冷链技术简介——第Ⅴ部分 渔船应用设备

Paul de LARMINAT（著）

（江森自控，法国卡尔克富 44473）

邵月月**，范薇，王亚薇，田甜（译）

（中国制冷学会，北京 100142）

0 引言

渔船的主要任务是捕鱼，为保证鱼运抵到岸，需要配备船用冷链设备。如果鱼不是用来新鲜食用，就会以不同的方式进行加工，例如做成预制菜、冷冻或者罐装。这些加工可以在陆地工厂或大型捕捞船上进行，加工过程大多都需要制冷。制冷方式取决于渔船的打捞方式和鱼的处理方式。本文介绍了渔船上与冷链有关的加工工艺要求和应用场景，目前使用的制冷技术和制冷剂，新制冷系统可能使用的替代制冷剂，与现行管理体系有关的问题及其对执行《蒙特利尔议定书》的影响。

1 冷藏渔船概述

1.1 渔船种类

捕鱼方式的不同和从捕捞到消费者之间路径的不同，使得渔业及其相关产业高度多样化。如果鱼不是在当地新鲜食用，需要不同的方式处理，如整条鱼直接冷冻、加工成鱼片、制成预备菜肴或者罐装成鱼罐头。这些加工过程可以在陆地工厂完成，也可以在海上通过“工厂船”完成。据估计，全球渔船总数约为440 万艘，其中超过80%的渔船长度小于12 m，亚太地区拥有最大的捕鱼船队，占世界总数的73%。其中大约2%的机械化渔船是24 m 以上的工业化渔船。渔船使用的渔具种类也不同。对于大规模捕鱼，最广泛使用的方法是围网捕鱼和长线捕鱼。

小型渔船没有安装制冷系统，每天早上从港口装载一些冰块即可出海捕鱼。因为其捕鱼时间只有几个小时，在此期间捕获的鱼用冰块保存即可。中型到大型的商业捕鱼船只进行中距离航行（大约两周的航程）。船上通常装有海水冷却（RSW）罐和制冰机。大型工业捕鱼船只进行长途航行（通常是几个月的航程）需要对鱼深度冷冻来保存。根据所捕获鱼的种类、渔具和加工工艺需要，这些船通常有完整的工业制冷设备，有各种组合的风冷式冷冻机、平板式冷冻机、海水冷却储罐和制冰机。

1.2 制冷技术

1.2.1 盐水冷却和冷却海水

金枪鱼、沙丁鱼或凤尾鱼等是制作罐头的首选，鱼的罐装通常是在陆地加工厂进行的。常见的做法是在鱼被捕获后立即将整条鱼浸泡在-20 ℃左右的盐水箱中冷冻起来，然后直接储存在罐中或冷库中。围网捕鱼的渔船上广泛使用盐水罐，因为这是是快速冻结大量鱼类产品的理想方法。

气候温暖时，需将鱼浸泡在冷却海水中快速预冷后再放入冰中保鲜。海水通常被冷却到接近或略高于冰点（-2 ℃）。在没有制冷设备的小船上，可通过融化储存在海水冷却罐里的冰来冷却海水。

1.2.2 平板式和风冷式速冻机

食用薄鱼片一般在平板速冻机中进行速冻，而较大的鱼片（包括大的整条鱼）则在盐水箱或风冷式速冻间中速冻。图1所示为盛有鱼片的托盘在平板速冻机中堆叠放置。这些托盘通过速冻板内制冷剂的蒸发而制冷。托盘中的货物则通过与速冻板之间的紧密接触传热。速冻间的传热过程与平板速冻机不同。在速冻间中，冷风机将空气冷却后吹到要冷冻的货物上，如图2所示。这两种方式都可使鱼达到-40 ℃或更低的温度。对于一些特殊商品（如寿司或生鱼片）的储存，最好降到-70 ℃的超低温。

图1 平板式速冻机

图2 风冷式速冻机

1.2.3 空气冷却

在加工过程的各个阶段都需要对空气进行冷却。工作区域需要洁净、有温度控制和卫生措施的房间。在储存环节，尤其是温暖的国家，温度在0 ℃以上的空气也需要冷却。工厂船上的冷冻货物储存在-25 ℃的冷库里。

本文侧重“捕捞产品加工过程”中的制冷需求，不涉及为工作人员提供空调和日常生活中的制冷需求。

2 当前的问题和市场趋势

2.1 渔船加工需求

渔船上的大多数加工需求与陆地类似，如在洁净室切割和加工，使用速冻平板或速冻间进行速冻，在冷库中储存等。因此，很多渔船上使用的制冷技术来源于陆地，并根据海洋环境进行了特殊定制（“海洋化”）。

考虑到海洋环境这一重大约束条件，渔船上的设备需要具有很高的可靠性。如设备必须适应船舶的运动，并经得起腐蚀。海水冷却系统的冷却器材料适应性也受到限制；通常冷凝器采用壳管冷凝器。铜镍管可以用于海水和部分制冷剂（如R22），但铜合金不适用于NH3。实际上，钛是唯一能同时适用于NH3和海水的材料。

2.2 系统架构

用于加工流程的制冷系统可以有多种方式。各种制冷需求可以由独立的制冷系统分别满足，或者采用集中制冷系统来满足所有的需求（海水冷却、速冻和冻藏）。一般而言，船越大制冷系统的整合程度越高。

大型渔船通常由集中制冷系统提供两种蒸发温度的冷量输出，冷冻温度为-38 ℃（低温LT），其他制冷需求温度为-8 ℃，如工作区域和货舱的空气冷却、海水冷却等（中温MT）。大型系统通常是泵供液系统，目前使用的是单组分制冷剂，通常是R22，但NH3的使用正在增加。在这样的系统中，制冷剂的用量很大，且管道长、连接部位多，制冷剂泄漏的可能性相对较高。

较小的系统通常是直接膨胀系统，末端主要采用冷风机（货舱和冷藏室）。平板式速冻机则不适用于该系统。直接膨胀系统的能源效率不如泵供液系统，但初始成本更低，而且需要的制冷剂费用也更低（大约几百公斤）。

2.3 气候因素

捕鱼行业具有特殊性，渔船需要在极端和不同的气候下工作。渔船上的冷凝器通常用海水冷却。即使在较温暖的气候中，海水实际温度也不会超过32 ℃。这使得冷凝器设计比较简单。虽然设计时也须考虑气候因素，但这不是主要的技术难点。

2.4 船上安全管理

制冷设备必须按照现行设备安全标准制造，如EN-378 或同等标准。对于船用制冷系统，目前国际上还没有统一的建造规范。按照行业惯例，设计决策应基于与船级社、保险公司、其他关键行业和公共部门利益相关者之间的协调，并进行稳健风险分析。这样的安全管理方法是所有类型制冷剂和制冷技术所必需采纳的。

一些国家执行的海事标准也适用于渔船。如图3所示，大部分制冷系统机房内都安装了泄漏报警器和足够的通风设施，并设有非常严格的进出限制，特别是在使用易燃制冷剂的情况下。

图3 使用单一制冷剂的泵供液系统R22 或NH3

虽然不易燃的制冷剂是首选，但在提供相应的系统设计、进行相应的人员培训、具备相应的操作程序和维护等安全措施时，采用NH3可行。只使用非易燃制冷剂，特别是在工作区域，从安全性上讲是首选。这也是为什么CO2现在被广泛认为适用于海洋制冷系统的主要原因，此外CO2制冷的效率高，特别是用于复叠系统低温级时。当高温级采用NH3时，低温级使用CO2有助于将NH3限制在机房内。图4所示为在工作区域采用间接制冷系统的原理。盐水剂有NH3、HFC、HFO 和混合制冷剂。CO2用于低温级，盐水系统用于中温级。注意，许多其他的系统结构也是可行的。

图4 工作区域采用间接制冷系统的原理

3 当前制冷剂和潜在的长期替代品

3.1 现有冷藏系统

据估计，全球70%的渔船仍然在使用R22 制冷剂。在遵守《蒙特利尔议定书》要求之前，出于效率、成本和安全性的考虑，R22 是首选。过去20年建造的渔船中有一些使用的是HFCs，如R404A或R507。在最近建造或改造的一些船中已开始使用NH3/CO2复叠制冷系统。

3.2 混合与单组分制冷剂

替代制冷剂技术是否可行取决于制冷系统结构。设计人员可以选择使用单组分制冷剂或混合制冷剂，但所有混合制冷剂替代R22 时都有一定的温度“滑移”，如R407A、R407F、R438A、R448A、R449A 和R449B。所有这些混合制冷剂的全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）虽然在1,300～2,400，约R404A 或R507 的50%，但温度滑移却有约6～7 K。这在直接膨胀系统中通常可以接受，但是在大型满液式系统中不理想，温度滑移可能导致较大的性能损失。

3.3 低GWP 制冷剂新系统

对于直接膨胀系统，如上所述，R22 的替代品GWP 约为1,300～2,400 的非可燃混合制冷剂。由于温度滑移，它们比单组分制冷剂处理起来更复杂。因此,系统必须仔细设计并认真考虑其作为HCFCs替代品的价值。

对于盐水和海水制冷机，大多数海水制冷机由陆地制冷机衍生而来。因为制冷剂的用量有限，而且泄漏率要低得多，制冷剂的选择对这种制冷机来说并不像大型满液式系统那么重要。制冷平均温度在-10 ℃时，一般使用中至低GWP 氟化制冷剂（如R134A）或GWP 较低的HFOs 或R513A 等混合物。温度低于-10 ℃时，制冷剂目前主要使用的是R404A 或R507。R404A 或R507 的合适替代品可以是GWP 相对较低的R410A。R32 也适宜，但存在可燃性问题。如果风险管理中认为可以接受NH3的毒性和可燃性，NH3也是上述制冷剂替代时的一种选择。

集中泵供液系统能同时满足中温和低温制冷需求且GWP 低的制冷剂中，NH3在技术上是R22明确的替代品。它具有成本效益和能源效率，但存在安全限制。一种可能的替代方法是使用复叠制冷系统，将CO2用于低温级。CO2系统结构紧凑，效率很高，在低温下的优良传热特性改善了制冷性能，降低了投资成本，提高了生产效率。如果在低温级使用CO2，剩下的问题是哪种液体用于中温级。一种方法是采用跨临界CO2，这在理论上是可行的，但还不能用于渔船。另一种方法是在复叠制冷系统中温级使用非CO2制冷剂。目前使用最广泛的是NH3。在NH3/CO2复叠制冷系统中，安全管理比纯NH3系统更容易。因为NH3可以被控制在机房中，且费用更低。R134a 或其他GWP 较低的替代品也可用于中温级。另一种选择是使用间接制冷系统。在这种情况下，制冷机将盐水冷却到所需的“中间”温度-8 ℃左右。该盐水制冷机用于满足这个温度水平的用冷需要，也用于冷凝低温循环的CO2，如图8所示。像海水制冷机一样，这台盐水制冷机可以使用各种制冷剂，如NH3、HFCs、HFOs 或合适的混合制冷剂。

CO2的一个缺陷是不能达到特定应用所需的超低温度（-50 ℃以下），例如用于寿司的优质冷冻鱼。对于超低温，没有一种技术得到广泛接受。R23理论上可以使用，但具有极高的GWP。乙烷在技术上是合适的，但它高度易燃。像空气循环这样的非实物技术是可行的，但效率很低，而且非常昂贵。R32 或R410A 可能是最好的、可接受的妥协方案。

3.4 改造

在改造现有系统的各种限制中，制冷剂的物性必须保持相似；操作压力不应明显高于原来的制冷剂；特别是船上的电力供应有限时，效率不应降低；还必须考虑与材料（如油）的相容性。为了安全起见，易燃制冷剂不能用于不易燃的R22 系统改造。

虽然有这些限制，但还是可以找到可接受的混合制冷剂来改造中小型的直接膨胀系统。强烈建议在进行大规模推广之前应先行试点。

对于大型满液式制冷系统，情况要复杂得多。如，R22 改造为NH3，NH3的材料兼容性和安全性与R22 是不同的。以往采用R404A 进行的改造测试，在技术上也并不令人满意。而且R404A 具有很高的 GWP，因此不适合用于改造项目。使用HFC/HFO 共沸混合制冷剂也有很大的问题，因为温度滑移使他们在大型满液式系统中应用得并不理想。因此，目前还没有改造大型满液式制冷系统的成功案例。由于这个原因，一些仍然有很长预期寿命的渔船只能采用全新的系统，特别是采用NH3/CO2系统进行彻底翻新。这种系统改造的成本很高，但由于能源效率和生产效率的提高，可能会具有成本效益。

4 发展前景和挑战

无论是用于新船、全部更换现有制冷系统，还是在可行的情况下进行系统改造，所使用的制冷系统都必须采用具有较低GWP 的制冷剂。对于新建或更换新制冷系统，已经有了足够的制冷技术来实现这一目标。对于制冷新技术与传统技术相比的增量成本和运营成本，应该仔细评估，以了解自身经济状况和通过国际或本地平台可以获得的融资。

真正紧迫的挑战是管理现有使用R22 的船只。这些渔船上通常载有好几吨的R22。船舶具有复杂的法律地位，因为它们可以在不同的地方建造、标记、操作和服务。服务是一个主要问题，在一些岛国，如果为这样大的船用制冷系统充注R22 制冷剂会消耗分配给他们的很大一部分R22 份额，并为逐步淘汰氟氯化碳计划的实施带来困难。这带来了技术、经济、法律和政策等多方面的问题。

从技术层面而言，改造方案在大多数情况下适用于中小型直接膨胀系统，但不适用于大型满液式系统。可实施的减少R22 保有量和消耗量的联合措施有：更好的泄漏检测和维修、在可能的情况下改造系统、报废一些现有船只、从经济角度考虑大型船只剩余寿命再采用合适的替代方案，并尽可能对原有的制冷剂进行回收和再利用。但无论如何仍需要使用大量的R22。

由于太平洋乃至全球有1,000 多艘不同国籍的渔船在捕捞金枪鱼，迫切需要建立机制来监测和控制制冷剂的消耗。这将确保各国，特别是太平洋岛屿国家，能够履行《蒙特利尔议定书》以及有关的国际或区域承诺[1-2]。

5 结论

R22 仍然是海上渔船的主要制冷剂。对于新的中小型直接膨胀系统，短期解决方案是使用中等GWP 制冷剂，主要是HFCs 和HFOs 的混合制冷剂，其中一些是不易燃的。在设计系统时必须考虑到混和制冷剂的温度“滑移”。这些混合制冷剂也可以用来改进现有的R22 直接膨胀系统。

低温级使用CO2、中温级使用NH3的复叠制冷系统作为一种替代原有R22大型满液式制冷系统的新方案非常有吸引力。在实施适当的培训和操作流程下，NH3已经被证明是安全的。在中温级间接系统中采用非易燃的替代品也是可行的，并能大幅减少CO2系统费用。但这些技术只适用于新建制冷系统，不能用于系统改造，直接采用带有温度滑移的混合制冷剂也不是特别好的选择。因此，对于大型满液式R22 系统的改造，目前还没有令人满意的解决方案。对于剩余寿命较长的渔船，需要对现有制冷系统进行彻底更换。对于较老的船只，可以考虑继续使用R22 系统直到使用寿命结束。