大型冷藏倉庫用的冷凍機組換裝新冷媒經驗 原文刊載於一丞通訊 VOL.9. 997.0.. 前言 20 多年來,CFC 被指摘為破壞大氣 臭氧層的元兇, 因此在 995 年底已全面廢止生產對臭氧層破壞係數 (ODP) 極大的 CFC 冷媒 大型低溫凍藏倉庫 F 級 ( 室溫在 -20 以 ) 主要使用的冷媒為 R22 或 R502 在制定冷媒禁用法規之後,R502 成份 的 CFC-5 遭到禁用, 故 R502 亦無法使用, 目前僅存 R22 冷媒可因應現況 在蒙 婁 議書 996 年制定的法規, 明文規定 R22 等的 HCFC 於 2020 年必須全面停止生產 而 本方面對於 R22 法規的目標程序, 則規定 200 年就必須全面廢止 目前冷凍廠商當務之急便是尋找大型冷藏倉庫冷凍機組所使用的替 冷媒 球溫暖化問題 益嚴重, 在尋找替 冷媒過程, 必須選擇溫室效應低的冷媒 從 TEWI (Total Equivalent Warming Impact: 總合溫室效應 ) 觀點看來, 應極力抑制冷媒外洩, 並考慮回收冷媒, 而且應減少間接性的電力消耗以及能源消耗 本文針對臭氧層和 球溫暖化的問題, 擬採用 HFC 系冷媒 R404A 來替 R502 冷媒, 並開發大型冷藏倉庫 F 級用冷凍機組 LTS-FH 系列 ( 以 簡稱為 R404A 系列 ), 實現達到 R22 冷媒成績係數 (COP) 的等級 2. 替代冷媒的特性 替 冷媒 R404A 具備 R502 和 R22 的 性如表 所示 在尋找替 冷媒 HFC 時, 希望能具備以 幾點重要的 性 () 不會破壞臭氧層 ------ 臭氧層破壞係數 ODP 為 0 (2) 不會促使地球溫暖化 -------- 溫室效應係數 GWP 或 TEWI 都小 (3) 安全性高 -------- 毒性 燃燒性都低 : 無毒 / 不燃性 (4) 信賴性高 -------- 發熱與化 性都安定, 潤滑性, 耐久性 (5) 性能持性佳 -------- 冷凍能力,COP, 壓縮機設計壓力, 熱傳達 性等 (6) 經濟性 市場性 -------- 便宜, 流通性 (7) 再利用 廢棄容易
表 替 冷媒 R404A 性質 R404A R22 R502 成分 / 組成 HFC-25 44% HFC-43a 52% HCFC-22 HCFC-22 48.8% CFC-5 5.2% HFC-34a 4% 狀態 近共沸點混合冷媒 單㆒冷媒 共沸混合冷媒 標準沸點 臨界溫度 凝固點 蒸氣壓 25kPa ODP GWP 毒性容許濃度 ppm 燃燒性冷凝壓力 :Pc at CT40 (kpa) 蒸發壓力 :Pe atct -35(kPa) Pc/PcR22 Pc/Pe -46.57 82. 6-262 0 3750 小 (000 以 ) A/A 85 69. 8 0.74-40.82 96. 5-60 044 0.055 700 小 (000 以 ) A 534 32.62-45.3 82.22-60 52 0. 8 5590 小 (000 以 ) A 668 60.09 0.43 如表 所示,R404A 和 R22 或 R502 比較時, 其 ODP 值較小, 毒性 燃燒性等均不相 標準的冷凝壓力與蒸發壓力比值,R404A 比 R22 高約 2 成左右, 壓縮機設計不需要作太大的變更 而溫室效應係數 GWP 數值,R404A 比 R502 減少㆒半以, 卻比 R22 大 因間接性電力消耗而溫暖化 TEWI 值, 約佔因冷媒外洩導致直接性溫暖化 TEWI 值的 80~90 % 為確保冷凍能力, 最重要的是 COP 值良好 圖 所示為各冷媒的冷凍能力與 COP 之比較值,R404A 的冷卻能力佳但 COP 值卻略為遜色, 關於這個缺點尚待改善 3.R404A 系列的概要 如圖 所示,R404A 仍 必要改善 COP 值 從 球溫暖化的觀點看來, 為減少能源消耗, R404A 系列必須採用 列幾點方式設計 各冷媒 /R22.5..05 0.95 0.9 0.85 0.8 R22 R502 R404A 條件二段壓縮 ET-35 冷凍能力 Q C COP 圖 R404A 與舊冷媒的性能比較 ( 理論值 ) 3. 水冷式冷凝系統冷凝器採用 冷式 在冷凝壓力平均溫度, 冷式系統比氣冷式可降低 5~5 在 冷式附加冷卻 塔的風扇和泵浦動力與空冷式附加風扇動力相較之, 冷式的 COP 值比氣冷式的 COP 值高約 0~35 % 2
冷凝器膨脹閥 發器3.2 使用二段壓縮冷凍機冷藏室溫度為 -20 以 的低溫冷藏庫用系統, 因冷媒的蒸發溫度 降, 壓縮機的吸入壓力變低, 故容積效率和壓縮效率都降低 而冷媒的吐出溫度變高 此外, 容易造成電力消耗大增和潤滑油劣化的問題 然而, 若低溫冷藏庫系統如圖 2 所示, 採用㆓段壓縮方式, 即可改善冷凍機的 COP 並且 防止潤滑油劣化 蒸8 P 7 5 4 5 7 6 2 3 4 6 3 2 中間冷卻器低壓側壓縮機高壓側壓縮機 圖 2 兩段壓縮冷卻系統流程 8 h 圖 3 兩段壓縮之冷凍循環 如圖 3 所示, 因膨脹閥運送液體為過冷卻, 故本系統不僅冷凍效果增加, 冷卻能力亦大增 R404A 因過冷卻的緣故, 冷凍效果比 R22 增加 5 %左右 3.3 熱交換器的高效率化冷凝器採用高性能板式 (plate) 熱交換器 從效率的觀點而言, 降低冷媒和冷卻 的溫度差是極為重要的, 可採用變更基礎溫度的方式 謀求冷媒的少量化, 並且使系統更省空間化, 對於 震時冷媒外洩的安全性和可靠性極 幫助 3.4 分散化的冷凍機組本系統為分散化冷凍機組, 為提高冷藏倉庫的用途, 冷凍系統由 央 (central) 方式變更為個別分散式, 如以 幾項要因 () 負荷變動大最近大型冷藏倉庫最受矚目的變化便是從以往的單純保管形態變成為物流形態的新風貌, 裝 卸貨的動力大增 負荷變動幅度大, 尋求無浪費的系統運轉是最重要 (2) 將現場施工縮小以防止冷媒外洩為防止冷媒洩漏, 最好儘可能將現場施工縮小, 如管長縮短, 管徑變細, 減少施工系統 (3) 故障時與維修時的可靠性機器故障時, 必須確保不會完全當機, 平時應作好定期性修護工作 3
(4) 不需冷凍修護人員的冷凍系統 50 冷凍噸以 的氟氯烷設備最好不必設置修護 員, 如此可以降低 事費 (5) 藉由溫度控制達成省能化 ON-OFF 溫度控制 具備最適當的溫度控制器, 通常 ON-OFF 溫度控制, 不感應區域幅度 (ON-OFF 幅度 ) 對電力消耗量或冷凍機的壽命影嚮其巨 如 列敘述利用溫度變化, 動調整不感應區域幅度, 使冷凍系統更省能源. 動補正 ON-OFF 溫度控制不感應區域幅度內溫度 降狀態, 利用溫度飽和減少循環損失 ( 參照圖 4) 2. 在夜間可稍微提昇設定溫度, 利用過冷卻減少損失, 保 夜間設定 (night set up) 的機能 3. 對於溫度的 降, 可以 動切換冷卻能力, 具 卸載 (unloading) 的運轉機能, 利用過多的冷卻能力降低損失 4. 應用電腦實現高機能 高性能 高可靠性與小型化 5. 安裝於既 的冷凍機組內, 可變換電腦控制 START 溫度變化圖形 經過時間 圖 4 在 ON-OFF 運轉 的省能控制 圖 5 LTS-9FH 的設置外觀 3.5 冷凍機油的選擇以前所使用的烷基苯系油與 R404A 無法相溶 R404A 不含 氯元素, 故潤滑性不佳 目前欲開發的新冷凍機油 其相溶性 潤滑性, 絕緣 性 ( 壓縮機絕緣材料 ), 材料適合性 ( 整體系統 ), 耐久性 ( 壓縮機 ) 等都是探討的課題 新的冷凍機油選擇酯類系油 通常酯類系的冷凍機油具 吸濕性, 加 可分解, 不會產生油泥 (sludge) 4.R404 系列的款式和特徵 替 氟氯烷冷媒的 R404A 系列 ㆔個機種 其式樣如表 2, 設備外觀如圖 5, 而 徵如 列所述 4
4. 本系統優先考慮破壞臭氣層, 地球溫暖化等因素採用 ODP 為 0,GWP 極小的 R404A 冷媒, 為防止 球溫暖化, 從 TEWI 觀點來探討, 在間接性影嚮,R404A 比 R22 更具 能源效率 ; 而直接性影嚮, 全力建造防止冷媒洩漏的系統 4.2 抑制能源消耗的系統 R404A 比 R22 冷媒的理論效率還差,R404A 系列為抑制能源消耗, 比 R22 更具備能源效率 圖 6 為比較 R404 系列與 R22 系列的 COP 值 表 2 規格表 用途區分 F 級凍藏庫用 機種 LTS- FH-WGX LTS-9 FH-WGX LTS-22 FH-WGX 能力 kcal/hr 700/20500 22500/2700 26800/32200 電源 200V 3ψ50/60Hz 冷媒 R404A 壓型式 半密型往復式兩段壓縮機 縮起動方式 Y 機額定出力 (kw) 8.5 22 法定噸 4.5/5.4 6.0/7.2 7./8.6 冷形式凝冷卻 量 lpm 95/4 25/50 49/79 器冷卻 配管 A 40 50 50 油分離器 高效率分離型 間冷卻器 板式熱交換器 除霜熱交換器 熱源式 除霜方式 熱冷媒蒸汽除霜 保護裝置 過電流繼電器 高低壓力開關 油壓開關 吐出溫度檢知器 外型尺寸 A B H 800X000X700 2000X000X800 2000X000X800 重量 kg 050 50 200 能力條件 冷式 :50/60Hz, ET=-25 LTS(R404A)/LTS(R22).2.5..05 0.95 0.9 LTS(R22) LTS(R404A) 條件二段壓縮 ET-35 冷凍能力 Q C COP 圖 6 冷凍能力 COP 比較 4.3 熱氣除霜 (Hot Gas Defroster) 本系統採用熱氣除霜系統, 使用熱回收方法, 比㆒般的電氣加熱或灑 方式, 可節省 /3 5
的能源消耗量, 是抑制能源消耗最好的方法 5. 實施例 表 2 為 LTS-9 FH-WGX 機種運轉 0000 小時的實例 5. 冷媒和冷凍機油的安定性表 3 所示為 R404A 使用初期與運轉 0000 小時後的成份分析結果 初期冷媒充填量為 55.3 kg, 經過冷媒以氣態抽出, 進行 2 次 24 kg冷媒充填 結果發現, 冷媒成份幾乎沒 變化, 極為安定 酯類系油具 吸濕性, 對於表 4 經過 560 小時,0000 小時後的數據顯示, 表潤滑性的全氧價, 粘度, 份, 色澤等和初期狀態沒 太大的變化 表 3 R404A 運轉後的組成變化 HFC25 HFC43a HFC34a 運轉時間 初期 9000hr 2000hr 44 43.5 44.6 54 5.8 5.9 4 4.7 3.5 表 4 冷凍機油運轉後的變化 密度 (5 ) g/cm 2 動黏度 (40 )cst 流動點 色 (ASTM) 全氧價 mgkoh/g 分 ppm 雜質 mg/00ml 初期 560hr 0000hr.0026 3.6-50 L0.5 0.0 64-0.9975 30.75-52.6 L0.5 0.0 49 0.2.00 3.6-50 L0.5 0.0 09.4 5.2 壓縮性的耐磨損耗性實施 5000,0000 小時的運轉, 檢查曲軸 (crankshaft), 活塞環 (piston ring), 吸入 吐出閥等磨損狀態 結果發現, 和從前的冷媒比較磨損狀態, 確實減少許多損耗量, 以活塞銷 (Piston pin) 為例, 最大損耗量約 5 % 5.3 馬達的絕緣性 在半密閉冷凍機馬達線圈 (coil) 的絕緣性測試, 經過 5000,7200,0000 小時後, 馬達線圈的測試值 (DC500V) 都在 000MΩ 以, 絕緣性不會降低 6
40-70 -60-50 -40-30 -70 冷媒蒸汽溫度20 00 80 蒸發溫度 R404A R502 60 40 圖 7 冷媒吐出蒸汽溫度 5.4 冷媒吐出溫度 圖 7 顯示蒸發溫度在 -30~-60 區域,R404A 和 R502 冷媒的吐出溫度 R404A 比 R502 冷媒的吐出溫度略低 5 左右 6. 今後的課題保護臭氧層和防止 球溫暖化都是今後主要的課題 這次開發的冷凍機組 R404A 系列, 後應注意的事項如 6. 維持施工品質和維修管理大型冷凍系統運作時, 故障因子 ( 份, 不純物等 ) 很容易從外界混入冷媒循環 冷凍機油比從前所使用的機油, 具 更高的吸濕性, 並且加 後易分解, 故施工時必須㈩分小心 留意維持配管類的清潔, 防止 份混入, 維持冷媒配管工程的品質 冷媒充填以液態充填為主, 本冷媒為近共沸混合冷媒, 必須抑制冷媒組成的變化 ; 維修時, 更須防止冷媒外洩 6.2 維持冷卻水系的水質本系統採用高性能板式熱交換器, 極容易因 質惡化導致熱交換器的性能降低 不僅冷卻 系必須密閉化 ( 使用密閉冷卻塔 ), 還應採用各種維持 質的系統或者定期清洗管理熱交換器, 以確保淨化 質 6.3 建造最適當負荷的運轉系統 隨著用途的不同, 大型冷凍倉庫的負荷形態種類繁多, 從 TEWI 的觀點而言, 每㆒種設備都必須 充份的計劃, 隨著設備負荷形態, 建造最適當負荷的運轉系統, 徹底實現省能計劃 7
6.4 開發相關機器在這瞬息萬變的時, 必須充份開發相關機器如 列各項 :. 改善壓縮機的效率 2. 空氣熱交換器的高性能化 3. 防止冷媒外洩的閥類, 補器類, 配管連接法 6.5 冷媒回收與再生體制 TEWI 的評估, 運轉或廢棄時冷媒都不應外洩, 尤其在廢棄時, 冷媒只能回收, 不可釋放於大氣 現階段制定的法規均針對 CFC 而言, 當然, 後亦必須對 HCFC 和 HFC 冷媒作某些程度的限制 7. 總結目前開發機器最首要的條件就是不會破壞 球環境, 替 大型冷藏倉庫的 R22 或 R502 冷媒, 到底應選擇 HFC 呢? 或者 然冷媒呢? 還是其他冷媒呢? 成為目前最急需解決的問題 這次開發本系統, 使用 HFC 冷媒 R404A 來替 具同等能源消耗的 R22 HFC 系也是其他如 R507A 的候補冷媒,HFC 系的發展仍持續不斷的研究檢討當 欲採用哪㆒種冷媒呢? 各方見解都不同 採用冷媒理論性能值比從前冷媒低時, 應減少能源消耗量, 並提昇該系統的運轉才是重點 8