2011年8月1日 星期一

壓縮機高壓問題

壓縮機的主要作用是將低壓的流體(冷媒,空氣,或是其他可壓縮的氣體)透過機械的作用轉變成高壓,從低壓到高壓的過程中,視不同的流體性質,會放出一定的熱量,這就是所謂的壓縮熱,壓縮熱一般是馬達所產生的功,而整個高壓排放出去的總熱量則是低壓的熱加上壓縮熱,對冷凍系統來講,高壓端排放的總熱就是蒸發熱+壓縮熱.

既然是帶有能量的流體,基於能量不滅原則,這些流體所帶有的熱量必須被排放,不然將因為越來越多的熱量累積導致壓縮機的機件受損,最終導致壓縮機過熱停止運作,如果這些熱無法有效排除,最終就會導致壓縮機燒毀.

既然需要散熱,如何把這些熱有效排除就變成一個非常重要的課題,兩種最主要的散熱方式,氣冷與水冷,因為水的密度比空氣大的多,因此在相同的散熱面積之下,使用水冷的方式來散熱效率遠比氣冷來的好,另一個角度是在相同的氣溫條件下,利用水冷的方式來散熱可以得到比氣冷較低的冷卻溫度,因此可以有效的降低壓縮機所需做的功,進而降低電費的支出,這一點應該才是最重要的.尤其是現在到處都強調要節能減碳的大目標下.

用能量位差的觀點來看,假設把具有高能量的高壓端當作高水位,較低能量的低壓端當作低水位,如果高低水位差越大,代表壓縮機要做的功就越大,要投入的功率也就越大.如果高低壓差沒那麼
大,要投入的功就不用那麼大,換句話就是省電了.

影響熱交換效率的因素很多,簡單的講就是傳熱或換熱好不好,再回到水位高低的觀念來看,如果水位高低差很大,可以輸送的能量也跟著變多.對冷媒壓縮機來講,排熱端的位能必須釋放到大氣中,因此與大氣的溫差越大熱交換效率越好,換句話,無論是用空氣或水來散熱,越低的氣溫或水溫對熱交換的效率越好,壓縮機越省電.

這牽扯到二個問題,一方面是這些冷卻的流體取得的方式,最簡單的ㄧ個概念是無論使用氣冷或水冷,流體必須流動才能將熱量帶走,對氣冷來講,可以得到的最低氣溫突破不了乾球溫度,對水冷來講,最低的水溫突破不了濕球溫度,要花多少的能量去製造這些流動的力量,製造這些流動的能量是否抵的過壓縮機因此可以減低的功.兩者互相抵消後是否划算.

另一方面,當高壓跟低壓相同時,因為能量位差的關係,冷媒停止流動,因此此時的冷凍功率為0,因此太低的水溫或氣溫在某一個點時,太低的水溫或氣溫反而變成一個不利的點,前面講水溫或氣溫低有利於壓縮機的功率降低,為什麼有時低水溫或氣溫又變成功耗變差,如此不是自相矛盾嗎?

原因就在於高壓跟低壓所具有的位能,如果低壓端的位能在某些因素之下,導致位能比高壓還高,這種情形最常發生在系統剛完成還沒試車的時候,有時現場的熱一直回來,冷卻水塔的水溫搞的比冰水溫度還低,這時壓縮機必須逆向運作,慢慢將位能提高才能正確運作,因此冷凍功率會從0慢慢通過一個功率尖峰,這時就很有可能造成壓縮機掛了.若是通過了這個功率尖峰,高低壓順利建立,那較低的水溫或氣溫就又能降低壓縮機所需的功率了.

這樣的高低壓差所需的溫差要多少不一定,在正確的點之上,大概是10~14度左右,也就是說以溫差來反應壓力的話大概是上面的值,有些比較特殊的機器甚至可以更低,因為在冷媒的流量控制上有比較特殊創新的設計,所以就更省了.

一般的操作上面,高壓較低可以得到較好的省電效率是不爭的事實,至於如何做我在其他的文章中已經多所說明,高壓較高的原因在別篇也說得很多,怎麼才能省應該都能很清楚了才對.