船用冰浆机制冷系统原理优化设计2

上海海洋大学2014届毕业设计报告（论文）船用冰浆机制冷系统原理优化设计目录TOC\o"1-3"\h\u44411前言 页船用冰浆机制冷系统原理优化设计摘要：冰浆是一种含有大量微小冰晶粒子的固液两相混合溶液，它具有蓄能密度高、可用泵进行输送、可实现完全流动换热、对环境无污染等特点。目前已被广泛应用于降温工程、蓄冷工程、渔业捕捞、医疗保护等行业。然而，如何高效稳定地制取冰浆是冰浆机系统发展和改善的主要方向。本文在综述了各冰种及现今国内外的各种冰浆制取方法的基础上，着重研究了动态过冷水冰浆制取方法。在产冰量给定的前提下，完成了制冷系统的部分设计计算，设计了冰浆生成器，并进一步计算了冰浆机出冰情况。由于过冷水状态很不稳定，并且极其容易受到扰动而结冰导致管道冰堵等不足，所以本设计使用了一种可增大过冷水的过冷度并保持其稳定性的方法，使之能够成为满足船用可靠的冰浆机。关键词：冰浆；制冰机；船用；过冷水OptimizationDesignofRefrigerationSystemforIceSlurryOnboardFishingVesselsAbstract:Iceslurryisakindofsolid-liquidtwo-phasesolutionwhichcontainsvasttinyicecrystals.Ithascharacteristicsofhighenergystoragedensity,extremelysuitableforpumpdelivery,completelyfluidinterchange,andnopollution.Nowadays,iceslurryiswidelyuserintemperature,coldstorageproject,fisheryindustry,medicalcareandotheroccasions.However,howtoobtainiceslurryefficientlyandsteadilyisthemaindirectionwhichthedevelopmentoficeslurrymachinesystems.Inthispaper,variousiceandiceslurrymakingmethodsbothathomeandabroadarereviewedfist,anddiscussthewaywhichistoutilizethesubcooledwatertomakeiceslurry.Whentheiceoutputisstated,thepaperfinishesthedesignofpartcomponentoficeslurrysystem.Designthededicatedassemblyforiceslurrygenerator,furthercalculatetheiceslurrysituation.Thisdesignusedamethodtosolvetheproblemwhichduetosubcooledwaterisinstabilitycausediceagglomeration,tomakethemachineachievethegoal.Keywords:iceslurry;icemachine;marine;subcooledwater1前言近年来，我国经济水平得到了快速的发展，人们生活品质也在不断提高。随着现代渔业的发展，人们对水产品的消费和质量要求也越来越高。水产品的鲜美肉质深受人们的喜爱，其高蛋白、低脂肪的特点更是符合合理膳食的标准，深受广大消费者的青睐。然而，失去生命的机体总是容易腐败。因此,对捕获的水产品应合时合理地采取相应的保鲜措施,以满足商家和消费者的需要。目前，我国渔船保鲜技术仍算落后。大多是在出海捕捞前，先从岸上搬运块冰放入渔船冰库，等要用时将块冰砸碎装箱铺鱼。[1]或者当捕捞大量水产品时，另派运输船来输送。这样不仅不能很好的良好地保持水产品的品质，还会因为各种因素，带来不必要的消耗。如冰块消耗，载冰消耗等。因此，水产品往往由于加工和保鲜技术的落后，结果造成了渔业资源的浪费。冰鲜冷却广泛应用于各类水产品的保藏，冰鲜能有效地降低水产品变质的速度。冰浆冷却保鲜法是作为目前国内外最为高效，可行的水产保鲜技术。使用冰浆冷却保鲜能使水产品品质由低温保质上升为低温保鲜阶段。冰浆的诸多优点已受到国外众多厂商及研究人员的关注，国外渔船大多配备了冰浆机，在保鲜保质的同时又能够降低费用，进一步提高经济效益。因此船用冰浆机在我国也应该得到推广及发展。本文在前人研究的基础上，根据有关理论研究及综合对文献的理解，综述了各种冰的性质及制取趋势，本文的主要内容包括：（1）在阅读大量相关冰的基础上，总结了冰的发展历史及现有冰种的分类。（2)通过查找文献资料，分析了冰浆的特点，阐述冰浆制取的方式。（3）对制冰机种类进行简单归纳并提出了船用制冰机的基本要求。（4）冰浆制取装置的设计。2冰的发展和种类冰在食品保鲜中用途十分广泛，食品冷加工生产中需要用冰，渔轮出海捕鱼需要用冰，鲜货长途运输需要用冰，医疗、生活、科研等都需要用冰。2.1冰的发展人们在掌握人工制冷技术以前是利用大自然的天然冷源。我们勤劳的祖先在三千多年以前就掌握采集天然冰进行冷藏的技术。据史书记载，远在三千年前的商周时代，就已经有了冰窖——所谓“凌阴”，并且有专门负责藏冰的“凌人”。将冬日之冰藏于冰窖之中，《诗经·七月》中有“二之月凿冰冲冲，三之月纳于凌阴”的记述。这是世界上关于采集、贮存和使用天然冰的最早记录。在《周礼·天宫·凌人》中有云：“祭祀供冰鉴。”就是将冬日之冰，盛在冰鉴内，以供夏日宴请宾客和祭祀时用。夏天用来装冰的用具叫“冰鉴”，其实就类似铜制的脸盆，我国北方夏日暑热，用冰鉴存放食物可以防腐保鲜，是自然冰箱。我国考古发掘中就曾发现冰窖遗迹，据考证结构合理，完全可以把冰保存到夏天，时代最早者是东周时期的遗存。《楚辞·招魂》记载：“挫糟冻饮酌清凉兮。”郭沫若翻译为：“冰冻甜酒，满杯进口真清凉。”《楚辞•大招》中说的“清馨冻饮”就是说清澄醇酽的美酒经过冰镇后，非常宜于夏季饮用。楚国地处南方，所用之冰不知出自何处，但盛夏时能够饮用冰镇米酒，的确属于难得的享受。春秋末期，已开始在诸侯的宴席上出现了冰镇米酒。可见，战国时的冷饮制作已达到了相当水平。到了秦代，冰的使用更近一步。据《艺文志》记载：“大秦国有五宫殿，以水晶为柱拱，称水晶宫，内实以冰，遇夏开放。”可见，那时已把冰用于空气调节方面，近似现在的冷气设备。三国时期，宫廷藏冰之风更盛。曹植的《大暑赋》中写道：“积素冰于幽馆，气飞结而为霜。”诗中的幽馆，就是指地下冰窑。《汉书惠帝纪》中记载有“秋七月乙亥，未央宫凌室灾”。三国时，曹操重视冰房建设。《邺中纪》中介绍，当时建造一座“冰井台”规模颇大：“有屋一百四十间，上有冰室，室有数井，井深十五丈，藏冰及石墨”又记载“曹操在临漳县西南设井，建石虎于其上藏冰。三伏之日以赐大臣”。到了唐朝，长安的市场上已经有了专门卖冷饮的商人，据《唐摭言》载：“蒯人如商，卖冰于市。”当时藏冰不易，价格昂贵，唐《云仙杂记》：“长安冰雪，至夏月则价等金壁，惟白乐天以诗名动于闾阎，每需冰雪，论筐取之，不复偿值”。对于夏季用冰，在《玉堂杂记》、《杜阳杂编》等古书中都有记述。在《齐民要术》中还记载农业上用雪水拌种，或把种子浸水后，使其结冰进行冷冻处理，增强种子的抗寒性，以改良种子，提高产量。这种方法还应用于其他作物、动物种卵的冷冻处理和保存。唐代以后，随着社会经济文化的发展，冷饮才开始为一般人所受用，那时有名的“槐叶冷淘”，就是用槐叶汁、甘菊汁和面做成的食品，制成后再放入盛冰水或冰冷的泉水、井水盆中冷却，所以吃起来会“经齿冷如雪”了。到了宋朝，果汁、牛奶、药酒、冰块混合调制成的冰冻饮品大量进入饮食市场，如北宋汴京的“砂糖冰雪冷元子”、南宋临安的“雪泡豆儿水”、“雪泡梅花酒”等。南宋诗人杨万里对当时一种叫“冰酪”的冷饮大加赞赏：“似腻还成爽，如凝又似飘，玉料盘底碎，雪到口边消。”13世纪末，意大利旅行家马可·波罗来到中国，在北京吃到了“冰酪”，设法打听到了这种食品的制法，将“冰酪”传到意大利，后来，在中国原始做法上加以改进，制作出雪糕和冰淇淋。直至清朝，冷饮有了新的突破，带来了冰淇淋的出现。明清时，不少美味冷饮名品相继出现了，仅《红楼梦》中就有酸梅汤、玫瑰露、木樨露、凉茶及玫瑰卤子汤等记载。真正用于渔业生产的天然冰厂还是十九世纪的事。1880年，在上海市的浦东白莲泾和杨思港各建设了一座天然冰窖，库容共约700吨。1948年，舟山地区有天然冰库300座，贮冰量约6万吨。上海市在1958年有天然冰库108座，贮冰约8万吨，其中用于渔业的约6万吨，其余的供应工业作防暑降温用。[2]随着生产的发展，用冰量大为增加，天然冰显然已经不能很好的满足要求，于是便开始用人工方法来制造。最早的人造冰技术可以追溯到三千多年前的古埃及，当地人在寒冷的夜晚，把装满水的小盘子露天放置，如果当晚气温接近冰点，并且起风，那么第二天早晨，水面上就会结一层薄冰。古希腊人进一步利用了水能够蒸发吸热的原理，他们将陶制瓶灌满水，然后放在通风的地方，并且整夜不停地向陶制瓶喷洒冷水，利用水蒸发吸热的原理，瓶内的水便会逐渐结冰。很早以前，我国人民就学会了人工造冰，当时沿海渔民在出海捕鱼时，就制造冰来保藏鱼类。这就是人们所说的“冰鲜船”。[3]以上所说的人造冰，仍受季节和条件的影响，并不能很好的造成及贮藏。随着科技的发展，人类在同大自然的斗争中获得了更多的启发。机械制冷技术的发展是从1834年到1859年形成的。即经过气化方式，膨胀方式和吸收方式发展起来的。气化方式：1834年美国人Jacob·Perkins利用乙基乙醚液体，发明了汽体压缩式制冷机。1853年美国人采用Perkins的东西为模型，制出了日产750公斤的制冰装置，运行几年后，因成本比天然冰高，在商业上以失败告终。1857年Ferdinand·Kaare对乙醚压缩机进行了改进，制出了一台改良的乙醚压缩机。后来他改用氨来代替乙醚，制出了用氨的吸收式制冷机。1865年美国人Thaddeus·Los制出了二氧化碳压缩机。1874年瑞士人Raoul·Pictet制造了二氧化硫压缩机。1867年德国人Kaur·Van·Lind归纳了氨压缩的理论，制造出性能优良的氨压缩机。膨胀方式：1844年美国医生John·Cary为缓和病人的痛苦，制造了将经过压缩的空气使其膨胀的制冷机。1862年苏格兰人Kerk将空气机作了较大的改进。以后经过很多人的改进，到1890年，二氧化硫压缩机在船舶上使用，居有独占的地位。吸收式：1857年Ferdinand·Kaare发明氨吸收式制冷机在工业上已达到实用化。在1867年美国有日产60吨的制冰厂是用吸收式的制冷机。上述发明的各式制冷机，起初大都是为了制冰用的。2.2冰的分类冰在各行业的用途广泛，所以其种类、形状也多。冰的分类可见表2-1。[4]常见冰的具体性能见表2-2。表2-1冰的分类分类方式冰的名称冰的制取特点或型式用途工农业用冰用普通自来水或纯净海水冻结成的冰食用冰用经过消毒的食用水制成的冰形状块冰冻成的冰外形呈块（桶）状管冰制成的冰外形呈管段形状，管段呈圆柱形中间透空片冰制成的冰外形呈薄片状，厚度约为2mm小于5mm的冰为片冰板冰厚度约为5~10mm的平板形或圆弧形冰晶体冰霜与冰晶的共存，有一定的流动性。颗粒冰有圆形、方形、异形、雪花和鳞形等各种花色形状的冰颜色白冰水结成冰时，冰体中含有空气，使冰体不透明呈乳白色，如桶式块冰透明冰在白冰的生产过程中，增加“吹气”和“抽芯水”工艺所制得的冰彩色冰在食用生产过程中，增加食用色素所制得的冰有无添加剂无味冰以符合卫生条件的水，不加任何处理而制得的冰咸味冰含有一定盐分的冰调味冰在食用冰中含有适量调味品的冰，一般用于冷饮防腐冰在水中加入消毒剂、防腐剂制成的冰，一般用于冰鲜鱼货获取方式天然冰江、河、海水中的天然冰人造冰各种人工制冷方式获得的冰制冷原理直接蒸发制冷各类快速制冰方式间接蒸发制冷桶式盐水制冰装置制冰速度快速制冰片冰机、管冰机等慢速制冰桶式盐水制冰装置续表2-1使用对象工农业用冰工农业生产过程用冰，如建筑施工、冶炼等用冰商业制冰餐饮业和冷饮品商店使用家庭制冰家庭小型制冰机出冰方式连续制冰片冰机、结晶冰机等间歇制冰板冰机、管冰机等表2-2各类冰的性能比较冰种性能块冰板冰片冰管冰冰浆水源淡水、盐水淡水、海水淡水、自来水、地下水淡水、自来水、海水淡水、盐水、海水制冰过冷度轻微5~8℃轻微5～8℃高6~12℃一般5~10℃一般5~10℃规格重量5~50kg/块大小：40×40mm~80×80mm，厚度10~15mm大小：40×40mm，厚度1.5~2.5mm外直径：ø22、ø29、ø35mm，高度25~42mm，中间的内孔直径可调，一般在ø5~10mm之间直径通常为：50µm~100µm外观形状描述在冰类产品中外形尺寸最大不规则板状的冰片不规则鳞状的冰片较规则的中空圆柱形球状微粒冰晶体和液体的混合物特点与外界的接触面积小，不易融化冰块较厚、储存期长、不易融化，透气性好冰较薄、接触面积大、没有尖锐的菱角、易粉碎，可塑性强冰块较厚且透明、美观、储存期长、不易融化，透气性好冰粒细小圆滑、具有流动性可泵送、可喷淋，降温效果好适用于冰雕、冰块储存、海运、海上捕捞，粉碎后适用于所有用冰的场所混泥土搅拌站、化工厂、矿井降温、蔬菜保鲜、渔船水产品保温混泥土搅拌站、化工厂、矿井降温、滑雪场、医药、水产品保鲜日常食用、蔬菜保鲜、渔船水产品保鲜水产加工、蔬菜保鲜、降温工程、蓄冷工程、商场超市、渔业捕捞用于冰鲜渔获物效果少量损伤表皮损伤表皮损伤表皮少量损伤不损伤表皮冰、鱼间隙较大冰、鱼间隙较大有冰、鱼间隙有冰、鱼间隙与产品紧密接触有污水产生，更换困难有污水产生，更换困难有污水产生，更换较难有污水产生，更换较难有轻微污水产生，可更换融冰时间长长较长较长短输送方式输送带输送带输送带输送带泵输送贮存方式需冷库贮存需冷库贮存需冷库贮存需冷库贮存需保温密闭空间3冰浆冰浆是一种不同于传统固体冰的全新概念的冰，它是一种可流动的冰，是指冰晶和水溶液（常见的有海水、盐水、甜水或乙二醇）的混合物。冰浆也被称作流态冰、流化冰、液体冰、流冰、流体冰等多种名称。3.1冰浆与固态冰的比较（1）块冰是通过将水在模具里冻结制成的，典型的重量有25、50kg，整块储存，通常在使用前将其打碎成无规则形状的小碎冰。（2）片冰是通过在蒸发器圆筒外表面冻结薄的水层，并将其刮成小片状制成。片冰通常大于1mm且带有锋利的边缘，当用片冰对产品降温时会刮伤产品表面，且因产品表面形成气穴和其自身的无规则形状，而损失20~50%的制冷效率。（3）管冰是通过冻结在竖直钢管内的水制成的，出冰时会被切成固定的长度。（4）除上述的冰以外，还有许多种小尺寸的冰，如雪或粉末冰，板冰，带冰，方块冰等。（5）冰浆是一种带冰晶、水基的悬浮液。对比其它传统方法，它有更强的制冷性能，因其具有更大的热交换表面积，提供了3~5倍多的制冷能力。可快速充分地将被冷却物冷却，避免刮伤、感染和腐烂。注：以下图中显示了各种冰和冰浆的区别，以及关于冻结最初温度是35℃的500克美国红鱼的各种实验。从中可看出，对比其它方法冰浆的降温速度快了很多。图3-1各冰种降温效率图3.2冰浆的优点冰浆是冰晶和水的混合物，冰晶的直径一般在几十到几百微米之间，对比其它形式的冰，冰浆具有许多优点：（1）可以完全利用表面冷却区域，大大提高了冷却效率。（2）可用管道或软管输送，如图3-2。既节育运冰成本，又降低劳动强度。（3）晶体冰为球状体，单位表面积重量比大，与被冷却物可实现无损坏密切接触，冷却速度为传统固体冰的2~4倍，大大降低了菌类的繁殖率。（4）质软，不会伤及食物的生物组织。既完美地保持了食物的原味，又极大地延长了食物的保鲜期。图3-2泵送冰浆3.3冰浆用于渔业保鲜的功效冰浆已在少部分国家的近海以及远洋捕捞船，沿海鱼类加工厂得到了应用，作为一种理想的载冷剂，冰浆可用于水产品冷却、控温、贮藏、包装运输等多个环节。在鱼类保鲜中使用冰浆的明显优点有：（1)冰浆对各鱼种具有极高的冷却速度，可比传统冰快5倍，比高浓度溶液冷媒快2~3倍,有效地抑制了鱼体内细菌的繁殖,保持海鲜等产品原味，从而保持其鲜度。(2)与其它冰种不同,冰浆细小圆滑,无锋利边缘,冷却过程中不会对鱼表皮造成任何损伤,可保持恒温，使产品全方位、长期保持在一定的温度。(3)冰浆的冰粒特别细小,可与物体密切接触，全方位冷却、冷藏可以充填到任何孔隙,对鱼的贮藏和运输起到很好的密封作用。(4)冰浆也可用于鱼类深冻的前道工序,以节省深冻费用。图3-3冰浆冻鱼3.4冰浆的形态冰浆是一种具有多种用途的冷媒，通过调节其含冰率，就能体现不同的形态用于不同的领域：（1）当含冰率在20~25%时，冰浆可以像普通的水一样流动。（2）当含冰率在40~50%时，冰浆表面呈现黏稠形态。（3）当含冰率在65~75%时，冰浆呈现软冰激凌的形态。（4）当含冰率为100%时，冰浆呈现出非黏结冰晶的形式。图3-4冰浆的各式形态3.5冰浆的制取目前国内外制取冰浆的方法大致可归纳为以下三种：(1)具有机械刮板装置的制取冰浆方法。采用海水（或淡水中添加少量盐或乙二醇）制取，制冰主要部件是冰筒（蒸发器），冰筒设计成内外套结构，制冷工质在内筒和外筒之间蒸发。在内筒中装有快速旋转的机械刮板，由独立电机驱动，刮板紧贴内壁转动以避免海水中析出的冰晶颗粒冻结在筒壁上，海水由内筒下方进入，制成的冰浆由上方流出。由于机械刮板的作用，蒸发器内筒壁有较高的换热系数，但需要消耗额外动力。冰浆的含冰量通常在30%~60%，可根据盐水浓度和蒸发温度进行变化。该制冰方法不能用淡水制冰，因为淡水极易冻结在筒内壁上，工艺对制冰筒内筒非椭圆度、光洁度、所用不锈钢材料以及机械刮板装置的安装精度都有较高的要求，使得冰筒成本较高。该制冰方法用于空调冰蓄冷时有两方面不够理想：一是蒸发器内筒直径不宜过大，内径过大一方面使得机械刮板扭矩增大，另一方面蒸发面积没有蒸发器体积增加得快，造成结构上的不合理性，因此该制冰方法不适合制作大功率机组。目前在大规模制冰情况下，也有采用多个蒸发器（制冰筒）并联运行的方法，采用联合传动装置同时驱动多个冰筒刮板，但不可避免地增加了系统的复杂性和降低了运行的可靠性；二是制冰过程中，由于所析出的冰晶成分主要为淡水，因此随着冰晶颗粒的析出和蓄冰，海水中含盐浓度不断增加，析冰温度将随之降低，对制冰热力效率产生影响。机械刮板装置制取冰浆是目前商用系统中性能较为稳定的方法，有旋转刮片式和行星转杆式两种，原理图见图3-4和图3-5，性能比较见表3-1。[5]图3-4旋转刮片式图3-5行星转杆式表3-1壁面刮削型冰浆机的性能比较旋转刮片式行星转杆式公司Sunwell（加拿大）Mueller（美国）溶液添加剂氯化钠，乙二醇乙二醇，丙二醇冰晶（µm）250~50050~100旋转装置塑料刮片不锈钢行星转杆转速（rpm）450850蒸发器形式壳管式，满液型壳管式，满液型制冷剂类型R22，R404，R717R22，R717，R134a蒸发温度（℃）-10~-19-8~-10（2）以水为制冷工质的压缩式制冷制取冰浆方法。以淡水为制冷工质，同时也是制冰原料，采用透平式压缩机（实际上是抽真空）制冷，使水在低压环境下通过闪发式蒸发器蒸发，最低温度可达-3℃，在低于0℃时水中有冰晶生成，用这种方法制取的冰浆含冰量通常很低。由于水在低温时比容较大，该制冰方法的关键设备是透平式压缩机，价格较高，目前德国汉堡INTEGRAL公司可生产制造，并拥有该方面的一些相关专利技术。国内尚未见该种制冰方法的报导。（3）过冷水动态制冰。将水控制在非常稳定流动状态下对其降温，使之达到过冷状态而不让其结冰，目前技术可达-3℃左右，然后通过过冷解除装置，如让流动的过冷水撞击固体表面，突然增加其扰动，破坏过冷状态，使之析出冰晶颗粒。图3-6为过冷水法制冰原理示意图。日本对该种制冰方法做了大量研究，目前处于该项技术的领先地位，但该种制冰方法至今仍还不成熟，尚未广泛推广到实际应用，主要问题是过冷水是一种极不稳定的状态，很容易受到扰动而发生结冰，冻结管道。如何增大过冷水的过冷度并保持其稳定性是目前研究的方向。图3-6过冷水动态制冰系统流程图4制冰机制冰机是一种将水通过蒸发器由制冷系统制冷剂冷却后生成冰的制冷机械设备。根据蒸发器和生成过程方式原理不同，生成的冰的形状也不同，有流体状的液态冰、也有不同形状的固态冰（比如薄片状、小形四方块状、长方体形状、圆柱体形状）。也可以根据外观，分为透明冰、不透明的乳白色冰和带颜色的冰块。4.1制冰机的种类制冰机可以分为商用制冰机、家用制冰机、工业用制冰机。制冰机从产冰形状可分为：管冰机、块冰机、片冰机、板冰机、（食用）颗粒冰机、冰浆机。一般来说，管冰机和颗粒冰机制造出来的冰具有食用功能，而其它制冰机为工业用制冰机。4.2船用海水制冰机船用海水制冰机是一种连续出冰，生产高温海水软冰的制冰设备。可就地取水，制成的冰保鲜效果良好，可有效提高水产品成活率及食用品质。即用即产，按需制冰，节能高效。图4-1配备冰浆机的渔船4.2.1船用制冰机的技术要求（1）能适应倾斜与摇摆状态下正常工作；渔船在航行中，由于受到风浪的影响，常处于左右、前后倾斜摇摆状态下，船用制冰设备应能在这种状态下正常运转和可靠地工作。（2）防腐蚀；海面上空气潮湿含有盐分，有些部件的表面还直接和海水接触，受到严重腐蚀。因此，必须对这些部件的用途和处理方法采取有效措施。（3）强度要高；船用设备工作环境恶劣，振动较大，又有受外界冲击的可能，要求零部件材料强度、试验压力均比陆用机为高。（4）密封性要好；目前渔船上多以氟利昂为制冷剂，氟利昂渗透性强，无色无味，泄漏时不易发现，且价格昂贵，一旦泄漏，难以补充。为此，对系统的密封性要有更高的要求。（5）起动性能好；因船上配套的发电机组容量有限，制冷压缩机应能处于卸载无负荷状态下启动。（6）寿命长；要求制冷设备整体部件寿命要长，方可在带来方便的同时具备良好的经济效益。（7）制冰设备设计尺寸合理，结构紧凑，重量轻，体积小。（8）操作上要灵活可靠，应多采用集中监控，提高自动化和半自动化水平。[6]4.2.2船用制冰机的优点原水域制冰：由水产品所处海水制作而成的高温软冰，能使水产品的保鲜期延长。因此采用原水域制冰不仅方便，又可提高水产品的品质。节能：水产品使用高温冰进行保鲜，可以降低制冰的能耗。制冰机的冰温可调节，可满足全天候、全球海洋区域用户的需求。经济效益好：船用制冰机能够免去购冰费、人工费、降低油耗及耗冰费用等。可随时连续产冰，按需制作，使损耗降到最低。4.2.3制冰机在其它领域的应用空调蓄冷设备：空调系统现在已是人民生活中必不可少的设备之一，由于电力供应较为紧张及用电不平衡，急需用其它辅助方法缓解。冰蓄冷是常用的方法之一，制冰机能够连续出冰，便于运输、且所产的流态冰换热效果好。混凝土冷却搅拌：在搅拌混凝土时加入淡水冰可以增强混凝土强度、缩短保养周期。大型超级市场、卖场、菜场等的食品保鲜。餐饮业中饮料冷却及新鲜果汁的制作。医疗、生物制品的保存、物理化学实验、软冰局部降温。[7]图4-2冰浆蓄冷4.3制冰机的发展趋势近些年，随着技术水平的提高以及对保鲜、卫生、安全的需要，我国农产品、生鲜食品、海产品和商超零售等市场对冰的需求日益增高。制冰机具有以下发展趋势：（1）加强蒸发器效率，缩短成冰时间。（2）通过强化传热手段提高制冰效率。（3）改善零部件材质、加工精度、装配技术。增加报警、保护装置，保证运行稳定、可靠。（4）注重节能，从制冰到脱冰实现全过程自动化控制，提高运行效率，节约人力资源。（5）采用新型材料，减轻制冰机重量，减小制冰机体积，使得制冰机移动方便，不占空间。5本文概述本次设计为船用海水冰浆机，日产冰浆量2吨。设备有制冰机、冰浆生成器。循环水泵、冰晶桶、冰浆再生机、冰浆泵以及自动控制装置、配电箱等一系列辅助设备。海水从预冷水槽底部被制冰循环水泵抽到制冰机的制冰器中，在制冰器里海水中的部分淡水析出冰晶或变成过冷水，冰晶直接送往冰晶桶，将过冷水导出进入冰浆生成器后再送往冰晶桶内，过冷水在冰晶桶析出冰晶，在浮力作用下，冰晶分离分布在冰晶桶上方，水在下方被循环水泵抽到预冷水槽，如此循环。图5-1为本设计选用的制冰原理图。在需要用冰时，冰晶桶上方的刮刀的把冰晶刮出，冰晶进入冰浆再生机中，在冰浆再生机里冰晶与水按使用要求混合、搅拌，形成冰浆，再将冰浆泵送到各个用冰点。当不需要严格的冰晶混合率时，可以将制冰机与冰浆再生机直接连接，采取周期制冰，冰晶率达到使用要求后，停止制冰机制冰工作，开启冰浆再生机搅拌工作，再由泵将冰浆往外送。图5-1冰浆制取原理图6基本设计参数的确定6.1水文资料的确定本次设计的冰浆机所使用的渔船主要作业于中国东南沿海。东海位于亚热带，年平均水温20℃~24℃，年温差7℃~9℃海水平均温度9.2℃，冬季南部水温在20℃以上，其盐度为31~32‰，东部为34‰。中国沿海岛屿约有60%分布在该区，主要有台湾岛、舟山群岛、澎湖群岛、钓鱼岛等。我国大陆流入东海的江河，长度超过百公里的河流有40多条，其中长江、钱塘江、瓯江、闽江等四大水系是注入东海的主要江河。因而，东海形成一支巨大的低盐水系，其盐度在34‰以上，成为中国近海营养盐比较丰富的水域。海水的结冰温度随着海水盐度的增加而降低。[8]6.2设计参数的确定本次设计这要技术参数设定如下：（1）海水冰点为-2℃，过冷到-5℃。在制冰前，将海水在蓄水箱中预冷至10℃；（2）制冰机的产冰量为2t/d，即冰浆量为84kg/h；（3）冰晶与海水的混合比例为1：1，即冰晶率定为50%；（4）海水比热容取为4.19kJ/kg℃，冻结潜热334.9kJ/kg，海水冰比热容取为2.09kJ/kg℃。[9]7制冰机设计7.1确定设备材料海水是自然界中具有极强腐蚀性的天然电解质，海水中几乎含有地球上所有化学元素的化合物，成分非常复杂。海水中还含有溶解氧、海洋生物和腐败的有机物，这些物质很容易破坏金属部件表面的保护膜，发生局部腐蚀。制冰设备支撑架采用高韧性全塑材料，直接与海水接触的设备采用双相不锈钢。冰晶分离桶内的刮刀需要一定的刚度和强度，可选用工业聚乙烯等材料。其它部件均要做好防腐工作。制冰设备应由结实且防腐蚀的配件组装而成，可以承受严酷的海洋环境。7.2确定制冷剂船舶如水上的移动建筑物，它短时间内需经历巨大的环境变化，还需承受极大的倾斜、摇摆、冲击与振动。因而，长期以来，船用制冷剂选取以安全为首，即使在当前强调环境保护、节能减排势态下，船用制冷剂选取仍以安全为首，然后兼顾环保、节能。本次制冰设备制冷剂采用R404A，制冷剂R404A由HFC125、HFC-134a和HFC-143混合而成，在常温下为无色气体，在自身压力下为无色透明液体，是一种不会破坏臭氧层的混合制冷剂。可作为R502和R22的长期替代品，R404A广泛适用于超市冷冻柜、陈列柜、运输冷冻、制冰机等领域。7.3确定蒸发温度和冷凝温度蒸发温度tz=-5-5=-10℃，过热度取20℃；tx=-10+20=10℃式中：5℃为蒸发温度与实际冰温的温差，tz为蒸发温度，tx为吸入温度。冷凝温度（采用水冷）ts1=25℃ts2=Ts1+3=28℃式7-1过冷度取5℃。式中：ts1为冷凝器进水温度，取25℃；ts2为冷凝器出水温度，取28℃；Δtm为对数平均温差，经济取值范围为4~6℃，本例取5℃；tl为冷凝温度。7.4制冷量的确定本设计制冰机日产冰浆量为2吨，根据设计参数可知，实际每天需冻结的海水质量为1吨，质量流量为42kg/h。（1）显热式7-2式中：Q1——海水冷却至冰点所需的冷量kWG1——冻结水量kgC1——海水的比热容kJ/kg℃Δt1——进水与冰点温差℃式7-3式中：Q2——海水冰冷却至所需温度所耗的冷量kWG2——结冰量kgC2——海水冰的比热容kJ/kg℃Δt2——海水冰点过冷度℃（2）潜热式7-4式中：Q3——结冰时所需的潜热耗冷量kWG2——结冰量kgC3——冻结潜热kJ/kg（3）所需制冷量总制冷量为显热与潜热之和，考虑到热损耗，一般取总热负荷的30%。7.5压缩机的选型计算图7-1R404A压焓图根据Coolpack制冷剂物性软件（丹麦科技大学能源工程系，使用版本为2.84），查得制冷剂R404A：Pz=0.43MPa，pl=1.49MPa；h1=380.00kJ/kg，v1=0.05m3/kg；h2=407.70kJ/kg，h3=241.19kJ/kg；p3=1.49MPa，p4=0.4MPa。7.5.1计算（1）单位制冷量式7-5（2）制冷剂质量流量式7-6（3）压缩机理论输气量式7-7式7-8式中：h1、v1——吸入气体的焓和比容，kJ/kg,m3/kg;h3——节流阀后制冷剂的焓值，kJ/kg;Qj——该蒸发温度压缩机总负荷，kW；λ——压缩机的输气系数；n——压缩指数，无因次。这里取1.2。7.5.2选型通过比泽尔产品手册选用1套型号为2DES-2Y采用半封闭往复活塞式压缩机，技术参数见表7-1表7-1压缩机技术参数（SI）电机配置2启动电流（电机堵转）30.7A排气量（1450g/min50Hz）13.4m3/h防护等级IP65汽缸数×缸径×行程2×50mm×39.3mm重量68kg电机电压220~240V△/3/50Hz380~420VY/3/50Hz最大运行电流7.5A(Y)吸气管线连接22mm最大输入功率4.0kW排气管线连接16mm最大压力19/32bar电机保护模块SE-B1所选用的压缩机输气量为13.4m3/h（Hz）>11.84m3/h，符合。7.5.3校核实际制冷量式7-9故所选压缩机能够满足此制冰机制冷要求。式中：∑Gc——制冷剂实际总流量，kg/s；。其中：∑Vp——选用压缩机理论总输气量，m3/s。7.6冷凝器的选型计算卧式壳管式冷凝器普遍应用于中小型的氨制冷系统和氟利昂制冷系统；尤其在可利用空间有限的船舶中，由于它占空间高度小而有利于空间的立体利用，因此其应用更为广泛。本设计采用水冷卧式冷凝器。7.6.1计算（1）冷凝器热负荷计算冷凝器的热负荷就是使高温高压的制冷剂气体在冷凝器中液化所必须带走的热量。式7-10式中：G——制冷剂流量，kg/s；h2，h3——冷凝器进出口制冷剂焓值，kJ/kg。（2）冷却面积计算式7-11式中：F——冷凝器传热面积，m2；qf——冷凝器单位面积热负荷，kW/m2，本例取3.6kW/m2。[X]7.6.2选型选用永鸿LNH高效氟利昂海水冷凝器，型号为LN-12，水冷卧式，采用特殊耐海水腐蚀的换热铜管，16MnR钢板等优质材料制造。换热量为12kW，外形尺寸为960×190×160。7.7冰浆生成器的选型海水在蒸发器降温时需保持稳定流动。过冷水处于一种亚稳定的状态，水在进入过冷器之前采取了一系列防冻结措施。当在过冷器出口获得较大过冷度的过冷水时，需要采用过冷消除装置来打破稳定以获得冰晶。应用较为广泛并且结构简单的过冷消除装置有挡板和容器壁。[10]图7-2挡板消除过冷图7-3管式消除过冷本冰浆生成器在管内壁均匀涂有氟碳纳米层，此法可降低管内壁表面自由能即能有效地防止冰晶生成。在生成器入口端装载可调节的电加热器和过滤网可防止冰堵，在冰浆生成器中还装有推进设置，当产生冰堵时，可强行推进将冰晶推出，并在冰浆生成器前装过滤器来扰动过冷水，过冷消除装置为根据碰撞解除过冷方法所设置的150目筛网，同时内垫多层20目不锈钢滤网，使过冷水冲撞滤网出现冰晶且进入冰晶桶。7.8节流装置的选型计算7.8.1计算（1）膨胀阀前后压差计算ΔP=Pl-Pz=P3－P4=1.49-0.44=1.05MPa式7-12经过膨胀阀总的压力降ΔP=(Pl－Pz)－(ΔP1+ΔP2+ΔP3+ΔP4+ΔP5)式7-13式中：ΔP1—在液体管路上的压力降，ΔP1=0.1barΔP2—假定在过滤器，视镜，手动截止阀和管子弯头中的压力降，ΔP2=0.01MPaΔP3—在直立液体管路中的压力降，求得ΔP3=0.02MPaΔP4—液体分布器中的压力降，ΔP4=0.03MPaΔP5—分液管中的压力降，ΔP5=0.03MPa故ΔP=1.05－（0.01+0.01+0.02+0.03+0.03）=0.95MPa（2）流量计算式7-14式中：G—流过节流阀的制冷剂流量，kg/sA—通道截面积，m2ρl—节流阀前液体的密度，kg/m3ΔPv—节流阀前的压力差，PaCD—流量系数，无因次7.8.2选型根据制冷剂为R404A，制冷量6.647kW，压降0.96MPa，选用丹佛斯热力膨胀阀TES5-3.7，外平衡式。结论通过阅读大量文献，结合实际生产综合分析了各冰种的性质后，发现了冰浆是常规载冷剂的潜在替代物，其具有高密度蓄能和连续高冷量输送的等优势。冰浆作为保鲜介质也是水产品保鲜技术的发展方向，其技术的突破能够使所捕获的产品向更远的地方推进，使各个地方的人民都能吃上新鲜美味的水产品。本文阐释了制冰的发展历史，冰浆的制取方式，综合对比了现