船舶伙食冷库节能运行的控制分析

林 国 良

(厦门海洋职业技术学院，福建 厦门 361012)

船舶节能影响到燃料资源、环境保护以及船舶运营经济效益等问题，已成为世界各国造船界和航运界研究的重要课题，是直接关系到国民经济发展的问题。随着航运作业半径的扩展和船员生活质量的提高，船舶伙食冷库能量损耗和安全运行等问题也不可小觑。在冷库的设计上，可以考虑加大冷凝器和蒸发器的换热面积，或采用目前广泛应用的变频技术，来实现系统的节能需要。本文主要针对船舶伙食冷库正常运行过程中，提出合理的控制管理和维护保养等措施，来确保该系统在正常工作状态下长期节能运转。

1 船舶伙食冷库系统简述

以蒸汽压缩式制冷系统为例，制冷剂为R22，制冷系统由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。在整个工作循环中，压缩机是整个系统的心脏，抽取蒸发器中的过热气态制冷剂，通过做功压缩，产生高温高压的过热蒸汽，最后输送至冷凝器；在冷凝器中，通过冷媒的吸热，高温高压的制冷剂放出热量，冷凝为高压过冷液体；而处于过冷液体的制冷剂通过膨胀阀或其他节流元件进入蒸发器，节流阀对制冷剂起节流降压作用并调节进入蒸发器的制冷剂流量；蒸发器中湿蒸汽在低压低温下气化大量吸收潜热，吸收冷库中伙食的热量，保证伙食在低温状态下长时间保存[1]。

在船舶上冷库的管理工作经常被忽视，能源浪费现象较为严重，所以加强制冷系统的维护管理和技术改造，以保证系统长期安全节能地运行。

2 冷库节能运行的措施分析

根据制冷理论循环的热力学知识可知，影响制冷压缩机工况和整个冷库耗能的因素有：在冷凝器中制冷剂的冷凝温度、在蒸发器中蒸发温度、在冷凝器出口的过冷度和在蒸发器出口的过热度等。而过冷度主要受到冷凝器的换热面积、换热面的传热系数和冷却水的流量和温度等参数影响，与冷凝温度的影响参数相关；而过热度直接由热力膨胀阀进行调节，故过冷度和过热度在阐述冷凝温度和蒸发温度的影响因素中将涉及到，故这里不对这两个参数单独进行详细说明。当然减少额外热量侵入，也是影响冷库节能的重要因素[2]。

2.1 控制制冷系统的冷凝温度

由制冷压缩机的制冷量、轴功率和制冷系数的数学公式可得：当冷凝温度过高，制冷量下降，压缩机轴功率增加，制冷系数减小。导致冷凝温度偏高的原因有：冷凝器换热能力下降、制冷剂中混入不凝性气体和制冷剂充注过多等。

2.1.1 提高冷凝器换热效果

造成冷凝器换热能力不足的原因很多，比如：冷却海水温度过高或流量不足；液态制冷剂过多导致冷凝器有效换热面积下降；换热面脏污导致换热系数下降。为此，为降低冷凝温度和增加过冷度，在系统运行中检查冷却水泵的流量；平时保养中检查制冷剂的充注量，避免制冷剂充注过多；养成定期检查和清洗冷凝器表面水垢的习惯。据统计，冷凝器表面的水垢厚度达1mm，将使冷凝温度上升1.9℃，系统的耗电增大6.4%；冷凝器中油膜厚度达0.1mm，将使冷凝温度上升1.1℃，制冷量下降1.8%，耗电增加3.2%，故系统正常运行2 000h左右后，可以考虑对冷凝器的换热面进行清洗。针对以上问题，系统正常运行中，主要是通过调节冷凝器中冷却海水的流量来控制制冷剂的冷凝温度和过冷度，但为避免冷却水流量过高造成冷凝器表面的刷蚀，也要严格控制冷却水在冷凝器进出口温差在2～4℃的范围内。

2.1.2 排除不凝性气体

若在维修或保养中，因抽真空不够或制冷剂充注时不规范等原因，将直接导致不凝性气体(即空气)混入制冷系统制冷剂之中。空气在制冷系统中是有害的，在冷凝器中它无法冷凝为液体而影响制冷剂蒸汽的冷凝放热，导致冷凝器的工作压力升高。比如，制冷系统在某一时刻的冷凝温度为42℃，查R22的压焓图得，对应的饱和冷凝压力为1.63MPa，可系统实际压力为1.66MPa，根据道尔顿定律，冷凝器中含有0.03MPa的空气。正因为空气的存在，导致压缩机排气压力和温度升高，冷凝温度增大，过冷度减小，制冷系数下降，系统的制冷量减少而耗电量增加，所以必须清除高压系统中的空气。采取对策：在系统停机情况下，可以考虑从制冷系统的高压端高处(排气口或冷凝器放气阀处)进行放气操作，在放气过程中，严格同时控制冷凝器中的冷凝温度和冷凝压力的数值，使两个参数正好满足R22的压焓图中所示的饱和蒸气温度和压力的一一对应时停止放气，保证系统在冷剂损耗量少前提下空气全部排出。

2.1.3 防止制冷剂充注过量

制冷剂冲注过多，由于多余的液态制冷剂会占据冷凝器的面积，造成冷凝面积减少，使冷凝效果变差，造成冷凝压力也会升高，冷凝温度增大和过冷度降低。为此，要提高冷凝器的换热效果，可以考虑在储液器的出口回收多余的制冷剂。

冷凝压力的减小，冷凝温度随之下降，在一定程度上将导致增大系统的制冷量和降低压缩机的轴功率，但冷凝压力太小，反而导致通过膨胀阀的制冷剂不足，造成进入蒸发器的制冷剂流量下降，从另一方面导致系统制冷量的不足。导致冷凝压力过低的主要原因是压缩机故障或冷凝器冷凝能力过强。比如吸排出阀片漏泄、活塞环密封不严或压缩机无法增载，直接造成压缩机排压过低。而冷却水温度过低或流量过大，也将导致冷凝压力的下降。故为保证系统正常运行，轮机员应时常检查压缩机的密封性能，控制冷却水的流量，保证压缩机的排气压力在1.61MPa左右，冷凝器中制冷剂的温度在40.5℃左右变化，保证系统安全经济运行。

2.2 控制制冷系统的蒸发温度

由制冷压缩机的制冷量、轴功率和制冷系数的数学公式可得：蒸发温度偏低，将造成系统制冷量下降，制冷系数减小，间接导致冷库耗能增加。经过估算，在冷凝温度不变情况下，蒸发温度降低2.5℃，要获得相同的制冷量，整个冷库耗电将增大10%左右，压缩机制冷系数降低。导致制冷系统蒸发温度偏低的因素颇多，例如制冷剂不足；制冷剂流量不足；蒸发器换热能力差和压缩机无法正常卸载等。根据不同的情况，采取对应的解决措施，保证实际的蒸发温度与冷库温度的差值保持在5～10℃，避免冷库制冷系数过低。

2.2.1 防止系统制冷剂不足

系统中制冷剂太少，甚至膨胀阀全开流经的湿蒸气量仍达不到要求，将导致：(1)低温库中蒸发器后段的结霜融化；而高温库中蒸发器盘管结霜严重。(2)压缩机的吸入压力和排出压力下降，而吸气过热度大幅度增大。系统制冷量过小，造成压缩机长时间运转而库温无法降至设计温度，严重时直接造成压缩机因吸气压力过低而停车，最终导致压缩机频繁启动和停车，大大增加系统的耗能而冷库的温度无法满足要求。当然如前所述，制冷剂充注量过多，将导致系统冷凝温度过高，制冷量反而下降、系统耗能增加的后果。为此要严格控制制冷剂的充注量，冷库制冷系统要求制冷剂全部回收时储液器液位高度在80%左右；或系统正常工作时，保证储液器中制冷剂液位维持在1/3～1/2之间。若发现制冷剂少量不足，可以考虑在压缩机吸入口充入气态制冷剂；若制冷剂的量严重不足，可以在储液器处大量充注液态制冷剂，来保证制冷剂的总量符合设计要求。

2.2.2 提高蒸发器换热能力

据统计，蒸发器内冷冻机油厚度增加0.2mm，将造成蒸发温度下降5℃，同时系统电能损耗增加2.1%。同时低温库中蒸发器盘管的结霜，也将导致蒸发器换热能力的下降，蒸发温度的降低，制冷量的下降和系统耗能的增加。为此，运行中要经常检查蒸发器的内表面积油程度，根据实际情况做到及时放油；同时定期利用热气化霜，保证蒸发器换热能力一直处于理想状态。

2.2.3 控制制冷剂流量

导致蒸发器内制冷剂蒸发温度偏低另一个常见的原因是制冷剂流量不足，引起这种现象的产生可能是系统出现制冷剂管路流动不畅或者热力膨胀阀故障引起制冷剂节流后减少等。

2.2.3.1 防止冰塞的产生

系统内水分较多时，随制冷剂循环，水分将逐渐凝结在温度低于0℃处，阻碍制冷剂流动，俗称“冰塞”。冰塞一般发生在系统管路狭窄处，如膨胀阀阀孔通道和滤器等处[3]。 当冰塞程度较轻时，会引起进入蒸发器的制冷剂不足，造成冷库温度无法达到设计值；而冰塞严重时导致压缩机停车时间长，运转时间反而更短，造成制冷系统不能正常工作。出现这种情况，可以停止压缩机运转一段时间，并用开水浇烫易出现冰塞的部位，同时接入干燥过滤器，然后启动压缩机。运行1h后，若系统没有出现类似情况，就可以判断系统已经排除冰塞，为避免制冷剂阻力过大导致提前闪发等，可以把系统中干燥过滤器重新旁通。

2.2.3.2 清洗滤器和管路

制冷系统出现堵塞位置常见有管路狭窄处、干燥过滤器和膨胀阀吸入口滤器等。对于干燥过滤器而言，只有在系统出现“冰塞”、充注制冷剂、更换冷冻机油或进行维修等可能混入水分时，才将干燥过滤器接入系统进行吸收水分。而在装置正常运行中，干燥过滤器经常处于被旁通状态。膨胀阀进口处滤网出现堵塞引起故障，经常会被轮机员所忽略。当然这些部位出现堵塞，造成的后果雷同于“冰塞”，即：轻度将降低蒸发器中制冷剂的流量，造成制冷量不足；严重时直接造成冷库温度无法下降，而压缩机启动时间短和停车时间长等现象。

判断某些部位是否出现堵塞，可以观察它后面的管路是否结霜或发凉，若存在这种现象，表明液态制冷剂在该处节流降压，引起少量制冷剂提前散发大量吸热，所以可以确定该处出现堵塞，消除的方法比较简单，就是对该处抽空后拆卸元件进行滤器清洗或干燥剂更换等操作，从而排除故障。

2.2.3.3 合理调节热力膨胀阀

热力膨胀阀的作用就是感受蒸发器出口气态制冷剂的过热度，控制进入蒸发器的制冷剂流量，以调节制冷系统工况。系统正常运行中，对于R22这种制冷剂而言，热力膨胀阀将保证蒸发器出口过热度的变动在3～6℃的范围内。因过热度过大，将导致蒸发器中制冷剂流量偏少，同时降低蒸发器换热能力，造成制冷量不足；而过热度过小，又引起有害过热偏大和压缩机易出现液击现象的频发。所以在热力膨胀阀的弹簧预紧力等原因，导致过热度偏离设定值，应该对膨胀阀进行重新调整。在热力膨胀阀调整中，注意先对蒸发器进行融霜操作，保证系统正常运行，同时考虑系统的热惰性，控制每次调节量和一段时间后，再来读取过热度，从而保证热力膨胀阀调整操作的准确性。

2.3 减少环境热量侵入

冷库外热量侵入，主要包含冷库本身的隔热性能、冷库内的照明耗能、打开冷库门的次数和持续的时间等。当然，这些外部热源直接导致冷库全热负荷大幅度增加。据报道，冷库中大气侵入的热量占总负荷的14%左右。因此，保证冷库隔热条件良好的状态下，要尽量减少库门开启次数，养成随手关门、关灯的习惯，尽可能降低外部热量给冷库带来太大的负担，造成能量大量损耗。

3 结语

随着国际航运业的不断发展和壮大，研究船舶冷库运行特性，提高制冷装置工作效率，实现制冷节能已经成为船舶运输行业越来越重视的课题。而根据远洋船舶航行特点和伙食冷库运行特性，轮机员针对异常状况时采取正确处理措施，提高制冷装置操作管理水平，是制冷节能的重要保证。

参考文献：

[1]费千.船舶辅机[M].大连：大连海事大学出版社，2005.

[2]湖北工业建筑设计院.冷藏库设计[M].北京：中国建筑出版社，1990.

[3]李福海.船舶伙食制冷系统冷剂流量不足故障一例[J].航海技术，2009，(2).

[4]何昌伟.船舶教学实验冷库的设计与建造[J].青岛远洋船员学院学报，2008，(2).

[5]韩厚德.远洋船舶伙食冷藏系统节能技术研究[J].节能，1997，(7).