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2 修訂八版序 感謝業界的先進不吝支持與指教, 使本書在過去的十八年間 經印製達八千本, 同時得以不斷更新與充實內容, 將累積的經驗轉 換為可以流傳的知識 本書以作為引領讀者進入冷凍空調領域的入門書為標的, 期望藉由淺顯易懂的 紹方式, 提供讀者對冷凍空調系統一個全面的認識 因此, 全書內容僅以單段直膨式系統進行 紹, 如果遇到非直膨系統 雙段式或是二元系統時, 在引用資料時務必對資料的條件進行再三確認, 避免錯誤引用 由於資源與能源取得成本日益高漲, 以往不經計算而以較大安全裕度進行的設計模式逐漸受到嚴厲的挑戰 在這樣的環境下, 唯有徹底了解所有的原理並靈活運用, 方能創造出最具競爭能力的產品 過去十多年來, 本書成為許多朋友的第一本冷凍空調書, 也期望藉由本書引領, 能讓引發讀者的興趣, 繼續由浩瀚書海中汲取新知, 同時在實務上不斷驗證所獲得的學理, 提升自 的競爭能力, 並創造出過多優良的 MIT 產品 薛允榮民國一 一年十月

3 序 隨著生活水準的提昇, 商業冷凍冷藏設備 成為商場上不可或缺之生財器具 回顧國內的冷凍業界發展, 相關材料由初期在廢五金堆裏尋寶, 至 天全由新品取代 ; 技術由昔日師徒相傳的黑手工夫, 到目前注重理論講求應用, 前後約有二十餘年的時間 在此過程中, 一丞由當年的冷凍工程行到現在的專業熱交換器製造廠 回憶創業之初, 經營模式亦是靠著師父傳承的技術, 知其然不知其所以然地經營著, 早期在商業冷凍方面只要溫度能降低, 不會堵霜即可交差 但近年來隨著工商業的快速發展, 客戶對於能源效率 噪音 冷媒環保 產品可靠度的要求 不可同日而語 基於技術升級之殷 需要, 公司不斷加強研發, 累積技術, 更多方面向學者專家請教, 承蒙前輩不吝指導, 及研發生產技術部門同仁們的不斷努力, 使公司在理論 生產與應用技術方面能稍具基礎, 為了向業界先進對熱交換器的製造 應用 系統匹配及問題處裡做詳盡的 紹特整理此一手冊, 期與各位先進共同研討交流 多年來也常遇到產品或系統失效的狀況, 究其原因除生產與裝配之品管問題外, 很多原因為製造者與客戶間在理論及產品要求方面觀點不一致而造成, 導致事倍功半 所以本手冊也加上一些冷凍基本原理, 食品冷凍之相關資料, 盼經由本手冊深入淺出的 析, 使上中下游的業者及客戶能做良性之溝通, 期使在相互的交流下提高國內之商業冷凍水準 薛允榮民國八十三年六月

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5 目錄 第一篇基礎篇 第 0 章名詞解釋 第一章概說 什麼是冷凍? 基本冷凍 環 冷媒與冷凍系統 冷媒的基本選用原則 冷媒與適用溫度 CFC 與 HCFC 冷媒的管制 第二篇冷凍系統 第二章壓縮機 往 式壓縮機動作原理 壓縮機的容積效率 壓縮機的理論動力 壓縮機的潤滑 壓縮機的散熱方式 選用與使用壓縮機的注意事項 壓縮機問題簡易診斷表 第三章冷凝器 氣冷式冷凝器動作原理 冷凝器的散熱量 影響冷凝器散熱效果的因素 選用與使用冷凝器的注意事項 冷凝溫度的設計 冷凝壓力 溫度 控制 未來氣冷式冷凝器的發展方向 I

6 第四章蒸發器 蒸發器的動作原理 除霜 影響氣冷式蒸發器能力的因素 選用與使用蒸發器的注意事項 蒸發器未來的發展方向 第五章膨脹閥與相關控制元件 膨脹閥 感溫式膨脹閥動作原理 選用與使用膨脹閥的注意事項 膨脹閥功能不佳的原因 乾燥過濾器 手動關斷閥 視窗 電磁閥 冷凝壓力調整閥 高壓儲液器 逆止閥 蒸發壓力調節閥 溫度控制器 定時器 過冷卻熱交換器 低壓與高壓控制器 油壓保護開關 差壓閥 油分離器 曲軸箱壓力調整閥 液氣分離器 高壓旁通閥 熱氣旁通閥 冷凝風扇馬達變速器 溫度感應式 冷凝壓力風扇馬達控制器 壓力感應式 冷凝壓力控制制水閥 II

7 第六章冷凍系統搭配說明 高低溫壓縮機的選用 冷凝器與蒸發器的選用 過冷卻與過熱度的影響 配管 第三篇冷凍庫設計 第七章冷凍庫概念澄清 冷凍能力 負載 = 冷度 庫溫? 不論放入多少物品進入冷凍庫, 其需要的冷凍時間皆相同? 只要加大冷凍庫的能力, 必能縮短所需要的冷凍時間? 不論冰什麼東西, 冷凍庫溫度越低越好? 只要是庫溫在攝氏零度以下的冷凍庫都可以用來凍結物品? 冷凍庫的風速越大, 冷凍庫比較冷? 第八章冷凍庫分類與冷凍負載 冷凍庫的分類 冷凍負載 大氣負載 冷凍物的負載 滲入外氣熱負載 庫內電器用品熱負載 工作人員的熱負載 總熱負載 保溫用冷凍庫的分類 凍結時間估算 板狀凍結時間估算 球狀物的凍結時間 凍結盤的凍結時間 接觸式凍結的凍結時間 III

8 第九章冷凍負載的計算與設備選用 大氣負載 冷凍物的熱負載 滲入空氣熱負載 庫內電器用品熱負載 工作人員的熱負載 總熱負載的計算 冷凍庫設備選用 降溫與保溫混用之冷凍庫能力速算法 另一商業應用例的計算 第十章冷凍庫注意事項 冷凍時間 影響冷凍時間的因素 使用冷凍庫注意事項 冷凍庫故障排除 農產品保存注意事項 呼吸作用 農產品儲存前的處理 預冷 農產品的儲存溫度 農產品的儲存溼度 冷藏庫的換氣 冷藏條件及儲存期間 C.A. 儲存 塑膠紙包裝儲存 藥劑處理 蔬菜類冷藏傷害 水果冷藏 水果類於儲存中所發生的變化 水果呼吸作用 水果冷藏注意事項 水果冷藏系統控制注意事項 花卉的儲藏 IV

9 附錄快速檢索...A- 1 問題精選...A- 5 參考資料...A- 6 附錄冷媒 P-H 圖 R-22 R-23 R-32 R-124 R-134a R-404A R-407C R-410A R-507A R-717 R-718 R-744 V

10 第一篇基礎篇 第 0 章名詞解釋 在我們進入冷凍系統前, 首先介紹幾個名詞, 以方便讀者較快進入狀況 熱力學 : 這是一門探討有關熱機械運動機構的 學 舉凡一 生命的現象都與熱力學有極大關係, 特別是冷凍系統, 基本上就是一個熱的傳輸機構, 因此要了解冷凍系統, 不可不知道什麼是熱力學 熱力學中最重要的觀念為能量不可以產生或消滅 能量守恆, 但可以由一種型態轉換至另一種型態 如電能可以變成熱能, 例如烤麵包機, 插電就可以獲得熱 熱力學有三大定律, 最重要的定律為 : 世界上沒有所謂的永動機械! 第二定律 熱力學是一門有趣而富含哲理的 學, 讀者如有興趣可自行參考市 上有關熱力學的書籍 溫度 : 是一種指標, 用來度量物質所含的熱量程度 此值是一個相對值, 其公 制單位為 或 K 如在夏季 32 的氣溫下一般人都會覺得熱 但如果一 個人由 100 的火爐旁, 回到 32 的環境一定會覺得涼快多了 熱量 : 熱是無所不在的, 只要溫度超過絕對零度 零下 273 的任何物體都 具有熱量 熱量之所以產生是於由 子的運動 它是一種能量的形態, 可以由其它型態的能量轉換而來, 如以下的例子 : 烤麵包機, 電能 熱能 鑽木取火, 機械能 熱能 熱量它不會靜止不動, 一直由高溫向低溫流動 如將手指放在冰塊中, 因手指的溫度較高, 因此熱量將由手指流向冰塊, 所以手指頭因失去熱量而感到冰涼 反之如果將手指浸入熱水之中, 由於水溫較高, 因此熱量將由熱水流向手指, 手因為獲得熱量而感到熱 0-1

11 高溫 熱流動方向 低溫 熱由高溫流向低溫 水由高處流向低處 比熱 : 每公斤的物體上升溫度 1 所需要的熱量, 其公制單位為 kcal/kg 各 種物質的比熱可由熱傳工具書中查出 相態 : 相態是指物質的狀態, 自然界的物質可分為氣態 液態 固態等 當其 所含的能量不同時, 其所表現出來的相態也不同 對同一物質而言, 以 氣態所具有的能量最高, 液態其次, 固態最低 相態的變化 : 由於物質由分子所組成, 分子與分子間因吸引力而連結在一起 當連結力強, 分子間呈緊密結合狀態時, 即為固相 ; 當分子間連結力較弱時, 呈現液相狀態 ; 分子間連結力最弱者, 為氣態 要破壞分子間的結合狀態需要相當的能量才有辦法達到 物質的三個相態 加入能量 加入能量 ( 加熱 ) ( 加熱 ) 固相 : 分子間結構緊密彼此間的距離最近 移去能量 移去能量 ( 冷卻 ) 液相 : 分子間結構較鬆散 ( 冷卻 ) 氣相 : 分子間結構最鬆散 彼此間距離較大 彼此間距離最大 ( 由固相直接變氣相稱為昇華作用 ) 顯熱 : 當物質在持續地加入熱量以後, 溫度不斷地上升, 這些用來使物質升溫熱量就稱為顯熱 顯熱只造成物質在同一相態下的升溫, 而不改變其相態變化 通常顯熱的計算是由溫差乘以被加熱物體的比熱再乘上其重量 在冷凍系統上為計算方便, 經常以 kcal/kg 為單位 0-2

12 潛熱 : 如果物質在某壓力下被加熱到一定溫度後, 即使熱量持續地加入也不會造成溫度的上升, 而這些被持續加入的熱量將用來增加物質 子的運動, 造成 子間的距離加大, 使得物質由某一相態轉變成另一相態 這些用來改變物體相態的熱量就稱為潛熱 因在加入熱量的過程中, 物質的溫度不改變! 不同物質的潛熱值皆已被測出, 可由各工具書中查出 其常用單位為 kcal/kg 顯熱與潛熱 : 為使讀者更容易了解顯熱與潛熱的關係, 我們舉水的加熱沸騰作為說明例 我們在一大氣壓時將一壺水置於瓦斯爐上, 放一支溫度計在水壺內, 當加熱後, 水壺內的水溫開始升高 溫度上升到 100 後, 壺內的水開始沸騰, 水 液態 開始變成了水蒸汽 氣態 但我們可以由溫度計上看出此時的溫度還是維持 100, 如果要將這壺水完全變成水蒸汽, 維持相同的加熱量, 則所花的時間比將這壺水由室溫加熱到 100 要來得多 我們可以由下圖看出水加熱過程的顯熱及潛熱變化 溫 100 開始沸騰水溫上升 溫度不變 完全變成水蒸汽 水蒸汽溫度上升 度 水 水與水蒸汽同時存在 水蒸汽 顯熱變化 潛熱變化 顯熱變化 時間 我們可以做一個小小的計算 : 假設水壺內的水為 1 公斤, 開始加熱的水溫為 30, 水的比熱為 1kcal/kg, 水由液態變成氣態的蒸發潛熱為 539kcal/kg 水由 30 變成 100 所需的熱量為 = 70 kcal 而 100 的水變成 100 水蒸汽所需的熱量為 1 539=539 kcal 由此可見要使物質有相變化所需要加入的熱量相當大 因此在冷凍空調應用上, 多運用物質的潛熱變化來做為熱量傳遞 0-3

13 飽和液體 : 飽和氣體過冷液體過熱氣體 當液體置於一容器中, 維持一壓力 P1, 將溫度逐漸上升後, 開始沸騰, 產生蒸氣, 此時溫度不變 如同水在 1 大氣壓下沸騰時, 溫度維持 100 不變, 當熱量逐漸加入到液體變成氣體時, 而溫度仍舊不變, 此時的氣體, 便稱為 P1 時的飽和蒸氣 如果這些蒸氣再被 加熱, 溫度就開始上升, 這些較高溫的氣體便稱過熱蒸氣 反之如果將蒸氣再度冷凝, 此時溫度維持不變, 當蒸氣變為液體, 此時的液體稱為 P1 時的飽和液體 當熱量再被移走, 溫度開始下降, 這些溫度較低的液體稱為過冷液 下圖即以水來說明飽和液體 飽和氣體 過冷液體 過熱氣體的 別 1 大氣壓下的水 過冷液 飽和液 飽和液氣混合 飽和氣 過熱氣體 加熱 加熱 加熱 冷卻冷卻冷卻冷卻 顯熱變化 潛熱變化 顯熱變化 冷媒 : 用來傳遞熱量的介質, 細介紹請參考第一章 焓值 : 是能量的單位, 用以表示在某一狀態下 物質所具有的能量, 如果此值改變即表示有能量進出 物質 機械能 電能與熱能皆可以改變物質的焓值, 在冷凍空調中所討論的通常為熱能的傳遞與變化, 較少涉及其它的能量變化, 因此在冷凍空調上經常用來計算冷凍能力與熱負載 其公制單位為 kcal 此值為一比較值, 美國冷凍空調協會 ASHRAE 對冷媒的焓值定義為,0 每公斤重的飽和液態冷媒其焓值為 200kcal 比焓值 : 為計算方便通常會將物質的能量以每重量單位所具有的能量來表示, 亦即 物質的焓值除以 物質的重量 其公制單位為 kcal/kg 0-4

14 成績係數 COP : 在冷凍系統中, 每輸入一單位的能量所能獲得冷凍能力 的比值, 可做為冷凍系統的評斷指標 此值越高表示冷凍系統的效 率越好 在使用壓縮機的系統此值的計算為 : 冷凍系統成績係數 = 系統冷凍能力 (kcal/hr) 壓縮機輸入的能量 壓縮機馬力 kw 860 成績係數是一個無單位的值 大氣壓力 : 大氣壓力是指包圍在地球外圍的氣體, 對地球所施予的壓力 此 值與氣體的多寡有關, 當氣體越稀薄所產生的壓力也就越小 一 般所謂的一大氣壓力是以地表水平 所量測到的值為準 絕對壓力 : 絕對壓力值表示實際的壓力值, 如大氣壓力即為絕對壓力 通常 在標示這個值時都會在其壓力單位後 加一個 a 或 abs 字, 如 psia,mpa 等 錶壓力 : 此壓力值是壓力錶在一大氣壓時, 顯示的壓力值為 0 通常在標示這個值時都會在其壓力單位後 加一個 g 字, 如 psig 等 絕對壓力與錶壓力的關係如下 : 絕對壓力 = 錶壓力 +1 大氣壓力 錶壓力讀值 絕對壓力值 塔高 地表高度 實際離海平 高度 錶壓力 =0 一大氣壓 實際離海平 高度 = 地表高度 + 塔高 絕對壓力 = 一大氣壓力 + 錶壓力 絕對壓力 =0 完全真空 0-5

15 壓力與溫度的關係 : 當壓力越大時, 沸騰的溫度越高 當壓力越小時, 沸騰溫度越低 這是因為物質的 子要獲得足夠能量, 使本身產生的壓力大於外界的壓力時, 才有辦法脫離液 變成氣體, 因此壓力與溫度有極密 的關係 如在平地上煮開水要 100 才會沸騰, 如果在高山上不到 100 水就會沸騰, 這就是因為在高山上壓力比較小的關係 冷凍系統便是利用壓力與溫度的關係來創造冷凝與蒸發的過程 比體積 : 此值為密度的倒數, 即物質每單位重量的體積, 其公制單位為 m 3 /kg 在冷凍工程中通常會需要這個值來計算冷媒流量以及觀察冷凍循環的狀態 對氣體而言, 這個值會隨溫度壓力而變化 ; 液體隨溫度而變化, 但在實際的冷凍工程應用範圍上, 液體的比體積約可視為定值 冷凍噸 : 此值為計算冷凍能力的單位, 為公制與英制兩種 公制冷凍噸為 1 公噸 1000 公斤 的冰於 0 時, 在 24 小時內完全融化成 0 的水所需要的熱量 水的融化熱為 79.68kcal/kg, 故 1 公制冷凍噸 也有人稱為日本冷凍噸 為 3320kcal/hr 英制冷凍噸為 1 英噸 2000 磅 的冰於 32 時, 在 24 小時內完全融化成 32 的水所需要的熱量, 故 1 英制冷凍噸 也有人稱為 USRT 為 12000BTU/hr 3024kcal/hr 目前國際上慣用的冷凍噸為英制冷凍噸, 亦即 1USRT=3024kcal/hr 顯熱與潛熱有什麼差別? 0-6

16 常用單位換算 長度單位 英制單位 公制單位 1 英吋 = 2.54 公 1 英呎 = 公尺 重量單位 英制單位 公制單位 1 英磅 = 公斤 體積單位英制單位公制單位 1 立方英吋 = 升 = 立方米 1 加侖 美 = 升 能量與功率單位英制單位公制單位 1BTU= 卡 cal 1 卡 = 焦耳 J = 瓦 W sec 1 仟瓦 kw =860 仟卡 / 小時 kcal/hr 英制單位 1BTU/ 磅 = 焓值單位 公制單位 仟卡 / 公斤 (kcal/kg 冷凍能力換算 1USRT=12000BTU/ 小時 =3.5162kW=3024 仟卡 / 小時 0-7

17 離開本章前請仔細想一想 :. 冷凍空調主要用那一種形態的熱能變化來傳遞熱?. 評斷冷凍系統的效能指標為何? 0-8

18 第一章概說. 什麼是冷凍? 對一般人而言, 冷凍的定義就是冰箱冷凍庫的作用, 能將食物或其它物品凍結成塊 以廣義而言, 舉凡能將物體的熱量移去, 使它的溫度較周圍溫度為低皆可稱為冷凍 熱量移去 高溫 低溫 冷 凍 圖 1.1 那麼冷凍是否因冰箱 冷氣機的發明才發生呢? 其實不然, 我們的老祖宗在很久以前便想盡了辦法來獲得涼爽的環境或冰涼的食物, 例如夏日的傍晚, 通常會在院子灑水, 使院子涼爽舒適 而遠古時候的帝王更有將冬天的冰塊儲藏在地窖中, 待夏季來臨時, 將這些冰塊取出來冰涼食物或置於屋中製造冷氣 這些例子換成現代的專有名詞來解釋便是冷凍空調 儲冰 於科技進步, 為達到降溫目的便產生了許多發明, 利用各種不同的方法手段來達到冷凍效果 以動作原理來分有機械式與化學式等機構 所謂的機械式是利用機械的動作來達到造冷效果, 如一般常見壓縮機式的冷凍機構 ; 而化學式乃利用化學物品間的變化來達到製冷目的, 如溴化鋰和水的吸收式冰水機 雖然其動作方式有所不同, 但是其最基本的造冷原理還是相同的 那麼究竟如何造冷呢? 我們再回到灑水的例子來說明物體熱量究竟如何被移去 在說明灑水造冷的原理前, 先來看一個現象 在廚房燒開水時, 當我們加滿一壺水置於瓦斯爐上, 當打開瓦斯爐熱源後, 熱不斷地加到壺中的水, 水溫逐漸升高, 然後沸騰 如果這些熱一直加入, 最後水壺中的水變成了水蒸汽, 散至空氣中 水 液體變成水蒸汽是 於熱量的加入所造成 1-1

19 現在回過頭來看灑水的例子, 當水灑到水泥地上以後, 過一段時間這些水乾了, 同時院子也涼爽多了, 是什麼原因呢? 其實道理和燒開水相同, 灑到地上的水慢慢地吸收地上的熱量, 變成氣態水蒸汽散到空氣中, 水因地上的熱而變成水蒸汽, 而地 因失去了熱量而變冷, 這便是灑水造冷的原理 在灑水造冷的過程中, 水被用來降溫, 換而言之, 熱量藉 水, 從地板跑到空氣中, 因此水可以說是一個造冷的媒介, 也就是所謂的冷媒 舉凡能被用來輸送熱量, 達到造冷效果的物質皆可稱為冷媒 如果將水不斷地倒到地板當然可以維持地板於較低的溫度, 但是這種方式 於水 冷媒 不斷消失, 並不是一個實用的冷凍方式 如果可以將氣態水蒸汽再變回液體的水, 那麼這些水 冷媒 就可以一直使用了 而如何將水蒸汽變回水? 大家都很清楚, 只要把水蒸汽冷卻便可以獲得水了, 換句話說把水蒸汽中的熱量移走就可以得到液態水 如下圖所示, 就是灑水冷卻的冷凍機構 排熱 水蒸汽 冷凝為水 蒸發為水蒸汽 水 吸熱 圖 1.2 灑水冷卻 因此藉 冷媒液體, 氣體的不斷 環將熱量 地移到乙地就是冷凍的基 本原理 而在這個過程中, 造成水 液體變成氣體或 氣體變成液體, 所加入 或排走的熱稱為潛熱 何謂潛熱? 當液體被加熱至沸騰時, 熱量持續加入, 可是溫度保持不變, 液體慢慢的變成氣體 這一段液體變氣體時 溫度維持不變 所需要的熱稱為潛熱 舉凡物質發生相變化時 溫度不變, 所需要的熱量就稱為潛熱 何謂顯熱? 當然有所謂的潛熱就有所謂的顯熱 當液體被加熱未達沸騰前, 每一加入熱量, 溫度就會提高, 這些用來提高物質在同一相態時溫度的熱量就稱為顯熱 於相變化每單位重所需的熱量 潛熱 遠較每單位重提升 1 所需要的熱 顯熱 要來得大, 因此冷凍 環上就是利用此相變化來達成冷凍 環 請參考第 0 章 1-2

20 . 基本冷凍循環 現在我們已經知道冷凍基本原理就是利用冷媒的液體 / 氣體變化 潛熱變化, 將熱量移走而達到冷凍效果 接著我們便來看一看氣冷機械式冷凍 環究竟是如何達到冷凍的效果 冷凝器 排熱 膨脹閥 高壓側 壓縮機 低壓側 吸熱 蒸發器 圖 1.3 冷凍 環 如上圖所示, 當液態冷媒 蒸發器部份吸收 外界傳來的熱, 變成氣態冷媒, 這些氣態冷媒被壓縮機吸入, 經過壓縮機加壓後, 變成高溫高壓的冷媒蒸氣, 這些冷媒被送到冷凝器, 在此氣態冷媒釋放熱到大氣中形成液態冷媒, 這些液態冷媒經過一降壓裝置, 變成低溫低壓的冷媒, 進入蒸發器中進行造冷工作 如此週而 始, 完成一個冷凍 環 在這裡有人不免要問, 為什麼要有壓縮機將冷媒蒸氣變成高溫高壓的氣體? 其實這與冷媒性質有關! 於氣冷式的冷凍 環是要將熱排放到大氣中, 大氣的溫度在夏季時為 30~35, 若要氣體冷媒將其所含的熱排出, 冷媒蒸氣的溫度一定要比這個大氣溫度值要大才有辦法將熱量排出, 可是光溫度提高還是不能使氣態冷媒液化, 如果氣態冷媒的壓力不夠高, 即使溫度高到足以和 1-3

21 外界大氣作熱交換, 充其量只能獲得較低溫的氣態冷媒, 而無法使冷媒液化 我們可以 水的三相圖來說明為什麼要足夠壓力與溫度才能使蒸氣液化 壓力 P 2 冰 水 等溫度線 等壓力線 P 1 汽 T 1 T 2 圖 1.4 水的三相圖 溫度 三相圖是物質氣 液 固相的特性關係圖, 是該物質的特徵 而每一種物 質的三相圖不盡相同, 就像人有不同的指紋一樣 我們現在就利用水的三相圖來說明, 為什麼在較高壓力比較容易液化 如圖 1.4 所示, 假設對水蒸汽同樣是 溫度 T 2 降到 T 1, 在較低壓力 P 1 的水蒸汽 T 2 溫度降到 T 1 溫度時, 還是停留在水蒸汽 氣相 的狀態, 但是如果將水蒸器的壓力提高到 P 2 的壓力時, 溫度同樣是 T 2 降到 T 1, 可以明顯地發現到水蒸汽降溫到 T 1 時, 已經變成了水 液相 了 以上的說明可以發現, 溫度壓力是冷媒相變化的重要因素 這也正是為 什麼冷凍 環要有高低壓 一般對於冷凍空調的人來說, 最重要的莫過於冷媒壓力與比焓值圖, 簡稱 P-H 圖, 這一個圖可以說是冷媒在不同壓力溫度下的狀態圖 在這個圖上提供了幾乎所有設計一個冷凍 環的基本資料 因此以下就來介紹冷媒的壓力與比焓值圖 1-4

22 飽和液體線 壓力 P 過冷液體區 液氣共存區 等焓值線 等壓力線 過熱氣體區 飽和蒸氣線 比焓值 h(kcal/kg) 圖 1.5 冷媒的壓力與比焓值圖 飽和液體與飽和氣體 : 請參考第 0 章 在圖 1.5 中, 縱座標為壓力, 橫座標為比焓值 單位重量所含的熱量, 圖上可分為三區, 飽和液體線與飽和蒸氣線所分隔 左側為過冷液體區, 中間為液氣共存區, 右側為過熱氣體區 水平線為等壓力線, 垂直線為等焓值線 除此之外還有等溫度線, 等乾度線, 等熵線, 等比體積線等 如圖 1.6 所示 壓力 P 等溫度線 A 等乾度線 線 熵 等 等比體積線 比焓值 h(kcal/kg) 圖 1.6 ph 圖上各等值線 1-5

23 如圖 1.6 所示, 如果我們知道過冷冷媒液的壓力和溫度資料, 那麼將這些資料畫在 P-H 圖上 如圖上的點 A, 點 A 畫垂直線於焓值的座標軸上, 便可以獲得 冷媒液所具有的比焓值 單位重量所含之熱量 現在已經大概了解冷媒的壓力與比焓值圖, 那麼在整個冷凍 環上冷媒在各元件的狀態又是如何呢? 現在我們將前 的冷凍系統圖與 P-H 圖搭配在一起來說明冷媒在冷凍系統中究竟如何 環 膨脹閥 冷凝器 4 3 高壓側 壓力 P 降壓 排熱冷凝 加壓 1 2 壓縮機低壓側 吸熱 蒸發 蒸發器 比焓值 h(kcal/kg,kj/kg) 圖 1.7 冷凍主要元件與 ph 圖對應關係 當液態冷媒 點 1 進入蒸發器後, 開始吸取外界的熱量進行蒸發, 於不斷吸收外界的熱, 冷媒變成過熱的冷媒蒸氣, 而這些冷媒蒸氣在點 2 進入壓縮機被加壓變成高壓高溫的冷媒蒸氣 點 3, 這些過熱的冷媒蒸氣進入冷凝器, 將熱散至大氣中, 變成過冷的液態冷媒 點 4, 然後進入膨脹閥, 這些冷媒被降壓成低溫低壓的冷媒 1, 再進入蒸發器進行造冷 在上 的圖中是一個理想的 環狀態, 完全不考慮管路的壓損與熱量散失 實際的 環應如下圖所示 : 壓力 P 理想循環 實際循環 比焓值 h(kcal/kg) 圖 1.8 理想與實際的冷凍 環 1-6

24 一般我們在設計一個冷凍系統時, 最起碼要知道 : 1. 低溫為多少度? 2. 外界的空氣溫度為多少度? 3. 大概需要多少冷凍能力 冷凍噸, 仟卡 / 小時? 當所需要的低溫知道後, 便可以知道 選用何種冷媒較為適當, 一旦決定採用那一種冷媒後, 便可以 低溫與外界空氣的溫度決定高低壓力出來 一般來說冷媒冷凝溫度較外界空氣溫度高 7~18, 而冷媒蒸發溫度較所需的低溫低約 5~10 當選定了冷凝溫度 過冷度 蒸發溫度和過熱度, 便可以在 冷媒的 P-H 圖上決定出高低壓力區 如下圖所示, 假設室外氣溫 35, 冷凍庫溫 -18, 使用 R-507 冷媒, 取冷 媒的冷凝溫度 47, 蒸發溫度 -23, 過冷度 10, 過熱 5 壓力 P 冷凝壓力 過冷卻 10 A 47 冷凝溫度 蒸發壓力 B -23 蒸發溫度 過熱 5 比焓值 h(kcal/kg) 圖 1.9 冷凝溫度與蒸發溫度 於膨脹閥為等焓膨脹的過程, 因此 點 A 垂直向下, 交蒸發溫度線於 B 點, 此點即為進入蒸發器的狀態點 而壓縮機的壓縮為等熵壓縮過程, 因此 點 C 沿等熵線向上畫, 交於冷凝溫度線於 D 點, 此即為冷媒在 冷凍 環過程的狀態圖 1-7

25 壓力 P 冷凝壓力 A 等 過冷卻 10 冷凝溫度 D 等 焓 熵 蒸發壓力 線 B 蒸發溫度 過熱 5 C 線 比焓值 h(kcal/kg) 圖 1.10 壓縮與膨脹 現在 B 與 C 點向下作垂直線, 可以獲得兩個比焓值 h 1 進入蒸發器冷媒的狀態點 與 h 2 離開蒸發器冷媒的狀態點, 假設我們需要 Q kcal/hr 的冷凍能力, 則 Q/(h 2 -h 1 ) 即可求出冷媒的質量流率 &m(kg/hr), 也就是系統中的冷媒 環量 壓力 P 冷凝壓力 蒸發壓力 過冷卻 10 A 等焓線 B 冷凝溫度 蒸發溫度 過熱 5 C 線 熵 D 等 h 比焓值 h ( k c a l / k g ) h 圖 1.11 冷凍 環蒸發器能力計算 1-8

26 有了高低溫度和冷凍能力, 我們可 壓縮機製造廠所提供的壓縮機資料找 出合適的壓縮機 再回到 P-H 圖上, D 點 冷媒進入冷凝器的狀態點, 一樣 向下作垂直線, 得到一比焓值 h 3, &m h 3 -h 1 即可獲得所需冷凝器的能力 壓力 P 冷凝壓力 蒸發壓力 過冷卻 10 A 冷凝溫度等焓 線 B 過熱 5 蒸發溫度 C 線 熵 等 D h h h 比焓值 h(kcal/kg) 圖 1.12 冷凍 環冷凝器能力計算 以上資料我們便可以 蒸發溫度 -23, 溫差 TD = -18-(- 23)=5, 所需的冷凍能力 Q, 從蒸發器製造廠所提供的資料找出我們所要的蒸發器 另外 冷凝溫差 TD=47-(35)=12, 所需的散熱能力 &m h 3 - h 1, 再 冷凝器製造廠所提供的資料找出我們所要的冷凝器 以上的估算是在理想狀況下, 當然實際的計算還要考慮到熱損壓降等問題, 才能選定適合的蒸發器與冷凝器 在第一篇中我們將更 細敘述各冷凍元件的原理及選用注意要點. 冷媒與冷凍系統 光只有冷凍系統而無當作傳熱媒介的冷媒, 那麼這個冷凍系統還不是一個完整系統 在建立冷凍系統時, 我們必須根據所希望的冷凍 環來選取適用冷媒, 才能使此一冷凍系統達到原始設計要求 1-9

27 .. 冷媒的基本選用原則 一般冷媒在選用時有以下的注意要點 : 1. 安全性要高 無毒性 無燃燒性 無爆炸性 無腐蝕性 2. 化學性質安定 在使用的溫度範圍內, 不會因溫度的變化而產生變質 ; 且使用壽命長久 3. 壓縮過程中不會液化 4. 具潤滑性, 且與冷凍油易於分離, 不與冷凍油發生作用 5. 黏滯性低, 減少在管路流動的能量損耗 6. 抗電性要大, 具高度絕緣性 7. 比體積要小, 節省冷媒在系統所佔的空間 8. 低溫的潛熱值要大, 以獲得較大之冷凍能力 9. 含水性低, 如冷媒含水易造成管路腐蝕, 同時易於膨脹閥處結冰造成阻塞 10. 運轉時壓力要低, 但低壓之壓力最好高於 1 大氣壓, 以防止外氣滲入系統中 11. 運轉時高低壓力差要小, 以節省壓縮機的耗電 12. 溫室效應與臭氧層破壞能力要低, 符合環保要求.. 冷媒與適用溫度 在冷凍系統中, 於應用的溫度範圍不同, 所使用的冷媒也就不同, 下表 是一般冷媒與其適用的溫度範圍 : 表 1.1 半密壓縮機單段冷凍系統冷媒與蒸發溫度建議蒸發溫度 以往使用冷媒目前使用冷媒 +5~-30 R-12 R-134a -5~-20 R-22 R-407C,R-410A -15~-45 R-502 R-507/R-404A 在上 所列的建議蒸發溫度範圍, 是根據冷媒的特性, 以及現有壓縮機 冷凍系統元件的材質 製造水準而定 於每一種冷媒其熱力性質 比體積, 焓值 飽和溫度壓力 等熵線的傾斜度 不同, 因此在冷媒經過壓縮過程後, 1-10

28 其吐出溫度也不同 在適合在低溫所使用的冷媒, 經過壓縮後其吐出溫度不致太高 其實每一種冷媒都可以用在低溫, 但是我們就必需要考慮到的是, 一但用到低溫時, 這種冷媒是否可以找到足夠壓縮比及馬力的壓縮機, 其吐出溫度是否能找到適用的冷凍油與壓縮機材質 因此, 許多使用在低溫的系統便採取多段式系統, 避免過高的壓縮比及吐出溫度.. CFC 與 HCFC 冷媒的管制 以往所使用的冷媒大多屬於氟氯碳化合物 CFC, 如 R-12 R-115 R- 502 的主要成份 以及氟氯碳氫化合物 HCFC, 如 R-22 等 此化合物之安定性相當的高, 在大氣存活的壽命相當長 以前在維修冷凍系統時, 經常將冷媒任意排放至大氣中, 這些氟氯碳 氫 化合物存在於大氣中的臭氧層中, 經太陽光照射後, 其中的氯與臭氧結合, 導致臭氧層的破壞 因此, 對於 CFC/HCFC 冷媒的管制全球皆已達成禁用的共識 原 R-12 以 R-134a 來取代, 但因 R-134a 冷媒對溫室效應的影響相當大, 現階段雖然廣泛使用 R-134a 取代 R-12 在以往的用途, 歐洲方 仍積極推動以自然冷媒作為最終的使用冷媒 歐洲在近幾年已推廣使用丙烷的冰箱, 但對於使用於大系統仍需要克服爆炸問題 在 代 R-134a 方, 目前已有以四氟丙烯為基礎的 HFO-1234yf 冷媒 代 R-134a 於車用空調的測試 HFO-1234yf 冷媒特性接近 R-134a, 但溫室效應低且大氣壽命相對短少許多, 極有可能成為 R-134a 的 代品 低溫系統自 R-502 被停用後, 杜邦公司 開發出短期 代的 SUVA HP-81 R-125,38%;R-290,2%;R-22,60%, 可使用原來的礦物油或改用烷基苯冷凍油或 POE; ICI 公司亦 推出 ARCTON TP5R2 R-22,44%;R-218, 56% 短期 代品 這些短期的 代品皆可直接 換入 R-502 的系統中, 原有的冷凍系統元件不需進行修改 R-502 的 代品有杜邦公司 SUVA HP-62 冷媒代號為 R-404A R-125,44%;R-143a,52%;R-134a,4% 與 AlliedSignal 公司的 AZ-50 冷媒代號為 R-507, 其中 R-507 為共沸冷媒, 系統改用 POE 冷凍油 在低溫系統上, 市 壓縮機製造廠主攻適用 R-404A/R-507 冷媒的壓縮機, 已拋棄使用 R-22 的系統 1-11

29 於 R-22 屬於 HCFC 冷媒, 因其中含有一個氯原子, 雖其含量較 CFC 冷媒為少, 但也成為禁用的目標之一 過去 R-22 的 代冷媒有 ICI 公司的 KLEA 66 與杜邦公司的 AC9000 R-32,23%;R-125,25%;R-134a,52% 冷媒編號為 R- 407C, 使用聚酯類冷凍油 POE 於 R-407C 的溫度梯度滑落太大, 熱傳特性較差, 因此現階段小型系統改採 R-410A R-32,50%;R-125,50% 於 R-410A 的組成中, 因不含溫室效應較高的 R-134a, 在環保的考量上, 具有其應用價值且熱傳特性較佳, 故已成為 R-22 的 代冷媒 但 R-410A 在使用壓力上較高, 在系統的耐壓設計上必須要全盤考慮, 且因屬非共沸冷媒系, 因此充填與維修上必須特別注意, 避免在過程中因洩露造成組成比例失衡 表 1.2 為美國冷凍空調學會 ASHRAE 所定的冷媒編號 混合成分與各廠商之冷媒品名對照表, 供各位讀者參考 另外於本手冊最後附有常用冷媒之壓力 - 焓值圖, 如各位讀者想了解其他混合冷媒的性質, 可以連絡各冷媒供應商索取相關資料 這些合成冷媒大多屬於近共沸點的配方 除 R-507 為共沸混合冷媒,R- 134a 為純質, 並不像以前的冷媒是屬於共沸點 因此冷媒在氣態時的組合成份都會有所差異, 為確保組成不變, 建議採用液態充填的方式 如果系統發生洩漏情形, 為確保原來的冷媒特性, 通常會建議將冷媒完全抽出, 再予以重新充填全新的冷媒, 這是非共沸冷媒在使用與維修上必須要特別注意的地方 而 於溫室效應的結果, 全球氣溫正逐年上升, 對地球生態環境造成極重大的影響 管制二氧化碳產生量也是目前各國所重視的課題, 在新冷媒開發上, 為了避免臭氧層破壞問題與抑制溫室效應, 逐漸採取使用自然冷媒, 避免自然環境遭受到人為破壞 1-12

30 表 1.2 常用混合冷媒一覽表 ASHRAE 代號 開發用途 成份 重量百分比 主要生產廠商 品名 R-401A R-12 中溫替代品 R-22 53% DuPONT SUVA MP39 R-152a 13% R % R-401B R-12 低溫替代品 R-22 61% DuPONT SUVA MP66 R-152a 11% R % R-401C R-22 33% DuPONT SUVA MP52 R-152a 15% R % R-402A R-502 過渡替代品 R % R-290 2% AlliedSignal DuPONT Genetron HP80 SUVA HP-80 R-22 38% R-402B R-502 過渡替代品 R % R-290 2% R-22 60% DuPONT SUVA HP-81 R-404A R-502 長期替代品 R % R-143a 52% R-134a 4% R-407A R-22 開發替代品 R-32 20% R % R-134a 40% R-407B R-22 開發替代品 R-32 10% R % R-134a 20% R-407C R-22 開發替代品 R-32 23% R % R-134a 52% R-408A R-502 過渡替代品 R-22 45% R-143a 55% R-409A R-12 過渡替代品 R-22 60% R % R-142b 15% R-410A R-22 替代品 R-32 50% R % R-507 R-502 與 R-22 長期 R % 替代品 R-143a 50% R-508A 低溫用 R-23 39% R % DuPONT AlliedSignal elf atochem ICI ICI ICI AlliedSignal ICI DuPONT elf atochem AlliedSignal AlliedSignal AlliedSignal ICI SUVA HP-62 Genetron 404A FORANE FX-70 KLEA R-404A KLEA A KLEA B R-407C KLEA 66 R-407C AC9000 FORANE FX-10 FX56 Genetron AZ-20 Genetron AZ-50 KLEA 5R3 冷媒的大 A 與小 a 冷媒編碼後加入小寫 a 的英文字, 用於純物質冷媒, 代表區別純物質的同分異構物 指同樣的組成分子但是結構不同 冷媒編碼後加入大寫 A 的英文字, 用於混合冷媒, 區別由相同種類的冷媒進行混合, 但是其百分比例不同 1-13

31 在結束這一章前, 您是否能不看書將冷凍循環圖畫出, 並解釋其過程與原理? 1-14

32 第二篇冷凍系統第二章壓縮機 壓力 P 壓 等熵線 加 比焓值 h(kcal/kg,kj/kg) 壓縮機在冷凍系統中最主要的任務是將氣態冷媒加壓到易於液化的壓力 其構造包含了兩個部份 : 一為壓縮機構, 功用為壓縮氣體, 但它本身並不具有動力 ; 二為馬達, 功用為提供壓縮機構壓縮氣體的動力 因此一般講所說的壓縮機其實是包含了壓縮機構與馬達的結合 冷媒在壓縮機的壓縮過程, 是屬於絕熱過程, 由 P-H 圖上看是沿著等熵線移動 壓縮機可以說是整個冷凍系統的心臟, 其主要的功用有二 : 一為將冷媒加壓到外界冷凝物質 如空氣, 水 的常態溫度易於將冷媒冷凝的壓力 ; 二為由蒸發器吸取冷媒蒸氣, 維持蒸發器的低壓, 使得系統達到所要的蒸發溫度 以壓縮機加壓的方式來區, 可 為 : 往 式, 迴轉式, 離心式, 螺旋 式, 渦 式 以往在冷凍冷藏系統上的使用以往 式 迴轉式居多, 隨著壓縮 機技術的成熟, 螺旋式與渦 式亦逐漸被廣泛的運用 若以壓縮機結構區, 可 為 : 開放式, 半密式, 全密式, 如圖 2.1 所示 開放式壓縮機與馬達可 別拆, 半密式為壓縮機與馬達位於同一外殼內, 部份封蓋以墊片和螺絲密封, 可以拆開檢查或修理 全密式為壓縮機與馬達密封於一外殼中, 只有 割開來才能維修 一般商業上所使用的多為全密和半密, 2-1

33 在低溫冷凍上多使用轉速 1800rpm 四極馬達之半密式壓縮機或轉速 3600rpm 二極馬達之全密式壓縮機, 因其體積小 價格較低故被廣泛採用 至於壓縮機其它更 細的資料, 請參閱相關的參考資料 本手冊偏重於冷凍工程上的技術介紹, 因此就常用的往 式壓縮機作一介紹 全密式壓縮機 半密式壓縮機 開放式壓縮機 圖 2.1 各式結構之壓縮機 2-2

34 圖 2.2 往復式壓縮機剖 圖 2-3

35 . 往復式壓縮機動作原理 如圖 2.2 所示, 為一往 式壓縮機的剖視圖, 現就此圖說明往 式壓縮機的動作原理 當活塞向下移時為吸氣衝程, 此時氣缸內的壓力開始下降, 當氣缸內的壓力低於吸氣管時, 由於壓差的關係, 將迫使吸氣閥開啟, 使氣態冷媒流入氣缸內 當活塞到達底部時, 開始向上推送時, 即為壓縮衝程的開始 此時氣缸內的壓力開始增加, 使得吸氣閥關閉, 將冷媒蒸氣關在氣缸內 隨著活塞的向上運動, 被關在氣缸內的氣體開始被壓縮, 氣缸內的壓力也逐漸增大 當氣缸的壓力大於排氣管壓力時, 排氣閥將被迫打開, 氣缸內被壓縮的冷媒蒸氣將流入冷凝器中冷凝 此時活塞已達最高點, 開始向下移動 氣缸內的壓力開始下降, 由於氣缸 內的壓力低於排氣管和冷凝器, 因此迫使排氣閥關閉, 開始進行下一個進氣 壓縮 排氣的 環 每一次曲柄軸旋轉一圈即完成吸氣 壓縮 排氣的過程 因此如果使用一 個 1750rpm 每 鐘 1750 轉 的馬達帶動, 即表示每 鐘完成 1750 次的吸氣 壓 縮 排氣的過程 所以只要知道氣缸的體積 缸數以及轉速就可以算 壓縮機每 鐘的活 塞體積移動量 其計算式如下 : 活塞體積移動量 = 單一氣缸體積 氣缸總數 馬達轉速 πd = L N rpm 其中 π: 圓周率 D: 氣缸的內部直徑 L: 活塞的衝程長度 N: 氣缸數目 rpm: 馬達轉速 2-4

36 如果 D 和 L 的單位為米 m, 活塞體積移動量的單位為 cmm 立方米 / 每 鐘, 這個值乘以 60 則變成 cmh 立方米 / 每小時 如果 D 和 L 的單位為英呎 ft, 活塞體積移動量的單位為 cfm 立方英呎 / 每 鐘, 這個值乘以 60 則變成 cfh 立方英呎 / 每小時 單位換算 : 1 cmm = 1/60 cmh = cfm = cfh 1 cfm = 1/60 cfh = cmm = cmh. 壓縮機的容積效率 壓縮機在實際的排氣過程中, 多少會殘留部份的壓縮冷媒蒸氣在氣缸內, 因此在壓縮機的效率指標上就有一個所謂的容積效率 其定義為 : 實際冷媒排出量容積效率 = 壓縮機活塞移動體積量 壓縮機的效率由於設計和壓縮比不同, 其變化範圍相當大 壓縮比 = 絕對排氣壓力 絕對吸氣壓力請注意 : 這裏所用的壓力值為絕對壓力, 非錶壓力 錶壓力 + 大氣壓力 = 絕對壓力 參見第 0 章 一般而言, 在設計上影響到壓縮機的因素有 : 活塞到達最上端時與氣缸的間隙體積 活塞與氣缸間的間隙 吸排氣閥彈簧的張力, 吸排氣閥與閥座間的密合程度 當然在購買一個壓縮機時, 設計因素的影響都已經固定 而影響壓縮機效率的重要因素就是壓縮比 一般而言, 容積效率與壓縮比成反比 有兩個主要原因造成此一現象 : 當壓縮比較大時, 在氣缸間隙體積中所殘 留的氣體較多 因壓力大氣體 子被壓縮得更緊密, 故相對地在同樣體積的間 隙中高壓氣體具有較多的氣體 子, 這些高壓的殘存氣體在排氣過程中不會 2-5

37 壓縮排 氣缸, 當吸氣過程開始以後, 這些氣體開使迅速膨脹, 佔據氣缸內較多的體積, 因此由吸氣管流入氣缸內的冷媒蒸氣量便相對地減少, 壓縮機每 鐘所排 的氣體量也因而減少 另外一個主要原因是, 在較高的壓縮比情形下, 所產生的壓縮熱較大, 因此氣缸壁的溫度也就比較高, 當吸氣過程開始時, 低溫的冷媒蒸氣進入氣缸後, 立刻被氣缸壁加熱, 體積迅速膨脹, 阻礙了其它冷媒流入氣缸的機會, 壓縮機的效率也因之下降 壓縮機製造廠也生產具碟型閥之壓縮機或改變氣缸與活塞的結合形狀, 提高活塞到達氣缸頂點時的密合程度, 大幅降低排氣終了時殘留於氣缸內的冷媒蒸氣量, 有效提高壓縮機的容積效率 因此這種型式壓縮機適用於高壓縮比的系統中, 提高壓縮機在高壓縮比下 的效率 圖 2.3 為典型壓縮機的壓縮比與容積效率關係圖 比 絕對冷凝壓力/絕對蒸發壓力低溫用壓縮機 多用途壓縮機 空調用壓縮機 (容積效率 圖 2.3 壓縮機的壓縮比與容積效率關係圖 因此, 可以看 壓縮機的動力與冷凍 環有極密 的關係, 故在選用壓縮機時, 不能只看馬力與排氣量, 還要特別注意所使用時的冷凝溫度 排氣壓力 與蒸發溫度 進氣壓力, 才能選用到合適的壓縮機 否則光看馬力與排氣量, 所選到的壓縮機, 在實際運轉上可能遭遇到能力不足或過大的問題 2-6

38 . 壓縮機的理論動力 而在冷凍 環中, 壓縮機的馬力計算可由壓縮機 口的冷媒蒸氣狀態與進 口的冷媒狀態中計算 來 如進氣端冷媒的焓值為 h 2, 排氣端冷媒的焓值為 h 3, 則理論上壓縮機的所需要的動力為 : P= ( ) h h V 860 v 其中 : P: 為理論上壓縮機需要的動力 kw V: 壓縮機排氣量 m 3 /hr v: 冷媒進氣的比體積 m 3 /kg h 2 : 進氣端冷媒的焓值 kcal/kg h 3 : 排氣端冷媒的焓值 kcal/kg 860: 仟瓦 kw 與仟卡 / 小時 kcal/hr 的單位轉換值 當然, 所輸入壓縮機的動力並不全用來作功, 由電力轉換成機械能中間會有所損耗, 此一電動機轉換效率為壓縮機的機械效率 而壓縮機在壓縮過程的散熱 摩擦等都會損耗能量, 因此壓縮過程有所謂壓縮效率, 代表實際用來壓縮的機械能比例 因此實際壓縮機所需要的動力還要計算上壓縮效率與機械效率等因素 實際壓縮機所需要的動力如下 : P P = η η C m 其中 : P': 為實際上壓縮機需要的動力 kw P: 為理論上壓縮機需要的動力 kw η c : 壓縮機的機械效率 <1 η m : 壓縮機的壓縮效率 <1 2-7

39 2.4 壓縮機的潤滑 壓縮機在運轉時活塞不斷地來回運動, 因此需要潤滑油來潤滑這些動件 由於潤滑油會流入冷凍循環系統中, 因此要確保潤滑油能在低溫時具高流動性, 故使用在冷凍系統中的潤滑油稱為冷凍油 冷凍油選用與所使用冷媒具有極大的關係, 在此不多加贅述, 有興趣者可自行參考坊間出版的參考書籍 冷凍油在壓縮機最主要的功能除潤滑機件外, 還具有在氣缸壁與活塞間形成油封, 使壓縮過程氣密良好 另還具有將氣缸熱量帶走 散熱的功能 在小型的壓縮機中, 通常利用曲柄上的油杓將油帶至氣缸潤滑 而大型的壓縮機一般都會使用一個油泵, 強制潤滑油循環 在使用油泵的系統中, 都會附有油壓保護開關, 以確定冷凍油的正常循環 造成壓縮機靜油壓的變動因素有 :1. 壓縮機的大小 ;2. 油的黏度 ;3. 油的溫 度 ;4. 軸承的清潔度 如果靜油壓太小, 表示冷凍油量不夠, 將導致壓縮機潤 滑不良, 可能發生壓縮機燒毀的危險 壓縮機靜油壓的求法為 : 靜油壓 = 油泵出口壓力 - 曲軸箱壓力 在使用壓縮機時必須注意, 務必使壓縮機的靜油壓在壓縮機製造廠的規定 值內 一般為保護壓縮機, 會在系統上加裝油壓保護開關 ( 參見 5.14 節 ), 防 止油壓異常造成壓縮機損毀 2.5 壓縮機的散熱方式 一般壓縮機的散熱方式大致可分為三類 : 氣冷 水冷 冷媒冷卻等方式 氣冷 : 利用風扇將空氣吹過壓縮機, 以帶走壓縮機的熱, 防止壓縮機過熱 水冷 : 利用此方式冷卻的壓縮機通常具有水套或一銅圈外繞的冷卻管路 利用水將壓縮機的熱帶走 冷媒冷卻 : 此一冷卻方式是將低壓的冷媒蒸氣流過馬達, 來使壓縮機降溫 而目前還有利用高壓液態冷媒注射入壓縮機中, 來使壓縮機冷卻 當然這種利用液冷媒的冷卻方式要小心控制冷媒量, 以避免過多的液態冷媒進入壓縮機中導致液壓縮發生 2-8

40 . 選用與使用壓縮機的注意事項 一般在壓縮機的型錄中通常具有以下的資料 : 1 型號 2 形式 往 式 迴轉式 離心式 ; 全密 半密 開放 3 使用電源種類 4 使用冷媒種類 5 馬力 6 排氣量 7 冷卻方式 8 冷凝溫度與相對應蒸發溫度所能提供的冷凍能力 9 尺寸 從這些資料以及冷凍系統的條件, 找 適合此系統的壓縮機 表 2.1 壓縮機型錄 60Hz 空氣冷卻式 型號 馬力 HP KW KAM* / KAJ* 往復式半密壓縮機 冷凍能力 R-22 R Hz 蒸發溫度 蒸發溫度 CFH m 3 /hr 冷凝溫度 / / / / / BTU/hr kcal/hr 空氣冷卻式 型號 NOM HP kw KAM* KAJ* Hz 50Hz 冷 機 in 量 lb kg in in cfh cfh Oz litre 長寬高長寬低壓高壓淨毛 mm mm m 3 /hr m 3 /hr Oz litro in in in in in 重重 mm mm mm mm mm 2 1 3/8 1 5/ / / (20) 22 (20) 0.65 (0.59) 0.65 (0.59) / / /16 6 3/ /16 6 3/ /8FL 3/8FL /8FL 3/8FL 表 2.1 為壓縮機製造廠所提供的壓縮機型錄 假設使用 R-22 冷媒, 系統的冷 凝溫度在 54.4, 蒸發溫度在 -15, 需要的冷凍能力為 1430kcal/hr, 由表 2.1 中 2-9

41 便可以找到所需要的壓縮機型號 從壓縮機的型錄資料中, 亦可以獲得壓縮機 的排氣量, 此一資料對於配管十 重要, 因為冷媒管的噪音 震動 回油等問 題都與此值有相當密 的關係 在這裡我們要提醒讀者注意的一點, 壓縮機的壓縮機構並不會挑選冷媒, 但不同冷媒由於其熱力性質不相同, 其密度以及壓縮熱都有很大的差異, 因此所需要的壓縮機馬達軸馬力與壓縮機材料的耐溫程度也隨之不同 一般商用全密或半密式往 型壓縮機均已配置馬達於機體內, 因此在選用壓縮機時, 要注意選用冷媒與溫度的搭配, 記不可超過 壓縮機所允許的範圍, 否則容易造成馬達在非正常狀況下運轉, 而致使壓縮機發生故障 一般人在選用壓縮機時都以為馬力 排氣量就代表壓縮機的能力, 其實型錄上所列舉的馬力是指壓縮機軸馬力, 即使是擁有相同的排氣量, 因所使用的蒸發溫度不同, 冷媒蒸氣的密度不同, 壓縮機的軸馬力輸 也會有所不同 真正的壓縮機能力, 必須要看使用哪一種冷媒, 蒸發溫度與冷凝溫度的條件, 由能力表上所查到的能力才是當時條件下的壓縮機能力 壓縮機的型錄上通常會列兩種冷凝溫度的能力, 一為使用氣冷式冷凝器的冷凝溫度, 一為使用水冷式冷凝器的冷凝溫度 同樣的壓縮機, 在相同的蒸發溫度下, 如果冷凝溫度不同, 所能提供的冷凍能力也不相同 因此, 選用壓縮機時要注意系統設計的冷凝溫度, 以及所使用的冷凝器形式 相同蒸發溫度下, 冷凝溫度越高, 壓縮機所能提供的冷凍能力越小 ; 反之, 冷凝溫度較低, 壓縮機所能提供的冷凍能力較大 壓縮比下降, 效率提高! 在不同的蒸發溫度時, 壓縮機所能提供的冷凍能力也不相同, 如果在相同 的冷凝溫度下, 蒸發溫度越高, 其所能提供的冷凍能力越大 ; 反之, 如果蒸發 溫度越低, 其所能提供的冷凍能力越小 以下由 R-507 的 P-H 圖來說明冷凝溫度與蒸發溫度的影響 2-10

42 A 的冷凍 環 B 的冷凍 環 熵 等 壓力 線 P B 的蒸發焓差值 B 壓縮機作功 A 的蒸發焓差值 A 壓縮機作功 比焓值 h(kcal/kg, kj/kg) 圖 2.4 不同冷凝溫度的 環比較 假設有 A B 兩個冷凍 環,A 的冷凝溫度較低,B 的冷凝溫度較高 由於此兩個 環進入壓縮機的狀態點皆相同 蒸發溫度同, 冷媒的比體積相同, 故此兩 環的冷媒 環量皆相同, 因此比較冷凍能力時, 只要比較其蒸發時的焓差值即可 由圖 2.4 可以發現 A 的冷凍能力比 B 大, 且壓縮機作功也較小, 如以壓縮比來看,A 環壓縮機的壓縮比較 B 環壓縮機的壓縮比要來得小, 由 2.2 節知 A 環的壓縮機容積效率較好, 故 A 環的整體效益較 B 環佳 假設在相同的冷凝溫度下,A 環的蒸發溫度較 B 環的蒸發溫度要來得高 從 R-507 的 P-H 圖上可看 A 的冷媒 環量要比 B 的冷媒 環量來得多, 因為 A 環進入壓縮機的冷媒比體積較小 也就是說冷媒密度比較大, 故以冷凍能力 冷媒 環量乘以冷媒蒸發的焓差值 來說,A 環較 B 來得大 由壓縮比來看,A 的壓縮比也比 B 的壓縮比小, 故其容積效率也比較好 等 壓力 A 的冷凍 環 熵線 P B 的冷凍 環 等比體積線 A 壓縮機作功 B 壓縮機作功 比焓值 h(kcal/kg, kj/kg) 圖 2.5 不同蒸發溫度的 環比較 2-11

43 蒸發溫度與壓縮機馬達的關係 所以說我們在選用一個壓縮機時, 要特別注意壓縮機的適用範圍 由於常遇到的壓縮機多為全密或半密型式, 壓縮機構與馬達皆安裝於同一殼體內, 如果把適用於 -18 蒸發溫度的壓縮機用在 -5 的蒸發溫度時, 由於進入壓縮機的密度變大 比體積變小, 相對地使得壓縮機馬達的負載增加, 因此長時間處於過負載的狀態下, 馬達往往會不堪負荷而燒毀 所以選用壓縮機時要特別注意其適用溫度範圍 密度小的棉花 密度大的細鐵絲 壓那一個較費力? 什麼是高溫 中溫 低溫型壓縮機? 此種壓縮機的區 方式是以其適用的冷媒蒸發溫度範圍而言 由於蒸發溫度的不同, 蒸發壓力與冷媒的比體積也不同, 因此壓縮機所使用的軸馬力與起動扭力不同, 故有高 中 低溫型壓縮機之 別 高溫型壓縮機 : 適用於冷媒蒸發溫度在 -12~+10 中溫型壓縮機 : 適用於冷媒蒸發溫度在 -23~- 1 低溫型壓縮機 : 適用於冷媒蒸發溫度在 -40~- 7 一般冷凍系統中都採高溫起動運轉, 降溫後停止的方式 高溫時運轉所需的馬力較大 因冷媒的比體積小, 低溫時較小 因此壓縮機馬達在起動時電流大, 然後漸漸減小 所以低溫用的壓縮機, 通常在壓縮機的吸氣口端加裝一吸氣控制閥, 避免一開始起動時過高的負載造成馬達過載燒毀 液壓縮與冷媒充填量 如果壓縮機所處的環境, 會使停機時冷媒蒸氣冷卻於壓縮機中, 並與冷凍油充份混合, 且壓縮機的曲軸箱無加熱裝置, 當壓縮機起動時, 會使冷凍油發生泡沫被吸入壓縮機的氣缸內, 導致壓縮機液壓縮 除此之外, 過多的冷媒充填量也容易造成液壓縮, 所以一般全密式的壓縮機皆有要求最大的系統冷媒充 2-12

44 填量, 以防止當壓縮機停止後, 過多的液冷媒造成壓縮機在起動時發生液壓縮 的情形 在壓縮機的操作手冊上通常都會註明其最大的系統冷媒充填量 一般 計算冷媒充填量視工作溫度而定, 基本充填量計算式如下 : 30%~40% 蒸發器內容積 +25%~35% 冷凝器內容積 +100% 液管內容積 在較低溫或一台壓縮機對多組蒸發器的冷凍系統 如圖 5.0 所示, 如果上述之計算值超過壓縮機容許的最大充填量時, 則需做泵集控制並裝置油箱電熱器, 另在系統上加裝儲液器 並在試車時, 應運轉至最低工作溫度 亦即高低壓皆在設計的條件下, 將冷媒充填至儲液器後的視窗恰好滿液即可 其實在常用的單一壓縮機對單一蒸發器之商業冷凍系統, 如能提升蒸發器與冷凝器的效率, 適當降低蒸發器與冷凝器的管內容積, 並做好凝結壓力控制, 將可大幅降低冷媒充填量, 避免壓縮機起動的液壓縮現象 而對於較小型的毛細管系統, 控制冷媒量的方法是透過內容積的計算, 再 配合最高外氣溫度試車調整, 以克服因外氣溫度的變動, 對冷媒充灌量的影 響 如果是量產品, 當試車確定後再採用定量充灌的方式 命啊! 我快被冷媒淹死了! 不夠 不夠 還要 還要 有誰來救我 這苦命的壓 縮機 圖 2.6 適當的冷媒充填量才可確保壓縮機的安全 在小型毛細管系統中, 系統停機後逐漸產生均壓, 因此蒸發器在均壓後會 積存部 液態冷媒, 如果冷媒量充填過多, 當停機後壓縮機再次啟動, 這些液 態冷媒容易衝向壓縮機, 發生液壓縮的情形 冷媒僅只是作為系統的傳熱介 2-13

45 質, 並不是冷媒越多系統的能力就會越大 尤其是壓縮機啟動運轉時, 通常此時的冷媒蒸汽是屬於較高溫狀態, 當然在啟動的運轉電流上也會比較高, 如果冷媒量多, 停機均壓後, 相對積存於蒸發器的冷媒量亦較多, 啟動後系統處於高溫冷媒蒸汽的時間較長, 於是壓縮機處於大電流的時間也較久, 對於壓縮機容易造成壽命縮短的情形 如基本充填量的計算方式, 冷媒填充與管路長短 熱交換器的內容積有極大的關係, 當然熱交換器內容積越大, 相對的冷媒充填量也就越多, 冷媒充填量越多並不是件好事, 量越多越容易有機會發生壓縮機液壓縮的情形, 且如上文所述, 壓縮機啟動時段大電流的時間也就越長, 對壓縮機的壽命也就越不利 下表是將相同的系統 壓縮機不變 膨脹裝置不變 以不同管徑, 但相同能力的熱交換器進行比較 表 2.2 同能力系統但熱交換器管徑不同之冷媒填充量與壓縮機啟動電流比較 3/8" 系統 5/16" 系統 冷媒充填量 1.4kg 0.8kg 經過時間 3/8" 系統 5/16" 系統 A 8.3A 0 30" 7.0A 6.7A 1 00" 6.3A 5.9A 1 30" 6.1A 5.8A 2 00" 6.1A 6.0A 2 30" 6.1A 6.0A 4 30" 6.05A 6.0A 5 22" 6.0A 6.0A 由表 2.2 中可以明顯發現 5/16 系統的冷媒量僅為 3/8 系統的 57.1%, 但是 5/16 系統的壓縮機均壓後啟動的大電流時間卻較 3/8 系統要來得短 故對於壓縮機而言, 只要冷媒能足夠系統的熱傳需求就好了, 過多的冷媒量對於壓縮機而言具有潛在性的危險 壓縮機過熱的原因 造成壓縮機過熱的原因有 :1. 壓縮比太高 吸入壓力太低, 高壓壓力太高 或兩者情形皆有 ;2. 回氣溫度太高 ;3. 馬達冷卻不夠 2-14

46 一般在壓縮機內冷凍油不能超過 148, 否則冷凍油容易碳化 6" 排 此處溫度不可超過 107 ( 此處所量得的溫度與曲軸箱之溫度差約 10~23 ) 圖 2.6 利用壓縮機排氣管溫度檢查冷凍油溫 以下篇幅將常見的壓縮機與系統問題整理, 提供給各位讀者於壓縮機發生 問題時參考使用 2-15

47 壓縮機問題簡易診斷表 一 壓縮機啟動問題 狀況可能問題點 A. 壓縮機無法啟動, 無嗡嗡聲 1. 配線線路異常或故障 2. 配線錯誤 3. 保險絲燒毀 4. 控制接點斷路 5. 過載保護器故障 6. 電源開關斷路 7. 壓縮機馬達故障 B. 壓縮機不啟動, 有嗡嗡聲, 環過載保 1. 電壓不足護器跳脫 2. 配線錯誤 3. 繼電器接點斷路 4. 繼電器故障 5. 啟動電容故障 6. 運轉電容故障 7. 錯誤的啟動電容 8. 錯誤的運轉電容 9. 壓縮機馬達故障 10. 高壓端壓力過高 11. 軸承或活塞太緊 C. 壓縮機啟動, 但啟動線圈仍在迴路內 1. 電壓不足 2. 配線錯誤 3. 繼電器接點閉合 4. 繼電器接點鎔接在一起 5. 繼電器故障 6. 繼電器錯誤 7. 啟動電容故障 8. 錯誤的啟動電容 9. 運轉電容器故障 10. 錯誤的運轉電容 11. 壓縮機馬達故障 D. 壓縮機啟動且保持運轉, 但處於過載 環 1. 電壓不足 2. 三相電不平衡 3. 運轉電容器故障 4. 錯誤的運轉電容 5. 過載保護器故障 6. 冷媒填充量不足 7. 高壓端壓力過高 8. 軸承或活塞太緊 9. 冷凝器表 阻塞或周圍有高溫情形 2-16

48 壓縮機問題簡易診斷表 二 壓縮機啟動問題 狀況可能問題點 E. 壓縮機啟動, 但立刻因 環過載而停止 1. 電壓不足 2. 繼電器接點鎔接在一起 3. 啟動線圈於迴路中作動過久 4. 啟動電容故障 5. 運轉電容器故障 6. 過載保護器故障 F. 溫度開關啟動時, 嘗試啟動壓縮機, 但因過載 1. 電壓不足而停止 試了數次後才啟動 2. 繼電器接點有不良 陷 3. 啟動電容無力 4. 通過毛細管 過濾器或乾燥器流量受限 5. 排氣管路流量受限 6. 溫度開關設定溫差太接近 7. 系統內有空氣或不凝結氣體 壓縮機運轉問題 狀 況 可能問題點 A. 壓縮機長時間運轉不停 1. 控制接點閉合 2. 壓縮機無效率 3. 冷凝器表 阻塞或冷卻空氣流量受限 4. 冷媒充填不足 5. 感溫式膨脹閥阻塞或故障 6. 蒸發器盤管被冰或灰塵阻塞 7. 系統洩漏 8. 系統內有空氣或不凝結氣體 9. 安裝位置太熱 10. 維修門長時間開啟 11. 保溫不良, 保溫層含水或厚度不足 12. 選定的機組能力較實際需求小 B. 運轉時蒸發器除霜 1. 系統內有水氣 C. 運轉電容燒毀 1. 電壓過高 D. 啟動電容器燒毀 1. 電壓過低 2. 繼電器接點閉合 3. 繼電器接點鎔接在一起 4. 啟動線圈於迴路中作動過久 5. 啟動電容器故障 6. 錯誤的啟動電容器 7. 壓縮機短 環 2-17

49 壓縮機問題簡易診斷表 三 壓縮機運轉問題 狀況可能問題點 E. 啟動繼電器燒毀 1. 電壓過高 2. 電壓過低 1. 配線不正確 2. 繼電器種類錯誤 3. 啟動電容器故障 4. 錯誤的啟動電容器 5. 錯誤的運轉電容器 6. 壓縮機短 環 7. 壓縮機馬達故障 8. 壓縮機接地問題 F. 壓縮機短 環 1. 控制區段相差太近 2. 過載保護器 ( 關斷 ) 3. 高壓控制 4. 冷媒充填不足 5. 冷媒充填過量 6. 感溫式膨脹閥洩漏 7. 排氣閥洩漏 8. 溫度開關溫差太接近 9. 電磁閥洩漏 系統狀況 狀況可能問題點 A. 系統吵雜 1. 壓縮機油填充不足 2. 扇葉彎曲造成震動 3. 風扇馬達軸承鬆脫或磨損 4. 管路發嘎嘎之聲 5. 冷凝機組元件鬆脫 B. 液體管路發熱 1. 冷媒填充量不足 2. 高壓端壓力過高 3. 冷凝器表 阻塞或冷卻空氣流量受限 4. 系統內有空氣或不凝結氣體 C. 液體管路結霜 1. 通過乾燥器的流量受限 2. 儲液器關斷閥阻塞或關太緊 3. 電磁閥洩漏 ( 系統停機時 ) 2-18

50 壓縮機問題簡易診斷表 四 系統狀況 狀況可能問題點 D. 冷凍空間 ( 庫 ) 溫度過高 1. 溫度控制設定過高 2. 壓縮機運轉無效率 3. 通過毛細管 過濾器或乾燥器流量受限 4. 冷媒充填不足 5. 冷媒管路太小 6. 感溫式膨脹閥阻塞或故障 7. 感溫式膨脹閥太小 8. 蒸發器盤管被冰或灰塵阻塞 9. 冷凍油殘留於蒸發器中 10. 蒸發器盤管太小 11. 系統洩漏 E. 吸氣管線結露或結霜 1. 冷媒充填過量 注意系統蒸發溫度與吸氣溫度, 如果系統屬 於超低溫, 此現象可能為正常! 12. 保溫不良, 保溫層含水或厚度不足 13. 選定的機組能力較實際需求小 2. 感溫式膨脹閥開口太寬 3. 過熱度調整太小 4. 蒸發器盤管太小 5. 感溫式膨脹閥感溫棒鬆脫 F. 高壓端過高 1. 冷凝器表 阻塞或冷卻空氣流量受限 2. 冷凝器風扇馬達故障 3. 冷媒充填過量 4. 排氣維修閥部份關閉 5. 排氣管路流量受限 6. 系統內有空氣或不冷凝氣體 7. 冷卻水供應停止 水冷式 8. 安裝位置溫度過高 氣冷式 G. 高壓端過低 1. 通過毛細管 過濾器或乾燥器流量受限 2. 冷媒充填不足 3. 系統洩漏 4. 冷凝器安裝位置 氣冷式 或水溫太低 水冷式 如需要更詳細的壓縮機資料請洽各壓縮機代理商! 2-19

51 請告訴我 : 影響壓縮機的性能因素有那些? 2-20

52 第三章冷凝器 壓力 P 液冷媒過冷卻段 4 排熱 等溫冷凝段 高壓過熱蒸氣冷凝段 3 比焓值 h(kcal/kg,kj/kg) 扇葉 散熱管排 風扇馬達 矩型氣冷式冷凝器 U 型散熱器 圖 3.1 強制氣冷式冷凝器 冷凝器在冷凍系統中的任務是將冷媒在蒸發器所吸收的熱量與壓縮機對冷 媒的壓縮熱排放到外界 冷凝器基本上是一個熱交換器, 其作用在將高溫高壓 氣態冷媒冷凝成高壓液態冷媒 如依其利用的冷卻介質, 可概分為四類 : 1. 氣冷式 : 使用空氣做為冷卻的介質, 其優點為安裝簡便, 適合商業系統使用 其缺點為受外界氣候條件限制, 冷凝溫度較高 2. 水冷式 : 使用水做為冷卻的介質, 其優點是冷卻介質的溫度穩定, 可設計較低之冷凝溫度 其缺點為需加裝冷卻水塔與水泵, 並增加水質管理的問題 3-1

53 出風口 風車 擋水簾 灑水器 冷凝盤管 過濾網 氣態冷媒進入 液態冷媒出口 進水浮球開關 承水盤 灑水泵 圖 3.2 蒸發冷卻式冷凝器 圖 3.3 殼管式冷凝器 3-2

54 3. 蒸發冷卻式 : 利用水的蒸發和空氣來做為冷卻的介質, 因利用水的潛熱來散熱故其優點為散熱面積小, 散熱效果好 缺點為必須增加水的循環系統與水的消耗 4. 冷媒冷卻式 : 利用另一種冷媒的蒸發做為冷卻的介質, 一般使用於超低溫系統 一般在冷凝器的性能測試以設定的冷凝溫度與進入冷凝器的冷卻介質溫度, 量取通過冷凝器兩側的介質溫度與介質流量, 計算其介質的焓差值, 即可求出冷凝器的散熱能力 以氣冷式與蒸發冷卻式而言, 量得進出冷凝器前後的乾濕球溫度, 由空氣線圖查出空氣焓差值, 再由空氣的流量與密度, 就可以得到冷凝器的散熱能力 而水冷式與冷媒冷卻式, 則由量取進出冷凝器前後的流體焓差值與流量, 獲得冷凝器的散熱能力 在這裏我們僅就氣冷式冷凝器做介紹, 至於其他型式的冷凝器請讀者自行 參考相關的書籍 一般氣冷式的冷凝器分為自然對流式和強制對流式兩種 自然對流式利用熱空氣上升, 冷空氣下降的原理, 使冷凝器周圍的空氣形成對流, 將冷媒的熱帶走, 此種冷凝方式效果較差, 且需要較大的冷凝面積, 一般使用於家用電冰箱 而強制對流式的冷凝器包含了一組鰭管式熱交換器, 一散熱風扇與一馬達 藉由風扇將空氣強制吹過熱交換器將冷媒的熱量帶走 通常將強制氣冷式冷凝器與壓縮機組裝在一起販售的產品, 稱之為氣冷式冷凝機組 (Air-Cooled Condensing Unit) 3.1 氣冷式冷凝器動作原理 如圖 3.1 所示為一強制氣冷式的冷凝器, 由馬達 風扇 銅管與鋁鰭片組成 鋁鰭片最主要的目的在增加冷凝器的散熱面積, 如果我們將冷凝器的鰭片完全去掉, 保留原銅管的長度, 馬達與風扇維持相同, 進入冷凝器的冷媒溫度以及外界空氣的溫度也保持不變, 我們可以發現冷媒的冷凝效果差很多 一般人常常會誤用銅管長度來評斷冷凝器的性能, 其實這是錯誤的 在冷媒狀態與 3-3

55 外界空氣溫度條件一樣時, 傳熱 積和空氣流量才是決定冷凝器散熱能力好壞 的重要因素 由壓縮機送出的高溫高壓冷媒進入冷凝器後, 風扇不斷將低溫的空氣送過熱交換器, 此時冷媒的熱經由銅管 鰭片傳至空氣中 氣態冷媒由於失去熱而冷凝成為液態的冷媒 一般而言, 為獲得較佳之冷凍能力以及彌補管路損失, 通常會將飽和的液冷媒再過冷卻 冷凝器的散熱量 冷凝器的指標為其散熱量 因為散熱器的功能就是要將壓縮機對冷媒所加 入的熱以及在蒸發器由冷凍庫傳給冷媒的熱量散走 而冷凝器的散熱量可以由下 的式子決定 : &Q = K A T 其中 &Q : 為冷凝器的散熱量 K: 總熱傳係數 A: 總散熱 積 T : 冷媒冷凝溫度與進入冷凝器空氣溫度的差值 此計算方式為空氣側之熱傳量計算 在上式中的 A 總熱傳 積, 是指所有 銅管鋁鰭片與空氣接觸做熱交換的所有 積 K 值是指由冷媒側到銅管 管內 熱傳, 與管內熱傳係數 h ref, 管內熱傳 積 A ref 有關 銅管至鋁鰭片 熱傳 導, 與熱通過的路徑 L 有關, 熱傳導係數總合為 Σk i, 鋁鰭片到空氣 熱對 流, 與管外熱傳係數 h air, 管外熱傳 積 A air 有關 的所有傳熱係數的加總 參考 下式 有關於 K 值的計算可以參考有關熱傳與熱交換器的書籍, 在此不多加 贅述 K = 1 href 1 L Aref + + k h A i air air 3-4

56 由上 冷凝器的熱傳公式我們來做一個有趣的探討 : 一般人常用銅管的長度及管徑來購買或評斷冷凝器, 但這到底是不是一個合理的評斷方式呢? 由熱傳公式中, 我們很難發現銅管長度與管徑和冷凝器散熱量之間的關係, 直接由式子來看, 影響到散熱的因素為總熱傳係數, 總熱傳 積, 以及溫差 這幾個因素唯一和銅管長度比較有關係的是傳熱 積, 但這並不意味著銅管越長, 總熱傳 積就一定越大 A 管 ( 每 3mm 裝一鋁鰭片 ) B 管 ( 每 6mm 裝一鋁鰭片 ) 圖 3.4 不同傳熱 積降溫實驗 我們可以做這樣的一個實驗 如圖 3.4 所示, 在同一個房間內有兩支同樣 1 尺長的管徑為 3/8" 銅管, 如果使用相同形式的鋁鰭片, 在其中一支每 3mm 裝一塊鋁鰭片 稱 A 管, 在另一支每 6mm 裝一塊鋁鰭片 稱 B 管, 每支銅管外的 30 公 處都放置一個大小 風量皆相同的風扇 然後將兩缸體積 溫度 60 相同的熱水, 利用大小 流量相同的泵將熱水送入銅管後再流回水缸中, 如圖 3.4 所示 同時起動馬達和風扇, 我們可以發現通過 A 銅管的熱水, 較通過 B 銅管的熱水冷得快 這是因為 A 銅管單位長度所裝的鋁鰭片較多, 相對地, 與空氣的傳熱接觸 積也較多, 因此散熱能力也較為良好 由以上這個簡單的實驗便可以了解到, 冷凝器散熱能力的好壞並不是取決 於銅管的長度或管徑 3-5

57 影響冷凝器散熱效果的因素 我們再來看看冷凝器的熱傳公式 : &Q = K A T 所以散熱能力與總熱傳係數 總散熱 積 溫差的乘積成正比 以下我們將就各種因素做一討論 K 值的影響 K 值為影響冷凝器的最主要因素 K 值與銅管內冷媒的流動情形, 鰭片與銅管的材質, 空氣側的流動情形都有極大的關係 冷凝器製造廠也有利用內螺紋管 熱傳增強管來製造冷凝器, 藉由銅管內壁所加工的螺紋線或其它形狀, 破壞冷媒流動情形並藉由螺線提高其熱傳 積, 來增加熱傳效果, 在管內側的熱傳效果可提高約 1~2 倍 但由於氣冷式冷凝器其熱阻抗多位於空氣側, 因此藉由此方式所提高的 K 值約為 10% 但此種銅管的價格較高, 採用此種材料將使冷凝器的製造成本會增加, 其熱傳效果與經濟效益有賴於使用者去權衡選擇 如果冷凝器在製造好後, 未經過澈底的清洗, 那麼加工過程中殘留於冷凝器外的油脂, 在使用時將導致冷凝器很快沾上灰塵與污垢, 導致 K 值的下降 所以良好的冷凝器製造過程也必須包含油脂的清洗, 以避免使用時 K 值的急速下降 鰭片與銅管材質如具有較佳的熱傳導性, 那麼熱量通過銅管與鰭片的速度會大為增加, 總熱傳係數也會因而增加 不過氣冷式冷凝器最主要的熱傳阻抗在於空氣側, 因此材質改善所能提高的熱傳增加量較為有限 但是有一點就是如果鰭片的製造模具精度不佳, 脹管不夠確實, 那麼銅管與鋁片的接合便無法緊密的結合, 一但有空隙存在, 就會形成熱傳導上的阻抗, 熱量便很難由銅管傳至鰭片上, 造成熱傳性能的下降 因此在選購冷凝器時, 要注意製造廠是否夠專業, 模具精度和脹管確實與否, 這些因素都會影響到冷凝器的性能 空氣在鰭片的流動與冷媒在管內流動的影響因素相同, 如果氣流在通過鋁 片時為層流方式, 那麼熱傳效果較差, 因此在鰭片上多會有所加工, 使鰭片上 造成粗糙的表 如山形 波浪形 裂口形, 藉以破壞氣流的層流方式, 造 3-6

58 成紊流, 提高熱傳效果 雖然鰭片表 的粗糙度增加有助於熱傳效果的提高, 但在台灣高度空氣污染的環境下, 亦須注意灰塵是否容易卡在鰭片上, 形成熱 阻抗而使總熱傳係數下降 國內研究單位亦發展出具渦流產生器 (Vortex Generator) 的鰭片, 在鰭片上增加正向效益之渦流產生器, 以期降低空氣側壓阻, 提升風扇效能 此渦流產生器最大的效能在於降低空氣側壓損, 但儘可能維持不變的空氣側熱傳值, 以達到減少積垢產生與降低風扇效率的目的 圖 3.5 高效率渦流式鰭片 (vortex fin)( 資料來源 : 工研院 ) 如果風量加大,K 值也會增加, 當然會使散熱量提高, 若熱交換 積一定, 風量提高將使風速增加, 而風速的增大也意味著噪音的增加, 由於散熱器多安裝於戶外, 在地 人稠的台灣, 經常會干擾到鄰居的安寧 且風速增加將使灰塵易於附著在鰭片上, 造成積垢而影響熱傳效果 因此藉由風量的增加來達到散熱效果提高有其限制條件 而且如果風量增加過多 散熱 積不變的情形下, 通過管排的氣流速度將增快, 氣流速度的增加當然有助於提高空氣側的熱傳係數, 可是當氣流速度高到某一個程度時, 空氣側的熱傳係數便不會因氣流速度的提高而增加, 冷凝器的散熱性能幾乎維持不變 綜合以上兩種因素, 在設計冷凝器時通常講究整體的搭配計算, 來取其最經濟有效的平衡點, 不會光利用提高風量來增加冷凝器的散熱量 熱傳面積的影響 當熱傳 積越大, 熱傳量當然提高 舉個例子來說, 一桶水放著, 要經過一段很長的時間才會乾, 如果把水灑到地上, 很快地水就會變乾了 這就是因為水的散熱 積變大, 熱傳效果提高, 水當然很快變乾 因此, 如果將熱傳 積加大, 可以有效提高熱傳速率 3-7

59 所以一般常見的矩形冷凝器並不只有一排鰭管散熱片, 通常都具有多排鰭管散熱片, 因為多排的鰭管使冷凝器具有較大的散熱 積 但是否越多排的冷凝器其散熱能力越佳呢? 其實當排數增加到一定程度時, 散熱效果並不會因 積的加大而有所增加 在一般矩形的冷凝器, 因受外形體積的限制, 管排數通常為 2~6 排, 但冷凝器散熱能力並不隨著排數的增多而成倍數增加 因為當冷媒通過第一排管時, 由於進入的空氣溫度較低, 因此散熱較佳, 降溫效果較顯著 而空氣到達第二排管排時, 由於已經被第一排管排加熱了, 因此冷媒與空氣的溫差減少, 熱交換程度變差, 所以冷媒的溫降程度便不如第一排來得好 因此排數越多的冷凝器, 位置越後的管排熱交換效果越差 除此之外, 過多管排會對空氣的流動形成阻力, 不但散熱效果打折扣, 同時產生較大的噪音 如能將排數減少, 提高熱傳 積, 將能有效改善熱交換效果 若在固定的截 積上, 增加鰭片數, 將增加不少熱傳 積, 但會使鰭片間距縮短, 此一結果會造成熱交換器容易卡住灰塵, 長期使用反而使熱傳效果下降 當然我們如果保持相同的鰭片間距, 改變截 積的形狀, 一樣可以獲得較大的熱傳 積, 並具有不容易卡住灰塵的優點 如 U 形 L 形 V 形散熱器便是改變傳統矩形冷凝器的形狀, 維持相同鰭片間距, 但大幅提高熱傳 積, 在相同的散熱能力下體積上更為縮小, 節省安裝空間, 同時通過鰭片的風速也降低, 使得運轉起來更安靜, 也更不容易附著灰塵, 具良好的散熱能力並延長冷凝器的使用壽命 如圖 3.6 所示, 一般矩形冷凝器通過管排的氣流, 僅有正 方向, 而 U V L 形冷凝器除了正 方向有氣流通過外, 還有其它方向的氣流通過, 較矩形冷凝器多出數倍的氣流 積, 很明顯地, 空氣與管排的熱交換 積增加許多 因此在相同的能力下,U V L 形的冷凝器可以選用較小的風扇而獲得相同的冷凝效果 表 3.1 即為一相同散熱能力的矩型冷凝器與 U 型冷凝器的比較資料 很明顯 地,U 型冷凝器在耗電及噪音上都較傳統矩型冷凝器的表現要來得好 在 L V 型或或排數少 通過氣流 積大的冷凝器也能獲得相同的效果 3-8

60 有效截 積 有效截 積 傳統式冷凝器 U 型冷凝器 有效截 積 有效截 積 有效截 積 L 型冷凝器 V 型冷凝器 圖 3.6 各種氣冷式冷凝器之氣流情形 表 3.1 矩型冷凝器與 U 型冷凝器的比較 型 式矩 型 U 型 散熱能力 kcal/hr 風扇尺寸 英吋 風扇馬達 hp 1/15 1/30 風量 cmm 風速 m/sec 噪音值 db 耗電量 W 溫差的影響 溫差越大, 熱傳效果越好 但由於氣冷式冷凝器散熱受限於冷媒性質, 外界環境溫度, 因此想藉由溫差來改善冷凝器的散熱效果較為不可能 由於外界的溫度變化相當大, 有的冷凝器更加裝了外氣溫度感測裝置, 當 外界氣溫下降時, 降低風量, 維持相同的散熱量, 以節省風扇馬達的耗電量 3-9

61 以上為影響到冷凝器的幾個重要的因素, 在設計熱交換器時這些因素會交 互影響, 因此如何兼顧所有問題來設計一優良的冷凝器, 為冷凝器製造公司的 一大課題 選用與使用冷凝器的注意事項 在早期, 國內的冷凝器製造廠較欠缺研發與測試的能力, 冷凝器的規格以 3/8"48 呎稱為 1HP 冷凍用 此一習稱之規格沿用至, 也有人把 1HP 誤稱為 1RT 其實只是一種習 的稱呼, 對能力與設計標準毫無意義 表 3.2 為冷凝器製造廠所提供正確的冷凝器型錄資料 表 3.2 冷凝器型錄 特性說明 : 本產品有 種形式,從 9 ca hr 提供客戶選擇使用 外殼與機板使用特殊塑膠成型 吸震佳 噪音低, 重量輕搬運容易 M 種規格 散熱片採大間距設計,可減少散熱片阻塞的機會, 隨時維持散熱器的高效率運轉 並延長維護周期 降低維護成本 低風阻設計, 有效降低噪音 採用高效率散熱馬達,省電效率高 採用全自動機械沖片及機械脹管,一貫作業確保品質水準 特殊護網設計,安全性佳 60Hz R404A 機種型號 MODEL 散熱能力 CAPACITY Kcal/hr * 註 1 鰭片間距 FIN PITCH mm 直徑 mm 數量 NO. 風扇馬達 FAN MOTOR 風量 cmm 電壓 volt 總電流 A 噪音值 db 寬 W 外型尺寸 dim.(mm) 深 D 高 H 冷媒配管 REFR.CONNECT 入口 INLET 出口 OUTLET CDM033B /16" 5/16" CDM /16" 5/16" CDM050B /16" 5/16" CDM075 1, /16" 5/16" CDM075B 1, /16" 5/16" CDM100 1, /16" 5/16" CDM125 1, /16" 5/16" CDM150 2, /16" 5/16" CDM175 2, /16" 5/16" CDM200 3, /2 1/2 CDM250 3, /2 1/2 *1. 散熱能力值為外氣溫渡 :32, 冷凝溫渡 :48 *2. 本產品規格如有更動, 恕不另行通知 *3. 噪音測試基準為距離散熱器本體 1m 時測量之噪音平均值 *4. 外型尺寸含基板 其中主要包含了以下資料 : 1 型號 3-10

62 2 鰭片間距 3 熱傳 積 4 風扇規格與風量 5 使用電源 6 冷媒與空氣溫度差 T.D. 下的散熱能力 7 進出口管徑 8 尺寸 隨著貿易自由化, 許多國外製造的冷凝器也大舉進入我國市場 這些冷凝器的設計製造, 都根據其所在地的天候 環境 使用習 所製造 如果使用者不仔細了解其設計理念, 而直接依照原本的使用模式使用, 常常容易發生問題 由於國外的空氣污染 落塵量不若台灣嚴重, 因此風扇馬達採用散熱較佳的開放式外殼, 但在台灣高溼 高污染的環境下使用, 經常發生過多落塵導致馬達損壞的情形 所以在選用進口冷凝器時, 必須要注意是否依台彎天候 環境設計, 同時在使用條件上有無其他限制 我們由使用冷媒的冷凝溫度與安置冷凝器場所平均大氣溫度的差值, 再由所需要的散熱量, 即可由型錄上找出所需要的冷凝器 由於氣冷式的冷凝器是以外氣溫度為基準, 因此要特別注意該冷凝器的能力是在多少冷凝溫度與空氣溫度差 T.D. 下獲得的 有人也許會想如果冷凝溫度設計在 36, 要如何選用氣冷式的冷凝器呢? 其實在這種條件下根本不適用氣冷式的冷凝器, 因外氣溫度動輒高達 35, 在溫差 1 的情形下, 溫差過小熱傳效果不佳, 想要獲得液態冷媒, 所需要的傳熱 積相當龐大, 根本不符實際需求 因此, 選用氣冷式冷凝器, 其冷凝溫度的最好在設計的外氣溫度再加上 7~18 以上 冷凝器如果選用得太小, 熱傳量不足, 則通過冷凝器的氣態冷媒無法完全 變成液態冷媒, 易造成高壓的情形 但如冷媒充填過量, 會造成冷凝器中充滿 液冷媒, 發生高壓過高, 但冷凝器溫度低的情形 在低溫的冷凍系統中, 因初溫與低溫負載相差數倍, 再加上外氣溫度變 化, 有時會發生冷媒在冷凝器中完全液化後還再被冷卻, 造成過冷度大, 液冷 3-11

63 媒充滿管路, 造成有效冷凝管路減少, 發生高壓太低, 膨脹閥前不滿液的情 形 低溫的冷凍系統應裝置冷凝壓力 溫度 控制, 防止冷凝壓力的不穩定 另外在選購冷凝器時, 應注意其製造過程是否經過清洗的程序, 往往有冷 凝器製造過程中油污未清洗乾淨, 造成日後使用時表 易沾染灰塵, 且焊接時 更會因油的碳化而對銀焊產生阻隔, 致使氣密性差, 縮短使用年限 冷凝器安裝注意事項 由於外氣溫度並不是維持在平均溫度, 變動量相當大, 因此在選用冷凝器時, 不妨取稍微大些, 再加上冷凝壓力控制器, 以防止外界溫度變化或負載變動時, 冷凝器的散熱不足或過大, 造成高壓異常的情形 氣冷式冷凝器在安裝時, 要特別注意吸風及排風口的位置 風道不可以有阻礙物妨礙氣流的流通, 在吸風口處要注意不可有其它熱源存在 並應儘量避免鰭片 置於陽光直射處, 以防止太陽輻射熱造成冷凝器的散熱不良 在安裝冷凝器時還須注意幾個要點 當壓縮機與冷凝器的距離超過 5 公尺時, 易因管路阻抗而導致壓降過大, 易造成壓縮機燒毀 目前有許多便利商店為減少店內的熱負載, 將冷凍櫃的冷凝器改裝在戶外, 若沿用與壓縮機吐出口相同管徑的排氣管, 結果因管路的壓降, 壓縮機出口壓力太高而導致壓縮機過載的情形 因此在壓縮機與冷凝器間的距離在 10 公尺以內, 排氣管管徑最好較壓縮機排氣口徑加大 1 號, 以減少壓降 如距離超過 10 公尺, 排氣管管徑最好酌予加大 2 號 有關的配管管徑的選擇請參考 6.4 節 <10 公尺管徑加大一號 >10 公尺 管徑加大二號 冷凝器 壓縮機 圖 3.7 冷凝器與壓縮機的配管 3-12

64 進入冷凝器的排氣管與液管, 在安裝時要避免互相接觸 有些施工人員為 管路美化起見, 將冷凝器的進出管綁在一起, 造成冷液管被氣管加熱, 使得冷 凝後的液冷媒被升溫, 降低冷凝器的效果 排氣管液管冷凝器液管與排氣管不可直接接觸圖 3.8 液管配管注意事 另外也有使用者在安裝冷凝器時, 未能依照製造廠所指示的安裝方向, 將立式的冷凝器水平放置, 由於重力的關係使冷媒流動不平均, 造成 佈不良, 散熱效果不佳 因此如要將冷凝器水平放置, 在訂購時一定要告知冷凝器製造商, 以修改迴路, 避免冷媒 佈不良 立式冷凝器 橫置 冷媒蒸汽入 冷媒蒸汽入 液態冷媒出 因重力因素導致冷媒積於管路底部, 形成壓降過大! 立式冷凝器冷凝機構圖 立式冷凝器橫置之冷凝機構圖 圖 3.9 立式冷凝器橫置的影響 3-13

65 腐蝕的影響 冷凝器安裝時除要避開通風不良, 以及有熱源的場所, 另應避免放置於水溝上方 易有沼氣發生 或有酸性氣體及硫磺氣的場所, 這些地方產生的氣體易造成焊接點的腐蝕, 如不得已要放在有腐蝕性氣體的位置, 應於焊接點做適當的防蝕處理 如於鹽份較高的場所 如海邊, 可能考慮以後處理的防蝕方式將鰭片予以保護, 以防鰭片受腐蝕 氣冷式冷凝器主要靠銅管上密集的鰭片來達成熱傳效果 一但鰭片被腐蝕以後, 意味著傳熱 積減少, 冷凝器的能力下降, 因此冷凍系統的高壓因散熱不足而攀升 而系統的耗電也隨之增加, 造成冷凍系統的耗能提高 以往為避免此一問題, 多採用環氧樹脂塗層的鋁片 由於染劑的關係外觀呈現藍色, 俗稱藍波片 進行保護 但此種鰭片是鋁捲原料即先進行環氧樹脂塗層處理, 當經過沖床加工以後, 會形成許多 邊, 而這些 邊完全無防護, 因此在一段時間後, 腐蝕即由這些 邊開始進行, 時日一久同樣造成冷凝器的腐蝕 另方 因環氧樹脂不耐紫外線的照射, 通常 9 個月後即開始劣解, 失去防護功能 以往在海邊會使用銅片來取代鋁片以防止鰭片腐蝕, 但實際應用上銅仍舊會被氯離子所腐蝕形成銅綠, 阻礙氣流通道 下表為常見的銅鰭片腐蝕的場所與成因 : 腐蝕物 化硫物 化學符號 S S 表 3.3 銅鰭片主要腐蝕成因及腐蝕後色澤 可能發生場所 腐蝕物來源 銅腐蝕後可能的顏色 紙漿 造紙或木材工廠 製程散出 黑色 火力發電工廠 柴油 汽油引擎運轉場所 燃燒 藍色 化 物 紙漿 造紙或木材工廠 焚化爐設備 火力發電工廠與柴油 汽油引擎運轉場所 與 化物 與 鹽 l l H H 清潔公司製程水處理設備 礦鹽廠 游泳池水處理設備 化學工廠 肥料工廠 農業 製程散出 燃燒 製程散出 水消毒製程 產品製程散出製程 產品排泄物 解動物排泄物與肥料 藍色 綠色 棕黃色 無氫化物 綠色 有氫化物 黑色 在以往氣冷式散熱器採用鰭片前處理方式 採用藍波鋁片或銅片, 於製程 開始前即選用防蝕材質 但僅能於短時間防護鰭片部份, 無法對熱交換器進 3-14

66 行全 性的防護 ; 對於熱交換器彎頭部 僅能於完成後以塗佈鍍鉻鋅漆方式防蝕, 無法達成一體防蝕的效能 近幾年來荷蘭已經開發出高效能可修 式後處理 熱交換器製作完成再防護 防護技術, 於熱交換器完成後再對熱交換器進行全 性的保護 因熱交換器已經成為成品, 故所有 邊與彎頭都可以在後處理的過程中獲得完善的保護, 所以可以獲得最佳的防護效果 再加上此種防蝕技術可以進行修護, 當使用時間久後, 鰭片表 保護層受損, 仍可以藉由修護的方式來防止鰭片繼續被腐蝕, 進而維持整體系統的效能 銅管彎頭無保護 前處理式防蝕方法 後處理式防蝕方法 非鋁金屬防護底層 鋁片 E 環 樹脂護膜 鋁 鋁片 E 環 樹脂護膜 鰭片 口破壞面與大氣接觸 非鋁金屬防護面層 鰭片防護底層 鰭片防護面層 圖 3.10 前處理與後處理防蝕技術的比較 在氣冷式熱交換器中, 鰭片是主要的傳熱, 只要能維持其表 積的完整與潔淨, 基本上就可以維持系統的效能 但並非所有的防蝕技術皆可以達到絕對的防蝕, 必須要仔細研讀其防蝕方式與限制, 慎選合適的防蝕方式, 才能達到最佳的防護果 鰭片清潔與系統真空 在使用時要注意定期清潔鰭片, 尤其是在台灣空氣污染嚴重的情形下, 若讓灰塵卡住冷凝器的氣流通道, 將使散熱能力下降 更有甚者腐蝕冷凝器的鰭片, 造成冷凝器的毀損 當灰塵卡住冷凝器的氣流通道, 不但造成散熱能力的下降, 同時將使得風扇馬達的阻抗提高, 馬達屬於過負載狀況, 線圈溫度將大幅上升 若馬達未經過嚴格測試, 很容易發生燒燬情形 目前亦有裝設定時灑水清潔裝置之冷凝器, 適合落塵量大的地區以及 24 小時運轉之商業冷凍設備使用 盼能經由此裝置來防止灰塵卡死, 減少保養人力, 避免系統故障 如果冷凍系統在抽真空時, 未能將系統內的空氣抽光, 殘留部份的空氣於系統中, 而這些空氣無法 著冷媒冷凝下來 這些空氣將會造成冷凝過程中的 3-15

67 熱傳阻礙, 使冷媒無法順利冷凝, 因此將造成高壓側壓力過高的現象 如果高壓側一直有壓力過高的情形, 就要重新確定系統內是否有空氣的存在 另外也有膨脹閥堵住或流量過小的情形, 使得冷凝器沒有高溫冷媒蒸氣通過, 在摸冷凝器時不會感覺到熱, 誤以為冷媒充填量不足, 又再充填入過量的液態冷媒, 致使液冷媒充滿於冷凝管中, 運轉時冷凝器溫度不高, 但卻發生高壓過高的情形 風扇馬達的影響 氣冷式冷凝器中, 風扇馬達的好壞往往決定冷凝器的使用性能 一個良好的氣冷式冷凝器製造廠, 在使用風扇馬達前必須做一連串嚴格的測試 由於台灣地區空氣污染相當嚴重, 因此氣冷式冷凝器的馬達必須要能通過防塵測試, 以及具有當冷凝器管排被灰塵堵死情形下的馬達溫升安全設計 而由於馬達所處的環境溫度較高, 因此馬達溫升也必須設計於容許的安全範圍內 氣冷式冷凝器的風扇馬達所使用的線圈屬於 E 級線圈, 其耐溫極限為 130, 故標準之馬達線圈溫度決不可高於 120, 否則極易發生線圈絕緣裂化, 而導致馬達燒燬的危險 下表即為一標準冷凝器馬達所做的測試結果, 優良的氣冷式冷凝器製造廠應能提供使用者這方面的測試資訊 表 3.4 冷凝器風扇馬達測試報告 12" 扇葉 1600RPM 1/15HP 風扇馬達性能測試報告 項次 測試項目 結果 判定 1 絕緣電阻 100MΩ OK 耐電壓 1800V 1sec OK 2 單體噪音 45dbA 以下 OK 單體振動 30µ 以下 OK 3 落下衝擊 無異常 OK 4 導線引張強度 4kg/2 條 1 分鐘 OK 5 電氣特性 實機體全開 1600±50RPM OK 6 無負荷特性 規格內 OK 7 溫升 正常負載 41.4 OK 過負載 ( 全遮 ) 58.0 OK 8 環境測試 無異常 OK 9 拘束測試 無發煙發火, 線圈溫度 130 OK 10 電容器開路試驗 無發煙發火, 線圈溫度 131 OK 11 鹽水噴霧試驗 無異音 OK 12 耐久試驗 小時 OK 13 起動特性 42V OK 14 電容器端電壓 正常負載 110% 額定電壓下,422V OK 3-16

68 除了馬達要經過精密測試外, 扇葉亦需要通過動態平衡測試與耐用性測試, 如扇葉未經過平衡測試即安裝上冷凝器, 容易發生噪音與震動, 造成馬達承軸磨損 而扇葉平衡處理品質與扇葉材質變形 老化, 也是產品耐用程度的關鍵因素 環境與散熱器形式的選擇 對於大型的散熱器而言, 環境的因素往往會決定選擇散熱器的型式 在環境比較 小無其他強勁側風的場所, 可以選擇立式風扇側裝的散熱器, 這種形式的散熱器具有佔地較小的優點 但這類型的散熱器遇到有強勁風勢的場合, 經常會發生風扇馬達燒毀的問題 馬達燒毀的主要原因是, 當系統停機時此時散熱器的風扇不轉動, 如果遇到強勁的側風吹入造成風車逆向空轉, 當馬達再次起動時, 很容易為克服風車的逆轉, 而造成風扇馬達負載過大致使馬達燒毀 且如果位於冬季強勁側風的區域, 即使風車全停, 因風速快且溫度低, 當風通過散熱鰭片時, 很容易造成冬季高壓過低的情形 正常運轉 停機遇側風時 馬達轉向 馬達轉向 散熱風向 側風風向 圖 3.11 立式散熱器遇強側風的影響 在有強勁側風的場合, 建議盡量不要採取風扇側裝的散熱器, 儘可能採用水平臥式散熱器 此類型的散熱器整個進氣 朝下, 散熱氣流由下向上, 鰭片 不會有迎風側, 因此可以完全避免強風吹襲 此種臥式散熱器另一個優點是當風扇停止時, 灰塵會因重力的關係自然向下落下, 較容易保持鰭片 的清潔 3-17

69 圖 3.12 臥式水平散熱器 冷凝溫度的設計 在第一章中我們曾提過, 氣冷式的冷凍 環其冷媒冷凝溫度的設計要依據所處環境的溫度在加上 7~18 才是冷凝溫度 我們在設計一個冷凍 環時, 要注意到要放置冷凝器場所附近的溫度, 並非一成不變地採用 54.4 做為冷媒的冷凝溫度 就如同汽車的冷氣設計, 由於車用的冷凝器處於引擎室中, 四周的環境溫度相當高, 因此冷凝溫度設計在 60~65, 相對地較一般冷凍 環系統的冷凝溫度設計來得高 我們用一個例子來說明冷凝溫度設計與使用環境的重要性, 某貿易商有一年接獲中東地區大筆的窗型冷氣訂單, 剛好當年國內市場冷氣銷售情形不好, 各大空調廠都有許多庫存, 於是貿易商以較低的價格收購了這些庫存冷氣, 直接裝箱外銷中東, 心想這次可以大賺一筆 可是很不幸的, 三個月後這批冷氣全遭退貨, 貿易商心想這些冷氣全都是國內知名大廠的產品, 怎麼可能無法使用呢? 各位讀者不妨想一想這個貿易商究竟犯了什麼錯誤, 導致血本無歸? 其實原因很簡單, 在中東沙漠地區白天氣溫動輒高達 50 左右, 在國內所銷售生產的冷氣機所設計的冷凝溫度, 其外氣條件是根據台灣地區的氣候所設計的, 因此以台灣地區最嚴苛的氣候條件而言, 外氣溫度採用 35 做設計, 使用溫差 T.D. 為 12 的冷凝器, 那麼其冷媒的冷凝溫度為 47, 以這樣的冷凝要求溫度, 置於戶外溫度經常在 50 的環境中, 由壓縮機排出的氣態冷媒在冷凝器中不能冷凝成液態冷媒, 反而會維持在過熱的冷媒蒸氣狀態, 當然這些冷氣機都要遭到退貨的命運 如果這位貿易商能先了解冷凝溫度與大氣溫度的關係, 而重新設計冷凍系統, 那麼就不會有如此悲慘的下場 3-18

70 水土不服?? 50 圖 3.13 外氣溫度高於設計的冷凝溫度 由於氣冷式冷氣是利用外界的空氣作為散熱的 質, 容易受外氣溫度改變影響, 不像水冷式的冷凝器, 水溫受外界氣溫變化的影響不大 因此我們在設計冷凍系統的過程中, 一定要能確實掌握放置氣冷式冷凝器周圍的環境資料, 才能設計出合適的冷凍系統 一般如果放置於非陽光直射的場所, 如屋簷下或有遮蔭處, 採用的外氣條件為 33~35, 如果直接曝曬於太陽下, 最好再加上 2 ~5 35~38 如果使用外氣溫度為 35, 那麼選用 T.D. 為 12 的冷凝器, 冷媒的冷凝溫度即為 47 =35+12 以 R-22 為例, 此時的冷凝壓力由錶壓來看為 250psig, 而 R-507 其冷凝壓力為 305.2psig 而我們選用的冷凝器以及壓縮機就必須根據這個條件來選取 當系統運轉高壓側壓力過高時, 有幾個因素造成, 其中應先注意的是冷凝器所處的環境溫度是否超過原始設計的空氣冷凝溫度 有可能是因為當天的氣溫過高而造成散熱不良, 使高壓過高, 這種情形常發生在夏季冷凍系統全載的狀況 如果經常發生這種情形, 就要重新檢討冷凍 環的設計 在業界也常發生冬天完成試車的冷凍系統, 但是到了夏季卻不能使用的情形 這種情形是因為當初設計冷凍系統的人採用的冷凝溫度過低, 由於冬季外界氣溫度較低, 冷媒冷凝溫度與氣溫差拉大, 因此冷凝效果會大大提高, 掩蓋了冷凝溫度選用不當的問題 ; 一但夏季外氣溫度提高以後, 冷凝溫度與大氣的溫差 T.D. 不足, 冷凝器的散熱效果便大幅下降, 系統便會發生高壓過高的現象, 連帶地影響到壓縮機性能, 致使整個冷凍系統性能下降 所以我們設計冷凍系統時, 應以最嚴苛的外氣條件來做設計, 再輔以冷凝壓力的控制, 使系統在不同條件下仍能正常運轉 3-19

71 試車時通風良好, 一切正常! 機房蓋的通風口太小致使通風不良, 冷凝器散熱不佳! 圖 3.14 試車條件與實際使用條件的差異 在一般小型商業冷凍或冷藏櫃的機下型機種, 或具有外箱的冷凝機組, 也經發生過因機房蓋的通風孔不夠大或冷凝機組擺放位置不當, 試車時將機房蓋打開, 使得通風良好, 所以溫度壓力都正常 但當蓋上機房蓋後, 卻發生電流升高的情形, 此即為熱風短 環的現象, 造成冷凝器散熱不良 如不改善通風孔或風道, 一味地加大冷凝器也是無濟於事 冷凝壓力 溫度 控制 我們前 提過, 設計系統時要以最嚴苛的條件做設計, 但我們通常在設計一個冷凍系統時, 經常以平常的運轉條件來做計算 如一個只作為冰存物品用途的冷凍庫, 在計算其能力時只計算冰存時的負載而已, 但隨著外氣溫度的不斷攀升, 在計算散熱能力時往往會較原額定的需求多 10~15%, 以避免夏季時外氣的高溫超過原始設計值 而部份的低溫保存系統設計為講求開始運轉的降溫迅速, 考慮初溫段高負載情形, 在系統元件選用時, 將冷凝器稍微加大 30%~ 40% 的容量 但在系統的負載小 溫度下降至原設計條件 或外氣溫度降低時, 為了防止冷凝器凝結過多的過冷卻液體, 一定要做冷凝壓力控制, 但冷凝壓力要如何來控制呢? 一般在系統的管路上會裝設一冷凝壓力控制閥, 來控制高壓側的壓力 ; 在 具有兩個以上風扇馬達的冷凝器, 也可利用高壓開關之接點來控制冷凝器之風 3-20

72 扇馬達動作的數量, 以維持冷凝器的一定散熱能力 除此之外, 氣冷式冷凝器製造廠也提供一種可控制冷凝壓力的冷凝器 利用一冷凝溫度感測器, 控制冷凝器的風量 當溫度感測器感測到冷凝溫度低於原設計的冷凝溫度時, 將控制風扇的轉速, 降低通過冷凝器的風量, 維持冷凝器的一定散熱能力, 保持冷凝壓力於設定值 如果採用此種溫控式冷凝器, 將可以有效地控制冷凝壓力 此外, 此種溫控式冷凝器由於能適時改變風量, 因此能節省冷凝器送風部份的耗電 且利用降低風量方式, 能減少灰塵附著於鰭片上的機會, 延長冷凝器的使用壽命 同時在夜晚, 外氣溫度低, 負載減少時, 風量減少, 冷凝器的噪音也就降低, 符合環保的要求 同樣的道理, 在水冷式的冷凝系統中, 為避免高低負載的能量差異導致冷凝壓力的變化, 也有利用壓力式制水閥來控制冷卻水流量, 維持冷凝壓力的一定 此種水冷式冷凝器用之壓力式制水閥是利用高壓側的壓力來做控制, 當壓力升高, 水閥的流口變大, 水流量增加, 帶走熱量的速度變快 ; 當壓力降低, 水閥的流口變小, 水流量減少, 帶走熱量的速度變 藉此方式維持高壓側的壓力於一定範圍內 但使用此種裝置要特別注意, 水壓不可過低, 否則亦無法有效控制 未來氣冷式冷凝器的發展方向 由於水冷式冷凝器經常需要搭配冷卻水塔, 在水質的管理上需要特別的費心 特別是近年來發現在水冷式的空調系統中, 容易有退伍軍人症的菌種在水路中孳生, 而冷卻水塔的溫度環境更適合該病菌的繁殖, 在歐美各國都明文定出冷卻水塔的管理辦法, 嚴格要求業主必須定期檢驗冷卻水塔的水質 在台灣近年來發現有退伍軍人症病例的增加, 雖目前並無明文規定冷卻水塔的管理辦法, 但相信不久一定會對冷卻水塔擬訂出相關的管理規範 台灣水資源不斷地發出短缺的警訊, 再加上冷卻水塔的種種問題, 對高效率氣冷式冷凝器的需求日益殷 因此為因應台灣的特殊環境, 氣冷式冷凝器正朝向省能 高效率 低噪音 耐用的方向進行研究開發 3-21

73 為提高傳統式冷凝器的效率, 縮小冷凝器的體積, 熱交換器製造廠積極開發內置螺旋線的冷凝器, 將部份容易形成熱邊界層的區段加入螺旋線, 破壞熱邊界層, 形成紊流狀態提高熱傳效果, 達到類 內螺紋管的功能 如此便可在有限的管路大幅提高熱傳效果, 也不會因為完全採用內螺紋管而導致成本的提高 傳統之冷凝器熱傳管加入螺旋線之冷凝器熱傳管 冷媒於管內呈直線運動, 容易有熱邊界層形成, 阻礙熱傳效果 冷媒於管內呈螺線運動, 不易有熱邊界層形成, 冷媒與管 的接觸機會較大 圖 3.15 內加螺線的管內冷媒流動 為強化效率 增進整體系統性能, 熱交換器製造廠不遺餘力地解決冷凝器壓降與冷媒蓄積的問題上 以往為了配合模具與迴路的設計, 在冷凝器迴路的路徑上免不了有上升下降的情形 而這些上升下降的路徑在停機時, 將成為蓄積冷媒的地方, 於是造成冷媒容易充填過多的情形 且因為上升下降的管路行徑, 壓力降將較大 為解決此一問題, 熱交換器製造廠開發出重力式迴路冷凝器 此種迴路的冷凝器, 在每一個迴路的設計上使冷媒流路依照重力方向行進, 此種迴路的設計方式意使冷凝的液態冷媒 著重力向出口流出 藉由此種方式使冷凝器積存冷媒的量達到最少, 也將冷凝器的壓損降到最低 傳統型迴路設計 重力流路型迴路設計 迴路進行有升降, 爬升處停機時易蓄積冷媒! 迴路進行無升降, 冷媒不易蓄積! 圖 3.16 傳統與重力迴路差異 氣冷式冷凝器在熱傳方 的趨勢是朝著小管徑高效率方向發展, 以提高散 熱能力, 縮小體積, 降低冷媒充填量為目標 3-22

74 隨著環境生活品質的講究, 氣冷式散熱器風扇噪音已經成為生活環境的公害 氣冷式散熱器的噪音生產源主要來自於風扇, 隨著風扇轉速的提高, 風量隨著增加, 但風扇的噪音值也因此而增加 除此之外, 通過鰭片風速的大小亦影響到散熱器的噪音值 隨著地球暖化的情形日益嚴重, 氣冷式散熱器的條件也日益嚴苛, 為了達到在散熱能力的要求, 風量與傳熱 積又不得不增加, 往往造成通過鰭片的風速過快而產生噪音 在考量性能與噪音間的平衡, 各國散熱器製造商無不想盡辦法開發出低噪音的散熱器, 目前在對策上有兩個比較明顯的方向進行, 一為低轉速高風量的特殊風扇開發, 一為大間距高傳熱 積小型化的盤管模具開發 在扇葉的開發上, 由於散熱器所處的環境因素與大風量需求, 加上熱交換器的空氣側壓損並不大, 所採用的扇葉大多以軸流扇葉為主 而在這種條件之下, 市 上泛用型的扇葉皆無法在所要求的靜壓值下達到最安靜與高效率運轉, 因此大多數熱交換器製造商配合本身熱交換器設計, 自行開發熱交換器專用的扇葉, 以達到符合噪音與風量要求 此種低轉速高風量的扇葉, 大多偏向大曲度大葉徑的設計模式, 在設計上以通過熱交換器壓損下所能獲得的最大風量為設計點, 設計出最低噪音與最高效率 單位風量使用最少的軸馬力 的扇葉 而在盤管模具的開發上, 朝著低空氣側壓損鰭片形式設計 空氣側壓損大容易造成噪音的增加, 並消耗風扇的可用能力, 導致扇葉性能下降 因此目前鰭片流道設計會以最高熱傳效果 最低表 風速的設計方式進行, 藉此來抑制噪音的產生, 並達到最佳熱傳效果 鰭片的間距設計上, 為了達到減噪音與抗污的效果, 寬鰭片間距的設計方式也成為發展的主流 在高風量低噪音與最小外型化的要求下, 具有大 積與小外型尺寸的 U/L 型式散熱器設計方式已逐漸成為市場的主力產品 但是要注意, 如果屬於側風強勁的區域, 最好能選擇臥式水平散熱器, 這樣可以避免側風對風扇馬達與系統產生的不良影響 3-23

75 退伍軍人症 退伍軍人症是由病菌引起, 主要侵襲對象為五十歲以上抵抗力較差的男性 接受過器官移植者 使用過類固醇治療者 感染初期症狀有頭痛 咳嗽 肺炎 腹痛 下痢, 容易被誤診為肺炎而投以治療肺炎的藥劑 但治療肺炎的藥劑對此病菌並無療效, 等到發現為退伍軍人症時, 病患通常已無法挽 此病症的致死率高達 % 以上 退伍軍人症病菌的傳播 這種病菌主要生長於水中, 廣泛存在於生活週遭的環境中, 但一般水中的含菌量並不足以致病, 且將水加溫於 以上可將大部份的病菌殺死 在冷卻水塔的環境中最適合生長繁殖, 由於冷卻水塔通常位於大廈頂樓, 隨著水氣的飛散, 容易被空調系統的吸風口吸入, 進入生活空間中, 侵襲人體造成發病 此病可以說是現代文明病的一種 氣冷式冷凝器的散熱能力與外氣溫度有什麼關係? 3-24

76 第四章蒸發器 風扇網罩 配電盒 風扇 固定架 除霜電熱器 壓力 P 過熱段 冷媒分佈器 氣管 排水管接口接水盤 接水盤防凍電熱器 蒸發 吸熱比焓值 h(kcal/kg,kj/kg) 圖 4.1 氣冷式電熱除霜蒸發器 蒸發器在冷凍系統中的任務是將冷凍庫內的熱量帶走 其作用是使液冷媒在低壓下, 吸取由冷凍庫內所傳來的熱量, 變成氣態冷媒, 氣態的冷媒帶著冷凍庫的熱進入壓縮機壓縮後, 再進入冷凝器排熱 基本上蒸發器與冷凝器的原理皆相同, 所不同的是前者為向外界吸熱, 後為向外界排熱 由於蒸發器經常使用在低溫的環境中, 因此會有結霜的情形發生, 為避免霜對氣流的影響, 一般而言鰭片的距離往往較大, 並具有除霜裝置, 這也是蒸發器與冷凝器最大的不同處 蒸發器依構造來分, 可分為 : 裸管式蒸發器 板狀蒸發器 鰭管式蒸發器 或其它形狀傳熱 積之蒸發器 若依冷媒在蒸發器內的狀態, 又可分為乾式 滿液式 液冷媒 環式 若依被冷卻物質的性質, 又可分為氣冷式 所謂的直膨式, 二次冷媒式 冷卻不凍液 水等介質, 再利用這些介質去 環冷卻, 即所謂的間接冷卻式 在此我們僅就氣冷鰭管式的蒸發器做一介紹 4-1

77 . 蒸發器的動作原理 如圖 4.1 所示為一風扇氣冷鰭管式的蒸發器, 基本的構造與冷凝器類, 由馬達 風扇 銅管 鋁鰭片與除霜元件組成 一般這樣組成的蒸發器稱為蒸發機組 UNIT COOLER 鋁鰭片最主要的目的在增加蒸發器熱交換 積, 就如我們在 3.2 節 " 冷凝器的散熱量 " 中所敘述的一樣, 我們也不可以用銅管的長度或管徑來作為蒸發器能力大小的指標 由膨脹閥來的低溫低壓冷媒進入蒸發器後, 由風扇不斷將冷凍庫內較高溫的空氣送過熱交換器, 此時空氣的熱經由鰭片 銅管傳至冷媒中 液態冷媒由於吸收了熱而蒸發成為氣態的冷媒, 在蒸發器中如管路不變, 由於體積的增加, 流速將越流越快, 這部份的壓損也比較大 所以適當放大迴路後段的管徑, 可降低因壓損所造成的效率損失 一般而言, 為確保進入壓縮機的冷媒蒸氣全為氣態, 避免液冷媒進入壓縮機造成液壓縮的問題, 通常會將飽和的氣冷媒再過熱 所以在蒸發器的後段屬於過熱區段, 用來造成過熱冷媒蒸氣, 此一區段為無效造冷段 有人為使蒸發器的有效造冷區段增加, 會在蒸發器的前後端加一過冷卻熱交換器 參見 5.12 節與 6.3 節, 使過熱段移至此熱交換器中, 增加蒸發器的有效造冷區段 蒸發器與冷凝器最大的不同點是具有除霜裝置 由於蒸發器表 溫度經常會有低於 0 的情形, 因此空氣中的水份會在鰭片上結霜, 霜的形成將造成氣流通道受阻, 影響到蒸發器的傳熱效果 因此, 為維持蒸發器的能力, 蒸發器都會具有除霜裝置, 將附著於鰭片表 的霜定時除去 一般蒸發器較易結霜堵死的位置都在回風口處, 在這裡溫暖的濕空氣因碰到低溫的鰭片而結霜 因此有蒸發器製造廠商利用回風 鰭片的間距不同, 如圖 4.2 所示, 使得回風 著霜時間延長降低除霜的次數 以下將介紹幾種常用的除霜方式 吸氣 的鰭片 圖 4.2 風 鰭片間距不同的蒸發器 4-2

78 霜的形成 當空氣中的水汽遇到低溫時便凝結為液態的水, 如果溫度低於 0 時, 就結成冰的狀態 如下圖的空氣線圖所示, 空氣進入蒸發器的絕對濕度 溫度較高, 通過蒸發器後獲得溫度 濕度較低的空氣, 再與周圍的空氣混合而成庫溫 在空氣線圖上連接蒸發器進出口狀態點為一直線, 此直線交於飽和曲線的點, 即稱為裝置露點溫度 雖蒸發器表 高低不平, 但在說明方便起見, 通常視此點為蒸發器的表 溫度 在冷凍系統中, 由於冷媒的蒸發溫度甚低, 因此蒸發器的表 皆在 0 以下, 因此空氣中的水份很自然地在蒸發器表 上形成霜 特別是在高濕度的場所, 如果選用蒸發溫度與庫溫差越大, 越容易在蒸發器上結霜 出風溫度 回風溫度 飽和曲線 ( 相對濕度 100%) 絕對濕度 蒸發器表 溫度 乾球溫度 空氣線圖. 除霜 一般為有效除去附著於鰭片上的積霜, 常用的除霜方式有 : 壓縮機停止 法 熱冷媒蒸氣法 灑水法 不凍液噴灑法 不凍液管與電熱法. 壓縮機停止法 : 此種除霜方式是將壓縮機停止, 蒸發機組的風扇持續運轉, 利用庫溫將鰭片表 的霜除去 此種除霜方式僅適用於庫溫高於 +3 的場所, 除霜的過程比較緩, 且庫內濕度較高, 適合高濕度冷凍庫使用 定時器除霜指令 冷凍系統循環正常運轉除霜時間正常運轉 壓縮機 風扇 圖 4.3 壓縮機停止法除霜模式 4-3

79 . 熱冷媒蒸氣除霜法 : 此種方式又稱熱氣除霜法, 是利用壓縮機吐出端的高壓高溫冷媒蒸氣來除霜 當除霜開始時, 壓縮機吐出端的旁通閥打開, 使高壓高溫的冷媒蒸氣直接進入蒸發器中, 由內向外將附著於蒸發器上的霜除去, 當溫度感應器感應到除霜終了的設定溫度時, 即關閉熱氣旁通閥, 為避免存留在蒸發器的熱量被風扇吹到冷凍庫內, 因此, 系統運轉後一段時間風扇才開始運轉 定時器開始除霜 溫度感應器停止除霜指令 冷凍系統循環 正常運轉 熱氣除霜 風扇延遲運轉 正常運轉 壓縮機 風扇 熱冷媒蒸氣旁通閥 圖 4.4 熱冷媒蒸氣除霜法模式 此種除霜方式, 十分快速 但因這種除霜方式是利用高溫氣態的冷媒蒸氣放熱來除去結霜, 因此熱冷媒氣失去熱量後, 冷凝為液態的冷媒 當有液冷媒生成時, 如不加裝適當液氣分離裝置 吸氣壓力調整閥或將液冷媒再氣化的裝置, 當這些液態冷媒返回壓縮機時, 將造成壓縮機的液壓縮 ; 同時液態冷媒在熱交換器與管路中, 亦容易形成液錘現象, 造成管路損壞 此種除霜方式的優點為電器附件少 耗電小, 除霜速度快, 但冷媒控制配件較多 如控制不當, 容易造成壓縮機的損毀, 使用熱 4-4

80 冷媒蒸氣除霜時不可不慎! 此種除霜方式為所有除霜方法中效率最高但控制最麻煩的一種 另有儲熱式熱冷媒蒸氣除霜裝置, 利用儲熱方式來增加除霜速度 減壓閥 再蒸發器 壓縮機 吸氣管電磁閥 熱冷媒蒸氣旁通電磁閥 冷凝器 蒸發器 排水盤 膨脹閥 液管電磁閥 四路閥 壓縮機 膨脹閥 止回閥 冷凝器 蒸發器 膨脹閥 止回閥 儲液器 儲液器 具再蒸發器之熱冷媒蒸氣除霜裝置圖 逆循環熱冷媒蒸氣除霜裝置圖 蒸發器 蒸發器 膨脹閥 膨脹閥 壓縮機 儲熱器 儲液器 冷凝器 具儲熱器之熱冷媒蒸氣除霜裝置圖 壓縮機 儲液器 冷凝器 具液氣分離器與背壓調節閥之熱冷媒蒸氣除霜裝置圖 圖 4.5 幾種熱冷媒蒸氣除霜裝置圖. 灑水除霜法 : 此方式是利用溫度較高的水直接噴灑於蒸發器的鰭片上, 使霜溶解而達到除霜的效果 當除霜開始時, 壓縮機與風扇停止運轉, 除霜水的控制電磁閥打開, 使除霜水噴淋於鰭片上 當除霜終了時, 關閉除霜水的電磁閥, 待水盤的除霜水流盡後, 再啟動壓縮機與風扇運轉 此種系統的優點是除霜速度快, 並具有清潔鰭片的功能 這種除霜系統除了多一組 環泵浦外, 還 4-5

81 要避免除霜水飛入冷凍庫內 一般灑水除霜系統適用於庫溫有 機會提升到 0 以上的場合 如急速凍結設備, 較不適合長期 低溫使用的冷凍庫中 溫 度 -40 運轉時間 圖 4.6 適合灑水除霜之冷凍系統 如庫溫都經常在凍結溫度以下, 灑水較易發生水花凍結情形, 這種情形就要改用不凍液做為噴灑液 如果使用不凍液的話, 還需要一不凍液濃度再生裝置, 以防止除霜時間久了, 不凍液因含過多的霜水而降低濃度, 造成結冰的情形 此一系統的設計最為複雜 定時器開始除霜 定時器停止除霜指令 冷凍系統循環 正常運轉 噴灑液體除霜 系統延遲運轉 正常運轉 壓縮機 風扇 除霜液噴灑 圖 4.7 灑水與不凍液噴灑除霜法模式. 不凍液管法 : 此種除霜方式是利用蒸發器中內置的不凍液管, 將被加熱的不凍液泵入不凍液管中, 達成除霜的目的 此種方式亦是由蒸發器內部發熱向外除霜, 因此除霜效率高 而不凍液的熱能來源在小系統有使用蓄熱方式, 經壓縮熱預先儲存起來, 待除霜時再將熱不凍液泵入除霜管中 此種蓄熱方式必須儲存足夠除霜的熱能, 故必須要 4-6

82 有較大的蓄熱桶 如果在終年外氣溫度高於 20 的環境, 則可以於室外側增加一組熱交換器, 將除霜後的低溫不凍液送至此室外熱交換器中, 利用外界的熱量將不凍液再次升溫進行除霜 此種除霜方式不凍液的溫度約低於室外溫度 5~7, 除霜溫度較低, 優點是進入冷凍系統的熱量小, 但由於受限於外氣溫度的變化, 在除霜時間的控制上必須要特別謹慎, 須利用自動控制的方式才能有效達成除霜效果 同時也必須注意不凍液的濃度, 避免濃度變化發生低溫凍結的情形, 導致管路因體積變化而破損 曾有人使用熱水依此方法來作為除霜方式, 結果當冷凍 環開始, 除霜管內被閉鎖的水因體積發生變化, 硬生生的將除霜管撐破的案例, 故要特別注意不凍液的濃度避免破管的問題發生 定時器除霜指令 除霜終了感應溫度指令 冷凍系統循環正常運轉除霜風扇延遲運轉正常運轉 壓縮機 風扇 不凍液泵 圖 4.8 不凍液管除霜法模式. 電熱法 : 此種除霜方式是利用電熱器裝於蒸發器的鰭片上, 當開始除霜時, 使電熱器通電, 利用電熱器所產生的熱量將附著於鰭片上的霜除去 當溫度感應器感應到除霜終了設定溫度時, 即關閉電熱器, 為避免存留在蒸發器的熱量被風扇吹到冷凍庫內, 因此, 系統運轉後一段時間後風扇才開始動作 通常此種除霜方式使用於低溫系統時, 排水盤和排水管也都裝有加熱器以防止除霜水在管內凍結, 造成排水管阻塞 此種除霜方式安裝最為簡單, 在維修上只要抽取更換故障的電熱器即可, 不必拆裝冷媒管路, 完全避免因更換除霜裝置而影響到原冷凍系統 因此, 電熱除霜不失為最簡易有效的除霜方式, 在商業系統及小型系統上使用最多 4-7

83 定時器除霜指令 除霜終了感應溫度指令 冷凍系統循環正常運轉除霜風扇延遲運轉正常運轉 壓縮機 風扇 電熱器 圖 4.10 電熱除霜法模式在電熱除霜法必須要特別注意的是不可以使局部溫度過高, 否則當霜水滴到過熱的電熱管時, 霜水瞬間形成過熱蒸汽蒸發至庫板上方, 由於庫板上方屬於低溫的狀態, 水蒸氣被凍結成薄霜, 累積於蒸發器出口上方的庫板上 日 一日, 就很容易在蒸發器出口的上方形成厚厚的霜層! 為解決此一問題, 應當將單支電熱的瓦特數降低, 多安裝幾支低瓦數的電熱, 使除霜 的溫度均勻分佈避免單點的溫度過高, 這樣可以避免因除霜電熱表 溫度過高而形成蒸發器上方空間積霜的問題 而多支低瓦數電熱的配置使加熱 分佈更廣, 溫度更均勻, 除霜效率更高 另外一方 水盤建議採用複層水盤的方式, 因電熱利用金屬導片將熱量均勻導至水盤上, 除霜時水盤 的溫度均勻, 可以避 免霜水直接滴到電熱產生過熱蒸汽 另一方 複層水盤多有保溫層, 可以避免除霜熱量逸散到冷凍空間, 減少品溫上升與負載增加的機會 電熱內水盤外水盤內加保溫板 圖 4.9 蒸發器之複層水盤 另外使用電熱除霜方式時, 應特別注意溫度感應器放置的位置, 一般而言, 為避免除霜過度反而造成庫內的熱負載, 因此大部份將溫度感應器裝於蒸發器管排中間靠上方, 或結霜最厚的位置處, 並遠離電熱管, 避免受電熱管溫度的影響造成誤動作情形 而 4-8

84 其溫度範圍, 也要根據庫內之溫濕度及結霜狀況, 來做適當的選擇 目前廣為大家所採用的除霜終了溫度感應控制器為可調式, 當除霜不完全的情形發生時, 利用調整旋鈕將終了溫度調高, 以達到完全除霜的目的 但是此種溫控器本體安裝於庫內容易因結冰問題而導致控制不正確的現象, 因此一般都將溫控器本體安裝於庫外 但溫控器放置於庫外容易因灰塵及溼氣發生故障, 使用壽命較短, 現在較成熟的冷凍系統多改用較為穩定耐用的定溫熱電偶式溫控器, 來控制除霜終了的溫度 定溫式溫控器隔熱墊片固定銅片 圖 4.11 提高定溫式溫控器除霜終了溫度 此一溫控器之除霜終了溫度為固定值, 無法由使用者調整, 因此在除霜不完全的場合, 可用隔熱片將感溫部接觸點予以適當的降溫, 間接提高除霜終了溫度, 達到完全除霜的目的 除霜熱量溢散到冷凍空間不但造成能源效率的浪費, 也很容易造成庫溫的上升影響到儲存物的品質 因此在許多低溫儲存蒸發器的設計上, 會設計成除霜時將蒸發器閉鎖, 使熱氣流不溢散到蒸發器外側, 而等到蒸發器運轉時再將氣流通道開啟進行低溫送風 如此可使除霜時除霜的熱量不溢散, 確保保存品的低溫儲存品質 除霜時 運轉時 工研院提供 圖 4.12 利用軟性導風口於除霜時將除霜熱量與冷凍空間隔離 蒸發器除霜閉鎖的方式有利用軟性導風口的方式來閉鎖除霜空間, 如圖 4.12 工研院所開發之軟性導風口 當風車運轉時, 軟性導風口因風車的加壓 4-9

85 而撐起形成柱狀導風口 當進行除霜時, 風車停止, 軟性導風口自然下 垂, 將風扇出口遮蔽形成阻絕, 將除霜熱量封閉於除霜空間 同樣地, 也有針對小型展示櫃的蒸發器亦開發出附有導風板之蒸發器 當除霜時, 導風板自然下垂, 使箱體成為一個封閉空間, 減少除霜熱量逸散到空間的機會 ; 當冷凍時, 此導板形成一個導風角度, 避免氣流直接撞到箱體的 90 度角, 有效將氣流向下導送, 避免於箱體的死角形成亂流 此方式能有效使冷氣流充分輸送到展示櫃的底部, 使展示櫃內溫度分佈更均勻 圖 4.15 為拼裝式冷凍庫所用的另一種除霜閉鎖式蒸發器 圖 4.13 附導風板蒸發器之冷凍 / 除霜模式表 4.2 空庫常溫模擬除霜時鰭片溫度差異 冷凍模式 : 導風板開啟除霜模式 : 導風板關閉 鰭片表 均溫無導板 : 部分熱量逸散到庫內, 鰭片表 溫度較低, 除霜效率低 附加導風板 : 熱量封鎖在熱交換器內, 鰭片表 溫度高, 除霜效率高 習用蒸發器氣流分佈 附導風板蒸發器氣流分佈 m/sec 1.7 m/sec 冷凍 環 0.80 m/sec 1.73 m/sec m/sec 1.55 m/sec 除霜 環 圖 4.14 未裝 / 加裝導風板蒸發器在展示櫃的氣流分佈 圖 4.15 拼裝庫用除霜閉鎖式蒸發器 4-10

86 . 影響氣冷式蒸發器能力的因素 蒸發器的整個熱傳行為與冷凝器類, 其熱傳公式如下 : &Q = K A T 其中 &Q : 為蒸發器的吸熱量 K: 總熱傳係數 A: 總熱傳 積 T : 冷媒蒸發溫度與進入蒸發器空氣溫度的差值 關於 K 值 熱傳 積 溫差的影響在此不再討論, 請讀者自行參考 3.3 節的討論 現就幾個影響蒸發器能力的因素整理如下. 蒸發器的熱傳面積發器的熱傳面積 請注意是 積而非管徑或長度! 此值越大能力相對的提高 參考 3.3 節熱傳 積部份. 冷媒蒸發溫度與空氣進入溫度的差 此一溫差越大, 蒸發器的能力當然越好, 但是為了整體冷凍 環的效益, 溫差儘可能壓低在 5~8 因為如冷媒的蒸發溫度越低, 相對地, 進氣壓力也就越低, 對壓縮機而言並不是一件好事, 如 2.1 節所提的, 進氣壓力的下降將導致壓縮機效率的下降 但溫差壓低造成蒸發器的成本提高, 因此系統在設計時就必須要就起始投資成本與使用成本間取得一個平衡. 冷媒管中冷媒的流速 在正常使用的經濟流速範圍內, 適當提高流速其熱傳效果較佳 但流速快也代表有較大的壓降損失, 一般在設計上會取其兼顧之適當值. 通過熱傳面積空氣的流量 在適當的範圍內, 增加空氣的流量, 可有效提高熱傳效果, 獲得較佳的蒸發器能力. 蒸發器傳熱面所使用的材質 使用熱傳導性較高的材質將可提升蒸發器的總熱傳係數 但由於氣冷式熱交換器最大的熱傳阻抗在空氣側, 因此材質效能提升反映到整體總熱傳提升量相當有限 反倒是加強空氣側熱傳的提升來得有效. 鰭片與銅管結合的緊密程度 此一因素也對蒸發器有著相同的影響, 當結合程度不佳時, 管與鰭片間的空隙將造成熱傳阻抗, 降低蒸發器的熱傳效果 4-11

87 因此蒸發器製造廠所使用的模具的精度以及脹管的好壞, 都影響蒸發器的品 質 另由於蒸發器為防止結霜的問題, 因此鰭片距離會較大, 加工時都儘量 將鰭片的領高加工到能做間隔支撐 但鰭片的領高如拉得過長, 易造成鰭片 孔處發生摺皺情形, 與銅管的接觸無法密合, 反而造成更大的熱傳損失 此 點在選購時也要特別注意, 不要認為鋁片完全把銅管包 熱傳效果一定最 好. 結霜 冷凍用蒸發器鰭片的表 溫度低於水蒸汽的凍結溫度, 因此空氣中的 水份就會在鰭片表 形成一層霜 霜的厚度如果過大, 將造成蒸發器表 的 熱傳阻抗 另一方, 蒸發器大多使用軸流扇葉, 因此當蒸發器上累積霜 時, 靜壓增大, 不但降低了空氣的流量, 增加風扇馬達的負荷, 降低熱傳效 果. 冷凍庫內的濕度 如果冷凍庫內的濕度較大 儲存高濕的物品或經常打開庫 門使外氣進入, 表示空氣中所含的水份較多, 如果蒸發溫度低於 0, 那 麼空氣中的水氣便會被冷凝成水, 再變成冰, 附著於鰭片上 也就是結 霜 因此, 蒸發器有部份能力被用來移去空氣中水份的潛熱, 形成冷凍能 力浪費. 分佈頭分佈不均 或位置不當, 回管管徑不當 易導致進入蒸發器管路的 冷媒量分配不均勻, 使冷媒在蒸發器中有效傳熱 積減少 蒸發器在出廠 時, 分佈頭皆已檢查過, 所放置的位置也經過計算考慮, 如要更改分佈頭與 回管, 務必與蒸發器製造商討論確認後再更改 由於分佈頭需要有足夠壓差 才能使冷媒均勻分佈到每一管路, 故不能光以冷媒流速來選擇分佈管管徑. 回管未做 型回油管或回管高於蒸發器底部的迴路 如果回管未作 U 型回油 管, 容易導致蒸發器底部管路積油堵塞, 形成底部管路失去作用, 造成熱傳 不良, 降低蒸發器的效率 另一種情形是回管出口高於最下 一排管排, 同 樣發生底部管路積油堵塞, 降低蒸 發器效率 因此蒸發器製造廠為解 決此一問題, 將蒸發器最後一排管 的位置高於回管出口, 完全避免底 排管路積油問題, 使蒸發器完全發 揮其應有效能 下排管路低於回管, 容易積油失去傳熱效果 圖

88 . 選用與使用蒸發器的注意事項 表 4.3 為蒸發器製造廠所提供的蒸發器型錄資料 其中包含了以下資料 : 1 型號 2 鰭片間距 3 熱傳 積 4 風扇規格與風量 5 使用電源 6 冷媒與空氣溫度差 T.D. 下的冷凍能力 7 進出口管徑 8 尺寸 我們由使用冷媒的蒸發溫度與冷凍庫內所需要平均溫度的差值, 再由所需要的冷凍能力, 即可由型錄上找出合適的蒸發器 一般蒸發器製造廠通常也會提供搭配的膨脹閥, 由於不同冷媒在不同溫度下其流量 體積不同, 因此要注意該蒸發器的膨脹閥 分佈頭及管路匹配問題 表 4.3 中含有兩個不同蒸發器製造廠的型錄, 上表的為美國廠商所提供的型錄, 其冷凍能力的計算是以 T.D 時, 不同蒸發溫度所獲得的結果, 此能力已經考慮結霜情形下的保守值 表 4.3 的下表為日本廠商所提供的型錄, 與美國廠商比較, 相同熱傳 積其冷凍能力較美國廠商的蒸發器要大得多 這是由於日本廠商的型錄未考慮結霜情形下所計算的冷凍能力, 且其 T.D. 的基礎為 10 所以在日本公司的型錄最後通常附有結霜補正係數, 供使用者在所要求的條件下做修正 因此如果由日本型錄選用蒸發器時, 務必依其所指示的補正係數做修正, 否則直接由其所標示的冷凍能力來選擇, 可能選到實際能力過小的蒸發器 隨著國外製造的蒸發器陸續進入台灣市場, 由於這些蒸發器大部份是依照生產國本身的天候 環境 使用習 所設計製造, 與國內的使用情形有極大的差距 在國外相對濕度大多在 40%~60%, 與台灣地區至少 70% 的相對濕度, 有極大的差距, 相對地在除霜上的考慮便有所不同 而國內的冷凍庫使用習 大多是保溫與部份凍結混用, 而國外的冷凍庫完全是單一用途設計, 因此選 4-13

89 表 4.3 美國與日本蒸發器製造廠型錄資料 美國製造廠型錄 MODEL NO. MPE 90 Btu/h(10,TD) SST SST CFM 2480 Motor Info. Heater Info. Dimensions (In.) 460 FLA # 230 FLA Connections (In.) Watts 230/1 Amps 230/3 Amps 460/3 Amps L H W Liq. Suct. Drain /2FN 7/8OD 3/4FPT Approx. Ship Wt. (Lbs.) 95 傳熱 積 m MPE /2FN 7/8OD 3/4FPT MPE /8OD 1-1/8OD 3/4FPT MPE /8OD1-3/8OD 3/4FPT 換換為換換換換 =2268kcal/hr 由 T.D. 熱傳 積與冷凍熱力 可換出可熱傳可可為 25.7kcal/hrm 2 已考慮結霜因素不必做補正 機 種 名 外裝使 用 溫 度 冷 卻 積 5 T D 冷凍熱力 7 T D 10 T D 直直 風 量 電 源 運轉可總總總電力霜取 運轉可總總總電總霜取 霜 取 方 式 霜 取 容量配管接續重 冷媒入口冷媒出口 適 用 冷 凍 機 量 日本製造廠型錄 +3 越 場總 +3 以下 以下 mm 6.35mm 21.19m m2 4,525 kcal/h 6,340 kcal/h 9,505 kcal/h 3,195 kcal/h 4,470 kcal/h 6,390 kcal/h 70w 3( 入力 50/60Hz 240/300W) φ330mm 84/95m3/min 87/98m3/min 3φ220V 50/60Hz 0.25/0.31kW 0.29/0.35 kw 0.25/0.31kW 3.95/39.5kW 5.30/5.30kW 1.3/1.4A 1.4/1.5A 1.3/1.4A 15.2/15.2A 18.0/18.0A 方式 方式 kW 5.25kW 4W W 46W φ12.7mmfn(1/2") φ25.4mmod 25A ( 內直 φ34mmid ) 49kg 53kg 51kg 3.7kW~5.5kW 由由由由由換出可熱傳可可為 46.99kcal/hrm 2 未考慮結霜因素必須做補正 冷藏庫庫內溫度 -20 以下 -20 ~ ~0 0 以上 冷凍熱力補正可可 使用庫溫的補正可可 (C) T.D.10 時的熱力 (q) 實實使用的溫實 (T.D.) 實實冷凍熱力 (Q)=

90 用進口蒸發器時, 使用者應該徹底了解本國的使用習慣以及國外產品的設計依 據, 才能避免使用時發生問題 蒸發器如果選用得太小, 熱傳量不足, 則通過蒸發器的液冷媒無法完全變成氣態冷媒, 易造成液冷媒回流至壓縮機, 造成液壓縮的情形 ; 在膨脹閥系統中, 由於冷媒無法完全蒸發, 因此膨脹閥的開度便會減小, 而造成低壓側壓力降, 蒸發溫度低, 造成出風溫度過低與易於結霜等問題 如選用過大, 則冷媒完全氣化後還再被加熱, 造成過熱度大, 使壓縮機的吐出溫度過高 因此選用蒸發器時不可不慎 冷凍庫內濕度與 T.D. 的選擇 蒸發器 T.D. 的選擇也要特別注意, 過大溫差容易發生結霜的情形, 致使蒸發器效率降低, 但溫差太小熱傳效果不佳, 蒸發器效率低, 蒸發器尺寸加大, 成本較高 由於冷凍庫中冰存物品的性質不同, 因此在選用蒸發機組時, 亦要特別注意與冷凍庫冰存物特性的搭配 如果使用大溫差蒸發機組於高濕度冰存物的場所 ( 如儲存蔬菜類的冷凍庫 ) 時, 由於蒸發溫度與進入蒸發器空氣的溫差太大, 因此容易有除濕效果, 於是庫內的濕度越來越低, 將造成冰存物產生脫水現象 所以大溫差的蒸發機組比較適用於低濕儲存條件 在高濕度 ( 相對濕度 90%) 的情形時, 一般建議選用 T.D. 在 5 以內的蒸發器, 並在系統上做一些控制配合, 來達到高濕環境 如圖 4.17 所示, 對高溼度冷凍庫設計的建議是加大冷凍能力, 使壓縮機運轉時間在 50% 以內, 並在蒸發器接水盤做適當積 冷凍系統循環正常運轉加濕時間正常運轉 壓縮機 50%ON 正常提高轉速正常 風扇 積水接水盤 圖 4.17 高濕冷凍庫控制模式 4-15

91 水 當壓縮機運轉時, 蒸發器風扇轉速為正常轉速, 減少其除濕能力 ; 當溫度達到設定值時壓縮機停止, 蒸發器風扇提高轉速運轉, 將水盤的水蒸發送入冷凍庫中, 作為適當之加濕, 當然這種加濕模式僅適用於壓縮機停止式除霜法 此一方式如控制得宜, 庫內的濕度可保持 90% 以上 有些人在設計高濕冷凍庫時會採用加濕器方式, 此方式雖然方便, 但如不仔細加以計算加濕量, 有時會因加濕過度, 造成庫內的潛熱負載增大, 消耗掉部份冷凍能力, 使壓縮機運轉時間加長甚或從不停機, 造成能源浪費 因此使用加濕器前, 必須對加濕的利弊得失做一徹底檢討計算 冰存物品種類 表 4.4 T.D. 與相對濕度的關係 相對濕度條件 種子, 藥品, 茶, 燻製魚類 50~60% 具有再熱器的條件下 牛奶, 乳酪製品, 果汁, 飲料, 包裝之冷凍食品 建議 T.D. 值 冷凍庫溫 - 蒸發溫度 12~15 65~70% 10 水果, 蛋, 肉類, 魚類 80% 5~7 蔬菜, 鮮花 90% 5 若相對濕度約在 80% 時, 建議選用 T.D. 為 5~7 的蒸發器 當然冷凍庫內的氣流速度也會對冰存物有所影響, 如果將一大風速的蒸發機組置於高濕度的冷凍庫中, 冰存物表 經常受低濕的強風吹拂, 會很快地失水而損壞, 所以高濕度冷凍庫應選擇庫內風速小的設計條件 一般的包裝冷藏物品 如鮮奶 果汁 飲料, 建議採用 T.D. 為 8~10 的蒸發器 表 4.4 即為一般常用的 T.D. 與相對濕度的關係 在 TD 的選用上更必要注意一點, 我們已經提到過 TD 差值越大, 越容易結霜或結露, 對庫內的除濕能力越強 但在氣冷式冷凍冷藏系統中, 絕大多數的場合並不是除濕乾燥, 而是要利用冷空氣將庫內的熱附載移除, 因此結霜或結露情形嚴重時, 部分的冷凍能力被消耗在潛熱上, 而僅有部分的冷凍能力真正用於空氣降溫, 而形成極大的能源損耗與浪費 特別是在保溫的冷凍庫上,TD 過大除了造成除濕脫水的情形, 且容易造成庫內溫度不平均的現象 有部分保溫庫為節省蒸發器的費用, 選用較小能力的蒸發器, 結果強制系統在大 TD 的條 4-16

92 件運轉 因為大部分的冷凍系統啟動停止設計, 都是以庫內的溫度到達設定值作為指標, 而冷凍系統的庫溫基本上都依照保存物的需求訂定, 因此無法變更, 為滿足冷凍庫的附載移除, 自然強迫系統以較低溫度的冷風吹送, 故蒸發溫度下降, 在 2.6 節中曾提過, 蒸發溫度下降, 壓縮機效率也隨著下降 結果整體的效率大為低落, 造成能源的損耗 而且在出風溫度過低的情形下, 易造成庫內溫度分佈不均, 特別在蔬果類的保鮮上, 出風溫度過低往往容易形成蔬果的凍傷情形 請參考 5.9 節 減少失重的庫內風速設計 在許多裸存 無包裝 肉品海鮮的凍藏庫中, 經常會發生失重的問題, 究 其原因主要是低溫乾燥的氣流, 吹拂過物品表, 導致儲存品脫水失重, 造成 冰存物的品質下降 當然最佳的方式是將物品包裝, 避免物品脫水 但有時後 因製程關係, 無法逐一包裝, 因此必須要由冷凍庫內的氣流方式來進行改善 與降溫凍結時的情形相反, 在裸存的狀態反而必須要儘可能降低通過物品表 的氣流速度 故許多凍藏庫便開始採用自然對流的蒸發器, 以降低通過物品的 空氣流速 由於凍藏庫屬於保存用途, 所有庫內的物品入庫前已經達到保存的溫度, 因此負載相當小 因此部份的凍 藏庫採用自然對流蒸發器來進行 凍藏的製冷來源, 這些自然對流 的蒸發器為表 具有輻射狀鰭片 的冷凍管, 利用冷凍管路通過低 溫的冷媒, 使冷凍管週遭的空氣 降溫, 由於溫度變化使空氣密度 改變, 造成冷空氣下沉而熱空氣 上升的自然對流熱交換 熱空氣 冷媒 降溫後的冷空氣 圖 4.18 自然對流式蒸發器 由於庫內的空氣流動僅靠著空氣本身的密度變化進行, 所以風速相當微 小 因此通過物品表 幾乎無風速存在, 對冰存物不易產生脫水失重效應 但 也因為氣流通過冷凍管的風速幾乎為 0, 故整體的熱傳值 (K 值 ) 相當低, 如果相 對於相同條件 同樣的溫度差與熱傳能力 的強制對流氣冷式蒸發器, 必須要 4-17

93 有相當大的熱傳 積 故一般採用自然對流蒸發器的冷凍庫, 必須要在冷凍庫上方佈滿冷凍管 自然對流的蒸發器由於不具風車與除霜電熱, 故在操作上具有相當節能的效果 但因管路長, 所需要的冷媒充填量大, 因此在系統啟動時如果沒有做好控制或是無專門技術人員啟動, 很容易發生液壓縮的情形而故障 加上冷卻管路佈滿整個冷凍庫上方, 因此除霜必須將整個管路充滿熱氣的方式進行, 所以僅能使用熱氣除霜的方式進行 且因冷凍管路下方無承水盤, 在除霜時更必須要用人工方式以遮 保護凍藏品, 才能使物品不受霜水污染 因此對大型凍藏庫系統而言, 使用直膨式的自然對流蒸發器不見得會有相當的經濟效益, 且因系統大冷媒量多在操作的困難度與維修複雜性亦隨之提高 其實只要設計得當, 在強制對流的氣冷式蒸發器仍舊可以達到減少失重的目的 在整個冷凍庫中其實有兩組氣流在進行 : 一為流到冷凍空間 ; 一為冷凍空間流到熱交換器 在減重要求嚴格的凍藏庫, 其實要求的是減少冷凍空間的流速 因此我們可以設計最佳效率的熱交換器氣流, 使熱交換器達到最佳化的設計, 然後利用導流的方式, 使離開熱交換器的氣流向前推送到整個冷凍庫的上方 巧妙利用空間的變化使得流速較大的氣流蓄積於冷凍庫上方, 當空間變大時, 空氣流速降低, 使冷空氣緩 下降, 同樣達到庫內氣流速度低的效果, 可以大幅降低物品減重的機率 而且在操作上也不需要以人工進行除霜作業, 簡化系統運轉, 可以有效降低人事費用的支出 圖 4.19 低失重的強制對流蒸發器設計模式 4-18

94 導風罩對氣流的影響 在商業系統中, 蒸發機組為冷凍庫內產生氣流的主要動力來源, 如果蒸發機組無法提供庫內冷氣流均勻分配時, 將形成短 環, 降低蒸發器能力, 並造成庫內溫度分佈不平均的現象, 容易造成儲存物腐壞與能源浪費 為克服此一問題, 因此就有具整流導風 的蒸發機組問世 為什麼加裝整流導風 就能獲得較好的庫內氣流分佈呢? 我們可以由圖 4.20 來說明這個原因 由圖 4.20 來看, 當未裝置整流 前, 通過蒸發機組風扇的氣流很快地形成旋渦方式進行, 形成紊流 而一但紊流形成後, 氣體分子大部份能量都消耗在渦形運動上, 所以無法再向前運動, 使氣流揚程縮短, 在中途便開始下降, 無法將冷氣流送向冷凍庫的另一端 如果在蒸發機組上加裝一整流導風, 使通過的氣流經由導風 的整流作用後, 將原本渦形運動的氣體分子整流成直線運動, 雖然整流後會稍微損失一點能量 風量稍減, 但可確保整流後氣體分子的能量用來作直線運動, 不會浪費能量於渦形運動上, 因此氣流的揚程拉長, 未裝設整總導風罩之蒸發機組 冷空氣總很快形成紊總, 使氣總揚程變短 裝設整總導風罩之蒸發機組 冷空氣總經整總後, 形成層總, 使氣總揚程變長 圖 4.20 有效地將冷氣流傳向更遠的地方 故整流導風 型的蒸發機組能有效地使冷凍 庫內的冷氣流均勻分佈 表 4.5 為一加裝整流 與未裝整流 的實驗資料 表 4.5 加裝整流 與未裝整流 之風速比較 揚程 m 未裝整流 之風速, m/sec 加裝整流 之風速, m/sec

95 由上表可以明顯看出加裝整流 後, 揚程明顯增加 但由於導風 間隔較 小, 在低溫使用時, 要選擇 TD 為 6 內, 以避免導風 被霜堵死, 這是使用導 風 型蒸發器要注意的地方 蒸發器安裝的影響 安裝蒸發器時, 應遵照製造廠所要求的安裝條件安裝, 且要避免氣流通道受阻, 以及氣流形成短路 環 即出風立刻又被吸回蒸發器, 造成蒸發器性能的下降 圖 4.21 氣流通道受阻形成氣流短路 如果蒸發器回風側接近冷凍庫門, 容易因外氣被直接吸入至蒸發器, 造成 蒸發器的負載增大, 同時結霜機會大為提高, 降低蒸發器的效果 圖 4.22 庫門開啟時, 大量外氣被吸入, 造成蒸發器結霜 4-20

96 焊料的影響 一般而言蒸發器使用在低溫的場所, 但由於有除霜的過程, 因此為預防管排因熱脹冷縮產生焊接處龜裂的情形, 所使用銀焊中含銀百分比較使用於冷凝器的焊料高, 以獲得較好的延展性 因此使用於越低溫的蒸發器其焊料中含銀百分比要更高 如果冷凍庫中含有魚類或其它易產生酸性物質的物品, 酸性氣體容易與焊料中的磷發生反應, 造成腐蝕情形, 在這種冷凍庫中所使用的蒸發器也須採用含銀成份較高的焊料, 以防止焊接點因腐蝕而洩漏冷媒 因此如要在上述場所使用時, 應要求蒸發器製造廠以含銀量較高 含銀 10%~35% 的焊料製造蒸發器 蒸發器風扇馬達的要求 氣冷式蒸發器所使用的風扇馬達應注意防凍 防水 絕緣 扇葉角度匹配的馬力數 在良好的蒸發器製造廠, 其所使用的扇葉與馬達是專為蒸發器而設計, 這些馬達必須通過各項測試後才能使用於蒸發器上 圖 4.23 所示, 為一般排風扇與蒸發器專用軸流扇的性能比較曲線圖, 當排風扇的靜壓值上升時, 其風量便急速下降 蒸發器中因有管排存在, 故所使用的風扇需要有較高的靜壓值, 所以蒸發器的風扇, 以在高靜壓下風量仍有相當表現的軸流扇為主 早期台灣冷凍工程技術較不發達, 一般都將排風機用的風扇馬達直接使用於蒸發器中, 由於使用環境不同, 往往風扇的馬力數大, 但卻達不到所需要的風量 靜 壓 值 蒸發器專用軸總扇 一般排風扇 風量 圖

97 表 4.6 即為在相同的管排下, 排風扇與蒸發器專用風扇的風量與馬力比較 表, 由表上可發現排風扇雖較專用風扇多大約一成的風量, 但是馬達所需的馬 力數卻足足大了一倍, 相當浪費能源 且排風扇並不是在其最有效率的條件下 工作, 因此部份能量變成馬達的發熱, 造成冷凍庫內的熱負載, 降低了冷凍能 力 表 4.6 排風扇 蒸發器專用風扇 風量 cmm 馬達馬力數 HP 1/2 2 1/4 2 使用管排 5/8",4 排,12 支,5.5',5FPI 另外許多使用者往往有錯誤的觀念, 認為蒸發器的風扇馬力數越大越好, 孰不知當風扇的馬力大於所需要馬力數時, 這些風扇馬達的發熱量也變成冷凍庫內熱負載, 加重系統的負擔 參見 7.6/8.2.4 節 其實通過蒸發器的風量增加到一個值之後, 能力與風量對應圖便成幾近平滑緩 上升的線圖 也就是說對於此一蒸發器投入再多的風量, 也無法將能力大幅提升 因此如果屬於急速凍結的用途時, 蒸發器的 環風量與通過凍結物的風量最好分開設計, 以獲得最佳的風車匹配 如果硬要將 環風量全由蒸發器的風車負擔, 往往徒增冷凍庫內的熱負載而無法達到有效率的風量設計 由於地球資源的消耗, 節能已成為設備開發商所 對的重要議題 但是如果節能並未進行整體性的考量時, 往往耗費許多的金額但無法達到所需要的節能水準 以下為一般展示櫃 reach-in 的蒸發器所進行的節能開發研究 一般在 reach-in 的蒸發器大多採用 8 蔽極式風車, 而目前有廠商針對此一風車開發出直流無刷馬達風車 下表即為在同一蒸發器下相對應的耗電與風量比較表 : 表 4.7 DC 直流無刷風車與蔽極式風車之耗電與風量 風車類別 風量 cmm 耗電 W 每 W 所能獲得的風量 cmm 蔽極式風車 DC 直流無刷風車 * 相同蒸發器, 使用兩支 8 風車 4-22

98 由表 4.7 來看, 直流風車遠較蔽極式風車節省能源, 每瓦耗電所獲得的風量 為蔽極式風車的近四倍 但由於 DC 直流無刷風車的售價遠較蔽極式風車為高, 因此雖然較為節能, 對於售價低廉的展示櫃而言接受度不高 但如果以整體的系統進行考量, 重新設計風扇與箱體, 利用電容起動式馬 達較經濟的優勢, 獲得以下的資料 : 表 4.8 電容起動式風車 風車類別 風量 cmm 耗電 W 每 W 所能獲得的風量 cmm 電容起動式風車 * 相同蒸發器, 改變箱體結構, 使用 1 支 9 風車 雖然不若 DC 直流無刷馬達的節能, 但每瓦所獲得的風量已接近蔽極式風車的 2 倍 而價格上接近蔽極式風車, 遠較 DC 直流無刷風車來得低廉 因此節能設計不光只是單一組件的性能提升, 如果加上整體的設計將可獲得最有經濟效益的提升 結霜不均勻的原因 蒸發器有時候會發生管排結霜不均勻的現象, 除了焊接時不慎堵死或分佈頭角度不良分配不均的因素外, 另有很多原因導致此一現象 一般人往往只怪 於蒸發器的分佈頭使冷媒分佈不平均, 其實有時候並不全然是分佈頭的問題 如果平常使用並無發生結霜不均的問題, 而是在系統維修後重新充填冷媒才發生的話, 可能是維修後系統中殘留的水份在分佈頭處結冰, 使部份分佈頭阻塞, 造成冷媒分佈不平 均 發生此現象時, 可將分佈頭處加熱使冰融化, 利用系統的乾燥器將水份除去就可解決問題 而在停機無泵集動作的冷凍系統中, 壓縮機停機後, 由於冷媒的均壓作用及蒸發器溫度較低, 冷媒將流入蒸發器中, 由於重 蒸發器 停機時液冷媒聚集區至壓縮機圖 4.24 因停機冷媒聚集造成蒸發器結霜不平均 4-23

99 力的關係, 冷媒液停留於蒸發器底部的管排, 因此當壓縮機起動後, 這些液冷 媒優先蒸發, 造成蒸發器底部管排結霜嚴重 庫板 還有一種情形就是蒸發器吸氣 離庫板過近, 造成進入蒸發器的氣流多集 死角 因蒸發器離庫板過近, 導致氣總不平均, 而使蒸發器下層結霜較多 圖 4.25 中於蒸發器底部, 故霜大多集中於 此處 此種情形在剛運轉時, 下層 迴路因熱交換量大, 過熱度高, 一 但堵霜後又造成過熱度小, 造成系 統不穩定 因此安裝蒸發器時, 應 遵守蒸發器製造商所規定的距離 一般至少為風扇葉徑的長度 如果冷凍庫門開關次數頻繁, 造成外氣進入量大, 那麼蒸發器的結霜情形就會更嚴重, 如果除霜次數不夠或除霜終了溫度感應器的位置不適當, 霜便無法完全除盡, 部份的霜就會停留於蒸發器上, 如此霜將一直累積, 形成蒸發器局部結霜過厚 如要解決此一問題, 最好能減少開門次數, 並將除霜次數增加, 改變除霜終了溫度感應器的位置 ; 或是增加前室, 將進入的空氣事先除濕, 以降低著霜的機會 低溫系統安裝蒸發器時, 排水管上如果未做 U 形集水環或集水環高度不夠, 當蒸發器運轉後, 很容易因庫內的低溫以及風扇產生的壓差, 造成庫內外壓力不同, 使外界的熱空氣被倒吸回蒸發器內, 這也會使排水口附近與蒸發器不正常的結霜, 同時也會造成冷凍庫內的污染, 及排水口被結霜堵死 U 形集水環 排水管 圖 4.26 排水管 U 形集水環 4-24

100 蒸發器管路的損壞 在低溫的冷凍系統中要特別注意安裝與維修的動作, 避免異物或水進入系統的管路中 如果有異物或水份造成管路瞬間堵塞時, 形成其高流速的活塞應力現象, 很容易造成蒸發器管排發生壓縮或脹裂的受損現象. 蒸發器未來的發展方向 目前蒸發器正朝小管徑化 配合較大之鰭片 積與研發更高效率的除霜裝置發展 並採用內螺紋管來增加其熱傳 積, 更精確合理的壓降與迴路設計, 以縮小蒸發器尺寸與獲得較好的熱傳效率, 藉以增加冷凍庫內之有效容積 小管徑化後的蒸發器可降低冷媒充填量, 節約冷媒使用成本, 並防止壓縮機液壓縮現象 參見 2.6 節 由於蒸發器會經歷除霜的高溫過程, 因此小管徑化將更能抗拒因熱脹冷縮變化產生的銅管龜裂現象, 提高產品的可靠度 接觸 積 大管內容積蒸發器 優點 : 後段氣態冷媒的阻抗較小 缺點 : 前段液冷媒與銅管接觸 積小, 熱傳效果較差 接觸 積 小管內容積蒸發器 缺點 : 後段氣態冷媒的阻抗較大 優點 : 前段液冷媒與銅管接觸 積大, 熱傳效果較佳 圖 4.27 在蒸發器中, 冷媒的體積由小變大, 如果配合蒸發器後段的體積變化, 採用較大的管內容積製造蒸發器, 往往易造成前段兩相區的液體冷媒與銅管的接觸 積縮小, 降低熱傳效果 ; 但如考慮提高前段冷媒與銅管的接觸 積提高, 而採用較小的管內容積製造蒸發器, 又會造成後段氣態冷媒的壓降過大 因此蒸發器廠商也積極開發管內容積由小變大的蒸發器, 在增加熱傳效果與降低壓降間尋求一個平衡點 歐美等國家也正研究橢圓銅管在蒸發器上使用 4-25

101 的可行性, 來試圖解決此一蒸發器的兩難問題 研究重點是利用銅管的扁平化, 加大管內液冷媒與銅管的接觸 積, 提高熱傳效果, 並縮小蒸發器的體積, 使冷凍庫內的可用容積提高 由於乾式蒸發器的後段區全為氣體, 流速快, 因此管路的壓降大 壓力的損失將造成溫度的提升, 不但減少了蒸發器的部份性能, 同時也增加了壓縮機的負擔 如果在蒸發器後段的氣相區適當地放大管內容積, 將有助於減小整個蒸發器的壓力損失, 提高系統效益 小管內容積入 大管內容積出 管內容積變化的蒸發器? 扁平式銅管的蒸發器? 圖 4.28 如何開發熱傳效果佳 壓降小 小型化的蒸發器? 以目前的加工方式, 在製造上對於橢圓管蒸發器的開發較為困難, 所涉及模具開發與材料製造的問題較為廣泛 以目前的加工方式及材料的取得, 開發管徑由小變大的高效率蒸發器是短期內較易達成的目標 在除霜方, 對於小型的商業系統而言, 電熱除霜為最便利的一種除霜方式, 目前在市 上已有內置式電熱除霜方法, 有效縮短除霜時間, 並降低庫溫的上升, 提高省能效果 風扇馬達是氣冷式蒸發器的心臟, 早期的蒸發器通常直接將排風機風扇馬達套用於蒸發器上, 造成能源損耗與故障機率的提高 對於冷凍庫內的低溫環境, 專業製造商不斷開發新式高效率 故障率低的風扇馬達, 節約系統耗電, 有效提高蒸發器的效能 在一片節約資源的聲浪中, 如何開發更高效率 更省能源 使用材料最少的蒸發器, 是各熱交換器製造廠所追求的目標 近年來由於資源的過度開發, 各種材料來源取得日益困難, 因此未來的蒸發器所使用材料會越少, 而效率與能力會越高 過去以蒸發器管長來決定能力的時代已經結束了, 未來的蒸發器管長與體積會比以往的機型更為短小, 而能力與效率卻大為提高, 對於使用者 4-26

102 而言, 應開始學習研讀廠商所提供的型錄資料, 以能力來選擇所需要的蒸發 器, 而非以蒸發器管長作為考量的依據 4-27

103 蒸發器的 T.D. 與冰冰冰冰有冰冰關可? 4-28

104 第五章膨脹閥與相關控制元件 第二至四章所介紹的是冷凍 環主要的基本元件, 本章將介紹控制冷媒流量的膨脹閥與其他的控制元件 維持一個冷凍系統於平穩運轉狀態, 不僅只是需要基本主件而已, 還需要一些相關控制元件輔助才能達到平衡運轉 在本章中將介紹許多冷凍系統中常用的元件 至於想要更深入了解各元件的 細原理與選用限制, 請向各控制元件經銷商索取相關技術資料 KVP B KP 61 KP 15 TE + 5 KVL NRD D EVR NVR A HT KP 61 MP KVR EVR TE -20 TM C E SGI BM DX BM 圖 5.0 冷凍系統 圖 5.0 為一商業冷凍系統, 冷凍庫設定溫度為 -20, 冷藏庫為 +5, 整個冷凍 環為 : 壓縮機 C 加壓過的冷媒, 進入冷凝器 D 冷凝後, 流入儲液器 E, 再 別經過膨脹閥 TE, 進入凍結庫之蒸發器 A 與冷藏庫之蒸發器 B, 低溫低壓的冷媒蒸氣再回到壓縮機 C 加壓 各部元件名稱與相關說明的章節如下 : A: 凍結庫之蒸發器 第四章 B: 冷藏庫之蒸發器 第四章 C: 壓縮機 第二章 D: 冷凝器 第三章 5-1

105 液管部份 TE: 感溫式膨脹閥 5.1 BM: 手動關斷閥 5.3 EVR: 電磁閥 5.5 E: 高壓儲液器 5.7 DX: 過濾乾燥器 5.2 SGI: 視窗 5.4 KVR: 冷凝壓力調整閥 5.6 凍結庫氣管部份 NRV: 止逆閥 5.8 冷藏庫部份 KVP: 蒸發壓力調整閥 5.9 KP61: 溫度控制器 5.10 凍結庫蒸發器部份 HT: 電熱除霜加熱器 第四章 TM: 定時器 5.11 壓縮機部份 KP15: 高低壓力控制器 5.13 MP: 油壓保護開關 5.14 高壓氣管部份 NRD: 差壓閥 5.15 低壓氣管部份 KVL: 曲軸箱壓力調整閥 5.17 本章將就圖 5.0 來說明一般常用控制元件的功能 5-2

106 . 膨脹閥 液管部份 壓力 P 絕熱膨脹 4 1 降 壓 感溫棒 比焓值 h(kcal/kg,kj/kg) 感溫式膨脹閥 膨脹閥在冷凍系統中的任務是將高溫高壓的冷媒降壓為低溫低壓的冷媒 除此功能外, 還具有調節冷媒流量, 使系統在負載變化時能發揮最大的效果, 並在系統停機時可限制高低壓的逆流 膨脹閥依其動作原理與構造可 為 : 1. 膨脹閥 2. 感溫式膨脹閥 3. 溫度式電子閥 4. 低壓端浮球控制閥 5. 高壓端浮球控制閥 6. 毛細管 孔口或限流管 這些型式的膨脹閥 細資料可由相關書籍獲得, 在此僅就一般商業冷凍上 常用的感溫式膨脹閥作一介紹.. 感溫式膨脹閥動作原理 如果蒸發器容易有壓降產生 如具有 佈頭的蒸發器, 將使蒸發器出口壓力下降, 造成出口處的過熱度上升, 導致感溫棒過熱太多, 產生對冷媒流量的控制失誤 因此為避免此一誤動作的情形發生, 多由蒸發器出口處拉一均壓管至膨脹閥, 形成外均壓方式, 克服壓降的干擾因素 圖 5.1 為具均壓管之感溫式膨脹閥基本構造圖 : 5-3

107 均壓管 膜片 P B 軸封平衡室 感溫棒 蒸發器 P O P S 由冷凝器來之液冷媒推桿彈簧 至壓縮機吸氣端 彈簧壓力調整螺絲 圖 5.1 具均壓管之感溫式膨脹閥基本構造圖 如果假設感溫棒內之壓力為 P B 蒸發器內之壓力為 P O 均壓管所傳來之壓力 彈簧壓力為 P S 當冷凍庫內的負載大於蒸發器的冷凍能力時, 蒸發器出口處的冷媒溫度會上升許多, 而感溫棒被這些冷媒加熱後, 使得 P B 變大, 當 P B >P O +P S 時, 將迫使位於液冷媒流入口的三角錐向下移開, 使較多液冷媒進入蒸發器中, 進行造冷工作 當液冷媒流量增加, 使蒸發器能力與冷凍庫內的負載達成平衡時, 蒸發器出口處的冷媒溫度下降, 因此感溫棒內的壓力 P B 變小, 當 P B =P O +P S 時, 三角錐維持不動, 維持相同液冷媒流量 如果冷凍庫的負載減少至低於蒸發器冷凍能力時, 蒸發器出口處的冷媒溫度將降得更低, 使得感溫棒內的壓力 P B 變得更小, 當 P B <P O +P S 時, 三角錐被向上推, 減少流入蒸發器的液冷媒 因此當設定過熱度以後, 膨脹閥將隨著負載變動來調整進入蒸發器的液冷媒流量, 以維持系統穩定平衡運轉.. 選用與使用膨脹閥的注意事項 表 5.1~5.3 為膨脹閥製造商所提供的膨脹閥規格表 其中包含了以下資料 : 1 型號 使用的溫域範圍與耐壓程度 2 使用冷媒種類 3 蒸發溫度 4 壓差 5 芯子 閥蕊 孔口 型號 6 冷凍能力 7 進出口管徑 5-4

108 表 5.1 膨脹閥規格表 -- 主要說明 表 5.1 為主要規格說明, 提供膨脹閥的最高與最低耐溫與耐壓 同時並說明了 系列在不同冷媒的 MOP( 最大操作壓力 ) 值 最大操作壓力是指當蒸發壓力超過此值後, 膨脹閥的開度不會再加大, 將冷媒流量限制, 以避免降溫過程時高蒸發溫度區段過多的冷媒流量導致壓縮機過載 在表 5.1 中亦提到過熱度的定義, 過熱度包含靜態過熱度 (Static superheat) 與開口過熱度 (Opening superheat) 靜態過熱度為到達膨脹閥彈簧所設定的壓力點時閥開始開啟的溫度點即為靜態過熱度, 此靜態過熱度可以利用膨脹閥的設定軸來進行調整 ; 開口過熱度為閥開始開啟到達到閥的額定能力的過熱度, 此過熱度會隨著負載而改變, 無法以手動方式設定 而蒸發器出口所量到的過熱度即為此兩個過熱度的總和, 即所為的總過熱度或稱為運轉過熱度 (Operating superheat) 過熱度與膨脹閥控制能力關係如圖 5.1a 能力 最大能力 額定能力 SS 總過熱度 OS 過熱度 K 能力裕度 圖 5.1a 過熱度與膨脹閥控制能力關係 5-5

109 表 5.2 膨脹閥規格表 -- 訂購說明 表 5.2 為訂購說明, 在此表中提供膨脹閥各部件的訂購編號與出入管的接管尺寸 請注意此表中的額定能力為特定的條件下所獲得的值, 並不一定是使用者設計當下的條件點, 因此要選取正確的膨脹閥能力應由表 5.3 來獲得 5-6

110 表5.3 膨脹閥規格表--能力值 選用膨脹閥時 首先要確定所使用的冷媒 接著確認設計的蒸發壓力 度 冷凝壓力以及所需要的冷凍能力 然後計算配管的管路壓降 壓力 管路壓降 蒸發壓力 由 獲得跨閥壓降 由型錄上找到合用的膨脹閥 5-7 溫 冷凝

111 例 : 使用 R404A, 冷凝溫度為 48, 蒸發溫度為 -30, 需要 10kW 的冷凍能力 由冷凝器出口到膨脹閥前的壓損經計算後為 0.8bar, 膨脹閥前的過冷度為 4 4K 膨脹閥選用程序 : 冷凝壓力 =22.1 bar 蒸發壓力 =2.103 bar 則跨閥壓降 = 冷凝壓力 - 管路壓降 - 蒸發壓力 = =19.19 bar 在表 5.3 上我們可以發現最大表列值僅到 16bar, 此時可以利用外差的方式獲得蒸發溫度在 -30 的能力表列 : 型號 芯號 p=14 bar p=16 bar p=19.19 bar TES 5-2, TES TES TES TES 需求能力 10kW, 故選取 TES 號芯的膨脹閥 請特別注意, 上表示在閥前過冷卻度為 4 4K 的情形下選擇, 如果過冷卻度為 20 20K, 則選擇方式如下 : 修正能力 =10/1.28=7.81kW 然後依此能力於能力表中選取, 則可以選擇 TES 號芯 受於紙本資料篇幅的限制, 目前各大膨脹閥製造商皆開發出電腦選機軟體, 以因應各種操作條件的需求 如上例所述, 能力表中僅提供水冷式冷凝系統的壓降值, 一但使用氣冷條件時, 跨閥壓降已超過表列範圍, 必須要很辛苦的進外插才能獲得能力表, 但外插會有風險性, 如果閥能力並非線性變化, 可能得到的值與實際性能不同 理論上相同蒸發溫度與過冷卻度下, 跨閥壓降越大能力越大, 但以表 5.3 系列膨脹閥在 R404A/R507 使用來看, 此膨脹閥隨著壓差的增加能力提高, 到達壓差為 14 bar 時能力值最大, 但 16 bar 時開始下降, 能力變化非線性, 所以使用外插可能與實際值外插可能與實際值不同 因此建議使用製造商所開發的軟體以節省選機時間與獲得正確的能力資料 另外必須要注意的是每一個廠商所定義的芯號孔口大小不同, 因此必須要 以 廠所提供需求狀態點下的能力為主 5-8

112 選取膨脹閥時必須注意, 每一種膨脹閥都有其最高操作溫度, 表示如果蒸 發溫度高於此溫度後, 感溫棒便無法再產生推力使膨脹閥作用, 故選用膨脹閥 時要注意系統的蒸發溫度與選用膨脹閥最高操作溫度的搭配 如果蒸發器的管路壓降過大, 而影響到膨脹閥的動作時, 應選用外部均壓型膨脹閥, 利用均壓管來平衡壓力, 以消除壓降對膨脹閥的影響 如使用分佈頭的蒸發器, 也都要選擇外部均壓型的膨脹閥 在蒸發器使用分佈頭時, 由於分佈頭前後存在一壓降, 因此使用分佈頭的蒸發器一定要選擇外部均壓型膨脹閥, 避免因壓降造成膨脹閥的誤動作 冷媒通過膨脹閥後為兩相狀態, 如果到蒸發器的分佈頭的管路過長很容易因壓損導致冷媒分配不均 最理想狀態是膨脹閥的出口直接接分佈頭, 如實際狀況無法允許時, 儘可能縮短此段距離, 最好不要超過 610mm(24 ) 要注意在這段配管時應極力避免會造成液氣分離或是有極大壓損產生的配管方式 一般膨脹閥在出廠前都已經調整好過熱度, 如果要設定重新過熱度時, 請 依照製造廠家所提供的操作說明書調整, 並注意調整與反應所需要的時間 採用外部均壓的膨脹閥, 其均壓管應連接於感溫棒放置處之後 ( 膨脹閥本 體 蒸發器 感溫棒 均壓管 ), 以免管內冷媒低溫影響感溫棒的訊號 感溫棒安放的位置以管路溫度穩定者為佳, 如 U 型集油環 ( 回油彎 ) 之前 的水平部, 其安置例如圖 5.2 關於膨脹閥正確的安裝方式, 請參照各膨脹閥之 安裝說明 1/2 ~5/ mm 3/4 ~7/ mm 1 ~11/ mm 圖 5.2 感溫棒的安裝方式 5-9

113 感溫棒與冷媒管應保持良好的接觸, 應緊壓固定於冷媒管上, 因為感溫棒與冷媒管皆為圓管狀, 因此接觸時呈現線接觸, 一但 接觸好, 很容易造成溫度感應不良的情形, 最好是能將感溫棒與冷媒管間以高熱傳的材質銜接, 使原來的線接觸變成為 接觸, 使得溫度感應更為精準 安裝時亦要特別注意, 膨脹閥的摺箱部不可曝露於冷風吹拂中, 也就是要保持摺箱溫度高於感溫棒才可以, 否則將造成感溫式膨脹閥誤動作 若有其它外界熱源 或冷源 會影響到感溫棒時, 應將感溫棒作適當保溫處理, 以確保感溫棒感測到正確溫度 感溫棒主要是用以偵測蒸發器出口的過熱度, 進而依據冷凍負載的變化來調節冷媒進入蒸發器的量, 能使系統滿足負載要求同時確保壓縮機不致發生一壓縮的情形 因此過熱度如調整不良, 輕者無法達到系統設計能力, 重者將導致壓縮機損壞 過熱度的確認必須要量取感溫棒位置的溫度, 以及蒸發器的蒸發溫度, 由此兩點的溫度差來確認所調整的過熱度, 當讀取溫度時必須要等到前次調整達到穩定狀態時, 所量得的過熱度才是系統實際的過熱度 許多人在調整過熱度時, 會因為吸氣管或壓縮機殼結冰就認為已經有液態冷媒流入了, 遽下過熱度可能調太小了或是已經達到調整的最大值而誤判蒸發器能力過小的結論 其實當在冷凍系統運轉時, 如蒸發溫度為 -35, 過熱度為 8 時, 吸氣管與進入到壓縮機的氣態冷媒溫度為 -27, 吸氣管與壓縮機入口不斷的接受到低溫的冷媒蒸氣通過, 如再加上當時的外氣溼度變大即很容易形成霜層包 於外壁上, 時間一久極可能形成包冰狀態 因此確認調整的過熱度一定要使用溫度量測工具來讀取過熱度, 千萬不可以光憑管壁或機殼的結冰情形來判斷過熱度.. 膨脹閥功能不佳的原因 在冷凍系統中, 經常使用感溫式膨脹閥來控制進入蒸發器的冷媒流量 如同前 所介紹的, 感溫式膨脹閥, 是藉由放置於蒸發器出口端的感溫胞, 感測蒸發器出口的溫度變化, 利用此一溫度變化產生壓力差, 來控制閥口的開度, 使冷媒流量能因蒸發器負載的變化而適時調整 如果膨脹閥沒有使用感溫胞, 就如同控制裝置沒有裝設回饋系統, 無法由 蒸發器 端的結果來控制閥口開度, 有可能冷媒量釋放過多, 造成低壓側壓力 5-10

114 上升過高致使壓縮機馬達受損 當然在實際使用熱力式膨脹閥是不會發生這種情形, 通常熱力式膨脹閥 為具有最大操作壓力 M.O.P. 與不具最大操作壓力 M.O.P. 兩種形式, 具有最大操作壓力膨脹閥是在設定的壓力點進行限流, 避免低壓的升高導致壓縮機的損毀 ; 雖然說不具最大操作壓力的膨脹閥並 標示其最大設定壓力, 一般而言, 冷凍用的膨脹閥的最大壓力操作點是在 + 10 最常見的狀況是冷凍庫庫溫始終無法降到所要的溫度 很多工程師第一個懷疑是 : 蒸發器能力不足, 當確認蒸發器能力足夠後, 高壓側又無問題時, 第一個直覺反應便是膨脹閥出問題了, 可能是膨脹閥無法因應能力變化適當提供的冷媒流量, 所以無法將庫溫降到所需要的溫度, 所以經常就下一個診斷 : 膨脹閥故障了! 如果膨脹閥的選用都是依照著標準的程序選擇, 而且高低壓都是在合理的值時, 則膨脹閥很有可能發生故障問題 但是有許多種狀況是整個系統設計搭配問題所造成的, 以下就兩種常見的蒸發器搭配狀況進行檢討, 細的故障 析於本節後說明 蒸發器能力選擇過小如果蒸發器的能力選擇過小, 即使膨脹閥能正確工作, 由於蒸發器能力不足, 只要膨脹閥通過少許的冷媒流量, 蒸發器 端很快就達到所設定的過熱度, 於是將冷媒流量限制在小流量下, 因此無法將冷凍庫內的熱量有效帶走 如果將感溫胞取走或加溫, 使冷媒流量大增的話 假如此一膨脹閥是按標準能力選取, 由於蒸發器的能力不足, 我們可以發現蒸發器表 結滿霜, 但是蒸發器出口可能含有液態冷媒, 容易造成液壓縮的情形 蒸發器管路壓降過大如果蒸發器設計不良, 造成蒸發器的管路 端壓力降過大, 使得部 冷媒因受壓損的關係, 很快變成過熱蒸汽, 造成蒸發器過熱區段增加, 降低蒸發器的有效傳熱 積, 因此熱傳不佳, 庫溫無法下降 當發生此一現象時, 有人會將感溫胞拆下, 企圖使感溫胞反應錯誤的溫度資料, 看是否能使冷媒流量增加, 來彌補壓降所造成的能力損失 但就如我們前 所提到的, 為了保護壓縮機馬達, 膨脹閥會有最大操作壓力, 限制冷媒流量, 避免低壓過高 即使是 5-11

115 標明具有最大操作壓力的熱力式膨脹閥, 其最大操作壓力點亦在 +10 因 此, 如果系統壓力降過大, 超過其最大操作壓力點, 仍然不會有足夠的冷媒流 量來克服因壓力所造成的損失 在一般正確的膨脹閥選用程序, 必須先要知道 :1. 冷媒種類,2. 蒸發溫度, 3. 冷凍能力,4. 膨脹閥前後的壓力差等資料, 這些資料備齊後才能開始正確選用膨脹閥 當然, 第 1,2,3 資料較不容易弄錯, 第 4 壓力差就很容易產生問題 壓力差一般人會很直接的將冷凝壓力減去蒸發壓力就是膨脹閥前後的壓差, 但實際不然, 除了這兩個壓力相減外, 還必須要扣除管路的壓力損失才是真正的膨脹閥前後壓差值 這些管路損失包含了 :1. 液管壓降 包含水平管路與垂直管路,2. 高壓配件的壓降 乾燥器 視窗 手動關斷閥 彎頭 電磁閥等,3. 佈器損失 含 佈後的毛細管,4. 蒸發器管路損失,5. 吸氣管的管路損失等壓損 壓力損失雖然在紙上作業時, 可以概略的估算出來, 但是如果現場施工人員無法在配管時多加注意, 造成管路壓損過大時, 會造成選用的膨脹閥能力不足的情形, 如果不全盤檢討管路的損失情形, 即使更換膨脹閥恐怕仍會發生膨脹閥能力不足的情形 在許多可更換孔口 俗稱芯號 的膨脹閥, 更需要注意是否選用到正確的 芯號, 否則孔口不正確, 膨脹閥所表現出來的能力也無法如預期的效果 膨脹閥異常現象大概可以 為三種情形 : 冷媒供應量過多 冷媒供應量不 足與過熱度震盪 (hunting, 冷媒一下供應不足一下供應過多來回動作 ) 冷媒供應量過多當冷媒供應量過多發生時, 供給蒸發器的冷媒量超過可被蒸發的量, 從而導致在液體冷媒回到壓縮機 冷媒供應量過多的症狀包括壓縮機外殼結霜, 壓縮機噪音, 蒸發器過熱度低與正常或高於正常吸氣壓力 冷媒供應量過多發生的原因包括 : 壓縮機能力過小或效率低 : 如果壓縮機能力過小, 會發生蒸發壓力高於正常值但蒸發器出口的過熱度低 如果懷疑是這種情況, 請與壓縮機製造商確認壓縮機的能力是否符合需求 膨脹閥過熱度設定過低 : 調整膨脹閥的調節桿, 增加過熱度 5-12

116 水氣 : 系統真空抽除不良, 致使水 殘留而造成水 凍結在膨脹閥, 導致閥無法如預期般運作 如果懷疑是此種情形, 安裝液管乾燥過濾器 最好是裝有水 指示的過濾器, 以利技術人員監視系統內的水 含量 污垢或碎屑 : 有異物通過膨脹閥的入口過濾器卡在膨脹閥的三角錐與冷媒管端口, 妨礙膨脹閥正確地關閉 如果是這種情形應 於膨脹閥前安裝高品質的乾燥過濾器, 以防止灰塵和雜物流竄, 並導致系統故障 膨脹閥閥座洩漏 : 如果膨脹閥的三角錐與冷媒端口端口無法正確契合時, 冷媒將不受控制流過膨脹閥 檢查膨脹閥是否有污垢和碎屑, 如果有的話將膨脹閥清潔後重新安裝使用 如果檢查發現三角錐或端口有括傷或被侵蝕的情形, 應立刻將膨脹閥更換 膨脹閥選擇過大 : 如果膨脹閥選擇遠較負載需求量大甚多時, 亦將導致膨脹閥供應過多的冷媒量, 可能會造成壓縮機因液壓縮而損壞 不正確的感溫棒位置 : 在理想的情況下, 感溫棒的位置應接近蒸發器出口的水平位置且接近均壓管但必須在均壓管位置的上游 且感溫棒應 被牢固在吸氣管上, 與吸氣管維持良好的接觸 同時感溫棒不能被外部熱源所影響, 以避免其誤動作而供應過多冷媒量 請參考圖 5.1 與 5.2 冷媒供應量不足當冷媒量供應不足時, 在離蒸發器出口很遠的位置冷媒就會被完全蒸發 冷媒供應量不足的症狀包含無法達到需求的庫溫, 蒸發器出口過熱度過高與蒸發壓力過低 冷媒量供應不足的原因包括 : 水氣 : 系統真空抽除不良, 致使水 殘留而造成水 凍結在膨脹閥, 導致閥無法如預期般運作 如果懷疑是此種情形, 安裝液管乾燥過濾器 最好是裝有水 指示的過濾器, 以利技術人員監視系統內的水 含量 污垢或碎屑 : 有異物通過膨脹閥的入口過濾器卡在膨脹閥的三角錐與冷媒管端口, 妨礙膨脹閥正確地開啟 如果是這種情形應 於膨脹閥前安裝高品質的乾燥過濾器, 以防止灰塵和雜物流竄, 並導致系統故障 跨閥壓降不足 : 如果膨脹閥兩端的壓力差過小將導致膨脹閥能力下降而使的冷媒供應量不足 此情形通常會發生在環境氣溫過低且高壓並進行控制, 導致高壓隨著氣溫變化而浮動, 如發生此種情形建議安裝高壓控制裝 5-13

117 置以維持跨閥壓降的穩定 如果環境溫度或冷凝器較大使得高壓維持較原設計低時, 建議更換能力較大的膨脹閥 系統冷媒充填量不足 : 如果系統冷媒量充填不足時會造成過熱度過高, 吸氣壓力過低, 但系統無法提供足夠的冷凍能力 要確認此種情形最好在膨脹閥前的液管安裝視窗 視窗中如果有發現氣泡則很明顯是系統冷媒充填量過低 此外, 在膨脹閥的入口量測過冷卻度, 如果沒有過冷卻, 即表示可能冷媒充填量不足 ( 冷媒不足時冷凝的冷媒可能被陷在冷凝器的管路中, 通道沒有充滿液態冷媒, 導致氣態冷媒從未滿管的間隙流向膨脹閥, 使得膨脹閥入口處量不到過冷度 ) 膨脹閥入口有閃變冷媒蒸氣 : 在進入膨脹閥前的液管如果有任何阻礙 ( 或管路管徑有變化 ), 會導致壓降的產生, 一但壓降產生很容易發生閃變冷媒氣體 由於冷媒氣體的密度遠小於液體, 因此氣體體積佔去大部分的液體管導致冷媒流量下降, 造成膨脹閥冷媒供應量不足, 蒸發器出口過熱度提高 當閃變發生時, 由於氣體要向上流動, 與原管路的流動方向不同時, 導致冷媒流動不順暢會造成膨脹閥體的振動 可以利用下列的方式來找出液管上發生閃變的地方 : 1. 液管有結霜或潮濕的地方, 當發生閃變時, 液體突然變成氣體會由周圍吸收熱量而形成冷效果 一般液體管是溫暖的觸感, 當有局部的冷點發生就是明確顯示這個地方有閃變發生 2. 觀察液管視窗, 如果有源源不斷的氣泡通過則表示冷媒充填量不足或液管有冷媒蒸氣發生 3. 檢查過冷 如果冷凝器的出口可以量到過冷度, 但在蒸發器的入口量不到過冷度, 可以確定在某些地方已經因壓損而喪失過冷度 在某些情況下, 有可能因液管的尺寸選擇過小, 或是安裝的液管與吸氣管熱交換器功能喪失, 導致損失過冷卻度 均壓管堵塞 : 如果均壓管堵住, 會造成膨脹閥膜片下方的壓力高於實際的蒸發器壓力, 因此造成閥往閉合的方向移動, 導致冷媒供應量不足 遇此問題, 更換或修理均壓管 膨脹閥能力太小 : 確認膨脹閥的能力是否滿足系統需求, 如否請更換能力適合的膨脹閥 膨脹閥過熱度設定過大 : 調整膨脹閥的調節桿, 降低過熱度 5-14

118 感溫棒故障或洩漏 : 當感溫棒部 洩漏或完全失去充填氣體時, 則感溫棒無法產生足夠的壓力使閥口開啟 要確認此情形, 可以將感溫棒拆下握在手中並觀察系統轉情形 手的溫度應導致的感溫棒壓力增加, 而使得閥口開啟增加冷媒流量而使吸氣壓力的上升 注意如果沒有變化, 有可能膨脹閥的感溫棒已經洩漏 必須要更換膨脹閥 使用具有 M 最大操作壓力的膨脹閥但與使用的溫域不符合 : 當使用具有 MOP 的膨脹閥時, 這些膨脹閥必須要到達到設定壓力以下才會正常動作, 在這個壓力之前是膨脹閥會將冷媒流量限流住, 如果懷疑是這種情形, 請檢查膨脹閥的使用溫域與 MOP 點是否與使用設計條件一致 濾網堵塞 : 系統中污垢或碎屑可能會導致膨脹閥本體的濾網堵塞 遇此情形請卸下膨脹閥, 並清洗濾網, 同時加大液體乾燥過濾器的容量, 以防止 發 過熱度震盪震盪產生是因為膨脹閥發生不斷進行打開和關閉動作, 導致過熱度上下震盪 此現象有可能為系統的反應時間與膨脹閥反應不同而造成 通常膨脹閥的設計會因不同的時間常數對感溫棒充填進行調整, 以減少反應時間差的影響 但在其他的因素, 如負載突然增加或是在極低負載下操作也可能發生 震盪發生的原因包括 : 膨脹閥能力過大 : 如果膨脹閥遠較系統能力大時, 很容易發生閥口過大, 使開始時冷媒流量遠超過需求, 一但感溫棒偵測到過熱不足而縮小時, 又使冷媒流量無法應付負載, 而進行開啟, 如此不斷 環而造成震盪 如是此種情形, 請 細檢討負載與膨脹閥的選用, 更換一個能力合宜的膨脹閥 感溫棒的位置不良 : 確認感溫棒並 位於吸氣管 U 型集油彎的下游, 否則容易因 U 型集油彎一陣陣的回油導致感溫棒感應異常, 而造成膨脹閥不斷的開關 同時應將感溫棒進行適當的保溫, 以隔絕周圍空氣對其影響產生誤動作 冷媒的 佈 : 在有 佈頭或雙盤管單一膨脹閥控制的系統, 不同迴路的負載差異大並不少見, 此情形會造成部 迴路偶而冷媒量供應過多, 使液態冷媒到達感溫棒, 而迫使膨脹閥關閉直到過熱度達到設定才再開啟, 此種情形也會導致震盪情形發生, 最好的方法是消除 佈不良的情形 5-15

119 過熱溫度調整 : 膨脹閥在出廠時預設的過熱度, 在大多數系統上可以正常運行 然而, 有時出廠設置可能需要進行調整 在大多數情況下, 增加的過熱會減少震盪 水氣 : 系統真空抽除不良, 致使水 殘留而造成水 凍結在膨脹閥, 導致閥無法如預期般運作 由於水 的凍結與解凍影響膨脹閥的動作而造成過熱度的不穩定 建議使用高品質的液管乾燥過濾器, 以防止這種情形發生. 過濾乾燥器 X 過濾乾燥器安裝於液管上, 其功能為吸收冷媒液中的水份及酸性成份, 並過濾冷媒液中的雜質 如系統原本運轉正常, 但一段時間後卻發生低壓過低時, 請檢查此乾燥器是否失效堵塞或結冰 圖 5.3 過濾乾燥器. 手動關斷閥 又稱關斷凡而 B 為了維修上的需要, 通常在冷媒管路上都會加入手動關斷閥 如乾燥過濾器前後所裝的關斷閥, 當需要更換過慮器時, 即可將閥關斷, 進行過濾器更換 圖 5.4 手動關斷閥. 視窗 GI 通常安裝於液管上, 用來觀察冷媒流動的情形及判斷冷媒充填量是否足夠 有些產品上具有示色顯示裝置, 當冷媒含水量增加時, 即發生變色, 提醒使用者更換乾燥器 圖 5.5 視窗 5-16

120 . 電磁閥 V 在系統起動停止頻繁的場合, 會在進入 膨脹閥前的液管加裝一電磁閥, 以控制進入 蒸發器的冷媒流量維持系統穩定運轉 電磁 閥可 為兩種型式 : 常關型 Normal Close type, NC 與常開型 Normal Open type, NO 在冷凍系統中較常使用的是常關型, 即斷電時為斷路關閉狀態, 當通電激磁後即 圖 5.6 電磁閥 呈開路狀態 此一電磁閥通常由一溫度開關所控制, 如圖 5.0 中的 EVR 即由 KP61 溫度開關所控制 一般電磁閥製造商所提供的型錄通常將管徑與能力關係搭配好, 方便使用 者選用 當然除了管徑與能力外, 在還需要注意以下的事 : 1. 磁力線圈適用的電壓值 2. 通過電磁閥流體的種類及狀態 3. 不可光按管徑大小來選擇, 要注意適用的能力 如果選用的電磁閥過大, 易造成閥部及線圈燒毀 ; 若選用的電磁閥太小, 會有膨脹現象發生, 流口易因磨損而導致密合度的下降 4. 使用時電磁閥周圍的溫度不可高於 80, 以利線圈散熱 5. 電磁閥閥口前後最大工作壓差與最大工作壓力. 冷凝壓力調整閥 V 安裝於高壓液管上, 用來調整冷凝壓力, 使液管維持足夠的壓力輸送冷媒 在低溫系統經常使用此一裝置來調整冷凝壓力, 以防止外氣溫度與負載變化造成系統的不穩定 請參考 3.6 節 圖 5.7 冷凝壓力調整閥. 高壓儲液器 位於液管上, 用來收納負載變化的多餘冷媒, 提供系統運轉的穩定性 安裝時必須按製造商指示安裝, 以免因水平位置不對造成出口處無液冷媒流出 出口 入口 圖 5.8 高壓儲液器 5-17

121 凍結庫吸氣管部份. 逆止閥 V 冷凍系統中此一裝置的作用在限制冷媒 的流動方向, 使冷媒向單一方向運動 如圖 5.0, 其作用為防止壓縮機停止運轉期間冷媒 圖 5.9 逆止閥 回流至冰冷的凍結庫蒸發器中. 蒸發壓力調節閥 VP 冷藏庫部份 在不同操作溫度的多蒸發器系統, 以及 蒸發溫度必須嚴格維持在一定值的系統上, 蒸發器的出口處通常會裝置蒸發壓力調節 閥 此裝置將使蒸發器的壓力不致掉到預設 值以下 蒸發壓力調節閥的動作原理與曲軸 圖 5.10 蒸發壓力調節閥 箱壓力調整閥相, 所不同的是蒸發壓力調節閥調整閥進口處的壓力, 而曲軸箱壓力調整閥為調整出口處的壓力 蒸發壓力調節閥在出廠前即已設定妥當, 通常使用時不必要進行調整 但是有時候為配合蒸發器與壓縮機的能力必須要另行調整設定時, 應遵 以下的步驟進行調整, 否則若因調整不正確, 蒸發壓力調節閥將無法如預期般動作 蒸發壓力調節閥調整步驟 : 1. 在低壓錶接頭接上壓力錶 2. 應先將調節閥調整鈕 位於保護蓋內 右旋, 使壓力提高 3. 慢慢將調整調整鈕左旋, 注視壓力錶, 逐步將壓力調低至所要設定的壓力 4. 如果採用先調低壓力, 再將壓力調升到所需壓力的方式時, 由於進入蒸發器的冷媒蒸汽受膨脹閥的控制影響, 必須要有耐心, 每調整半圈, 等待 30 鐘後, 看正確的反應, 再繼續進行調整, 否則不易正確調整到所需要的設定值 蒸發壓力調節閥是利用限流原理來控制蒸發壓力, 基本上並不具有止閥的功能 曾有人在空庫的狀況下, 要確認 調節閥是否正常運作, 結果發現一天 5-18

122 後蒸發壓力卻無法維持設定值, 已經降到壓縮機的吸氣壓力, 很直覺的反應是否蒸發壓力控制器故障 但是當空庫時, 庫內無負載, 系統運轉很快達到設定值, 電磁閥關閉, 阻斷冷媒流通, 低壓側無冷媒進入, 而蒸發壓力調節閥僅只是一個限制裝置, 在這種狀況下當然低壓側壓力無法維持了. 溫度控制器 P 此一裝置通常用以控制冷凍庫內的溫 度, 當溫度上升時送出動作訊號, 而溫度下 降時送出停止訊號 圖 5.11 溫度控制器 凍結庫蒸發器部份. 定時器 用以設定蒸發器的電熱除霜時間 圖 5.12 定時器. 過冷卻熱交換器 此一裝置的作用是使蒸發器出口的冷媒蒸氣與進入蒸發器前的液冷媒做熱交換, 藉此提高液冷媒的過冷卻度, 並使蒸發器的過熱段移至此熱交換器中, 提高蒸發器的有效熱傳 積與能力 液冷媒出口 液冷媒入口 氣冷媒入口 圖 5.13 過冷卻熱交換器 氣冷媒出口 5-19

123 壓縮機部份. 低壓與高壓控制器 P 低壓控制器是由進氣壓力所驅動, 其作用是起停壓縮機達到容量控制與低壓限制的目的 標準低壓控制器在壓力上升時送出動作訊號, 當壓力下降時送出停止訊號 此一圖 5.14 高低壓力控制器控制器連接於低壓端的進氣口 高壓控制器是由壓縮機的排氣壓力所驅動, 其目的是當高壓側壓力過高時停止壓縮機的動作 標準高壓控制器在壓力下降時送出動作訊號, 當壓力上升時送出停止訊號 此控制器連接於高壓端的排氣口 另有高低壓控制器, 別連接於高壓與低壓端, 將高壓與低壓控制器安裝在同一個控制盒內. 油壓保護開關 P 本裝置通常用於具有油泵的大型壓縮機系統上 此裝置即在監測壓縮機內的冷凍油量是否足夠, 以避免壓縮機因缺乏冷凍油而導致壓縮機機件磨損 此保護開關的一端接於油泵的出口, 一端接於曲軸箱的油池內, 以監測壓縮機內的油壓是否足夠 當油壓不足時, 即停止壓縮機動作, 避免壓縮機損毀 圖 5.15 油壓保護開關 高壓氣管部份. 差壓閥 如圖 5.0 所示, 安裝於高壓氣管上, 用以 調整液管壓力, 使液管具有足夠推力將冷媒 推向膨脹閥 圖 5.16 差壓閥 5-20

124 . 油分離器 低溫系統中由於蒸發器溫度低, 冷凍油的黏滯性變大, 因此冷凍油進入蒸 發器後不易返回壓縮機中, 為防止此種情形的發生, 可裝設油 離器於壓縮機 排氣口, 將高壓冷媒蒸氣中的油 離液化再返回壓縮機 低壓氣管部份. 曲軸箱壓力調整閥 V 低溫冷凍系統中, 因吸氣壓力較低所以馬達的馬力需求較小, 當低溫的冷凍系統在開始將冷凍庫內溫度拉下時, 以及除霜結束後開始運轉時, 由於蒸發溫度較高, 蒸發壓力升高, 冷媒蒸氣密度變大, 很容易造成馬達的過載而導致燒毀 因此在低溫系統的壓圖 5.17 曲軸箱壓力調整閥縮機吸入口上裝有曲軸箱壓力調整閥, 限制壓縮機的進氣壓力, 以防止壓縮機過載 選用此調整閥時, 要注意適當篩選, 以避免通過此閥時產生過大壓降, 導致不可預測的系統性能下降 曲軸箱壓力調整閥與 5.9 節的蒸發壓力調節閥在外觀上十 類, 經常有人發生誤用的情形 此兩者調節閥最大的不同是在於低壓錶的接頭, 蒸發壓力調節閥具有低壓錶接頭, 而曲軸箱壓力調整閥則無 曲軸箱調整壓力時, 壓力觀察點是利用壓縮機本身的接頭來進行壓力觀察 ; 而蒸發壓力調節閥是要調節蒸發器的壓力, 因此安排在蒸發器出口端, 為方便讀取到最正確的蒸發壓力, 本身即具備有壓力錶的接頭 曲軸箱壓力調節閥連接口的尺寸也必須要注意配合冷媒蒸汽的流速, 如果冷媒蒸汽流速超過 40m/sec 時, 將導致噪音的產生 流速的估算可以由汽缸排氣量與連接管的截 積求出 5-21

125 . 液氣分離器 此裝置位於進入壓縮機前的吸氣管上, 其目的為防止蒸發器 完全蒸發的液態冷媒進入壓縮機中, 造成液壓縮的情形發生 入口 出口 回油口 圖 5.18 液氣 離器 其它附件. 高壓旁通閥 熱氣旁通閥 高壓旁通閥多用於需要調整壓縮機能力與避免吸氣壓力降得過低的場合 此旁通閥的動作原理與曲軸箱壓力調整閥相同, 皆是控制出口處的壓力 所不同的是, 高壓旁通閥要能耐壓縮機排氣的高溫 此閥進口處位於壓縮機的排氣口, 出口處位於蒸發器的入口. 冷凝壓力風扇馬達變速器 溫度感應式 此種裝置利用感溫棒讀取兩相區冷凝管上的溫度, 運算得出冷媒的溫度, 並與設定的冷凝溫度作比較, 繼而調整風扇轉速, 達到冷凝溫度 壓力 控制 變速器的感溫棒置於冷凝器中間的兩相區管壁上, 外 保溫層避免外界溫度干擾, 達到準確的冷凝壓力控制 此裝置能有效節省風扇馬達耗電量, 達到節約能源的效果 一般在重要的系統上, 還必須加裝壓力開關, 當壓力過高時, 溫度反應不及或變速器故障時, 能及時啟動風扇馬達, 以確保系統安全 此種系統利用溫度方式進行控制, 其優點為設定冷凝溫度控制點即可, 不需要考慮所使用的冷媒種類 且利用電子控制方式, 可以進行無段變速 但缺點是系統上溫度量測點的安排不易, 如果溫度遭受到干擾 溫度讀取不穩定或 5-22

126 量測點位置錯誤, 就很容易產生控制跳動或失效的情形 而電子控制器在高溼 高落塵量使用場所的穩定可靠度, 也決定系統的正常運作與否 電源 保險絲 馬達電源插座感溫棒插座 圖 5.19 冷凝壓力風扇馬達變速器. 冷凝壓力風扇馬達控制器 壓力感應式 此種裝置與 5.20 的溫度感應式最大的不同, 本身為一個冷凝壓力控制器, 接受系統冷凝壓力端傳過來的壓力訊號, 進行氣冷式風扇轉速調整, 而達到冷凝溫度 壓力 控制 由於此種控制器接受壓力的訊號動作, 故在安裝上較為簡單, 也不會因感溫棒安裝不當而發生干擾控制的問題 在台灣由於人口居住稠密, 屋外型散熱器的夜間噪音往往是冷凍系統經常遇到的問題, 冷凝壓力控制器也經常被用來解決這方 的問題 夜間氣溫下降, 氣冷式冷凝器的能力亦隨之變大, 故可利用此種特性, 搭配多段速度風扇與冷凝壓力風扇馬達控制器, 於夜間外氣溫度下降時, 利用維持冷凝壓力於定值的特性, 將冷凝器風扇轉速進行適當的降速, 以減少室外冷凝器風扇馬達的噪音, 確保夜間使用的寧靜 下表即為採取多段速度馬達與冷凝壓力風扇馬達變速器搭配所得到的運轉噪音效果 : 入 出壓力設定點 kg m 馬達轉速 噪音值 * R R R R V ± R M 9 9 Hz ± R M * 離機體 1.5m 單機量測值 此種控制方式與 5.20 比較, 由於直接讀取系統的冷凝壓力值, 較容易獲得穩定的量測 因為是直接感應系統壓力, 因此受到外界的干擾最少, 較能維持感應端的正確性 全部機械式操作, 穩定可靠度較高 5-23

127 但其缺點是使用壓力值作為控制, 因此不同冷媒有不同的冷凝壓力, 控制器 入 出壓力點必須隨之改變, 否則無法獲得正確的控制值 而在壓力值上下限的設定上亦必需要仔細選擇, 以避免壓力差區段過窄, 使風扇馬達不斷在 入與 出點跳動變化, 造成控制上的不穩定 無法進行無段調變也是本控制器的另一個缺點. 冷凝壓力控制制水閥 在水冷式的冷凝系統中, 為避免高低負載的能量差異導致冷凝壓力的變化, 利用此制水閥來控制冷卻水流量, 維持冷凝壓力的一定 此種水冷式冷凝器用的壓力式制水閥, 其原理是利用高壓側壓力來做控制, 當壓力升高, 水閥流口變大, 水流量增加, 帶走熱量的速度變快 ; 當壓力降低, 水閥流口變小, 水流量減少, 帶走熱量的速度變慢 藉此方式維持高壓側壓力於一定範圍內 接系統高壓側冷卻水入口冷卻水出口冷凝壓力調節鈕 圖 5.20 冷凝壓力控制制水閥 膨脹閥應如何選用? 有那些控制元件可用來控制冷凝壓力? 5-24

128 第六章冷凍系統搭配說明 高低溫壓縮機的選用 如果一個需要 6000kcal/hr 的冷凍 環, 使用 R-507 冷媒, 過冷度為 8.3, 進 入壓縮機的氣態冷媒溫度維持 35, 選用高溫專用壓縮機, 我們來看看不同蒸 發溫度與冷凝溫度時, 壓縮機軸所需之動力變化情形 參考圖 6.1 表 6.1 不同蒸發溫度與冷凝溫度時, 壓縮機軸所需之動力變化 蒸發溫度 冷凝溫度 高壓 psig 低壓 psig 壓縮機所需之動力 kw 由表 6.1 我們可以看出, 在相同能力下, 此壓縮機如果降低 1 的蒸發溫度, 冷凝溫度要降 2 左右 若要使用此壓縮機在蒸發溫度 -12, 仍要維持 6000kcal/hr 的冷凍能力, 已經無法使用氣冷式的冷凝器 如果堅持使用氣冷式冷凝器, 在冬天外氣溫度約為 22, 使用 T.D. 為 12 的冷凝器 冷凝溫度為 34 還是可以達到所需的冷凍能力, 但是一到夏天, 外氣溫度約為 34, 冷凝溫度便提高到 46, 這個系統的冷凍能力便下降到 5450kcal/hr 由壓縮機性能曲線圖查得 如果負載超過 5450kcal/hr, 那麼系統便處於過載的情形, 低壓側壓力過高, 壓縮機的進氣溫度提高, 排氣溫度也上升, 將導致壓縮機燒毀 這也就是為什麼有的系統在冬天能正常運轉, 夏天卻發生問題的原因之一 有些人以為冷凝器會選得大一些就沒有問題了, 但是在這個例子中卻是行不通的, 因為 38 的冷凝溫度已經超過了氣冷式冷凝器的應用限制了 我們再來看一看高溫專用壓縮機, 在不同蒸發溫度和冷凝溫度時, 其所能提供的能力變化情形 假設需要 -2 的冷凍庫庫溫, 表 6.2 即為其不同蒸發溫度和冷凝溫度下的能力對照表 : 6-1

129 冷媒 : R 進入壓縮機冷媒溫度 : 3 5 過冷卻度 : 8. 3 W C T C T C T C T C T 軸馬力 k c a l / h r 冷凍能力 C T C T C T C T C T 蒸發溫度 圖 6.1 高溫用壓縮機性 6-2

130 冷冷 :R-502 R-507 進進進進進冷冷溫度 :32.2 液冷冷進進液液液溫度 :32.2 W 軸馬力 54.4CT 47.0CT 43.3CT kcal/hr 冷凍能力 43.3CT 47.0CT 54.4CT 蒸發溫度 圖 6.2 低溫專用壓縮機性能圖 6-3

131 表 6.2 壓縮機性能表 編號冷凝溫度 蒸發溫度 壓縮機所能提供的冷凍能力 壓縮機的軸馬力 冷凍系統的成績係數 kcal/hr kw COP A B C D E F G H I 使用 R-507 冷媒, 過冷度為 8.3, 進入壓縮機的氣態冷媒溫度維持 35 由表 6.2 我們可以發現在同一冷凝溫度下, 蒸發溫度越高, 系統的冷凍能力越好, 其成績係數越佳 ; 而在相同的蒸發溫度下, 冷凝溫度越低, 系統的冷凍能力越好, 其成績係數越佳 對於壓縮機的軸馬力而言, 蒸發溫度越低, 冷凝溫度越低, 其所需馬力數越小 在固定的冷凝溫度時, 很多人會誤以為選擇較低蒸發溫度, 系統會越省電, 有較高的性能表現 其實這只答對了一半, 蒸發溫度降低, 進入壓縮機的冷媒氣體密度減小, 所以所需要的壓縮機馬力數也就減少, 但因冷媒的密度減小, 系統冷媒流量降低, 冷凍能力也就下降 因此評斷一個冷凍系統好壞不能以壓縮機軸馬力的大小做為標準, 應 以輸入軸馬力所能獲的冷凍能力來做為指標, 也就是系統的成績係數 COP 此值越高則表示輸入壓縮機馬力所能獲得的冷凍能力越高 上表中可以發現, 以同樣壓縮機而言,G 組系統組合會有最好的成績係數值 在 G 組中可以發現, 冷凝溫度與蒸發溫度的差最小, 也就是壓縮比最低, 此時壓縮機的壓縮效率最好, 故整體的冷凍性能最好 如選定此組系統, 則蒸發器應選用蒸發溫度 -8,T.D. 為 6, 能力 6500kcal/hr 的蒸發器 冷凝器應選 T.D. 為 12 以外氣 35 為基準, 能力至少為 9398kcal/hr 以上的冷凝器 現在我們再來看一常用的冷凍庫如果庫溫在 -18, 同樣使用高溫專用的壓縮機, 其系統的狀態點以及能力如何 表 6.3 為使用 R-507, 進入壓縮機的冷媒蒸氣溫度保持在 35, 液冷媒的過冷度為 5 情形下所獲得 在這個系統中, 蒸發器應選蒸發溫度 -23.5,T.D. 為 6-4

132 5.5, 能力為 2510kcal/hr; 而冷凝器應選 T.D. 為 12 外氣以 35 為設計條 件, 能力為 4445kcal/hr 冷凝溫度 冷凝壓力 psig 蒸發溫度 表 6.3 壓縮機能力表 蒸發壓力 psig 壓縮機所能提供的冷凍能力 kcal/hr 壓縮機的軸馬力 kw 冷凍系統的成績係數 COP 冷凝器 壓縮機 * 38.7 * -17 * 271psig 膨脹閥 * -18 蒸發器 過熱度量測點 22.4psig * 表示管內冷媒溫度, 如量管外溫度會有 2~3 的溫差 圖 ,2510 kcal/hr 冷凍庫狀態圖 如果想要由此系統獲得 2510kcal/hr 的冷凍能力, 當安裝完畢時, 試車調整一定要調整至上表所列的條件 如果系統在試車時, 要確定膨脹閥調的過熱度是否正確, 可由低壓表獲得壓力, 查出冷媒的飽和溫度, 再利用表 溫度計量蒸發器出口氣管的溫度, 此兩溫度的差值即為過熱度, 但要特別注意的一點, 表 溫度通常較冷媒管內的溫度高 2~3, 因此利用此方式求出的過熱度還要再減去 2~3 才是可能的過熱度 另外還要注意的一點, 所有的狀態點要同時量測, 如果不同時量測, 很容易因狀態點因時間變化產生改變造成誤判斷 在上 的例子中, 可以發現雖然軸馬力相當低, 但是系統的成績係數也很小, 再次應證了壓縮機耗電量少的系統並不一定是效率最好的系統 由以上兩個例子可發現同一個壓縮機因使用溫度不同, 其整個系統成績係數的差異就很大 在 -18 系統中如果使用壓縮機構相同, 馬達線圈不同之低溫專用壓縮機, 照前 相同的蒸發與冷凝溫度條件可獲得表 6.4 參考圖

133 冷凝溫度 冷凝壓力 psig 蒸發溫度 表 6.4 低溫壓縮機能力表 蒸發壓力 psig 壓縮機所能提供的冷凍能力 kcal/hr 壓縮機的軸馬力 kw 冷凍系統的成績係數 COP 由表 6.4 可以發現此一低溫專用壓縮機, 在同樣的蒸發與冷凝溫度條件可以獲得較高的冷凍能力, 同時其系統成績係數也較高溫專用壓縮機系統高 在這裏要提醒各位注意的一點 : 上述的設計是以入庫物品的品溫即為保存溫度, 不做為物品凍結的用途, 才採用低溫專用的壓縮機 如果是部份凍結與保溫混用的系統, 還是建議採用高溫專用壓縮機, 以免過多的未凍結物入庫, 造成負載突增, 致使壓縮機燒毀 在我們所舉的兩個高溫與低溫全密壓縮機, 其實它們的壓縮機構完全相同, 所不同的是馬達設計上的差異 由壓縮機性能圖可以發現, 高溫用壓縮機軸馬力較大, 低溫用壓縮機軸馬力較小 這是因為在高溫時, 冷媒的比體積小, 壓縮機需要較大的馬力來作功 ; 反之, 低溫時冷媒的比體積大, 壓縮機所需要的馬力較小 請參考 2.6 節 許多人試車時發現, 相同的空庫運轉下, 在蒸發溫度較高時, 使用高溫專用壓縮機其庫溫下降速度比低溫用的要來得快, 這是因為低溫專用壓縮機設計在較低的蒸發溫度使用, 故馬達的軸馬力設計較小, 在高蒸發溫度時, 冷媒比體積小, 對於此壓縮機馬達所造成的負載過大, 馬達因超載使其轉速降低, 將使冷媒的流量減少, 因此系統冷凍能力比使用高溫壓縮機的系統來得小, 庫溫下降速度當然比較慢 當溫度下降至低蒸發溫度時, 使用低溫專用壓縮機的冷凍庫溫下降速度反而較使用高溫壓縮機的系統來得快 這是因為高溫專用的壓縮機所使用的馬達馬力數大, 在低溫時馬達所輸入的功不完全用來做壓縮, 部份的能量轉變成熱存在於全密的壓縮機中, 低溫的冷媒蒸氣通過馬達線圈後被加熱, 體積膨脹, 減少了冷媒流入壓縮機構的量, 造成冷媒流量下降, 使冷凍能力減少, 因此庫溫下降速度反較使用低溫壓縮機的冷凍庫來得慢 這也正是為什麼高溫專用壓縮機, 使用於低蒸發溫度時其效率較差 因為所有輸入的能量有部份成了線圈的發熱 如前所提到的, 在凍結與低溫保溫混用的冷凍庫要選用高溫專用壓縮機, 就是避免當負載陡增時造成壓縮機馬達部份過載的危險, 此一設計的缺點是較 6-6

134 為耗電 如果在凍結與低溫保溫混合使用的場合時, 凍結情形僅佔很小的比例, 大部份的時間為低溫保溫使用, 高溫只是偶而發生的情形下, 也可以採用低溫壓縮機, 只要在壓縮機的低壓入口端裝上曲軸箱壓力調整閥 參考 5.17 節, 即可保護壓縮機並使系統達到省電的效果 冷凝器與蒸發器的選用 在一些系統設計上, 有些人會將冷凝器選得大些, 以因應外氣溫度變高, 冷凝器能力不足的情形發生, 但在這種設計考量時, 必須在系統上加裝冷凝壓力控制裝置, 以免當外氣溫度低, 造成高壓側壓力過低, 冷卻過度的液態冷媒因管路的壓降, 造成在進入膨脹閥前就有部份液冷媒先行膨脹氣化, 造成系統能力下降 如決定好一個系統 環以後, 當所選的蒸發器能力太大 或負載超過原設計值 時, 將使蒸發器出口的冷媒蒸氣溫度過高, 進入壓縮機的冷媒溫度提高, 密度變大, 氣體量提高, 因此進入冷凝器所要被釋放的熱量也大為增加, 故冷凝器的能力相形之下就不夠了, 造成系統 環不良, 壓縮機過載 如果所選的蒸發器其能力過小, 容易造成液冷媒無法完全在蒸發器中蒸發為氣態冷媒, 液冷媒容易流入壓縮機中, 發生液壓縮的情形 但也有一種情形就是, 所選的蒸發器能力剛好, 且負載也如原先設計的預估值, 可是仍舊發生液壓縮的情形 此種情形的發生有可能是以下幾點 : 1. 蒸發器實際的能力與製造廠所提供之資料不符 2. 蒸發器本身的熱傳效果不佳 3. 除霜控制不良使蒸發器被霜所堵塞而無熱交換 致使仍有大量液冷媒無法蒸發導致液壓縮的情形發生 另外還有一種情形發生在急速凍結庫, 再下一節中再 細說明 6-7

135 過冷卻與過熱度的影響 我們可以由圖 6.4 來說明冷凝器與蒸發器的過冷卻和過熱度對系統影響 D 液液液 F 進進進 A 冷凝器 B G 蒸發器 C 儲液器 圖 6.4 冷媒於系統的相態變化 在冷凝器中 A 點到 B 點為過熱蒸氣的降溫區,B 點到 C 點為冷凝區 同時存在飽和蒸氣與冷凝液,C 點到 D 點為過冷區 以冷凝器而言, 有效的冷凝段為 A 到 C 點, 一般來說 D 點之過冷卻度以 5 為宜, 過冷卻主要是補償液管的壓損以維持原來的能力 參考 6.4 節配管說明 如果過冷度太大, 則 C 點將向前移 ; 同樣地, 如果蒸發器的過熱度大, 通過蒸發器的冷媒流量減少, 也會使 C 點向前移動 如果冷媒的充填量過多, 也將造成冷凝器中多數的管路充滿液冷媒, 使 C 點向前移, 縮短有效的冷凝區段, 使散熱能力不佳, 導致高壓側壓力過高, 此一現象就必須釋出部份的冷媒 參考 2.6 節液壓縮與冷媒充填量 如果過冷卻度小, 再加上管路的壓降大, 液冷媒在進入膨脹閥前便有部份液態冷媒變成冷媒蒸氣, 影響到膨脹閥的動作 在蒸發器中,F 到 G 為有效的蒸發區段 兩相區,G 點以後為過熱區段, 此部份為冷媒蒸氣的再加熱, 與前兩相區比較, 單位長度所能吸收的熱量相當少 參見第 0 章顯熱與潛熱 當過熱度小時,G 點向後移, 有效蒸發區段增大, 但如控制不好容易有液冷媒進入壓縮機中, 造成液壓縮, 損壞壓縮機 如果過熱度大, 將使有效蒸發區段縮小, 蒸發器能力下降 一般過熱度以 5 較為適當, 如負載變化大可增至 7 過熱度設定請參考各膨脹閥的使用說明 6-8

136 過冷卻度過大除了會有上述的問題外, 如果冷凝壓力低但過冷卻度大系統又會有如何變化呢? 在第一章我們提過, 如果過冷度大時由於進入蒸發器的焓值小, 當相同的冷媒質量流率下, 壓縮機所能提供的冷凍能力必然加大, 如圖 6.5 所示 進力 P 冷凝進力 蒸發進力 C /D 等焓線 C/D 冷凝溫度熵線 F F 蒸發溫度 G 等 A/B h 1 h h h 比焓值 h(kcal/kg) 圖 6.5 過冷度的影響比較 如果原系統離開冷凝器的過冷度在 C 點, 以理想狀況進入蒸發器的冷媒焓值為 h 1, 離開蒸發器 G 點的焓值為 h 2, 則本系統可以提供的能力是 (h 2 -h 1 ) 冷媒質量流率 當過冷度大時, 離開冷凝器的位置向較低的溫度點 C 偏移, 進入蒸發器的 F 點移至 F 點, 則系統可以提供的能力是 (h 2 -h 1 ) 冷媒質量流率 ; 故此時過冷度大的系統可以提供較大的冷凍能力 但這樣的結果將會導致系統使用上的重大問題 我們回到系統設計的觀點來看, 當搭配一個冷凍系統時, 通常由負載獲得所需要的冷凍能力與蒸發溫度, 依據環境要求決定採用氣冷或水冷的設計條件 當這些條件決定以後, 選出合適能力的壓縮機, 再依據壓縮機的需求, 設計蒸發器與冷凝器 如果是屬於氣冷式冷凝器, 由於外氣條件的變化, 通常採取最高外氣溫度條件的設計方式, 因此冷凝器往往會比 壓縮機所需求的能力大 蒸發器所處理的庫內狀況相對之下比較固定, 故匹配上蒸發器僅會較壓縮機的能力稍大 如果上述過冷度大的狀況發生時, 原本設計蒸發器的能力是配合 (h 2 -h 1 ) 冷媒質量流率的條件設計, 但現在系統提供的能力是在較大的 (h 2 - h 1 ) 冷媒質量流率下運轉 ; 相對之下, 原本的蒸發器就顯得比較小, 如果冷凍庫內的負載也如原設計並無增加, 那麼傳遞進蒸發器的熱量就小於目前的系統 6-9

137 能力 如果差異不大, 可以經由膨脹閥的控制來維持系統的穩定 但是如果在過冷卻大, 甚至會造成相對膨脹閥能力過小而發生問題 參見 節, 且庫內負載遠低於原設計值時, 其差異已經超過膨脹閥所能控制的範圍, 那麼進入蒸發器的冷媒無法吸收足夠的熱量變成氣態, 相當有機會造成液態冷媒回到壓縮機 進力 P 冷凝進力 蒸發進力 C /D 冷凝溫度等焓線 F 蒸發溫度 G 線 熵 等 A/B 離開蒸發器的冷媒仍為液氣共存的兩相狀態 h h h 比焓值 h(kcal/kg) 圖 6.6 蒸發器出口未過熱的情形 這種情形在單一無卸載壓縮機與無冷凝控制設計的急速凍結系統很容易發生, 特別是在低外氣溫度與凍結終了的時候 由於急速凍結系統在通過凍結點時與通過凍結點後的負載差異相當大, 如果在冬季外氣溫較低時, 未進行冷凝控制且系統產生的熱量又小, 很容易出現高壓低 過冷度大, 進入蒸發器的焓值低, 負載端又無法提供足夠的熱量, 很容易造成蒸發器的液態冷媒無法全部蒸發, 造成液壓縮的危險, 如圖 6.6 所示! 如果設計系統用途為急速凍結或凍結使用, 在設計上除了要考慮冷凝壓力的控制外, 還必須要注意到當凍結終了所進行的下一個程序 一般在凍結庫中, 由於負載物必須通過凍結點, 這一個移除潛熱區段所要耗費的能力相當大, 因此壓縮機的能力設計會計算初溫到達到中心溫度時所需要的負載 但凍結終了時, 負載幾乎為零, 如果此時不將凍結物移到保溫庫, 而仍然放置於凍結庫中, 一旦壓縮機啟動, 在感溫式膨脹閥無法關死的情形下, 流到蒸發器的液態冷媒無法完全蒸發, 就容易發生液壓縮的情形 建議當凍結終了後將物品移至保溫庫, 不要將凍結庫當保溫庫使用, 將凍結品繼續保留在原庫內 否則 6-10

138 前後負載與系統設計值差太大, 易導致系統上的問題 如果必須要將產品留在凍結庫內進行暫時保溫, 建議採取兩套系統的設計方式或是採用電子式膨脹閥 可完全關斷, 以因應負載變動大的情形 另外在使用冷媒不同時, 亦必須注意所使用冷媒飽和溫度與壓力的關係, 不能依照記憶中的冷凝壓力進行高壓設定, 否則極容易因壓力設定錯誤而造成過冷卻度過大或過小 例如 R507 的系統使用 R-22 的壓力設定來設計系統, 這樣不但會造成過冷卻度過大而且也會發生高壓過低的情形! 雖然過冷度大可以獲得較大能力的系統, 但是系統是無法在原設計的條件下穩定運轉 所以系統上的搭配必須要考慮各部的平衡運轉, 某部份的能力過大或過小都無法維持系統的穩定 在氣冷式的系統設計上, 更必須要考慮到無法掌控的大氣環境變化, 所有的控制必須要能維持系統在變異條件下穩定的操作並須確保系統安全運轉 系統的設計上必須要考量全體達到均衡的配置, 控制系統僅能在一定的範圍下進行控制, 任何一部分的功能超過或低於原預期的設計值太多, 都無法有效的控制 配管 冷凍系統中的管路是用以連接各元件形成一個冷媒流動的閉路 環 雖然看 簡單, 但有時候卻是決定整個系統效能能否發揮的一個關鍵 配管主要原則 : 1. 確保提供適當的冷媒流量至蒸發器 2. 避免過大的管路損失 3. 避免過多的冷凍油留在系統中任何一部份 4. 避免壓縮機因失油而故障 5. 避免在運轉或停機時液態冷媒或冷凍油衝向壓縮機 6. 保持一個清淨與乾燥的系統 要達到以上原則與兼顧配管成本, 一般在考慮配管的管徑主要由流速著手 美國 ASHRAE 協會建議 HFC 類冷媒於管內流速如下所示 : 吸氣管 氣體 4.5~20 m/sec 吐出管 氣體 10~18 m/sec 冷凝器到儲液器 0.5 m/sec 儲液器到蒸發器 1.5 m/sec 確保依重力方向流動, 以免阻礙液體流動 避免當裝置電磁閥或其他電力閥件時, 產生液鎚現象 6-11

139 由於冷媒的密度因溫度不同而有所差異 因此在實際計算上必須要求取各 種冷媒在各個狀態點時的物性 並不斷由管徑與所設定的壓損迭代才能選出適 當的管徑 整個過程十分繁複且必須要有冷媒的特性資料才能計算 對一般工 程師而言是相當吃重的工作 幸好ASHRAE已根據經驗上合適的壓損值建立出 快速表單 可以讓設計者迅速的挑選出合適的配管管徑 這些表 表6.5~6.8 是由蒸發溫度 管徑與能力值所構成 使用時先確定 冷媒種類以及管內的冷媒相態與管路位置 接著由蒸發溫度與能力值對應出適 當的配管管徑 請務必這些表單中都是以水冷冷凝器的條件計算 冷凝溫度都 是在40 的條件 如果冷凝溫度非40 此時必需要注意 表上的值必需要乘 上當時冷凝溫度的修正係數 才是正確的能力值 溫度的能力值除以 最好簡單就是先將設計冷凝 溫度之修正係數 然後以此值進行挑選 例如 使用R404A冷媒 冷凝溫度為50 蒸發溫度為-30 能力為4kW時 選擇R404A的吸氣管 選擇步驟 請參考圖6.7 1.由表6.5的R404A配管表右下方獲得吸氣管的修正係數為0.809 對應的 能力值為4kW/0.809=4.9 kw 2.由吸氣管的欄位中蒸發溫度-30 3.搜尋4.9 kw能力值 4.應選銅管管外徑 28mm 1 1/8 圖6.7 吸氣管選擇步驟 表

140 6-13

141 6-14

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143 6-16

144 管路壓損 流體在管路間的流動會與管壁摩擦產生壓損, 再加上各管路接頭 管徑變化 管路高低變化等因素皆會造成管路的壓損 一但有管路壓降容易造成系統性能下降, 同時也有可能因壓損造成閃變, 導致冷媒流量下降的情形 在配管表上通常會以每米會有多少壓力降或溫度差來表示 表 6.9 即為 R-22 因壓損 以溫度差表示 所造成的能力下降與能源耗用的增加 表 6.9 R-22 管路壓降造成的能力損失 位置 管路壓損 (K) 能力 % 耗電 % 吸氣管 排氣管 資料來源 2010 ASHRAE HANDBOOK- Refrigeration 因此配管設計完成後必須要計算管路的壓損, 以便設計補償壓損或確認系 統能力下降的情形 如果是液管, 可以利用過冷卻的方式將壓損造成的能力損 失回, 但如果是吸氣管路目前沒有任何可以回 能力損失的方法, 僅能以最 經濟與回油最低要求的配管來減少壓損造成的能力下降 在壓損的計算上依照表 6.5~ 表 6.8 來挑選合適的管徑外, 同時還必須加入配 管中彎頭 接管與閥等壓損 在這些配管的零件通常已經轉換成等效長度, 只 要把管路的長度以及這些等效長度加起來乘上每米的管路損失, 即可獲得配管 的壓損, 接管與閥件元件的等效長度請參考表 6.10~6.12 例 : 請計算 R404A 的系統中的液管壓損 系統運轉於 40 冷凝溫度, 蒸發溫度 為 -30, 能力為 32kW 配管等效長度為 20 米, 無上升管情形 計算 : 1. 參考表 6.5 液管資料欄位選 t=0.05 K/m, 能力為 32kW 時, 選表上 43.7kW 獲得配管銅管管徑 18mm 2. 依表 6.5 右側公式獲得實際的溫度差 t t = 表上 t [( 實際等效長度 Le/ 表上等效長度 Le) ( 實際能力 / 表上能力 )] 1.8 = /1 32/ =0.57 K/m 估計壓損 = 0.57/ = Pa=24.96 kpa 3.R404A 於冷凝溫度 40 時的飽和壓力為 1834 kpa, 6-17

145 故液管到膨脹閥前實際壓力 = = kpa 4. 參考 R404A 飽和資料, 實際壓力換算為飽和溫度為 39.44, 克服壓損所需要的過冷卻度 = =0.56 如果我們選擇的是 15mm 的管徑進行液管配管時則壓損為 : t = 表上 t [( 實際等效長度 Le/ 表上等效長度 Le) ( 實際能力 / 表上能力 )] 1.8 = /1 32/ =1.54 K/m 估計壓損 = 1.54/ = Pa=67.42 kpa R404A 於冷凝溫度 40 時的飽和壓力為 1834 kpa, 故液管到膨脹閥前實際壓力 = = kpa 參考 R404A 飽和資料, 實際壓力換算為飽和溫度為 38.45, 克服壓損所需要的過冷卻度 = =1.55 表 6.10 接管壓損的等效長度 (m) 牙接 電焊 法蘭 喇叭口與氣焊等接法皆適用 公稱管徑 o 短彎頭 o 長彎頭 # o 彎頭 平滑彎管 o 彎頭 o 長彎頭 o 彎頭 分支流 平滑 T 接管 直線流 無縮管 減少 減少 *: 彎管半徑 管徑約等於 #: 彎管半徑 管徑約等於 5 資料來源 H H ri rati 6-18

146 表 6.11 特殊接管壓損的等效長度 (m) 公稱管徑 急擴管 急縮管 直接出入容器 入 出 出入管插入容器 入 出 本表使用是利用 小管的管徑來選取, 左側欄位即為 的管徑值 資料來源 H H ri rati 公稱管徑 球型閥 Globe valve 表 6.12 閥件壓損的等效長度 (m) o Y 型閥 o Y 型閥 角閥 閘閥 逆止閥 立式逆止閥 球型和立式逆止閥與球型閥相同 立式角閥與角閥相同 注意 表列的損失是指閥位於全開的位置 適用於牙接 電焊 法蘭 喇叭口與氣焊等接法 不適用於針孔閥座 全開的調節與短型塞柱考克閥與閘閥有相同的壓損 短型塞柱考克閥超過 mm 者請洽詢製造商 適用於管路上, 球狀逆止閥 閥座接近管徑的之 Y 型立式逆止閥可以使用 o Y 型閥資料 資料來源 H H ri rati 6-19

147 6.4.2 系統元件位置與配管 在系統設置時往往必須配合現場的地形與需求放置, 各元件間配管的連結就必須要考慮到回油與冷媒流動的問題 同時應用上也必須避免油或液態冷媒直接衝向壓縮機, 造成壓縮機故障 以下就幾個元件不同位置的配管原則進行說明 吸氣管端配管 蒸發器 資料來源 2010 ASHRAE HANDBOOK- Refrigeration 多蒸發器位於不同樓層且壓縮機在上方每一個蒸發器的回管在匯入主吸氣管時, 必須先向上揚起再下降到主管 避免冷凍油積存在未動作的蒸發器中 圖 6.8 蒸發器 圖 6.9 必要時裝設雙升管 多蒸發器位於同樓層堆疊且壓縮機在上方 ( 較佳的安排 ) 兩個蒸發器的集合管位置需低於最底部的蒸發器, 避免冷凍油積存最底部的蒸發器中 如果有卸載設計, 冷媒流量相差甚多時, 必須要裝設雙升管以利回油 蒸發器 多蒸發器位於同樓層且壓縮機在下方 所有蒸發器的回管必須向下進入集合管, 以避免冷 凍油積存於未動作的蒸發器中 蒸發器 膨脹閥感溫棒 只有 L 距離過短時, 要安裝迴圈 蒸發器 圖 6.10 圖 6.11 必要時裝設雙升管 蒸發器 斜向壓縮機 蒸發器 圖 6.12 多蒸發器位於同樓層且壓縮機在上方所有蒸發器的回管必須向下進入集合管, 以避免冷凍油積存於未動作的蒸發器中 因壓縮機位於上方, 如果有卸載設計, 冷媒流量相差甚多時, 必須要裝設雙升管以利回油 多蒸發器位於壓縮機的上方或下方所有水平配管必須架高且向壓縮機傾斜, 確保回油 蒸發器感溫棒必須要裝置於集油彎前, 以免因油的積存造成感溫棒誤動作 這些集油彎同時也可以避免壓縮機停機時液體蓄積在感溫棒的位置回油 6-20

148 吐出管端配管吐出管的安排上必須遵照以下準則 : 1. 避免在卸載運轉時無法回油 一般回油在非低溫狀態下, 冷媒的流速會左右回油的優劣, 但到低溫如 -40 時油的黏滯係數影響扮演中相當重要的因素 2. 避免冷凍油與冷凝的冷媒由管路回沖至壓縮機頭 3. 多壓縮機系統要小心選擇共管到各壓縮機的聯接配件尺寸 4. 避免油壓縮機 / 與或高溫氣態冷媒脈衝所產生過大的噪音或震動 5. 具卸載運轉的系統應在吐出管設計上亦應安裝雙升管 同時壓縮機間必須要有冷凍油聯通裝置, 以避免油量分配不均 至冷凝器 壓縮機壓縮機壓縮機 吐出管 圖 6.12 多壓縮機吐出管配管液管配管在液管配管上要注意壓損不可以過大到產生氣體的狀態, 以及液體壓力不足造成液態冷媒供應裝置冷媒供應量不夠的情形 一般液管在配管上的設計要求為管路壓損的溫度變化不可超過.5~ K 的相對飽和溫度變化 液管上必須要特別注意避免閃變的發生, 一但閃變產生後, 閃變氣體體積較大, 將阻礙液態冷媒的流動, 導致冷媒的供應量不足影響整體效能 要避免閃變發生的最主要原則就是極力避免管上有小管徑突然變成大管徑的狀態, 以免因管徑急擴而導致閃變發生 系統運轉的能力必須要扣除壓損後才是實際的能力值, 一但配管選用的管 徑有誤, 有可能造成成本的浪費或系統能力無法發揮 可以依照 A H AE 所提 供的各式表單計算或由網路上尋找配管的工具軟體, 以獲得正確的配管資料 6-21

149 高溫進進進好用! 凍結與保溫混用的冷凍庫要選用高溫還是低溫的壓縮機? 低溫進進進才好用! 6-22

150 第三篇冷凍庫設計第七章冷凍庫概念澄清 在進入冷凍庫設計之前, 先來看看幾個有趣的問題, 如果您能正確回答 這些問題表示您具有相當程度的冷凍常識. 冷凍能力 負載 = 冷度 庫溫? 首來看看冷凍能力與冷度 庫溫 之間的關係 有許多人在訂購冷凍庫時, 通常只告訴承包商, 要有幾度庫溫的冷凍庫, 但庫溫是否就等於冷凍庫的能力呢? 我們以一個日常的例子來說明冷凍能力與庫溫其實是不同的 假如一部 1600c.c. 轎車在空車時要跑到時速 100 公里, 沒什麼問題, 如果車子的載重在它設計的載重範圍內, 要達到時速 100 公里也都不會有問題, 只是加速時間的長短 但是如果要這部轎車載重 1000 公斤, 再要求它以時速 100 公里的速度跑, 這恐怕大有問題! 時速 100 公里 輕而易舉 ~~~ 載重 1000 公斤 時速 100 公里? 圖 7.1 負載與速度 由以上 這個例子再回來看看冷凍庫的問題 我們可以將要達到車速比作想獲得的庫溫, 載重量就是冷凍庫的冷凍能力 因此當一個冷凍庫儲存物的熱負載量在該冷凍庫的冷凍能力範圍內時, 很容易便將庫內溫度降到所需要的溫度, 但是如果進入冷凍庫的熱負載量超過設計的冷凍能力時, 那麼很難達到所要求的溫度了, 同時壓縮機也很容易過載而燒毀 就如同超載的汽車無法達到要求的速度, 且引擎也會因過負荷而燒毀 7-1

151 +5 +5? 圖 7.2 因此, 我們在設計一個冷凍庫時, 不能僅僅是要求冷凍庫的庫溫而已, 還要知道所要整個冷凍庫所要達到的冷凍能力才可以, 因為冷凍能力 負載 冷度 庫溫 冷凍能力與庫溫是設計冷凍庫的兩個重要指標. 不論放入多少物品進入冷凍庫, 其需要的冷凍時間皆相同? 我們在前 的例子已經知道庫溫與冷凍能力的關係, 現在我們再來看看冷凍時間與熱負載之間的關係 我們再以汽車為例, 假如一部可拖重 20 公噸的拖車空車時, 由時速 0 公里加速到 100 公里需要 12 秒 ; 如果載貨 10 公噸時, 同樣由時速 0 公里加速到 100 公里, 時間可能就需要 16 秒 ; 如果載貨 20 公噸時, 同樣由時速 0 公里加速到 100 公里, 時間可能就需要 22 秒了 在同一部車, 由於載重的增加將使加速時間拉長 而其引擎的輸出馬力也隨著載重而加大 公里 / 小時 公里 / 小時 秒 小時 公噸 6 秒 8 小時 公噸 秒 小時 圖

152 如果一部冷凍庫, 庫溫可達 -18, 其冷凍能力為 15,000 kcal/hr, 在空庫運轉由溫度 25 降到 -18 時 熱負載 30,000kcal, 需要 2 小時 ; 放入 25 5 公噸的豬肉時, 要將肉品降溫到 -18 時 加入熱負載 241,300kcal, 可能需要 18 小時 ; 當放入 25 的豬肉 10 公噸時 加入熱負載 482,600kcal, 要將肉品降溫到 - 18 時, 可能需要 34 小時 因為熱負載的增加, 使得物品降溫速度變緩慢 因此當建立好一個冷凍庫時, 要注意到熱負載的多寡與冷凍時間成正比 由以上的兩個問題我們可以知道, 選用冷凍庫就像選一部車子一樣, 要充 份了解我們所要的目的與能力, 才能找到合適能力的冷凍庫 否則選用不當, 就向是買一部轎車來載貨一樣的唐突. 只要加大冷凍庫的能力, 必能縮短所需要的冷凍時間? 或許有人會想到, 如果知道一天的熱負載為 240,000kcal, 需凍結時間 24 小時, 壓縮機運轉 18 小時, 因此選冷凍能力為 13,340kcal/hr 的冷凍庫, 可是想要再縮短凍結時間, 是否將冷凍庫的能力加大就可以了? 其實不然, 冷凍時間的長短與冷凍物的性質 包裝方式 物品在庫內堆疊的方式有極大的關係 我們舉一個簡單的例子就可以說明這個原因了 假設有一大塊 25 的豬肉, 厚度達 5 公, 總重 5 公斤, 放入一庫溫 -18 的冷凍庫中 同樣地, 有一些 片 25 的豬肉片, 總重也是 5 公斤, 截 積也相同, 只是每片厚度為 0.1 公, 將這些肉片 開攤平置於另一庫溫 -18, 冷凍能力也相同的冷凍庫中 那麼那一邊的豬肉最快全部凍結到 -15 呢? 相信聰明的讀者一定會選擇 片的豬肉最快達到 因為整塊的豬肉很容易因外層的肉凍結後形成一層熱阻抗, 豬肉內的熱量要傳到外 需要較久的時間, 故凍結速度比較慢 因此塊狀豬肉雖然與 片豬肉對冷凍庫的熱負載都相同, 但其凍結速度卻慢得多 除了凍結品本身的形狀 特性與包裝外, 冷凍庫中凍結品的擺放 冷凍庫 內氣流的問題都會造成影響凍結時間的因素 所以如果發現依計算的熱量選取 冷凍庫, 可是物品卻沒有辦法在要求的時間內凍結至所需的溫度, 那麼就要考 7-3

153 慮凍結品本身的厚度是否過大, 包裝物的熱傳導性是否過低 甚致造成隔 熱, 冷凍庫內物品的堆疊是否過密, 庫內的氣流循環是否足夠 熱阻抗 已凍結層 Q 凍結中的豬肉 未凍結部 圖 7.4 所以說影響凍結時間除了冷凍庫的能力選用是否恰當, 冷凍庫內的熱傳效 果好壞才是決定凍結時間長短的主因 因為冷凍庫內的熱傳機構, 是決定將凍 結物品內熱量帶走速率快慢的主要因素. 不論冰什麼東西, 冷凍庫溫度越低越好? 有些冷凍庫的業者認為, 冷凍庫的溫度越低越好, 冰存物的保存期限可以延長 從微生物的觀點來看, 越低溫可以有效地抑止微生物的活動, 但是否真有必要用很低溫來保存冰存物呢? 其實不然, 每一種冰存物所含的微生物種類不同, 抑止其活動的溫度也大不相同, 因此在設計冷凍庫的冰存溫度時, 應依各種物品所需要的保存溫度而定 以蔬果類而言, 過低的儲藏溫度易導致凍傷的發生, 而畜肉產品雖溫度低可以保存較長久的時間, 但以經濟與能源觀點來考量, 就應以保存的時間長短來選擇儲藏溫度 如豬肉在 -18 下可保存 4~6 個月, 在 -23 下可保存 8~12 個月, 但在一個消費型態, 冷凍豬肉在 5 個月內就到消費者手上消費完畢, 我們就要考慮是否有必要選擇 -23 的保存溫度 因為選擇較低溫的冷凍系統, 其所投資的成本將大大地提高, 且所耗費電量更是驚人 為一個生命週期僅有 5 個月的產品, 投注過多的資本去創造保存期限 1 年的冷凍環境, 實在是浪費資源的做法 因此, 冷凍庫設計必須要依冰存物的商品生命週期, 與其有效的保存環境來選擇合適的保存溫度 日本與美國皆已做出各類食品的特性 保存期限與條件的表, 各位讀者可依需要查閱 參考第八章表

154 . 只要是庫溫在攝氏零度以下的冷凍庫都可以用來凍結物品? 有很多人認為庫溫低於 0 以下的冷凍庫都可以拿來凍結物品, 一但放進去的物品經過一段時間無法凍結時, 就會怪 冷凍庫的製造商製造不良 其實冷凍庫的是根據其不同的用途而設計的, 就像車子一樣, 有轎車 貨車 拖車等, 不同用途就要選擇不同的車種 如果一個專為保溫用途而設計的冷凍庫, 在計算冷凍能力時, 僅考慮大氣條件 庫內電器或開關庫門等負載, 由於放入的物品與庫溫相同, 因此不會去考慮冰存物品降溫的負載, 所以在設計上只要能將大氣條件 庫內電器或開關庫門等因素所造成流入庫內的熱量帶走即可 如超市中的冰品櫃就是屬於這一類型的冷凍庫 快速凍結? 冰淇淋 圖 7.5 如果將常溫的物品放入保溫用途的冷凍庫, 希望它能很快地凍結, 這是不可能的, 因為這個物品凍結所造成的負載並不在當初的設計範圍內, 且庫內的氣流設計方式並不適用於快速凍結物品 因此使用冷凍庫時, 一定要按其原先所設計的用途使用, 不能將保溫的冷凍庫拿來當凍結用 在第八章我們將會對各種用途的冷凍庫做一說明. 冷凍庫的風速越大, 冷凍庫比較冷? 當冷凍庫的庫門打開時, 庫內有如颳颱風般的強勁風勢迎 而來, 許多人 直覺認為這個冷凍庫比較冷! 但是這樣的冷凍庫真的會比較好用嗎? 我們必須 7-5

155 對冷凍庫內的熱傳作一個了解, 如果這是一個降溫 / 凍結庫, 熱是由負載物 庫內的發熱體 照明 / 電動機具等 與外界的熱 由庫板 縫隙 所產生, 這些熱傳遞到冷凍空間, 再由通過蒸發器的空氣傳遞到冷媒, 經由散熱器將熱排至大氣 因此熱傳機構可以概 為兩大部 : 熱源到冷凍庫空間 / 冷凍庫空間到蒸發器 在凍結降溫的場合時, 通過凍結物表 的風速越快, 當然對流效應高, 能夠有較好的熱傳與質傳效果, 縮短降溫 / 凍結時間 不過這個效果並不會隨著風速的提高成比例的增加, 在相同溫溼度條件下, 當風速提高到一個程度時, 再增加的風速所貢獻的降溫 / 凍結速度便極為有限 但是庫內風速快的時候, 也就意味著由庫體四週帶進冷凍庫的熱量亦隨之增加 而需要較多的風量也就代表著需要更多的耗功, 庫內耗功的增加也表示進入庫內的熱量隨之提高 參見 表 8.5 與第九章表 9.1 但當庫內的風速下降時, 可以發現一個有趣的現象, 由於通過物品的風速變慢, 相對的對物品取熱能力降低, 因此由物品 風車馬達與庫板所進入到冷凍空間的熱量變小, 因此庫溫明顯的下降, 負載物的中心溫度下降卻十 緩慢 而通過熱交換器的風速亦同, 都有其最佳經濟效益的設計風速 如原設計進出蒸發器的風溫差在 5~7, 加大風量可能提升能力 10%, 但造成出入風溫差降到 2~4 在冷凍的環境下蒸發器幾乎可以以簡單的顯熱來考慮, 由公式 Q = mc & p t, 能力提升幅度不大, 但風量 m& 變大許多, 相對的溫度差可能變小 假設庫溫設定是 -30, 原來離開蒸發器的空氣溫度是 -35~-37 與冷凍空間進行熱交換, 但加大風量後, 離開蒸發器的溫度提升為 -32~-34 對於熱傳而言, 最大的驅動力在於溫度差, 一旦溫度差下降驅動力也就變弱 以上 的例子而言, 原離風溫度 -35~-37, 可以將物品的表 溫度交換到 -34, 但如果出風溫度變為 -34 時, 物品表 可達到的溫度便高於 -34 如果風速與溫度的搭配不洽當的話, 那麼相對要將物品溫度拉到設定值的時間便會延長 因此並非一味加大風量便是好事, 因為加大風量的同時也就代表著熱量不斷的被加到冷凍庫, 徒增冷凍設備的負載 風量大小的決定需要依照冷凍庫的用途來決定 如果是保溫庫 進入到庫內的冰存物已經沒有熱負載, 風量只要足夠將庫內電機發熱與由庫板滲透 滲漏熱量帶走就好, 過大的風量只是造成不必要的耗能與系統負載的增加 同時如果冰存物是裸存狀態無任何包裝, 過大的風速亦會造成失重脫水的問題 7-6

156 在許大型冷凍庫的場合中, 有時為了使庫溫均勻, 因此便採取加大風車馬力的方式來達到提高揚程的目的 但是否真的加大風車馬力是唯一提高揚程的方法呢? 在第四章曾經提過加裝整流導風罩對揚程的影響, 可以不增加風車馬力下有效提升揚程, 如此一來可以不會增加系統熱負載, 同時可以兼顧庫內氣流的分佈, 有效節約冷凍系統的耗電 以下就是加裝整流導風罩與未加裝整流導風罩的比較 案一為求揚程加長, 使用三個大馬力的風車, 使用者直覺認為只要加大風車的馬力數, 就可以獲得較大的揚程 可以發現此種情形下, 揚程僅達 18m, 但是耗電高達 5.27kW 而如果換成馬力較小的風車, 但是附加導風罩, 可以發現耗電僅為 3.72kW( 耗電減少 29%), 而揚程在 23m 時仍有 0.5m/sec 的風速 ( 揚程增加 28%) 因此如果是在保存庫內要獲得較佳的氣流循環與揚程, 加大風扇馬力數不是一個最佳解, 而是要將氣流有效整流才能達到提高揚程的效果 一味地增加風車的馬力數, 僅會提高風車發熱對冷凍庫負載 表 7.1 相同蒸發器使用不同的風車耗電與揚程比較 風車類型 數量轉速 (rpm) 消耗功率 (kw) 平均風速 (m/s) 風量 (cmm) 22 大馬力風車 小馬力風車 風車類型 1m 5m 10m 15m 16m 17m 18m 19m 20m 23m 22 大馬力風車 小馬力風車 相同管排使用 3 組大馬力風車 圖 7.6 相同管排使用 5 組小馬力風車 7-7

157 懂了沒? 7-8

158 第八章冷凍庫分類與冷凍負載 8. 冷凍庫的分類 冷凍系統與一般空調系統最大的不同在 : 冷凍系統須針對用途與冰存物的 特性來設計, 溫度 溼度與系統的運轉特性皆會因之改變 冷凍庫依用途來 有 :. 降溫用 降溫用 將放入的物品降到某一溫度 通過物品的凍結溫度, 如超商 的飲料冷藏櫃, 將飲料由室溫降到冰涼的溫度 7 通常此類型冷凍庫中會有部份已達儲溫的冰存品存在, 形成降溫與保溫混用的情形 保溫用 置入的物品已呈冷凍狀態或冷藏, 冷凍庫的作用是維持其品溫,. 保溫用 如冰品櫃或乳品櫃, 冰淇淋或牛奶在放入展示櫃前就已經到達儲存溫度 -18 或 5 在一般商業的冷凍庫中也會有少部份 凍結品做凍結儲存, 不過這種情形通常每日的入庫量相當少, 同時也不要求凍結時間 凍結用 將物品溫度由凍結點以上降溫到凍結點以下的保存溫度, 如豬肉. 凍結用 屠體 冷凍食品的凍結等 此種用途的冷凍庫比較講究凍結時間, 因此會對冷凍庫內的氣流設計有所要求 如以冰存物特性來, 就必須針對冰存物的特性來設計冷凍庫 目前許多台灣的冷凍庫業主常犯的毛病就是 : 希望在蔬菜對冷凍庫需求量大時可以冰存蔬菜, 而當肉品對冷凍庫需求量大時, 業主又希望能改冰肉品 其實這是業主對冷凍庫的認識不清所致 每一種冰存物都有其冰存條件的要求, 不一樣的物品對於存放的溫度與濕度都有不同要求 表 8.1 即為日本 JRI 所提供的各類食品的儲存條件 不同用途與冰存物的冷凍庫其冷凍負載計算不儘相同, 且其冷凍庫內的蒸 發器選用以及庫內氣流設計也大不相同, 所以冷凍庫的 類在設計冷凍庫前是 一件相當重要的工作! 8-1

159 表 8.1 食品之性質及貯藏條件 ( 錄自 JRI 冷凍空調手冊 ) 水果類 8-2 保存的條件食品特性食品名稱溫度相對濕度期限含水量凍結點比熱 kcal/kg 凍結潛熱呼吸熱量 % % 凍結點以上凍結點以下 kcal/kg kcal/ton 日 蘋果 -1.1~0 85~90 2~7 月 ~400 梨 7.2~ ~90 4 週 香蕉 黃熟 13 以上 85~95 數日 櫻桃 -0.6~0 85~90 10~14 日 ~440 椰子 0~1.7 80~85 1~2 月 葡萄柚 10 85~90 4~8 週 葡萄 美國產 -0.6~0 85~90 3~8 週 芒果 10 85~90 2~3 週 香瓜 0~4.4 85~90 5~15 日 甜瓜 7.2~10 85~90 1~2 週 西瓜 2.2~4.4 85~90 2~3 週 橘子 0~1.1 85~90 8~12 週 椪柑 1.1~ 木瓜 ~90 2~3 週 桃 -0.6~0 85~90 2~4 週 ~350 柿 ~90 2 月 鳳梨 青熟 全熟 草莓 新鮮 凍結 李子 新鮮 乾燥 10~ ~ ~0-23~ ~0 0 85~90 85~90 85~90-80~85 50~60 3~4 週 2~4 週 7~10 日 1 年 3~8 週 9~12 月 ~ ~ ~ ~950

160 表 8.1 食品之性質及貯藏條件 ( 錄自 JRI 冷凍空調手冊 ) 蔬菜類 8-3 保存的條件食品特性食品名稱溫度相對濕度期限含水量凍結點比熱 kcal/kg 凍結潛熱呼吸熱量 % % 凍結點以上凍結點以下 kcal/kg kcal/ton 日蘆筍 0 90~95 2~3 週 豆莢 新鮮 乾燥 7.2 0~ ~4.4 85~90 85~ ~10 日 10~15 日 6 月 甘藍菜 0 90~95 3~4 月 花椰菜 0 90~95 2~3 週 芹菜 -0.6~0 90~95 2~4 月 玉米 -0.6~0 85~90 4~8 日 胡瓜 7.2~10 80~85 10~14 日 薑 0 90~95 2~3 週 蒜 乾燥 0 70~75 6~8 月 韭菜 0 85~90 1~3 月 蔥 新鮮 0 90~95 1~3 月 萵苣 0 90~95 3~4 週 洋菇 0.1~1.7 85~90 3~5 日 橄欖 新鮮 7.2~10 85~90 4~6 週 洋蔥 0 70~75 6~8 月 ~300 青豌豆 新鮮 乾燥 0 1.7~4.4 85~90-1~2 週 6 月 ˍ 南瓜 10~ ~75 2~6 月 馬鈴薯 早生 晚生 10~ ~10 85~90 85~90 ˍ ˍ

161 表 8.1 食品之性質及貯藏條件 ( 錄自 JRI 冷凍空調手冊 ) 保存的條件食品特性 食品名稱溫度相對濕度期限含水量凍結點比熱 kcal/kg 凍結潛熱呼吸熱量 % % 凍結點以上凍結點以下 kcal/kg kcal/ton 日 種子 0~10 50~65-7.0~ 花生 去殼 9 65~75 6~9 月 米 月 蔬菜類 蘿蔔 春 0 90~95 10 日 冬 0 90~95 2~4 月 菠菜 0 90~95 10~14 日 甘薯 ~ ~95 4~6 月 蕃茄 青熟 全熟 13.9~ ~10 85~90 85~90 2~4 週 2~7 日 茄子 7.2~10 85~90 7~10 日 酵母 -0.6~ 週

162 表 8.1 食品之性質及貯藏條件 ( 錄自 JRI 冷凍空調手冊 ) 乳品與蛋類 8-5 保 存 的 條 件 食 品 特 性 食品名稱 溫 度 相對濕度 期限 含水量 凍結點比 熱 kcal/kg 凍結潛熱呼吸熱量 % % 凍結點以上凍結點以下 kcal/kg kcal/ton 日 乳酪 -0.6~7.2 65~70-37~ 奶油 一 二 -0.6~ ~ ~85 80~85 2 月 1 年 15.5~ ~ 加糖乳酪 數個月 冰淇淋 一 數個月 二 -17.8~ 月 ~ 牛乳 殺菌 日 煉乳 加糖 數個月 全脂奶粉 7.2~12.8 低 數個月 2~ 脫脂奶粉未加糖加糖蛋 有殼 農場冷卻全冷凍 7.2~ ~ ~ 以下 低 ~85 70~75 - 數個月短期數個月 6~9 月 - 一年以上 2~ 凍結蛋黃 以下 - 一年以上 凍結蛋白 以下 - 一年以上 固體蛋 1.7~4.4 低 6~12 月 2~ 固體蛋黃 1.7~4.4 低 6~12 月 3~ 固體蛋白片 室溫 低 一年以上 12~

163 表 8.1 食品之性質及貯藏條件 ( 錄自 JRI 冷凍空調手冊 ) 畜肉類 8-6 保存的條件食品特性食品名稱溫度相對濕度期限含水量凍結點比熱 kcal/kg 凍結潛熱呼吸熱量 % % 凍結點以上凍結點以下 kcal/kg kcal/ton 日 豬油 10~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~95 4~8 月 鹹豬肉 醃 15.6~ ~6 月 13~ ~ ~0.29 凍結 ~95 4~6 月 燻製 15.6~ ~6 月 13~ ~ ~0.29 包裝 1.1~ ~6 週 豬肉 新鮮 0~1.1 85~90 3~7 日 32~44-2.2~ ~0.55 凍結 -23.3~ ~95 4~6 月 ~0.33 香腸 燻製 4.4~7.2 85~90 6 月 凍結 4.4~7.2 90~ 火腿 新鮮 0~1.1 85~90 7~12 日 47~54-2.2~ ~ ~0.36 醃 15.6~ ~60 0~3 年 40~ ~ ~0.33 凍結 -23.3~ ~95 6~8 月 牛肉 新鮮 0~1.1 88~92 1~6 週 62~77-2.2~ ~ ~0.43 凍結 -23.3~ ~95 9~12 月 乳羊 新鮮 0~1.1 80~90 5~12 日 60~70-2.2~ ~ ~0.51 凍結 -23.3~ ~95 8~10 月 兔肉 新鮮 0~1.1 90~95 1~5 日 凍結 -23.3~ ~95 0~6 月 肝臟 凍結 -23.3~ ~95 3~4 月 家禽 新鮮 0 85~90 1 週 凍結, 無內臟 -28.9~ ~95 9~10 月

164 表 8.1 食品之性質及貯藏條件 ( 錄自 JRI 冷凍空調手冊 ) 水產類 8-7 保存的條件食品特性食品名稱溫度相對濕度期限含水量凍結點比熱 kcal/kg 凍結潛熱呼吸熱量 % % 凍結點以上凍結點以下 kcal/kg kcal/ton 日 魚 新鮮 凍結 燻製 鹹魚 0.6~ ~ ~10 4.4~10 90~95 90~95 50~60 90~95 5~15 日 8~10 月 6~8 月 10~12 月 62~85 62~ ~ ~ ~ ~ 淡醃物 -2.2~1.7 75~90 4~8 月 貝蝦蟹類 新鮮 貝蝦蟹類 凍結 ~ ~95 90~95 3~7 日 3~8 月 80~ ~ ~ ~ 龍蝦 -3.9~ 月 牡犡 0~ 月 鱈魚 週

165 表 8.1 食品之性質及貯藏條件 ( 錄自 JRI 冷凍空調手冊 ) 一般食品類 8-8 保 存 的 條 件 食 品 特 性 食品名稱 溫 度 相對濕度 期限 含水量 凍結點比 熱 kcal/kg 凍結潛熱呼吸熱量 % % 凍結點以上凍結點以下 kcal/kg kcal/ton 日 啤酒 1.7~4.4-3~10 週 啤酒花 -1.7~0 50~60 數月 酒類 4.4~ 葡萄酒 月 巧克力 7.2~ 月 巧克力糖果 20~ ~55 6~10 月 糖果 -17.8~1.1 40~ 咖啡 1.7~2.8 80~85 2~4 月 10~ ~11.7 果醬 月 蜂蜜 -0.6~10 - 一年以上 果凍 週 橘子汁 冰 -0.6~1.7-3~6 週 果汁汽水 夏 0~4.4 85~95 10~14 日 冬 10~ ~75 4~6 月 蘇打水 -1.1~ 月 沙拉油 月 人造奶油 一 ~70 一年 二 ~70 6 月 砂糖 麵包 數週 32~ ~29.4 麥片 月

166 因此在設計冷凍庫之前應先研究 : 1 這個冷凍庫是保溫 降溫抑或是凍結用途? 2 這個冷凍庫是要冰那些種類的物品, 其特性為何? 當這兩個問題獲得澄清以後, 才能根據需求來設計 計算冷凍負載 圖 8.1 為冷凍庫設計的思考流程 降溫 保溫 還是凍結? 保溫用 降溫用 凍結用. 冰存物保存特性. 要求降溫時間. 冰存品降溫特性. 要求凍結時間. 冰存品凍結特性 決定溫 溼度與運轉模式 庫內熱傳機構設計 冷凍負載的計算 冷凍系統元件選用 圖 8.1 冷凍庫設計思考流程 8-9

167 來自大氣 來自電氣設備 來自工作人員 來自冰存物 來自開門 圖 8.2 冷凍庫的熱負載 8. 冷凍負載 要計算冷凍庫的冷凍能力前, 我們必須要先了解造成冷凍負載的因素有那 些, 如圖 8.2 所示造成冷凍庫熱負載有 : 1. 大氣負載... 由庫體外側所傳來的熱 2. 冰存物的負載... 冰存物的顯熱 + 潛熱 + 呼吸熱 與冷凍庫用途有關 3. 滲入外氣熱負載... 開門時外氣傳入的熱 + 強迫引入外氣的熱 4. 庫內電器用品熱負載... 電燈 + 風扇 + 馬達 + 5. 工作人員的熱負載... 人員工作時產生的熱 以下將就各因素 別討論其造成原因 8.. 大氣負載 在第 0 章中我們知道熱量的流動方向是由高溫向低溫流, 一但冷凍庫開始運轉降溫後, 庫內的溫度比較低, 外界的溫度比較高, 因此熱量便不斷由外界傳入冷凍庫內 當冷凍庫開始運轉後, 只要庫內外產生溫差, 就有熱量由外界透過庫體向庫內傳遞 因此不論庫內有沒有放置任何高溫的物品, 只要有庫內外溫差, 就有大氣溫差的負載 這種負載可以說是基礎負載, 不管是那一種用途的冷凍庫, 都有此一負載 8-10

168 因此, 在設計冷凍庫時, 要知道庫內運轉的溫度, 以及冷凍庫所處的周圍溫度, 選用適當的庫體絕熱材及庫體的壁厚, 以降低外界熱傳入冷凍庫內的機會 影響大氣負載的主要因素除冷凍庫內的條件外, 還有外界氣候條件 因外氣條件隨時間而變動, 很難去取一個值來做為外氣的條件 必須要經過長時間的統計記錄每一時刻的乾濕球溫度, 以出現頻度高於某一定值時的乾濕球溫度作為外條件的設計標準 美國冷凍空調協會對外氣條件的訂定, 是以夏季三個月的時間做為基準, 乾濕球溫度出現的時數為整個夏季所有小時數的 1% 或更高 目前台灣地區的外氣條件, 在美國冷凍空調協會所出版的基礎手冊 1993 年版 中如表 8.2 所示 : 表 8.2 台灣地區外氣條件 乾球溫度 濕球溫度 夏季出現時數比 1% 2.5% 5% 1% 2.5% 5% 台北 台南 一般我們計算時可以乾球溫度 33, 濕球溫度 29 即相對濕度為 75% 作 為外氣的條件 當然如果在日曬嚴重的場所也必須要考慮到輻射熱 此部份可由氣象局獲 得各地的日照量來加以計算輻射熱 通常為方便計算起見, 這一部份都暫不予 計算, 待總熱負載計算出來後再乘以一安全係數 大氣負載可由下 的熱傳公式計算 : &Q C = K A T 其中 &Q C : 為熱量 kcal/hr K: 總熱傳係數 kcal/m 2 hr A: 總熱傳 積 m 2 T : 庫內溫度與大氣溫度的差值 K 值包含了大氣側的空氣熱對流係數, 庫板的熱傳導係數, 庫內的空氣熱 對流係數 表 8.3 為空氣的熱對流係數值 : 8-11

169 表 8.3 空氣熱對流係數 狀態 靜止的空氣 流動的空氣 熱對流係數 kcal/m 2 hr 1~10 10~250 如果只用單層材料的保溫庫板, 其 K 值為 : K = h o L Ao + + k ha i i 其中 h o : 大氣側的空氣熱對流係數 kcal/m 2 hr h i : 庫內的空氣熱對流係數 kcal/m 2 hr A o : 大氣側的表 積 m 2 A i : 庫內側的表 積 m 2 L: 庫板厚度 m k: 庫板的熱傳導係數 kcal/mhr 如果為多層不同材料的保溫庫板所組合而成, 則 K 值為 K = h o L Ao + + k ha i i 各種保溫材料的熱傳導係數 k 可由許多手冊如美國冷凍空調協會所出版的基礎手冊 ASHRAE FUNDAMENTALS HANDBOOK 日本冷凍空調協會所出版的冷凍空調便覽基礎篇中查出 在此不一一 列 由於冷凍庫的內外 積比十 接近, 因此為簡化計算,A o /A i 通常視為 冰存物的熱負載 當設計冷凍庫時, 要知道冷凍庫的功能為何 : 是作為降溫用 凍結用, 還是保溫用? 因為每一種用途不同的冷凍庫, 其冰存物所造成的熱負載也就不同, 因此在設計前必須針對冷凍庫的用途加以 析計算 以下就不同用途的冷凍庫冰存物的熱負載加以說明 在這裏要特別提醒大家注意的一點, 冰存物熱 8-12

170 負載大多以一天的時間來計算其對冷凍庫造成的負載, 當計算出其熱量值後, 要除以 24 小時換算為每小時對冷凍庫造成的熱負載量 保溫用冷凍庫冰存物熱負載在各種類型的冷凍庫中, 以此種冷凍庫的冰存物熱負載最少 因為如果是保溫用的冷凍庫, 基本上入庫冰存物已降到冷凍庫的冰存溫度, 因冰存物與冷凍庫無溫差, 所以不會有熱量流到冷凍庫內, 故冰存物的熱負載為 0 當然如果冰存物還具有生命現象, 就必須要考慮到呼吸熱, 如鮮花 蔬果 新鮮肉品等, 皆會因其生化作用而產生呼吸熱, 這些呼吸熱也是造成熱負載的主因之一 通常呼吸熱會以每天每公噸的方式計算, 保溫用冷凍庫冰存物熱負載計算如下 : 如冰存物有呼吸熱, 則 QF = Qresp kcal Q resp : 冰存物的呼吸熱 如冰存物無呼吸熱, 則 Q F =0 故每小時的熱負載量為 & QF QF = kcal / hr 24 降溫用冷凍庫冰存物熱負載作為降溫用途的冷凍庫, 不會使冰存物的降溫範圍通過凍結點, 因此這類型冷凍庫冰存物的熱負載為顯熱負載 當冰存物品送入冷凍庫時, 由於冰存物的溫度較庫溫高, 因此冰存物的熱量將流到冷凍庫中, 形成熱負載 此冰存物的熱負載計算方式如下 : Q m Cp T F = 1 其中 Q F : 凍結前的顯熱熱量 kcal m: 冰存物的重量 kg C p : 凍結前冰存物的比熱 kcal/kg T 1 : 入庫品溫與冷凍庫的溫差 8-13

171 故每小時的熱負載量為 & QF QF = kcal / hr 24 一般在使用上, 此一降溫冷凍庫中, 通常會有部份已降溫的冰存物儲存, 如果此一冰存物具有呼吸熱, 在計算負載時也要一併考慮進去 凍結用冷凍庫冰存物熱負載凍結用冷凍庫因冰存物的降溫範圍通過凍結點, 涉及到物品內水份的凍結問題, 也就是此類型的冷凍庫具有潛熱負載 故此種型式的冷凍庫其熱負載較降溫至凍結點以上, 或由凍結點向下降溫的冷凍庫要來得大 參考第 0 章的潛熱與顯熱 除此之外, 有些凍結食品會因凍結速度的快慢而影響到風味與口感, 因此凍結時間也必須配合物品的特性而設計 一般降溫至 -18 以下的凍結用冷凍庫, 通常會建議使用一預冷室, 先將冰存物的熱量除去大部份, 再送入冷凍庫中, 以降低冷凍庫的熱負載, 並能避免作業過程中低溫庫直接與外氣接觸 預冷室通常安排於冷凍庫的外, 如圖 8.3 所示 預冷室還有另一個最大的功用就是將外氣與冰存物部份的潛熱負載先行除去 等於除濕作用, 減少水汽進入冷凍庫內結霜的機會, 以免結霜消耗部份低溫庫冷凍能力, 降低冷凍庫效率 預冷室 門 圖 8.3 預冷室的配置 8-14

172 凍結用冷凍庫冰存物降溫過程如圖 8.4 所示 : 溫度 入庫品溫 凍結點 保存品溫 凍結前移走顯熱 凍結中移走潛熱 凍結後移走顯熱 時 間 圖 8.4 溫度與凍結時間的關係 因此我們計算凍結用冷凍庫冰存物的熱負載時, 要特別注意降溫過程通過 凍結點的問題 多數物品在凍結前的比熱與凍結後的比熱不相同, 因此再計算 通過凍結點的熱負載必須 三階段來計算 : 1. 凍結前的顯熱熱量 Q1 = m Cp T1 其中 Q 1 : 凍結前的顯熱熱量 kcal m: 冰存物的重量 kg C p : 凍結前冰存物的比熱 kcal/kg T 1 : 入庫品溫與凍結點的溫度差 2. 冰存物的凍結潛熱 Q = m h L 其中 3. 凍結後的顯熱熱量 L Q L : 凍結潛熱 kcal m: 冰存物的重量 kg h L : 冰存物的比潛熱 kcal/kg Q2 = m Cp T2 其中 Q 2 : 凍結後的顯熱熱量 kcal m: 冰存物的重量 kg C p' : 凍結後冰存物的比熱 kcal/kg T 2 : 入庫品溫與凍結點的溫度差 8-15

173 因此, 在凍結用冷凍庫的冷凍過程中, 冰存物的凍結總熱負載為 : QF = Q1 + QL+ Q2 kcal 故每小時的熱負載量為 & QF QF = kcal / hr 24 一般作為凍結用冷凍庫講求庫內的空氣循環, 亦即庫內的熱傳機構, 要求將凍結物的熱量在某一定時間內帶走, 因此除冷凍負載計算外, 還要考慮庫內的熱傳機構, 圖 8.5 為一凍結用途的冷凍庫簡圖 而冷凍庫內的風道與空氣流速更是決定急速凍結的成敗與否 導風板 隔板 導風板 整流板組 台車 圖 8.5 凍結用冷凍庫 圖 8.6 為一風道設計錯誤的凍結庫, 雖然只是風扇擺放位置的問題, 但是由於凍結用的軸流扇風力相當強大, 再加上導風板的作用, 於是極容易於庫內形成窩形氣流, 結果蒸發器上方風速極大, 而下方空氣通過速度相當緩慢, 造成蒸發器下方結霜相當嚴重, 而最後致使蒸發器效率無法發揮 導風板 隔板 導風板 整流板組 空氣流動緩慢區 台車 圖 8.6 冷凍庫內風道循環不良的情形 8-16

174 對於凍結庫的設計, 熱負載量正確計算僅只是凍結成功的一部份, 最重要的成敗關鍵是在庫內的風速與熱傳機構設計 例如同樣是 100kg 相同品溫的豬肉, 把它堆疊在一起或是一大塊方式與 成薄片方式進行凍結, 所計算出來的熱負載量都是一樣, 但是所獲得的凍結時間卻大不相同 因此在設計凍結庫時, 必須要針對庫內的熱傳機構去進行凍結時間估算, 千萬不可以由熱負載的總量直接除以所用壓縮機的能力, 就斷定會在多少時間內凍結 這是必需要特別注意的地方 關於凍結部份的 細資料請參考 IQF 與食品冷凍工程相關書籍 於 8.4 節中將為各位介紹有關凍結時間的估算 保溫與少量凍結混用冷凍庫冰存物熱負載此一類型的冷凍庫最常發生在商用冷凍系統中, 在使用上較不在乎凍結時間的要求, 使用的行為模式有點類 大型的家用冰箱 而這種型態冷凍庫在熱傳設計上比較偏向保溫用冷凍庫, 只是在計算冰存物熱負載時, 不能以零來計算, 要以凍結庫的冰存物熱負載計算 出風口 中間 隔板 置物板 導風調整片 控制盤 入風口 導風角 風扇馬達 圖 8.7 急速凍結推車 而此種形態的冷凍庫, 在庫內的風速設計上相當難決定, 如果風速過快, 容易造成儲存物的脫水情形, 影響冰存物的品質 而如果風速過慢, 對於凍結品的品質較差, 因此在這種情形之下通常較不講求凍結品質 可用置於冷凍庫內的凍結推車 如 8.7 圖, 此種凍結推車本身具有可調速之輔助風扇與定時裝置, 車體形成一密封區間, 擁有本身的氣流通道 待凍結物置於推車內部的凍結區, 可以依照所需要的風速與凍結時間進行設定, 由於推車引入冷凍庫內的 8-17

175 低溫氣流, 然後藉由輔助風車將氣流加速通過待凍結物品的表, 如此可以加強待凍結物品的熱傳, 而達到急速凍結的效果 由於凍結推車本身具有定時器, 因此當凍結時間結束後, 輔助風車停止, 推車內即進入保溫模式, 因此不會有強風吹拂而損壞凍結品的品質 此種凍結推車運用了混用庫預留的冷卻能力, 而在冷凍庫系統內自成一個急速凍結區, 對於商業系統應用上相當便利 特別是少量多樣的凍結狀況時, 使用凍結推車可以獲得最大的經濟效益 我們要再次地強調, 必須按照不同的用途來設計 使用冷凍庫 最好不要把保溫用冷凍庫又拿來當凍結用冷凍庫, 否則容易造成系統運轉不穩定並造成能源浪費 因此從能源觀點來看, 最好凍結有凍結專用的設備 凍結室 IQF 等, 而保溫有保溫專屬的冷凍庫, 這樣不但在使用上可以節省能源, 同時更能保證冰存物的品質 如果必須凍結與保溫混用的狀況, 又想獲得最佳凍結效果, 經濟的做法就是採用凍結推車 8.. 滲入外氣熱負載 由於冷凍庫要送冰存物入庫 出庫, 因此當庫門打開後, 外 的空氣會進入冷凍庫內, 由於外氣的溫度較高, 因此進入冷凍庫中將形成熱負載 這些滲入庫內空氣所造成的熱負載, 在計算冷凍庫熱負載時要一併估算進去 有些作業室基於需要還需引入外氣, 而這些空氣的熱負載也必須 細列入計算中 如果蒸發器表 溫度高於滲入空氣的露點溫度, 那麼滲入外氣對冷凍庫所造成的熱負載僅為顯熱負載, 所形成的負載也較小 不過, 這種外氣滲入只造成顯熱負載的機會實在太小了, 在台灣高濕環境中, 一般冷凍庫的蒸發器表 溫度較外氣的露點溫度要低, 因此滲入庫內的外氣, 除造成冷凍庫的顯熱負載外, 還造成潛熱負載 這也就是為什麼要儘量減少冷凍庫開門次數的原因, 如實在無法減少開門次數最好如圖 8.3 所示在冷凍庫前加裝一預冷室 由滲入空氣造成熱負載的主要原因有二 : 一為開門 ; 二為與強制通風 以 下 別就這兩個因素說明滲入空氣熱負載的計算方法 8-18

176 開門造成的滲入空氣熱負載由於開門時空氣流入, 將取代部份的庫內空氣 因此我們必須要估算每日流入庫內空氣的量, 以利熱負載計算 日本冷凍協會對於不同冷凍庫的容積與庫溫, 提出了每日因開門造成流入冷凍庫內空氣的估算量 其空氣量的估算如下式 : V = V z air in 其中 V air : 每日流入庫內的空氣量 V in : 庫體的內部體積 z: 每天的換氣次數 每日的換氣次數 z 值可以由表 8.4 獲得 : 表 8.4 冷凍庫容積與換氣次數 冷凍庫容積每日換氣次數冷凍庫容積每日換氣次數 m 3 10 ~ 0 之冷凍庫 0 以下之冷凍庫 m 3 10 ~ 0 0 以下之冷凍庫之冷凍庫 如果開門次數頻繁, 換氣次數取上表的兩倍, 如果為保溫用冷凍庫採上表換氣次數的 0.6 倍 因此可知, 當開門次數越多時, 空氣滲入造成的熱負載越大 當知道每天進入冷凍庫的空氣量以後, 再由外 空氣和庫內空氣的條件就可以計算出每天因開門造成的滲入枕氣熱負載, 其計算式如下 : 8-19

177 &Q air 其中 V = ( h h) ρ air air out o i 24 Q air : 滲入空氣熱負載 (kcal/hr) V air : 每日流入庫內的空氣體積 (m 3 ) ρ air-out : 外界空氣密度 (kg/m 3 ) h o : 外界空氣的焓值 (kcal/kg) h i : 庫內空氣的焓值 (kcal/kg) 空氣的焓值可由空氣線圖上查出 強制通風造成滲入空氣熱負載 當裝置強制通風的風扇時, 由風扇引入的空氣熱負載為 ( h h) Q& = V& ρ air air out o i 其中 Q air' : 強制引入的空氣熱負載 (kcal/hr) & V : 每日強制引入庫內的空氣風量 (m 3 /hr) ρ air-out : 外界空氣密度 (kg/m 3 ) h o : 外界空氣的焓值 (kcal/kg) h i : 庫內空氣的焓值 (kcal/kg) 故滲入空氣的熱負載為 Q& = Q& + Q& A air air' 庫內電器用品熱負載 在冷凍庫內通常裝有照明設備 風扇馬達 加熱器等等, 根據第 0 章的能量轉換原則, 這些電器用品所耗的電能會轉變成熱能, 變成冷凍庫內的熱負載 所以計算冷凍庫的熱負載時, 要估算庫內所有電器用品每天所使用的耗電量 此部份的熱負載可分為照明設備與動力設備所組成, 其計算方法分別說明如下 8-20

178 照明設備的熱負載在冷凍庫內為工作方便, 會加裝照明設備, 這些照明設備本身就是一個發熱體, 再加上安定器等的發熱量, 就形成冷凍庫內的照明熱負載, 其計算公式 如下 : Q& light W = light 086. n η 24 其中 &Q light : 照明設備的熱負載 (kcal/hr) W light : 庫內燈光的總瓦特數 (W) n: 每日開燈的總時數 ( 小時 ) η: 含安定器等發熱係數 ; 日光燈 η=1.25, 白熾燈 η=1 動力設備的熱負載 如下 : 部份的冷凍庫會在庫內加裝動力設備, 以輔助冷凍庫的運作 其計算公式 &Q power W = power f n 24 其中 &Q power : 動力設備的熱負載 (kcal/hr) W power : 動力設備的出力功率 (kw) f: 動力設備的發熱係數 (kcal/hrkw) n: 每日運轉總時數 ( 小時 ) f 值可由表 8.5 獲得 : 表 8.5 動力設備的發熱係數 電動機出力動力設備之發熱量 (kcal/hrkw) (kw) 電動機及風扇只有電動機在只有風扇在庫 均在庫內 庫內 內 0.1~ ~ ~ 詳細資料參閱表

179 如果只知動力設備的耗電瓦特數, 且此設備完全在冷凍庫中, 則動力設備的 熱負載可由下式估算 : &Q power W = power n 其中 &Q power : 動力設備的熱負載 (kcal/hr) W power : 動力設備的消耗功率 (kw) 860:kW 與 kcal/hr 的轉換係數 n: 每日運轉總時數 ( 小時 ) 故庫內電器用品熱負載為 Q& = Q& + Q& E light power 工作人員的熱負載 由於冷凍庫中需要工作人員進出搬運物品, 或從事其它工作, 而這些人員在庫內工作時會散發出熱量, 這些熱量在計算冷凍庫熱負載, 也必須考慮在內 冷凍庫內工作人員工作所造程的熱負載可以由下式計算 : &Q M = M q n 24 其中 &Q M : 工作人員的熱負載 (kcal/hr) M: 每日在庫內的工作人員數 q: 每位工作人員每小時之發熱量 (kcal/hr 人 ) n: 每日工作總時數 ( 小時 ) 表 一般來說工作人員的數量與冷凍庫的容積有關, 表 8.6 為工作人數之參考 8-22

180 表 8.6 冷凍庫與工作人數 冷凍庫容積 m 3 工作人數 250 以下 1 250~ ~ ~ 以上 每增加 250m 3 即增加 1 人 而每位工作人員的發熱量與庫溫的關係如表 8.7: 表 8.7 庫溫與工作人員發熱量 冷凍庫溫 發熱量 kcal/hr 人 總熱負載 整個冷凍庫的總熱負載 = 大氣熱負載 + 冰存物的熱負載 + 滲入外氣熱負載 + 庫內電器用品熱負載 + 工作人員的熱負載 但考慮安全係數, 這些加總後的總熱負載再乘以 1.1~1.2 的係數, 才是用來 選用冷凍庫能力的熱負載值 通常計算這些負載時, 大多以一天來做為計算的基底, 以求取在 24 小時冷凍庫所受的熱負載 在這裏我們要不厭其煩提醒讀者注意 : 冷凍庫在設計之前必須考慮 冷凍庫是做為保溫用 降溫用還是凍結 如果做為降溫與凍結用的冷凍庫還要特別注意冰存物與冷凍庫內空氣的熱傳問題, 因為這個問題將是決定冷凍時間的最主要因素 即使冷凍庫的能力足以應付所有進入冷凍庫的熱負載量, 但是冷凍庫內與冰存物間無良好的熱傳, 還是無法將冰存物在希望時間內降到所需的溫度 在一般凍結與半凍結混合存放或純凍結用途之冷凍庫, 由 8-23

181 於有大量的潛熱要帶走, 蒸發器氣流與庫內食品間熱傳越好, 熱量容易散到庫內, 庫溫往往比較高, 但食品的凍結速度快 ; 如果蒸發器氣流與庫內食品間熱傳差, 熱量不容易散到庫內, 表 上看來庫溫比較低, 但食品凍結速度反而慢 如光以庫溫來評斷一個冷凍系統的好壞實有失偏頗, 且有本 倒置之嫌 有關於冷凍時間的問題將於 8.4 節中討論 8. 保溫用冷凍庫的分類 日本冷凍協會針對不同的冰凍物特性將保溫用的冷凍庫 為 F C1 C2 C3 等級 而為儲存某些特殊產品, 還必須針對其特性控制溫濕度以及二氧化 碳 氧氣的含量 表 8.8 即為日本冷凍協會的保溫冷凍庫 級與其適合保存的物 品 由表 8.8 我們便可發現各類物品有一定的冷凍溫度需求, 並不是愈低愈好或 隨意設定, 且更不可能一個冷凍庫設計來冰存各種不同的食物 如果是做為降溫用途的冷凍庫, 必須要知道冰存物品的降溫特性以及其降 溫時間要求 如做為凍結用途的冷凍庫, 必須要知道冰存物品的凍結特性以及 其凍結時間, 這部份的計算較為複雜, 在第九章中介紹日本冷凍空調便覽所介 紹之凍結時間概估方法 讀者如有興趣可進一步參考食品冷凍工程或急速凍結 設備 IQF 等相關書籍 表 8.8 保溫用冷凍庫 級 項目保持溫度 ( ) 級別範圍標準溫度 冰 存 物 品 F(SA) 級 -20 以下 -23 冰淇淋 冷凍食品 C1(A) 級 -10~ 冰淇淋 ( 短期 ) 凍結魚 凍結肉 醃製鮭魚 醃製鱈魚 鱈魚卵 鹽魚卵 C2(B) 級 -2~-10-6 冷凍蛋 奶油 乳酪 火腿 鹹魚卵 鱈魚 燻製品 鱈魚卵 C3(C) 級 10~-2 0 乾魚卵 海苔醬 鮮魚 ( 短期 ) 卵 水果 蔬菜 生肉 牛奶 酒類 煉乳 茶 糕 毛皮品 纖維品 項目溫度級別 溫度,%RH 及其他冰 存 物 品 調溫調濕 10~15 4~ 米茶 CA 5~8 95~100% O 2 ~3% 蘋果等水果因品種 熟度的不同而異 CO 2 ~5% 8-24

182 8. 凍結時間估算 凍結時間的計算最主要是要考慮待凍結物內部的熱傳, 當然待凍結物本身的含水率 熱物性質都會有極大的關係, 除此之外, 待凍結物體的形狀也會影響熱量在待凍結物體內部的傳遞, 因此討論凍結時間的問題由形狀 別進行討論 但在閱讀本節之前讀者必須要先確認一點, 這些計算式僅作為估算凍結時間的參考, 並非由此計算式所得的結果就是絕對正確的凍結時間, 因為在凍結時物品的物性資料與庫內的溫度 氣流 佈並不容易掌握, 因此可以由此一計算式尋找出約略的凍結時間值, 再加上相關的經驗資料修正, 比較容易掌握到約略的凍結時間 這些凍結時間的計算推導過程較為繁雜, 在此僅就結果說明, 推導過程不進行說明 以下的凍結時間計算方式摘譯自日本冷凍空調便覽, 各位讀者如果對於凍結時間想要進一步了解, 可以參考日本冷凍空調便覽或是 ASHRAE 手冊冷凍篇 Refrigeration, 2010 第 20 章 8.. 板狀凍結時間估算 Z= t a ρ h h + 8t α λ 其中 Z: 凍結所需時間 小時 h: 凍結物的厚度 m t a : 凍結品的初溫 t: 凍結品的平均溫度與冷空氣的溫度差 ρ: 凍結的潛熱, 如下式所示 ρ= t m -t b γ ξ δ t m : 平均凍結溫度 t b : 凍結品的最終平均溫度 γ: 凍結品的比重量 kgf/m 3 ξ: 凍結品的含水率 σ: 凍結品的水份凍結率 λ: 凍結品的熱傳導率 kcal/mh α: 凍結品表 的熱傳係數 kcal/m 2 h 8-25

183 8.. 球狀物的凍結時間 球狀物體的凍結時間可以由下式來進行估算 : Z= t a ρ λ De λt ( De + α ) Z: 凍結所需時間 小時 t a : 物品在凍結前的溫度 ρ: 凍結的潛熱, 以下式來表示 { 8 + ( t t )} t m : 平均凍結溫度. m b γ. ξσ. t b : 凍結品的最終平均溫度 γ: 凍結品的比重量 kgf/m 3 ξ: 凍結品的含水率 σ: 凍結品的水份凍結率 σ=1-(t f /t b ) t f : 初凍結溫度 λ: 物品的熱傳導率 kcal/mh α: 物品外表 的熱傳速率 kcal/m 2 h t: 物品的平均凍結溫度 t m 和冷卻媒體 空氣或鹽水 的溫度 t 的溫度差 D e : 物品的大約直徑, 以下式來表示 De=2 ab/ a+b a: 物品橫 的高度 m b: 物品橫 的寬度 m 表 8.9 為各種魚類的 t f ξ γ λ 值 表 8.9 t f ξ γ 和 λ 的值 魚的種類 t f ξ γ Kgf/m 3 λ kcal/m h 鯖魚 鰤魚 鮪魚 參魚 秋刀魚 鯨魚 鯛魚 鯉魚 烏賊

184 當以空氣方式凍結時, 表 的熱傳速率估算如下式 : α=cα +3 kcal/m 2 h α C 之值如表 7.10 表 8.10 直徑 De 約 0.06m 時,α 值和熱傳導率以及補正係數 C 值 風速 m/sec α De(m) C 如果在流動鹽水中進行凍結, 其表 的熱傳導率可依下式求得 α= De λ =E(Re)n (Pr) m 其中 α: 流動中鹽水的熱傳率 λ: 鹽水的熱傳導率 Re: 雷諾數 Pr:Prandtl 數 E :n m 如表 8.11 表 8.11 Re n m E 0.1~ ~10, 有關於雷諾數與 Prandtl 數的計算以及定義可以參考流體力學以及熱傳學等 相關書籍 8-27

185 8.. 凍結盤的凍結時間 Z= ta ρ ' P ho R ho + t α λ' 其中 Z: 凍結所需時間 小時 ho: 凍結盤的厚度 m P R: 凍結盤的長度和厚度之係數 ρ : 凍結的潛熱, 如下式所示 ρ = t m -t b γ ξ ν δ t m : 平均凍結溫度 t b : 凍結品的最終平均溫度 γ: 凍結品的比重量 kgf/m 3 ξ: 凍結品的含水率 ν: 充填率, 即盤中物品重量與盤中填滿物品重量之比值 σ: 凍結品的水份凍結率 σ=1-(t f /t b ) t f : 初凍結溫度 λ : 凍結盤的熱傳導率 P R 之值由表 7.11 求得 α: 物品外表 的熱傳速率由表 7.12 求得 kcal/m 2 h 表 8.11 β 1 β 2 P R l o : 凍結盤長度 b o : 凍結盤寬度 h o : 凍結盤厚度而 β 1 =l o /h o,β 2 =b o /h o 表 8.12 風速 m/sec α

186 若凍結盤沒有凍結, 置入木箱後才凍結的情況, 因木箱的傳熱較差, 所需 凍結時間較, 這個比例隨凍結品的厚度或空氣的風速而改變, 大約需花費 1.2~1.4 倍的時間 8.. 接觸式凍結的凍結時間 Z= t a ρ b + b t α 8λ 其中 Z: 凍結所需時間 小時 t a : 物品在凍結前的溫度 ρ: 與板狀凍結的場合相同公式 λ: 已凍結物品的熱傳導率 kcal/mh b: 凍結物品的厚度 m t: 物品的平均凍結溫度 t m 和凍結板溫度 t p 之溫度差 1/α: 接觸 的傳熱抵抗 α 值隨接觸 的 壓而改變, 一般運用的值約為 20~90 kcal/m 2 h m 2 h /kcal 凍結時間的計算上有著許多的變數, 雖然在凍結時間的計算上可以理論方式來進行推算, 但實際食品的熱傳特性有時候並不容易掌握, 特別是在許多的調理食品上, 更有賴於經驗累積 因此如能在進行凍結工程設計時, 將每一個條件仔細記錄, 並於試車的過程中, 將調整狀況以及凍結情形逐一記錄, 將有助於日後對於凍結時間的估算 8-29

187 這到底是那一種用途的冷凍庫??? 8-30

188 第九章冷凍負載的計算與設備選用 現在我們開始計算一個冷凍庫熱負載的例子 本章依第八章的 類方式 別對這些熱負載做計算 當然, 我們首先要知道這個冷凍庫要做什麼用 冰那些東西 庫內溫度多少 每天的入庫量有多大 開門次數 庫內的電器用品量 工作人員每天在庫內工作的時數以及人數 因此我們建議, 在做冷凍庫的熱負載計算前, 應要求將下表填妥確認後, 再開始做計算 客戶 : 日期年月日 條 件 性 質 庫內條件 %RH 冰存物品 庫外尺寸 庫體 積 庫外體積 庫內尺寸 庫內 積 庫內體積 其它要求 L m W m H m m 2 L W H= m 3 L m W m H m m 2 L W H= m 3 儲存量 每日入庫量 入庫品溫 冷卻時間 kg kg 小時 為方便以下各熱負載的計算說明, 假設有以下這樣的冷凍庫 : 客戶 : 日期年月日 條 件 性 質降溫與保存 庫內條件 0 85%RH 冰存物品蘋果 庫外尺寸 庫體 積 庫外體積 庫內尺寸 庫內 積 庫內體積 L20m W9m H4m 592 m 2 L W H= 720 m 3 L m W m H m m 2 L W H= m 3 其它要求冷凍庫置於室外, 儲存量 每日入庫量 入庫品溫 冷卻時間 無強制通風 4,000 kg 1,000 kg 小時 9-1

189 開始計算冷凍庫熱負載前, 我們依 8.1 節的思考流程來看一看這個應用例究 竟是屬於那一種冷凍庫 1 是保溫 凍結還是降溫用冷凍庫? 降溫與保溫混用 2 冰存物為何, 其特性如何? 蘋果, 具有呼吸熱, 庫內氣流不可過 強, 屬高濕度儲存 現在很明顯地, 這個冷凍庫所需要的特性已十 清楚了, 現在可以開始進 行熱負載的計算了. 大氣負載 庫內條件 :0 85%RH 庫外條件 :33 75%RH 由表 8.2 得 庫體 積 :592 m 2 如庫體採用由 90mm 0.09m 的保麗龍與 30mm 0.03m 的軟木所組合而成 K 值的計算 : 1. 熱對流係數的決定 查表 8.3 由於庫體置於屋外, 因此選屋外空氣的熱對流係數為 h o =10 kcal/m 2 hr 庫內有小風量的冷卻循環, 故選庫內空氣的熱對流係數為 h i =25 kcal/m 2 hr 一般非凍結用冷凍庫取此值即可 2. 熱傳導係數的決定 90mm 保麗龍的熱傳導係數為 k 1 =0.026 kcal/mhr 30mm 軟木的熱傳導係數為 k 2 =0.04 kcal/mhr 3.K 值的計算 由 節的公式計算 K 值 庫內外表 積相近, 捨去 積項 K = L L h k k h = o =. kcal / m hr C i 9-2

190 庫內外的溫度差 T=33-0=33 庫體面積 A=592m 2 外氣熱負載的計算 由 節的熱傳公式 &Q C = K A T 將 K A T 等值代入得 Q &. C = kcal / hr 故本應用例中的大氣負載為 4490kcal/hr. 冷凍物的熱負載 冰存物 : 蘋果入庫溫度 :30 冰存溫度 :0 每日入庫量 :1,000 kg 庫內儲存量 :4,000 kg 由於此應用例為降溫與保溫混用的冷凍庫, 因此除降溫熱造成的熱負載 外, 還要考慮儲存蘋果呼吸熱 由表 8.1 可查出蘋果凍結點為 -1.5, 保存溫度 未低於凍結點, 故僅有顯熱負載 表 8.1 查出蘋果的比熱為 0.87kcal/kg 未凍 結, 呼吸熱每日每公噸為 242kcal 利用 的公式, 每天送入蘋果降溫之的 熱負載為 : Q1 = m Cp T1 Q =. = kcal ( ) 以本例而言, 最大的冰存量為 4000 公斤 最大負載時, 因此每天蘋果的 呼吸熱為 : 9-3

191 Q resp = 242kcal / 公噸日 = 968 kcal 所以每天的冰存物總熱負載為 : Q = Q + Q T 1 resp = = kcal 而每小時冰存物的熱負載為 : & QT QT = 1128 kcal / hr 24 因此冰存物的熱負載為 1128kcal/hr. 滲入空氣熱負載 庫內空氣 :0,85%RH 外界空氣 :33,75% 無強制通風 因此根據我們前 選用的庫板厚度 90mm+30mm=0.12m, 可以計算冷凍庫的內容積為 =651m 3 由換氣次數表 8.4 內差, 可得每日換氣次數約為 3.2 次因此每日換氣量為 =2080m 3 由空氣線圖可獲得外界空氣的焓值為 22.2 kcal/kg 庫內空氣的焓值為 1.9 kcal/kg 另由空氣性質可獲得空氣密度為 kg/m 3 所以滲入空氣熱負載為 : ( h h) Vair ρair out o i &Q A = + &. (.. ) Q = A = kcal / hr 因此, 滲入空氣熱負載為 2034kcal/hr 9-4

192 . 庫內電器用品熱負載 在本例中, 如裝設有 1200W 的日光燈, 每日開 3 小時 ; 且庫內裝有風扇馬達 出力為 2.0kW 蒸發機組風扇, 每日運轉 16 小時, 由表 8.5 可得 f 值為 1250kcal/hrkW 利用 的公式計算, 因此照明的熱負載 : Q& light W = light n η 24 = / =161 kcal/hr 動力的熱負載 : &Q power W = power f n 24 = /24=1667 kcal/hr 故庫內電器用品的熱負載為 1828kcal/hr 關於電動馬達的熱負載, 亦可由本章最後所附的電動馬達熱負載表 表 9.1, 直接查表估算. 工作人員的熱負載 根據前 計算的內容積為 651m 3, 查表 8.6 得工作人員數為 2 人, 冷凍庫的庫 溫為 0, 故由表 8.7 得每人每小時的發熱量為 240kcal 以每天每人在庫內工作 3 小時, 則工作人員的熱負載 : &Q M = M q n 24 = /24=60kcal/hr 因此工作人員的熱負載為 60kcal/hr 9-5

193 . 總熱負載的計算 大氣負載 4490 冰存物的負載 1128 滲入空氣熱負載 2034 庫內電器用品熱負載 1828 工作人員的熱負載 kcal/hr 取安全係數為 1.15, 故總熱負載為 10971kcal/hr=3.6USRT. 冷凍庫設備選用 我們在前 所計算的熱負載是否就可以用來直接做為選用壓縮機能力的依據呢? 答案是不可以的! 因為這些熱負載是一天內每小時所產生的熱負載量, 而在實際系統的運轉上, 壓縮機並不是 24 小時都在運轉 因為當蒸發器除霜時, 壓縮機是停止不動的 一般來說, 在冷凍系統中壓縮機每天運轉時間約取 16~18 小時, 而冷藏用取 18~20 小時的運轉時數 如果我們以前 的應用例而言, 熱負載量為 10971kcal/hr, 則每天的熱負載為 10971kcal/hr 24 小時 = kcal 如果壓縮機每天運轉 18 小時, 則壓縮機的能力應為 kcal 18 小時 = 14628kcal/hr 根據我們儲存物品的要求來決定蒸發器的 T.D. T.D. 的選用請參考第四章蒸發器的選用 如果在這個應用例中, 採用 T.D. 為 5.5 的蒸發器, 因庫溫為 0, 因此蒸發溫度為 -5.5 如果採用氣冷式的冷凝器, 由外氣溫度 33, 再由所選的冷凝器的 T.D., 便可求出冷凝溫度 因此由能力 蒸發溫度 冷凝溫度, 便可以找到我們所要的壓縮機. 降溫與保溫之冷凍庫能力速算法 如果是作為降溫與保溫混用之冷凍庫 如便利商店 超市之飲料櫃, 一般而言大部份為外氣負載與部份降溫負載, 因此部份組裝冷凍庫業者將冷凍庫能力與庫體的總表 積製成簡便圖表, 可以由庫體的總表 積很快獲得該冷凍庫所需的冷凍能力, 如圖 9.1 所示 此圖是以每日 15% 的新進貨為準, 如進貨量 9-6

194 能力 仟卡/小時 操作條件 : 以 32 的外氣溫度冷凝機組 75% 的運轉時間為準每日入庫量為總容量之 15% 庫門常開的情形或外氣溫度超過 37.8 正常條件下 如裝置玻璃門時 : 冷藏 : 每扇門加 152kcal/hr 冷凍 : 每扇門加 252kcal/hr 冷凍庫冷凍庫板總表面積 總 m m 2 2 含四面壁板 天花板與地板 圖 9.1 簡易冷凍庫附載估算圖 9-7

195 kcal/hr 圖 9.2 魚肉與豬肉保存庫簡易負載估算 所需的冷凍能力 適用物品 : 瘦肉 鮮魚庫溫 : : ~ 壓縮機運轉率 : % 每日入庫量 : 為總容量的 % 安全係數 : 庫外條件 :, %RH 風速 ec 庫內條件 : ~ %RH ~ %RH 庫體高 : c 庫板 :P 厚 c 冰存物比熱 : ca 入庫品溫 : 冷凍庫內部坪數 kcal/hr 圖 9.3 包裝冷凍食品與冰淇淋保存庫簡易負載估算 所需的冷凍能力 適用物品 : 冷凍食品 冰淇淋庫溫 : : 壓縮機運轉率 : % 每日入庫量 : 為總容量的 % 安全係數 : 鮮蝦奶油通心粉 冰淇淋 庫外條件 :, %RH 風速 ec 庫內條件 : 庫體高 : c 庫板 :P 厚 c 冰存物比熱 : ca 入庫品溫 : 冷凍庫內部坪數 9-8

196 kcal/hr 圖 9.4 米與蔬果保存庫簡易負載估算 所需的冷凍能力 適用物品 : 白米 花生 蔬菜 柑橘類等庫溫 :+ : 壓縮機運轉率 : % 每日入庫量 : 為總容量的 % 安全係數 : 庫外條件 :, %RH 風速 ec 庫內條件 :+ ~ %RH 庫體高 : c 庫板 :P 厚 c 冰存物比熱 : ca 入庫品溫 : 冷凍庫內部坪數 kcal/hr 圖 9.5 乳製品與啤酒保存庫簡易負載估算 所需的冷凍能力 適用物品 : 牛乳 起士 啤酒庫溫 :+ : 壓縮機運轉率 : % 每日入庫量 : 為總容量的 % 安全係數 : 庫外條件 :, %RH 風速 ec 庫內條件 :+ ~ %RH 庫體高 : c 庫板 :P 厚 c 冰存物比熱 : ca 入庫品溫 : 冷凍庫內部坪數 9-9

197 超過此值時要稍微加大所選的能力 圖 9.2~9.5 為規格化的冷凍庫速算圖, 以庫 體高為 240 公 的冷凍庫內部坪數作為基準, 請讀者使用時注意 運用這些圖表 時要特別小心其限制條件, 不可斷章取義, 否則容易造成能力估算錯誤. 另一商業應用例的計算 例 我們在結束這一章以前, 再來看一看台灣傳統市場肉販的冷凍櫃計算應用 客戶 : 日期年月日 條 性 質凍結, 保溫混用 庫內條件 %RH 冰存物品豬肉 庫外尺寸 庫體 積 庫外體積 L3.6m W1.8m H2.2m 36.72m 2 L W H= m 3 儲存量 每日入庫量 豬肉 1,000 kg 豬肉 300 kg 件 庫內尺寸 L3.4m W1.6m H2m 庫內 積 30.88m 2 庫內體積 L W H=10.88m 3 入庫品溫 冷卻時間 小時 其它要求冷凍庫置於室外, 無強制通風 這是一個典型的台灣商業冷凍常遇到的問題, 保溫用的冷凍庫又要兼做部 份凍結用 經過了前 幾節的例題練習以後, 我們直接來計算這一個冷凍庫的 熱負載量 大氣負載選用 PU 保溫材, 熱傳導係數 k 為 0.023kcal/mhr, 厚度為 10 公, 屋外空氣熱對流係數 h o =10 kcal/m 2 hr, 庫內空氣熱對流係數 h i =25 kcal/m 2 hr 以保溫為主, 總熱傳係數 K= kcal/m 2 hr 庫內外溫差 33-(-18)=51 庫體 積 36.72m 2 故大氣負載 = =417.2kcal/hr 9-10

198 冷凍物熱負載 每日入庫熱負載由表 8.1 查得豬肉的凍結點為 -2, 凍結前比熱為 0.51kcal/kg, 凍結後比熱為 0.32kcal/kg, 凍結潛熱為 30kcal/kg, 由於在一天內降溫至凍結狀態, 因此呼吸熱不予考慮 最後以安全係數加總 降溫熱負載為 =15816kcal 庫存熱負載由於庫存物品皆已凍結, 故無呼吸熱, 庫存熱負載為 0 冷凍物的每小時熱負載為 15816/24=659kcal/hr 滲入空氣熱負載此一冷凍庫無強制通風故僅有因開門而造成空氣的滲入負載 庫內體積 10.88m 3 由表 8.4 查出每日換氣次數約為 24 次, 但由於此種冷凍庫開門次數相當少 僅進貨與出貨時才開門, 因此乘以 0.6, 次數為 14.4 次 由空氣線圖查出外氣的焓值為 22.2kcal/kg 庫內空氣焓值為 -16.5kcal/kg 另由空氣的性質查出空氣密度為 kg/m 3 故滲入空氣熱負載為 =7010.3kcal 每小時的滲入空氣熱負載為 /24=292.1kcal/hr 庫內電器用品熱負載此一冷凍庫裝有一隻 40W 的日光燈, 每日約開 1 小時, 故照明熱負載為 ( )/24=1.8kcal/hr 設蒸發機組的風扇馬達出力約為 0.1kW, 每日運轉 16 小時, 由表 8.5 查得 f 為 1435kcal/hrkW, 故其熱負載為 /24=95.7kcal/hr 庫內電器用品熱負載為 95.7kcal/hr 9-11

199 工作人員熱負載此一冷凍庫平均每日有一人在內工作約 1 小時, 由表 8.7 可查出工作人員發熱量約為 345kcal/hr, 故工作人員熱負載為 345 1/24=14.4kcal/hr 總熱負載為 ca, 取安全係數 1.1, 故熱負載約為 1630kcal/hr 設備的選用如每天壓縮機運轉 16 小時, 應選用能力為 /16=2445kcal/hr 的壓縮機 由圖 6.1 低溫專用壓縮機的性能圖中可查出, 冷凍循環為蒸發溫度 -23.5, 冷凝溫度 48.9, 此時壓縮機的能力約在 2650kcal/hr, 故可選用此壓縮機 蒸發器選用蒸發溫度 -23.5,T.D. 為 5.5, 能力為 2650kcal/hr, 冷凝器選用 T.D. 為 14, 能力為 4886kcal/hr 請注意, 在這個例子的計算與設備選用的過程中, 並未對庫內的熱傳機構做一考慮, 此一系統的能力僅為庫內在最完美熱傳情形下所需要最小的冷凍能力 如果有一天, 豬肉入庫量突然增加到 600 公斤時會發生什麼狀況? 由於我們的冷凍庫設計是根據每日入庫 300 公斤的量來計算, 如增加到 600 公斤的入庫量其每日的熱負載量增加為 kcal, 如果以原先使用之壓縮機則必須連續運轉 29 小時以上才有可能將庫溫拉低, 因此使用冷凍庫時必須 記入庫量一定要按當初設計值入庫 其實在這種商用的冷凍庫, 由於凍結與保存混合使用, 因此在設計庫內的氣流機構時, 便會使設計者發生兩難的問題 如以凍結做考慮時, 會增加庫內氣流裝置的成本 ; 但如以保溫來設計的話, 當業主把它當凍結用時, 又會發生凍結不良的情形 因此如何取其平衡點, 就有賴於與業主的溝通了 9-12

200 表 9.1 電動馬達熱負載 馬達額定值 馬力 W 馬達形式 額定轉速 p 全載馬達效率 % 馬達與馬達驅動設備皆在冷凍庫內 ca 馬達在庫外, 馬達驅動設備在庫內 ca 馬達在庫內, 馬達驅動設備在庫外 ca 閉極式 閉極式 閉極式 閉極式 電容起動式 電容起動式 電容起動式 相 相 相 , 相 ,623 1, 相 ,376 1, 相 ,905 3, 相 ,720 4, 相 ,534 6,173 1, 相 ,188 9,625 1, 相 ,740 12,825 1, 相 ,218 16,026 2, 相 ,595 19,238 2, 相 ,725 25,701 3, 相 ,034 32,001 3, 相 ,340 38,553 4, 相 ,419 48,127 5, 相 ,309 64,258 7, 相 ,950 80,128 8, 相 ,832 96,256 9, 相 , ,256 12, 相 , ,258 15,850 改編自 2010 年 ASHRAE Refrigeration Handbook

201 保溫用與凍結用的冷凍庫其冰存物的熱負載計算有何分別? 9-14

202 第十章冷凍庫注意事項. 冷凍時間 在這裏我們要再度強調的一點, 在計算冷凍庫的冷凍能力其 正的意義是指將進入冷凍庫中的熱負載量移去到某一個程度 溫度 而言 意指庫內在良好完美的熱傳狀態下, 庫內的冰存物能達到所希望到達的溫度 在整個冷凍庫能力的計算中, 是以進入到冷凍庫區間的熱負載而言, 但是對於 冰存物到冷凍庫間的熱傳並未計算 在降溫與凍結用途的冷凍庫中, 計算冰存物與冷凍庫間的熱傳是相當重要的, 因為這個計算是決定冷凍時間的重要因素! 熱 維持 5 維持 5 熱熱 庫內空氣流動速率 熱 冰存品表面與庫內冷空氣間的熱傳速率 冷凍能力 總熱負載 熱 冰存品內的熱傳速率 冷凍能力 : 將庫內熱量移走使庫內維持一定溫度 冷凍時間 : 由冰存品內的熱傳 冰存品表面與冷空氣的熱傳 庫內空氣的流動速率所決定 圖 10.1 能力與時間的比較. 影響冷凍時間的因素 影響冷凍時間的重要因素為以下幾點 :. 冰存品內的熱傳速率 : 如果冰存品內的熱傳導性好, 那麼很容易便將內部的熱量傳送到物體的表, 再經 庫內的冷空氣帶走, 物品內部便能很快達到低溫. 物品與空氣間的熱傳速率 : 當物品內部的熱傳到表 時, 便需靠庫內的空氣帶走, 因此如果物品與空氣間的熱傳速率不佳, 即使冰存品內的熱傳速率好, 也無法將冰存品的溫度很快降低 10-1

203 . 物品的包裝方式 : 如果物品表 有所包裝, 這層包裝物將造成物品與冷空氣間的阻抗, 因此如果包裝物的材質的熱傳性質差, 那麼將阻礙物品內部的熱量傳出, 冷凍時間也因此拉長. 冰存品表面的氣流速度 : 如果物品表 的氣流速度快, 當然物品與空氣間的熱傳速率會提高, 但 於一些未包裝的農畜產品很容易因較強的冷風速而產生脫水現象 故流過冰存品表 的氣流速度要根據冰存品的特性以及熱傳需求來決定. 庫內氣流的分佈 : 如果庫內的氣流 佈不平均, 那麼有可能造成庫內溫度低, 可是冰存物品間空氣溫度高的現象 而發生此種問題也將造成冰存物冷凍時間拉長, 甚至無法達到所希望的品溫 因此設計冷凍庫時要注意庫內氣流的 佈是否均勻, 物品的堆疊方式是否阻礙了氣流的通道 於各種冰存物的特性不同, 冷凍時間的計算請參考 8.4 節或查閱市 上有 關食品冷凍的書籍. 使用冷凍庫注意事項 當冷凍庫依規格完成製造後, 在使用上應注意下列事項 :. 是否按照當初設計的入庫量進貨? 超過原設計值的進貨量將使冷凍庫超載, 冷凍至所需品溫的時間會拉長 ; 超量過多時, 甚至完全無法達到要求的品溫 進貨量少時, 冷凍至所需品溫的時間將會縮短. 貨品儲存量是否按照當初的設計值? 在具有呼吸熱的冷凍庫中, 超過原設計值的存貨量將使冷凍庫超載, 冷凍至所需品溫的時間會拉長 ; 超量過多時, 無法達到要求的品溫. 入庫品溫是否與當初設計值相同? 超過原設計的入庫品溫, 將使冷凍至所需品溫的時間會拉長 反之, 較低的入庫品溫, 將使冷凍至所需品溫的時間會縮短 同時也要注意含水量或包裝形式是否相同, 否則也會發生降溫時間過長或是蒸發器結霜量過大而無法將負載有效移除. 開門頻度是否過高? 儘量減少開門次數, 過多開門次數將造成滲入空氣的熱負載增加, 使冷凍庫超載, 同時也易於蒸發器上結霜, 增加除霜時間 10-2

204 . 物品堆置是否恰當? 物品的堆放不可阻礙氣流通道, 以免妨礙庫內熱傳效果. 包裝材是否隔熱或物品過厚? 凍結用途的冷凍庫, 冰存物品的包裝儘量以熱傳導性高的材料包裝, 且物品不宜太厚, 否則易延長食品凍結時間. 冷凍庫故障排除 表 10.1 常見冷凍庫故障原因與排除 故障情形原因解決對策 1. 降溫過慢 a. 負載超過原先設計值 a1. 減少庫內冰存物的存量與入庫量 a2. 檢查庫內是否熱源過多 燈 電動機一直未關閉 a3. 入庫品溫過高, 應先將冰存物預冷 a4. 入出庫過於頻繁, 檢討作業程序, 降低開門次數 a5. 冰存物內容與原先設計不同, 重新計算熱負載, 降低入庫量與冰存量 b. 庫內氣流不良 b1. 改善冰存物的堆疊方式 b2. 檢討冷凍庫內氣流設計 2. 冬季正常, 夏季發生問題 c. 冰存物的包裝材質具保溫效果 a. 負載計算不正確 b. 入庫量增加 c. 冷凝器選用不當 c1. 改善物品包裝材質 a1. 未以夏季的最嚴苛外氣條件計算, 重新檢討系統設計 a2. 入庫品溫過高, 應先預冷至原設計值 b1. 依原設計之入庫量進貨 c1. 選用的冷凝器過小, 造成夏季之散熱能力不良, 重新檢討冷凝器之選用 冷凍庫的冷度不夠? 我看是你塞太多東西進冷凍庫吧! 10-3

205 . 農產品保存注意事項 隨著貿易程度的提高, 進口農產品量逐年提升, 對於農產品的保存也日益重要 農產品在採收後, 細胞仍然處於活的狀態, 並繼續進行呼吸作用, 所以農產品的保鮮並不只是控制好溫度 濕度即可, 有時甚至要注意保鮮庫內空氣的成份, 避免催熟氣體過多, 造成蔬果提早熟成而縮短保鮮時間 於每種蔬果的成份不同 生長條件互異, 因此每一種蔬果保鮮條件不完全相同, 這是在農產品保存必須要特別注意的地方 本節中將就基本的農產品保存注意事項作一個概括性的介紹, 如果讀者要進一步了解相關資料, 可以參考市 上出版的食品冷凍工程或加工方 的書籍 採收 呼吸作用進行 未熟 活細胞, 具呼吸作用 呼吸作用進行 完全成熟 活細胞, 具呼吸作用 呼吸作用進行呼吸作用進行 腐爛 細胞死亡 過熟 活細胞, 具呼吸作用 圖 10.2 農產品採收後的生命過程.. 呼吸作用 在表 7.1 中我們可以看到食品特性表中有呼吸熱量這一個項目, 這是因為農產品在採收後, 細胞仍處於具有生命的形態, 為維持生命的生長, 在植物體內會進行複雜的新陳代謝作用, 來獲取必要的能量 將體內的醣類經過一連串的生化作用來取得維持生命的能量 在這個過程中, 可以 下 簡化後的化學式來說明此一現象的進行 : C 6 H 12 O 6 +6O 2 6CO 2 +6H 2 O+ 能量 熱量與成長所需的能量 此一過程即稱為呼吸作用 將體內的醣經過轉換後成糖再 解為二氧化碳 及水, 取維持生命的能量, 呼吸作用可認為是生物體內之生物化學反應的總 計 空氣中的氧是使植物體內有機物質氧化, 形成二氧化碳及水放出體 10-4

206 一般以呼吸量或呼吸速度來衡量呼吸的強度, 亦即以一定重量的植物在一定時間內所吸收的氧氣或所排出二氧化碳的重量或容積來評估呼吸強度, 通常是以 1 公斤的植物體在 l 小時內所吸收的氧或排出二氧化碳的毫克數來表示 水果類 蔬菜類的呼吸量隨著種類 品種 熟度不同而有所差別, 且當溫度上升時, 新陳代謝作用進行較快, 因此呼吸量增加 一般的農產品通常溫度每昇高 l0, 呼吸量平均增加約 2.4 倍 當溫度降至低溫時, 進入睡眠時期, 此時新陳代謝速度減緩, 呼吸作用變為極小, 利用低溫來保存蔬果就是這個道理 蒸散作用與呼吸作用一樣, 是植物的基本生理作用, 它藉著蒸散作用將水份散於體外 在農產品儲存時, 蒸散作用的程度可由其重量減輕的情形來判定, 它對於農產品品質影響甚大 蒸散作用會因農產品種類 品種 熟度的不同而異, 而且環境的溫度 濕度等條件的影響很大 農產品在採收後, 細胞為維持生命會繼續新陳代謝, 因此原本存在於體內的營養份被消耗供給其細胞的生長, 一旦養份被消耗後, 農產品的品質亦隨之下降 為了使農產品能長期儲存並維持其品質, 必須使其生理作用緩和 因此在實施農產品冷藏時, 對於其生理情形必須充分的瞭解, 才能妥善的處理, 以獲得優良的產品 農產品儲存前的處理 要獲得良好的農產品儲存, 在事前的前處理就必須做好 冷凍庫製造業者在承接儲存農產品的個案之前, 應事先與業主溝通, 建議其在儲存前先做一些處理工作或採收注意事項, 以免因儲存前的處理不當而發生儲存不良的問題 為了能使農產品長時間儲存, 當然必須選擇無病蟲害之完整果蔬, 有任何病蟲害或缺陷者都無法耐長時間的保存, 而且在收穫時必須要小心謹慎地處理, 不可傷及產品, 並儘可能避免在日正當中的高溫來採收, 造成失水 曬傷等問題 而如草莓等柔軟果類, 容易遇水發生腐爛情形者, 亦儘可能避免雨後潮濕的狀態下採收 經採收的蔬果類須儘早使品溫降低, 以維持優良的品質 一般而言, 未熟果的果內細胞仍具相當的成長空間, 與已成熟的水果 ( 細胞已開始進入衰老期 ) 比較, 會有較長的生命期, 因此未熟果的儲存性比過熟者要好 但是如採收過度未熟者, 由於已脫離果樹本體, 無法再由果樹吸收養 10-5

207 份成長, 成熟度差, 在儲存後水果的品質較差, 不受消費者歡迎 目前的熟度判定均是在採收時期, 憑經驗 外觀來決定, 尚無一定的最佳採收標準 一般是以較完熟程度稍前的階段為適合時期 有些水果在採收後有呼吸增加者, 此現象稱為轉變期的呼吸上升, 如蘋果 香蕉 洋梨等有追熟現象的水果類均會發生轉變期呼吸上升現象, 香蕉 洋梨在發生呼吸上升的同時, 外觀色澤 青綠色轉變成黃色可食狀態 在轉變期的最大呼吸上升後的短暫時間內為最適之生食階段 而橘子 葡萄等類的水果就沒有這種呼吸上升現象 如表 10.2 所示即為各種水果的呼吸模式 表 10.2 各種水果的呼吸模式 具有呼吸上升現象的水果蘋果 桃子 洋梨 香蕉 芒果 木瓜 蕃茄 香瓜 無呼吸上升現象的水果橘子 柳丁 檸檬 葡萄 鳳梨 蕃茄呼吸變化模式與外觀顏色及熟度有極密 的關連性存在, 此一關係可 圖 10.3 得知 有追熟現象的水果一般可 其呼吸變化模式瞭解其熟度, 但是轉變期的呼吸上升現象在樹上或採收後均會產生, 因此依種類不同, 也會有不與熟度一致的情形 在最大呼吸轉變期前與最大呼吸轉變期間為實施追熟儲存的最適熟度, 在該階段採收, 其儲存時間可延長到最大呼吸轉變期, 且儲存後可獲得品質最佳的產品 此可知, 有追熟現象的水果是較適合儲存 但是並不是說無追熟現象的水果就不能不能儲存, 只要注意熟度及採收時間, 無追熟現象的水果仍然可以做良好的保存 為能使各種水果能有效的儲存, 必須要考慮熟度及採收時間 呼吸量 二氧化碳 mg/kg/hr 呼吸量著色量 熟度 過熟完熟適熟半著色 割著色 儲存日數 圖 10.3 蕃茄採收後的呼吸與熟度變化 10-6

208 根莖菜類有休 的生理特性, 因此必須休 中採收儲存, 否則將容易產生發芽 長根現象 這類食品如能儲存在不適於發芽 長根的環境下, 則休 狀態可以延續而獲得較長儲存時間 Z Z Z Z 圖 10.4 根莖類蔬菜應於休 中採收.. 預冷 一般水果類 蔬菜類在採收時溫度高 因此新陳代謝速度相當快, 容易導致品質迅速下降 因此在採收後儘可能實施冷卻, 使其品溫下降 在儲存或運送之前 將青果物冷卻使其品溫下降的過程稱為預冷 有無進行預冷及預冷方法對於青果物的儲存期間影響很大 目前預冷為青果物儲存及運送上重要的過程之一, 在美國 於大量 長距離的運送 預冷為一不可欠缺的過程 一般來說預冷可 為下列三種方法 :. 空氣預冷法 : 強制使冷空氣循環的冷卻方法, 它可適用於所有的青果物, 冷卻速度較慢 一般冷卻時間須 4~8 小時, 但是冷藏室可兼用為預冷室為其優點. 冷水預冷法 : 以浸於冷卻水或噴撒冷卻水方式來實施預冷, 如芹菜 玉蜀黍 蘆筍 桃子等均利用這種方法來實施預冷 冷卻速度要比空氣預冷快, 其冷卻速度依其水溫 青果物品溫不同而有所差異 但是如草莓 葡萄等不適合浸水且易腐爛的水果, 便不適合使用冷水預冷法. 真空預冷法 : 利用在 空度極高的情況下, 利用水份蒸發而吸收青果物本身熱量, 達到冷卻的效果 一般常利於萵苣 芹菜及玉蜀黍等蔬菜類的預冷 其實施方法 依種類不同其處理條件亦異, 一般在絕對壓力 4.6 ~5.0mm 水銀柱下 一大氣壓為 760mm 水銀柱, 實 10-7

209 施 l0~30 鐘即達預冷的目的 此種方法並不適用於所有的青果物, 如蕃茄 香瓜等果形大, 且組織脆弱者就不適合使用此種預冷方式 以上所述之預冷法各有其特點, 青果物之預冷必須選擇適當的方法, 及合理的處理條件來實施預冷.. 農產品的儲存溫度 周圍溫度降低時, 蔬果類的呼吸及蒸散作用則轉弱, 相對地營養成份的消耗亦減少, 同時微生物的繁殖亦減弱 因此冷藏可以延長其儲存生命 通常蔬果的儲存溫度大都在 0 左右, 但是青果類食品對於低溫敏感度隨其種類不同而異, 敏感度大者, 其低溫耐性亦差, 當儲存溫度低於儲存適溫 比 0 高的溫度 則易發生低溫傷害, 造成儲存溫度低, 但儲存生命反而縮短的現象 此低溫傷害的症狀隨著農產品種類不同而異 如表 9.4, 產生低溫傷害的溫度亦依其種類 品種 栽培條件之不同而異, 一般熱帶 亞熱帶地區生產者較容易發生 該種傷害並非完全 於儲存於過低溫度而起, 它與冷藏前的溫度亦有關, 一般生長於較高溫度 如夏季 的青果物, 突然移至低溫下易產生嚴重的低溫傷害, 其主要原因可能與周圍環境突然改變造成生理上新陳代謝的異常有關 低溫儲存能延長蔬果類的儲存生命, 但是依種類不同, 每種蔬果的保存適溫不同, 因此不可任意地來降低溫度加以冷藏, 必須先考慮蔬果特性及熟度, 在適當的溫度下進行冷藏 即使是同一品種, 其冷藏適溫亦隨著栽培條件 成熟時的天氣 熟度不同亦有所差別, 造成低溫傷害的形式亦不同 因此要將蔬果進行良好的冷藏, 事前的考慮必須要周密而嚴謹 表 10.3 植物的低溫敏感度 大中小香蕉 檸檬 鳳梨 胡蘋果 桃子 橘子 洋葡萄 蘆筍 紅蘿蔔 花椒 甘薯 馬鈴薯 梨 李子 芹菜 萵苣 菜 豌豆豆 南瓜 夏產 蕃洋蔥 荷蘭芹 南瓜 冬茄產 10-8

210 表 10.4 蔬果之低溫傷害症狀 種類香蕉葡萄 美國 檸檬芒果西瓜橄欖橘子鳳梨南瓜茄子甘薯 症狀果皮變黑 追熟不良內部腐爛 水浸狀腐爛內部腐爛 果心褐變果皮灰色化 追熟不良內部腐爛 惡臭內部褐變內部腐爛 褐變追熟時暗綠色化腐爛腐爛內部腐爛 內部變色.. 農產品的儲存濕度 濕度條件與蔬果類蒸散作用有極密 的關係, 並直接影響品質與儲存時間 通常儲存濕度以 85~95% 相對濕度為適宜 當儲存室濕度高時, 蔬果的水份蒸散量減少, 因而避免因乾燥引起的品質下降, 但是相反地微生物的繁殖會因濕度的提高而加速, 造成產品的腐敗 如果儲存室濕度過低, 微生物繁殖速度降低, 但是容易因乾燥而降低產品的品質, 因此蔬果類必須在適當的濕度下儲存 在實際儲存中, 初期儲存時, 於蒸散作用的因素, 會有過溼的現象, 但隨著儲存時間的增加漸漸轉為乾燥, 因此冷藏庫內必須經常保持於一定的濕度, 才可防止儲存的蔬果失水 蔬果類的濕度條件隨著其種類不同而異, 而且未熟果蒸散量比成熟果要大, 而進入過熟階段後又再度增加 儲存過程中水份的蒸散量與蔬果類的品質有極密 的關係 如果水份量蒸散 5% 則很明顯地損失其新鮮度 依蒸散量 乾燥量 的不同, 一般蔬果類可區 為 A B C 三型,A 型者蒸散量少富有儲存性,B 型蒸散量稍大, 但是屬於 C 型蒸散量大的菇類 草莓 茄子及櫻桃則很難長期儲存 10-9

211 表 10.5 各類蔬果之蒸散量 A 型 蒸散量少, 儲存性佳 橘子 柿子 二十世紀梨 B 型 蒸散量稍大, 儲存性稍差 李 枇杷 葡萄 C 型 蒸散量大, 不適合長期儲存 菇類 草莓 茄子 櫻桃 濕度與蔬果類的呼吸作用亦有極大的關係 例如一般柑橘類 早採茄子等, 在多濕的條件下, 其呼吸作用較旺盛, 但是甘薯類則相反地在多濕的條件下, 呼吸作用較緩和 因此, 濕度對於植物之呼吸作用影響隨種類不同而異 對於一般的農產品而言, 乾燥可以抑制呼吸作用.. 冷藏庫的換氣 某些蔬果如蘋果 梨, 在成熟的過程中, 除了二氧化碳以外還會發出一些氣體 如乙烯氣, 這些氣體如果累積在冷藏庫內, 會對儲存的蔬果具有催熟作用, 因此如果儲存的蔬果會在庫內停留一段長時間, 必須對庫內進行適當的換氣, 以防止庫內催熟氣體的累積, 造成果物儲存期限縮短 作用的 氣 會散發催熟氣體的蔬果應裝置換氣設備 圖 10.5 換氣裝置.. 冷藏條件及儲存期間 如前所述, 蔬果類的呼吸作用及蒸散作用均隨著溫濕度條件的不同而改變, 因此必須儲存於最適的儲存條件才可以保持儲存品質 儲存性與溫濕度的關係並非是一成不變, 而是隨著種類 品種 栽培條件不同而有所差異 各種農產品的最適保存條件可參考表 8.1, 但必須考慮到台灣與日本農產品間的差異, 不可全盤引用 冷藏庫內蔬果類的包裝方式是以空氣循環良好為優先考慮原則, 一般的包裝方式是裝於透氣箱中 依蔬果種類不同其使用的容器及包裝方法多少有所不 10-10

212 同, 但其共通原則就是維持良好的空氣流通, 同時要避免冷空氣直接吹拂儲存 物, 減少蔬果的失水情形.. C.A. 儲存 蔬果類在空氣中行正常的呼吸作用, 空氣的組成概為氮氣 N 2 78%, 氧氣 O 2 2l% 二氧化碳 CO 2 為 0.03% 如果在改變空氣組成的儲存方法即稱之為 C.A. 英文原意為大氣控制 儲存 C.A. 儲存乃是將冷藏 減低氧氣含量, 以及增加二氧化碳含量三者做一適當組合的儲存方法, 因此又稱為 C.A. 冷藏 利用此種方法儲存者, 其品質變化比在普通空氣中冷藏者來得少, 儲存時間亦較長 在空氣的組成上, 氮氣對於儲存性的影響小, 而氧及二氧化碳的濃度則直接影響儲存物之儲存性 氧氣為植物生存所必要的, 如果空氣中無氧氣則植物將因無法呼吸而不能生存 但是如果適當減少氧的含量, 它們仍能行正常呼吸作用, 但其呼吸作用隨著氧氣濃度的減少而被抑制, 因而減緩新陳代謝的速度 人類自早期即知道, 二氧化碳對於植物的呼吸有抑制作用, 如果將二氧化碳隨氧氣之濃度減少而增加的話, 植物的呼吸則可有效地被抑制, 但是二氧化碳之濃度如果超過其臨界點亦會造成植物的窒息 蔬果類對於氧氣及二氧化碳之耐性 及產生窒息的臨界限點乃隨著種類 品種 熟度 栽培條件及儲存溫度不同而改變 C.A. 冷藏並非對所有的青果物均有效果, 因此必須選擇適合於 C.A. 冷藏的青果物, 並確立其儲存條件 目前採用 C.A. 冷藏的水果有蘋果 柿子 廿世紀梨等, 其他許多青果物尚在研究中, 在日本 經實用化的 C.A. 冷藏, 其儲存條件與效果如表 10.6 所示 請注意此表為日本國內的農產品資料其生產條件與國內多少有所差異, 因此只能提供我們做一個參考, 不可全盤引用 不論何種青果物,C.A. 冷藏之共同效果為追熟之抑制 綠色的保持 硬度的維持 酸減少的抑制 發芽及發根抑制 以及防蟲作用 且對於一些在低溫下容易產生低溫傷害的青果物可以說是有效的儲存補助方法 10-11

213 表 10.6 各種蔬果的 C.A. 儲藏條件 種類 溫度 濕度 %RH O 2 含量 % CO 2 含量 % 保存時間 效果 蘋果 -1.1~0 90~ ~9 個月品質保持效果大 二十世紀梨 0 85~ ~12 個月暗褐色 西洋梨 ~5 7~8 3 個月品質保持效果大 青梅 ~3 3~5 2 個月綠色保持效果大 香蕉 12~ ~10 5~10 6 週防止追熟 草莓 0 95~ ~10 4 週高濃度處理紅色色澤變好 蕃茄 6~8 -- 3~10 5~9 5 週 香瓜 個月 菠菜 週保持鮮綠 豌豆 帶莢 0 95~ 週 馬鈴薯 3 85~90 3~5 2~3 8~10 個月防止發芽 大蒜 0 85~90 3~5 3~5 7~8 個月防止發根 發芽.. 塑膠紙包裝儲存 塑膠膜對水蒸氣及氣體 二氧化碳 氧氣等 的透氣性隨著其種類及厚度有所差異, 若將青果物密封包裝於該塑膠膜中來儲存, 則 於青果物的呼吸作用而吸收袋內的氧氣, 排出二氧化碳而蓄積於袋內, 因膜的透氣性而使袋內的空氣組成保持在一定的比例, 可說是一種簡易的 C.A. 儲存法 因為以塑膠膜包裝法可簡單做到, 如再與冷藏法併用則為不失為保持蔬果類鮮度的有效方法 目前最普遍被使用的是高壓聚乙烯膜, 依其厚度不同, 膜內的氣體組成亦異 此種膜被廣泛利用於柿子 廿世紀梨 蘋果 橘等儲存, 可以作長期的儲存 但是目前塑膠膜均無法隨意地控制空氣的組成, 儲存時問過長時, 仍然會造成儲存物品質的損害 如果對於空氣組成改變, 或高濕度條件下易造成腐爛者, 則不適合使用該種塑膠膜包裝儲存法 這種情形可在包裝的袋上開小孔, 袋口不要完全密封, 使袋內空氣流通, 此方法為儲存以抑制水份蒸散為保鮮目的之青果物為主 10-12

214 .. 藥劑處理 以藥劑處理來儲存青果物的方法概 兩種 : 一為利用防腐劑來防止微生物生長 ; 二為使用植物賀 蒙生長調節劑來抑制呼吸 發芽及蒸散作用等生理調節而達鮮度保持的目的 如果僅靠藥劑處理很難達到長期儲存的目的, 因此大部 作為冷藏的輔助手段.. 蔬菜類冷藏傷害 蔬菜類於儲存中, 因受微生物之作用易致腐壞, 並其儲存法不適宜時, 亦 造成種種損害 以下為幾種蔬菜在冷藏過程中受損的原因與現象 包心菜 包心菜未經預備冷卻而即儲存時, 則花頭易變為褐 色 最好在採收後立即進行預冷作業 芹菜 -0.6~0 芹菜是非常容易受損傷的蔬菜, 如儲存條件不良則軟化而成水濕狀, 造成這種現象的原因, 是因為儲存前芹菜在 中被黴菌污染所致, 該黴菌在 l~2 的溫度仍具有良好的繁殖能力, 因此要阻止黴菌的生長, 則須保持於 1 以下的儲存環境 即芹菜冷藏溫度以 -0.6~0 為最佳的保存溫度 洋蔥 洋蔥在充 乾燥後冷藏, 以 0 為適溫, 冷藏室須有適當的通風, 因洋蔥具有一種氣味, 所以最好不要與其他青菜放於同一冷藏室 冷藏洋蔥的冷藏室, 如要冷藏其他物品時, 必須予充 通風, 儘量消除氣味, 並用石灰或其他的吸濕劑取去牆壁 天花板 地 的濕氣, 再塗佈油 10-13

215 漆 一般在冷藏洋蔥的冷藏室, 最好不要冷藏蛋 奶油及其他容易吸收氣味的物品 洋蔥頂部因為容易生長使洋蔥腐壞的黴菌, 而且該菌雖在 0 的低溫下亦 相當的繁殖力, 因此當洋蔥頂部, 發現有此類黴菌時, 則應立即將其 除避免其他洋蔥感染 玉米 玉米在於儲存前, 如 經過長時間的放置, 會 於 細菌的作用而帶酸味, 變成無法食用 堅果類 花生 核桃 去殼堅果保持在 2 以下可維持至下一生產季, 相對 濕度 65%~75% 保持在 9 以下可維持 6 至 9 個月, 相對 濕度 65%~75% 保持在 20 以下可維持 4 至 6 個月, 相 對濕度 65%~75% 但是如果堅果遭受細菌感染, 則儲存時將發生變化導致鮮 度受損 豆類 綠色或美國青豆 扁豆 綠色豆類或扁豆最佳的保存條件為 4~7 95%RH, 可以保存約一週的時間 雖然在這個條件為最佳保存條件, 但仍會有一些凍傷情形發生 當保存在低於 4 儲存 3 至 6 日後, 拿到市場出售時約 1 日或 2 日後, 豆類表 會發生黑斑或褐變 褐變通常會發在容器的中央, 因為此處容易有冷凝下來的溼氣 為防止枯萎現象, 濕度應保持於 90 至 95% 間 如果豆類是要再進行加工, 可以保存於 4 十天左右 豆類容器的堆疊應注意要使空氣能充 的循環, 否則因呼吸熱將造成溫度的上升 豆類儲存過久或儲存溫度過高將造成水溶狀或發霉腐爛 10-14

216 .. 水果冷藏 水果冷藏須將品質良好成熟度適當者, 細心採取並迅予收裝置入冷藏庫 如果採收後未立刻送入冷藏庫, 則須將冷藏保存期間縮短, 因為進入冷凍庫前的鮮度比剛採收下來的要差了 為了要使水果儲存庫容易管理起見, 堆積高度多設計在 8~9 英呎間, 而且果物於儲存於冷藏本室前, 必須先行預冷, 所以必須設置相當大的預備室, 作為一個溫度緩衝區間, 避免 儲存於本室內果物的溫度上升 同時此預冷室在出庫時, 可使果物 儲存室取出不直接與外氣接觸, 使其溫度得以慢慢上升, 避免溫差過大造成品質的下降 在水果急速預冷時, 果皮表 蒸發水份雖有重量減少, 以及果皮表 因水份喪失而產生輕微的斑疵, 但也因為水份的減少而降低黴所造成的損害 如何控制水果的預冷時間與環境, 必須針對所要冰存的果物進行實際測試才可找出最佳的預冷條件 普通果物預冷時間為 36~60 小時, 於此期間 於水份蒸發而使重量減輕約 0.5% 左右, 但是在長時間儲存時, 包裝水果的失重就相當大 故儲存室內相對濕度應保持於 80~90%.. 水果類於儲存中所發生的變化 水果於冷藏中, 於水份蒸發或 呼吸作用放出二氧化碳, 致導致重量減少, 使水果內部細胞發生傷害而變色 軟化 也有因為成熟水果表 上的種種微生物繁殖, 而使得水果於儲存中發生變化 而有些水果在儲存過程中會慢慢成熟, 成熟過程所釋放的氣體 如乙烯 會加速儲存水果的成熟速度, 如果沒有適當的換氣, 將使儲存室內的果物很快到達過熟, 而縮短儲存時間 造成水果儲存中發生變化的重要因素為儲存室內空氣的溫度 濕度 流動及清淨度 控制這些影響因素應取決於所儲存的水果種類, 以柑橘類為例, 大約控制在其凍結點至 25 的溫度範圍內, 則儲存中的腐壞率可減半 為防止水果於儲存過程因失水而收縮, 空氣的相對濕度保持於 80~90%, 但濕度過高時黴菌生長迅速 為防止黴菌的生長, 並使儲存室內的天花板及地 10-15

217 溫度均一, 應使冷藏庫內有適當空氣循環, 空氣的循環速度及流道應以避免損及水果為原則 適當的換氣可以將水果本身散發出來的催熟氣體排出, 減緩果物成熟速度.. 水果呼吸作用 水果類在儲藏中仍然進行呼吸作用而消耗氧氣, 散發二氧化碳及水份, 並伴以發熱, 因此儲存室內之空氣不僅漸漸污濁, 且容易因儲藏室內的二氧化碳濃度增高, 而對水果有催熟作用 而有些水果於成熟過程中會發出乙烯氣體, 乙烯氣體會加速水果的成熟速度 故為防止催熟氣 體的蓄積必須進行換氣 對於冷藏庫而言, 如果引進外氣將容易造成冷藏庫的負載增加, 如果將庫內要排出的空氣先與引進的外氣進行熱交換, 則可將冷能回收, 降低引入新鮮空氣所造成的負載 換氣量必須 二氧化碳及催熟氣體產生量來決定 水份 二氧化碳 氧.. 水果冷藏注意事項 桃及檸檬 桃的管理大體上與梨相同, 以在 -0.6~0 之冷藏溫度為適當, 於數週以上冷藏時則失去香味 檸檬在短距離輸送時, 以在 6.1~10 冷藏最適宜, 若在 4.4 以下時則發生有特殊臭味蒸氣 因此需要充 換氣, 如過度乾燥時, 則生收縮現象 儲存期間以 3 週至 l 個月左右為宜 香蕉一般以在熱帶或亞熱帶產之水果對凍結作用之耐力為特別弱, 所以香蕉不能凍藏, 而須施以較高溫度之儲存, 然香蕉亦 於種類致其儲藏溫度亦多少有所不同, 其綠色者以在 10-16

218 溫度 l2 儲存為適當, 但為使香蕉成熟則以在溫度 l6.5~20 濕度 95~90% 狀況下放置 7 日為宜 對於具有顏色者 則以在溫度 13.5, 濕度 80% 狀況下儲存為宜 香蕉儲存為於青綠色時, 採摘下來使其在冷藏庫內逐漸成熟的方法最常用, 其成熟速度則關係於換氣量 儲存溫度以 1.1~2.2 為最適溫度, 於溫度 4.4 漸漸成熟, 於溫度 0 表皮則成黑色 香蕉 輪船運輸時, 先於裝船之際保持於溫度 18.3, 於裝艙完畢後, 即行 1 小時的換氣, 以後在航海中每日早晚應換氣 2 次, 每次施行約 30 鐘, 其艙內溫度須急冷至 11.7, 後則需保持於該溫度 草莓草莓容易於儲存中失去香味, 因此較無法進行長時間之冷藏, 雖於溫度 0 時之儲存時間為 7 日, 但最長也不要超過 10 日 在保持於溫度 4.4 時, 可防止過度成熟.. 水果冷藏系統控制注意事項 水果在儲存過程中仍然繼續在進行呼吸作用, 屬於活體的狀態, 當然對於溫度的敏感度也就相當高, 特別是溫熱帶水果 如果設計冷藏庫以一般的冷藏庫方式設計, 僅利用一個庫溫控制開關來進行庫內條件的控制, 於此種方式單純靠壓縮機開 / 關 ON/OFF 方式進行, 庫內溫度變化如圖 10.6 所示, 上下溫度起伏相當大, 甚至會到達 0 的情形 對於溫度敏感的水果很容易就發生傷害, 例如常見的黑心蘋果事件 溫度 0 時間 圖 10.6 冷藏庫庫溫變化 採用一般溫度控制器 10-17

219 於水果會呼吸, 再加上庫內儲存量會因入貨 出貨而變化不定以及開門關門的次數, 使得庫內的熱負載上下起伏變動 如果純粹以庫溫的方式來進行控制, 那麼蒸發壓力很容易因熱負載的起伏變化而產生變動 當然, 蒸發壓力起伏變化, 也會影響蒸發溫度的變化, 所以 蒸發器所吹送出來的冷風溫度也會有較低溫 較高溫的情形 試想, 如果將蘋果一下子放在冷凍庫, 一下子放在冷藏庫, 讓蘋果處於忽冷忽熱的冷風中儲存, 品質很快就會受損, 黑心蘋果立刻就出現了 既然蘋果對於溫度的變化相當敏感, 我們就必須要使蘋果處於溫度變化小的冷風儲藏環境 因此對於儲存水果的冷藏庫, 最好加裝穩定蒸發壓力的蒸發壓力調節閥, 來維持穩定的蒸發壓力, 避免產生蒸發壓力不穩定, 造成庫內吹風溫度變化大, 而造成儲存水果的損害問題 蒸發壓力調節閥作用是在蒸發器的出口產生限流作用, 使冷媒蒸汽的量能夠與負載量相符, 藉此方式達到穩定蒸發器壓力的作用, 避免蒸發壓力過低, 造成出風溫度低, 致使冷藏物品受到凍傷 即使在系統上安裝了蒸發壓力調節閥, 卻仍然發生失敗的情形, 主要的原因不外乎有兩種 : 一為選用的蒸發器過小 ; 另一個主要原因是不會調整蒸發壓力調節閥. 蒸發器過小如果系統的蒸發器選用不當, 選用的蒸發器過小 相對於壓縮機能力 時, 為了達到該冷藏庫所要求的負載, 必須要降低蒸發溫度, 以較低的出風溫度來達到所要的能力, 滿足熱負載需求 在出風溫度壓低的狀況下, 雖然整體庫溫看來是達到設計的要求, 但是對於儲存的蘋果而言, 卻一直飽受冷風的吹拂, 因此所獲得蘋果仍舊是屬於儲存不良的黑心蘋果. 蒸發壓力調節閥不會調蒸發壓力調節閥在出廠前即 設定妥當, 通常使用時不必要進行調整 但是有時候為配合蒸發器與壓縮機的能力必須要另行調整設定時, 調整方式請參看第五章 5.9 節蒸發壓力調節閥的調整方式 在對於溫度敏感度高蔬果儲存時, 一定要安裝蒸發壓力調節閥, 以避免儲存物受溫度的劇烈變化而造成損害 10-18

220 . 花卉的儲藏 現代因生活水準的提高, 對花卉的需求量也逐年增加 於花也是屬於生命體, 因此如何延長花的壽命對於花店來說是相當重要 早期花店中所販售的花都直接插在水桶中, 不斷地噴灑水份以維持花的鮮度, 但因台灣地處亞熱帶, 此種方式並不能維持太久的壽命 因此花店引進冷藏設備創造高濕低溫的環境, 來延長鮮花的壽命 儲藏鮮花與蔬果類, 溫度太高, 花朵容易盛開保存期限便縮短 ; 溫度太低, 將使得花朵凍傷, 造成不開花, 影響到花朵的品質 而濕度過低或風速過大, 容易造成花朵的失水, 造成品質受損 因此如何維持整個花卉的儲存環境是一門極大的學 問 高濕度冷藏庫請參照第四章 4.4 節 圖 10.7 應避免花直接受強風吹拂 表 10.7 即為美國冷凍空調協會 (ASHRAE) 建議的幾種花卉保存環境以及儲存期限, 此表中的儲存期限是以 保鮮的環境中移開後, 放置到店頭的冷藏櫃算起 此表中所建議的乾式包裝方式在一般的商業場所上較少使用, 但此種低溫乾式包裝能夠延長花朵的販售壽命 乾式包裝法是利用一防水汽外洩的容器將花朵密封起來, 於水汽不外漏幾乎沒有水 的損失, 因此不需要額外加水 如果花朵插於水中保存, 不可以太過擁擠, 並應排列在冷藏庫棚架上, 使空氣有足夠的通道循環 但是不可以使花直接受風吹拂 為維持花朵的壽命, 應使用乾淨的容器及水 有些花店喜歡將自 食用的水果也放冰花的冷藏庫中, 於部份的水果 如梨與蘋果 在成熟過程中會釋放出對花朵及綠色植物有害的氣體 如乙烯氣體, 這些氣體將造成 花使花朵早熟並使綠色植物落葉 同樣地, 綠色植物也不可以與 花共同儲放, 否則也會釋放出對花朵有害的氣體, 造成花朵品質受損 圖 10.8 水果不可與 花放置在同一冷藏櫃中 10-19

221 表 10.7 花卉儲存條件 花卉名稱 保存溫度 保存相對濕度 % 大約儲藏期限 包裝方式最高凍結點 花類水芋 ~95 1 週 乾式包裝 茶花 7 90~95 3~6 天乾式包裝 -0.8 康乃馨 -0.6~0 90~95 3~4 週乾式包裝 -0.7 菊花 -0.6~0 90~95 3~4 週乾式包裝 -0.8 水仙 0~0.6 90~95 1~3 週乾式包裝 -0.1 大麗花 ~95 3~5 天乾式包裝 梔子花 0~1 90~95 2 週 乾式包裝 -0.6 蒼蘭 2~5.5 90~95 1 週 乾式包裝 -0.3 蝴蝶花 含苞 -0.6~0 90~95 2 週 乾式包裝 -0.8 百合 東方種 0~1.7 90~95 2~3 週乾式包裝 -0.5 君影草 鈴蘭 -0.6~0 90~95 2~3 週乾式包裝 胡姬花 7~13 90~95 2 週 水 -0.3 牡丹 含苞 0~1.7 90~95 4~6 週乾式包裝 -1.1 玫瑰 含苞 0 90~95 2 週 乾式包裝 -0.4 鬱金香 -0.6~0 90~95 2~3 週乾式包裝 綠色植物類冬青 0 90~95 4~5 週乾式包裝 -2.8 月桂 0 90~95 1~4 週乾式包裝 -2.4 木蘭 1.7~4.4 90~95 1~4 週乾式包裝 -2.8 山杜鵑 0 90~95 1~4 週乾式包裝 -2.4 聖誕樹 -5.5~0 90~95 6~7 週 蔬菜 水果 花反正都是植物, 通通可以冰存在一起? 10-20

222 風扇馬達 扇葉 快速索引 在本章中我們提供快速索引的方式, 方便讀者對問題找出可能的原因 我們要強調的是由此找出問題的可能原因, 因為冷凍系統是由許多不同的元件所組合而成, 彼此環環相扣, 相互影響 不能僅由某一個元件發生的問題表徵, 就直接斷定問題發生的原因, 必須要徹底了解元件相互間的關係, 才能將真正造成問題的原因找出來 而一個冷凍系統的效率, 是由各元件效率與使用條件 系統平衡後的加成影響所造成 所以本章儘可能將問題發生的相關因素列出, 供讀者找出問題主因的線索 由此快速索引向前查閱文章時, 最好能將前後段相關的文 仔細研讀, 千萬不要斷章取義, 否則將失之偏頗 在本章中也附有幾個有趣的問題, 讀者可以先行回答這些問題, 然後再由 書中尋找答案, 看看自己對於這些問題是否有全盤的考慮 A- 1

223 項 目 相 關 章 節 頁 次 比熱 第 0 章 0-2 冷凍系統低壓側壓力 第五章 節 5-7 第五章 5.9 節 5-12 第五章 5.17 節 5-15 高壓側壓力 第三章 3.4 節 ~3.6 節 3-11~3-21 效率決定 第 0 章成績係數 0-5 第六章 6.1 節 6-1~6-7 第八章 節 8-23 故障排除 第十章 10.4 節 10-3 負載的計算 第八章 8.2 節 8-10~8-23 第九章 9.1 節 ~9.9 節 9-2~9-12 冬天可用夏天出問題第三章 3.5 節 3-15~3-17 第六章 6.1 節 6-1 第十章 10.4 節 10-3 冷凍庫分類 第八章 8.1 節 8-1~8-9 第八章 8.3 節 8-24 預冷室的作用 第八章圖 高濕度冷凍庫 第四章圖 凍結用 第八章圖 設計流程 第八章圖 冷凍庫能力 第九章圖 9.1~ ~9-9 冷凍時間 第七章 ~7-5 第八章圖 第八章 節 8-23 第八章 8.4 節 8-25~8-29 第十章 10.1 節 ~10.2 節 10-1~10-2 冷凍能力 第一章 1.2 節 1-3~1-9 第二章 2.6 節 2-10~2-11 第六章 6.1 節 6-1~6-7 第七章 7.1/7.3 節 7-1~7-4 第九章 9.8 節 9.9 節 9-6~9-10 冷媒 第 0 章 0-4 定義 第一章 1.1 節 1-2 管制 第一章 1.3 節 1-9~1-13 充填量 第二章 2.6 節 2-13 流速 第六章 6.4 節 冷凝溫度與壓力 第一章 1.2 節 1-7~1-8 第二章 2.6 節 2-10~2-11 第三章 3.5 節 3.6 節 3-18~3-21 第五章 5.6 節 5-17 第五章 5.20~5.22 節 5-22~5-24 A- 2

224 項 目 相 關 章 節 頁 次 冷凝器 安裝 第三章 3.4 節 3-12~3-13 選用 第三章 3.4 節 3-10~3-12 第三章 3.6 節 3-20~3-21 第六章 6.1 節 6-1 第六章 6.2 節 6-7 第六章 6.3 節 6-8~6-9 第九章 9.9 節 9-12 設計 低溫用 第三章 3.6 節 3-20 第六章 6.1 節 6-5~6-6 風扇馬達 第三章表 側風影響 第三章 3.4 節 3-17~3-18 腐蝕 第三章 3.4 節 3-14~3-15 花卉保鮮 第十章 10.6 節 10-19~10-20 乙烯氣體影響 第十章 10.6 節 食品保存 第七章 7.4 節 7-4 黑心蘋果 第十章 節 10-17~10-18 農產品保鮮 第十章 10.5 節 10-4~10-18 第八章表 ~8-8 CA 儲 第十章 ~10-12 退伍軍人症 第三章 3.7 節 3-24 配管 第六章 6.4 節 6-11 管路壓損 第六章 節 6-17 元件位置與配管 第六章 節 6-20 蒸發溫度 第 0 章壓力與溫度的關係 0-6 第二章 2.6 節 2-10~2-11 第四章 4.4 節 4-13~4-17 第六章 6.1 節 6-1~6-7 第六章 6.3 節 6-8~6-9 蒸發器選用 第四章 4.4 節 4-12~4-18 第六章 6.2 節 6.3 節 6-7~6-11 第九章 9.7 節 8-6 第九章 9.9 節 9-10~9-12 分佈頭 第四章 4.3 節 氣流 第四章圖 風扇馬達 第四章表 焊接 第四章 4.4 節 4-21 結霜與除霜 第四章 4.1 節 ~4.2 節 /4.3 節 4-2~4-10,4-12 結霜不平均 第四章 4.4 節 4-23~4-24 風速 第七章 7.6 節 7-5~7-7 減少失重設計 第四章 4.3 節 4-17~4-18 A- 3

225 項 目 相 關 章 節 頁 次 膨脹閥 選用 第五章 節 5-4~5-8 功能不佳原因 第五章 節 5-10~5-15 冷媒供應量過多 第五章 節 5-12 冷媒供應量不足 第五章 節 5-13 過熱度震盪 第五章 節 5-15 壓縮機選用 第二章 2.6 節 2-9~2-14 性能的影響因素 第二章 2.2 節 2.3 節 2-5~2-7 第二章 2.6 節 2-10~2-14 第三章圖 第六章 6.1 節 6-6 高溫低溫壓縮機 第二章 2.6 節 2-12 第六章 6.1 節 6-1~6-7 壓縮機問題簡易診斷表 第九章 9.9 節第二章 2.6 節 ~2-19 顯熱與潛熱 第 0 章 0-2~0-3 第一章 1.1 節 1-1~1-2 第四章 4.3 節 第四章 4.4 節 4-16 第八章 節 8-12~8-15 第八章 節 8-18 這下把你搞定了吧! A- 4

226 問題精選 1. 降溫速度快, 就是好的冷凍系統? 第六章 6.1 節, 第八章 節 2. 冷凍庫降溫快就表示冰存物也具有相同的降溫速率? 第八章 節, 第十章 10.1 節 10.2 節 3. 氣冷式冷凝器的冷凝溫度可設計在 38? 第三章 3.4 節, 第三章 3.5 節 4. 冷凝器長度越長散熱能力越好? 第三章 3.3 節 A 5. 冷凝器的管排數越多散熱能力越好? 第三章 3.3 節 B 6. 蒸發器的鋁片最好完全將銅管包住, 才能有最好的熱傳效果? 第四章 4.3 節 6 7. 壓縮機的軸馬力越小表示越省電, 系統的效率也越高? 第六章 6.1 節 8. 冷媒量灌越多, 表示冷媒循環量越大, 系統的冷凍能力越好? 第二章 2.6 節, 第六章 6.3 節 9. 冷凍庫風越大, 表示冷度好, 更省能? 第七章 7.6 節 10. 冷凝器風扇馬達常壞掉, 是因為放置位的風水不好? 第三章 3.4 節環境與散熱器形式的選擇 別拿這些簡單的問題煩我! A- 5

227 參考資料 1. 王文博 胡興邦, 冷凍空調原理上 下冊, 民國 79 年 8 月, 承美科技圖書有限公司 2. 連錦杰, 冷凍原理, 民國 81 年 8 月, 五洲出版社 3. 連錦杰 蕭明哲, 冷凍空調實習 1~4 冊, 民國 77 年 9 月, 全華科技圖書有限公司 4. 張蓉台 曹永偉, 冷凍空調手冊, 前程書店有限公司 5. 何宗岳, 冷凍空調問題, 前程書店有限公司 6. 許守平, 冷凍空調原理與工程上 下冊, 全華科技圖書有限公司 7. 冷凍空調便覽, 日本冷凍協會 8. 冷凍空調手帳, 日本冷凍協會 9. 日本冷凍空調技術者測驗的手引, 日本冷凍協會 FUNDAMENTALS 冷凍空調手冊基礎篇, 美國冷凍空調學會 ASHRAE REFRIGERATION 冷凍空調手冊冷凍篇, 美國冷凍空調學會 ASHRAE 12.J. P. Holman,Heat Transfer 熱傳學第七版,McGraw-Hill Publishing Company. 13. 石渡憲治編 柯順隆譯, 冷凍自動化工程, 民國 61 年 4 月, 正文書局 14. 江善宗, 食品冷凍工程學上 下冊, 民國 78 年 6 月, 大中國圖書公司 15. 生鮮食品低溫運銷設備, 食品工業月刊社 16. 食品工程, 食品工業月刊社 17. 食品冷凍之原理與加工上 下冊, 食品工業月刊社 18. 黃俊山, 超市冷凍冷藏設備應用, 民國 80 年 8 月, 前程書店有限公司 19.Kays/London,Compact Heat Exchangers 緊緻型熱交換器第三版, McGraw-Hill Publishing Company. 20.Copeland 技術手冊 21.Tecumseh 技術手冊 22.Danfoss 技術手冊 23.Emerson 技術通報 24. 王啟川, 熱交換設計, 五南圖書出版股份有限公司,2007 年 6 月 A- 6

228 附錄 冷媒壓力與焓值圖 P-H 圖 本部分資料摘自 A H A a a 註 : 以下資料壓力皆為絕對壓力, 以壓力表讀值時需注意表壓與絕對壓力的換算

229 -

230 -

231 -

232 -

233 - a

234 - A

235 - C

236 - A

237 - A

238 -

239 - 水

240 - 二 化碳

241 本公司自行開發視窗版 一丞工具程式集 軟體光碟, 歡迎附回郵信封索取, 來函請寄至 : 高雄市大寮區大發工業區莒光一街 12 號一丞冷凍工業股份有限公司開發部收 一丞工具程式集軟體簡介 :1. 提供簡易負載與降溫 / 凍結時間估算 2. 可建立個人食品資料庫與個案計算資料檔案 3. 花卉保鮮資料 4. 可計算 點流程的空氣線圖 ( 無壓力與溫度範圍限制 ). 常用冷媒飽合性質表. 單位換算 光碟中另附有 EXCEL 格式之空氣性質計算表 氣冷式冷凍冷藏系統技術手冊 非賣品 編著者 : 一丞冷凍工業股份有限公司出版者 : 一丞冷凍工業股份有限公司 地址 :831 4 高雄市大寮區大發工業區莒光一街 12 號 版權所有翻印必究 如需引用本書內容請事先來函告知 中華民國八十三年八月初版中華民國八十四年四月修訂二版中華民國八十六年五月修訂三版 中華民國八十八年十一月修訂四版中華民國九十一年五月修訂五版中華民國九十五年十月修訂六版 中華民國九十九年九月修訂七版中華民國一 一年十月修訂修訂八版

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