蒸發器種類 第十一章蒸發器 蒸發器為一種熱交換器, 揮發液體在其上蒸發, 將熱從冷房或產品中移走 分類方法 : 構造 液體提供方式 操作條件 循環方式 冷媒控制方式 應用 1
蒸發器構造種類 裸管式 平板式 裸管式與平板式表面均與冷媒接觸 鰭片式 鳍片式不與冷媒直接接觸, 為二次熱傳面 2
裸管式蒸發器 裸管式蒸發器通常使用鋼管與銅管 鋼管用在大系統或氨系統 銅管用在小系統或其他冷媒系統 (a) 平面鋸齒盤管 (b) 橢圓伸縮喇叭盤管 3
平板式蒸發器種類 平板式蒸發器 有的是由兩片金屬隆起再焊接在一起而形成冷媒流道 另一種是由兩片金屬夾著冷媒管, 再沿邊焊住, 為減少熱阻, 在板間充以共晶鹽溶液或是抽真空, 使金屬板夾緊冷媒管 (a) (b) 4
平板式蒸發器 平板式蒸發器容易清潔 便宜, 可做成多種形狀, 故廣泛應用至家用冰箱與冷凍櫃中, 且可以單獨或是成組使用, 下圖為其於冷凍庫中成組使用的情形 5
鰭片式蒸發器 鰭管是將金屬板或鰭片套在裸管上, 鰭片屬二次熱傳表面, 增加蒸發器外表面積, 提升冷卻效果, 如下圖 要使鰭片發生效用, 鰭片與冷媒管間的接觸要好 有時將鰭片焊在管上 有時先將鰭片套在管上, 再使管子膨脹, 使兩者咬緊 另一種方式是將鰭片擴孔套至冷媒管後再將鰭片擴孔拉直, 使鰭片鎖在冷媒上 6
鰭片式蒸發器 鰭片大小與節距與盤管的使用目的有關 鰭片間距從每吋 1 片到每吋 14 片, 與運轉溫度有關 氣冷式蒸發器在低溫下表面會結霜故間距較大 高溫下使用, 如空調, 則無結霜問題, 故間距可以較小, 多達每吋 14 片 鰭片式蒸發器的能力受結霜影響較其他形式嚴重, 因此最好使用於溫度高於 34 F 的氣冷應用, 如果使用於低溫必須定期除霜 7
蒸發器的能力 蒸發器的能力為冷媒蒸發時, 透過壁面, 由冷凍空間或產品所能吸收的熱傳率, 以 Btu / hr 表示 蒸發器熱傳包含三種熱傳模式, 但不論經由何種模式到達蒸發器, 均須經由熱傳導, 經過外表面傳遞至冷媒, 因此蒸發器能力, 及其熱傳率, 可以一般熱傳模式來敘述 : Q = A U D Q = 熱傳率,Btu/hr A = 蒸發器外表面積,ft 2 U = 總熱傳系數,Btu / (hr) (ft 2 ) ( F) 8
U 值或總熱傳係數 蒸發器壁面的熱阻有三部份 : 1 U = R f + L K i f o U = 總熱傳係數,Btu / (hr) (ft 2 ) ( F) f i = 內表面熱傳係數,Btu / (hr) (ft 2 ) ( F) L / K = 冷媒管及鰭片熱阻 f 0 = 外表面熱傳係數,Btu / (hr) (ft 2 ) ( F) R = 外表面積與內表面積之比 通常由鋁或銅所做的蒸發器壁面熱阻很小, 因此影響 U 值的因素主要是內外壁熱傳係數 + 1 9
U 值或總熱傳係數 影響內外壁面熱傳係數, 並決定 U 值的主要因素 盤管結構 材料 濕面積 液體的熱導係數比氣體大, 因此增加濕面積可提高能力 盤管內冷媒流速 熱傳導率 冷凍油含量 欲冷卻產品材質 外表面狀況 流體流速 內外面積比 其他因素 內外表面的結垢, 增加熱阻, 降低熱傳率 冷媒氣泡, 減少內表面濕面積 流場流暢度, 使熱傳率增加 冷媒流速 10
鰭片的優點 主要與蒸發器內外表面積比 R 以及相對熱傳係數有關 當內壁表面熱傳係數大過外壁表面熱傳係數, 整個蒸發器的能力受限於外壁表面熱傳係數, 此時鰭片可以增加外表面積來增加外壁表面熱傳率, 使接近內壁表面熱傳率, 提升整個蒸發器能力 液體熱傳效果比氣體佳, 因此在大部分氣冷式蒸發器均使用鰭片式, 但蒸發器使用在液體冷卻時, 內外均為液體, 熱傳差不多, 因此沒必要使用鰭片 下圖是內鰭片的設計 11
對數平均溫差 空氣通過冷盤管時, 實際上, 在通過前面數排盤管時, 溫差最大, 在逐漸減緩, 這是由於空氣通過盤管第一排時與冷媒的溫差最大, 而後逐漸減小 下圖曲線部份是實際溫差狀況 12
13 算術平均溫差 對數平均溫差 對數平均溫差亦稱為有效平均溫差 METD D = 算術平均溫差 Te = 進入盤管的空氣溫度 TL = 離開盤管的空氣溫度 Tr = 管內冷媒溫度 2 ) ( ) ( r L r e T T T T D + = ) ( ) ( ln ) ( ) ( r L r e r L r e T T T T T T T T D =
風量對蒸發器能力的影響 有許多非盤管本身的外在因素, 在熱傳公式中看不出來, 但卻會影響盤管性能 其中最主要的是空氣在冷凍庫內及盤管間的循環, 分布及速度 冷凍庫內空氣循環量不足, 產品的負荷就無法傳遞至蒸發器, 使其發揮最大效能 通過盤管的風速對其 U 值 METD 及蒸發器能力均有很大影響 風速減慢, 空氣與盤管接觸時間增長, 其溫度變化會增大, 使 METD 及熱傳率下降 風速增加 METD 增加 增大熱傳率 14
熱傳表面積 上圖解釋盤管數對於 METD 的影響 空氣通過第一排盤管的降溫最大, 以後逐列遞減, 表示熱傳效果亦是逐列遞減 15
熱傳表面積 若以上圖 B 的方式來增加面積, 其 METD 會下降, 無法如圖 C 一樣使能力加倍假設面積相同, 一個較長 較寬 較薄的盤管, 其效率將優於短 窄 深的盤管 16
蒸發管路安排 由第 8 章知, 蒸發器的壓損過大會使壓縮能力降低, 一個好的蒸發管路設計應使壓損降至最低, 但能維持熱傳及回油所需的冷媒流速 蒸發器管路中的冷媒壓降與管徑 管路長度 管路負荷有關, 管路負荷是指管壁熱傳率負荷越大, 冷媒流量也越大, 其壓降也越大, 也就是說, 在一定管徑之下, 負荷越大, 其管長必須越短以避免太大壓損 當負荷不大時可使用單一管路系統, 如果負荷太大, 其壓降也就會跟著變大, 要改善單一管路系統壓降過大的問題, 可在管路中, 將單一管路分成兩個平行管路, 冷媒流速變成原先一半, 而後段壓損可減為原先單一管路的 1/8 17
另一種方法是使用管集, 使冷媒同時流經好幾條平行管路 這種方式的缺點是每一回路的負荷不同, 第一排回路負荷最大, 最後一排最小, 各個回路所需要的冷媒也就不同, 但實際上很難依實際負荷分配到各回路中, 因此這種管路常用在過飼 (overfeed) 或滿液 (flooded) 式蒸發器 右圖的管路系統則非常有效而被廣泛應用, 在管路負荷很大時可產生最大的平均溫差及熱傳率, 而且每一回路的負荷均相同 18
蒸發器的冷媒供給方式 蒸發器的冷媒供給方式可分成 乾膨式 滿液式 過飼式 19
蒸發器的冷媒供給方式 乾膨式 流入的液冷媒必須在蒸發器完全蒸發, 只有氣態冷媒能進入回流管 要避面液態冷媒被帶入回流管而進入壓縮機, 在蒸發器出口要保持 10 F 過熱 20
滿液式 蒸發器的冷媒供給方式 其內充滿液態冷媒, 具最大濕面積, 所以熱傳量最大 滿液式蒸發器有一積液器或緩衝筒儲存液態冷媒, 並以重力方式循環至蒸發器中 在蒸發器產生的氣態冷媒集中在積液器上方, 再與膨脹裝置產生的閃氣一起經回流管路回至壓縮機 21
蒸發器的冷媒供給方式 過飼式 最適合使用在多蒸發器系統 單一蒸發器系統, 控制冷媒流量不難, 但在多蒸發器系統中則較麻煩, 但若提高循環量, 則較易控制, 因此多蒸發器的冷媒循環量會較大 為避免蒸發器的冷媒循環量過大, 在 Pump 的出口旁裝有減壓閥以旁通過多的冷媒 22
使用製造商的額定資料 以數學方式估算蒸發器性能幾乎是不太可能, 所以蒸發器性能都是經由測試獲得 影響蒸發器性能的參數很多, 並沒有測試低溫蒸發器的工業標準 測試方式通常會附上廠商的額定資料 23
蒸發器溫差 TD 蒸發器一個最主要的參數就是溫差 TD 蒸發器溫差 TD 定義為進入蒸發器空氣溫度 ( 庫溫 ), 與蒸發器出口冷媒壓力所對應飽和溫度之差 TD 對產品的儲藏條件及整個系統的效率有很大的影響 蒸發能力與 TD 成正比, 如下圖所示 24
盤管溫度 TD 對空間溼度的影響 控制冷藏庫內濕度的主要因素為蒸發器的 TD TD 越小, 庫內濕度越大 TD 越大, 庫內濕度越小 冷藏品對濕度敏感時, 蒸發器就必須選擇適當之 TD 以提供最適合的溼度, 此時 TD 決定蒸發器的主要因素 25
空氣循環對儲藏品的影響 冷藏庫中靠空氣循環把熱從產品帶至蒸發器 如果空氣循環量不夠, 蒸發器能力下降, 黴菌及細菌容易滋長, 在某些產品上流出黏液 但如果風量過大, 產品表面水份喪失過快, 使產品脫水 脫水會使產品外觀 品質受損 縮短產品的壽命而造成損失 循環風量決定於空間的濕度 產品種類 及貯藏時間 風量對產品的影響與濕度類似, 循環風量太小, 其影響類似於濕度太高, 風量太大則類似於濕度太低 在許多產品損壞的情形, 很難分辨是由風量或濕度不當引起 對大部份的產品, 風量與濕度必同時考慮, 兩者可以互補, 如高風速可配合高濕而不致對產品造成損害 26
自然對流式蒸發器 自然對流式蒸發器常用在需要低風速, 對產品不產生脫水的應用, 如家用冰箱 展示櫃 小冷凍庫 冷凍櫃 大型冷藏室等 自然對流式蒸發器的循環風量決定於蒸發器與庫內溫度之差, 溫差愈大, 循環風量愈大 ; 同時亦受蒸發器形狀 大小 及位置 擋板 產品的擺放等因素影響 通常淺盤管分佈於冷藏室的全長, 涵蓋大部份的天花板的設計是較好的 盤管愈深自然循環的熱阻愈大及 MTED 愈小, 能力即降低 由於冷空氣較重, 所以蒸發器適宜裝在高處, 但與天花板間應留空隙以免防礙自然對流 27
自然對流式蒸發器的額定及選擇 自然對流式蒸發器能力是以 Btu/hr 每 1 F TD 表示, 但有些是以 TD 表示 裸管式蒸發器是以每平方呎外壁面積額定能力, 但也有以每呎管長來額定 ( 對大型的鰭管式蒸發器亦然, 如下圖 ) 平板式蒸發器也以每平方呎面積額定能力, 板的兩面都要計算 28
強制對流式蒸發器 強制對流式蒸發器, 通常稱為 蒸發機組 (UnitCoolers), 風機盤管機組 (fan coil units), 或 風機盤管 (blower coils), 由裸管或鳍管與一部或多部風車共同裝在一金屬箱裡, 以提供空氣循環, 如圖 11-28 所示 亦有更大的落地式機型, 可以是乾式乾式或濕式, 所謂濕式盤管如圖 11-45, 有滷水或不凍液不斷的噴在盤管上 盤管總冷卻能力總冷卻能力與循環風量 (ft 3 /min) 有關, 給定蒸發器能力, 其所需循環風量決定於顯熱比顯熱比及空氣溫差空氣溫差 (11-5) 顯熱比為蒸發器的顯熱冷卻能力顯熱冷卻能力與其總冷卻能力總冷卻能力之比 29
圖 11-28 典型蒸發機組 其冷風設計並非直接吹向貯藏品 30
圖 11-45 鹽水噴淋冷卻器 31
當空氣被冷至露點溫度露點溫度以下, 空氣的溫度溫度及濕度濕度均會下降 溫度下降是由於顯熱冷卻 濕度下降是由於潛熱冷卻 所以, 總冷卻能力 1 冷凍噸 (12,000 Btu/hr), 顯熱比 0.85 之蒸發器, 其顯熱冷卻能力為 10,200 Btu/hr(l2,000 之 85%) 其潛熱冷卻能力為 1,800 Btu/hr (l2,000 10,200) 蒸發器的顯熱比通常與使用場合場合 設計設計 風量風量有關, 一般取 0.85 蒸發機組的設計風量由低速的 1000cfm/ton 到高速的 25,000 cfm/ton 假設顯熱比為 0.8, 由式 11-5 則在高速系統所需的溫降為 32
通過盤管的風速 (fpm) 為風量 (cfm) 與蒸發器正面面積 (ft 2 ) 的函數 例 11-4 如果通過盤管的風量為 2,100cfm, 正面風速為 400fpm, 試求盤管所需面積 < 解 > * 由於冷煤管與鳍片, 空氣實際通過的盤管面積盤管面積小於小於正面面積, 所以其真實的風速遠大於遠大於計算的正面風速計算的正面風速 33
蒸發機組的額定及選擇 蒸發機組的額定是以 Btu/(hr)( o F TD) 表示, 有時是以 10 o F 或 15 o F TD 額定 與自然對流式蒸發器自然對流式蒸發器一樣, 其 TD 主要是根據所需的濕度濕度決定 通常在同樣的濕度要求下, 蒸發機組的 TD 約比自然循環式小 4 o F ~6 o F ( 見表 11-2) 由於相關變數很多, 蒸發機組通常是在一固定風量, 風速, 冷媒流量, 結霜狀況, 運轉溫度等特定條件下額定 這些條件通常都近似於真實運轉條件 很多時候, 蒸發器的風扇在出廠時已選定, 故其風量與風速亦固定, 剩下唯一唯一的選擇參數 TD, 如圖 11-28 中的矩形吊頂機組, 其額定見表 R-7 中 要發揮蒸發器的額定能力, 必須選擇適當的安裝位置, 足夠的除霜, 保持蒸發器的無霜狀態無霜狀態 圖 11-29 為吊頂式蒸發器的一些建議安裝位置 34
表 11-2 蒸發器 TD 設計值 35
圖 11-29 小型冷藏庫中蒸發機組的建議安裝位置 36
表 R-7 蒸發機組的額定及規則 37
例 11-5 從表 R-7 中選 10 F TD 之蒸發機組, 以滿足庫溫 36 F, 設備運轉 16 hr 下負荷為 17,200Btu/hr 的啤酒冷藏庫 < 解 > 從 R-7 中選 10 F TD 下, 能力 18,000 Btu/hr 的 #UC-180 由於蒸發機組馬達是在冷藏庫內運轉, 故其馬達熱必須併入冷凍負荷馬達熱必須併入冷凍負荷 由表 R-7, 其風扇馬達熱為 25,200 Btu/24 hr, 風扇在冷藏庫內為 24 hr 連續運轉, 以保持空氣循環, 但每小時之平均負荷是根據 16 hr 之運轉時間, 所以風扇馬達的每小時平均負荷為 加上馬達熱後的平均冷卻負荷為 18,775Btu/hr(17,200 + 1,575) 38
液體冷卻器的種類 與蒸發機組一樣, 液體冷卻器依不同之目的, 功能而有不同的種類與設計 五種常見液體冷卻器為 二重管冷卻器 邦德羅式 (Baudelot) 冷卻器 桶式冷卻器 管圈式冷卻器 殼管式冷卻器 影響液體冷卻的因素與影響氣冷式蒸發器或其他熱傳面的因素均相同, 各式冷卻器的典型熱傳係數列圖 11-30 39
圖 11-30 40
二重管式冷卻器 二重管式冷卻器包含兩根管子, 其中一根在另一根內, 被冷卻液走內管, 冷媒則反方向反方向走內管與外管間環形區域環形區域 圖 11-31 為ㄧ種二重管冷卻器, 外管直接焊在垂直的冷 媒管集, 內管則穿過管集而以可卸的彎頭連接, 其優點為 構造堅固, 無冷媒接頭, 內管容易清潔 二重管冷卻器可以乾膨或滿液乾膨或滿液方式運轉, 而對流式對流式的熱交換可有很高的熱傳係數高的熱傳係數 但有個缺點缺點就是佔空間, 因此主要用在一些特定用途 許多被用在製造及釀造工業用來冷卻酒及麥芽汁, 或用在石油工業用來冷卻油品 41
圖 11-31 二重管冷卻器, 可卸式彎頭 ( 右 ) 使管子容易清潔 42
邦德羅式 (Baudelot) 冷卻器 邦德羅式冷卻器如圖 11-32 所示, 由一組水平冷媒管連接水平冷媒管連接而成, 管內的冷媒可以是乾膨乾膨或滿液運轉, 被冷卻的液體則在管外由頂端的分佈器, 由重力重力經一連串冷媒管冷卻冷媒管冷卻後至底部的收集器收集 這種被冷卻液與大氣接觸冷卻液與大氣接觸的冷卻過程, 使邦德羅式冷卻器特別適合於需曝氣處理曝氣處理的液體, 如牛奶牛奶 酒 麥芽汁及碳酸水麥芽汁及碳酸水等的冷卻 這種冷卻方式可以讓液體冷卻至接近凝固點液體冷卻至接近凝固點之溫度而無凝固脹破管之問題 邦德羅式冷卻器的另一優點優點與二重管類似二重管類似也就是冷媒回路冷媒回路可以分成數個部份, 例如, 液體可以先經冷水預冷冷水預冷後再至乾膨式的部份冷卻 ( 圖 11-32) 43
桶式冷卻器 桶式冷卻器主要構造為將冷媒盤管置於一盛液體的鋼冷媒盤管置於一盛液體的鋼桶中央或一側而成 如圖 11-33 所示, 冷媒管整個沈在液體中, 並有擋板擋板及攪拌器攪拌器以增加液體的循環, 液體由一端吸入, 在另一端排出, 通過盤管的速度介於 100fpm 至 l50fpm 間 桶式冷卻器應用在無衛生顧慮的液體冷卻, 如水 滷水或其他用來做二次冷媒的液體二次冷媒的液體之冷卻 同時由於其蓄冷特性, 故適合用在負荷變動大負荷變動大的地方, 大容量的冰水桶. 可以使尖峰負荷尖峰負荷時水溫不至於上升過大, 高溫液體若能在進入冷卻器前先預冷則可產生不錯的效果 44
圖 11-33 典型的桶式液冷卻器 45
殼圈式冷卻器 殼圈式冷卻器是由一圈或數圈的螺旋裸管一圈或數圈的螺旋裸管封在鋼殼裡構成鋼殼裡構成 圖 11-35 通常管側管側為乾膨式冷煤管, 被冷卻的液體則在殼側 但有一些情形則是冷媒在殼側滿液運轉, 而被冷卻液體被冷卻液體在管側管側 前面一種有蓄冷效果. 常用在小容量小容量且負載非連續性負載非連續性的場所, 如冰水開飲機, 或麵包工廠. 照片沖洗店等講究衛生講究衛生的地方 當冷媒在殼側滿液運轉, 即成瞬時冰水器, 其缺點缺點是無蓄冷效果, 且有脹破管的危險, 所以這種使用方式只適合在液溫高於 38 F 的場合 瞬時冰水器主要用在啤酒冷卻或其他拉捍式飲料機上. 這些飲料流進冷卻器前通常都已先預冷先預冷 46
圖 11-35 殼圈式冷卻器 47
殼管式冰水器 由於殼管式冷卻器殼管式冷卻器有很高的效率, 需要的樓板面積及淨空高均很小, 適於各種液體冷卻的應用, 所以是目前應用最廣的冷卻器應用最廣的冷卻器 殼管式冰水器或許會因使用冷媒冷媒 乾膨乾膨或滿液運轉滿液運轉而稍有差異, 但均是由一鋼殼內鋼殼內包許多平行管, 固定於管板而成 如果是乾膨式, 冷媒在管內膨脹蒸發, 冰水則在殼側循環 ( 圖 11-36b) 如果是滿液式, 冰水在管內循環, 冷媒在殼側 ; 冷媒的液面則由浮球閥控制 ( 圖 11-36a) 而兩者之冰水均由水泵驅動循環兩者之冰水均由水泵驅動循環 殼管式冰水器的殼徑殼徑由 6 至 60, 殼內管數則由 50 根至數百根, 管徑由 5/8 至 2, 管長由 5ft 至 2Oft 氨系統使用鋼管, 其他冷媒系統使用熱傳較好的銅管 由於滷碳族冷媒的熱傳較差, 所以在其冷媒側的管面冷媒側的管面均會加鳍片以提昇效率, 在乾膨式冰水器中, 為圖 11-10 所示的縱向內鳍片, 在滿液式中, 為高度約 1/16" 的外鮨片 通常乾膨式乾膨式用在 2~250RT 的中 小型系統, 大系統有但較少 滿液式滿液式則用在 10~ 數千 RT 的系統, 主要用在大系統大系統 48
圖 11-36 殼管式冰水器 (a) 頭罩式, 管束可拆 (b) 乾膨式 ( 冷媒在管側 ) 注意水循環擋板, 管板為固定式 49
乾膨式冰水器 乾膨式與滿液式比較, 其主要優點主要優點為, 冷媒充填量較少, 並確保壓縮機的回油 而如前所述, 冰水在管外的系統, 設備因凍結損壞的機率遠小冰水流經管內的系統 乾膨式的一些主要結構示於圖 11-37 與圖 11-38 為了要保持較佳的熱傳一壓降比, 冰水的循環流速不可太大, 而其流速是以半月形擋板半月形擋板的長度與間距間距來控制 當流量流量或液體黏度大, 就必須使用短而寬間距的擋板, 降低流速 減少壓降 若流量或流體黏度小, 則用長而間距小的擋板, 提高流速 增加熱傳 ( 圖 11-39a) 維持冷媒流速所需的冷媒回路數目回路數目及長度, 必須視冰水器負荷及冰水及冰水流量對 METD 的關係而定 而這些因素常隨使用情況的不同而改變, 所以為了要得到較佳的回路設計, 乾膨式冰水器的冷媒回路不限於一個, 而回路的長度也有多種 圖 11-37 中的冰水器, 其冷媒回路的數目及長度決定於管長及端板間的擋板配置, 而冷媒回路可由冰水器的冷媒蓋來更改 ( 圖 11-39B) 50
圖 11-37 管板固定乾膨式冰水器之剖視圖 51
圖11-38管束被拉出的乾膨式冰水器 圖中可見管的配置及冷媒 分佈器 管束可完全移出 52
圖 11-39 (a) 乾膨式冰水器中的擋板間距 (b) 乾膨式冰水器的冷媒蓋 53
滿液式冰水器 滿液式冰水器可以有單通或多通管路的設計, 所謂單通管路, 即冰水以同時, 同一方向方式流過所有的管路 冰水在冷卻器內的多通循環, 是經由冰水器兩端的端板端板或蓋子上的分隔方式決定 ( 圖 11-40), 端板上的分隔方式決定冰水在冷卻器中來回的次數 通常,2- 通,4- 通及 6- 通最為常見, 另也有更多通的情形 如乾膨式冰水器, 滿液式冰水器亦有可卸式的固定管板可卸式的固定管板 若管板固定, 管板與殼焊在一起, 管束不能拆卸 ; 若端板可鬆卸下來, 則管子即可清洗或拆卸 圓 11-36b 及 11-37 中的冰水器管板固定, 圖 11-36a 及 11-38 則為可卸管束 54
圖11-40多通路循環的滿液式冰水器 其循環方式是由鎖 在兩端的端板或水蓋的區隔方式來決定 55
在一些滿液式蒸發器滿液式蒸發器中, 殼內並沒有充滿管子, 保留較大的蒸發面積, 以維持較低的蒸汽速度 ( 圖 11-41) 這種設計可以避免液體被帶入回流管內, 因此特別適於負荷會突增負荷會突增的情形 在那些殼內充滿管子殼內充滿管子的冰水器, 必須裝設液分離器液分離器或積液器, 使蒸汽中的液體在進入回流管前被分離出來 有一些滿液式冰水器滿液式冰水器備有液一液一吸入熱交換器 ( 圖 11-40); 其主要的目的, 雖然在確保只有乾蒸汽進入回流管, 但同時亦可使進入冰水器的液冷媒過冷, 減少閃氣而提昇提昇冰水器的效率效率 圖 11-42 中的立式殼管式冰水器, 其優點優點為佔地面積小佔地面積小 冰水器滿液運轉, 冰水由冰水器的項部以重力重力方式, 沿著管內壁流下 循環泵由底部的貯存桶將冰水抽送出去 ; 回水則送回頂部送回頂部的分配室, 而完成循環 其頂部的分配器為特殊設計 ( 見插圖 ), 讓液體產生渦流, 而使液膜變薄 56
圖 11-41 滿液式蒸發器 管未充滿殼側, 以保留較大的蒸發面積 57
圖 11-42 立型殼管 "Spira-Flo" 冰水器, 滿液式的一種 流下的水經過特殊設計的噴嘴 ( 插圖 ) 會產生渦流作用 58
噴淋式冰水器 噴淋式冰水器與傳統的滿液式冰水器相同, 只是其液冷媒是由管束上噴灑頭管束上噴灑頭的噴嘴噴嘴噴至水管上 ( 圖 20-19), 未蒸發的液體則滴至底部的收集槽, 再由一低揚程泵送回至噴嘴噴嘴 大的冷媒循環量可使管壁保持溼潤狀態, 而維持大的熱傳率 這種冷卻器的好處好處在於其高效率高效率及低冷媒填充量低冷媒填充量 其缺點則為成本貴成本貴以及需要一液循環泵需要一液循環泵 59
圖 20-19 三段多重溫度系統使用 R-12 的離心式壓縮機 60
冰水器的選擇步驟 雖然選擇的步驟與冰水器的種類及製造商有關, 但基本上是根據前述的熱傳及流力的理論, 通常廠商會在型錄上提供例子配合相關的數據資料 下面的例子即是根據廠商在型錄上提供的乾膨式冰水器的選擇步驟 1. 決定冰水器的負荷 (ton) 2. 決定平均有效溫差 (METD) 3. 由圖 R-9 中試選出冰水器 ( 殼徑及擋板間距 ) 4. 決定需要的面積 5. 由表 R-9 中選擇滿足表面積要求的冰水器長度 61
例 11-6 試選一冰水器, 能將 50gpm 的水由 54 F 冷至 46 F, 冰水器出口的冷媒溫度為 40 F,R-12 冷媒 < 解 > 1. 決定冰水器的負荷 (ton) 2. 決定平均有效溫差 (METD) 進水溫度 冷媒溫度 = 54 40 =14 F LTD 出水溫度 冷媒溫度 = 46 40 =6 F STD 由表 11-l,METD = 9.47 F 62
3. 由圖 R-9 中試選出冰水器 ( 殼徑及擋板間距 ) 在圖 R-9 中找到 50 Gpm 的垂直座標, 向右水平方向找出相交的合適機種 8M 將是最好的選擇 但若進一步檢查, 發現 8M 或 8L 的面積均不夠, 所以最後選擇 10M (8~30 ons), 由其交點往上移至 METD = 9.47 F( 步驟 2) 的位置, 再向左在垂直座標上找到負荷 =1,110 Btu/(hr)(ft 2 )( 負荷是 U 與 METD 與之乘積 ) 4. 決定需要的面積 5. 由表 R-9 中選擇滿足表面積要求的冰水器長度 10 14 DXH 的表面積為 184ft 2,( 型號 DXH-1014) 6. 決定冰水器的水壓降 由圖 R-9 的底部,M 型擋板的每尺壓降為 0.18 ft 水柱高 所以壓降 = 長度 (ft) 壓降 /ft 14ft 0.18 = 2.52 ft-h 2 O 63
直接系統與間接系統 任何與揮發性液體 ( 冷媒 ) 接觸並使其膨脹吸熱膨脹吸熱的熱傳表面熱傳表面即為 " 直接膨脹 " 蒸發器, 而蒸發蒸發的冷媒冷媒即稱為 " 直接膨脹 " 冷媒 一個直膨式或直接式冷凍系統, 使用直膨式冷媒, 蒸發器與需要冷卻的物體或空間直接做熱交換直接做熱交換或置於風管中做熱交換 有時把直膨式冷媒直接循環至需要冷卻的地方會不方便或不經濟 這時就必須使用間接冷凍系統間接冷凍系統將液體冷卻後, 再由管線輸送至需要冷卻的地方管線輸送至需要冷卻的地方 這種冷卻液體稱為二次冷媒, 可以循環至冷凍產品冷凍產品 容器容器 空調盤管空調盤管或其他熱傳面上 ( 圖 11-43) 二次冷媒吸熱後再循環回冰水器 間接式系統有一個優點優點就是冷房或欲冷卻的產品可以離冷凝機組很遠, 而在直膨式通常不太可能 因為其設置成本貴, 冷媒填充量太大, 有回油回油 壓損等影響系統的問題, 而且冷媒管冷媒管也較易洩漏易洩漏 間接式冷凍系統在工業上常用來冷卻無法氣密包裝的產品冷卻無法氣密包裝的產品, 或者是用冷媒或油會造成產品污染的地方, 如肉品包裝廠肉品包裝廠 氨系統冷藏庫氨系統冷藏庫等 64
圖 11-43 (a) 間接系統 (b) 間接系統一鹽水盤管在風管中熱交換 65
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二次冷媒之條件 常用的二次冷媒二次冷媒為水, 氯化鈣, 氯化鈉之滷水 乙二醇乙二醇 丙稀乙二醇 甲醇甲醇及甘油甘油 水被用在空調系統空調系統及溫度在冰點以上溫度在冰點以上的冷卻冷卻 由於流動性良好, 比熱高, 熱傳係數佳, 便宜而且無毒, 是很好的二次冷媒 在空調系統中, 冰水可循環於空氣冷卻盤管可循環於空氣冷卻盤管或冰水噴淋裝置而與空氣熱交換及除濕 在噴淋裝置中, 冰水由頂部噴嘴淋下, 收集在底部水盆再循環至冰水器 由於水溫低於空氣露點溫度, 所以空氣中的水氣會凝結而帶至水盆, 不管是冷卻盤管或噴淋裝置, 其冷卻冷卻 除濕的能力均由冰水流量及溫度控制 水因熱傳導係數比空氣好, 冷卻速率較快, 因此常被用做小型飲料冷卻器及農場牛奶冷卻器中的二次冷媒二次冷媒 而水本身的蓄冷效果可以平衡間歇性的波動負荷波動負荷 67
鹽水 如果溫度低於冰點以下, 就不能用水當二次冷媒, 而必須以鹽水代之 鹽水是鹽類水溶液的統稱 當鹽溶於水, 水溶液的凝固點就會下降, 鹽的濃度愈高, 凝固點愈低, 直到某一極限, 增加濃度反而會提高凝固點 在鹽類水溶液中, 在某一濃度時, 可獲得最低的凝固點, 此時的溶液稱為共晶溶液 任何溶液, 其濃度高於或低於共晶溶液, 其凝固點均會高於共晶溶液的凝固點 - 共晶溫度 當溶液濃度低於共晶溶液, 到達溶液凝固點時, 冰就會開始從溶液中析出 ; 溫度愈低, 溶液中的水亦逐漸析出, 剩下溶液的濃度亦逐漸增加, 一直到共晶溫度, 溶液形成一冰晶及共晶溶液的混合體, 降至共晶溫度後, 溫度即不再下降, 如果繼續冷卻, 則剩下的共晶溶液在此溫度下全部凝固 另一方面, 溶液濃度若大於共晶溶液, 則在溫度下降的過程中, 結晶鹽會先從溶液中析出, 而剩下的溶液濃度則變稀, 當溫度下降至共晶溫度, 剩下的溶液變成共晶溶液, 而形成結晶鹽與共晶溶液的混合物, 若再繼續冷卻, 共晶溶液就會在此溫度下全部凝固 68
鹽水 在冷凍中常用的兩種鹽水為氯化鈣及氯化鈉 ( 一般的鹽 ), 氯化鈣滷水主要用在工業製程冷卻, 產品凍結 貯藏 或其他低於 0 F 的應用 氯化鈣滷水所能得到的最低溫度 ( 共晶溫度 ) 為 67 F, 其重量濃度約 30% 表 11-3 列出氯化鈣溶液各濃度下的凍結點及其他性質 氯化鈣滷水的主要缺點為有吸水性及帶有苦味, 因此在凍結過程中應避免與食品接觸 氯化鈉滷水主要用在怕被氯化鈣污染的產品冷凍上, 如角肉 豬肉等直接以滷水噴淋來冷卻或凍結 其共晶溫度約 6 F, 濃度約 23%, 氯化鈉滷水的性質列於表 11-4 要注意的是不管是氯化鈣或氯化鈉鹽水, 其熱性質均比水來得差, 濃度愈高, 其流動性, 比熱值, 導熱率均下降 在同一負荷下, 其所需的鹽水量就要愈大 由於滷水的濃度與其比重成正比, 故其濃度及相關的熱性質可由液體比重計來決定 69
表 11-3 純氯化鈣鹽水性質 70
表 11-4 純氯化鈉鹽水性質 71
防凍液 有些水溶性的化合物可當防凍劑使用, 使水的凝固點下降 常用的防凍劑有乙二醇乙二醇 丙稀乙二醇丙稀乙二醇 甲醇甲醇及甘油甘油 這些化合物可以與水以任何比例混合, 表 11-5 為各種化合物不同濃度下的凝固點 丙稀乙二醇為冷凍最常用冷凍最常用的防凍劑防凍劑與乙二醇類似, 具有許多優良的性質, 不似鹽水 無腐蝕性無腐蝕性 非電解性, 故可以於其不同金屬的系統, 其性質非常穩定, 正常運轉下不會蒸發不會蒸發 由於乙二醇類溶液其有許多優點, 目前在許多應用上已取代鹽水系統, 如發酵發酵 製奶工業製奶工業等 基本上要將鹽水換成乙二醇類溶液, 系統不需做任何更改 除了共晶溫度以外, 凝固點均指冰或結晶鹽從溶液中開始析出的溫度 72
表 11-5 水溶液凝固點 73
鹽水噴淋裝置 與冰水樣, 冷卻的鹽水 ( 或防凍液 ) 可以直接接觸冷凍品或容器, 或與欲冷卻的空氣直接接觸空氣直接接觸 若是冷卻冷卻空氣, 鹽水可以經過蛇形盤管蛇形盤管或鹽水噴淋裝置來與空氣接觸, 圖 11-44 及圖 11-45 為兩種常用噴淋裝置, 前者之鹽水先經冰水機冷卻冰水機冷卻後再經噴淋裝置噴淋裝置將空氣冷卻, 鹽水則由底部水盆收集後回至冰水器 ; 後者之鹽水則直接由噴淋裝置內之直膨盤管冷卻 74
習題參考答案 11-1 15.61 F 11-2 20.8 F 11-3 #5-12144B 3x4 11-4 4344 ft 11-5 385.8 ft 11-6 #UC 65 6386 BTU/hr 11-7 #4256 / 4 fins/in 4935 Btu/hr F 11-8 (a) 12500 cfm (b) 4442/hr F 11-9 #BL6466 / 4fin/in 11-10 #BL-7738/3fins/in 13000BTU/hr F 11-11 233 ft 11-12 #DXH814; 3.85 ft H 2 O or 1.67 psi 11-13 DXH 1210 75