CN117104392A - 一种大型氨动力集装箱船的燃料舱及冷能利用系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型氨动力集装箱船的燃料舱及冷能利用系统，该系统包括货舱纵向舱壁、A冷舱、B冷舱、C冷舱、燃料舱、舱口盖、保温层、燃料舱凹槽、风机、滑轨、移动隔热装置。氨燃料在集装箱船上需要较大的储存空间，而设置氨燃料舱势必会影响集装箱船的载箱量。本发明合理利用集装箱船绑扎桥下方货舱之间的隔离空间和双层壳之间的空舱作为船舶的氨燃料舱，并通过合理的设计使氨燃料舱将冷舱包围，在不影响载箱量的前提下，能够解决氨燃料在集装箱船上的储存空间大的难题，而且合理利用氨燃料的低品位冷能对冷舱内的冷藏集装箱进行制冷，冷藏集装箱的制冷机组无须运行，解决了大型集装箱船因冷藏集装箱制冷造成的船舶电网负荷高的问题。

Description

一种大型氨动力集装箱船的燃料舱及冷能利用系统

技术领域

本发明属于船舶技术领域，具体涉及一种大型氨动力集装箱船的燃料舱及冷能利用系统。

背景技术

随着全球脱碳进程的加速，航运业正加快对绿色燃料的探索。氨作为一种零碳燃料，在燃烧时不会排放CO₂，因此，氨成为绿色船舶最理想的一种燃料。集装箱船作为远洋运输的主力船型之一，其低碳和零碳排放对于航运业减排具有重要意义，近年来，越来越多的集装箱船提出将氨作为未来集装箱船的主要燃料，燃用氨燃料的集装箱船称之为氨动力集装箱船。

船舶燃油的热值为43MJ/kg，密度为980kg/m³，相比之下，氨的热值较低，仅为18.6MJ/kg，密度仅为617kg/m³，而且考虑到氨燃料在船舶上通常需要低温储存，其储存温度为-33.6℃，所以氨燃料舱还需要设有保温层，因此，在同等热值条件下氨燃料舱的体积约为燃油舱的4倍左右。此外，集装箱船的航速很快，推进功率非常大，因此，集装箱船需要携带氨燃料的质量很大，目前集装箱船最多可以携带1万多吨燃油，若采用氨燃料替代燃油，由于氨燃料舱的体积非常庞大，需占据较多的船体或甲板空间，大大影响了集装箱船的载箱量。此外，由于氨燃料具有低温、易燃、易爆等特性，它不能像传统燃油一般可储存在船舶的双层底或者狭小边舱等一些较为狭窄的“犄角旮旯”的空间，换言之，由于燃油的稳定性非常好，且不易燃易爆，因此传统燃油可以放置在双层底或者狭小边舱等狭窄的“犄角旮旯”的空间，而氨燃料基于其易燃易爆且低温的物化性质，必须在船舶上相对较大且安全的空间内设置燃料舱来集中储存氨燃料。目前集装箱船的燃料舱可供选择的位置主要是上层建筑下方，但是，由于集装箱船所需的氨燃料舱体积很大，集装箱船上层建筑下方的空间所能容纳的燃料质量无法满足船舶航行需求，因此，在不影响载箱量的前提下，如何针对氨燃料这种清洁能源在集装箱船上寻求一个合理储存空间是一个需要解决的难题。

为了使甲板上的集装箱固定的更加牢固，避免集装箱在风浪中倾斜、坠落，集装箱船上bay与bay之间，即船长方向相邻两个集装箱之间设有绑扎桥，由于绑扎桥沿船长方向具有一定的宽度，且船舶型深很深，因此绑扎桥下方相邻两货舱之间存在大量可利用空间，以某艘21000TEU集装箱船为例，绑扎桥的宽度为1.95m，船舶型深为33.50m，型宽为58.60m，经计算，在船体中部位置，绑扎桥下方相邻两货舱之间的空间(即甲板下的隔离空间)的体积最大可达3800m³。此外，集装箱船通常采用双层壳，由于双层壳的内壳与外壳之间存在一定距离，且船舶型深很深，因此双层壳之间也存在大量可利用空间，同样以某艘21000TEU集装箱船为例，其双层壳内壳与外壳之间的距离为2.5m，沿船长方向单个货舱的长度约20m，船舶型深为33.50m，因此单个货舱长度所对应的双层壳之间形成的空舱体积约1675m³。

因此，上述甲板下的隔离空间以及双层壳之间形成的空舱都存在大量的可利用空间，若将这部分空间作为船舶的氨燃料舱，对于解决集装箱船上的氨燃料储存空间大的问题具有重要意义。

此外，集装箱船所载运的集装箱一般分为两种，一种是普通集装箱，另一种是冷藏集装箱。冷藏集装箱的箱内温度需要控制在一个较低的温度范围，因此，冷藏集装箱内设有制冷机组，通过消耗外界电能为箱内货物制冷，使箱内保持较低的温度，以满足冷藏货物或冷冻货物的储存需求。对于20000TEU集装箱船，可以装载2000多个冷藏集装箱，单个冷藏集装箱的功率约为5kW，因此冷藏集装箱的总用冷负荷更是达到10000kW，给船舶电网带来沉重的负荷。氨燃料的温度为-33.6℃，由于集装箱船氨燃料的携带量很大，因此蕴含着大量的冷能，如果将氨燃料的冷能用于冷藏集装箱的制冷，将能大大降低冷藏集装箱制冷设备对船舶电网的电力消耗。

基于此，如果将甲板下的隔离空间以及双层壳之间形成的空舱作为船舶的氨燃料舱，氨燃料舱形成一个包围空间，将放置冷藏集装箱的货舱(即冷舱)包围起来，并且利用氨燃料的冷能对冷舱进行制冷，不仅解决了集装箱船上的氨燃料的储存空间大问题，而且合理利用氨燃料的冷能，大大降低冷藏集装箱的功耗。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种大型氨动力集装箱船的燃料舱及冷能利用系统。

一种大型氨动力集装箱船的燃料舱及冷能利用系统，该系统包括：货舱纵向舱壁、A冷舱、B冷舱、C冷舱、燃料舱、舱口盖、保温层、燃料舱凹槽、风机、滑轨、移动隔热装置。

所述货舱纵向舱壁分别在船舶的左舷和右舷双层壳的内侧各设有一道，与船长方向平行。

所述A冷舱、B冷舱和C冷舱为船舶上用于放置冷藏集装箱的货舱，A冷舱、B冷舱和C冷舱靠近船体的中部位置，A冷舱、B冷舱和C冷舱的舱底板的下方设有保温层；所述舱口盖为用于开启或关闭冷舱开口的盖板，舱口盖下方设有保温层。

所述燃料舱由沿船长方向A冷舱、B冷舱和C冷舱两侧的双层壳与货舱纵向舱壁之间的空舱室、船尾至船首方向A冷舱后侧的隔离空间以及C冷舱前侧的隔离空间围成，形成一个“回”字型，该燃料舱将A冷舱、B冷舱和C冷舱包围，所述燃料舱最外层的四周舱壁表面设有保温层，所述燃料舱与A冷舱、B冷舱、C冷舱相接触的舱壁表面靠近冷舱的一侧设有保温层，所述双层壳与货舱纵向舱壁之间的空舱室的舱顶板和下斜板的外表面设有保温层，所述A冷舱后侧的隔离空间以及C冷舱前侧的隔离空间的舱顶板和舱底板的外表面均设有保温层。

所述A冷舱与燃料舱之间的横舱壁上位于A冷舱的一侧设有燃料舱凹槽，燃料舱凹槽中的底面为矩形平面，燃料舱凹槽延伸至燃料舱一侧，在燃料舱一侧形成一个凸台，所述燃料舱凹槽的底边与冷舱舱底板之间的距离为冷舱高度的4/5；所述风机固定在燃料舱凹槽中的底面上；所述滑轨沿船宽方向布置，固定在A冷舱、C冷舱与燃料舱之间的横舱壁上，滑轨位于燃料舱凹槽凹面的一侧，且与燃料舱凹槽的底边平齐；所述移动隔热装置由隔热板、驱动装置组成，其中，隔热板由保温材料制成，具有隔热作用，驱动装置可以根据接收到的冷藏集装箱内的温度信号，驱动隔热板沿着滑轨的轨道移动，进而控制移动隔热装置与燃料舱凹槽的开度大小，即移动隔热装置与燃料舱凹槽开口面积的大小。

本发明利用氨燃料的冷能与A冷舱、B冷舱和C冷舱中的空气换热，进而将冷量充分释放到整个冷舱中，使冷舱中的冷藏集装箱内保持较低的温度范围，以满足冷冻货物的储存需求。

进一步的，本发明通过控制移动隔热装置与燃料舱凹槽的开度大小，从而实现冷舱内的温度调节。

本发明的有益效果：

1.本发明通过合理的设计使氨燃料舱将冷舱包围起来，利用氨燃料的冷能对冷舱内的冷藏集装箱进行制冷，科学利用了氨燃料的低品位冷能，解决了燃料冷能难以开发利用甚至浪费的问题，节省了冷藏集装箱制冷设备对船舶电网的电力消耗，具有良好的经济性。

2.本发明充分利用集装箱船冷舱之间的隔离空间和双层壳之间的空舱作为船舶的氨燃料舱，在不影响集装箱船载箱量的前提下，能够实现氨燃料在集装箱船上的合理储存，大大提高了集装箱船的空间利用率，解决了氨燃料在集装箱船上的储存空间大的难题。

3.本发明设计的系统相对科学简单，在船舶上容易于实现，而且采用更加清洁的氨作为集装箱船的船用燃料，应用前景广阔。

附图说明

图1是A冷舱、B冷舱和C冷舱在集装箱船上的位置示意图；

图2是A冷舱、B冷舱和C冷舱的3D图；

图3是A冷舱结构图；

图4是A冷舱的横剖面示意图；

图5是A冷舱、B冷舱和C冷舱的侧视图；

图6是A-A截面剖视图；

图7是A-A截面剖视3D图；

图8是风机、滑轨及移动隔热装置的局部放大图；

图9是A冷舱的半剖3D图；

图10是A冷舱、B冷舱和C冷舱的侧视剖视图；

图11是移动隔热装置在滑轨上移动的过程示意图；

图12是移动隔热装置与燃料舱凹槽重合示意图；

附图中：1.货舱纵向舱壁；2.A冷舱；3.B冷舱；4.C冷舱；5.燃料舱；6.舱口盖；7.保温层；8.燃料舱凹槽；9.风机；10.滑轨；11.移动隔热装置。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。

一种大型氨动力集装箱船的燃料舱及冷能利用系统，如图1、图2、图4、图5、图7和图8所示，该系统包括：货舱纵向舱壁1、A冷舱2、B冷舱3、C冷舱4、燃料舱5、舱口盖6、保温层7、燃料舱凹槽8、风机9、滑轨10、移动隔热装置11。

如图3、图4和图7所示，在船舶左舷和右舷双层壳的内侧分别各设有一道货舱纵向舱壁1，与船长方向平行，且货舱纵向舱壁1与船舶双层壳之间具有一定距离，形成一个空舱室。

所述A冷舱2、B冷舱3和C冷舱4为船舶上用于放置冷藏集装箱的货舱，A冷舱2、B冷舱3和C冷舱4靠近船体的中部位置，如图1所示为A冷舱2、B冷舱3和C冷舱4在集装箱船上的位置示意图。

如图4所示，所述A冷舱2、B冷舱3和C冷舱4的舱底板的下方设有一层较厚的保温层7；所述舱口盖6为用于开启或关闭冷舱开口的盖板，舱口盖6下方设有一层较厚的保温层7，本发明在A冷舱2、B冷舱3和C冷舱4的舱底板的下方以及舱口盖6下方设有一层较厚保温层7的目的是减少外界环境对冷舱的渗入热，保证放置在冷舱中的冷藏集装箱的温度保持在一定的范围，确保冷藏集装箱中的货物温度。

如图3和图7所示，所述燃料舱5由沿船长方向A冷舱2、B冷舱3和C冷舱4两侧的双层壳与货舱纵向舱壁1之间的空舱室、船尾至船首方向A冷舱2后侧的隔离空间以及C冷舱4前侧的隔离空间围成，形成一个“回”字型，如图6所示，该燃料舱5将A冷舱2、B冷舱3和C冷舱4包围。

如图4和图10所示，所述燃料舱5最外层的四周舱壁表面设有一层较厚的保温层7，目的是减少外界环境对燃料舱5的渗入热，所述燃料舱5与A冷舱2、B冷舱3、C冷舱4相接触的舱壁表面靠近冷舱的一侧设有一层较薄的保温层7，目的是避免保温层7过厚导致氨燃料与冷舱空气的换热效率差，所述双层壳与货舱纵向舱壁1之间的空舱室的舱顶板和下斜板的表面设有一层较厚的保温层7，目的是减少外界环境对燃料舱5的渗入热，所述A冷舱2后侧的隔离空间以及C冷舱4前侧的隔离空间的舱顶板和舱底板的外表面均设有一层较厚的保温层7，目的是减少外界环境对燃料舱5的渗入热。

如图7、图8和图9所示，所述A冷舱2与燃料舱5之间的横舱壁上位于A冷舱2的一侧设有燃料舱凹槽8，燃料舱凹槽8中的底面为矩形平面，燃料舱凹槽8延伸至燃料舱5一侧，在燃料舱5一侧形成一个凸台；所述风机9固定在燃料舱凹槽8中的底面上；所述滑轨10沿船宽方向布置，固定在A冷舱2、C冷舱4与燃料舱5之间的横舱壁上，滑轨10位于燃料舱凹槽8凹面的一侧，且与燃料舱凹槽8的底边平齐；所述移动隔热装置11由隔热板、驱动装置组成，其中，隔热板由保温材料制成，具有隔热作用，驱动装置可以根据接收到的冷藏集装箱内的温度信号，驱动隔热板沿着滑轨10的轨道移动，进而控制移动隔热装置11与燃料舱凹槽8的开度大小(即移动隔热装置11与燃料舱凹槽8开口面积的大小)。

冷藏集装箱主要分为低温冷藏集装箱和高温冷藏集装箱，其中低温冷藏集装箱的温度一般控制在-18℃至-22℃之间，用来存放鲜肉、海鲜、或其他冷冻食品等冷冻货物。高温冷藏集装箱的温度一般控制在0℃至5℃之间，用来存放蔬菜、水果等冷藏货物。在本发明中A冷舱2、B冷舱3和C冷舱4主要用于放置低温冷藏集装箱。

本发明利用氨燃料的冷能与A冷舱2、B冷舱3和C冷舱4中的空气换热，进而将冷量充分释放到整个冷舱中，使冷舱中的冷藏集装箱内保持较低的温度范围，以满足冷冻货物的储存需求。由于低温冷藏集装箱的温度需要控制在-18℃至-22℃之间，因此本发明通过控制移动隔热装置11与燃料舱凹槽8的开度大小，进而实现冷舱内的温度调节。在利用氨燃料的冷能为冷舱的制冷过程中，风机9始终处于开启状态。

当A冷舱2、B冷舱3或C冷舱4中冷藏集装箱的箱内温度高于需要的制冷温度上限(即-18℃)时，移动隔热装置11将根据接收到的温度信号，沿着滑轨10向移动隔热装置11与燃料舱凹槽8开度增大的方向滑动，直至移动隔热装置11与燃料舱凹槽8的开度达到最大，如图4所示，从而增强氨燃料与冷舱空气的换热效果，使A冷舱2、B冷舱3和C冷舱4的舱内温度降低；当A冷舱2、B冷舱3或C冷舱4中冷藏集装箱的箱内温度介于-22℃-18℃之间时，本发明中的移动隔热装置11将根据接收到的温度信号，自动调节移动隔热装置11与燃料舱凹槽8的开度大小，如图11所示为移动隔热装置11在滑轨10上移动的过程示意图，若冷藏集装箱的箱内温度接近制冷温度上限，则适当增大移动隔热装置11与燃料舱凹槽8的开度，若冷藏集装箱的箱内温度接近制冷温度下限，则适当减少移动隔热装置11与燃料舱凹槽8的开度，以满足货物储存的温度需求；当A冷舱2、B冷舱3或C冷舱4中冷藏集装箱的箱内温度低于需要的制冷温度下限(即-22℃)时，移动隔热装置11将根据接收到的温度信号，沿着滑轨10向移动隔热装置11与燃料舱凹槽8的开度减小的方向移动，直至移动隔热装置11与燃料舱凹槽8的开度达到最小，即移动隔热装置11与燃料舱凹槽8重合，如图12所示，同时关闭风机9，由于隔热移动装置11具有隔热作用，氨燃料与冷舱内空气的热量传递很小，此时冷舱内的温度不会再继续降低。

进一步的，本发明通过在所述A冷舱2、B冷舱3和C冷舱4相邻两个冷舱之间的隔离空间的横舱壁上设有多个通风孔，可以使携带冷能的冷舱空气在三个冷舱中相互流通，增强冷空气的循环速度，从而增强制冷效果，使三个冷舱的舱内温度更均匀。

进一步的，由于冷舱内冷空气的密度相比于常温气体密度较大，所以冷空气会下沉，而常温气体会上浮，若将燃料舱凹槽8设计在横舱壁的下方位置，则会使冷舱内上方空间与下方空间的温度不均匀，因此本发明中将所述燃料舱凹槽8的底边与冷舱舱底板之间的距离设计为冷舱高度的4/5，目的是为了增强冷舱内空气的对流与循环，使冷舱内的温度更加均匀，提高制冷效果。

氨燃料在船舶上通常需要低温储存，其储存温度为-33.6℃，与外界环境温差相对较小，因此氨燃料存在着低品位的冷能，而大型氨动力集装箱船需要携带燃料的质量很大，因此大型氨动力集装箱船蕴含着大量的低品位冷能。本发明通过合理的设计使氨燃料舱5将冷舱包围起来，氨燃料从冷舱中吸收热量，进而使冷舱内的温度逐渐降低，从而达到制冷效果。本发明科学利用了氨燃料的低品位冷能，解决了燃料冷能难以开发利用甚至浪费的问题，而且冷藏集装箱原本具有的制冷机组无须运行，从而节省了冷藏集装箱制冷设备对船舶电网的电力消耗，具有良好的经济性。

通常情况下，集装箱船上层建筑下方的船体空间为船舶的燃料舱。然而，由于氨燃料的热值较低，且集装箱船航速快、推进功率大，燃料消耗量非常多，因而集装箱船所需的氨燃料舱体积很大，集装箱船上层建筑下方的空间所能容纳的燃料质量无法满足船舶航行需求，因此本发明在保留集装箱船上层建筑下方的燃料舱的基础上，充分利用集装箱船冷舱之间的隔离空间和双层壳与货舱纵向舱壁1之间的空舱作为船舶的氨燃料舱，本发明中设计的燃料舱5不会占据原有货舱的空间，因此不会影响集装箱船的载箱量，从而实现了氨燃料在集装箱船上的合理储存，大大提高了集装箱船的空间利用率，解决了氨燃料在集装箱船上的储存空间大的难题。

进一步的，本发明中由冷舱之间的隔离空间和双层壳与货舱纵向舱壁1之间的空舱围成的“回”字形燃料舱5可设有多组，以保证船舶正常航行的需求或较多数量冷藏集装箱的制冷需求。

当集装箱船在海上航行时，优先使用上层建筑下方的燃料舱，当上层建筑下方燃料舱的燃料供给量无法满足船舶航行需求时，然后再使用本发明中燃料舱5中的氨燃料。此外，船舶在消耗燃料时需保证每一个燃料舱5剩余的燃料质量都留有一定的冗余度，即使燃料舱5内已经消耗掉了大部分燃料，由于剩余的氨燃料仍然为-33.6℃的低温液体，与外界环境存在一定温差，即使燃料舱5外设置了保温层7，还是不可避免会产生氨的蒸发气(简称BOG)，BOG将充满燃料舱5的上方空间，而BOG与液态的氨燃料的温度相同，因此燃料舱5可以继续为冷舱中的冷藏集装箱制冷，保证冷舱的舱内温度，故燃料的使用将不会影响本发明的制冷效果。

进一步的，由于集装箱船船体本身特殊的流线型形状，因此越靠近船体中部位置，绑扎桥下方相邻两冷舱之间隔离空间的体积越大，故本发明中所述燃料舱5尽量设置在船体的中部位置，从而可以大大增加燃料舱5的体积。

进一步的，由于集装箱船在船中位置所承受的弯矩最大，因此船中位置所需的总纵强度要求最高，本发明恰好将燃料舱5设置在船中位置，在船中位置的左舷和右舷双层壳的内侧各设有一道货舱纵向舱壁1，更加保证了船体的总纵强度。

上述以燃料舱5包围三个冷舱为例介绍了本发明的具体实施方式，实际上，针对不同需求和燃料舱大小的氨动力集装箱船，本发明中的燃料舱5也可以设计为包围一个冷舱、两个冷舱、四个冷舱或其他数量的冷舱。

以上所述仅是本发明的优先实施方式，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种大型氨动力集装箱船的燃料舱及冷能利用系统，其特征在于：该系统包括货舱纵向舱壁(1)、A冷舱(2)、B冷舱(3)、C冷舱(4)、燃料舱(5)、舱口盖(6)、保温层(7)、燃料舱凹槽(8)、风机(9)、滑轨(10)、移动隔热装置(11)，

所述货舱纵向舱壁(1)分别在船舶的左舷和右舷双层壳的内侧各设有一道，与船长方向平行，

所述A冷舱(2)、B冷舱(3)和C冷舱(4)为船舶上用于放置冷藏集装箱的货舱，所述A冷舱(2)、B冷舱(3)和C冷舱(4)的舱底板的下方设有保温层(7)，所述舱口盖(6)下方设有保温层(7)，

所述燃料舱(5)由A冷舱(2)、B冷舱(3)和C冷舱(4)两侧的双层壳与货舱纵向舱壁(1)之间的空舱室、A冷舱(2)后侧的隔离空间以及C冷舱(4)前侧的隔离空间围成，所述燃料舱(5)将A冷舱(2)、B冷舱(3)和C冷舱(4)包围，

所述燃料舱(5)最外层的四周舱壁表面设有保温层(7)，所述燃料舱(5)与A冷舱(2)、B冷舱(3)、C冷舱(4)相接触的舱壁表面靠近冷舱的一侧设有保温层(7)，所述双层壳与货舱纵向舱壁(1)之间的空舱室的舱顶板和下斜板的外表面设有保温层(7)，所述A冷舱(2)后侧的隔离空间以及C冷舱(4)前侧的隔离空间的舱顶板和舱底板的外表面均设有保温层(7)，

所述A冷舱(2)与燃料舱(5)之间的横舱壁上位于A冷舱(2)的一侧设有燃料舱凹槽(8)，燃料舱凹槽(8)中的底面为矩形平面，燃料舱凹槽(8)延伸至燃料舱(5)一侧，在燃料舱(5)一侧形成一个凸台，所述风机(9)固定在燃料舱凹槽(8)中的底面上，所述滑轨(10)沿船宽方向布置，固定在A冷舱(2)、C冷舱(4)与燃料舱(5)之间的横舱壁上，滑轨(10)位于燃料舱凹槽(8)凹面的一侧，且与燃料舱凹槽(8)的底边平齐，所述移动隔热装置(11)与滑轨(10)实现滑动配合。

2.根据权利要求1所述的一种大型氨动力集装箱船的燃料舱及冷能利用系统，其特征在于：所述移动隔热装置(11)由隔热板、驱动装置组成，其中隔热板由保温材料制成。

3.根据权利要求1所述的一种大型氨动力集装箱船的燃料舱及冷能利用系统，其特征在于：所述燃料舱凹槽(8)的底边与冷舱舱底板之间的距离为冷舱高度的4/5。

4.根据权利要求1所述的一种大型氨动力集装箱船的燃料舱及冷能利用系统，其特征在于：所述燃料舱(5)靠近船体的中部位置。

5.根据权利要求1所述的一种大型氨动力集装箱船的燃料舱及冷能利用系统，其特征在于：所述A冷舱(2)、B冷舱(3)和C冷舱(4)相邻两个冷舱之间的隔离空间的横舱壁上设有多个通风孔。