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大连海事大学

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毕业论文

二零一四年十月

船舶空调制冷系统及节能措施

专业班级：轮机管理2010级

姓 名： 李 召 远

指导教师：

轮机工程学院

内容摘要
摘要：为保证船舶安全航行和船员的舒适，目前，远洋船舶均设有集中式中央空调装置。万吨级以上的远洋船舶空调系统耗电功率约占船舶电网总容量的20%，是现代船舶主要的耗能装置。目前，随着石油价格的逐渐攀升致使船舶营运成本不断加大，各大远洋公司和造船企业都将如何实现船舶运营的节能增效作为重要课题进行研究，因而如何提高作为船舶主要耗能装置的空调装置的制冷效率实现能耗的降低已成为一个重要研究课题。本文首先对船舶制冷系统做了整体地概述，先后介绍了制冷方式，船舶制冷系统的主要元件，船舶常用的制冷剂和船舶上常用的压缩式制冷工作原理以及船舶空调装置的一些新技术的跟踪研究，分析总结出船舶空调装置节能的几点措施。
关键词：中央空调 节能 制冷效率 制冷方式
ABSTRACT:In order to ensure the safe navigation of ships and crew comfort, at present, ocean going ships are equipped with central air conditioner device. Marine air conditioning power of above of 10 thousand tons of class about the total capacity of ship power system is 20%, the main energy dissipation device of modern ship. At present, with oil prices rising the ship operating costs continue to increase, the major ocean shipping company and shipbuilding enterprises will be how to achieve energy efficiency operation of ships as an important subject for research, so how to improve the refrigerating efficiency of the air conditioner device decreases as the main energy consuming device to realize the ship energy consumption has become an important research topic. This paper first gave an overall overview of marine refrigeration system, has introduced the cooling methods, the main component of marine refrigerating system, tracking of some new technology of ship used refrigerant and ship on the commonly used compression refrigeration principle and ship air conditioning device, analyses and summarizes some measures of energy saving of air conditioning device of ship.
Keyword:central air conditioner device energy conservation refrigerating efficiency cooling methods
船舶空调制冷系统及节能措施
前言
船舶空调不仅为船员、旅客的工作和生活创造适宜的人工气候，还为船舶其它器械设备正常运行提供必备的环境。远洋船舶的空调设备是船舶的主要设备之一，其用电量占全船电网容量的20%以上。伴随着船舶大型化和高智能化，及时掌握船舶空调运行状态，预测诊断潜在的故障，是船舶安全运行的重要保障和提高船舶经济性能的必要因素。如何实现船舶空调的安全运行和节能，已经成为航运界关注的重要课题。
1 制冷方式
制冷的方法很多，根据制冷的原理不同可以分为液体汽化制冷、热电制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷、磁制冷、绝热放气制冷和电化学制冷等。船舶上常见的制冷是：液体汽化制冷。

1.压缩机 2.冷凝器 3.节流阀 4.蒸发器
图1 压缩式制冷系统示意图
2 船舶制冷的主要元件
船舶制冷系统主要有四大元件：压缩机，冷凝器，膨胀阀和蒸发器。
2.1压缩机
制冷压缩机是制冷系统的核心部件，通常称为制冷机的主机。科学技术的进步，新式制冷系统不断出现，推动了制冷压缩机制造技术的不断进步。从目前制冷压缩机的发展趋势来看，结构紧凑、高效节能以及䦮振低噪等特点是制冷压缩机制造技术不断追求的目标。
制冷压缩机的作用：
l、从蒸发器中吸收蒸气，以保证蒸发器内一定的蒸发压力；
2、提高压力(压缩)，以创造在较高温度下冷凝的条件；
3、输送制冷剂，使制冷剂完成制冷循环。
制冷压缩机的种类很多，船舶上通常使用的是容积型压缩机，它是靠工作腔容积的改变来实现吸汽、压缩、排汽等过程。属于这类压缩机的有往复式压缩机和回转式压缩机。
2.2冷凝器
冷凝器是制冷系统中的一种热交换器，使制冷剂过热蒸汽受冷却凝结为液体。冷凝器的种类很多，大中型制冷设备常用的有卧式壳管式、立式壳管式、淋水式、蒸发式、空气冷却式和板式冷凝器。船舶上的冷却源是海水或者河水，因其船上常用壳管式和板式冷凝器。
2.2.1卧式壳管式冷凝器
钢制圆柱壳体的两端焊有端盖，在壳内装有一组横卧的直管管簇。这种冷凝器的优点是结构紧凑、占空间高度小、传热系数高。缺点是清除水垢困难。

图2 卧式壳管式冷凝器
1、放空气旋塞 2、放空气 3、制冷剂进口 4、均压管 5、压力表 6、安全阀
7、水出口 8、水进口 9、制冷剂出口 10、放水旋塞
2.2.2 板式冷凝器
一种结构简单、冷凝传热系数高、占地面积小、污垢系数低、清洗方便的板式冷凝器。技术方案是：包括传冷板片、密封垫片、压紧板、导杠和夹紧螺栓，其特征是所述的传冷板片设置有汽孔、水孔，汽孔、水孔位于板片的四角，汽孔、水孔的外侧设置有边槽，边槽相互连接，在边槽包围的区域内设置传冷区，传冷区内设置传冷沟槽，在传冷板片的两端设置有挂架孔。
2.3 膨胀阀
它的基本作用是作为节流降压原件是高压液态制冷剂实现降压，作为制冷系统的工质流量调节元件调节系统的冷剂流量，以及调节蒸发器出口处冷剂的过热度。目前船上多数使用热力膨胀阀。它的结构原理图如下：

图3 热力膨胀阀结构原理图
1、感温包 2、毛细管 3、气箱盖 4、薄膜 5、制冷剂出口 6、制冷剂进口
它是利用蒸发器出口处蒸汽的过热度来调节制冷剂的。如图11-8所示，由感应元件（感温包）、膜片、阀体、阀座等组成。在制冷机组正常运转条件下，感应元件灌注剂压力等于膜片下气体压力与弹簧压力之和，处于平衡状态。如供制冷剂不足，引起蒸发器出口处回汽，过热度增大，感温包温度升高，使膜片下移，阀口的开启度增大，直至供液量与蒸发量相当时，再得到平衡。故热力膨胀阔能自动调节间的开启度，供液量随负荷大小自动增减，可保证蒸发器的传热面积得到充分利用，使压缩机正常安全地运行。
2.4蒸发器

蒸发器是制冷剂吸收被冷却介质的热量的热交换器。蒸发器的吸热能力称为蒸发器的制冷量，它反映装置的制冷能力。蒸发器的吸热能力的大小取决于蒸发器的传热面积、传热系数和传热温差。蒸发器工作时的制冷量大致有传热温差成正比。为了增大传热温差，以便在在制冷量一定的情况下尽可能缩小蒸发器的尺寸，就需降低蒸发温度。然而蒸发温度的下降又会导致制冷装置经济性下降。因此，在设计和运行中也就要求蒸发器的传热温差在一个合适的温度范围内，即冷风机传热温度5~~10℃；蒸发盘管传热温差5~~10℃；冷却液体蒸发器传热温差氨5℃，而氟利昂6~~10℃。
3 制冷剂
凡是在制冷循环利用相变过程来吸取热量并在外功或补偿功的作用下将热量传递给周围介质的物质就称为制冷剂。
3.1制冷剂的要求
应根据所用制冷机的型式和要求的制冷温度选择制冷剂。并满足以下要求：
（1）用环境温度的水或空气冷却时，冷凝压力不太高
（2）标准沸点tb比所需的蒸发温度低(5～10℃ )
（3）压缩机的排、吸气压力比不太高,使λ不致过低
（4）气化潜热大，气体比容小，qv 大，容积流量小，使装置尺寸小。
（5）压缩终温不太高 ，保持滑油的性能和使用寿命。
（6）热导率较大 ，减小换热器尺寸 。
（7）粘度较低 ，管路流动阻力损失小。
（8）临界温度tc（约为标准沸点的1.4～1.6倍）适当高
（9）化学稳定性和安全性好，毒性低，与所用材料相容，对大气臭氧层的损耗作用和温室效应比较轻微。
3.2 常用制冷剂的性质（R12禁用，R717船上不用）

3.3 常见制冷剂
3.3.1 R22（二氟一氯甲烷CHClF2）
标准沸点－40.8℃，适用冷库和空调，是船上广泛使用的制冷剂，无毒、不燃、不爆，高温稳定。R22与冷冻机油有限溶解。在系统高温侧部分(冷凝器、贮液器中)R22与油完全溶解；在低温侧，R22与油的混合物处于溶解临界温度以下时，蒸发器或低压贮液器中液体将出现分层。上层主要是油、下层主要是R22，所以要有专门的回油措施。干式蒸发器为了保证顺利回油，一般采用 “上进下出”的进液方式；管内制冷剂要有足够的流速；特别是上升回气立管，在管径设计时，必须考虑满足最小带油速度。另外，压缩机排气管上应设油分离器，以便将运行中有可能从压缩机带入系统的冷冻机油减到最少。属HCFCS，今后需由新的制冷剂取代。
3.3.2 R134a（四氟乙烷CH2FCF3）
标准沸点－26.5℃，适用于船舶空调制冷装置。属HFCS，ODP=0，是R12的代用品。 qv与R12相近，制冷量相同时压缩机的容积流量需比用R22大50%以上，适合螺杆式和离心式压缩机。R134a与R12在溶油的种类和溶油特性上都有很大差异。R134a的分子极性大，在非极性油（例如矿物油和烷基苯油）中的溶解度极小。R134a制冷压缩机主要使用合成油，如PAGs(聚烯醇类油)、酯基油和氨基油。R134a虽与它们互溶，但在高温区溶解度随温度升高反而减小。这种特性使系统在较宽广的温度、压力范围运行有困难。
PAGs用作R134a系统冷冻机油对金属有轻微腐蚀。腐蚀程度取决于金属的微观结构和系统的含水量。R134a自身不具备润滑性。机器中的运动部件供油不足时，会加剧磨损甚至产生烧结。为此，在合成油中需要增加添加剂以提高润滑性。R134a对非金属材料的膨润作用比R12略强。但R134a的热分解温度远高于压缩机和系统中可能出现的温度，在一般的制冷应用范围，其化学稳定性是良好的。R134a的分子直径比R12小，更容易泄漏。而稳定性高又使电子卤素检漏仪不易检测到，传统的CFC电子检漏仪对R134a的反应不敏感。这给制造和维修带来很大麻烦。R134a价格昂贵。R134a的温室效应指标比较高。
3.3.3 R404A
是R125/143a/134a（44/52/4）的HFCS近共沸混合物，标准大气压下的泡/露点－46.48/－45.71℃。一款由HFC类物质组成混配制冷剂，不含任何破坏臭氧层的物质，其ODP值为零，是R502制冷剂的最主要的中长期替代品。R404A适用于中低温的新型商用制冷设备（超市冷冻冷藏柜、冷库、陈列展示柜、运输）、制冰设备、交通运输制冷设备、船用制冷设备或更新设备，适用于所有R502可正常运作的环境，得到全球绝大多数的制冷设备制造商所认可。并在其生产的低温制冷设备初装及维修中广泛使用。
4 船舶制冷系统工作原理
单级蒸气压缩式制冷系统如下图1所示。它由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。其工作过程如下：制冷剂在蒸发压力下沸腾， 蒸发温度低于被冷却物体或流体的温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生的蒸气，并将它压缩到冷凝压力， 然后送往冷凝器，在冷凝压力下等压冷却和冷凝成液体，制冷剂冷却和冷凝时放出的热量传给冷却介质（通常是水或空气） 与冷凝压力相对应的冷凝温度一定要高于冷却介质的温度，冷凝后的液体通过膨胀阀或其它节流元件进入蒸发器。 当制冷剂通过膨胀阀时，压力从冷凝压力降到蒸发压力，部分液体气化，剩余液体的温度降至蒸发温度，于是离开膨胀阀的制冷剂变成温度为蒸发温度的两相混合物。 混合物中的液体在蒸发器中蒸发，从被冷却物体中吸取它所需要的气化潜热。混合物中的蒸气通常称为闪发蒸气，在它被压缩机重新吸入之前几乎不再起吸热作用。

图4 单级蒸汽压缩式制冷系统图
5 船舶空调装置节能措施
5.1变频调速技术的应用
万吨级以上远洋船舶的空调风机耗电量一般占船舶电网容量的8%一13%，是船舶的主要能耗装置。在热带海域航行时，压缩机通过能量调节使流量增加后，若空调风机转速不进行调节，会使蒸发压力降低，空调系统的能效比下降，整个系统的经济性变差。同时在纬度较高的海域航行时会出现房间温度偏低，风量偏大，空调风机的背压升高，风机喘振，气流噪声增大。实验表明，船舶在各种海域航行时空调风机风量的可调节量占额定风量的14% -- 90%才能满足要求。因此，调节风机风量是空调节能的重要途径。目前，船舶空调系统普遍采用的定速风机集中混合式单风管系统主要有两种风量调节方法:空气泄放法，能耗较大;风机出风口节流法，会使风道特性曲线变陡，风机出现喘振，能耗也较大。
采用风机变频调速是解决风量调节能耗问题的一种有效方法。从理论上讲，风机功耗和其转速的三次方成正比。热负荷降低时，通过变频调节，风机转速下降，即风机功耗降低，同时也使膨胀阀开度减小，制冷剂流量下降，从而使压缩机压缩功减少。此外，随风机转速下降，摩擦损失将大幅度减少，当风机从850r/m下降至595r/m时，摩擦耗功减少约65%左右，风机转速和制冷量近似于线性关系。通过试验表明对舱室通风机和空调风机为同一风机的船舶，空调风机变频节能率可高达66.42%，风机全年运行产生的节能效果极为可观。
在船舶空调装置设计、安装时可以考虑用变频器对风机进行调节。变频控制器将输人的交流电整流成直流电，通过数字控制器输出脉冲电流，用脉冲宽度制电压高低以获得近似正弦波的交流电输出。变频控制的依据是空调系统的热力状态参数的变化。变频控制器采集各个相关的热力参数和热负荷变化指标，并加以比较，然后根据预先设定的控制逻辑对风机进行变频调节，同时进行压缩机和电子膨胀阀等部件的调节，以尽快达到平衡。控制器还负责各种安全电路的监测。
5.2电子膨胀阀的应用
目前大多数商船空调装置中采用的节流装置都是热力膨胀阀。热力膨胀阀的主要缺点有:对过热度响应的延迟时间长;调节范围有限，这对于负荷变化较大的船用空调装置或者采用变频压缩机的系统，热力膨胀阀无法满足要求;调节精度低。基于热力膨胀阀的上述缺点，船舶空调装置中利用电子膨胀阀替代热力膨胀阀成为可育旨。
电子膨胀阀是按照预设程序调节制冷剂的流量，属于电子式调节模式。它具有热力膨胀阀无法比拟的优良特性，为制冷系统的智能化控制提供了条件，是一种很有发展前途的自控节能元件。电子膨胀阀由控制器、执行器和传感器三部分构成。电子膨胀阀具有良好的变负荷动态特性，可按压缩机变频调节规律由微机预设程序，通过脉冲信号控制脉冲电机转向，改变针阀开度以精确控制制冷剂流量。当船舶空调系统负荷变化较大时，电子膨胀阀能迅速、直接测得蒸发器出口过热度的变化并迅速传递信号作出相应的调节，使蒸发器出口过热度维持在3 -6℃的范围，因此宜在变频调速和负荷变化较大的系统中采用电子膨胀阀。
与热力膨胀阀相比电子膨胀阀显著的优势:电子膨胀阀的驱动方式是控制器通过对传感器采集得到的参数进行计算，向驱动板发出调节指令，由驱动板向电子膨胀阀输出电信号，驱动电子膨胀阀的动作，反应和动作速度快，不存在静态过热度现象，尤其适合于工况波动剧烈的热泵机组的使用;电子膨胀阀的过热度设定值可方便调节;采用电子膨胀阀控制压缩机排气温度可以防止因排气温度的升高对系统性能产生的不利影响，同时又可省去专设的安全保护器，节约成本节省电耗约6%'al。在远洋船舶中船舶空调装置中由于其相对恶劣多变的工况条件及较高的工作要求，以电子膨胀阀取代热力膨胀阀具有十分现实的意义。
5.3热焙交换器的应用
热烩交换器是在一个钢制的矩形壳体中设一个电动转轮，转轮由许多浸透吸湿盐的铝合金薄波纹板构成，形成大量狭窄的气流通道。转轮轮流转过紧靠着的舱室排风通道和空调新风通道，交替地向排风和新风吸、放热量和湿量。这样，新风的温度和含湿量会接近排风，可节省冬季对新风加热、加湿和夏季为新风冷却和除湿的量，从而降低空调装置的负荷，达到节能的目的。
结论
现代船舶空调装置应该以实现空气调节功能和达到舒适性为前提，具备控制精度高、节能、高效的技术特征和优良性能，实现船舶运营节能增效的目的。利用半封闭螺杆式制冷压缩机替代活塞式压缩机、风机风量变频调节、电子膨胀阀进行制冷装置流量能量调节和热烩交换器将是今后船舶空调装置实现精确控制和节能的主要技术措施。
【参考文献】
[1] 陈海泉主编. 船舶辅机. 大连：大连海事大学出版社, 2010.
[2] 韩晓波. 船用空调风机变频调节节能研究 2005
[3] 何法明 电子膨胀阀与热力膨胀阀的比较 2004