温度上升值;

δ0——初温差;

Z——试验时间。

平均每小时回升温度值是衡量冷藏舱绝热性能的重要指标，但由于不同船舶回升温度值差别较大，目前我国还没有这方面的规定衡准数值。因此，可利用热平衡试验得到的平均传热系数计算渗入热，进而得出标准回升温度值。

在保温试验过程中，外界热量则是以对流、传导和辐射等多种形式不断传到低温冷库内的，其计算公式为

式中:tw——外侧计算温度;

tn——库内设计温度;

F——传热面积。

保温试验时间为6 h，冷藏舱处于密闭状态下，制冷压缩机组停止工作，期间每隔30 min记录温度数据。试验进行过程中，冷藏舱温度尚未到达设计的最低温度，可根据舱外内的温差计算渗入热以及相应的温度回升值见表2，如温度回升不超过表中的规定值，则可判断绝热结构的隔热性能满足要求。

在保温试验中，利用鱼舱温度记录仪记录每小时舱内外温度，并计算各舱平均每小时回升温度值与回升率，结果见表3。

表2 保温试验的温差标准计算

表3 保温试验21 h实测值

设计经验一般认为，保温试验中每小时温度回升率以不大于5%为宜，该值与利用热平衡试验传热系数的计算值相吻合。该船各鱼舱平均每小时温度回升率都小于5%，各鱼舱的平均每小时回升温度值在3℃之内，温度回升值都小于设计计算值，可以认为符合要求。

4 基于传热系数的降温实验效果分析

空舱降温试验是测定未装货的冷藏舱由试验时的环境气温降到设计舱温的降温速度，借以检验制冷装置的制冷量及冷藏舱的隔热结构性能和密封性是否良好。制冷试验在空舱状态下进行，开动全部的制冷压缩机组，使所有的鱼货舱从大气温度冷却到设计要求的最低温度，记录所需时间(每隔1 h作一次全面记录)，并检验制冷压缩机组及其各附属设备的工作情况，记录冷库制冷过程的温度变化。在鱼货舱温度达到设计要求的最低温度后，持续制冷，保持设计要求的最低温度8 h以上，以吸收潜热，保证试验结果的准确性［7］。

空舱降温试验结束后，计算空舱降温率(即每小时能降温的度数)，以此衡量各船空舱降温程度优劣，即试验时降温值与所需时间之比θ式中:t0——试验开始时舱温;

tn——试验结束时舱温;

Z——所需时间。

空舱降温率直接衡量鱼货的速冻能力，与冷藏船制冷系统容量大小以设计运输能力有关，在利用经验公式设计时，根据对同类型船舶冷库设计数据的综合分析，船舶冷库的净库容同空仓降温率存在着一定的函数关系与标准范围［8］，但由于受营运因素影响较大，该指标不能直接反应冷藏舱的绝热性能。因此，采用渗入热计算方法对空仓降温试验中吸收潜热和渗入热进行计算，进而推导理论空仓降温率，并与实际降温率进行对比作为冷藏舱绝热性能的判断依据。该方法比采用经验公式方法更加准确。空舱降温率的理论计算值及实测数据见表4。

由表4可见，实际空仓降温率满足设计要求。相比根据经验公式计算的平均水平，该船空舱降温率比现有金枪鱼船冷藏舱提高超过10%。

表4 空仓降温试验标准计算与实测数据

5 结论

利用冷藏舱热平衡试验计算的传热系数，可较好地与保温试验和空仓降温试验的结果相吻合，而且计算过程简捷、准确度高，对于超低温冷藏船的性能评估具有一定的实用价值。该计算方法可进一步运用到对冷藏舱的设计与优化阶段，以使冷藏系统各部分性能匹配达到最优。

［1］吴稼乐，朱富强，陈坚超.低温金枪鱼在现代低温物流中的关键技术［J］.制冷技术，2006(1):39-43.

［2］孙文志，张维英，于欣.远洋金枪鱼延绳钓渔船总布置探讨［J］.船海工程，2008，37(1):23-25.

［3］薛威，郑超瑜，陈武.不同冷凝风量对冷藏集装箱运行特性影响的试验研究［J］.船海工程，2012，41 (5):98-100.

［4］马广顺，马振库，赵云峰.大型低温环境试验室制冷系统设计［J］.装备环境工程，2013，10(2):96-98.

［5］王永昌.60 t沿海冷藏收鲜制冷系统试验船［J］.渔业现代化，1984(4):22-24.

［6］HAKAN，CALISKAN，IBRAHIM DINGIER，et al.Thermodynamic analyses and assessments of various thermal energy storage systems for buildings［J］.Energy Conversion and Mangement，2012，62:109-122.

［7］夏全刚，刘宝林，宋晓燕.一种新型冷藏车箱体模型的设计与实验验证［J］.制冷学报2014，35(4):108-112.

［8］陆雪忠，吴兆林，林锦荣.冷藏柜制冷系统优化设计及试验研究［J］.能源研究与信息2004，20(1):19-22.

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

浙江省重大科技专项(2013C03033);舟山市科技计划项目(2013C11015)

董良雄(1974-)，男，博士，讲师

研究方向:船舶性能测试与分析技术

E-mail:dongliangxiong@163.com