劉世杰 孫慧敏

摘 要：船舶機(jī)艙溫度過高不僅影響機(jī)械設(shè)備的正常工作，還影響船員身心健康，甚至危及船員生命和船舶航行安全。分析機(jī)艙溫度過高的原因、機(jī)艙通風(fēng)現(xiàn)狀及存在的不足，在不改變?cè)L(fēng)方式的基礎(chǔ)上，提出利用空氣源熱泵技術(shù)控制調(diào)節(jié)機(jī)艙工作環(huán)境或局部溫度，并給出回收機(jī)艙空氣余熱的空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖，以期進(jìn)一步改善機(jī)艙環(huán)境、保護(hù)船員身心健康和延長設(shè)備使用壽命。

關(guān)鍵詞：船舶;機(jī)艙;空氣源熱泵;溫度

中圖分類號(hào)：U671.99 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006—7973（2021）02-0123-03

機(jī)艙是安裝船舶動(dòng)力設(shè)備及輔助機(jī)械的場(chǎng)所，也是船員工作的主要場(chǎng)所之一。船舶正常航行時(shí)機(jī)艙溫度一般保持在40℃以上。尤其是鍋爐層、分油機(jī)間、供油單元等部分艙室，由于通風(fēng)不足，當(dāng)船舶在夏季或赤道附近海域航行時(shí)，該部分艙室溫度有時(shí)高達(dá)50℃。機(jī)艙溫度過高會(huì)影響各種機(jī)械、電氣設(shè)備的正常工作以及輪機(jī)管理人員的身體健康[1-2]，易引起船員中暑、煩躁、注意力不集中以及出現(xiàn)厭惡情緒等，降低船員工作效率，甚至引發(fā)安全事故，危害船員生命和船舶航行安全。另外，越來越多的年輕船員在船上工作一段時(shí)間后，離船上岸另謀職業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)也越來越明顯，這與機(jī)艙溫度高、噪音大等工作環(huán)境惡劣有較大關(guān)系。如不加以改善機(jī)艙環(huán)境，年輕船員的流失率極有可能進(jìn)一步上升，對(duì)我國培養(yǎng)高素質(zhì)海員顯著不利。因此，有必要分析處理船舶機(jī)艙溫度過高問題。

1 機(jī)艙溫度高的主要原因

導(dǎo)致船舶機(jī)艙溫度升高的原因主要是機(jī)械設(shè)備在運(yùn)行中散出大量的熱，其中絕大部分熱量來自主機(jī)機(jī)體的散熱損失。主機(jī)散熱損失主要是指通過柴油機(jī)氣缸、氣缸蓋、活塞和機(jī)體向外界散發(fā)的熱量。由主柴油機(jī)散熱導(dǎo)致的熱損失約占總熱量的0.6%左右[3]。雖然這部分熱量所占主機(jī)總熱量的比例甚少，但是卻對(duì)機(jī)艙環(huán)境及溫度高低起著關(guān)鍵作用。

良好的機(jī)艙通風(fēng)可以保證主機(jī)、發(fā)電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、鍋爐及其他輔助設(shè)備所需要的空氣量，防止機(jī)艙內(nèi)溫度上升過高，并利于排除機(jī)艙空氣中的油氣、水蒸氣和其他有害氣體，維持機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行。機(jī)艙通風(fēng)形式主要有自然通風(fēng)、壓力通風(fēng)和封閉式空氣凈化通風(fēng)三種。自然通風(fēng)是利用空氣熱壓原理，自然地形成空氣流動(dòng)，不需要專門的動(dòng)力，機(jī)艙內(nèi)的熱空氣在機(jī)艙內(nèi)熱氣壓與外界氣壓差的作用下從位于機(jī)艙頂部的天窗和煙囪上排出即屬自然通風(fēng);壓力通風(fēng)方式是利用電力驅(qū)動(dòng)通風(fēng)機(jī)，使機(jī)艙內(nèi)外部空氣產(chǎn)生交換，例如使用風(fēng)機(jī)將舷外的新鮮空氣送入機(jī)艙等;封閉式空氣凈化通風(fēng)裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，一般只用在特殊艦船通風(fēng)中，如潛水艇等[4]。

商用和民用船舶機(jī)艙均采用自然通風(fēng)和壓力通風(fēng)兩種方式，對(duì)于壓力通風(fēng)，通常是在機(jī)艙中層兩側(cè)安置2～4臺(tái)等壓、等風(fēng)量的通風(fēng)機(jī)。為使所安裝的風(fēng)機(jī)在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)把足量的新鮮空氣補(bǔ)至機(jī)艙內(nèi)部，并將機(jī)艙內(nèi)的混合熱空氣（含有油氣、水蒸氣和其他有害氣體等）排至舷外，通常把風(fēng)機(jī)中的1～2臺(tái)設(shè)為可逆轉(zhuǎn)式。但是，由于機(jī)艙空間有限，船舶主、副柴油機(jī)、鍋爐在運(yùn)行過程中消耗大量新鮮空氣的同時(shí)散出大量的熱，采用傳統(tǒng)的自然通風(fēng)和壓力通風(fēng)方式難以保持合適的機(jī)艙溫度，機(jī)艙溫度通常比舷外環(huán)境溫度高出10～12℃，在冬天這個(gè)溫差還要大一些[5]，不利于船員從事體力勞動(dòng)，需要將機(jī)艙溫度進(jìn)行適當(dāng)控制和調(diào)節(jié)，在維持機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)行的同時(shí)，保障船員身心健康。

2 空氣源熱泵技術(shù)在機(jī)艙中的應(yīng)用分析

船舶航行期間，主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐等機(jī)械設(shè)備不斷通過機(jī)體或外殼向機(jī)艙散熱，以致機(jī)艙溫度較高，尤其是分油機(jī)間、供油單元以及鍋爐間等艙室，溫度高于機(jī)艙平均溫度，空氣中蘊(yùn)含大量的低位熱能，若能在保持原通風(fēng)不變的條件下對(duì)機(jī)艙空氣中蘊(yùn)含的熱量加以回收和利用，則不僅能起到調(diào)節(jié)機(jī)艙局部溫度、改善船員工作環(huán)境的作用，還能提高能源利用率。

目前，采用空氣源熱泵技術(shù)可以方便地回收空氣中的低位熱能?？諝庠礋岜玫墓ぷ髟砼c制冷原理相同，但是空氣源熱泵與制冷設(shè)備又有明顯不同：空氣源熱泵的目的是供熱，其低溫?zé)嵩词强諝猓ㄟ^熱力循環(huán)，把熱能由低溫物體轉(zhuǎn)移到高溫物體，而制冷設(shè)備的目的是供冷。然而，現(xiàn)階段空氣源熱泵技術(shù)主要應(yīng)用于陸上，在船舶上的應(yīng)用仍然以理論研究為主，其中，吳曉陽[6-7]系統(tǒng)地分析了空氣源熱泵技術(shù)應(yīng)用于船舶機(jī)艙的前景，給出了利用空氣源熱泵加熱熱水柜的設(shè)計(jì)方案，并提出了實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的不足之處。

空氣源熱泵是效率較高的節(jié)能設(shè)備之一，因其從空氣中取熱量較為方便，故換熱設(shè)備也比較簡單。但是，空氣源熱泵系統(tǒng)存在一個(gè)較為突出的問題，在環(huán)境溫度低于0℃時(shí)其蒸發(fā)器容易結(jié)霜[8]。當(dāng)霜層形成后，蒸發(fā)溫度和制熱量會(huì)出現(xiàn)下降，風(fēng)量也會(huì)逐漸減弱，而蒸發(fā)溫度的下降使得蒸發(fā)器結(jié)霜更加嚴(yán)重，霜層不斷增厚，以致熱泵性能系數(shù)（COP）在惡性循環(huán)中不斷衰減，最終導(dǎo)致空氣源熱泵不能正常運(yùn)行[9]。

船舶通常航行于各大海域之中，環(huán)境溫度隨經(jīng)緯度以及季節(jié)的變化而產(chǎn)生變化，但在正常航行時(shí)，船舶主機(jī)、發(fā)電機(jī)、鍋爐等機(jī)械設(shè)備均運(yùn)行在較高的負(fù)荷，各輔助機(jī)械處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，這些機(jī)械設(shè)備通過機(jī)體或外殼不斷地放出大量熱量，機(jī)艙溫度不會(huì)低于0℃，故利用空氣源熱泵回收機(jī)艙空氣余熱不會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)器結(jié)霜問題。此外，當(dāng)船舶正常航行時(shí)，各通風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)艙內(nèi)空氣與外界空氣的流量和熱量交換基本穩(wěn)定，機(jī)艙環(huán)境處于相對(duì)外界溫度較高且穩(wěn)定的狀態(tài)。這些因素都為設(shè)計(jì)回收機(jī)艙空氣余熱的空氣源熱泵系統(tǒng)提供了有利條件。因此，利用空氣源熱泵技術(shù)控制調(diào)節(jié)機(jī)艙溫度具有可行性。

3 回收機(jī)艙空氣余熱的空氣源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

考慮到船舶航行的特殊性，所采用的空氣源熱泵及設(shè)計(jì)的系統(tǒng)應(yīng)能滿足以下幾個(gè)基本條件：

（1）空氣源熱泵系統(tǒng)的工作溫度范圍應(yīng)兼顧機(jī)艙溫度和工質(zhì)的冷凝溫度，以免工作條件惡化，降低空氣源熱泵的循環(huán)性能系數(shù)（COP）;

（2）系統(tǒng)應(yīng)能盡可能多地回收機(jī)艙空氣余熱，包括鍋爐層、分油機(jī)間以及供油單元等高溫艙室;

（3）系統(tǒng)應(yīng)安裝簡單，維修方便，具有良好的經(jīng)濟(jì)性;

（4）應(yīng)能適應(yīng)海上復(fù)雜、惡劣的工作環(huán)境，尤其是船舶處于大風(fēng)浪環(huán)境時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)有足夠的穩(wěn)定性;

（5）通過回收機(jī)艙空氣余熱制取70-80℃的淡水，用以加熱生活淡水、燃油沉淀柜和日用柜等。

結(jié)合熱泵技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)回收機(jī)艙空氣余熱的中高溫空氣源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過回收機(jī)艙空氣余熱，制取溫度為70-80℃左右的高溫水，用以加熱生活用水、燃油沉淀柜和日用柜等，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1中，機(jī)艙熱空氣被風(fēng)機(jī)2吸入，經(jīng)空氣濾清器3過濾后進(jìn)入蒸發(fā)器4，熱泵工質(zhì)經(jīng)膨脹閥7節(jié)流膨脹，在蒸發(fā)器4中吸收熱機(jī)艙空氣余熱，使機(jī)艙空氣溫度降低。汽化吸熱后的工質(zhì)蒸汽由壓縮機(jī)6吸入、壓縮變成高溫高壓的蒸汽，在冷凝器11中被給水泵12供應(yīng)的工作水冷卻、冷凝成液體，然后儲(chǔ)存在貯液器10中，開始下一個(gè)工作循環(huán)。在冷凝器11中工作水溫度上升到70-80℃（溫度可以調(diào)節(jié)），經(jīng)管路15供應(yīng)至熱水柜、燃油沉淀柜和日用柜等用熱設(shè)備?？梢詫某隹诠?出來的低溫空氣分配至鍋爐層、分油機(jī)間以及供油單元等高溫區(qū)域，以調(diào)節(jié)這些區(qū)域的溫度，為船員提供較為適宜的工作環(huán)境。

在循環(huán)工質(zhì)選擇方面，目前常用的工質(zhì)主要包括氫氯氟烴類工質(zhì)（HCFCs）、氫氟烴類工質(zhì)（HFCs）、天然工質(zhì)以及混合工質(zhì)等。工質(zhì)的選取非常重要。如果選擇的工質(zhì)與空氣源系統(tǒng)不匹配，壓縮機(jī)將不能在正常的工作壓力范圍內(nèi)工作，這樣會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。選擇合適的工質(zhì)不僅能充分利用熱泵技術(shù)高能效的優(yōu)點(diǎn)，還能提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性[10]。根據(jù)上述分析，結(jié)合船舶航行安全需求，應(yīng)重點(diǎn)選擇能滿足以下兩個(gè)方面性能要求的工質(zhì)（包括混合工質(zhì)）。

（1）船舶安全營運(yùn)始終處于第一位，所選的高溫工質(zhì)應(yīng)具有不可燃、化學(xué)性能穩(wěn)定、ODP為零、GWP值較低等性能特點(diǎn)。

（2）所選工質(zhì)不僅應(yīng)具有較高的循環(huán)性能系數(shù)，還應(yīng)具有較高的工質(zhì)溫度，并具有較低的冷凝壓力。較為理想的工質(zhì)循環(huán)性能是冷凝溫度達(dá)到80℃以上，而冷凝壓力不超過25bar。

4結(jié)論

機(jī)艙溫度過高不僅影響機(jī)械、電氣電子設(shè)備的正常運(yùn)行，還影響船員身心健康以及青年船員隊(duì)伍穩(wěn)定性。在不改變機(jī)艙原有通風(fēng)方式的基礎(chǔ)上，引入空氣源熱泵技術(shù)用以回收機(jī)艙內(nèi)的部分空氣余熱，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的空氣源熱泵系統(tǒng)。在工質(zhì)選擇方面，應(yīng)選用無毒、不燃、環(huán)保以及循環(huán)性能優(yōu)良的中高溫工質(zhì)作為空氣源熱泵系統(tǒng)的循環(huán)工質(zhì)。使用該系統(tǒng)通過熱力循環(huán)能夠制取70～80℃的高溫水，以滿足船上加熱生活用水、燃油沉淀柜和日用柜等需求，提高船舶的能源利用率，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)控制調(diào)節(jié)機(jī)艙環(huán)境和局部溫度，不僅能防止機(jī)艙溫度過高，延長設(shè)備使用壽命，還能給船員提供較為舒適的工作環(huán)境，保障船員身心健康和隊(duì)伍穩(wěn)定。但是，目前空氣源熱泵技術(shù)在船上的應(yīng)用仍然很少，在后續(xù)的研究中，應(yīng)加大實(shí)驗(yàn)投入力度并著力開展實(shí)驗(yàn)研究，以驗(yàn)證理論研究，并為改善機(jī)艙環(huán)境提供科學(xué)、可行的新方案。

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