压缩式冷冻机之工作原理.doc

压缩式冷冻机之工作原理 所谓压缩循环就是利用气体在不同的压力与温度下其存在的状态不同,也就是说如有一高压低温液态的物质,若将压力降低,且其温度维持不变,它会由液态渐渐变成气态.任何一种物质若要自液体变成气体,它必须吸收11 相当的热量,由液体变成汽体所吸收的热量称之谓汽化热,一般而言,汽化热值是相当大的热值;相反的,汽化后的气体若又加以压力再用冷却系统将因加压所升高的温度降低,则汽体又能恢复原有的液体状态,压缩冷冻循环就是利用这个道理设计出一套装置在冷冻机与空调系统中.在此系统中,压缩机都是用电动马达驱动,其目的就是将低压的冷媒压缩至一个适当的压力与较高的温度而变成高压与高温的气态冷媒,再送入冷凝器中使之冷却成液态的冷媒.【图3.2】为一般压缩式冷冻循环系统的主要装置图,而在实际运用当中会搭配冷却水塔或是冰水泵构成所谓的冰水主机系统. 【图3.2】 压缩式冷冻循环系统主要装置图 以下即针对压缩式冷冻机的主要元件分别叙述: 1. 压缩机:将从汽化器之汽态冷媒从低压低温区压缩为高压高温之过热汽态,其过程为绝热下进行,并产生推动系统冷媒之循环. 2. 汽化器即是吸收热量(即冷冻能力)使冷媒恢复原有的低压饱和汽体状态,待压缩机压缩再循环利用. 3. 冷凝器是将从压缩机出来之高温过热汽体下之冷媒冷却使冷媒变成高压液体状态. 4. 而膨胀阀是使高压液体冷媒经膨胀阀降压成一低压汽态. 123.1.3 压缩式冷冻机的省能运转管理 为改善压缩式冷冻机的效率或是提高其能源的使用率,以避免二氧化碳排放量的增加造成地球温暖化,可从下列四点作改善:适当冷媒的选用,机械装置的改善,废热的回收及利用,能源管理. 1. 适当冷媒的选用 虽然氟氯碳化物(CFCs)以及氢氟氯碳化物型(HCFCs)的冷媒并不会产生大量的二氧化碳,但由於会造成臭氧层的破坏,使得全球不断的温暖化.加以国际间也定了相关的管制措施,使得此类冷冻机的冷媒必须减量或是全面禁止,而造成相关机械必须做相当程度上的设计变更以适应替代冷媒的使用,而冷媒的选用适当与否会与冷冻效率有直接的影响关系. 氟氯碳化物(CFCs)自1996年开始全面禁止后,紧接著,氢氟氯碳化物型(HCFCs)的冷媒也将於2020年面临禁用的命运.因此国际间积极地寻找可替代的新型冷媒,在这几年是以HFCs为主要的替代冷媒,虽然HFCs替代冷媒并没有在蒙特娄议定书的管制之列,但在京都议定书中却将HFCs替代冷媒纳入管制之列,但京都议定书尚未正式生效.唯一令人担心的是,不晓得是否在未来几年内会与氢氟氯碳化物型(HCFCs)的冷媒同样面临到管制的命运.而上述冷媒其破坏臭氧层潜势(ODP)或是全球暖化潜势(GWP)与自然冷媒比较起来都有很大的差距.从【表3.3】的数据可以得知,氨气其ODP及GWP都比其他冷媒为小,但其毒性却是所有冷媒当中最高的,这造成了应用於冷冻系统中的不便及危险.而国内一些制程有使用氨气当作冷媒,但在浓度监测并没有落实,而造成了许多工安事件的发生,这一方面的管制必须从严,以防氨气的泄漏直接造成对人员的伤害. 而在选用替代冷媒时的原则有下列几项: (1) 臭氧破坏潜能(ODP)值为零及全球温暖化潜能(GWP)不高. (2) 安全性高(无毒,不具燃性). (3) 热交换性质效率高及化学性质稳定. (4) 新冷媒温度-压力特性和目前使用冷媒相近,以降低机械设计的变更. 13【表3.3】 各种冷媒性质的比较 种 类 属 项 GWP ODP 易燃性 毒性 R11 CFC 1500 100 无 1000 R12 CFC 4500 1.00 无 1000 R123 HCFC 29 0.02 无 5-10 R22 HCFC 510 0.05 无 1000 R134a HFC 420 0.00 无 1000 R711(氨) 0 0.00 14.8 25 HC 3 0 强燃性 以国内目前使用最多的往复式压缩机而言,其冷媒为HCFC(R-22),其所面临最大的困难在於替代冷媒(HFC)与现有机种的不合,即必须面临机械设计的大幅变动.而大吨位的离心式也同样面临此问题.就国内而言,使用R-22冷媒的机种占了大多数,因此需加紧替换的工作.目前替代冷媒的现况趋势在冷冻机器(低温冷冻设备)以R404a及R717为主,而在空调机以R407C及R410A为主.但由於HFC同样会对地球产生温暖化,长远之计是发展HC(碳氢化合物),NH3,CO2等自然冷媒,而且从机械效率及地球温暖化而言,此类自然冷媒是今后的研究重点. 另外在使用替代冷媒时,冷冻油的搭配与选用也影响了冷冻的效率.传统上,当CFCs或HCFCs为系统的冷媒时,常用无机油来润滑.但在使用HFC时却不能再用此种润滑油,因为这两者是不互溶的,使得无机油进入蒸发器或是冷凝器中,因而阻碍了系统的效能,降低了冷冻机的效能. 就冷媒的本身性质而言,其蒸发温度及凝结温度的高低也会影响冷冻系统循环的效率.在相同的冷凝温度下,冷媒蒸发温度每提高1,约可提高1.5%的冷冻能力,COP约提高3%,如【图3.3】 所示.如果凝结温度提高则对其冷冻能力却有反效果,凝结温度每增加1,COP约降低2.7%.如【图3.4】所示.因此选用适当的冷媒对冷冻系统的效益可说是非常重要的. 14【图3.3】 蒸发温度的增加对冷冻效率的影响 【图3.4】 凝结温度的增加对冷冻效率的影响 15另外有关於冷媒提升效率的措施还有增设冷媒强制循环系统,其最主要的原因即节省能源.但并非所有冷冻系统都能装设此一设备.其节省能源的原因有下列几点: (1) 增加热传导系数与热交换效率 (2) 消除蒸发管内积油 (3) 预防液态冷媒吸入压缩机 (4) 增加冷冻效率减少压缩机负荷 在增设冷媒强制循环后,不要再使用原蒸发过程中之膨胀阀.低压侧受液槽应尽量靠近压缩机,可节省动力. 2. 机械装置的改善 这方面的效率提升可从两方面著手,第一是设备效率的改善,第二则是从系统著手.设备系只在冷冻系统中的单一元件而言,如压缩机,热交换器等.而系统指的是从整个组合元件来看,这一部分必须考量到实际的操作环境,其牵涉到的因素较单一元件复杂. (1) 就设备而言 首先从单一元件来看效率的提升.在冷冻系统最为重要的元件为压缩机,其也为冷冻系统中最耗能的部分.压缩机在运转过程中,若压缩过的冷媒气体回流漏进压缩机的进气行程时,则原压缩所付出的压缩能量就浪费掉了,也会造成系统的破坏,降低其寿命.若所加入的能量用在克服摩擦或者克服机件运转时的惰性,则也损失了能量,并降低压缩机的效率.不过任何形式的压缩机均会有机件因摩擦而损失的能量,只是多寡的的分量不同而已.如果只就效率考量而言,单段压缩系统与双段压缩系统分离可提升效率.即各冷冻机械之间的温度条件相差在10以上时,应考虑分开成一级温度的冷冻系统,然后提高单段压缩机的入口压力(即蒸发压力),因而减小压缩比,也就减少了所需动力,针对各式样之压缩机保养与省能方式,将於下一章再详加介绍. 在冷冻系统中热交换器指的是冷凝器与蒸发器.当其中任何一组热交换器之效能不好时,就会使得能量的传递受到阻碍,连带影响到整个系统能力,结果不是系统耗电量增加,就是冷冻能力下降.污染系数愈高(污垢越多),冷凝器温度会提高,需要吸入更冷的冷媒,冷冻机所需动力之百分比将愈增高.冰水主机蒸发器或是冷凝器结垢使热传效果变差,就是最典型的例子.因此维持热交换器的清洁在冷冻系统中是非常重要的.但对於设备而言,其16产品都有一定的上市门槛效率,即有一定的标准效率,故从节能而言,其节能的空间不大. (2) 就系统而言 在探讨节能机会时,最好能先对系统能源效率做整体的调查与检测,建立现况基准,其目的有二:一是可了解系统耗能分布状况,另外就是可掌握各个动作元件之耗电率.就系统效率而言可从四部分做改善. A. 冰水侧 冰水侧系统主要是由冰水泵,冰水管路,各式阀件及配件所组合而成,此部分即与蒸发器做热交换之系统.冰水管路有如人体内的血管,将冰水主机所制造出来的低温冰水适量地分送到各个空调负载区,若是设计不当或试车调整不当,不但容易造成冷能分配不平衡,冰水泵及控制阀等动作元件也易於毁坏,更甚者,将使冰水主机多运转一台,却又在低负载下运转,而浪费能源.而冰水泵是冰水侧的动力来源,选择适合系统之冰水泵是非常重要的. 另外就是在中大型中央空调系统,在冰水侧使用一种达到流力分离,热力耦合的冰水系统,这种系统被称为生产与分配分职型系统.主要是将一次侧(主机侧)与二次侧(负载侧)的冰水流量分离,使得两者的冰水流量可以不同(一般设计大都是一次侧流量大於或等於二次侧流量)负载侧供水温度将与主机测出水温度相同,而不会发生因为温度梯度所造成主机效率的流失.由於此系统将一次侧及二次侧流量分离,一次泵及二次泵所负担之流量及扬程是没有绝对的关系,理论上可以比传统冰水系统节省较多的泵功.另外若在负载变化大或是大部分时间为轻载的场合,更可在二次侧(负载侧)泵加装变频器,使二次泵随负载变化而改变转速,如此一来可节省更多电力. B. 冰水主机 根据大电力研究测试中心与工研院能资所过去几年所作的测试调查5,国产冰水机的平均效率值EER约3.1kcal/hr/W,尚未达到美国ASHRAE90.1标准中所建议的效率基准3.27kcal/hr/W.假设所有的主机效率能提升百分之十,则电力负载约可降低120MW,相当於火力发电厂二部发电机组容量.在能源短缺的今天,冰水主机的能源效率是非常值得我们深入探讨. 冰水主机在中央空调中是不可或缺的设备,其最大的功能就是将低於外气温度的热负载,转化成高於室外温度,使系统能利用温度梯度将热负载传17递於室外.就冰水主机而言,冰水主机大部分的时间都在低负载下运转,冰水主机负载率在60%以下运转其效率往往是不佳的,因此就其需要来选择或更换合适的冰水主机是对节能而言非常可行的. 高效率省能冰水机的设计可以从许多方面著手,首先是代表冰水机效率潜力的心脏-压缩机.对国内绝大部分的冰水机制造厂而言,压缩机并不是自行生产,因此制造高效率省能冰水机的先决条件是选用高效率压缩机.另外,适当的主机加卸载段数可以使压缩机随著负载的变化来调整压缩容量,以提高部分负载效率.采用有节能器入口(economizer hole)的压缩机,可使用二级压缩系统来提高效率与能力. 压缩机选定之后,接著要考虑的是如何使压缩机在最佳条件下运转.适当地调整冰水主机之设定温度也能节省电力的消耗,由热力学的冷陈循环分析得知,低冷凝温度(压力),冷凝器出口过冷度增加,提高蒸发温度(压力)与蒸器出口过热度减小,则冰水主机的制冷能力与效率愈高,见【图3.5】,【图3.6】,【图3.7】蒸发器与冷凝器的设计要以满足这两个条件为目标.另外,增加冷凝器出口过冷度与减小蒸发器出口过热度也是提升能力的方法. 【图3.5】 冷凝温度(压力)降低对效率的影响5 18【图3.6】 过冷度增加对效率的影响5 【图3.7】 蒸发温度(压力)提高对效率的影响5 C. 冷却水侧 冷却水侧是指与冷凝器进行热交换的外部系统.在大都数的设计,一台冰水主机会搭配一台冷却水塔,且水塔的起停是与冰水主机连动的.由於中大系统冰水主机台数偏多,使得冷却水塔台数亦多而不易管理及维护,且无 19法随著空调负载及外气条件变动而调整风扇耗电量.一般来说,冷却水温度每降低1可省电1.5 2.0%.冷却水的入口温度应在符合冰水主机特性及外气湿球温度的限制下,尽可能地降低来节约冰水主机之用电量.也就是说,冷却水塔应与冰水主机的运转一并考虑,才使得系统整体效率提升. 【图3.8】是冰水主机与冷却水塔在不同的冷却水温度下的耗电率变化.在较低的冷却水温冰水主机耗电降低,但冷却水塔耗电上升,合计二者耗电存在一最佳运转效率点.欲达成最佳化控制,冷却水设定温度应随外气湿球温度重置(Reset).一般冷却水塔合理的接近温度为3,因此冷却水温的重置温度亦应以此为基准.其目的在使冷却水塔的散热能力完全发挥,同时避免接近温度过低而消耗太多的风车耗电.但冷却水温也不是可以无限制地降低,最低设定温度应谘询冰水主机制造厂的意见.冷却水塔风扇转速可依实测冷却水温与设定温度之间的差值做变频控制.如此一来,冰水主机可因冷却水温随季节变动调低而使耗电减少,冷却水塔风扇也可全力运转,但不致於浪费过多电力. 【图3.8】 冰水主机与冷却水塔在不同的冷却水温度下的耗电率变化 由上面可知冰水主机之排热量是藉由冷却水传递至冷却水塔.故冷却水循环量是由冰水主机之排热量及泵之耗电量之合所决定,以往在们决定冰水20流量(LPM)时会取冰水主机冷冻吨数的l0倍(亦即1RT=10LPM),而冷却水量则是冰水量的1.3倍(亦即1RT=13LPM),当然这是以5为设计温差时之流量.若能配合冰水机与冷却水塔选择较大温差之设计时,水流量即可降低,因而减少冷却水泵之初设费用及运转费用.因此减少冷却水循环量,可以降低冷却水泵耗电量. 还有就是变频控制的采用.变频控制因可根据负载变化调整设备转速来提高设备整体效率,降低机械磨损等优点,是目前节约能源的最佳控制方式.冷媒压缩机变频控制在全球空调市场是处於一个新兴开发的控制领域,不论压缩机是旋转式,往复式,涡卷式,螺旋式或是离心式均可透过变频方式来达到控制目的,不过由於牵涉到冷媒及压缩机特性,使得其变速控制系统相当复杂不能只靠单点压力或温度控制,必需要和压缩机制造厂商整合并考虑整体系统运作.因此必须从整体系统来搭配变频控制系统以达到节能的观点.以下提供螺旋式变频冰主机与传统式冰水主机之优缺点比较作为参考6,见【表3.4】. 最后就是电子膨胀阀控制等的采用.微电脑控制除了控制准确,启动电流低,反应速度快及可提高部分负载的运转性能外,尚可附加其他功能,包括故障预知,故障诊断,需量控制,运转监视,补机控制等,尤其利用中央监控系统或电话回线及Modem装置,可做集中管理或委托外界服务中心进行操作维护工作,除可由故障预知及自行诊断以提高操作性及维护性外,更可达省能化,省力化的经济效益.换言之,冰水主机的微电脑控制技术将是未来发展的重点,尤其经由软体的程式控制,将使冰水主机往智慧型发展. D. 送风系统 在空调系统中,送风之电力负载可达三成之多7,且因其全负载运转时间相当长,其总耗电可达相当於冷冻主机的耗电量,故其节约能源能力不可忽视.由於VAV系统采用变频器的控制方法,使风量随空调需求而改变,节省下大量的能力,因而已在国内引起专业人士之重视,且应用亦逐渐广泛.【图3.9】,【图3.10】即为其示意图. 21【表3.4】 螺旋式变频冰主机与传统式冰水主机之优缺点比较6 连续式无断容调变频控制 连续式无段容调控制 四段式容调控制 1 变频起动方式,无起动电流过大的情形 Y-起动,起动电流过大 Y-起动,起动电流过大 2 降低机械磨损,运转及震动噪音减少 机械磨损大,运转需动噪音增加. 机械磨损大,运转震动噪音增加. 3 容调滑块及马达转速可无段同步控制,容量控制可从10%-100%控制运转,控制模组并计算决定系统之最佳运转点运转. 容量虽可控制从25-100无段容调,但马达转速仍全速运转,旁通流量造成系统热损失及电力消耗过大并无法计算最佳节能运转点运转. 容量控制分阶段为25%.50%.75%.100%,无法契合实际容量,需较高一阶运转,系统Hunting震动,并且耗电量过大. 4 加卸载及马达变速动作稳定平顺,加卸载时容调滑块不因冷媒热胀冷缩变化而造成活塞作动不顺及失效. 加卸载动作连续及平顺稳定,但会造成活塞旁通卸载时冷媒热胀冷缩变化而造成活塞作动不顺及卡死失效. 加卸载动作为阶段性而非连续性控制,运转不稳定,虽无热胀冷缩问题,但是压力冰水温度变化太大,控制不稳定. 5 平稳的控制冷凝压力及蒸发压力,并精准控制冰水出水温度,准确度可达到0.5内. 传统式控制器可较平稳控制冷凝压力及蒸发压力,但冰水出水温度较难控制一般为1-2左右. 阶段性控制,冷凝压力及蒸发压力不易控制,压缩机起动停止太频繁,冰水出水温度变化太大. 6 控制模组为插卡式可外加或不加微电脑控制,通讯系统可外接LonWork共容性网路架构只需插卡即可连到中央监控系统,在控制功能及维修上更为灵活运用. 需使用微电脑控制,传统式控制器为国外进口套装软体,控制功能运用不灵活,及维修不易. 无需使用微电脑控制器 传统PLC即利用电磁开关和TIMER即可控制. 7 多组压缩机可透过网路并联控制方式,达到主机在最佳需量下运转. 传统微电脑容调控制虽可并联控制大部份并无此需量控制功能. 无此功能. 8 价格较高,但可从日后之节省电费回收. 价格及回收效益