集装箱船冷藏集装箱水冷却系统设计

夏小浩 康德军 张 震 鲍超超 郁惠民 陈星达

（1.扬帆集团股份有限公司 船舶设计研究院 舟山316100；2.浙江海洋大学 船舶与机电工程学院 舟山316022）

引 言

近几年来，随着支线航运市场对冷藏货物运输的需求日益增多，同时对货物冷藏效果要求也越来越高，因此建造冷藏集装箱装载量大，冷藏效果好的集装箱船势在必行。目前市场上集装箱船中的一体型冷藏集装箱有两类；一类是风冷式（配套机械通风冷却系统），一类是水冷式（配套淡水冷却系统）。目前市场上多数为风冷式，但在实船运营过程中，水冷式相比风冷式能耗低、环境影响小、控温稳定、冷藏效果更好［1-4］，特别有利于运输水果等对储存温度变化敏感的冷藏食品，所以冷藏集装箱淡水冷却系统的设计成为一个热点。本文结合2 200标准箱集装箱船（310标准箱水冷式冷藏集装箱箱位）实例介绍冷藏集装箱船的水冷却系统的典型设计。

1 冷藏集装箱冷却水系统设计

1.1 设计前期技术准备

1.1.1 冷藏集装箱数量及布置位置

本文以2 200标准箱集装箱船（3 10标准箱水冷式冷藏集装箱箱位）为例，共设5个货舱（No.1 CH～No.5 CH）。冷藏集装箱每个货舱数量分配分别为18只、84只、92只、90只、26只。

根据集装箱箱位布置图，对同个货舱内冷箱数量进行简化统计，为后期分配进出水接口支管做准备，如图1所示。

1.1.2 冷凝器及环境参数

与船东确认冷藏集装箱的冷凝器参数及环境参数，如表1所示。

1.1.3 主要设备参数

与船东确认系统主要设备选型配置，如表2所示。

图1 货舱冷藏箱数分配（一个Rw对应一组进出水支管）

表1 冷藏集装箱冷凝器参数

表2 冷却器及冷却泵配置方案

1.2 主要设备配置方案及参数确定

1.2.1 冷藏箱冷却器及冷却泵方案

冷却器、冷藏箱淡水泵及海水泵的配置方案通常有几种方案，如表2所示。

1.2.2 冷藏箱冷却器及冷却泵参数确定

本文结合实际2 200标准箱集装箱船建造，以“常用方案Ⅱ”配置介绍。以32℃海水温度为计算依据，冷藏箱冷却器的额定热交换量及冷藏箱冷却泵的额定排量根据冷藏箱冷却水系统热平衡计算得出，如图2所示。

图2 2 200标准箱集装箱船冷藏箱冷却水系统热平衡计算图

1.3 冷藏箱冷却水系统原理设计

1.3.1 冷藏箱冷却水冷却的原理

1.3.1.1 淡水侧

该系统以36℃淡水为冷却介质。在淡水系统中，冷却冷藏箱冷凝器的淡水由冷藏箱淡水泵（No.1 & No.2）压入进水总管；由此进入No.1 CH～No.5 CH，分配到每个进水支管，再通过进水软管与货舱中的冷藏箱冷凝器直接相连接，进入冷藏箱冷凝器，带走冷凝器中的热量，通过出水软管连接冷藏箱冷凝器出口与货舱内冷却水管；然后回到出水总管，被引至冷藏箱淡水冷却器（No.1 & No.2），由海水系统冷却，冷却后的淡水又被冷藏箱淡水泵（No.1 & No.2）压入进水总管，形成封闭的循环冷却。系统中设有自动三通温控阀来维持其出口温度为36℃。当温控阀淡水出口温度高于36℃，温控阀将增大旁通口的开度，即增大冷藏箱冷却回水进入淡水冷却器（No.1 & No.2）的水量，让其充分被海水冷却降温，使温控阀淡水出口温度维持在36℃，反之亦然［5］。

1.3.1.2 海水侧

该系统采用开式海水冷却。海水通过冷藏箱海水冷却泵（No.1 & No.2）将舷外海水压入冷藏箱淡水冷却器（No.1 & No.2）海水侧，在冷却器内部与冷藏箱淡水进行热量的交换，带走多余热量，直接排出舷外。

1.3.2 辅助功能

该系统的辅助功能包括备用冷却泵自动启动功能以及膨胀水箱的自动补水功能，并可根据船东要求及船舶入级符号综合考虑设计。

下页图3所示为2 200标准箱集装箱船冷藏箱冷却水系统实例，货舱区域仅显示一个货舱，其他货舱管路系统类似。

图3 2 200标准箱集装箱船冷藏箱冷却水系统实例局部

2 系统设计中注意事项

2.1 流量分配关系

货舱冷藏集装箱数量众多，系统设计时需考虑冷藏箱之间的流量合理分配关系，其影响主要因素是各支管间阻力，阻力越小通过流量越大，反之亦然。因此只有解决各支管间的阻力问题，才能解决流量分配问题。

下页图4所示为2 200标准箱冷藏箱冷却水货舱区域的总管布置形式。此处进行了近进远出、远进近出的布置关系，以确保冷藏箱淡水冷却泵至各货舱间的管路理论距离相等。No.5 CH冷却水进口端在进水总管的最远端接入，回水端在回水总管的最近端接入，No.1 CH的冷却水进口端在进水总管的最近端接入，回水端在回水总管的最远端接入，（A-B管路长度）+（K-A管路长度）=（A-F管路长度）+（G-A管路长度）。

下页图5所示为2 200标准箱货舱内总管至各箱位之间的管路亦采用近进远出、远进近出的布置，确保每个冷藏箱与货舱内冷却水进出口总管的管路长度相等。

在实船生产设计时难免会受到结构空间限制，局部管路的走向可能存在不一致现象，也有可能导致阻力变化。为解决这一不确定因素，在管路设计时在每列冷藏箱的冷却水供水管设置节流孔板并在每个货舱的回水总管上设置调压阀如图3中所示。当出现上述现象时通过节流孔板和调压阀的调节来解决各冷藏箱的流量问题。［6-7］

2.2 气阀、泄阀设置

货舱区每路支管的最高点设置放气阀，确保在系统注水时管内空气能被充分挤压排出，提高换热效率；最低点设置放泄阀，避免冬季管路冻结。

2.3 膨胀水箱设置

膨胀水箱需在一定高度安装，以保持冷却淡水泵吸入口的正压头以及补充管路淡水泄漏损失和热膨胀。

图4 2 200标准箱冷藏箱冷却水货舱区域总管布置形式

图5 2 200标准箱冷藏集装箱冷却水货舱内管路布置形式

3 系统效果测试方法与结果

由于实际不能够提供相当的水冷冷藏箱来测试其效果，因此根据设计原理，采用超声波式流量计测量所有箱位的冷却水流量，测量值是否是25 L/min（5%偏差）为目的，其流量分配参见图2。

该系统主要的测试步骤如下（以No.5 CH为例，No.5 CH测试试验图见下页图6）：

（1）准备超声波流量计（便携式）1支，冷藏箱冷凝器连接软管（数量与冷箱数匹配），将软管与支管进出相连，形成回路；

（2）启动No.1或No.2冷藏箱淡水泵，流量计测量淡水泵出口总管管路的冷却水流量Qpump为465 m3/h；

（3）流量计安装在图示“No.5 CH进水总管”位置，测量货舱进水总管冷却水流量Q0；

（4）流量计安装在图示“总管1”位置，测量货舱内的每列冷藏箱总管中的冷却水流量q1；

图6 No.5舱测试试验图

（5）流量计安装在图示“支管11”位置，测量货舱内的每个冷藏箱的冷却水流量q11；

（6）依次根据（4）、（5）所述方法测量图示位置相关流量，见表3；

表3 各冷却水管流量测试记录表

（7）调节背压阀以及节流孔板等辅助流量调节装置来控制水流量，以达到设计值。

根据No.5 CH 各冷却水管流量测试记录表，得出：

（1）进水总管Q0与设计值650 L/min基本吻合；

（2）各路支管qn与设计值25 L/min基本吻合（偏差5%）；

（3）进水总管Q0与测试值（q1+q2+q2+q3+q4+q5+q6+q7+q8）基本吻合，校验证明测试方式、读数、操作正确。

在2 200标准箱的流量测试中，由于在系统设计时候充分考虑各管路的阻力分配，采用新颖的近进远出、远进近出的管路布置，均匀分配各冷藏箱的冷却管路长度，并在测试中采用可靠方便的测试仪器，从“主干”到“支路”的测试方法大大缩短了测试时间，快捷有序地完成了310个冷藏箱流量的测试工作，测量值都在允许范围内，满足了冷藏箱冷凝器的技术要求，并在实际运营中船东反馈效果良好。［8］

4 结 语

本文所述为集装箱船冷藏箱冷却水系统的主要设计过程及设计中疑难点的解决措施并通过实船应用验证，提出一种设计思路与检测方法，为今后大中型集装箱船冷藏箱冷却水系统应用提供可靠的设计依据。