船舶空调制冷系统及节能措施

1、大连海事大学毕业论文二零一四年十月船舶空调制冷系统及节能措施13 / 14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。万吨级以上远洋船舶空调系统耗电功率约占船舶电网总容量 20%,是现代船舶主要耗能装置。目前，随着石油价格逐渐攀升致使船舶 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空调装 置制冷效率实现能耗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，船舶制冷系统主

2、要元件，船 舶常用制冷剂和船舶上常用压缩式制冷工作原理以及船舶空调装置一些 新技术跟踪研究，分析总结出船舶空调装置节能儿点措施。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

3、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 oper

4、ation 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

5、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 som

6、e 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、旅客工作和生活创造适宜人工气候，还为船舶 其它潜械设备正常运行提供必备环境。远洋船舶空调设备是船舶主要设备 之一，其用电量占全船电网容量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，预测诊断潜在故障，是船

7、舶安全运行重要保 障和提高船舶经济性能必要因素。如何实现船舶空调安全运行和节能，已 经成为航运界关注重要课题。1制冷方式制冷方法很多，根据制冷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。1.1 压缩机制冷压缩机是制冷系统核心部件，通常称为制冷机主机。科学技术进 步，新式制冷系统不断出现，推动了制冷压缩机制造技术不断进步。从目 前制冷压缩机发展趋势来看，结构紧凑

8、、高效节能以及振低噪等特点是 制冷压缩机制造技术不断追求目标。制冷压缩机作用：1、从蒸发器中吸收蒸气，以保证蒸发器内一定蒸发压力；2、提高压力（压缩），以创造在较高温度下冷凝条件；3、输送制冷剂，使制冷剂完成制冷循环。制冷压缩机种类很多，船舶上通常使用是容积型压缩机，它是靠工 作腔容积改变来实现吸汽、压缩、排汽等过程。属于这类压缩机有往复 式压缩机和回转式压缩机。2. 2冷凝器冷凝溶是制冷系统中一种热交换器，使制冷剂过热蒸汽受冷却凝结为 液体。冷凝器种类很多，大中型制冷设备常用有卧式壳管式、立式壳管式、 淋水式、蒸发式、空气冷却式和板式冷凝器。船舶上冷却源是海水或者河 水，因其船上常用壳管式和

9、板式冷凝器。2. 2.1卧式壳管式冷凝器钢制圆柱壳体两端焊有端盖，在壳内装有一组横卧直管管簇。这种冷凝器优点是结构紧凑、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，其特征是所述传冷板片设置有汽孔、水孔，汽孔、水孔位于板 片四角，汽孔、水孔外侧设置有边槽，边槽相互连接，在边槽包围区域内 设置传

10、冷区，传冷区内设置传冷沟槽，在传冷板片两端设置有挂架孔。2.3膨胀阀它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 冷系统工质流量调节元件调节系统冷剂流量，以及调节蒸发器出口处冷剂 过热度。目前船上多数使用热力膨胀阀。它结构原理图如下：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过热度来调节制冷剂。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，

11、感温包 温度升高，使膜片下移，阀口开启度增大，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开启度，供液量随负荷大小自动 增减，可保证蒸发潜传热面积得到充分利用，使压缩机正常安全地运行。2. 4蒸发器蒸发港是制冷剂吸收被冷却介质热量热交换器。蒸发溶吸热能力称为 蒸发溶制冷量，它反映装置制冷能力。蒸发器吸热能力大小取决于蒸发器 传热面积、传热系数和传热温差。蒸发器工作时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情况下尽可能缩小蒸发器 尺寸，就需降低蒸发温度。然而蒸发温度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潜传热温差在一个合适

12、温度范围 内，即冷风机传热温度510；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610。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作用下将 热量传递给周围介质物质就称为制冷剂。2.1 制冷剂要求应根据所用制冷机型式和要求制冷温度选择制冷剂。并满足以下要 求：（1）用环境温度水或空气冷却时，冷凝压力不太高（2）标准沸点tb比所需蒸发温度低（510c ）（3）压缩机排、吸气压力比不太高,使人不致过低（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，保持滑油性能和使用寿命。（6）热导率较大，减小换热器尺寸。（7）粘

13、度较低，管路流动阻力损失小。（8）临界温度tc （约为标准沸点1.41.6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 层损耗作用和温室效应比较轻微。2.2 常用制冷剂性质（r12禁用，r717船上不用）制冷剂的主要热力和物理参数制冷剂r22ri 34ar404ar407cr410a分子式或组分chcif,wc*r125/143a/134a (44/52/4)r3 2/125/134a (23/25/52)r32/125(50/50)相方分子质蚩86.47102.0397.6086.2072.58标准潴点4/ 温度潭移（七） pfp。（mpa） 30七，一15七-4

14、0.8 0-26.07 046.48；0.78-43.8/7.0851.6/0.054.05=1.20/0.2974.7= 0.771/0.1643.9= 1.4150.363445= 1.175/02643.92=1.89/0.484等牖压缩排气温 度七（低温工况）9075708094小七）丸 （mpa）96.1/4.98101.1/4.0672.1/3.7487.3/46372.5/4.95密度（24七） 液/气 （kg/m3）119445/43.031210.5/31.391050/62.211140/39.1s1070/63.29热导率（24七）液气（miv/iirk）84.1/11.

15、3081.6/13.7267.9/16.0(12mpa)89.9/14.90<1,2mpa)1073/13.92<12mpa>粘度（24七）液气（3 pas）167.7/12.63200.4/11.76130.0/1234cllmpaj152.1713.0(1.2aipa)1403/13.06 (12mpa>odp0.0340000gwp170013003800170020003. 3常见制冷剂3. 3.1 r22 （二氟一氯甲烷chc1f2）标准沸点一40. 8,适用冷库和空调，是船上广泛使用制冷剂，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

16、部分（冷 凝器、贮液器中）r22与油完全溶解；在低温侧，r22与油混合物处于溶解 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”进液方式；管内制冷剂要有足够流速；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冷冻机油 减到最少。属hcfcs,今后需由新制冷剂取代。3. 3.2r134a （四氟乙烷ch2fcf3）标准沸点一26. 5,适用于船舶空调制冷装置。属hfcs, 0dp=0,是r12 代用品

17、。qv与r12相近，制冷量相同时压缩机容积流量需比用r22大50%以 上，适合螺杆式和离心式压缩机。ri34a与r12在溶油种类和溶油特性上都 有很大差异。ri34a分子极性大，在非极性油（例如矿物油和烷基苯油） 中溶解度极小。ri34a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。ri34a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温度、压力范围运行有困难。pags用作ri34a系统冷冻机油对金属有轻微腐蚀。腐蚀程度取决于金属 微观结构和系统含水量。ri34a自身不具备润滑性。机器中运动部件供油 不足时，会加剧磨损甚至产生烧结。为此，在

18、合成油中需要增加添加剂以 提高润滑性。ri34a对非金属材料膨润作用比r12略强。但ri34a热分解温 度远高于压缩机和系统中可能出现温度，在一般制冷应用范围，其化学稳 定性是良好。ri34a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cfc电子检漏仪对ri34a反应不敏感。这给制 造和维修带来很大麻烦。ri34a价格昂贵。ri34a温室效应指标比较高。3.3.3 r404a是r125/143a/134a （44/52/4 ） hfcs近共沸混合物，标准大气压下泡/ 露点一46.48/45.71。一款由hfc类物质组成混配制冷剂，不含任何破 坏臭氧层物质，其o

19、dp值为零，是r502制冷剂最主要中长期替代品。r404a 适用于中低温新型商用制冷设备（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可正常运作环境，得到全球绝大多数制冷设备制造商所认可。 并在其生产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温度。压缩机不断地抽吸蒸发器中产生蒸气，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

20、却和冷凝时放出热量传给冷却介质（通常是水或空气）与 冷凝压力相对应冷凝温度一定要高于冷却介质温度，冷凝后液体通过膨胀 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，剩余液体温度降至蒸发温度，于是离开 膨胀阀制冷剂变成温度为蒸发温度两相混合物。混合物中液体在蒸发器 中蒸发，从被冷却物体中吸取它所需要气化潜热。混合物中蒸气通常称为 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。冷凝器小排气管图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变频调速技术应用万吨级以上远洋船舶空调风机耗电量一般占船舶电网容量8%- 13%, 是船舶主要能耗

21、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，空调系统能效比 下降，整个系统经济性变差。同时在纬度较高海域航行时会出现房间温度 偏低，风量偏大，空调风机背压升高，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可调节量占额定风量14% - 90% 才能满足要求。因此，调节风机风量是空调节能重要途径。目前，船舶空 调系统普遍采用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一种有效方法。

22、从理论上 讲，风机功耗和其转速三次方成正比。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 机为同一风机船舶，空调风机变频节能率可高达66. 42%,风机全年运行产 生节能效果极为可观。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

23、似正弦波交流电输出。变频控制依据是空调 系统热力状态参数变化。变频控制器采集各个相关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调节，以尽快达到平衡。控制器还负责 各种安全电路监测。5. 2电子膨胀阀应用目前大多数商船空调装置中采用节流装置都是热力膨胀阀。热力膨胀 阀主要缺点有:对过热度响应延迟时间长;调节范围有限，这对于负荷变化 较大船用空调装置或者采用变频压缩机系统，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流量，属于电子式调节模式。 它具有热力膨胀阀无法比拟优良特性，为制冷系统智能化控制提供了条 件，是一种很有发展前途自控节能元件。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