Paul de LARMINAT（著）

（江森自控，法國(guó)卡爾克富 44473）

邵月月**，范薇，王亞薇，田甜（譯）

（中國(guó)制冷學(xué)會(huì)，北京 100142）

0 引言

漁船的主要任務(wù)是捕魚，為保證魚運(yùn)抵到岸，需要配備船用冷鏈設(shè)備。如果魚不是用來新鮮食用，就會(huì)以不同的方式進(jìn)行加工，例如做成預(yù)制菜、冷凍或者罐裝。這些加工可以在陸地工廠或大型捕撈船上進(jìn)行，加工過程大多都需要制冷。制冷方式取決于漁船的打撈方式和魚的處理方式。本文介紹了漁船上與冷鏈有關(guān)的加工工藝要求和應(yīng)用場(chǎng)景，目前使用的制冷技術(shù)和制冷劑，新制冷系統(tǒng)可能使用的替代制冷劑，與現(xiàn)行管理體系有關(guān)的問題及其對(duì)執(zhí)行《蒙特利爾議定書》的影響。

1 冷藏漁船概述

1.1 漁船種類

捕魚方式的不同和從捕撈到消費(fèi)者之間路徑的不同，使得漁業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)高度多樣化。如果魚不是在當(dāng)?shù)匦迈r食用，需要不同的方式處理，如整條魚直接冷凍、加工成魚片、制成預(yù)備菜肴或者罐裝成魚罐頭。這些加工過程可以在陸地工廠完成，也可以在海上通過“工廠船”完成。據(jù)估計(jì)，全球漁船總數(shù)約為440 萬艘，其中超過80%的漁船長(zhǎng)度小于12 m，亞太地區(qū)擁有最大的捕魚船隊(duì)，占世界總數(shù)的73%。其中大約2%的機(jī)械化漁船是24 m 以上的工業(yè)化漁船。漁船使用的漁具種類也不同。對(duì)于大規(guī)模捕魚，最廣泛使用的方法是圍網(wǎng)捕魚和長(zhǎng)線捕魚。

小型漁船沒有安裝制冷系統(tǒng)，每天早上從港口裝載一些冰塊即可出海捕魚。因?yàn)槠洳遏~時(shí)間只有幾個(gè)小時(shí)，在此期間捕獲的魚用冰塊保存即可。中型到大型的商業(yè)捕魚船只進(jìn)行中距離航行（大約兩周的航程）。船上通常裝有海水冷卻（RSW）罐和制冰機(jī)。大型工業(yè)捕魚船只進(jìn)行長(zhǎng)途航行（通常是幾個(gè)月的航程）需要對(duì)魚深度冷凍來保存。根據(jù)所捕獲魚的種類、漁具和加工工藝需要，這些船通常有完整的工業(yè)制冷設(shè)備，有各種組合的風(fēng)冷式冷凍機(jī)、平板式冷凍機(jī)、海水冷卻儲(chǔ)罐和制冰機(jī)。

1.2 制冷技術(shù)

1.2.1 鹽水冷卻和冷卻海水

金槍魚、沙丁魚或鳳尾魚等是制作罐頭的首選，魚的罐裝通常是在陸地加工廠進(jìn)行的。常見的做法是在魚被捕獲后立即將整條魚浸泡在-20 ℃左右的鹽水箱中冷凍起來，然后直接儲(chǔ)存在罐中或冷庫中。圍網(wǎng)捕魚的漁船上廣泛使用鹽水罐，因?yàn)檫@是是快速凍結(jié)大量魚類產(chǎn)品的理想方法。

氣候溫暖時(shí)，需將魚浸泡在冷卻海水中快速預(yù)冷后再放入冰中保鮮。海水通常被冷卻到接近或略高于冰點(diǎn)（-2 ℃）。在沒有制冷設(shè)備的小船上，可通過融化儲(chǔ)存在海水冷卻罐里的冰來冷卻海水。

1.2.2 平板式和風(fēng)冷式速凍機(jī)

食用薄魚片一般在平板速凍機(jī)中進(jìn)行速凍，而較大的魚片（包括大的整條魚）則在鹽水箱或風(fēng)冷式速凍間中速凍。圖1所示為盛有魚片的托盤在平板速凍機(jī)中堆疊放置。這些托盤通過速凍板內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)而制冷。托盤中的貨物則通過與速凍板之間的緊密接觸傳熱。速凍間的傳熱過程與平板速凍機(jī)不同。在速凍間中，冷風(fēng)機(jī)將空氣冷卻后吹到要冷凍的貨物上，如圖2所示。這兩種方式都可使魚達(dá)到-40 ℃或更低的溫度。對(duì)于一些特殊商品（如壽司或生魚片）的儲(chǔ)存，最好降到-70 ℃的超低溫。

圖1 平板式速凍機(jī)

圖2 風(fēng)冷式速凍機(jī)

1.2.3 空氣冷卻

在加工過程的各個(gè)階段都需要對(duì)空氣進(jìn)行冷卻。工作區(qū)域需要潔凈、有溫度控制和衛(wèi)生措施的房間。在儲(chǔ)存環(huán)節(jié)，尤其是溫暖的國(guó)家，溫度在0 ℃以上的空氣也需要冷卻。工廠船上的冷凍貨物儲(chǔ)存在-25 ℃的冷庫里。

本文側(cè)重“捕撈產(chǎn)品加工過程”中的制冷需求，不涉及為工作人員提供空調(diào)和日常生活中的制冷需求。

2 當(dāng)前的問題和市場(chǎng)趨勢(shì)

2.1 漁船加工需求

漁船上的大多數(shù)加工需求與陸地類似，如在潔凈室切割和加工，使用速凍平板或速凍間進(jìn)行速凍，在冷庫中儲(chǔ)存等。因此，很多漁船上使用的制冷技術(shù)來源于陸地，并根據(jù)海洋環(huán)境進(jìn)行了特殊定制（“海洋化”）。

考慮到海洋環(huán)境這一重大約束條件，漁船上的設(shè)備需要具有很高的可靠性。如設(shè)備必須適應(yīng)船舶的運(yùn)動(dòng)，并經(jīng)得起腐蝕。海水冷卻系統(tǒng)的冷卻器材料適應(yīng)性也受到限制；通常冷凝器采用殼管冷凝器。銅鎳管可以用于海水和部分制冷劑（如R22），但銅合金不適用于NH3。實(shí)際上，鈦是唯一能同時(shí)適用于NH3和海水的材料。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

用于加工流程的制冷系統(tǒng)可以有多種方式。各種制冷需求可以由獨(dú)立的制冷系統(tǒng)分別滿足，或者采用集中制冷系統(tǒng)來滿足所有的需求（海水冷卻、速凍和凍藏）。一般而言，船越大制冷系統(tǒng)的整合程度越高。

大型漁船通常由集中制冷系統(tǒng)提供兩種蒸發(fā)溫度的冷量輸出，冷凍溫度為-38 ℃（低溫LT），其他制冷需求溫度為-8 ℃，如工作區(qū)域和貨艙的空氣冷卻、海水冷卻等（中溫MT）。大型系統(tǒng)通常是泵供液系統(tǒng)，目前使用的是單組分制冷劑，通常是R22，但NH3的使用正在增加。在這樣的系統(tǒng)中，制冷劑的用量很大，且管道長(zhǎng)、連接部位多，制冷劑泄漏的可能性相對(duì)較高。

較小的系統(tǒng)通常是直接膨脹系統(tǒng)，末端主要采用冷風(fēng)機(jī)（貨艙和冷藏室）。平板式速凍機(jī)則不適用于該系統(tǒng)。直接膨脹系統(tǒng)的能源效率不如泵供液系統(tǒng)，但初始成本更低，而且需要的制冷劑費(fèi)用也更低（大約幾百公斤）。

2.3 氣候因素

捕魚行業(yè)具有特殊性，漁船需要在極端和不同的氣候下工作。漁船上的冷凝器通常用海水冷卻。即使在較溫暖的氣候中，海水實(shí)際溫度也不會(huì)超過32 ℃。這使得冷凝器設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單。雖然設(shè)計(jì)時(shí)也須考慮氣候因素，但這不是主要的技術(shù)難點(diǎn)。

2.4 船上安全管理

制冷設(shè)備必須按照現(xiàn)行設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)制造，如EN-378 或同等標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于船用制冷系統(tǒng)，目前國(guó)際上還沒有統(tǒng)一的建造規(guī)范。按照行業(yè)慣例，設(shè)計(jì)決策應(yīng)基于與船級(jí)社、保險(xiǎn)公司、其他關(guān)鍵行業(yè)和公共部門利益相關(guān)者之間的協(xié)調(diào)，并進(jìn)行穩(wěn)健風(fēng)險(xiǎn)分析。這樣的安全管理方法是所有類型制冷劑和制冷技術(shù)所必需采納的。

一些國(guó)家執(zhí)行的海事標(biāo)準(zhǔn)也適用于漁船。如圖3所示，大部分制冷系統(tǒng)機(jī)房?jī)?nèi)都安裝了泄漏報(bào)警器和足夠的通風(fēng)設(shè)施，并設(shè)有非常嚴(yán)格的進(jìn)出限制，特別是在使用易燃制冷劑的情況下。

圖3 使用單一制冷劑的泵供液系統(tǒng)R22 或NH3

雖然不易燃的制冷劑是首選，但在提供相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、進(jìn)行相應(yīng)的人員培訓(xùn)、具備相應(yīng)的操作程序和維護(hù)等安全措施時(shí)，采用NH3可行。只使用非易燃制冷劑，特別是在工作區(qū)域，從安全性上講是首選。這也是為什么CO2現(xiàn)在被廣泛認(rèn)為適用于海洋制冷系統(tǒng)的主要原因，此外CO2制冷的效率高，特別是用于復(fù)疊系統(tǒng)低溫級(jí)時(shí)。當(dāng)高溫級(jí)采用NH3時(shí)，低溫級(jí)使用CO2有助于將NH3限制在機(jī)房?jī)?nèi)。圖4所示為在工作區(qū)域采用間接制冷系統(tǒng)的原理。鹽水劑有NH3、HFC、HFO 和混合制冷劑。CO2用于低溫級(jí)，鹽水系統(tǒng)用于中溫級(jí)。注意，許多其他的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也是可行的。

圖4 工作區(qū)域采用間接制冷系統(tǒng)的原理

3 當(dāng)前制冷劑和潛在的長(zhǎng)期替代品

3.1 現(xiàn)有冷藏系統(tǒng)

據(jù)估計(jì)，全球70%的漁船仍然在使用R22 制冷劑。在遵守《蒙特利爾議定書》要求之前，出于效率、成本和安全性的考慮，R22 是首選。過去20年建造的漁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開始使用NH3/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)。

3.2 混合與單組分制冷劑

替代制冷劑技術(shù)是否可行取決于制冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)人員可以選擇使用單組分制冷劑或混合制冷劑，但所有混合制冷劑替代R22 時(shí)都有一定的溫度“滑移”，如R407A、R407F、R438A、R448A、R449A 和R449B。所有這些混合制冷劑的全球變暖潛能值（Global Warming Potential，GWP）雖然在1,300～2,400，約R404A 或R507 的50%，但溫度滑移卻有約6～7 K。這在直接膨脹系統(tǒng)中通常可以接受，但是在大型滿液式系統(tǒng)中不理想，溫度滑移可能導(dǎo)致較大的性能損失。

3.3 低GWP 制冷劑新系統(tǒng)

對(duì)于直接膨脹系統(tǒng)，如上所述，R22 的替代品GWP 約為1,300～2,400 的非可燃混合制冷劑。由于溫度滑移，它們比單組分制冷劑處理起來更復(fù)雜。因此,系統(tǒng)必須仔細(xì)設(shè)計(jì)并認(rèn)真考慮其作為HCFCs替代品的價(jià)值。

對(duì)于鹽水和海水制冷機(jī)，大多數(shù)海水制冷機(jī)由陸地制冷機(jī)衍生而來。因?yàn)橹评鋭┑挠昧坑邢?，而且泄漏率要低得多，制冷劑的選擇對(duì)這種制冷機(jī)來說并不像大型滿液式系統(tǒng)那么重要。制冷平均溫度在-10 ℃時(shí)，一般使用中至低GWP 氟化制冷劑（如R134A）或GWP 較低的HFOs 或R513A 等混合物。溫度低于-10 ℃時(shí)，制冷劑目前主要使用的是R404A 或R507。R404A 或R507 的合適替代品可以是GWP 相對(duì)較低的R410A。R32 也適宜，但存在可燃性問題。如果風(fēng)險(xiǎn)管理中認(rèn)為可以接受NH3的毒性和可燃性，NH3也是上述制冷劑替代時(shí)的一種選擇。

集中泵供液系統(tǒng)能同時(shí)滿足中溫和低溫制冷需求且GWP 低的制冷劑中，NH3在技術(shù)上是R22明確的替代品。它具有成本效益和能源效率，但存在安全限制。一種可能的替代方法是使用復(fù)疊制冷系統(tǒng)，將CO2用于低溫級(jí)。CO2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，效率很高，在低溫下的優(yōu)良傳熱特性改善了制冷性能，降低了投資成本，提高了生產(chǎn)效率。如果在低溫級(jí)使用CO2，剩下的問題是哪種液體用于中溫級(jí)。一種方法是采用跨臨界CO2，這在理論上是可行的，但還不能用于漁船。另一種方法是在復(fù)疊制冷系統(tǒng)中溫級(jí)使用非CO2制冷劑。目前使用最廣泛的是NH3。在NH3/CO2復(fù)疊制冷系統(tǒng)中，安全管理比純NH3系統(tǒng)更容易。因?yàn)镹H3可以被控制在機(jī)房中，且費(fèi)用更低。R134a 或其他GWP 較低的替代品也可用于中溫級(jí)。另一種選擇是使用間接制冷系統(tǒng)。在這種情況下，制冷機(jī)將鹽水冷卻到所需的“中間”溫度-8 ℃左右。該鹽水制冷機(jī)用于滿足這個(gè)溫度水平的用冷需要，也用于冷凝低溫循環(huán)的CO2，如圖8所示。像海水制冷機(jī)一樣，這臺(tái)鹽水制冷機(jī)可以使用各種制冷劑，如NH3、HFCs、HFOs 或合適的混合制冷劑。

CO2的一個(gè)缺陷是不能達(dá)到特定應(yīng)用所需的超低溫度（-50 ℃以下），例如用于壽司的優(yōu)質(zhì)冷凍魚。對(duì)于超低溫，沒有一種技術(shù)得到廣泛接受。R23理論上可以使用，但具有極高的GWP。乙烷在技術(shù)上是合適的，但它高度易燃。像空氣循環(huán)這樣的非實(shí)物技術(shù)是可行的，但效率很低，而且非常昂貴。R32 或R410A 可能是最好的、可接受的妥協(xié)方案。

3.4 改造

在改造現(xiàn)有系統(tǒng)的各種限制中，制冷劑的物性必須保持相似；操作壓力不應(yīng)明顯高于原來的制冷劑；特別是船上的電力供應(yīng)有限時(shí)，效率不應(yīng)降低；還必須考慮與材料（如油）的相容性。為了安全起見，易燃制冷劑不能用于不易燃的R22 系統(tǒng)改造。

雖然有這些限制，但還是可以找到可接受的混合制冷劑來改造中小型的直接膨脹系統(tǒng)。強(qiáng)烈建議在進(jìn)行大規(guī)模推廣之前應(yīng)先行試點(diǎn)。

對(duì)于大型滿液式制冷系統(tǒng)，情況要復(fù)雜得多。如，R22 改造為NH3，NH3的材料兼容性和安全性與R22 是不同的。以往采用R404A 進(jìn)行的改造測(cè)試，在技術(shù)上也并不令人滿意。而且R404A 具有很高的 GWP，因此不適合用于改造項(xiàng)目。使用HFC/HFO 共沸混合制冷劑也有很大的問題，因?yàn)闇囟然剖顾麄冊(cè)诖笮蜐M液式系統(tǒng)中應(yīng)用得并不理想。因此，目前還沒有改造大型滿液式制冷系統(tǒng)的成功案例。由于這個(gè)原因，一些仍然有很長(zhǎng)預(yù)期壽命的漁船只能采用全新的系統(tǒng)，特別是采用NH3/CO2系統(tǒng)進(jìn)行徹底翻新。這種系統(tǒng)改造的成本很高，但由于能源效率和生產(chǎn)效率的提高，可能會(huì)具有成本效益。

4 發(fā)展前景和挑戰(zhàn)

無論是用于新船、全部更換現(xiàn)有制冷系統(tǒng)，還是在可行的情況下進(jìn)行系統(tǒng)改造，所使用的制冷系統(tǒng)都必須采用具有較低GWP 的制冷劑。對(duì)于新建或更換新制冷系統(tǒng)，已經(jīng)有了足夠的制冷技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。對(duì)于制冷新技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相比的增量成本和運(yùn)營(yíng)成本，應(yīng)該仔細(xì)評(píng)估，以了解自身經(jīng)濟(jì)狀況和通過國(guó)際或本地平臺(tái)可以獲得的融資。

真正緊迫的挑戰(zhàn)是管理現(xiàn)有使用R22 的船只。這些漁船上通常載有好幾噸的R22。船舶具有復(fù)雜的法律地位，因?yàn)樗鼈兛梢栽诓煌牡胤浇ㄔ?、?biāo)記、操作和服務(wù)。服務(wù)是一個(gè)主要問題，在一些島國(guó)，如果為這樣大的船用制冷系統(tǒng)充注R22 制冷劑會(huì)消耗分配給他們的很大一部分R22 份額，并為逐步淘汰氟氯化碳計(jì)劃的實(shí)施帶來困難。這帶來了技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、法律和政策等多方面的問題。

從技術(shù)層面而言，改造方案在大多數(shù)情況下適用于中小型直接膨脹系統(tǒng)，但不適用于大型滿液式系統(tǒng)?？蓪?shí)施的減少R22 保有量和消耗量的聯(lián)合措施有：更好的泄漏檢測(cè)和維修、在可能的情況下改造系統(tǒng)、報(bào)廢一些現(xiàn)有船只、從經(jīng)濟(jì)角度考慮大型船只剩余壽命再采用合適的替代方案，并盡可能對(duì)原有的制冷劑進(jìn)行回收和再利用。但無論如何仍需要使用大量的R22。

由于太平洋乃至全球有1,000 多艘不同國(guó)籍的漁船在捕撈金槍魚，迫切需要建立機(jī)制來監(jiān)測(cè)和控制制冷劑的消耗。這將確保各國(guó)，特別是太平洋島嶼國(guó)家，能夠履行《蒙特利爾議定書》以及有關(guān)的國(guó)際或區(qū)域承諾[1-2]。

5 結(jié)論

R22 仍然是海上漁船的主要制冷劑。對(duì)于新的中小型直接膨脹系統(tǒng)，短期解決方案是使用中等GWP 制冷劑，主要是HFCs 和HFOs 的混合制冷劑，其中一些是不易燃的。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)必須考慮到混和制冷劑的溫度“滑移”。這些混合制冷劑也可以用來改進(jìn)現(xiàn)有的R22 直接膨脹系統(tǒng)。

低溫級(jí)使用CO2、中溫級(jí)使用NH3的復(fù)疊制冷系統(tǒng)作為一種替代原有R22大型滿液式制冷系統(tǒng)的新方案非常有吸引力。在實(shí)施適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)和操作流程下，NH3已經(jīng)被證明是安全的。在中溫級(jí)間接系統(tǒng)中采用非易燃的替代品也是可行的，并能大幅減少CO2系統(tǒng)費(fèi)用。但這些技術(shù)只適用于新建制冷系統(tǒng)，不能用于系統(tǒng)改造，直接采用帶有溫度滑移的混合制冷劑也不是特別好的選擇。因此，對(duì)于大型滿液式R22 系統(tǒng)的改造，目前還沒有令人滿意的解決方案。對(duì)于剩余壽命較長(zhǎng)的漁船，需要對(duì)現(xiàn)有制冷系統(tǒng)進(jìn)行徹底更換。對(duì)于較老的船只，可以考慮繼續(xù)使用R22 系統(tǒng)直到使用壽命結(jié)束。