冷凍系統設計
課程內容 內容綱要 1. 冷凍緒論 2. 基本知識與定義 3. 冷凍之基本概念 4. 冷媒 5. 冷媒特定性曲線圖 6. 往復式壓縮機 7. 冷凝器 8. 蒸發器 9. 附屬機器 10. 冷媒控制器 11. 螺旋式壓縮機
第一章 壓力 功 功率 能量
1-1 質量 (m)( ) 與密度 (ρ)( 密度 (lb/ftlb/ft 3, kg/m 3 ): 單位體積中具有 的質量 ρ =m/v 比容 (ft/lb ft/lb 3, m 3 /kg 的體積 υ =V/m /kg): 單位質量所佔有 ρ=1/ υ, 兩者互為倒數 水在 39.2 (4 ) ) 時的密度為 62.4 lb/ft 3 (1000 kg/m 3 )
1-2 比重 某物質的密度與水的密度之比 無單 位 ρ r =ρ/ρ w 1-3 質量流率 (m)( ) 與體積流率 (V)( m=v ρ=v/ V/υ(lb/s,g/s) V=m υ =m/ m/ρ(ft 3 /s,m 3 /s)
1-4 速度與速率 速度 : 屬於向量, 包括大小與方向 速率 : 屬於純量, 只包括大小即可 平均速率 (v=s/t): 物體移動距離 / 物體移動之距離所花費 的時間 (ft/s( ft/s,m/s)
1-5 加速度 (a)( 為速度的變化率, 其值可正可負, 視速度增加或減少而定 最簡單的是等加速度運動 設物體初速 v o,t 秒後瞬時速度 v i, 則 v i =v o + a t,, 當物體由靜止開始加速, 則 v o =0,, 且 a= v i /t 由靜止開始作等加速度運動的物體, 平均速度為 v i /2,, 可推出物體 t 秒內移動的距離 s= (v i t)/2=( =(a t 2 )/2
1-6 重力加速度 物體因地心引力作用朝地表落下時, 每秒的速度增加量 32.2ft/s 2 (9.8m/s 2 ), 此乃一般重力常數 g c 其隨高度或緯度的不同而有所不同 1-7 力 (F)( 單位 :lb: lb,n 正比於受力作用的物體 所產生的加速度 (F=( F=m a) )
1-8 壓力 (p)( 單位面積所受的作用力 (p=f/a( p=f/a) 單位 :psi: psi,psf,pa 1-9 大氣壓力 真空壓力 空氣受地心引力作用對任何物體施加 的壓力 可隨高度的改變而改變 低 於大氣的壓力稱為真空壓力
1atm=760mmHg 760mmHg=101325N/m 2 (Pa) =1.01325bar =1.033kgf/cm 2 =29.92inHg =101.325kPa 公制 =2116.224psf =14.696psi 英制
1-1414 絕對壓力 表壓力 絕對壓力 : 為總壓或真正壓力 表壓力 : 由壓力表讀到的值 若流體壓力 > 大氣壓時, 絕對壓 = 大氣壓 + 表壓 ; 若流體壓力 < 大氣壓時, 絕對壓 = 大氣壓 - 表壓 1-1515 功 (w)( 力作用於物體上移動一段距離 w=f s(ft-lb,j)
1-1616 功率 (P)( 作功時間的變化率 單位為 hp 1hp=33000ft 33000ft-lb/min =550ft-lb/s P=w/33000 t=w/550 t 1-1717 能量 只作功的能力 一作功過程所需的能 量必等於此過程的作功量 (ft( ft-lb)
能量可分為動能 (KE( KE) ) 和位能 (PE( PE) 動能 : 只物體運動或具有速度而具有 的能量 KE=( =(m v 2 )/(2 g c ) 位能 ( 重力位能 ): 物體因其所在的 高度位置或結構所具有的能量 (PE( =m z) 總外能 =KE+PE
1-21 能量守恆定律 熱力學第一定律指出, 任何熱力學系 統的能量為定值, 無法被創造及消 滅, 只能從一種形式轉換成另一種形 式
第二章 物質 內能 熱 溫度
2-1 熱 一種能量的形式 在熱力學上被定義 為兩物體間的溫差所造成的能量傳 遞 2-3 內能 物體因其組成分子具有速度 位置 結構而有內能
內動能 (K): 分子運動或具有速 度的能量 內位能 (P): 分子相互分離或分 子間之結構而具有 的能量 總內能 (U)= 內動能 (K)+( 內 位能 (P)(
2-11 溫度 絕對溫度 常用溫標為攝氏與華氏, 以度為單 位 在攝氏溫標上, 水的冰點為 0 ; ; 沸點為 100 ; ; 在華氏溫標上, 水 的冰點為 32 ; ; 沸點為 212 水 冰點 沸點 攝氏溫標 ( ) 0 100 華氏溫標 ( )( 32 212 溫度換算 : =9/5: 9/5 +32 =5/9( -32)
絕對零點 : 近於 -460 或 -273 絕對溫度 : 由絕對零點起算的溫 度 朗氏溫度 ( R)= +( )= +460 凱氏溫度 (K)= +( )= +273
2-14 熱傳方向 方式和速率 熱必從高溫傳到低溫, 絕不反向傳 遞 熱傳速率必與溫差成正比 熱傳方式 : 傳導 對流 輻射
傳導 : 單一物體內分子間或良好熱接 觸的不同物體分子間之熱傳遞 量度各種材料的導熱特性稱為熱傳導 率 對流 : 藉由流體將熱從某處傳到另一 處 可分為自然對流與強制對流 輻射 : 藉由光波將熱從某處傳到另一 處, 過程中無任何媒介物
2-19 英熱單位 (BTU( BTU) 使質量 1 lb 的水改變 1 的溫度所需之 能量, 為熱能 (Q)( ) 的量度單位 2-2020 比熱 (C( p ) 使質量 1 lb 的任一物質改變 1 的溫度 所需之熱能 (BTU/lb( BTU/lb, kj/kg ) 比熱水冰 英制 (BTU/lb( BTU/lb ) 1 0.5 SI 制 (kj/kg( kj/kg ) 4.182 2.09
2-2121 熱量計算 (BTU( BTU) 顯熱方程式 :Q=m c ΔT: 2-2222 顯熱 (Q( S ) 與潛熱 (Q( L ) 顯熱 : 使物質改變溫度的熱量 潛熱 : 使物質改變狀態的熱量 熔解潛熱 : 固 液兩相間的相變化所 牽涉的潛熱 (Q( L =m h if 冰 =335kJ/kg= if) 汽化潛熱 : 液 汽兩相間的相變化所 牽涉的潛熱 (Q( L =m h fg 水 =2257kJ/kg= fg)
2-2626 飽和溫度 液態變汽態或相反過程的溫度 2-2828 過熱 蒸汽的顯熱 過熱 : 蒸汽汽化後再加入的熱量就是 其顯熱 過熱蒸汽 : 溫度高於蒸汽的飽和溫 度
2-30 熱功當量 (J)( 1 kcal=4.186kj 4.186kJ=3.968BTU 1 BTU=778ft 778ft-lb
第三章 理想氣體及其各種過程
3-1 熱對體積的效應 物質加進能量時, 分子運動速度增加或其 間之距離拉得更遠, 使物質膨脹 ; 相反 的, 物質釋放能量時, 該物質收縮 即物 質隨能量獲得或損失使體積增加或減小 但水是例外 水冷卻, 體積逐漸變小, 直 到 39.2 (4 ) ) 為止 亦即在此溫度點上 密度最大 若繼續冷卻, 其體積卻逐漸膨 脹, 直到 0 為止, 且結冰後體積再度膨 脹
3-2 固 液體的膨脹特性 因固 液體為不可壓縮, 若將固體或 液體置於體積固定的鋼性容器中, 當 溫度改變時, 由於沒有膨脹的空間, 故在固體或液體本身或容器周圍產生 巨大壓力, 將使固體本身破裂或撐破 容器 在許多工程上, 皆預留因氣溫 變化而造成熱脹冷縮的空間
3-3 理想氣體及其各種過程 理想氣體 : 氣體分子間無任何影響的 假設氣體, 其概念大幅簡化了所有與 氣體變化有關的問題之求解 其過程 有 : 等容過程 等壓過程等壓過程 等溫過等溫過 程 絕熱過程絕熱過程 多變過程
等容過程 : 設氣體在一個不受溫度影 響而改變體積的剛性容器中 當氣體 受熱時, 其絕對壓力隨其絕對溫度成 正比增加 : 反之則成正比降低
等壓過程 : 定質量氣體在此過程中其 體積與絕對溫度成正比
等溫過程 : 定質量氣體其絕對壓力與 體積成反比
絕熱過程 : 理想氣體進行狀態變化時 沒有從氣體傳至環境或從環境傳至氣 體的熱量 此過程中氣體壓力 體積 與溫度皆有變化無定值 多變過程 : 氣體經過某種膨脹過程, 對外界所需的能量部分是外界的熱 能 ; 部分是消耗本身的內動能, 所遵 循的過程定是在等溫與絕熱過程之間 的過程
理想氣體各過程之比較 (P T 均為絕對單位 ) 項目 遵守定律 前後兩狀態之 P T V 關係 W 熱傳量 等容過程 等壓過程 等溫過程 查理定律 T 1 P 2 =T 2 P 1 0 ΔQ V =m C V ΔT 查理定律 T 1 V 2 =T 2 V 1 P(V 2 -V 1 ) ΔQ P =m C P ΔT 波以耳定律 P 1 V 1 =P 2 V 2 P 1 V 1 ln(v 2 /V 1 ) ΔQ T =ΔW K 1 K 1 K P 絕熱過程無 T2 P2 V 2V 2 P1V 1 1 = = 0 1 K T 1 P1 V N N 1 多變過程無 T 1 2 P N 2 V P 1 2V 2 P1V 1 = = Q-W= W=ΔU T1 P1 V2 1 N 2
多變過程的指數 N: 介於等溫過程指數 1 和絕熱過程指數 K 之間 P V=m R T P v=r T 一般氣體定律 P=ρ R T R: : 氣體常數 = 一般氣體常數 / 分子量 (J/ J/kg K,ft-lb/ lb/lb R) v: : 比容 N = log log ( P ) 2 P1 ( V V ) 1 2
壓 - 容 (P-v)( ) 圖
3-3030 熱力學系統 熱力學系統 : 為了探討能量及其轉移, 就 實際或假想上選定的邊界所圍繞的區域或 空間 可分為 : 1 固定或可變 2 可隨分析之需要選定其大小 3 密閉系統 : 只讓能量通過邊界 與環境交換 開放系統 : 能量與質量皆通過 邊界與環境交換
3-3131 熱力學過程 可逆過程 : 系統經過一過程後, 可沿著原 過程回到最初狀態 不可逆過程 : 系統經過一過程後, 無法沿 著原過程回到最初狀態 1 內不可逆 : 分子間相互作用造成流體內 部摩擦或漩渦所致 2 外不可逆 : 源於系統外部, 如 熱從高溫傳至低溫的行為 若要避免外不可逆過程, 只有無摩擦 絕 熱過程, 稱為等熵過程
第四章 飽和蒸汽與過熱蒸汽
4-1 飽和溫度 飽和溫度 : 流體由液變汽或汽變液時 的溫度 飽和液體 : 液體的飽和溫度, 簡稱飽 和液 飽和汽體 : 汽體的飽和溫度, 簡稱飽 和汽
4-2 過熱蒸氣與過冷液體 過熱蒸氣 : 蒸汽溫度高於其壓力所對應之 飽和溫度, 簡稱過熱汽 過冷液體 : 液體凝結被冷卻後使其溫度低 於飽和溫度, 簡稱過冷液 4-4 壓力對飽和溫度之影響 流體之飽和溫度取決於該流體之壓力 壓 力增加時提高飽和溫度 ; 壓力降低時降低 飽和溫度
4-5 汽化 1 蒸發 : 只發生於液體自由表面, 可 在低於飽和溫度之任何溫度發生 2 沸騰 : 只發生於飽和溫度 4-7 蒸發速率 係隨著液體溫度增加 液體上方壓力 降低 暴露於外界之表面積增加而增 加, 亦隨著液體上方或附近之蒸汽飽 和度而變
4-8 蒸發之冷卻效應 當高速分子 ( 能量最多 ) 由蒸發中的液體 表面逃逸時, 其整體平均能量降低, 溫度 亦降低, 汽化潛熱量由液體周圍空氣或附 近物體吸收 4-10 昇華 任何固體在低於融解溫度時, 直接變成汽 態而無明顯的經過液態 4-11 凝結 蒸汽可藉由冷卻 加壓或兩種方式合併使 用使其凝結
4-14 臨界溫度 臨界壓力 臨界溫度 : 指氣體受壓仍可凝結之最 高溫度 水蒸氣為 706(375 375 ); 空 氣為 -225 (-143 ) 臨界壓力 : 某物質在其臨界溫度下, 能以液態存在之最低壓力, 即在臨界 溫度下之飽和壓力
4-17 焓 一計算性質, 可籠統定義為總熱 總焓 (H):( : 為物質全部質量之焓 比焓 (h):( : 質量為 1 lb 之焓 大部分皆用比含較多 h = u + P v abs = u + P v abs J u: : 內能 (BTU/lb( BTU/lb,kJ/kg) J: : 熱功當量 (778ft( 778ft-lb/BTU)
4-18 熵 在一已知狀態下, 某物質由任一零點 或參考點在某絕對溫度下轉至另一狀 態所需提供之總能量 如同焓, 比熵 (s)) 較總熵 (S)( ) 常用 T m : 平均絕對溫度 ( R,K)( rev: : 可逆過程 Δ s = Δ Q T m rev
4-20 飽和蒸汽表 過熱蒸汽表 飽和蒸汽表 : 不同條件下之飽和液體 及蒸汽性質所列出的表格 過熱蒸汽表 : 不同條件下之過熱而非 飽和的液體及蒸汽性質所列出的表 格
4-22 液氣混合物性質 乾飽和蒸汽 : 完全不含液體之飽和蒸 汽 濕蒸汽 : 含有液體之蒸汽 乾度 (x):( : 蒸汽在液氣混合物中飽和 汽質量與混合物總值量之比值 其值 介於 0~1 間 x = 飽和蒸汽質量飽和蒸汽質量 + 飽和液體質量 = m v m + v m L
乾度 ( 乾度 (x) 與濕蒸汽之比容 ( ) 與濕蒸汽之比容 (v) 內 ) 內能 ( 能 (u) 焓 ( ) 焓 (h) 熵 ( ) 熵 (s) 之關係 : ) 之關係 : 結合 : 結合 : 下標下標 f: 飽和液 ; 下標 : 飽和液 ; 下標 g: 飽和汽 : 飽和汽 g f x g f x g f x g f x s x s x s h x h x h u x u x u v x v x v + = + = + = + = ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 f g f x f g f x f g f x f g f x s s s s h h h h u u u u v v v v x = = = =
第五章 濕空氣之性質
5-1 空氣之組成 氣體種類 分量 分子量 體積 ( 莫耳 ) 分率 分子量 莫耳分率 氮 (%) 78 28.061 0.7809 21.878 氧 21 32.000 0.2095 6.704 二氧化碳 1 44.010 0.0003 0.013 氬 39.944 0.0093 0.371 莫耳分率總和 1.000 平均分子量 28.966 水蒸汽含量隨地區及氣候條件不同, 其值量百分比為 1~3% % 乾空氣 : 不含水蒸汽之空氣 濕空氣 : 乾空氣與水蒸汽之天然混合 物
5-2 道爾頓分壓定律 任何氣體與蒸汽之物理性組合具有 : 1 混合物中任一氣體之分壓與該氣體 單獨充滿相同空間的壓力相等 2 混合物之總壓力等於各組成氣體或 蒸汽壓力之總和 空氣為氣體及水蒸氣之物理性混合 物, 故遵守道爾頓分壓定律
濕空氣總壓力 (P( o )= 乾空氣壓力 (P( a )+ 水蒸汽壓力 (P( v ) 濕空氣總質量 (m( o )= 乾空氣質量 (m( a )+ 水蒸汽質量 (m( v ) 濕空氣體積 (V( o )= 乾空氣體積 (V( a )= 水蒸汽體積 (V( v ) 濕空氣溫度 (T( o )= 乾空氣溫度 (T( a )= 水蒸汽溫度 (T( v ) 可與第三章 一般氣體定律一般氣體定律 結合運用
5-3 空氣線圖
0 點 原點 公制 :25: 25 DB,50 50% RH 英制 :80: 80 DB,50 50% RH SI 制 :24: 24 DB,50 50% RH 1 乾球溫度 TDB(, (, )) 普通溫度計於濕空氣中所測得的溫度, 應避 免直接輻射 2 濕球溫度 TWB(, (, )) 溫度計感溫球包以濕紗布置於 1000fpm~ 2000fpm 之濕空氣流中所測得的溫度
3 相對溼度 RH(%): 濕空氣中水蒸 汽的分壓 (P( V ) 與該濕空氣乾球溫度 所對應的飽和水蒸汽壓 (P( S ) 之比 RH 4 露點溫度 PT DP(, (, )) ( ) ( 濕空氣 ) s TDB Ps TDB 溫度降低至其所含的水蒸氣開始凝結 的溫度 = 5 飽和線飽和線 為相對溼度 100% % 的線, 此線上空氣性質 DB=WB=DP P v ( T ) Ps DP 100% = 100%
6 焓 H(kcal/kg,kJ/ kj/kg,btu/lb) ) 7 比容 v(m 3 /kg,ft 3 /lb) ) 每單位質量 乾空氣中所含的體積 8 濕度比 ω(kg/kg,gr/lb g/kg) 濕 空氣中水蒸氣的質量 (m( v ) 與乾空氣的質 量 (m( a ) 之比 9 顯熱比 SHF 空氣顯熱 (Q( S ) 與總熱 (Q T ) 之比值 ω = m v m a SHF = Q Q S T = Q S Q S + Q L
10 焓之減少修正數焓之減少修正數 11 焓之增加修正數焓之增加修正數 由等濕球溫度線延伸所查得的飽和焓 值, 需減少 ( 增加 ) 修正數, 才是此 空氣狀態之實際焓值 濕度比與相對濕度的關係 : ω m o ( T ) DB P ( T ) v v s = = 0.622 = 0.622 = 0. 622 m a P o P P v P φ P φ s DB P o P s ( T ) DP P ( T ) s DP
5-5 絕對濕度 ρ v 每單位濕空氣體積所含之水蒸氣質 量, 相當於水蒸氣密度 (kg/m( 3, lb/ft 3 ) 5-8 飽和比 μ 濕空氣中, 濕度比與該溫度下濕空氣 飽和時之濕度比之比值 ρ v = mv 1 = V v g ( T ) DP μ = ω ( ) ω s T DB 100%
5-10 空氣的熱含量與焓 空氣顯熱 Q s : 為 T 之函數 DB Q s =m Δh s 空氣潛熱 Q L : 為 T 之函數 DP Q L =m [ω 2 H w,2 空氣總熱 Q T : 為 T 之函數 WB w,2-ω 1 Hw,1] Q T =m (Ht,2-h t,1)
5-15 標準空氣 為了使訂定空調設備規格時有一定的 標準, 故 英制 : 標準大氣壓,70, 70 ρ=0.075lb/ft 3 υ=13.34ft 3 /lb SI 制 : 標準大氣壓,21, 21 ρ=0.075kg/m 3 υ=13.34m 3 /kg
5-17 空氣調節八大過程 0 1: : 純減熱過程 0 2: : 蒸發冷卻過程 0 3: : 純加濕過程 0 4: : 加熱加濕過程 0 5: : 純加熱過程 0 6: : 化學減濕過程 0 7: : 純減濕過程 0 8: : 減熱減濕過程
5-18 18 絕熱混合過程絕熱混合過程 2 2 1 1 2, 2 2 1, 1 1 2 1 2, 2 1, 1 3 2 2 1 1 2, 2 2 1, 1 1 2 1 2, 2 1, 1 3, v V v V v V v V m m m m v V v V T v V T v V m m T m T m T DB DB DB DB DB DB DB DB DB + + = + + = + + = + + = ω ω ω ω ω
5-24 設備露點溫度 盤管旁通因數 設備露點溫度 (T( ADP ): 空氣線圖中盤管空氣調節線 (GSHF)) 與飽和線 (φ=100( %) 之交點 盤管旁通因數 (BPF( BPF): 濕空氣通過冷卻盤管未與盤管表面接觸的比例 通過冷卻盤管之濕空氣可視為接觸與未接觸盤管表面的兩股濕空氣之混合 鳍片盤管 4 排銅管為 0.2; 6 排銅管為 0.08; 最佳可達 0.04 ~0.02
第六章 冷凍與蒸汽壓縮冷凍系統
6-1 冷凍 用以降低或保持空間或物質之溫度, 使其低於環境溫度 6-2 隔熱之要求 為使滲入冷凍區之熱降至最低, 故須 有好的絕熱材料使其與外界隔絕
6-3 冷凍負荷 又稱熱負荷 為產生或保持冷凍空間或材 料所需之溫度條件所必須移除的熱速率 冷凍設備總熱負荷來自下列 : 1 外界至庫內的傳導熱負荷 2 門開關時進入庫內的外氣熱負荷 3 庫內冰存物之熱負荷 4 庫中人員 馬達 燈具, 及其他電機等 發熱物產生的熱負荷
6-4 冷凍媒介物 在任何冷凍過程中, 用來吸熱或作為 冷卻的媒介物稱為冷媒 若冷媒吸熱後溫度上升, 則此過程所 吸收的熱為顯熱 ; 若冷媒吸熱後物理 狀態改變, 則此過程所吸收的熱為潛 熱 無論何種過程, 欲使冷凍效果更佳, 冷媒溫度須保持低於冷凍空間或物質 的溫度
6-6 液態冷媒 液體因在汽化時能吸收大量的熱而成 為現今機械式冷凍系統之基礎 以冷媒的觀點而言, 汽化中之液體有 許多優點 : 1 過程容易控制 2 冷卻速率易精確預估 3 汽化溫度可藉由其壓力控制 4 容易收集, 加以冷凝變回液態 而重複使用
6-8 汽化溫度之控制 藉由調整蒸汽流出蒸發器的速率來控 制 若排氣閥完全關閉使蒸汽無法排 出, 蒸發器內壓力將提高到液體飽和 溫度等於冷凍空間溫度 (40( ), 此 時冷凍空間與冷媒間無溫差及熱流, 汽化停止無冷卻發生 藉此方法, 可 知冷媒壓力愈低其對應的飽和溫度亦 愈低
6-9 蒸發器內保持定量液態冷媒 若使蒸發器內之液態冷媒持續汽化下 又可保持定量, 則必須持續補充液態 冷媒 調節液態冷媒流至蒸發器的流 率之控制裝置稱為冷媒控制器
6-10 冷媒蒸汽之回收使用 為使冷媒蒸汽凝結, 系統中需加裝冷 凝器 由於離開蒸發器的飽和蒸汽壓 與溫度和蒸發器內汽化中的液態冷媒 相同, 冷媒蒸汽溫度遠低於熱交換介 質, 始熱無法排出, 須加壓冷媒蒸 汽, 使其飽和溫度高於熱交換介質才 行, 壓縮機是為達到此目的之設備
6-11 典型蒸汽壓縮式冷凍系統 壓縮機 : 將冷媒蒸汽壓縮提高至某溫度及壓力, 使蒸汽可利用普通的熱交換介質加以凝結 冷凝器 : 提供熱傳面積始熱由高溫冷媒蒸汽傳至熱交換介質 冷媒控制器 : 調整適當的冷媒流量至蒸發器, 降低冷媒進入蒸發器之壓力, 使其可在內部以所需的溫度汽化 蒸發器 : 提供熱傳面積始熱由冷凍空間或物品經過此面積進入汽化中的冷媒
6-13 冷凍系統壓力分佈
6-18 壓縮過程 因壓縮時間短, 冷媒蒸汽與汽缸壁之 平均溫差小, 此期間冷媒蒸汽與汽缸 壁間之熱傳可忽略, 故此過程假設為 絕熱 在此過程中, 氣體內能增加量與對氣 體所作的壓縮功相等, 壓縮功愈大, 溫度及焓增加量愈大 對冷媒蒸汽作功量所等價的熱量稱為 壓縮熱
6-19 吐出溫度 冷媒蒸汽由壓縮機排出的溫度 6-20 冷凝溫度 恆等於熱交換介質溫度加凝結冷媒與 熱交換介質間之溫差, 故冷凝溫度隨 熱交換介質溫度與冷凝器內所需的熱 傳率變化 6-21 冷凝壓力 恆等於冷凝器內冷媒液氣混合物所對 應之飽和壓力
6-22 冷凍效果 (q( e ) 單位質量冷媒由冷凍空間所吸收之熱 量 (BTU/lb( BTU/lb,kJ/kg) ) 6-23 冷凍能力 (Q( e ) 將熱由冷凍空間移走的速率 (BTU/min,kW,tons) (1tons=3.517kW Q e =m q e =200 BTU/min min tons)
6-25 冷媒蒸汽體積流率 (V)( 當冷媒汽化溫度已知, 每單位質量產 生的比容可由飽和表查之, 則體積流 率 = 冷媒質量流率 (m) ( 蒸汽比容 (v) 6-26 壓縮機容量 為維持系統在設計條件下運轉, 容量 之選擇須使排氣量於任一時間內移走 蒸汽速率等於同時間蒸發器產生蒸汽 的速率
第七章 循環圖與簡單飽和冷凍循環
7-1 循環圖
1 絕對壓力 P(kg/cm 2 abs,kpa KPa, psia) ) 2 焓 h(kcal/kg,kj/kg,btu/lb) ) 3 飽和液體線 : 乾度 x=0,, 冷媒在線上任一位 置皆為液態 4 飽和氣體線 : 乾度 x=1,, 冷媒在線上任一位 置皆為氣態 5 等溫線 T(, ) 6 等熵線 s(kj/ kj/kg K,BTU/lb R) )
7 等容線 v(m 3 /kg,ft 3 /lb) ) 8 等乾度線 x: : 介於 0~1 之間, 值愈小 愈潮濕, 愈接近液態 ; 反之則為氣態 9 臨界點 : 飽和液體線與飽和氣體線 之交點 當冷媒於臨界點時, 壓力為臨 界壓力, 所對應的溫度為臨界溫度
7-3 簡單飽和 ( 理想 ) 冷凍循環 理想冷凍循環的 P-h 圖, 是基於以下假設而成 : 1: : 冷媒在壓縮機汽缸內以斷熱方式壓縮 ( 過程 1 2) 2: : 冷媒在冷凝器與蒸發器內以等壓狀態冷凝或蒸發 ( 過程 2 3) ) 及 ( 過程 4 1) 3: : 液態冷媒離開膨脹閥進入蒸發器時以等焓膨脹 ( 過程 3 4) 4: : 離開蒸發器進入壓縮機的冷媒為飽和氣態 ; 而在離開冷凝器進入膨脹閥的冷媒為飽和液態
7-4 壓縮過程 低壓氣體冷媒經壓縮後成為高壓氣體冷媒 冷媒在汽缸內以斷熱方式壓縮 故為斷熱 等熵 飽和壓縮 壓縮功 q w =h 2 -h 1 (kcal/h,btu/lb) Q W =m (h 2 -h 1 ) W=J (h 2 -h 1 ) =J m (h 2 -h 1 ) (ft-lb/lb)
高壓氣態冷媒, 經等壓冷凝散熱變成飽和液態 冷凝器散熱量 q C =h 2 -h 3 (kcal/h,btu/lb) 冷凝器總散熱量 Q C =m (h 2 -h 3 ) (BTU/ BTU/min tons) 7-5 冷凝過程
高壓飽和液態冷媒 等焓膨脹成為低壓 液氣混合狀態之冷 媒 膨脹過程不會做 功, 因為膨脹閥將 能量轉換, 使內部 冷媒由飽和液態變 為液氣混合狀態, 此過程又稱閃變或 閃蒸過程 7-6 膨脹過程
7-7 蒸發過程 將液氣混合狀態的冷媒經等壓 吸熱蒸發飽和氣態冷媒 冷凍能力 q e =h 1 -h 4 (kcal/h,btu/lb) Q e =m (h 1 -h 4 ) (BTU/ BTU/min tons)
7-8 理論功率 Thp 為每噸冷凍能力驅動壓縮機之所需, 以馬力表示 每噸冷凍能力所需實際的軸功率 (Shp)) 通常超過理論功率 30%~ %~50 %, 視壓縮機的效率而定 7-9 性能係數 COP 冷凍能力與壓縮功之比值 COP = q q e W = h h 1 2 h h 4 1
7-10 蒸發溫度對冷凍系統的影響 在較高的蒸發溫度下 : 1 單位質量冷媒的冷凍效果較大 2 每噸冷凍能力的壓縮功減少, 較省電 3 每噸冷凍能力所需的理論功率減少 4 COP 上升 5 冷媒質量流率較低 6 每單位冷凍能力冷凝器每分鐘散熱量較 小
7-11 冷凝溫度對冷凍系統的影響 1 液體冷媒流至膨脹閥的溫度增加, 使冷 凍效果降低 2 冷媒質量流率較大 3 蒸汽體積流率增加 4 壓縮功增加 5 理論功率增加 6 COP 降低
第八章 實際冷凍循環
8-1 實際循環與簡單飽和循環之差異 1 在簡單飽和循環中, 冷媒流過管路及各 元件所造成的壓降均忽略 2 冷媒過冷及過熱影響亦未考慮 3 壓縮過程假設為完全等熵壓縮
8-2 壓縮機吸氣過熱的影響 蒸發器內的液體冷媒完全蒸發後, 溫 度低 飽和狀態的蒸汽會繼續吸熱, 在達到壓縮機前變為過熱狀態 若蒸 汽為過熱, 壓縮機須壓縮比飽和蒸汽 更多的體積, 在特定的壓縮排氣量 下, 冷媒質量流率必少於同壓下吸氣 為飽和狀態之情形
8-3 不產生有用冷卻的過熱 過熱循環單位冷凍能力的蒸汽體積流 率 單位冷凍能力功率需求及冷凝器 散熱量, 都比飽和循環時大 代表壓 縮機 冷凝器等元件, 過熱循環皆比 飽和循環時大
8-4 產生有用冷卻的過熱 此種情形下, 過熱量增加了冷凍效果 實 際循環中, 吸氣過熱通常是 : 1 來自冷凍空間, 產生有用的冷凍 其大 小將視冷凍系統應用情況而定, 且過熱對 系統的效應約正比於其產生之有用的冷 卻 2 來自冷媒離開冷凍空間後所吸收的熱 量, 產生沒有用的冷凍
不管過熱對冷凍能力影響如何, 些微 的過熱是必要的 若無些微的過熱, 味蒸發的微量冷媒液滴極有可能帶入 蒸汽中, 此蒸汽稱為濕蒸汽 吸入壓 縮機的濕蒸汽對其冷凍能力造成很大 的反效果, 會對壓縮機造成嚴重的損 害
蒸發溫度的過熱可發生於 : 1 蒸發器末端 2 冷凍空間內的蒸發管 3 冷凍空間外的蒸發管 4 冷媒液對冷媒汽的熱交換器
8-5 冷凍空間外冷媒蒸汽之過熱 低蒸發溫度的系統, 蒸發管中些微的 過熱量, 會導致效率降低, 在此情形 下, 若系統效率要維持一合理水平, 則須對蒸發管包覆絕熱材, 防止蒸發 管外壁結霜
8-5 冷凍空間內冷媒蒸汽之過熱 如 8-4 所說, 要防止濕蒸汽, 除了調整 膨脹閥使液態冷媒在到達蒸發器末端 時完全蒸發外, 還有將部分蒸發管置 於冷凍空間內的方法, 其優點為 :
1 使蒸發器內完全充滿氣態冷媒而無 液體溢流至蒸發管而被吸至壓縮機 2 提升循環效率 3 不須增加蒸發器表面積, 使既有蒸 發器表面更有效率 4 提升蒸發管溫度, 防止外壁凝結, 而不需絕熱材 但要注意, 蒸發管在冷凍空間所能過 熱的程度, 受限於冷凍空間的溫度
8-7 冷媒液過冷的影響 當液態冷媒在到達膨脹閥前為過冷 時, 優點為 : 1 冷凍效果增加 2 冷媒質量流率低 3 所壓縮的冷媒蒸汽體積降低 4 壓縮排氣量降低 5 COP 增加, 所需功率降低 冷媒液過冷可發生於 : 儲存於儲液器 時, 流經輸液管時散熱至周為空氣 時
8-8 冷媒液對冷媒汽的熱交換器 另一個將冷媒液過冷的方式, 是將冷 媒液和回到壓縮機的低溫冷媒蒸汽以 逆向流的方式通過熱交換器 雖然在 實際循環中, 無論是否使用熱交換 器, 蒸發溫度過熱是無可避免的, 故 任何使蒸發溫度過熱且產生有用冷卻 的方法皆可適用, 而熱交換器的價值 正是如此
右圖為包含壓 降 過冷熱等綜 合效應的實際循 環圖, 與理想狀 態下的循環圖比 較 藍色為理想狀態 下的循環圖 ; 紅色為實際循環 圖 8-9 摩擦造成之壓力損失效應
第九章 冷凍之應用
9-2 冷凍應用之分類 1 家用冷凍 用於家用冰箱, 壓縮機屬全密閉式, 約 0.05~0.5hp 0.5hp 2 商業冷凍 用於零售店 餐廳 旅館 生鮮產品儲 存 展示和處理批發等有關的設計 安裝及維修 3 工業冷凍 用於製冰 大型食物包裝 釀造 奶品 煉油 化工 橡膠等工廠
4 船舶與運輸冷凍 船舶冷凍 : 用於漁船 貨船等生鮮食品載 運船 運輸冷凍 : 用於長 短程貨車 鐵路運輸 等
9-7 空氣調節主要與某ㄧ特定區域的空氣調節有關, 包括溫度 溼度 清淨度 氣流分布等 1 舒適空調提供人一個舒適環境 如住家 學校 辦公室 旅館 商店 工廠 車輛 飛機 船舶等 2 產業空調主要目的不是為了人 其功能為 : 控制吸濕材料的溼度 控制化學及生化反應 控制由熱漲冷縮引起的公差 提供過濾的乾淨空氣滿足生產製程的需求
9-8 食物保存 早期發現一些食物保存的方法如乾燥 煙燻 醃漬等 後來, 因顯微鏡的發 明, 發現食物的腐敗是由微生物引起, 故 發明了罐頭 現今, 冷凍是唯一能保有食 物生鮮狀態的方法, 但其缺點是食物需在 收割及宰殺後立即凍藏直至消費, 而冷凍 設備通常體積龐大且昂貴, 故此法較不方 便及經濟 當然, 最適當的方法須根據產品種類 保存期限 保存食品的用途 運輸 及儲藏設備等因素而決定
9-9 變質及腐敗 所有的食物在腐敗到無法使用之前, 會先 經過幾個階段的變質 對大部分的食物而言, 變質及最終的腐敗 是由於食物內ㄧ連串的化學反應所致 此 反應是由內 ( 有機體內本身的酵素 ) 外 ( 有機體表面的微生物 ) 因子促成 通常食物的腐敗是由兩者同 時造成, 故要保存食物, 就必須同時控制 兩個因子
9-10 酵素 是一複雜 類似蛋白質的化學物質, 使有 機體產生化學反應 其對食物總是不好 的, 但溫度 酸鹼度等方法, 可控制酵素 活性 9-11 微生物 指微小或極微小的動植物 如細菌 酵母 菌 黴菌 微生物除了在食物鏈中很重要 外, 在許多發酵過程及處理一些工業廢棄 物亦很重要
9-12 細菌 ( ㄧ ) 類型 1 腐生性 : 靠動植物屍體或排泄物維生 2 寄生性 : 如病毒, 引起感染或疾病 有些細菌可因環境轉換 ( 二 ) 酸鹼度 大部分的細菌喜歡中性或弱鹼性, 有些喜 歡弱酸性
( 三 ) 對空氣的需求 1 需要空氣 : 其分解過程稱為腐爛 2 不需要空氣 : 其分解過程稱為腐敗, 產 生惡臭 ( 四 ) 光 可抑制細菌生長 紫外線可殺菌, 若配合 乾燥, 會有很好的抑菌效果 ( 五 ) 溫度 高溫可殺菌 ; 低溫使其失去活性
9-13 酵母 屬單細胞菌類植物, 比細菌大, 可形成 8 個 孢子, 大自然中隨處可見, 與細菌的特性 相同 常用於釀造工業 麵包烘培等 9-14 黴菌 與酵母的特性類似, 其組織較複雜, 可產 生數千個孢子 冬天的冷藏室特別適合生 長 常用於製造抗生素如盤尼西靈 金黴 素
9-15 腐敗因子的控制 1 高溫 : 消除腐敗因子所需的時間與加 熱溫度有關 蒸氣加熱方式比乾加熱有 效, 可縮短加熱時間及溫度 2 乾燥 : 腐敗因子需有水分才能活化, 故可用陽光或烤箱弄乾 3 醃漬 : 是一種發酵過程, 除去可供腐 敗因子活動所需的物質 4 煙燻 : 主要靠此過程的乾燥及煙的防 腐成分 ( 木餾油 )
9-16 冷凍保存 以低溫消除或抑制腐敗因子的活性 其溫度視產品及保存期限而定 依儲藏目的, 食品分為活的 死的 死的如各種家畜 ( 禽 ) 肉及各種海鮮 比活的更易腐敗 故保存的主要課題 是維持活體生命, 同時意志體內酵素 活性, 減緩老化及成熟速率
9-17 冷凍冷藏 1 短期或暫時冷藏 : 用於零售店, 時間約 1~2 天, 不超過 15 天 2 長期冷藏 : 用於批發商或商業冷藏 庫, 時間視產品種類及進庫時狀況決 定
3 凍藏 : 長期儲存的生鮮產品 其所需溫度並無明確規定, 只要夠低 且穩定即可 短期儲藏 :0 : 長期儲藏 :-5 : 儲藏品有不穩定的油脂 ( 自由脂肪 酸 ):-10 10 以下
9-18 儲藏條件及溫度 短期或長期最佳儲藏條件視產品特性 及儲藏時間而定, 溫度需高於產品的 凍結點 ; 凍藏的溫度需低於產品的凍 結點, 介於 10 ~ -10,0 最常用
9-20 濕度與氣流 未包裝的產品, 除藏時不僅考慮溫 度, 還有濕度與氣流 產品與空氣水蒸氣壓差主要與相對濕 度與氣流速率有關 若為低濕度高風 速, 則水蒸氣壓差愈大, 水分喪失愈快 ; 反之, 水分喪失愈 慢 故庫內濕度需小於 100% RH,, 且維持良好的空氣循環
9-21 混合儲藏 通常考慮下列兩個因素 : 1 溫度 : 為避免其中較敏感的產品產 生冷藏病, 故選取比其中一些產品最 佳條件稍高的溫度 若要長期存放, 則須備有各種不同條件的庫房, 將產將 品分類, 條件進似者歸於同一庫房 2 氣味的吸收 : 某些產品會在存放過 程中釋放或吸收氣味
9-23 產品冷卻或預冷 主要差別是產品進入預冷室時是在高 溫狀態 ( 採收或宰殺後 ), 隨後儘快 的冷卻至儲藏溫度, 再 從預冷室移至冷藏室 預冷設備能力應避免預冷過程中室溫 太高
9-24 預冷室內的相對溼度及風 速 預冷初期, 高風速在提升冷卻能力, 降低產品水蒸氣壓的效果大於其加速 水氣蒸發的效果, 故其 淨影響是減少產品的失水 ; 預冷後 期, 因品溫及水蒸氣壓均下降, 此時高風速會加速的失水, 故 預冷後期需降低風速
9-27 凍結方法 ( ㄧ ) 緩慢凍結 : 將產品置於低溫室 內, 在靜止空氣中緩慢凍結, 溫度 0 ~-4,, 靠自然對流, 時間視產品體積及庫內條件而定, 通常是 3 小時 ~3 ~ 天左右
( 二 ) 急速凍結 : 1 強制吹風 : 利用低溫高風速吹過產品, 產生急速凍結效果 有懸吊式及落地式兩 種, 用於需要冷卻大量產品的絕熱隧道 中 2 間接接觸 : 使用平板凍結器, 將產品置 於有冷媒流過的金屬平板上 用於凍結品 數量不多時 3 浸泡 : 將產品置於低溫鹽浴中 ( 鹽或糖 ) 優點是與產品有好的接觸, 凍結時間短, 且不會黏在一起 用於海 鮮產品
通常急速凍結比緩慢凍結好的原因是 : 1 冰晶小, 對細胞破壞性小 2 凍結時間短, 溶液鹽滲入量及產品水分結冰分離量小 3 產品快速冷卻至腐敗因子能活動的溫度以下, 就不會在凍結過程中被分解 兩者最大差異在細胞液型成冰晶時的大小 數量及位置不同 30~25 25 為最大冰晶生成帶, 凍結品應儘速通過此區域
9-32 包裝材料 大部分均在凍結前包裝 材料須防 水 不透氣且能緊密結合, 使包裝內 空氣最少 常用的材料如 鋁箔 錫罐 硬紙板 ( 內面有防水 層 ) 蠟紙 玻璃紙 聚乙烯 其他塑膠紙
9-34 商用冷凍設備 1 冷凍櫃 : 使用最廣的設備, 可作為儲藏 展示或兩用 用於旅館 餐廳 速食店等 2 小型冷凍庫 : 主要用於儲藏, 有各種不同的尺寸 有些則備有陳列式玻璃門方便取用, 如便利商店 超市等 3 展示櫃 : 主要目的是展示商品, 無法顧及最佳儲藏條件, 故其內部產品皆不能久放 分為自助型, 用於超市 自助商店等 ; 服務型, 用於市場 小雜貨店等
9-38 特殊設備 如自動販賣機 製冰機 花櫃 停屍 櫃等
第十章 冷卻負荷估算
10-1 冷卻負荷 1 傳導熱 2 由玻璃傳入之輻射熱 3 由門窗縫隙進入之外氣熱 4 產品溫度與庫溫差所含的熱 5 人員發生熱 6 機具 燈具等其他發熱設備
10-2 設備運轉時間所需設備冷凍能力 BTU/hr = ( ) ( BTU/24hr) ( hr) 總冷凍負荷設備預計運轉時間 由於蒸發器需定期除霜, 故冷凍設備不能運轉 24 小時 通常使用停機除霜, 暫停壓縮機運轉, 使蒸發器溫度上升至庫溫, 並持續至蒸發器上的霜溶化為止 此系統壓縮機運轉最長只能 16 小時 若庫內溫度設定於 34 以下, 就不能使用上述方法, 須使用輔助加熱方式除霜 此系統運轉時間較長, 約 18~20 小時
10-3 冷卻負荷之計算 1 牆壁穿透熱 : 熱由外側經由傳導穿透庫壁到內側, 由於無百分百絕熱, 只要有內外溫差, 熱就會傳入 2 換氣負荷 : 當冷凍庫的門開關時, 庫內冷空氣流出, 庫外熱空氣流入, 系統須把熱空氣的溫 濕度降至設定條件 ㄧ般商業冷凍設備的門有很好的氣密性, 由門縫滲入的空氣量可忽略, 故主要的換氣負荷是門開關時所帶入的空氣
3 產品負荷 : 使產品溫度降至庫內設 定溫度所需移走的熱 若系統是設計 儲藏用時, 物品入庫溫度皆已是儲藏 溫度, 故不需考慮 此部份 ; 若物品入庫溫度高於儲藏溫 度, 就需考慮 4 雜熱 : 又稱輔助熱 主要是庫內工 作人員 燈具或其他運轉的電器設 施
10-8 影響牆壁穿透負荷因素 Q=A U ΔT Q: : 穿透熱 (BTU/hr,kcal/hr) A: : 牆外表面積 (ft( 2,m 2 ) U: : 總熱傳係數 (BTU/hr( BTU/hr ft2, W/m2 K) ΔT: : 庫內外溫差 (, (, )
10-9 總熱傳係數 U 之決定 可由 冷藏庫壁總熱傳係數表 決定 對於表中沒有的總熱傳係數, 可由熱傳係數 k 及熱導 C 計算 對均ㄧ材質 :C= C=k/x C: 針對指定材料 ( 均質或異質 ) 的厚度, 每 hr 每 ft 2 每 下的熱傳量 由於異質材料熱傳率, 不同的部分有不同的值, 故須由實驗獲得 k: : 穿過面積 1ft 2 1in 厚 溫差 1 之材料熱傳率 x: : 材料厚度 (in( in)
牆壁結構中保溫材料為決定庫壁 U 值的主因, 空氣側及其他材料對 U 值的影響很小 原因是保溫材料的熱阻遠大於空氣側及其他材料的熱阻, 故在小型系統中, 庫壁 U 值可以保溫材料之熱導計算 R = 1 U = 1 f i + x k 1 + x k 2 +... + x k n + 1 f o U = 1 f i + x k 1 + x k 2 1 +... + x k n + 1 f o
10-11 11 天花板與地板溫差 當系統置於建築物內, 且其屋頂與建 築物天花板有足夠通風空間, 則以建築物內庫壁處理 ; 若其屋頂 暴露於外氣, 則以外牆處理 同樣的, 地板除了在地表上, 其處理方式相同
10-12 12 太陽輻射的影響 當系統外壁受到太陽或其他熱源 的熱輻射, 外壁溫度會高於周圍空氣 溫度 由於外表面溫度增加, 進而增加庫壁內外溫差 故在 太陽照射下, 庫壁內外溫差須考慮日 照效應, 加以修正
10-13 13 庫壁穿透熱負荷 估算時, 需考慮所有的庫壁 結構不 同者,U, 值及溫差相同時可ㄧ併計算 當 U 值差異不大及面積很小時, 可忽略 U 值差異而一併計算
10-14 14 換氣負荷計算 一般冷藏庫中, 除了設計的通風換氣外, 其他 外氣大部分來自門的數目 尺寸 位置 開門 次數及時間, 故不易預測 換氣負荷 = 內容積 換氣數 空氣焓差 10-15 15 產品負荷計算 當產品進庫溫度比庫溫高時, 即會降溫而釋出 熱量 Q = m c ΔT 24 所需冷卻時間
10-16 16 冷卻速率因子 將每小時平均冷卻負荷修正使之接近尖 峰負荷, 只用於預冷室 在產品冷卻過 程中, 由於初期品溫與庫溫相差很大, 冷卻負荷遠大於平均負荷, 故大部分產 品負荷集中於冷卻初期, 設備所需的冷 卻能力亦遠大於平均值 要補償這種現 象, 需將冷卻速率因子加入冷卻負荷的 估算
10-17 17 產品凍結與儲存產品負荷有三部份 : 1 由入庫溫度至凍結溫度間產品釋出之熱 2 產品固化或凍結釋出之潛熱 Q=m h if (h : if 產品潛熱 ) 3 由凍結溫度至儲存溫度間產品釋出之熱 當冷卻與凍結在 24hr 中完成, 將上列三項相加 ; 若 24hr 內完成, 將上列三項相加除以經過時間再乘以 24hr
10-18 18 呼吸熱 蔬果在收割後仍進行呼吸作用, 空氣 中的氧與組織內的碳水化合物結合, 產生 CO2 及熱, 其大小與 產品種類及溫度有關 Q= 產品質量 呼吸熱 24hr 10-19 19 容器及包裝材料 其降至儲存溫度釋出之熱需算入產品 負荷內
10-20 雜熱燈光 =Watt= Watt 3.42 24hr24hr 電動機 = 係數 馬力 24hr 人員 = 係數 人數 24hr 10-21 安全係數以上各節介紹之負荷總和, 加上 5%~10% % 安全係數 ( 一般取 10%) 再將每 24hr 的負荷除以設備一天運轉的時數, 即為每小時平均負荷 10-22 負荷速算法若冷藏設備只作為一般儲藏用, 儲藏產品事先無法確定或每天不同, 可利用此法估算 使用負荷 = 內容積 使用負荷係數
第十一章 蒸發器
11-1 蒸發器之種類 ( ㄧ ) 冷媒在蒸發器之狀態 : 1 乾式 3 液冷媒循環式 ( 二 ) 應用方式 : 1 直接膨脹式 ( 三 ) 吸熱方式 : 1 直接接觸吸熱法 2 間接接觸吸熱法 2 滿液式 2 間接膨脹式
( 四 ) 空氣對流方式 : 1 自然對流 ( 五 ) 構造 : 1 裸管式 3 鰭片式 5 殼管式 2 強迫對流 2 板式 4 二重管式 6 殼圈式 其中, 裸管式 板式 鰭片式屬直接 膨脹式 ; 二重管式 殼管式 殼圈式屬間接膨脹式
11-2 蒸發氣之構造種類 現依三種主要的構造說明 : 1 裸管式 : 通常使用鋼管 ( 大系統或氨系統 ) 或銅管 ( 小系統或其他冷媒系統 ), 其形狀有平面鋸齒及橢圓伸縮喇叭 係利用空氣自然對流, 達到冷凍效果
2 板式 : 一種是兩片金屬隆起再焊在一起 而形成一冷媒流道, 可做成各種形狀 用 於家用冰箱或冷凍櫃 另一種是兩片金屬 中間夾著冷媒管, 再沿邊焊住, 為減少金 屬板與冷媒管間熱阻, 在其中充以共晶鹽 溶液或抽真空, 使金屬板夾緊冷媒管 板式蒸發器可單 獨或組合 ( 串 並聯 ) 使用, 可做成置物 架 ( 冷凍庫 ) 隔板 ( 冷凍櫃 展示櫃 等 ), 亦用在負荷屬間歇性的液體冷卻裝 置
3 鰭片式 : 鰭片是將金屬板或鰭片套在裸 管上而成, 為兩次熱傳表面, 增加蒸發器 外表面積, 提升冷卻效果 若應用在低溫冷凍系統, 鰭片表面會結 霜, 阻塞鰭片間空氣流通, 故鰭片數須減 少 增加間距 ( 每 in2~4 片 ) ; 若應用在 0 以上的空調系統, 因無結霜 問題, 故鰭片數可增加至每 in14 片 其比上述兩種蒸發器有更大的熱傳面 積, 適合搭配風扇, 以強制對流方式使 用
11-13 13 蒸發器之冷媒供給方式 1 乾式蒸發器 : 高壓液態冷媒經膨脹閥 ( 毛細管或感溫膨脹閥 ) 降壓成為低壓液氣混合狀態冷媒, 進入蒸發器之冷卻盤管中吸收冷凍空間之熱量, 逐漸蒸發成氣態冷媒, 至蒸發器出口時, 完全成為乾燥飽和之蒸汽 其設計條件是冷媒在蒸發器出口保 10 過熱 ; 需要 10%~ %~20%% 蒸發器面積 常用於氟氯網系冷媒系統 優點 : 使用冷煤少 設計簡單 成本便宜 體積小 積存於蒸發器內之潤滑油量少 無回油問題無回油問題 缺點 : 因內部皆為氣態, 故熱傳率最差
2 滿液式蒸發器 : 利用浮球控制閥控制液位, 使積液器儲存液態冷媒, 並以重力方式循環, 使蒸發器充滿液態冷媒 當冷媒離開盤管時, 只有 20~25 25% % 被蒸發, 且只有此部分的冷媒有製冷能力, 滿足熱負荷, 其他液態冷媒則用來保持盤管內表面濕潤, 增加內部熱傳 而積液器內上方的氣態冷媒, 被壓縮機吸入進行循環 優點 : 因盤管內充滿液態冷媒, 有最大濕面積, 熱傳效率最高 缺點 : 體積大 冷媒量多 回油困難, 須設回油裝置
3 液冷媒循環式蒸發器 : 將液體冷媒存於儲液器中, 利用泵浦強制送入蒸發器內 其循環量可由 2:1~6or7:1( ( 液冷媒量 : 蒸發器所能蒸發的量 ) 氨的循環量較大,R-12,22,502 較低 常用於多蒸發器系統 主機房到蒸發器間距離較長之大型系統 優點 : 與滿液式蒸發器類似, 且冷媒以相當速度流動, 熱傳效果佳 不易積存冷凍油 溫度控制及除霜容易 缺點 : 因加裝冷媒循環泵浦及儲液器, 故費用較高
11-6 蒸發器的能力 即熱傳率 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, 以一般熱 傳表面的模式敘述 : Q=A U D Q= = 熱傳率 (BTU/hr( BTU/hr,kcal/hr) A= = 蒸發器外表面積, 包括鰭片及原始表面 (ft 2,m 2 ) U= = 總熱傳係數 D= = 蒸發器內 外對數平均溫差 (, (, )
11-7 7 U 值或總熱傳係數 U= = 總熱傳係數 f i = 內表面熱傳係數 L/K= = 冷媒管及鰭片之熱組 f o = 外表面熱傳係數 R= = 外表面積與內表面積之比 1 U = R f + L K + 1 i f o
影響內 外壁熱傳係數, 並決定 U 值的因素有盤管構造 材料 內部濕 面積 盤管內冷媒流率 熱傳導率 冷凍油含量 欲冷卻的產品材質 外 表面狀況 流經蒸發器表面的流體流 速 內外面積比等
11-8 鰭片的優點主要與蒸發器內 外表面面積比 R 及相對熱傳係數有關 當內壁表面熱傳係數大於外壁表面熱傳係數, 整個蒸發器能力受限於外壁熱傳能力, 此時可以鰭片增加外表面積提升外壁表面熱傳率, 使之接近內壁表面熱傳率, 提高整個蒸發器能力 多使用在氣冷式蒸發器 一些氟氯碳冷媒的液體冷卻系統, 冷媒側的鰭片可提升蒸發器能力
11-9 對數平均溫差 (LMTD( LMTD) 若以右圖紅直線算 LMTD, 為算術平均值 ( T - T ) ( T - T ) e r + l r D = 2 若以右圖紅曲線算 LMTD, 為實際空氣溫度平均值 ( Te - Tr )- ( Tl - Tr ) D = ( Te - Tr ) ln ( T - T ) l r 離開空氣 30 F 蒸發器盤管 進入空氣 40 F 算術平均 35 F 實際平均 34.43 F
11-10 10 風量 風速對蒸發器的影響 主要是空氣在庫內及盤管間的循環 分佈和速度 蒸發器大部分需靠空氣 循環與產品做熱交換 庫內空氣循環量 不足, 產品負荷無法傳至蒸發器, 使其 發揮最大能力 ; 不均勻的的氣流分佈會 使庫溫不平衡, 使部分盤管性能降低, 降低蒸發器能力
通過盤管的風速對其 U 值 LMTD 及蒸發 器能力有很大的影響 若風速變慢, 空氣與盤管接觸時間 溫度變化增 加, 使 LMTD 及熱傳率下降 ; 反之, 使 LMTD 及熱傳率上升
11-11 熱傳表面積 如右圖, 盤管 B 及 C 之面積均為 A 之 2 倍, 但盤管 C 增加的能力大於盤管 B,, 只要通過盤管的風速相同 ( 通過盤管 C 的風速為 A 之 2 倍 ), 盤管 C 及 A 之 LMTD 相同, 但盤管 C 的能力為 A 之 2 倍 若以增加排數的方法增加面積, 如盤管 B,, 其 LMTD 下降, 無法如盤管 C 一樣使能力加倍
11-12 12 蒸發器管路安排當負荷不大時, 可使用單一管路系統, 但若負荷太大, 其壓降也太大 為改善上述問題, 其一是在管路中, 將單一管路分成兩平行管路 ( 分離式管路 ), 此方法可使冷媒壓損在單一管路壓損達到某ㄧ限度時, 管路改成兩平行管路, 流速為原來的ㄧ半, 後段壓損可減至原來的 1/8 這樣可增加盤管能力, 不產生過大壓降, 且維持固定流速使熱傳率不受影響
其二是使用管集, 但缺點為每一回路 負荷不同, 第一排最大 ; 最後一排最 小, 常用於滿液式 液冷媒循環式蒸 發器
現今使用最廣泛的是盤管附有冷媒入 口分佈器及出口管集 常用於管路負 荷大 空氣溫度與冷媒溫度相差很大 且外鰭片很密時 空氣與冷媒以對流方式進行熱交換, 產生最大平均溫差及熱傳率, 且每一迴路負荷均相同
11-15 15 蒸發器溫差 TD 為進入蒸發器溫度 ( 庫溫 ) 與蒸發器 出口冷媒壓力所對應飽和溫度之差 蒸發器能力與其 TD 成正比, 故就冷凍 能力而言, 一個小蒸發器只要其 TD 能 相對增加, 其能力可與大蒸發器相 同
11-16 16 盤管溫差 TD 對空間濕度 之影響 控制庫內濕度的主因為蒸發器 TD TD 愈 小, 庫內濕度愈大 其他影響濕度的因 素為氣流分布及控制方式 系統運轉時間 產品暴露面積 滲入 率及外氣條件 若濕度不重要, 決定蒸發器的主因是系 統效率 運轉費用 安裝空間 設置成 本
11-17 17 空氣循環對儲藏品之影 響 循環風量決定於空間溼度 產品種類 及儲藏時間 若循環量不夠, 則蒸發能力下降, 黴 ( 細 ) 菌易滋長 ; 若風量過多, 則產品脫水, 影響外觀 對大部分的產品而言, 風量與溼度須 同時考慮, 兩者可互補
B 11-18 18 自然對流式蒸發器盤管 W 6 常用於低風速, 對產品產生 不脫水的應用, 如冰箱 展示櫃 冷凍櫃等 其循環風量決定於蒸發器與庫溫之差, 溫差愈大, 循環風量愈大, 同時亦受蒸發器形狀 大小 位置 擋板 產品擺放等因素影響 分布於冷藏室天花板的全長, 但與天花板間應留空隙以免妨礙自然對流, 若天花板空間不夠, 可將其裝於牆上 在小型冷藏庫中可配合擋板使用 使用擋板需留 1/6~ 暖空氣氣道 絕熱 W 1/7 地板面積的冷 暖空氣道 若氣道延伸至整個冷藏庫的長度, 則 氣道寬度須與冷藏庫寬度成正比 A C W 7 冷空氣氣道 註 : 1. 冷藏庫外壁為絕熱 2. 尺寸 A: 約等於暖空氣氣道, 不得小於 3" 3. 尺寸 B:4"~7" 4. 尺寸 C:2"~4" 5. 擋板垂直部份須比盤管高 1", 底部低過 3"~4" 6. 擋板水平部份或盤管蓋板應每呎有 1"~ 2" 的斜度方便排水, 且要做保溫, 避免水汽凝結於底部而滴至產品上
11-19 19 自然對流式蒸發器的額 定及選擇 對小於 8' 寬冷藏室, 常使用單一吊頂 式蒸發器 ; 若超過 8' 寬, 則使用 2 個 以上蒸發器 前面說過, 裸管式 板式 鰭片式皆屬此類蒸發器, 故常以每 ft 2 外壁面積或每 ft 管長來額定能力 板式則板的兩面都要算
11-20 強制對流蒸發器額定及選用又稱蒸發機組 由裸管或鰭片與一部或多部風車裝於一金屬箱中, 提供空氣循環 盤管總冷卻能力與循環風量有關 盤管正面風速 : 風量 ( cfm ) 低速 =200= 200~500fpm 風速 fpm = 正面面積中速 =500= 500~800fpm 高速 =800= 800~1200fpm 若為濕盤管, 則最大風速為 600fpm, 避免吹走水或鹵水 ( 2 ft ) CFM = ( BTU/hr) 總能力 顯熱比空氣溫差 1.08
11-22 液體冷卻器之種類 1 二重管式 : 一根管子在另一根內, 內管流被冷卻液, 內外管間流冷媒, 採對流方式 用於釀造 石油工業 優點 : 堅固 無冷媒接頭 內管易清洗 高熱傳效率 缺點 : 體積大 2 邦德羅式 : 由一組水平冷媒管連接而成, 管內流冷媒, 被冷卻液體則由管外頂端分佈器, 經重力流過冷媒管後, 至底部收集器收集 優點 : 可讓液體冷卻至接近凝固點之溫度而無脹破管問題 冷媒迴路可分成數個部份
3 桶式 : 主構造為將冷媒盤管整個置於一盛液體鋼桶中央或一側而成 並有擋板及攪拌器增加液體循環, 通過盤管速度介於 100~150fpm 150fpm 間 用於無衛生顧慮的液體 ( 二次冷媒 ) 冷卻, 同時因其蓄冷特性, 亦適用於負荷變動大的地方 溫液體入 冷液體出 冷卻盤管 擋板 攪拌器
4 殼圈式 : 由一圈或數圈螺旋裸管封閉於鋼桶中而成 若做為乾式冷卻器, 則被冷卻液在殼側, 此有蓄冷效果, 常用於小容量且負載非連續性的地方, 如冰水開飲機 麵包工廠等 ; 若做為滿液式冷卻器, 則被冷卻液在管側, 又稱為瞬時冰水器, 其缺點是無蓄冷效 果且有脹破管的危險, 只適用於液溫高於 38 的地方, 如啤酒 冷卻 拉桿式飲料機 等 冷媒或被冷卻液進 冷媒或被冷卻液出 冷媒或被冷卻液出 冷媒或被冷卻液進 桶殼
5 殼管式 : 在鋼管製程的圓管內裝配許多小平行管, 固定於管板, 再將管口擴大密封, 使其不洩漏 若用於乾式, 則冷媒在管側 冰水在殼側, 常用於 2~250RT250RT 中 小型系統 ; 若用於滿液式, 則冰水在管側 冷媒在殼側, 常用於 10~ 數千 RT 大型系統 冷媒液面由浮球閥控制, 兩者之冰水均由水泵驅動循環 其有很高的效率, 所需樓板面積及淨空高均很小, 適於各種液體冷卻之應用, 用途廣泛 殼徑 :6~60 殼內管數 :50: 50~ ~ 數百根管徑 :5/8: 5/8~2 管長 :5~20: 20
乾式殼管式之特點 : 1 水迴路損失阻力小 2 冷媒控制簡單 3 所需冷媒量少 4 冷卻管內氣體冷媒流速大, 故冷凍油容易返回壓縮機 5 若冷卻液在冷卻管外凍結, 也不影響冷卻管內冷媒流通, 無管路阻塞或破裂危險 6 冷卻水流速比滿液式小, 同時冷媒需維持高流速, 以避免積油與分佈不均的現象 ; 且氣態冷媒多, 故熱傳率低
滿液式殼管式之特點 : 1 由於大部分冷媒管均浸泡於冷媒液中, 故熱傳效率最高 2 需利用浮球控制器, 控制冷媒液量 3 所需冷媒量多 4 若冷媒蒸發溫度太低, 冷卻水會凍結, 導致管路有阻塞或破裂危險 5 若應用於負荷變化大時, 設計上圓桶內不須充滿冷卻管, 以保留較大的蒸發空間, 亦可避免冷媒液帶入回流管內 6 若圓桶內充滿冷卻管, 則需裝液氣分離器, 分離蒸氣中的液體避免冷媒液帶入回流管內 7 此系統除了 5 6 項是避免液壓縮考量外, 尤須注意回油問題, 因冷凍油與液態冷媒在低溫下互溶性很差, 若設計不當, 冷凍油會積在蒸發器圓桶內, 造成壓縮機失油, 故回油方法須比乾式蒸發器更講究
6 噴淋式 : 冷媒液由管束上噴灑頭的噴嘴噴至水管上, 未蒸發液體則滴至底部的收集槽, 在由低揚程泵送回至噴嘴 優點 : 效率高 冷媒充填量低缺點 : 成本高 需要液循環泵 11-31 選擇冰水器的步驟 1 決定冰水器的負荷 1 負荷 ( tons ) = 2 決定 LMTD 3 由附圖選出冰水器 ( 殼徑及擋板間距 ) 4 決定需要的面積 5 由表中選擇滿足表面積要求的冰水器長度 6 決定冰水器的水壓降 GPM 4 表面積 = 500 冷卻溫差 12000 能力負荷 ( ton 12000) ( U LMTD)
11-32 直接系統與間接系統 1 直接系統 : 若蒸發器是直接做為吸熱裝置的, 稱為直接膨脹式蒸發 (DX( DX), 使用直膨式冷媒, 蒸發器與需冷卻的物體或空間直接或置於風管中做熱交換 2 間接系統 : 有時蒸發器本身不是直接做為吸熱裝置, 而是用來降低另一種流體 ( 水或不凍液 ) 至所需的溫度後, 做為二次冷媒, 在直接利用或輸送二次冷媒到冷凍空間, 同時利用空氣做冷卻介質, 吸收冷凍空間的熱量, 達到冷凍效果
11-33 二次冷媒的條件 常用的二次冷媒為水 氯化鈣 氯化 鈉之鹵水 乙二醇 丙烯乙二醇 甲 醇 甘油 水常做為空調系統及溫度在冰點以上 的二次冷媒, 因流動性好 比熱高 熱傳係數佳 便宜 無毒, 且本身的 蓄冷效果可平衡間歇性的波動負荷
11-34 鹽水若溫度低於冰點以下, 就須以鹽水做為二次冷媒 鹽類水溶液中, 在某一濃度可獲得最低的凝固點, 此時溶液稱為共晶溶液 1 氯化鈣 : 用於工業製程冷卻 產品凍結 儲藏或其他低於 0 的應用 其共晶溫度 -67,, 重量濃度 30%, 缺點為有吸水性且帶苦味, 故在凍結過程中應避免與食物接觸 2 氯化鈉 : 用於怕被氯化鈣污染的產品冷凍上 其共晶溫度 -6,, 重量濃度 23% 兩者共同缺點是, 熱性直皆比水差, 濃度愈高, 流動性 比熱值 導熱率均下降
11-35 不凍液 常用的有乙二醇 丙烯乙二醇 甲醇 甘油 這些化合物可與水做任一比例的 混合, 使水的凝固點下降 丙烯乙二醇是冷凍最常用的不凍液 優點為不似鹽水 無腐蝕性 非電解 性 性質穩定, 正常運轉下不蒸發, 可 用於不同金屬的系統 常用於發酵 製 奶工業等
第 12 章往復式壓縮機的性能
12-2 壓縮循環為阻止活塞撞擊閥座, 設計時需使活塞在上死點位置與閥座間有微小的間隙, 稱為間隙容積 每次排氣衝程結束後間隙空間殘留的蒸氣稱為間隙蒸汽 活塞在上死點位置 吸氣閥打開 活塞在下死點位置 排氣閥打開
A 點 : 活塞在衝程頂點 ( 上死點 ) 間隙空間中高壓蒸氣以其壓力抵抗吸氣管中蒸氣壓力, 而使吸氣閥緊閉 ; 又因排氣管中蒸氣壓力約等於間隙空間中蒸氣壓, 故排氣閥藉本身重量而關閉 A B: : 當活塞在吸氣衝程往下移動時, 間隙空間中高壓蒸氣膨脹, 隨著間隙蒸氣所佔的體積逐漸增加, 壓力逐漸降低 B 點 : 汽缸內再膨脹的間隙蒸氣壓稍低於吸氣管中蒸氣壓, 導致吸氣閥被外側吸氣管中較高的蒸氣壓打開, 使蒸 A 排出 D Pd 氣流入汽缸 B C: : 蒸氣從打開的吸氣再膨脹壓縮閥流入汽缸, 直到活塞的吸入 Ps B C 汽缸總容積下死點為止 汽缸內壓力間隙容積間隙蒸氣再吸入的蒸氣充滿膨脹之容積汽缸內的容積維持固定的吸氣壓力 Va Vb Vc
C 點 : 吸氣閥會藉彈簧力而關閉, 且在該點 轉換為壓縮衝程的開始 C D: : 活塞往上移動的壓縮行程中, 汽缸 內蒸氣壓隨此線增加 D 點 : 汽缸內蒸氣壓高於排氣閥外側壓力, 頂開排氣閥, 故高壓蒸氣經排氣閥至汽缸 外排氣管 D A: : 汽缸內的壓力維持固定的排氣壓 力 當活塞回到 A 點, 代表完成一次壓縮循 環
D= = 汽缸直徑 (in( in) L= = 活塞行程長度 (in( in) N= = 壓縮機每分鐘轉速 (rpm( rpm) n= = 汽缸缸數 0.7854D 2 = 汽缸截面積 (0.25( 0.25πD 2,in) 1728=12 12 3 V p = 0.7854 D 2 1728 L N n
12-4 理論冷凍能力 實際冷凍能力假設 1 在活塞的向下行程中, 由吸氣管吸進的冷媒蒸氣完全充滿壓縮機汽缸 2 汽缸內冷媒蒸氣密度等於吸氣管中冷媒蒸氣密度 從質量守恆來看, 壓縮機排出的冷媒質量流率等於壓縮機從吸氣管吸進的冷媒蒸氣質量流率 質量流率 m=v p ρ 理論冷凍能力 = 質量流率 m 冷凍效果若上述假設正確, 則實際冷凍能力等於理論冷凍能力 但因冷媒蒸氣具壓縮性且壓縮機活塞與閥座間有機械間隙之故, 在吸氣行程中充入汽缸的冷媒蒸氣體積 ( 密度 ) 會低於活塞掃過的汽缸體積及吸氣管中蒸氣密度
12-6 總容積效率 (E v ) 理論容 積效率 總容積效率 : 壓縮機實際排氣量對活 塞排氣量之比 V a = 每單位時間壓縮機實際吸入的蒸 氣體積 V p = 壓縮機活塞排氣量 理論容積效率 : 單獨由間隙因素所引 起的容積效率容積效率 其隨著間隙大小 吸 氣和吐出壓力而變 V E = a 100% v V p
影響總容積效率的因素 : 1 壓縮機間隙 : 若壓縮機間隙容積增 加時, 在壓縮衝程結束時殘存在汽缸 內之高壓蒸氣百分比增加 ; 當間隙容 積減少時, 相對於活塞在吸入衝程時 能吸入的蒸氣亦少 要獲得最大容積 效率, 則需將壓縮機間隙容積維持最 小
2 抽絲現象 : 流體流經縮小的截面積, 因 來自內 外部的摩擦效應使壓力下降, 但 過程中無熱傳或作功, 即節流過程 3 汽缸壁之加熱 : 進入汽缸的冷媒蒸氣, 因從汽缸壁傳導而來 冷媒蒸氣在汽缸的 亂流造成摩擦和冷媒本身非理想氣體性質 等因素受熱 冷媒蒸氣因受熱膨脹, 使進 入汽缸的冷媒質量 冷媒蒸氣減少
4 閥和活塞之洩漏 : 因壓縮機是以精 密製程生產, 在正常情形下, 從活塞四周的洩漏量相當小 但實 際上沒有可瞬間關閉的閥, 故當冷媒 蒸氣通過吸氣與排氣閥時, 就有一些 往內洩漏的冷媒蒸氣 回漏蒸汽是壓 縮機轉速與壓縮比的函數, 壓縮比愈 大, 回漏蒸汽愈多
12-11 11 容積效率與吸氣 吐出壓力變化之定性關係若增加吐出壓力, 間隙容積之蒸汽會被壓縮至較高壓力, 故需更多的再膨脹過程才能降至吸氣壓力 ; 同理, 若降低吸氣壓力, 間隙容積之蒸汽在吸氣閥未開啟前須有較大的再膨脹過程才能降至較低壓力, 故增加吐出壓力或降低吸氣壓力對增加間隙容積有同樣效果 相反的, 若固定吐出壓力, 則吸氣壓力增加使間隙蒸汽在吸氣閥開啟前所需的再膨脹量減少 故當吸氣壓力增加時容積效率亦增加, 但當吐出壓力增加時容積效率減少
12-17 17 壓縮機冷凍能力與吸氣溫度 之變化關係 主因是壓縮機入口冷媒蒸氣密度的明顯改 變引起 蒸發器內液體冷媒蒸發溫度愈 高, 蒸發壓力愈高, 吸氣密度亦愈高 實際上壓縮機冷凍能力隨著吸氣溫度變化 而做的改變量, 大於理論估算值, 因為壓縮比會隨著吸氣溫度改變 當蒸 發溫度增加而冷凝溫度不變時, 壓縮比降 低, 壓縮機之容積效率增加
12-18 18 冷凝溫度對壓縮機冷凍能力的效應在任何固定的蒸發溫度下, 不管冷凝溫度如何, 進入壓縮機的冷媒蒸氣密度及被壓縮機所轉換的理論冷媒質量是一樣的, 故在任何冷凝溫度下, 壓縮機的理論冷凍能力只與每單位循環冷媒質量的冷凍效果有關 壓縮機的實際冷凍能力減少與冷媒每單位質量冷凍效果減少和壓縮機容積效率減少有關 在固定蒸發溫度下, 提高冷凝溫度將增加壓縮比且降低壓縮機容積效率, 導致每單位時間壓縮機所轉換的實際蒸氣體積減少
12-20 20 吸氣溫度變化對壓縮機功率需求的影響驅動壓縮機所需的功率, 僅為兩項因素的函數 : 壓縮機對單位質量冷媒蒸氣的壓縮功 單位時間所壓縮的蒸氣質量 將冷媒蒸氣由吸氣壓力壓縮至吐出壓力所作的功隨著壓縮比而變, 故冷凝溫度固定且吸氣溫度上升時, 壓縮比 每單位質量的壓縮功減少 ; 但因吸氣具較大的密度, 每單位時間壓縮的蒸氣質量增加 由於單位質量冷媒所需輸入功減少量不足以補償需要壓縮較多蒸氣質量所增加的輸入功, 故提高吸氣溫度會增加壓縮機功率需求
12-21 21 冷凝溫度變化對壓縮機功 率需求的影響 當冷凝溫度上升時, 每噸所需的理論 功率增加, 但每部壓縮機所需的理論 功率增加比例卻不同, 是因為連同冷 凝溫度上升而發生的壓縮機冷凍能力 增加量, 對每噸功率的增加有某些限 度的補償作用
12-22 22 壓縮機功率需求 (P( t ) 壓 縮機實際功率需求 壓縮機功率需求 = 實際冷凍能力 ( 或仟瓦 數 ) ) 每單位冷凍能力所需的理論功率 壓縮機實際功率需求 : 需供給壓縮機驅動 軸的總功率稱為軸功率, 可由理論功率與 壓縮機總體效率 (E o ) 計算而得 P t = 理論功率 P s = 軸功率 P E = t 100% o P s
總體效率可分為壓縮效率 (E( c ) 機械效率 (E( m ), 故 E o =E c E m 壓縮效率 : 量度實際循環偏離理想循 環所造成的損失 機械效率 : 量度壓縮機機械磨擦所引 起的損失 每單位冷凍能力所需的平均功率 = ( 每單位冷凍能力的理論功率需求 壓 縮機容積效率 )+10 10%( 補償由於壓 縮機內機械磨擦的功率損失 )
12-23 23 壓縮機指示功率 決定壓縮機壓縮 效 Pd A 排出 D 率的裝置稱為指 示 Ps 再膨脹 B 吸入 壓縮 C 器, 而其會出的 Va Vb Vc 圖 A D 稱為指示功圖 Pd A' D' ( 示 功圖 ) 由示功 圖 決定的壓縮循環 Ps Va B' C B 實際壓縮循環之指示功圖 Vc
12-24 24 等溫壓縮與等熵壓縮 若一個循環中的壓縮過程為等溫而非等熵, 整個壓縮循環所需的淨功 ( 紅色區域為淨功減少量 ) 會較小 但等溫壓縮並不實際, 因會使壓縮機吐出飽和液體, 且若取得的冷媒溫度低到足以將壓縮機冷卻到產生等溫壓縮, 則該冷媒即可直接作為冷卻劑, Pd Ps A D' D 等熵壓縮 B C 等溫壓縮 Va Vb Vc
12-25 25 壓縮機汽缸外加水套 目的 : 減少冷凍油碳化速率及酸化形 成 因這兩個現象會隨吐出溫度的上 升而加快 特點 : 可降低汽缸壁溫度, 冷煤蒸氣 在壓縮期間的冷卻量較大, 汽缸加熱量亦減少, 蒸氣以較低的溫 度由壓縮機吐出, 降低整個 蒸氣壓縮循環所做的功 用途 : 只限於吐出溫度很高的系統, 如氨冷媒壓縮機
12-26 26 濕壓縮 定義 : 未蒸發的液體小顆粒與氣體一同進 入壓縮機 原因 : 1 在極快速的壓縮衝程期間無法讓液體 完全汽化, 故一些液體粒子殘留在間隙容 積內, 並在吸氣衝程前段汽化 2 因汽缸過度的冷卻使間隙蒸氣溫度低 於吐出壓力的飽和溫度, 某些間隙蒸氣會 凝結, 形成的液體粒子會在吸氣衝程前段 汽化
12-27 27 壓縮機間隙對功率需求的 影響 理論上並無影響, 因活塞壓縮間隙蒸 氣所做的功, 會在間隙蒸氣再膨脹時 傳回活塞 但因冷媒蒸氣非理想氣 體, 故在克服流體內部摩擦時將損失 一些功率, 使間隙蒸氣再膨脹時, 傳 回活塞的功率必小於壓縮間隙蒸氣所 做的功 故間隙確實對功率需求有影響
12-28 28 壓縮機轉速 理論上, 假設壓縮機的容積效率保持定 值, 壓縮機冷凍能力直接與轉速成正比 ; 實際上, 容積效率可隨轉速而變, 但變化 很小, 故以上假設是合理的 12-29 29 機械效率 當壓縮機全載時, 機械效率是最大值, 會隨著壓縮機的設計及轉速而變 一部 設計良好且在標準轉速下操作於全載時的 壓縮機, 應有高於 90% % 的機械效率
12-30 吸氣過熱對壓縮機性能的影響 吸氣過熱時會膨脹, 使進入壓縮機的冷媒 蒸氣密度變小, 故冷媒質量流率的減少是 否降低了壓縮機的冷凍能力, 需視吸氣過熱時是否產生有用的冷卻而 定 若產生有用的冷卻, 冷凍效果增加引 起的冷凍能力增益, 足以補償冷媒循環質 量的減少所引起的冷凍能力損失 相反 的, 若未產生有用的冷卻, 冷凍能力的降 低就無法獲得補償, 故壓縮機的冷凍能力 就減少了
12-31 冷媒液過冷對壓縮機性能 的影響 冷媒過冷使單位質量的冷凍效果增 加, 壓縮機冷凍能力的增加量源於冷 凍效果的增加量, 但並未增加壓縮機 功率需求 故假設過冷應排出的熱量 真正離開冷凍系統, 則過冷時必增加 壓縮機效率
12-32 壓縮機規格及選用實用上的選擇方式是選一部等於或稍大於在設計運轉條件下所需冷凍能力之壓縮機 同時, 需具備以下資料 : 1 所需的冷凍能力 ( 噸 ):) : 由冷卻負荷估算求得的每小時平均負荷, 但若優先選擇蒸發器, 應選擇可配合蒸發器冷凍能力之壓縮機, 而非估算出的負荷 2 設計之飽和吸氣溫度 : 視蒸發器溫度 ( 在蒸發器出口的冷媒飽和溫度 ) 與吸氣管的壓降而定 3 設計之飽和吐出溫度 : 視選用的冷凝器大小及可取得的冷凝媒介溫度和數量而定
12-33 冷凝單元規格與選擇 方法與選擇壓縮機相同, 差別只在於 冷凝單元容量是基於飽和吸氣溫度和 冷凝媒介的多寡與溫度而定 因冷凝 器大小在製造時已固定, 對任何冷凝 負荷, 唯一決定壓縮機出口飽和溫度 的變數只有冷凝媒介的多寡與溫度
第 13 章系統平衡與週期性開關控制
13-1 系統平衡 設計系統最重要的考量是建立系統蒸發 與冷凝兩部分間適當的平衡關係 當蒸 發和冷凝連結於同一系統時, 兩者間的 平衡關係便自動建立 ( 蒸氣在蒸發氣被 移走的速率 冷凝器的冷凝速率 = 液態 冷媒於蒸發器中藉沸騰行為的蒸氣產生 率 ) 當系統在設計條件下選擇相同容量之元 件後, 系統平衡點將出現在該設計條件 下
13-2 系統平衡點之繪圖分析法 ( 一 ) 如圖, 於方格紙上畫出能力 (BTU/hr( BTU/hr) ) 吸氣溫度 ( ) 和蒸發器 TD( ) 的適當刻度 但吸氣溫度和蒸發器 TD 須先經過校正, 使在設計所要求的空間溫度下, 任意條垂直線皆實際代表同時發生於系統中的兩個溫度 ( 二 ) 由製造廠商的型錄, 繪出冷凝單元的冷凝能力與吸氣溫度之關係曲線 因冷凝單元冷凝能力並不完全正比於吸氣溫度, 為精確起見, 將 每個吸氣溫度所對應的能力數據點, 以最佳湊對曲線連接 ( 三 ) 由製造廠商的型錄, 繪出蒸發器冷凍能力曲線 因蒸發器冷凍能力視為正比於蒸發器 TD,, 故蒸發器冷凍能力曲線是一條曲線, 其位置與方向可接任兩個 TD 所對應的能 容量, BTU/hr*1000 24 22 20 18 16 14 12 10 8 0 32 5 27 10 吸氣溫度 22 蒸發 TD 15 17 蒸發器 冷凝單元 系統平衡點 20 12 25 7
兩條能力曲線的交叉點為系統平衡 點 若兩條線無交點或交點不合理, 則關鍵是應如何改進, 才能將系統帶 至另一個平衡點且更接近設計條件 至於何種方法可產生最適合的結果, 須視全部系統容量和計算負荷間之關 係而定
13-3 蒸發器冷凍能力 冷凝單元冷凝能力之增加或減少 ( 一 ) 降低蒸發器冷凍能力 : 1 調整膨脹閥來減少蒸發器中液體冷媒量, 使蒸發器中只有部分有液體冷媒 2 藉降低蒸發器風扇或風機轉速降低流經蒸發器的空氣速度 ( 二 ) 降低冷凝單元冷凝能力 : 1 減少壓縮機驅動軸上皮帶輪尺寸以降低壓縮機轉速 N 1 D 1 =N 2 D 2 2 利用增加間隙容積降低壓縮機容積效率 方法是在汽缸外殼與閥座間加一只厚襯墊 無論是增加蒸發器冷凍能力或冷凝單元冷凝能力中任一項並不容易, 因需連帶考慮其他有關項目, 故通常更實際且較經濟的方法是選擇尺寸較大的設備
13-5 系統容量與負荷需求關係 冷凍系統的冷卻負荷隨時間不斷改 變, 系統容量常設計成等於或稍大於 最大冷卻負荷, 即使尖峰負荷下, 仍 可確保空間或冰存物溫度保持在所需 的低溫 故為使其溫度維持某合理範 圍內, 並防止低於需求溫度以下, 便 需要使用一些控制系統週期性的開關 方法
13-6 週期性開 關機之控制 一 溫度訊號啟動控制器 : 簡稱溫度控制器 藉感測溫度, 由溫 度變化週期性運轉壓縮機, 控制冷凍 空間或冰存物溫度
其溫度感測元件是用來感測與中繼溫度變化給電子接點或其他啟動機構 有兩種 : 1 內部充入流體的感溫棒 : 感溫棒與波紋管或盒膜連接, 在內部充入流體或飽和液氣混合物 當感溫棒溫度上升, 同時增內部流體壓力透過波紋管或盒膜作用與槓桿系統使電子接點接觸或驅動其他補償機構 2 雙金屬元件 : 由兩種不同膨脹係屬的金屬 ( 不變鋼 - 黃銅或鋼 ) 若溫度增加則往不變鋼方向彎曲 ; 反之, 則往黃銅或鋼黃銅或鋼方向彎曲 鎳鐵合金 感溫棒 感溫棒 黃銅或鋼 波紋管 盒膜 常態溫度上升時溫度下降時
13-9 差動調整與範圍調整溫度控制器被設定成當空間或冰存物溫度上升至某預設的最大值 ( 切入溫度 ) 時, 便啟動壓縮機 ; 反之, 若下降至某預設的最小值 ( 切斷溫度 ) 時, 便關閉壓縮機 差動調整 : 其大小視個別應用與感溫元件擺放位置而定 若置於冰存物上 內部, 直接控制冰存物溫度, 差動 2~3 ; ; 若置於冷凍空間直接控制溫度, 差動 6~7 ; ; 若置於蒸發器上, 間接控制蒸發器溫度來控制空間或冰存物溫度, 差動 15~20 20 或更大 當以溫度控制器直接控制空間或冰存物溫度時, 空間或冰存物溫度約設定為切入點與切斷點的中點溫度 範圍調整 : 同差動定義, 亦可定義為切入點與切斷點的溫差, 但兩者並不相同 例如 30 切入溫度和 20 切斷溫度, 則差動為 10, 而範圍是 20 ~30 30 之間 適當調整切入和切斷溫度是很重要的 若兩點設定過近 ( 差動太小 ), 導致系統開關過於頻繁, 使系統壽命大為降低 ; 反之, 若兩點設定過遠 ( 差動太大 ), 導致系統開關間隔時間過長, 使空間平均溫度大幅升降
下圖是溫控器的範圍與差動調整之機構圖 若順時針轉動範圍調整螺絲可提高切入與切斷溫度 ; 反之則降低切入與切斷溫度 若順時針轉動差動調整螺絲可降低切斷溫度而增加差動效應 ; 反之則增加切斷溫度而降低差動效應 若電子接點緩慢接觸 ( 分離 ) 將產生差動調整火花, 使接點燒毀支撐轉軸永久磁鐵磁吸片, 故使用磁吸片與固定接點可動接點永久磁鐵使接點快速接觸 ( 分離 ), 波紋管避免產生火花 範圍調整 感溫棒
二 壓力訊號啟動控制器 : 1 高壓控制元件 : 與系統高壓側 ( 壓縮機出口 ) 連接, 只用作安全控 制元件 當系統高壓側壓力高至預設 壓力時, 元件動作切斷電路停止壓縮 機, 待壓力降為正常值, 元件動作閉 合電路起動壓縮機
2 低壓控制元件 : 與系統低壓側 ( 壓縮機入口 ) 連接, 可同時用作安 全控制及溫度控制元件 若用作安全 控制, 則原理與高壓控制元件相同 ; 若用作溫度控制, 則因壓縮機吸氣壓 力由蒸發器內冷媒飽和溫度所決定, 故利用改變吸氣壓力來控制週期性運 轉的開關, 以控制蒸發器溫度, 間接 控制空間溫度
3 雙壓控制元件 : 由低壓與高壓控制 元件組合成的單一控制元件, 常用於冷凝單元 以上三種壓力控制元件皆部份配有鎖 定裝置, 此裝置須以手動方式設定, 才可再次啟動壓縮機 其切入及切斷壓力可視現場狀況做最 佳調整
4 泵集法週期開關控制 : 此法同時使用溫控器與低壓控制元件 在泵集時, 空間或蒸發器溫度直接由溫 控器控制, 用來開關安裝在輸液管上靠近 膨脹閥的電磁閥 當空間或蒸發器溫度降 至溫控器的切斷溫度時, 關閉電磁閥, 切斷流至蒸發器的冷媒 液, 這時壓縮機仍在運轉, 輸液管在電磁 閥關斷後持續被抽真空, 當系統被抽真空 的壓力降至低壓控制元件的切斷壓力時, 便關閉壓縮機驅動馬達, 使其停止運轉
13-17 17 系統容量變化 當系統負荷大時, 蒸發器 TD 會稍大於蒸發 器設計 TD,, 吸氣溫度較高以至平衡被維持 在蒸發器和冷凝器之間, 系統操作條件高 於平均設計條件, 且系統實際容量高於平 均設計容量 反之, 當系統負荷小時, 蒸發器 TD 會稍低於蒸 發器設計 TD,, 實際吸氣溫度較低於吸氣溫 度設計值, 系統操作條件低於平均設計條 件, 且系統實際容量低於平均設計容量
13-19 19 蒸發器冷凍能力控制 其最有效的方法, 是將蒸發器分成數個可個別分開控制的區域冷媒管路, 當負荷降低時, 可關閉一個或多個區域冷媒管路 使用此方法, 任何比例的蒸發器冷凍能力皆可由任意數目的控制階段予已關閉達成目標 至壓縮機 蒸發器 A 蒸發器 B 為了控制其冷凍能力, 蒸發器分成兩部份. 關閉 A 區的輸液管上的電磁閥使此區蒸發器無法作用. 所降低的冷凍能力正比於該部分的表面積. 電磁閥 自儲液槽
另一種方法, 是藉由盤面風門和旁通風門 改變流經蒸發器的風量, 也可使用變轉速 送風機或同時使用盤面風門和旁通風門, 以提供所需要的平衡 以上各種控制蒸發器冷凍能力的方法, 都 必須同時控制壓縮機容量 蒸 旁通風門 盤面風門 發 器 盤面風門 蒸發器
13-20 壓縮機容量控制 1 改變壓縮機驅動馬達轉速 2 多汽缸壓縮機容量控制是經由卸載一或多個汽缸 方法是將一或多個汽缸的吐出冷媒旁通回吸氣管 3 利用卸載器將汽缸的吸氣閥往下頂開, 使其在壓縮行程期間保持開啟狀態 4 在壓縮機吸氣端節流 5 當系統負荷減少時, 加給壓縮機額外的人為負載 其缺點為 : 因壓縮機負荷並沒有減少, 或只減少一點, 故壓縮機功率需求程度很小 再者, 除非妥善使用熱氣旁通, 否則會發生吸氣溫度過高, 導致壓縮機溫度亦過高
6 使用兩部或多部壓縮機並聯運轉 自蒸發器 當負荷減少時, 將其中一部壓縮機關閉以減少壓縮機容量. 又其中一部壓縮機通常裝有汽缸卸載器來提供更多的階段控制. 膨脹閥 冷凝器 定壓熱氣旁通閥 壓縮機 膨脹閥 冷凝器 熱氣旁通閥 電磁閥 壓縮機 至冷凝器 蒸發器 蒸發器 壓縮機 A 壓縮機 B 此種方式用於卸載壓縮機啟動時, 可用手動或電磁閥取代定壓熱氣旁通閥. 旁通至蒸發器入口的冷媒蒸氣, 與蒸發器內冷媒混合而消除過熱狀態, 避免因吸氣溫度過高導致壓縮機溫度過高. 此外, 旁通的冷媒蒸氣於負荷減少期間保持蒸發器中相當高的冷媒流速, 改善回油問題. 壓縮機容量控制 --- 熱氣旁通法
13-21 多重系統容量控制 各系統蒸發器可安裝於相同的固定機 殼而有相同的冷卻氣流, 或安裝於不 同的固定機殼而有不同的冷卻氣流, 以上兩種都使用分開的壓縮機和冷凝 器 此方法適用於只有兩階段的容量 控制裝置, 優點為若其中一個系統無法運轉, 另一個系統可撐住負荷直至修復為 止
第 14 章冷凝器與冷卻塔
14-2 冷凝器負荷包括蒸發器在冷凍空間所吸收之熱量 壓縮機作功的熱當量 ( 密閉式的壓縮熱大於開放式, 因冷媒氣又吸收了馬達發熱量 ) 及壓縮機吸收由周圍空氣所吸收之過熱量 若壓縮機總排熱量未列出, 則冷凝器負荷 = 壓縮機冷凍能力 排熱因數對單級壓縮機在正常範圍以外之操作條件言, 則冷凝器負荷密閉式 = 壓縮機冷凍能力 (BTU/hr( BTU/hr)+ (2545 壓縮機制動馬力 ) 開放式 = 壓縮機冷凍能力 (BTU/hr( BTU/hr)+ (3413 壓縮機 kw 數 )
14-3 冷凝器容量 (Q c ) Q c =A U D A= = 冷凝器表面積 U= = 總熱傳係數 D= = 凝結冷媒與冷凝媒介之 LMTD
14-4 冷凝媒介流量及溫升水 : m=q c /ΔT(C=1) gpm=m/ m/(60min/hr 8.33lb/gal) 兩式合併 :gpm: gpm=q c /(500 ΔT) 空氣 : m=q c /(0.24 ΔT)(C=0.24) cfm=( =(Q c 13.34ft 3 /lb)/(0.24 0.24 60 ΔT) (v=13.34) 兩式合併 :cfm: cfm=q c /(1.08 ΔT) 冷凝媒介平均溫度與其進入冷凝器前之溫度及溫升有關, 因凝結溫升隨其流率增加而降低 若冷凝器內流率太低, 會造成層流且熱傳係數降低 ; 若流率太高, 通過冷凝器內壓降過大, 導致循環冷凝媒介所需功率過高
14-5 氣冷式冷凝器 係利用空氣為冷凝媒介, 因空氣熱傳 效率比水低, 故需設法增加其散熱面 積, 才能提高散熱效果 冷凝盤管均裝有許多散熱鰭片 增加散熱面積, 且為求較佳散熱效 果, 鰭片須與冷凝盤管緊密, 且鰭片 間須留有適當間距, 以利空氣流通 可分為 :
一 自然對流式 : 1 線管式 : 係在冷媒盤管上焊許多鐵金屬條, 增加散熱面積 缺點是不能做太大, 只用於小型系統 2 板管式 : 係將冷媒盤管焊在薄金屬板上, 由金屬板增加散熱面積, 不過與內層的隔熱需良好, 才不會使熱氣往庫內傳遞 其最大特色是背部可靠牆, 不影響散熱 用於家用冰箱 金屬板 冷凝盤管
3 鰭片式 : 將鋁製鰭片依所需尺寸留 好各式管孔, 在套入冷媒盤管, 用 U 型 彎頭連接而成 為求鰭片與盤管接觸 良好, 當盤管套入鰭片後, 需利用水 壓或機械脹管, 使之能緊密接合 因鰭片間隔大, 對自然循環的空氣幾乎無阻力, 且亦 減少冷凝器可能因灰塵或纖維掉落所 造成之結垢 以上型式之冷凝器, 勿靠近熱源或緊 靠牆壁, 而妨礙空氣流通
14-6 空氣流量與流速 對氣冷式而言, 其大小 ( 前視面積 ) 與循環空氣流量間有一定之關係 好 的設計可在最低流速產生紊流及高熱 傳係數 正常風速介於 500~1000fpm 之間 ( fpm ) 空氣流速 = 空氣流量 前視面積 ( cfm ) ( 2 ) ft
14-7 氣冷式之規格與選擇通常以 BTU/hr 表示 因表面積及 U 值在製造時已固定, 且大部分皆配有風扇或送風機, 故冷凝器冷凝能力直接和流入空氣之 DB 溫度與冷凝器中的冷媒溫度間之溫差 TD 成正比 一部冷凝器設計 TD 可提供 110~120 120 冷凝溫度, 與戶外設計 DB 溫度有關 (DB( 溫度愈高, 所需冷凝器愈大 ) 選擇適當的冷凝器, 其冷凝負荷應乘以適當的修正係數 ; 又因氣冷式規格通常依據標準空氣密度 ( 海平面 ) 所定, 若冷凝器應用於離地表有相當高度之處, 則冷凝器總排熱量 THR 除以適當的高度修正係數
14-8 水冷式冷凝器系統 通過冷凝器的循環水量決定冷凝器中水管路之設計, 因熱量與時間長短有關 故冷凝器供水量小時需要高溫升, 因此當水流率低 管路長, 流經冷凝器之水管路數目減少, 使水可在冷凝器內停留較多時間, 以吸收所需之熱量 在設計冷凝器水管路時, 需注意流速及壓降, 最低容許流速能產生紊流及高熱傳係數 ; 最高容許流速童長由容許壓降決定 如下圖, 因串聯迴路流速及熱傳係數較高, 故對於相同之冷凝能力則需較少之凝結表面積 封口蓋 出水 出水 進水 串聯水迴路 進水 並聯水迴路 進水 壓降隨速度平方增加, 將流速降低一半可將壓降由原值降至 1/4, 又因並聯迴路長度是串聯迴路之一半, 若假設兩者總流率相同, 則並聯迴路壓降是串聯迴路的 1/8.
14-9 結垢速率 汙垢是由水中沉殿並附著於管壁之礦 物質產生, 不僅降低水側之熱傳係 數, 阻止水流順暢且降低循環量, 使 冷凝壓力急遽增加 結垢速率受水質 凝結溫度 相對於 總操作時間之水管清洗頻率等因素影 響 選擇水冷式時, 必須以 0.0005 之最小 結垢因子去選擇
14-10 10 水冷式冷凝器 其熱傳效率較氣冷式優, 故常用於大 容量之系統, 但須謹慎考慮水的問 題 可分為 : 一 依流體流動方向 : 1 平行流 2 逆向流 3 垂直流
二 依構造 : 1 殼圈式 : 用一圓形長鐵桶, 內裝圓 盤型之冷卻水盤管 冷媒氣由殼體上 端進入, 經冷卻水冷卻成為冷媒液由 下端流出 ; 冷卻水由下端進入, 上端 流出, 故其為逆向流式 其優點為體 積小 重量輕 價廉 ; 缺點是盤管已 裝入殼內, 無法增加管排數, 故容量 改變困難, 只用於 10ton 以下之系統
2 殼管式 : a 立型 : 用於氨冷凍機 內裝有許多垂直的冷卻水管排, 冷卻水由水泵送至上端進入, 藉由漩渦器產生漩渦, 使冷卻水沿冷卻管內壁流下, 得到較好的冷卻效果 而來自壓縮機的高溫冷媒氣, 從圓筒中央進入殼內, 被冷卻液化至下方流出 b 臥型 : 常用於中 大型系統 置於壓縮機下方或旁邊 採用無縫脫酸銅管, 兩端接合於管口板上, 端蓋蓋好, 用螺帽固定 為增加冷卻管與冷媒之接觸面積, 常在冷卻管上加設鰭片或加工成螺紋狀, 以增加單位長度的散熱面積, 增加散熱效果
殼管式所提供的冷卻能力範圍 :2~: ~ 數 百 ton 甚至更多 殼直徑 4~60ft 管長 3~20ft 水管直徑 5/8~2ft 管數 6 or 8~10008 支甚至更多
3 二重套管式 : 有盤管型和直管型兩種 盤管型噸位不能過大, 因大外管不易加工彎曲 ; 直管型彎曲部分是形, 且加上集流板導引冷卻水轉向, 只要拆下集流板, 即可清洗冷卻管內部 為增加熱傳效果, 在內管與冷媒接觸的表面上, 常加設鰭片或加工成螺紋狀, 以增加單位長度的散熱面積, 增加散熱效果 冷媒氣入口 冷媒 冷卻水 冷卻水入口 冷媒液出口
14-11 11 水冷式之規格與選擇 選擇適當之冷凝器時, 應知悉 : 總噸數 ( 低壓側或蒸發器負荷 ) 蒸發溫度 凝結溫度 流入水溫 流出水溫或供水量 (gpm) 水質種類或所需之結垢因子 選擇步驟參考課本 P.393
14-13 13 冷卻塔其冷卻效應由水落下冷卻塔時部分蒸發而來 部分水蒸氣汽化所需之熱由其餘之水提供, 故水溫下降, 蒸發之水氣由流經冷卻塔之空氣帶走 又因空氣之濕度隨空氣流經冷卻塔而增加, 顯示冷卻塔性能端賴流入空氣之 WB 溫度而定,WB, 溫度愈低, 冷卻塔性能愈高 理論上, 水在冷卻塔內可下降之最低溫度等於流入空氣之 WB 溫度, 因流出空氣所含之水蒸氣為飽和 ; 實際上, 水離開冷卻塔之溫度皆比流入空氣之 WB 溫度高 7~10,, 且不會達到飽和狀態
影響冷卻塔性能之因素 : 1 水之暴露面積大小與暴露時間長短 2 空氣通過冷卻塔之流速 3 氣流相對於暴露水面之方向冷幅高 : 離開冷卻塔之水溫與流入冷卻塔空氣 WB 溫度之差 範圍 : 水流經冷卻塔之溫差 冷卻塔負荷 (BTU/min( BTU/min)= 流率 (gpm( gpm) 8.33 ( 流入水溫 - 流出水溫 ) 因冷卻塔負荷等於冷凝器負荷, 故系統冷凍能力 冷卻塔負荷 冷凝器負荷
冷卻水除因蒸發而損失外, 亦因下列 因素而損失 : 漂流 : 少量的水以小水滴型態被流經 冷卻塔之空氣帶走, 與冷卻塔之設計 及風速有關 溢流 : 為避免不溶解之礦物質與其他 物質在冷卻水內的濃度與結垢速率持 續增加, 冷卻水依一定比例持續或間 歇排放 冷卻水溢流損失量 = 冷卻塔水流量 建 議溢流率
14-14 冷卻塔設計 規格與選擇 一 空氣冷卻循環方式 : 1 對流式 2 交流式 3 並流式 二 動力方式 : 1 自然通風 2 強迫通風 三 使用材料 : 1 木製 2 鋼筋混凝土 3 金屬 4 玻璃纖維強化塑膠選擇適當之冷卻塔應知悉 : 1 冷卻塔所需冷卻噸數 ( 壓縮機冷凍能力 ) 2 冷卻塔所需水流率 (gpm( gpm) 3 設計 WB 溫度 4 離開冷卻塔所需之水溫 ( 冷凝器入口水溫或冷卻塔冷幅高 ) 5 冷卻塔冷卻範圍或冷幅高
14-16 16 冷凝器之旁通在高 WB 溫度地區, 因考量運轉費用, 冷卻塔循環水量比冷凝器大, 為使兩元件循環水量相配合, 可裝置一條冷凝器旁通管, 則一部份預先設定之冷卻塔循環水可旁通過冷凝器而降低泵揚程 此方法之優點是在使用適當尺寸之冷凝器與冷卻塔情況下, 無需增加泵揚程就可保持合理之冷凝溫度 旁通流量 = 冷卻塔流量 - 冷凝器流量設計條件下, 冷卻塔冷卻能力等於冷凝器冷凝能力, 故冷卻塔流量 冷卻塔冷卻範圍 = 冷凝器流量 冷凝器冷卻水溫升
14-17 17 蒸發式冷凝器 它是重要的省水裝置, 實際上是將冷凝器與冷卻塔合成單一件 冷凝器內冷媒全部排出的熱以顯 ( 潛 ) 熱狀態離開冷凝器, 因空氣溫度與水氣含量隨著其經過冷凝器而增加, 故冷凝器效率有一部分與進入空氣之 WB 溫度有關, 溫度愈低, 蒸發式冷凝器效率愈高 理論上, 蒸發式冷凝器之冷卻能力隨通過冷凝器之循環空氣量增加而增加 ; 風扇空氣出實際上, 通過冷凝器之最除水器大循環空氣量受限於風扇功率及通過除水器而不帶噴嘴冷媒氣入走水粒子之最大空氣流速 蒸發式冷凝器總消耗冷卻冷媒氣出冷凝盤管水量約 3~4gal/hr ton 空氣入蒸發器總噸數 蒸發器溫修水槽補充水正因數 = 查表之噸數 水泵
14-19 19 水量調節閥用於耗水系統之水冷式冷凝器以調節供水量, 裝於冷凝器入水管上, 由壓縮機排氣控制 當壓縮機運轉時, 冷凝壓力增加趨使膜盒往上抵抗彈簧壓力使閥門擴張, 增加冷凝器冷卻水量 ; 當壓縮機停機時, 閥仍保持開啟狀態, 使冷卻水持續流入冷凝器, 直至冷凝壓力降至預設最低值, 才完全關閉以停止水流 當壓縮機又運轉時, 閥仍保持關閉狀態, 直至冷凝壓力升至閥之開啟壓力, 使水流入冷凝器 閥之開啟壓力比關閉壓力高 7psi
閥之關閉壓力由調節彈簧張力設定 其最 低動作壓力 ( 設定關閉壓力 ) 需夠高使閥 不會永遠保持開啟狀態, 且當壓縮機停機 時, 水仍會流入冷凝器 閥之關閉壓力亦須夠高使冬天運轉時之 最低冷凝溫度高到足以提供夠大之膨脹閥 壓差, 確保正確操作 提供克服閥孔壓降之壓力 = 主幹管總水壓 - 水通過冷凝器及管路之壓降 選擇水量調節閥先有下列資料 : 所需水量 (gpm)) 夏天最大環境溫度 所需冷凝溫 度 克服通過閥之水壓降
14-20 冷凝器控制 其方法隨著冷凝器型式而變, 但都包 括降低冷凝媒介流量或有效凝結面 積 氣冷式 : 藉由改變冷凝器空氣流量 ( 調整風量調節板 改變風扇轉速 週期性開關冷凝器風扇等 ) 或使部分冷凝器內積存冷媒液 ( 當 冷凝壓力降至最低設定值時, 使冷媒液流至冷凝器下半部 ) 降低 有效凝結面積
另一方法是在冷凝氣入口與出口之旁通管裝調節閥 ( 右圖 B 閥 ) 當儲液槽壓力低於閥之設定點時, 將閥開啟讓來自壓縮機的高壓冷媒蒸氣流向旁通管, 限制自冷凝器流出的冷媒液流量, 並使冷媒液回到冷凝器最低處 旁通之冷媒蒸氣及在冷凝器底部之冷媒液, 隨儲液槽壓力由調節閥自動控制 正常操作下, 須較大之儲液槽儲存過多之液體 氣冷式冷凝器 上升至正常值時,R 閥打開,B 閥 止回閥 可調式旁通閥 ( 出口壓力降低時開啟 ) C B R 調節閥 ( 入口壓力升高時開啟 ) 至儲液槽 自壓縮機
蒸發式 : 藉由調節冷凝器空氣流量控制冷凝能力, 方法與氣冷式類似 另一方法是調節進入空氣 WB 溫度 ( 再循環一部或全部通過冷凝器之空氣 ) 水冷式 : 使用三通閥調節冷凝器旁通水流率保持冷凝器離開水溫高於預設最低值 (75( 75 ) 當冷凝溫度下降時, 三通閥使較多的水流至旁通管降低冷凝器水流率而增加冷凝器內水溫上升溫度 可調式三通閥 至冷卻塔 旁通管 冷凝器
14-21 冬季之操作當壓縮機或冷凝器暴露於低溫時, 在停機時兩個元件內之冷媒壓力極低於蒸發器內壓力, 此時冷媒液移至壓縮機或冷凝器低壓處 蒸發器內若無冷媒液, 則蒸發器內溫度升高時, 無法正確反應蒸發器內壓力的上升 ; 且若系統由低壓冷媒訊號控制壓縮機時, 蒸發器內冷媒壓力對應於蒸發器內冷媒溫度上升增加量, 亦不足以啟動壓縮機使系統再度運轉 修正方法之一是壓縮機馬達之低壓控制線路串聯趕溫器, 用於控制冷凍系統之週期性起閉 ; 另一方法是壓縮機停機時隔離冷凝器
14-22 閉迴路冷卻器 可取代傳統冷卻塔降低水冷式冷凝器 冷卻水溫, 與蒸發式冷凝器構造類 似, 差別是盤管內的流體是來自冷凝 器流出的熱水, 而非高溫冷媒蒸氣 常以熱回收為主, 避免冷卻水被污染及冷凝器管路結 垢
第 15 章流體流動 離心式流體泵 浦 水和鹵水管路
15-1 流體壓力 (P( t ) P t =P s +P v 靜壓 (P( s ): 不直接由流體運動或速度所產生的壓力 動壓 (P( v ): 直接由流體運動或速度所產生的壓力 對於均勻密度的不可壓縮流體而言, 壓力作用於流體柱的任一點與該處的深度成正比 壓力 (psf( psf)= 深度 (ft( ft) 密度 (lb/ft( 3 ) 壓力 (psi( psi)= 深度 (ft( ft) 密度 (lb/ft( 3 )/144
15-2 水頭與壓力關係 1 對於均勻密度的液體, 作用於液體上的 壓力與液體揚程成正比 2 作用於液體上的壓力與液體密度成正比, 若液體具有不同密度, 則作用在相同水 頭高度的壓力亦不同 揚程 : 流體柱中兩平面的垂直距離 壓力 (psi( psi)= 深度 (ft( ft) 密度 (lb/ft( 3 )/144 揚程 (ft( ft)= 壓力 (psi( psi) 144/ 密度 (lb/ft( 3 )
15-3 靜壓頭 (h( s ) 與速度頭 (h( v ) h t =h s +h v h t : 流體所有揚程的總和 h s : 液柱的揚程等於液體的靜壓 ; 自由液面與液體被泵浦打至最高點的垂直距離 h v =(v 2 /2g): 液柱的揚程等於液體的速度壓 15-4 水頭與能量關係 能量 (ft( ft-lb)= 重量 (lb( lb) 揚程 (ft( ft) 在任何均勻密度液體柱內, 不同平面有不同的位能及壓力能
15-5 流體流動之靜壓頭及速度頭關係 靜壓 總壓 A B A: 開口與流動方向垂直, 因只有靜壓作用在此方向, 故量到的是流體靜壓. B: 開口與流動方向平行, 因流體靜壓及速度皆作用於此, 故量到的是流體總壓. 因總壓 = 靜壓 + 動壓, 故 A 管與 B 管之高度差即為管中流體動壓大小.
15-6 摩擦損失 (h( f ) 流體流經管子時會有能量損失, 稱為壓降 ( 為克服摩擦所做的功 ), 亦即管中任兩點的摩擦損失 流經管中任兩點的壓降隨流體黏度 比重 速度 管內表面粗糙度 管長等因素改變 等效長度 : 管配件在流體流動時會產生較大的阻力, 故常將配件產生的摩擦阻力化成相當長度的直管所造成的壓降 總等效長度 = 配件等效長度 + 直管長任意長度的壓力損失 : ( ft) 管長總壓損 ( psi ) = 每 100ft的壓損 100 ( psi)
15-7 離心式泵浦 由旋轉葉輪組成, 殼體包覆 液體被葉輪 中心吸入, 被離心力拋至扇葉邊緣, 相當 的速度及壓力經由此過程傳至液體中, 液 體離開葉輪邊緣後聚集於殼體中, 由出口 排出 P 閥全關 閥半開 泵浦特性曲線 閥全開 Q
15-8 總泵送水頭 為靜壓揚程 (h s ) 和摩擦損失 (h f ) 之和 P 泵浦曲線 系統曲線 平衡點 靜壓揚程 系統 Q 增加時,P 亦增加, 導致摩擦頭增加, 但靜壓揚程仍維持定值. Q
15-10 10 動力需求 泵浦所需的制動馬力受流量 (lb/min( lb/min) ) 泵浦揚程 泵浦效率決定, 即 gpm 總揚程 ft Bhp = 3960 泵浦效率 因流量常用 gpm 表示, 故 Bhp = 流量 33000 ( ) ( lb/min ) 總揚程 ( ft ) 泵浦效率 馬力 效率 % Bhp η Q 泵浦馬力於 Q=0 時最小, 且馬力隨著 Q 的增加而增加. 故對任意泵浦而言, 減少泵浦揚程, 其流量及所需馬力階增加. 泵浦效率亦是在 Q=0 時最低, 而效率隨著流量增加而增加, 在中點附近有最大值, 隨後若流量繼續增加, 其效率反而降低.
15-11 11 水管路設計 需考慮最小摩擦損及合理的初設成 本, 才能維持一實用且經濟的條件 管路盡可能愈短愈好, 配件數量愈少 愈好, 且均能得到適當的操作及循環 水系統的維護
第 16 章冷媒
16-1 理想冷媒 冷媒可以是任何物質, 只要能作為冷 的媒介而吸收其他物質的熱即可 所 謂冷媒接近理想僅表示其符合使用上 之要求而言
16-2 安全性 毒性 安全性 : 採級數分類法 將冷媒分三 級 第一級最安全 ; 第三級最危險 毒性 : 採數字分類法 將冷媒分一 ~ 六個數字等級 數字愈小毒性愈大 16-4 燃燒與爆炸性 一般常用之冷媒幾乎不可燃與非爆炸 性, 除了氨與碳氫化合物例外
16-6 早期冷媒 早期大型冷凍系統 : 氨 二氧化碳 家 商用小型系統 : 二氧化硫 氯甲 烷 離心式壓縮機 : 二氯甲烷 大型空調 : 二氯甲烷 二氧化碳 製冰廠 溜冰場 大型冷凍倉庫 : 氨
16-7 鹵碳化物 為一群鹵化碳氫化合物組成, 亦即碳 氫化合物中, 某些或全部化學鍵由 氯 氟 溴等鹵素取代 甲烷系鹵碳 化合物 : 鹵碳化物由甲烷發展而來 乙烷系鹵碳化合物 : 鹵碳化物由乙烷 發展而來
16-8 水份之影響水份會和冷媒結合, 產生高腐蝕性化合物, 與系統潤滑油及其他材料反應 ( 劣化 銹蝕 ), 亦會在軸承表面產生刮痕使設備壽命降低 良好的系統應使水氣含量維持在使系統損壞的標準之下, 但須視冷媒特性 潤滑油品質 系統運轉溫度 ( 壓縮機出口溫度 ) 等情況而定 有少數例外如氨冷媒系統, 氨和水結合成強鹼氨水溶液, 會侵蝕非鐵金屬, 但對鐵 鋼或其他材料較無影響, 即使系統有大量水氣, 仍可正常運轉
16-9 冷媒與油之關係冷媒須有潤滑油存在時, 才有穩定的物理及化學性質, 兩者性質才不會彼此受影響 但若有一定程度的雜質 ( 空氣或水 ) 在系統出現, 則雜質 冷媒 潤滑油三者的化學反應將發生, 產生油的分解 腐蝕性酸及污物, 導致鍍銅現象 在任何情形下, 若不考慮冷媒與潤滑油間不當反應的原因及現象, 只要使用高品質且具低流動點及蠟點的潤滑油, 並維持系統內極低的空氣及水氣含量和較低的系統設計出口溫度, 即可降低或消除鍍銅現象
16-10 10 冷媒與冷凍油之混合性系統內任何冷凍油會隨著冷媒循環使系統效率及性能有不良影響, 故需設法將油導回曲柄軸箱內, 其困難度視冷媒與油之混合性 蒸發器形式 蒸發溫度而定 若使用混合性佳的冷媒, 則因油溶於冷媒且與冷媒流動經由吸氣管回到曲柄軸箱, 故只須適當設計蒸發器及管路即可 ; 若使用混合性差的冷媒, 一旦油進入冷凝器, 將不易導回壓縮機 一般而言, 若系統回油不正常 流失量過多或系統效率及能力損失過多, 則須在壓縮機與冷凝器間之排氣管上裝油分離器 另外, 滿液式蒸發器及在蒸發溫度 0 以下時, 採用與油混合性好的系統亦須加裝
冷媒應具備的物理特性 : 1 氣體液化的臨界溫度需高於常溫 2 於冷凝器的凝結壓力宜低 3 於蒸發器的蒸發壓力不宜太低 4 液態的凝固溫度要低 5 蒸發潛熱要大 ; 比容要小 6 熱傳率要高 ; 表面張力小 7 黏度要小 ; 不易洩漏 8 不受潤滑油影響 ; 不易與水混合 9 絕緣能力要高
冷媒應具備的化學特性 : 1 化學性質安定, 在壓縮過程不易分解或變質 2 對金屬無腐蝕性, 能延長設備壽命 3 不可燃 不爆炸性 冷媒應具備的生物特性 : 1 無毒 無刺激性, 對動植物均無影響 2 不破壞環境及臭氧層, 同時溫室效應的影響最小 冷媒應具備的經濟特性 : 1 價廉易取得 2 同一冷凍能力下, 消耗電力最小 3 同一冷凍能力下, 壓縮冷媒之比容小, 即壓縮體積小, 成本較低 4 易自動或手動控制, 減少人為過失
16-11 11 探漏冷媒洩漏是滲入或滲出, 取決於該處壓力相對於大氣壓之高低 若大於大氣壓, 則冷媒漏致外界 ; 若小於大氣壓, 則空氣與水將進入系統 探漏方法 : 1 肥皂泡沫 : 適於各種系統, 尤其二氧化碳或碳氫化合物冷媒 2 硫火焰 潮濕的二羥二基甲酯試紙 : 用於氨系統 用硫火焰接近時會產生白色煙霧 ( 硫 + 氨 硫化氨 ); 潮濕的二羥二基甲酯試紙接觸氨氣會變成紅色 3 鹵素噴燈 : 用於鹵碳化物冷媒 燈焰顏色會由藍變綠或紫, 只用於通風良好的地方
16-12 12 冷媒種類簡介 一 氨特性 : 親水性 與油不相溶 化學性穩定 熱傳係數高, 為現今除鹵碳化物冷媒外唯一廣泛使用的冷媒 沸點 ( 標準大氣壓 ):28) 28 (-2.2 ) ) 運轉壓力 ( 標準冷凍條件 ):5 (-15) 15 ) ) 蒸發溫度時 34.27psia(2.37bar 2.37bar); );86 (30 )) 冷凝溫度時 169.2 psia(11.67bar 11.67bar) ) 探漏方式 : 肥皂泡沫 硫火焰 用途 : 製冰廠 溜冰場 大型冷凍倉儲設備 開放型往復式 螺旋式 離心式等各種壓縮機 注意 : 1 有毒, 且有時在某情形下會可燃及爆炸, 使用時須有經驗的技術人員操作 2 標準冷凍條件下, 絕熱排氣溫度為 210 (98.87 98.87 ), 故壓縮機汽缸採用水冷式冷卻, 同時須避免系統吸入側過熱度過高 3 系統管路需使用鋼鐵材料, 以防腐蝕, 且需裝油冷卻器
二 R-11 特性 : 為甲烷系鹵碳化物冷媒, 無腐蝕 性 無毒 不可燃 沸點 ( 標準大氣壓 ):74.7) 74.7 (23.7 ) 運轉壓力 ( 標準冷凍條件 ):2.94) psia(0.2bar 0.2bar) ) 18-19psia 19psia(1.251.25 bar) ) 探漏方式 : 肥皂泡沫 鹵素噴燈 用途 : 辦公大樓 工廠 公寓 商店及戲 院之離心式空調主機系統 二次冷媒 化 學溶劑
三 R-12 特性 : 為所有冷媒中最常用者, 無毒 不可燃 非爆炸性 性質極為穩定, 但會破壞臭氧層 沸點 ( 標準大氣壓 ):-21.6) 21.6 (-29.8 ) 探漏方式 : 肥皂泡沫 鹵素噴燈 用途 : 適用高 中 低溫系統及各型壓縮機, 若應用於多段離心式時, 可作為冷卻低至 -110 (-80 )) 之鹵水之用 注意 : 若用於小系統, 因其較重, 可因流量控制效果佳為其優點 ; 若用於大系統, 低潛熱可由高氣體密度彌補, 可使每冷凍噸之壓縮衝程較其他冷媒小, 故所需動力亦較其他冷媒小
四 R-13 特性 : 為安全冷媒, 與油具相溶性 沸點 ( 標準大氣壓 ):-144.5) 144.5 (-98 ) 蒸發溫度 :-150 (-100 ) 臨界溫度 :83.9 (28.9 ) 探漏方式 : 肥皂泡沫 鹵素噴燈 用途 : 針對極低溫使用, 常用於二或三段 層疊式冷凍系統 ; 又由於冷凝壓力及壓縮 衝程適中, 亦可適用於各型壓縮機
五 R-22 特性 : 是鹵碳化物, 為一安全冷媒, 廣泛應用於家用及農業冰櫃, 在商業及工業低溫系統上蒸發溫度亦可降至 - 125 (-87 87 ), 現今主要應用於箱型機 沸點 ( 標準大氣壓 ):-41.4) 41.4 (40.8 ) ) 探漏方式 : 肥皂泡沫 鹵素噴燈 注意 : 1 具有高排氣溫度, 故吸入側應保持較小的過熱度, 特別是密閉式壓縮機 2 低溫應用上, 因壓縮比較高, 為避免壓縮機過熱, 應對壓縮機汽缸採水冷式冷卻 3 使用滿液式蒸發器需加裝油分離器, 低溫應用時更應加裝 4 相同壓縮衝程下,R-22, 比 R-12 多 60% % 冷凍能力, 故 R- 22 比 R-12 管徑小
六 R-113 特性 : 為安全冷媒 沸點 ( 標準大氣壓 ):117.6) 117.6 (47.5 ) 運轉壓力 ( 標準冷凍條件 ):0.9802) psia(0.068bar 0.068bar) ) 7.86psia(0.204 bar) ) 探漏方式 : 肥皂泡沫 鹵素噴燈 用途 : 因具有低運轉壓力及高衝程, 且每噸動力需求適中, 故適用於離心式壓縮機 雖然主用途是空調系統, 亦可用於工業製程的冰水及鹵水冷卻, 可降至 0 (-10 ) )
七 R-114 特性 : 為安全冷媒, 與油具相溶性 沸點 ( 標準大氣壓 ):38.4) 38.4 (3.6 ) 運轉壓力 ( 標準冷凍條件 ):6.75psia) (0.89bar)) 36.27psia(2.5bar 2.5bar) ) 探漏方式 : 肥皂泡沫 鹵素噴燈 用途 : 對低壓冷媒而言, 壓縮衝程較低, 動力需求適中, 常用於家用冰箱 小型飲水機之迴轉式壓縮機 大型商業及產業空調之離心式壓縮機 可使工業製程用冰水至 - 70 (-57 57 )
八 R-134a 特性 : 為目前 R-12 的替代冷媒, 在環保上 安全且不危害臭氧層及產生溫室效應 不 可燃 毒性極低 化學性質穩定 注意 :R-134a 與 R-12 相似 ( 兩系統的等熵 排氣溫度及每冷凍噸馬力需求, 在標準大 氣壓下有 -15.08 飽和溫度 ;0 蒸發溫度, 且在低壓側無需維持真 空狀態 ), 可提供相同程度之運轉, 但僅 適合中型系統, 且需修改部分設備才可互 用
九 R-500 特性 : 為 R-12(73.8%) 和 R-152a(26.226.2 %) 的共沸混合物 沸點 ( 標準大氣壓 ):-28) 28 (-33 ) 標準冷凍噸下蒸發器及冷凝器壓力 : 16.4psig 113.4psig 注意 : 因以 R-500 替代 R-12 時每單位衝程能力提高值等於頻率自 60Hz 降至 50Hz 時衝程減少值, 故可在同一套系統中冷媒替換時, 利用頻率的變更做簡單的權宜方式, 而不改變冷凍能力及動力需求
十 R-502 特性 : 為 R-22(48.8%) 和 R-115(51.2%) 的共沸混合物, 為不可燃 無毒 較低的油混合性 沸點 ( 標準大氣壓 ):-49.8) 49.8 (-45.4 ) ) 臨界溫度 :179.9 (91.78 )) 探漏方式 : 肥皂泡沫 鹵素噴燈 用途 : 起初為 R-22 的低溫替代冷媒, 並在低溫高壓時應用, 現今已廣泛用於冷凍與冷藏之用途, 亦用於某些舒適空調場合, 尤其熱泵之應用 注意 : 在標準冷凍噸下的絕熱排氣溫度 99 (37.2 ), 低於 R-22 的 128 (53.3 53.3 ), 但 R-502 的壓縮衝程及動力需求均較高, 運轉壓力適中偏高
十一十一 R-503 特性 : 為 R-23(40.1%) 和 R-13(59.9%) 的共沸混合物 沸點 ( 標準大氣壓 ):-127.6) 127.6 (-88.7 ) 臨界溫度 :67.1 (19.5 )) 探漏方式 : 肥皂泡沫 鹵素噴燈 用途 : 主要在 -100 (-73.3 )~-150 (- 101 ) ) 間做為 R-13 的替代冷媒 ; 亦可用於多段系統之中 低壓段往復式壓縮機, 高壓段則使用 R-12 R-22 R-502 注意 : 在 -120 (-84.4 )) 蒸發溫度及 20 (6.67 )) 冷凝溫度下,R-503, 壓縮衝程僅為 R-13 的 64%,, 但 330.5psia 的冷凝壓力稍高於 R-13 的 240.4psia
十二十二 碳氫化合物 特性 : 為一群含有不同比例的碳與氫之冷 媒, 如甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 乙烯 異丁烷 探漏方式 : 肥皂泡沫 用途 : 丙烷 丁烷 異丁烷已用於小型家 用冷凍中 ; 甲烷 乙烷 乙烯用於極低溫 系統, 如二 三或多段系統中較低段者, 但有被 R-13 R-14 R-503 取代之趨勢 注意 : 此類物質易燃及易爆, 稍有毒性, 在任何情形下極易與油混合
16-24 冷媒乾燥劑 簡介 : 又稱除濕劑, 用以除去系統中 冷媒水氣 材料 : 矽膠 ( 二氧化矽 ) 活性礬土 ( 氧化鋁 ) 無水硫酸鈣 用途 : 矽膠和活性礬土為吸附式, 使用形式為小顆粒 無水硫酸鈣為 吸收式, 使用形式為小顆粒或鑄成條 狀
第 17 章冷媒流量控制
17-1 種類與功能 功能 : 1 調整冷媒液進入蒸發器之流量, 使其等 於冷媒液在蒸發器蒸發的量 2 維持系統高低壓測的壓差, 即達到冷媒 液在蒸發器蒸發所需的低壓壓力及冷媒在 冷凝器所需的高壓壓力 種類 : 手動膨脹閥 自動膨脹閥 感溫式 膨脹閥 外均壓式膨脹閥 限壓閥 充氣 式膨脹閥 交互充填式膨脹閥 溫度式電 子膨脹閥 毛細管 低壓浮球控制閥 高 壓浮球控制閥
17-2 手動膨脹閥 原理 : 直接用手控制的針閥, 通過閥的冷 媒流量大小, 受通過閥口的壓力差和閥開 口大小而定 若通過閥口的壓力差固定, 則通過的冷媒流量即固定, 不受蒸發器的 壓力或負荷影響 缺點 : 無法反應系統負荷之變化 用途 : 只用於固定負載的大型冷凍系統, 如製冰廠 冷凍庫 主要裝在旁通管路 上, 做為冷媒輔助控制用, 亦常用於控制 油供應管路的流量
17-3 自動膨脹閥結構 : 閥針 閥座 壓力摺箱或膜片 可藉由調整螺絲調整張力的彈簧 裝在入口端以防止雜物進入而造成阻塞的過濾網 原理 : 閥內保持定壓, 以控制流入蒸發器之冷媒流量來反應蒸發器負荷的改變 設調整彈簧彈力等於蒸發器壓力, 當蒸發器壓力低於設定值時, 彈簧彈力大於蒸發器壓力, 使閥往開啟方向移動, 增加冷媒液進入蒸發器之流量, 使蒸發器充滿較多冷媒, 導致冷媒蒸發量增加, 蒸發器壓力上升直至與彈簧彈力平衡 ; 反之, 冷媒蒸發量減少, 蒸發器壓力降低直至與彈簧彈力平衡 缺點 : 1 效率較差 當系統負荷大時, 僅允許少量的冷媒進入蒸發器, 故在整個系統需要較高的熱傳能力與效果下, 其定壓特性限制了冷凍系統的熱傳能力與效果, 造成冷媒氣過熱 2 定壓特性 使其不能與低壓馬達並用, 因低壓馬達的運調整螺絲轉完全依據蒸發壓力的變化而彈簧壓力定, 故無法與低壓馬達相配合 摺箱或膜片用途 : 只用於固定負載的小型蒸發壓力設備, 如家用冰箱 小型零售閥針及座出口店的冷藏庫, 現已很少使用 入口過濾網
17-4 感溫式膨脹閥結構 : 閥針及閥座 壓力摺箱或膜片 感溫包及接至摺箱或膜片之毛細管 可由調整螺絲調整彈力的彈簧 入口處的過濾網 原理 : 使蒸發器出口冷媒的過熱度保持一定, 故允許蒸發器在不同的的負載情形下完全充滿冷媒液, 不會造成液壓縮 特性 : 由蒸發氣壓力 彈簧彈力及感溫包內飽和液氣混合物之壓力三個力量相互作用的結果 任何吸入端的過熱度的改變將導致閥門的移動, 以恢復原過熱度達到新平衡, 其與彈簧設定壓力有關, 故彈簧壓力調整稱為過熱度調整過熱度調整 當彈簧彈力增加, 欲使閥達到平衡狀態之過熱度需增加, 若過熱度過高, 將使蒸發器有效表面積減小 ; 反之, 則使蒸發器有效表面積增加 若過熱度設定過低, 則無法控制冷媒流量, 產生冷媒不足或過多的交互狀態稱為追逐, 一般將過熱度設於 7~10 間, 使閥在不同的的負載下皆能保持過熱度而不受蒸發器溫度和壓力之影響, 以滿足大部分之應用 此型膨脹閥又分為內均壓式內均壓式和外均壓式外均壓式 用途 : 為目前最廣泛使用的膨脹閥, 特別用於負載變化大的系統中
17-5 外均壓式膨脹閥 冷媒流經蒸發器時, 因蒸發器管內摩擦造成壓損, 故在蒸發器出口的冷媒飽和溫度較蒸發器入口低 當流經蒸發器的壓降很小時, 飽和溫度的差異亦很小 ; 反之, 蒸發器出口的飽和溫度較蒸發器入口低很多, 整個膨脹閥因此須提高過熱度才能使閥平衡, 為滿足較高的過熱度, 需要較多的蒸發器表面蒸發冷媒, 但易使冷媒液提早完全蒸發, 導致大部分的蒸發器表面沒有效率, 當蒸發器效率降低, 將降低整個系統的能力與效率 有鑑於此, 故要使用外均壓外均壓管 Evap. 式膨脹閥, 雖不能減少蒸發器的壓降, 但入口出口可使蒸發器表面完全感溫包 ( 飽和液氣混合物 ) 且有效率的用
感溫式膨脹閥之缺點 : 1 不顧蒸發器的壓力與溫度, 保持蒸發 器充滿冷媒液 此特性雖可確定在所有負 載下, 蒸發器表面均能有效使用, 但亦允 許在過負載時, 蒸發器的壓力與溫度過高 使壓縮機過負載 2 膨脹閥在某些情形 ( 壓縮機剛開機 時, 蒸發器壓力迅速下降, 且感溫包的壓 力很高 ) 下的開度較大使蒸發器的冷媒過 多, 導致冷媒液進入壓縮機
17-6 限壓閥特性 : 當蒸發器壓力大於設定值時, 會節流進入蒸發器之流量, 裝設壓力限制裝置不僅使壓縮機在過大負荷下不會過負載, 且能減少冷媒液在開機期間流量過多的現象, 防止冷媒液進入壓縮機 閥的操作壓力可由機械式或充氣式感溫包加以限制 閥的最大蒸發壓力 ( 最大操作壓力,MOP, MOP) ) 依卡匣內氣體壓力而定 優點 : 防止過負載, 且能在閥開啟時防止冷媒液流入壓縮機 ( 閥開啟前, 蒸發器壓力須小於 MOP,, 且須延遲閥的開度使吸入端冷媒冷卻感溫包, 並降低感溫包壓力 )
分類 : 一 機械式 : 1 摺疊匣 : 在卡匣中裝不凝結氣體 當蒸發氣壓力小於卡匣內壓力, 此時控制方式與傳統感溫式膨脹閥相同 ; 若大於卡匣內壓力, 卡匣下塌, 閥不由感溫包控制且允許過熱彈簧節流閥門, 直到蒸發氣壓力小於卡匣內壓力, 此時卡匣扮演固體連接功能, 閥再度由感溫包控制感溫包控制 2 彈簧式 : 操作原理與上述相似, 當蒸發氣壓力小於彈簧張力時, 彈簧於其中使閥膜片和閥桿連接 若小於彈簧張力時, 彈簧下塌, 使流經蒸發器冷媒量減少, 直至蒸發氣壓力再度小於彈簧張力為止
二 充氣式 : 原理 : 其感溫包式充填與系統相同的冷媒氣體, 若其變為飽和蒸汽, 則感溫包溫度再增加 ( 額外過熱 ), 對感溫包的壓力只有些許影響, 故限制感溫包內充填量, 會限制作用於感溫包內的最大壓力, 間接限制蒸發器壓力, 故過熱度設定 ( 彈簧壓力 ) 之任何改變接造成 MOP 的改變 閥平衡時, 感溫包壓力 = 蒸發器壓力 + 彈簧壓力注意 : 1 閥體需置於比感溫包安裝位置之溫度高的地方, 且與感溫包接觸的管固定面溫度需高於感溫包之溫度, 否則感溫包內氣體將凝結, 導致感溫包內缺乏液體而無法若冷媒液凝結於此, 感溫包控制將失效. 操作 2 需注意感溫包位置, 使冷媒液體須凝結在感溫包內, 液不因重力而流才能獲得較佳之控制. 出感溫包
17-8 限壓閥之重要性 原因 : 系統在正常操作下會有比平均系統負荷大的拉下負荷, 此時蒸發器壓力與溫度很高, 壓縮機能力與電力需求將增加, 導致壓縮機過載 解決方式 : 1 增加壓縮機容量, 使其在過載時有足夠的動力 2 限制最大蒸發器壓力, 避免超過壓縮機負荷 選用 : 需使 MOP 值大於系統正常運轉時平均蒸發壓力 5~ 10psi 長時間關機後之低側壓力 充液閥 馬達過熱 充氣閥
17-9 交互充填式膨脹閥原因 : 當感溫包內充填系統冷媒時, 在低溫狀態下, 須較大的過熱度才能調整膨脹閥, 使蒸發器表面熱傳率變差 故在低溫應用下, 感溫包充填物為與系統不同的流體, 稱為交互充填式膨脹閥 特性 : 沸點較系統低, 故於操作範圍內單位溫度的過熱度大致相同, 而允許膨脹閥在正常過熱度下運轉 此閥有限壓功能, 可防止馬達過載或於開機時的回流現象 用途 : 除低溫應用外, 一些需要限壓且可改變過熱度特性的商業應用中, 此應用多使用氣體充填, 故感溫包位置不受限制, 無追逐現象產生 注意 : 僅於一個溫度範圍內方能操作, 因不同的溫度範圍有不同的充填冷媒
17-10 10 多出口閥與冷媒分配器 多出口閥 : 有本身之分配器, 因冷媒膨 脹和分配同時在膨脹閥內發生並通過徑 向分配器, 確保分配到冷媒迴路的冷媒 混合物是均勻的 冷媒分配器 : 當蒸發器有多個冷媒迴路 時, 從膨脹閥出去的冷媒透過冷媒分配 器傳至不同的冷媒迴路 設計時必須能 滿足尖峰負載時將膨脹閥出去的液氣混 合物均勻分配致每個迴路 可分為 :
1 文氏管 : 利用部分壓力回升的文氏原理, 與平均致每個冷媒迴路之流場有關 提供較小的紊流及壓損 ( 僅有壁面的摩擦損 ),, 可裝於任何地方 2 壓降式 : 冷媒離開膨脹閥後經分配器入口, 通過噴嘴在孔口造成壓降, 使冷媒液加速造成冷媒液氣均勻混合, 並消除重力影響 噴嘴孔口集中冷媒液氣混合物流動, 使流場直接衝擊內部圓錐部份, 離開後會均勻進入每個出口 噴嘴口尺寸決定分配器能力, 其壓降能防止液體發生閃氣且能形成均勻冷媒液氣混合物使其通過分配器
3 離心式 : 以高進口速度造成漩渦效 應, 保持冷媒液氣均勻混合且均勻的 分配至每隻蒸發器管中 4 分歧管 : 與裝設位置有關, 低進口 速度確保冷媒均勻的分配至每隻蒸發 器管中 緩衝器裝在分佈頭上, 且在 膨脹閥和分佈頭入口端裝設彎頭, 可 減少直接與分佈頭相連之蒸發器入口 端冷媒過多, 並減低冷媒流速
17-11 11 膨脹閥 感溫包及外均壓管 之位置 膨脹閥 : 除使用冷媒分配器之場合外, 為性能良好起見, 蒸發器與膨脹閥間無 任何限制, 且愈近愈好 ; 若裝設冷媒分配 器, 除分歧管式外, 閥需盡量接近分配 器 充液型感溫式膨脹閥因有足夠的液 體, 在任何情形下感溫包仍能控制閥, 故 能裝設於任何位置 冷卻空間裡外皆可 ; 充氣型則需裝在閥 本體溫度恆高於感溫包溫度的地方
感溫包 : 1 若為外部感溫包, 則需用金屬套環緊密綁在靠近蒸發器出口端之吸入端水平部份 2 吸入端外徑若為 7/8in,, 則裝在吸入端上方 ; 若管徑較大, 則裝在 4 或 8 點鐘方向, 會有較好的控制 3 壓縮機停機期間, 其位置應在不過分受其他溫度影響之處 若需將其裝於冷凍空間時, 則感溫包和吸入端須與外界有良好的保溫, 絕熱材必為非親水性, 且距感溫包兩端長度須超過 1in
4 裝設感溫包的距離應距未保溫吸入端至 少 1.5in,, 需小心安裝 若安裝位置離冷凍 空間太近, 則熱傳導從外界沿吸入管線進 入感溫包, 造成其壓力上升, 使閥開啟而 蒸發器充滿冷媒液 5 限壓閥若用於空調時, 感溫包大都裝於 風管之外 ; 若用於鹵水或冰水器應用時, 則裝在液體最冷處的下方 但上述方式會 在壓縮機關機時使閥開啟, 故須在膨脹閥 前裝電磁閥, 使壓縮機關機時防止蒸發器 充滿冷媒液
6 如下圖, 系統停機時,U, 型存油灣之冷媒液或油不影響感溫包, 故當壓縮機啟動時, 冷媒液會蒸發而不倒流至壓縮機 此種管路多用於大型系統 另外, 感溫包應如下圖裝設, 如此只能防止液體倒流 若裝於吐出端集流器, 易因通過蒸發器的空氣分布不均, 則一部份冷媒液不會蒸發而流出, 出現短路現象, 感溫包因無法感知液體溫度而將閥打開, 導致冷媒液流至壓縮機 外均壓管 感膨溫脹式閥 蒸發器 感溫包 短路循環 液體 U 型管盡量縮短
7 若裝於 U 型管底部會導致膨脹閥性 能不佳, 在裝設時應使潤滑油和冷媒 液能藉由重力從感溫包處流過而不積 存 另外, 盡量避免裝於垂直管路, 若無他法, 則須裝於 U 型管上之吸氣上 升管上 8 為使感溫包控制良好, 可將其裝於 吸入管內 亦即當需要低過熱度 易 受空間熱傳溫度影響 吸入管非常短 或吸入管外徑超過 2 1/8in 時適用
外均壓管 : 1 冷媒通過蒸發器有極大壓降存在時, 其壓降值足以使蒸發器在 0 以上之飽和冷媒溫度下降超過 2,, 或蒸發器在 0 以下之飽和冷媒溫度下降超過 1 2 有使用多出口膨脹閥或冷媒分配器之場合, 主要為了補償冷媒通過分配器所造成的壓降 3 常裝於靠近壓縮機側, 離感溫包 6~8in 4 若使用在補償冷媒通過分配器所造成的壓降, 且蒸發器壓降不會過大的情形下, 則可連接於任一冷媒供給管上, 或蒸發器中間的回流轉彎處 5 若連接於水平管, 則需裝於管上方, 防止油或冷媒液流到裡面
17-14 14 感溫式電子膨脹閥 特性 : 其依據輸入電壓大小而反應, 當電壓增加, 閥開度增大, 增加冷媒流量 為調節閥開口所需的電壓改變量, 可由任一溫度 壓力或冷媒液感測器控制, 且閥的功能也隨著感應器的不同而改變, 故可用在任一冷媒系統 ( 氨冷媒除外 ) 構造 : 若用在過熱控制時, 有一小熱敏電阻直接裝在冷媒吸入管上, 與膨脹閥加熱器串聯, 產生的電流是熱敏電阻之電組值函數, 亦反應冷媒狀態函數 原理 : 熱敏電阻暴露於氣態或過熱的冷媒中能自行加熱, 使電阻下降, 允許流過加熱器的電流增加, 使膨脹閥調節閥開度以增加到蒸發器所需的冷媒流量 上述過程繼續直到飽和吸入條件為止史濕冷媒立即冷卻熱敏電阻, 使電阻上輸入升, 降低進入加熱器的電流, 使膨脹閥關閉 感溫式電加熱器用途 : 控制吸入端積液器的液面子膨脹閥高度, 提供滿液式或半滿液式蒸冷媒液蒸發器發器控制進入壓縮機的乾冷媒氣入口至壓縮機體 熱敏電阻