船舶制冷

船舶辅机船舶设备主推进动力装置辅助机械设备船舶辅机制冷空调锅炉泵空气压缩机甲板机械造水机船舶制冷制冷就是从某一物体或空间吸取热量，并将其转移给周围环境介质，使该物体或空间的温度低于环境的温度，并维持这一低温的过程。用于完成制冷过程的设备称为制冷机或制冷装置，用于存放低温物体的空间称为冷藏室或冷库，实现热量转移的工作介质称制冷剂，单位时间内从被冷物体或空间吸收的热量称为制冷量。实现制冷的途径有天然制冷和人工制冷。制冷技术在船舶上的应用天然制冷是以天然冰为冷源，利用冰融化过程吸收融解热而实现制冷。人工制冷是借助制冷装置并消耗一定的外功或热能作“代价”，将低温物体或空间的热量转移至高温环境介质而实现制冷的。船舶制冷的目的是实现货物的冷藏运输，并为船舶空调提供冷源。在船舶上，制冷技术广泛应用于货物冷藏运输、食品冷藏、渔类保鲜、天然气液化和贮运、冷藏集装箱“冷藏链”运输和船舶舱室的空气调节等。船舶冷藏包括海上渔船、商业冷藏船、海上运输船的冷藏货舱和船舶伙食冷库。另外，尚有海洋工程船舶的制冷及液化天然气的贮运槽船等。制冷技术在船舶上的应用LNG船是在零下163摄氏度低温下运输液化气的专用船舶，是一种“海上超级冷冻车”，被喻为世界造船业“皇冠上的明珠”，现只有美国、中国、日本、韩国和欧洲的少数几个国家的13家船厂能够建造。对不同的食品应分别采用“冷却”、“冷冻”和“速冻”的处理方法。所谓“冷却”，就是把食品温度降到细胞膜不致冻结的程度，通常是在0～5℃之间。但微生物在这样的温度下还具有一定的繁殖能力，食品不能储存过久。食品冷藏及冷藏条件所谓“冷冻”，就是把食品温度降到0℃以下而使之冻结。采用这种方法，可使微生物几乎完全停止繁殖，因而保藏时间较长。但冻结速度过慢，会使细胞膜内大部分水分冻结形成较大冰晶，当水结成冰时，体积会增大约9%～10%，造成细胞膜内层破裂，使食品减少或丧失原有的风味和营养价值。“速冻”能在短时间内使食品冻结，并使食品内所形成的冰晶颗粒比较细小、均匀，保持食品原有的风味品质。食品冷藏及冷藏条件鱼、肉等食品变质的原因主要是细菌、霉菌、酵母菌等微生物使食物中的有机物水解变质。而果、蔬等在采摘后仍进行新陈代谢，吸进氧气、放出二氧化碳和热量，促使果菜继续成熟，消耗养分，以至腐烂。所以，水果、蔬菜的良好保存不仅要抑制微生物活动，而且要尽量减弱其呼吸作用。不同的食品需要创造不同的冷藏条件。食品冷藏及冷藏条件果、蔬及蛋、奶类食品一般应采用冷却储藏法。食品的库温在0℃左右，即稍高于食品冻结点的温度，冷藏库主要贮藏水果、蔬菜、蛋和奶类食品，也适用于鱼、肉、禽等食品的短期贮藏。果、蔬在贮藏过程中会逐渐蒸发脱水，一般来说如果重量损失达到5%，新鲜度就会明显地下降。果蔬水分蒸发主要取决于贮藏的湿度条件，湿度过小会使食品干缩，湿度过大会使食品容易发霉腐烂。菜库和乳品库适宜的相对湿度为85％～90％。由于蔬菜和水果不断地散发水分和二氧化碳等气体，为了保持合适的气体成分，应进行换气。通常，对鱼、肉类食品应冻结储藏，即使其温度降低到大部分汁液冻结的程度，这样可更有效地抑制微生物的活动。冻结的食品的储藏期比冷却食品要长得多。如果采用快速冻结方式，结成细小的冰晶，对食品品质影响就小。对长航线船舶，其储藏温度以－18～－20℃为宜，在此温度下微生物的繁殖几乎停止，肉类能保鲜半年以上；对于短航线船舶，冷冻保存期不超过2～3个月，库温控制在－10～－12℃较为经济。鱼、肉库的相对湿度一般保持在90％～95％为宜。相对湿度过低会使未包装的食品因水分散失而干缩；而湿度过高又使霉菌容易繁殖，但对冷冻食物影响不大。因此，高温库适宜的相对湿度为85％～90％，低温库可保持在90%～95％。冷库一般在降温过程中能保持适宜的湿度，不需要专门调节。果、蔬的呼吸作用使库中O2浓度减小，CO2浓度增加。对水果和蔬菜采用“气调储藏”，即将冷库内的O2和CO2含量控制在一定的范围内，从而抑制果、蔬的呼吸，使其保鲜期延长。通常CO2浓度控制在2％～8％之间，O2浓度控制2％～5％之间，气调库的储藏期可比普通冷藏库延长0.5～1倍。船舶冷库采用适当的通风换气来保持合适的气体成分。所谓舱室的换气次数是指更换了相当于多少个舱室容积的新鲜空气量。果蔬类冷藏舱或冷藏集装箱的换气次数以每昼夜2～4次为宜。船上菜库由于每天开门存取食品，一般无需特意换气。二氧化碳和氧气浓度臭氧是分子式为O3的气体，它在一般条件下极易分解，即O3→O2+[O]，产生的单原子氧[O]的氧化能力极强，能使细菌、霉菌等微生物的蛋白质外壳氧化变性而死亡。臭氧除杀菌作用外，还可抑制水果的呼吸，防止其过快成熟，这是因为水果在呼吸时会放出少量的乙烯，对水果有催熟作用，而臭氧能使乙烯氧化而消除。但臭氧也会使奶制品和油脂类食物的脂肪氧化，产生脂肪酸而变质，故目前在船上臭氧多用于菜库。臭氧的应用船舶上广泛应用液体汽化吸热的制冷方法。这种制冷方法称为蒸发制冷。蒸发制冷分为蒸气压缩式、吸收式和蒸汽喷射式三种，其中以蒸气压缩式制冷装置的应用最为普遍。蒸气压缩式制冷吸收式制冷蒸汽喷射式制冷系统组成：喷射器、冷凝器、真空容器、节流阀及泵。系统流程图：真空容器工作过程：用锅炉产生高温高压的工作蒸汽，将其送入喷嘴，膨胀并以高速流动（流速可达1000m/s以上），于是在喷嘴出口处，造成很低的压力。由于吸入室和真空容器相连，所以真空容器中的压力也会很低，从喷嘴喷出的部分水吸热而汽化，将未汽化的水的温度降低。这部分低温水就可用于制冷。真空容器中产生的冷剂水蒸气和工作蒸汽在喷嘴出口处混合，一起进入冷凝器，被外部的冷却水冷却而变成液态水，这些冷凝水再由冷凝器引出，分两路，一路经过节流降压后送往真空容器，继续蒸发制冷，另一部分用泵提高压力送往锅炉，重新加热产生工作蒸汽。真空容器热力参数和热力过程从蒸气压缩式制冷原理可知，制冷工质吸热汽化、压缩、冷凝放热和节流降压是制冷循环的四个重要的热力过程。在热力过程中，实现热量转移的物质称工质。在给定瞬间，工质都具有一定的状态，决定工质状态的物理量称为工质的热力参数。压力：压力即工质垂直作用于物体表面的作用力。表压力和当地大气压力之和称绝对压力。温度：温度是表示物体冷热程度的物理量。工程上采用有摄氏温标℃或绝对温标K。比容：在工程热力学中每单位质量的工质所占有的容积称作比容，用符号ν表示，单位是m3/kg。密度：比容的倒数，即单位容积工质的质量称为密度，用ρ表示。工质的热力参数热量：热量简称为热，由于温度差而转移的能量。在温度不同的物体间，热量总是由高温物体向低温物体传递。热量传递是能量转移的一种方式。热量的单位可用焦耳（J）、瓦（W）或卡路里（cal）表示。1大卡（即1千卡）指1kg纯水在标准大气压下，温度升高1℃时所需的热量，约4184焦耳。比热：比热是单位质量的物质温度升高或降低1℃所吸收或放出的热量。工质的热力参数常用的制冷术语蒸发温度：在一定压力下，液体冷剂在蒸发器中汽化的温度。蒸发压力：冷剂液体在蒸发器中汽化时的压力，即蒸发温度下的饱和压力。在蒸气压缩式制冷装置中，往往把蒸发压力视作压缩机的吸气压力。过热度：相同压力下的过热蒸气温度与饱和蒸气温度的差值称为过热度。实际制冷循环中，为确保压缩机不产生“液击”，压缩机吸入的气体制冷剂具有一定过热度。常用的制冷术语显热：工质的相态不改变而使其温度升降所需加入或移出的热量，称为显热。汽化潜热：在一定压力下，每千克的饱和液体汽化为干饱和蒸气所需加入的热量或每千克的干饱和蒸气冷凝为饱和液体需移出的热量称为汽化潜热。实际制冷循环中，蒸发和冷凝过程吸收和放出的热量均为潜热。在汽化或液化的过程中，工质的温度不变，只是相态发生了变化。常用的制冷术语吸气压力：压缩机进口处冷剂的压力，可近似看作蒸发压力。排气压力：压缩机排出口的气压，可近似看作冷凝压力。常用的制冷术语冷凝温度：气体冷剂在冷凝器中放热冷凝的温度，即对应于冷凝压力下的饱和温度。冷凝温度随冷凝压力升高而升高。过冷度：相同压力下，冷凝温度与膨胀阀前液体制冷剂温度之差。即饱和温度和过冷温度之差。实际制冷循环中，提高过冷度往往可提高制冷量。汽化过程：汽化是液体吸热变成蒸气的过程，汽化包括蒸发和沸腾。蒸发只发生在液体表面，在任何压力和温度下均会发生。沸腾指液体内部的剧烈汽化过程，在一定的压力所对应的温度条件下才会发生。蒸发器中液体冷剂的汽化过程是在一定压力和一定温度下的沸腾过程。工质的热力过程压缩过程：是压缩机对冷剂蒸气作功，使其压力和温度均升高的过程。工质的热力过程节流降压过程：冷凝器中的高温高压液体冷剂经膨胀阀节流降压变成低温低压的冷剂湿蒸气的过程。节流过程中，一部分液体就吸热“闪发”成气体。节流降压过程前后焓值不变，而温度相应降低。由此可见，进入蒸发器的制冷剂不是纯液体，而是气液混合物，只是气的比例很小而已。工质的热力过程冷凝过程：冷凝是气体冷剂在冷凝器中向冷却介质放热的液化过程。实际制冷循环中，高温高压过热气体先冷却成干饱和气体，放出气体的显热；继之在等温等压下冷凝成饱和液体，放出汽化潜热；进而在等压下冷却，变成过冷液体。工质的热力过程进行制冷循环的热力计算时，经常要涉及各个过程的压力、温度、焓和比容等值的变化，lgp－h图是直接将焓值h（kJ／kg）作为横坐标，以压力p（MPa或kPa）作为纵坐标而绘制的。lgp－h图中有两条较粗的曲线，左边一条叫做饱和液体线，右边一条称干饱和蒸气线，这两条曲线向上延伸交于C点，称为临界点。临界点对应的温度即临界温度，它是气态制冷剂能够通过加压实现液化的最高温度。饱和液体线与干饱和蒸气线将lgp－h图分成三个区域：过冷液体区、湿饱和蒸气区、过热蒸气区。饱和状态下制冷剂蒸气与液体的混合物称为湿饱和蒸气。在湿饱和蒸气中制冷剂蒸气所占的质量百分比称为干度，用代号x表示。显然，饱和液体的干度x=0，干饱和蒸气的干度x=1，湿饱和蒸气的干度0＜x＜1。在lgp－h图的纵坐标上，等温线在湿饱和蒸气区域内与等压线相重合；过热蒸气区内，等温线与等压线分开，而成为往右下倾斜的一组曲线；在过冷液体区，等温线是垂直线。在图中还有等比熵线以及等比体积线（等比容线）。1．饱和液体线2．干饱和蒸气线3．等干度线，参数x4．等压线，参数p5．等温线，参数t6．等比焓线，参数h7．等比熵线，参数s8．等比容线，参数v综上所述，制冷剂的lgp－h图中共有八种线条，六个参数。上述参数中的饱和压力和饱和温度，两者是互不独立的状态参数，知道其中一个的值，即可从制冷剂的饱和热力性质表中查得第二个值。除此以外，一般只要知道上述参数中任何两个，即可在图中找出相对应的状态点，在这个点上可以读出其他有关参数。理论制冷循环不考虑冷剂的流动阻力损失，不考虑除蒸发器和冷凝器以外的热交换，不考虑进入压缩机冷剂蒸气的过热和进入膨胀阀前液体冷剂的过冷。可见，理论制冷循环是由等压等温吸热汽化过程B－C，绝热压缩过程C－D，等压冷凝放热过程D-A和等焓节流降压过程A－B组成的循环。实际制冷循环的冷凝和蒸发过程，都是在有传热温差和流阻损失条件下进行的，使蒸发器和冷凝器出口的压力低于进口的压力；压缩过程也不可能为完全的绝热过程，而是多变过程。由于冷剂在蒸发器，冷凝器和管路中的压降一般很小，压缩过程进行很快，方便起见，讨论实际制冷循环时，往往忽略流阻和压缩过程吸热与放热的影响，即认为冷剂的蒸发和冷凝是在等压下进行的，蒸气的压缩为绝热压缩过程。实际制冷循环回热循环回热循环使来自冷凝器的高压液态制冷工质和来自蒸发器的低压气态制冷工质在热交换器内进行热交换，使液态工质过冷的同时，气态工质过热。回热循环提高了压缩机的吸气温度，可保证压缩机“干压”。同时回热循环大大提高了冷剂的过冷度。设置蒸发式过冷器的过冷循环有的R22制冷装置液管压降较大，工质需要有比较大的过冷度，但其所用工况的排气温度较高，采用回热循环时会使吸排气温度和滑油温度更加偏高，这种情况下可以采用设置蒸发式过冷器的过冷循环。在蒸发式过冷器中，液态工质获得比较大的过冷度，冷却介质则为部分经提前节流降