船舶制冷装置的基本原理和环境保护

王晓中

摘 要：蒸气压缩式制冷装置一般使用沸点很低的氟利昂作为制冷剂，通过压缩机和膨胀阀来改变其饱和温度，使之可以被常温的冷却介质冷凝或者可以吸收低温空间的热量。但是含氯的氟利昂升至高空臭氧层后，会释放出氯离子，进而大量损耗臭氧。使用不含有氯原子的氟利昂制冷剂，即氢氟烃来替代传统的含氯氟利昂冷剂，可以有效地保护臭氧层。

关键词：蒸气压缩式制冷 饱和温度 氟利昂 臭氧层 氢氟烃

中图分类号：U664.52 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（c）-0079-01

制冷就是从某一物体或空间吸取热量，并将其转移给周围环境介质，使该物体或空间的温度低于环境的温度，并维持这一低温的过程。用于完成制冷过程的设备称为制冷机或制冷装置，用于存放低温物体的空间称为冷藏室或冷库，实现热量转移的工作介质称制冷剂，单位时间内从被冷物体或空间吸收的热量称为制冷量。实现制冷的途径有天然制冷和人工制冷。天然制冷是以天然冰为冷源，利用冰融化过程吸收融解热而实现制冷。人工制冷是借助制冷装置并消耗一定的外功或热能作“代价”，将低温物体或空间的热量转移至高温环境介质而实现制冷的。船舶制冷的目的是实现货物的冷藏运输，并为船舶空调提供冷源。船舶制冷装置一般采用蒸气压缩式制冷。

1 船舶制冷装置的基本原理

蒸气压缩式制冷装置是由压缩机，冷凝器、膨胀阀和蒸发器四个基本的设备组成。低温低压的液态制冷剂进入蒸发器中，吸收冷库内被冷物体释放的热量而不断沸腾汽化，压缩机进而将蒸发器内排出的低压冷剂蒸气吸入气缸内，并将其压缩成高温高压的制冷剂蒸气，压缩机对冷剂施加高压的目的是提高其饱和温度（沸点），使其沸点高于常温的冷却介质，再将其排至冷凝器。冷剂进入冷凝器时处于过热蒸气的状态，其实际温度高于其压力所对应的沸点，在冷凝器中高温的制冷剂蒸气先被循环的冷却介质冷却降温，当温度降低至沸点后再进一步被冷凝成液态制冷剂。在冷凝过程中，制冷剂把从冷库中带出的热量和压缩机的压缩功传递给冷却介质，船舶制冷装置冷凝器中一般使用海水或中央冷却水系统的低温淡水作为冷却介质。接着液态制冷剂经膨胀阀节流降压降温成为低温低压的冷剂湿蒸气（气液混合物），少量冷剂在经过膨胀阀节流降压时已经发生了气化。膨胀阀对冷剂降压的目的是降低其饱和温度，由于经过膨胀阀后冷剂处于湿蒸气的状态，故其实际温度就是压力降低后所对应的较低的饱和温度，该沸点低于冷库的库温，因此制冷剂重新进入蒸发器后可以立即汽化吸热。制冷循环不断地进行，冷库的热量也就不断地通过循环的冷剂转移给外界冷却介质，从而达到并维持冷库温度在一定的低温范围内。

蒸发器是使液体冷剂气化吸热，被冷物体或冷媒放热降温，实现热量传递的热交换器。按其冷却介质的不同，可分为冷却空气的直接冷却式蒸发器和冷却淡水、盐水或其他载冷剂的间接冷却式蒸发器两大类。直接冷却式蒸发器的结构多为盘管式，制冷剂在管内蒸发，空气在管外放热。这类蒸发器若是靠空气自然对流换热，则称为蒸发盘管；若借助风机使空气强迫对流换热，则称为冷风机。由于前者空气的流速很低，传热系数小，因而降温速度较慢，目前仅在冷库和家用冰箱中采用。后者则采用风机强迫空气作定向流动，强迫对流提高了传热系数，因而降温速度较快。冷风机的结构紧凑，在现代船舶的冷藏舱和伙食冷库中已有明显取代蒸发盘管的趋势。间接冷却式蒸发器则往往用于船舶中央空调系统，氟利昂制冷剂在蒸发器中冷却冷媒（淡水），再将降温后的淡水送往中央空调器冷却空气。

2 含氯氟利昂冷剂对大气的污染及替代

蒸气压缩式制冷是选择沸点很低的液体，例如在标准大气压下沸点为-40.8 ℃的氟利昂22作为制冷剂。氟利昂是一类透明、无味、基本无毒，又不易燃烧、爆炸、化学性能稳定的制冷剂。液体制冷剂经膨胀阀节流进入冷库内的蒸发盘管中，制冷剂就会在较低的压力下吸热气化，从冷库中吸收热量，使库温降低，从而实现制冷。

20世纪70年代初，研究大气的科研人员发现大气臭氧层有不断耗减的趋势，并于1985年首次在南极上空发现臭氧层空洞，同时全球气候有变暖的迹象。1973年日本召开的一次国际学术会议上，一些环境科学家认为臭氧层内臭氧浓度的下降是因为人类活动所散发的物质进入臭氧层并参加使臭氧消亡的反应，破坏臭氧层内的自然动态平衡所导致的。1974年美国加州大学化学系的罗兰德教授和莫尼娜博士首次在英国学术杂志《Nature》上提出含有氯原子的氟利昂制冷剂可能会分解臭氧，威胁臭氧层的厚度。虽然对臭氧层是否耗减及何种机制引起耗减的问题曾在科学界、企业界、各国政府部门内进行长达10年之久的激烈争论，但事实上经各国科学家长期而大量的观察研究确定含氯氟利昂是破坏臭氧层的主要因素之一。美国宇航局（NASA）为寻求揭示臭氧层空洞的生成机制，于1986年及1987年两次牵头组织数十名科学家赴南极进行“国家臭氧探险”活动，考察结果很好的解释了含氯氟利昂耗减臭氧层的原因和机理。含氯的氟利昂升至高空臭氧层后，在强烈的紫外线作用下释放出氯离子，会起催化作用而大量损耗臭氧，破坏臭氧的生成和分解平衡，降低臭氧的浓度，使到达地面的紫外线显著增强，对人类的健康和农作物、海洋浮游生物的生长不利，并可能引起气候异常。为了避免对臭氧层造成破坏，目前普遍使用不含有氯原子的氟利昂制冷剂，即氢氟烃或几种氢氟烃按特定比例混合的非共沸混合物来替代传统的含氯氟利昂冷剂，主要有R134a、R404A、R407C等。传统冷剂R717（氨，NH3）价格低廉，标准大气压力下的沸点为-33.4 ℃，它的单位容积制冷量大，而且粘度比氟利昂低不少，热导率大很多，与大多数材料相容（除铜及磷青铜以外的铜合金）。但由于其缺点过于明显，即有强烈的刺激性气味，在空气中容积含量达0.5%～0.6%时对人的呼吸器官和粘膜就会有刺激作用，人在其中停留半小时以上就会中毒，含量达11%～14%可燃，16%～25%可以爆炸。故氨作为制冷剂目前主要用于陆地冷库和某些水产品加工船。

3 结语

臭氧能有效地吸收对动植物有害的太阳紫外线UV-B和UV-C，而对生物基本无害的太阳紫外线UV-A却能全部通过。正是由于有臭氧层这道天然屏障，才使得地球上的人类和其它生物能够正常生长和世代繁衍。保护臭氧层至关重要，我们必须使防污染与造机、造船、航运的发展保持同步，决不能偏废或忽视污染物的排放。

参考文献

[1] 江彦桥.海洋船舶防污染技术[M].上海交通大学出版社，2000.

[2] 孙永明.海洋与港口船舶防污染技术[M].人民交通出版社，2010.endprint