冰水主機
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冰水主機（chiller）是利用蒸氣壓縮製冷、吸附式制冷或吸收式制冷循環，將液態冷却剂中的熱能移出的機器。液態冷却剂之後可以流到换热器來冷卻設備或是其他製程用到的物質（例如空氣或是處理水）。冷凍會產生废热，這是一定會有的副產物，廢熱需排到外界，或是用在加熱過程，以提昇效率[1]。蒸氣壓縮冰水主機可能會用許多不同種類的壓縮機，現今最常見的是全閉渦卷式壓縮機、半閉式螺旋壓縮機，以及離心式壓縮機。冷水主機的冷凝端可以是空氣或是冷卻的水。冷水主機即使有水冷，還是會用引風或是強制送風的冷卻塔來冷卻。吸附式制冷和吸收式制冷都需要熱源才能運作[2][3]。
冰水主機常用在中大型商用、工業用、基礎設施用的冷卻和除濕。水冷冰水主機可以是液冷（透過冷水主機）、空氣冷卻或是蒸發冷卻。水冷（或是液冷系統）在效率以及環境影響上，都比空氣冷卻要好[4]。
空調上的應用
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空氣調節系統中，冷卻劑是用冰水和乙二醇混合物組成，來自空調或是冷凍設備的冰水主機，分散到空氣處理器或其他終端處理設備的熱交換器或盤管（coil）中，以此冷卻周圍空間裡的空氣。水會迴流到冰水主機裡再冷卻。冷卻盤管會將空氣中的顯熱和潛熱傳送到冰水中，使空氣冷卻並且除濕。標準空調應用的冰水主機冷凍能力在50 kW（170 × 103 BTU/h）到7 MW（24 × 106 BTU/h）之間，至少有兩家廠商（York international和LG）可以生產冷凍能力高達21 MW（72 × 106 BTU/h）的冰水主機[5][6]。冰水溫度（離開冰水主機時）多半在1至7 °C（34至45 °F）的範圍，依應用需求而定。常見的冰水主機將會12°C（進入溫度）的冰水冷卻到7°C（離開溫度）[7]。
若空調系統的冰水主機無法運作或是需要維修或更換，會用緊急冰水主機來提供冷卻水。租賃的冰水主機一般會安裝在拖车上，以便快速的進行佈署，會用大型的冰水軟管連接租用的冰水主機和空調系統[8]。
工業應用
[编辑]在工業應用中，會由冰水主機供應冰水或是其他冷却剂，由泵輸送到其他製程設備或是實驗設備。工業冰水主機會用在許多產業中，用在產品、機構或是工廠機械的受控冷卻。工業冰水主機常用在塑膠產業、射出成形和吹塑成型、金屬加工的切削油、焊接設備、壓鑄和工具機、化工製程、製藥、食品和飲料製造、造紙和陶瓷加工、真空系統、X光繞射、電源和燃氣渦輪發電站、分析設備、半導體、壓縮空氣和氣體冷卻。工業冰水主機也用在冷卻高發熱的特殊設備，例如核磁共振儀以及雷射設備。
工業應用的冰水主機可以是集中式的，由一個冰水主機供應多個不同的冷卻需求，也可以是分散式的，每一個應用或是機器有其各自的冷水主機。兩種作法都各有其優缺點。也可能混合使用集中式和分散式的冰水主機，可能是不同區域的部份冷卻需求相同，但仍有些不同的情形。
冰水主機可以用在中大型商業、工業和機構（CII）建築的空氣調節。冰水主機可以是液冷、空冷或是蒸發冷卻。水冷或是液冷的冰水主機常配合冷卻塔，和空冷冰水主機相比，此作法可以提昇冰水主機的熱效率。其原因是因為熱可以在接近空氣濕球溫度的溫度排出，而不是在溫度較高的乾球溫度排出。蒸發冷卻的冰水主機效率比空氣冷卻要好，但仍低於液冷冰水主機。
液冷冰水主機一般會安裝在室內，由獨立的冷凝水管路冷卻，此管路中的冷凝水會在室外冷卻塔冷卻，將熱排到室外。
空冷或是蒸發冷卻冰水主機一般會安裝在室外，空冷冰水主機可以由周圍機械循環流動的空氣直接冷卻，熱從冰水主機的冷凝器盤管，直接排到大氣中。蒸發冷卻冰水主機也類似，但會在冷凝器盤管上施加一層水霧，以幫助冷凝器冷卻，使機器比傳統的風冷機器更有效率。這兩種冰水主機一般不會需要額外的冷卻塔。
冰水主機周圍若有現有的冷水水體可用，可以直接用來冷卻、取代冷卻塔，或是輔助冷卻塔的功能。像在加拿大多倫多的深水源冷卻系統就是一個例子。此系統用冷的湖水來冷卻冰水主機，而冰水主機透過區域冷氣系統冷卻城市中的大樓。返回的水用來加熱城市中的飲用水處理系統，在天氣冷時會需要此功能。冰水主機除了本身的冷卻功能，其廢熱也可以利用，可以達到很高的熱效率。
蒸汽-壓縮冰水主機技術
[编辑]蒸汽-壓縮冰水主機會使用以下壓縮機中的一種：往復式壓縮機、渦卷式壓縮機、螺旋式壓縮機或離心式壓縮機，這些壓縮可以用电动机、蒸汽渦輪發動機或燃氣渦輪發動機驅動。最常見的作法是用電動機在半密封（semi-hermetic）或全密封（hermetic）的組態驅動是，因為電動機可以高效運行，也很容易用冷卻劑冷卻，不需要額外的燃料供應，或考慮廢氣排放問題，因為電動機可以在冷卻劑中運行，不需要軸封，也減少了維修、泄漏相關的成本以及維修造成的停工時間，不過有時也會使用開放式的壓縮機。冰水主機發揮冷卻效果是透過逆朗肯循環，也稱為蒸汽-壓縮。配合蒸發冷卻的熱排出，其性能係數（COP）很高，可以到4.0甚至更高。
- COP
以下是此系統的主要組件：
冷凍壓縮機在本質上就是氣態冷媒的泵浦。壓縮機的額定（也是冰水機的冷凍能力）可以用千瓦輸入（kW）、馬力輸入（HP）或體積流率（m3/h, ft3/h）表示。壓縮氣態冷媒的機制會隨壓縮機種類而不同，每一種都有其適合的應用。壓縮機可以和電動機整合，也可以是開放型，透過機構和外部的電動機連接。
近年來，會在蒸汽-壓縮冰水主機中使用變頻器（VSD）來驅動，可以提昇效率。最早變頻器是在1970年代末期用在離心型壓縮機上，隨著能源成本的昇，這也成為主流。目前變頻器也用在渦卷式壓縮機和螺旋式壓縮機上。
凝結器可以是氣冷、液冷或是蒸發式的。凝結器本身是熱交換器，讓熱從冷媒氣體傳到水或是空氣中。氣冷凝結器是用銅管（供冷媒流動）和鋁散熱鰭片（讓氣流流過）製成。每一種凝結器有不同的材料成本，在效率上也有不同。若配合蒸發冷卻的冷凝器，其性能係數很高，可以到4.0甚至更高。氣冷凝結器會裝設在戶外，由周圍的空氣配合風扇強制冷卻。水冷或是液冷凝結器的冷卻水會接到冷卻塔，在冷卻塔中散熱。
膨脹裝置（熱力膨脹閥，TEV）或冷媒量測裝置（RMD）會限制液態冷媒流動，會產生壓力降，使一些冷媒氣化。冷媒氣化會從周圍的液態冷媒吸收能量。冷媒量測裝置會放在蒸發器前方，接近蒸發器處，因此蒸發器裡的冷氣體可以吸收水中的熱。冷媒量測裝置在蒸發器出口處有一個感測器，讓冷媒量測裝置可以依冰水主機設計需求而調整流量。
蒸發器可以是盤型或是殼管型。蒸發器也是熱交換器，可以讓熱從水蒸氣傳到冷媒氣體。在剩下的液態冷媒汽化的相變化中，冷媒可以吸收大量的熱，其溫度不會有明顯變化。
吸收式製冷原理
[编辑]吸收式制冷的熱力學循環是由熱源所驅動，熱能多半是透過蒸氣、熱水或是燃燒進到冰水主機。相較於電力驅動的冰水主機，吸收式制冷的電能需求很小，包括溶液泵和冷卻泵在內的總功率很少超過15 kW。不過其熱能輸入需求很大，COP多半是0.5（單效，single-effect）到1.0（雙效，double-effect）。以相同的冷凍能力考量，吸收式制冷需要的冷卻塔會比蒸氣壓縮式的要大很多。不過以能源效率的觀點來看，若有低位（low-grade）熱值或是廢熱可以使用，吸收式制冷的效果很好[9]。在一些特別炎熱的氣候中，太阳能也曾用來作為吸收式制冷的能量來源。
單效吸收循環用水作為冷媒，溴化锂為吸收劑。是兩物質之間強大的親和力讓此循環運作，整個過程在幾乎真空的條件下進行。
- 溶液泵：在吸收器殼的底部，收集了濃溴化鋰溶液（濃度60%）。密封溶液泵從此處將溶液透過殼管式熱交換器預熱。
- 發生器：濃溶液在離開熱交換器之後，會移動到殼體上部。溶液環繞著輸送蒸氣或是熱水的管路，蒸氣或熱水將熱傳送給濃溴化鋰溶液。溶液沸騰，將冷媒蒸氣往上送到冷凝器，留下下方的濃縮溴化鋰。濃縮溴化鋰溶液往下流到熱交換器，被泵送到發生器的稀溶液冷卻。
- 冷凝器：冷媒蒸氣從除霧器移動到冷凝器管路。冷媒蒸氣在管路中凝結，熱被管路內的冷卻水所帶走。冷媒凝結後，會聚集在冷凝器底部的槽中。
- 蒸發器：冷媒液體從殼體上部的冷凝器移動到殼體下方的蒸發器，在蒸氣器管束上噴灑。因為下方殼體的極度真空（絕對壓力6 mm Hg，0.8 kPa），冷媒液體在約39 °F（4 °C）時沸騰，產生冷凍效應（真空度是因為吸濕作用。水和溴化鋰的強大親和力）
- 吸收器：當冷媒蒸氣從蒸發器移動到吸收器時，發生器的濃溴化鋰溶液會在吸收器上方管束上噴灑，產生蒸發器的真空度。冷媒蒸氣被溴化鋰溶液吸收，會產生熱，熱會被冷卻水帶走。現在濃溴化鋰溶液蒐集在殼層下方的底部，當流到溶液泵時，完成冷卻循環，開始新一輪的循環[10]。
工業冰水主機選用
[编辑]選用工業冰水主機時的重要規格有總生命週期成本、動力來源、冰水主機IP等級、冰水主機冷凍能力、蒸發能力、蒸發器材質、蒸發器種類、凝結器材質、凝結能力、環溫、電動機風扇種類、噪音等級、內部管路材質、壓縮機數量、壓縮機種類、冷媒需求、流體出口溫度、以及性能係數（COP，單位為冷凍噸的冷凍能力，和單位為kW的冰水主機耗能之間的比例，對於中大型冰水主機，其數值會在3.5到7.0之間，數值越大表示效率越好。在美國則會用單位冷凍噸的kW（kW/RT）表示。
需考慮的重要過程泵規格包括有過程流量、過程壓力、泵材質、彈性體以及機械軸封材質、電動機電壓、電動機電氣等級、電動機IP等級以及泵浦額定。若冷水溫度小於−5 °C，需使用可以處理高濃度乙二醇的特製泵浦。其他重要規格包括內水箱大小、材質以及滿載電流。
在選用工業冰水主機的控制盤時，需考慮現場控制盤、遠端控制盤、故障指示燈、溫度顯示、壓力顯示等。
其他的功能包括有緊急警告、高熱旁路（hot gas bypass）、城市供水切換[10]。
若是佈署在較遠，而且熱而多灰塵的場地，可以選用可拆裝的冷水主機[11]。
若冰水主機的噪音超過允許的噪音等級，會再加裝聲音衰減器。大型冰水主機一般會需要一排的聲音衰減器，稱為消音器庫（silencer bank）。
冷媒
[编辑]蒸氣壓縮式冰水主機需要冷媒作為內部的工作流體。有許多冷媒可以選用。在選擇冰水主機時，其應用冷卻溫度和冷媒冷卻特性需要相搭配。需考慮的重要參數有壓力和溫度。
有許多和冷媒有關的環境因素，這也影響未來是否仍可使用此冷媒。這在間歇式應用的冰水主機是很重要的考量因素，因為其中的大型泵浦至少要用25年以上。臭氧破壞潛勢（ODP）和全球暖化潛勢（GWP）是需考量的因素。以下是蒸氣壓縮式冰水主機常見冷媒的ODP和GWP（另外，大部份的冷媒都是高度可燃和/或有毒的）：
| 冷媒 | ODP[12] | GWP[12] |
|---|---|---|
| R11 | 1 | 4750 |
| R12 | 1 | 10900 |
| R123 | 0.02 | 77 |
| R134a | 0 | 1430 |
| R22 | 0.05 | 1810 |
| R290 (propane) | 0 | 3 |
| R401a | 0.037 | 1100 |
| R404a | 0 | 3922 |
| R407a | 0 | 2110 |
| R407c | 0 | 1774 |
| R408a | 0.016 | 3152 |
| R409a | 0.039 | 1585 |
| R410a | 0 | 2088 |
| R500 | 0.7 | 8077 |
| R502 | 0.283 | 4657 |
| R507 | 0 | 3985 |
| R600a | 0 | 3 |
| R744 (CO2)[13] | 0 | 1 |
| R717 (ammonia) | 0 | 0 |
| R718 (water)[14] | 0 | 0 |
R12是ODP的參考基準。CO2是GWP的參考基準。
銷售到歐洲的冰水主機，其冷媒主要是R410a（70%）、R407c（20%）和R134a（10%）[15]
相關條目
[编辑]參考資料
[编辑]- ^ Academia.edu - Share research. Academia.edu. [24 January 2022]. （原始内容存档于2022-01-24）.
- ^ Types of Chillers - A Thomas Buying Guide. Thomasnet.com. [2024-12-01]. （原始内容存档于2023-05-28）.
- ^ Evans, Paul. Absorption Chiller, How it works. Thengineeringmindset.com. September 26, 2017 [2024-12-01]. （原始内容存档于2024-03-27）.
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- ^ YD Dual Centrifugal Chiller. York.com.
- ^ Centrifugal Chiller | HVAC | Business. Lg.com.
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