2013年1月28日 星期一

主機的揚程概念

揚程是一種表達能量位階不同的概念,舉個簡單的例子講,一桶放在20米高地方重量1公斤的水跟放在水平面重量1公斤質量上是一樣的,但是位能不同,放在20高的那桶水具有較高的位能.

所以假設要把水提的越高,那麼就必須提供能量,這桶水的質量沒變,但是位能卻變了,因為輸送這桶水到高的地方必須供應能量,對機械來講,要把水抬高到多少就是揚程,水的質量就是所需的流量,所以泵浦上面的銘牌除了馬力數,都會有流量跟揚程的數據,這兩個數據的要求會決定機械的構面跟特性.

對於冰水主機來講,所需的冷凍噸就是冷媒的流量,而它的設計溫差則是揚程,只是一般人不容易將水的揚程概念轉換為空氣或是冷媒的溫差或是焓差,以至於搞不清楚主機的揚程到底是什麼.

很簡單的講,如果主機的設計溫差是冰水7-12度,冷卻水32-37度,那麼從7-37度這個溫差就是主機的設計揚程,7度C的時候會有一個冷媒蒸發溫度(例如5度飽和蒸發溫度),37度C時會有一個冷凝飽和溫度(例如39度飽和冷凝溫度),冷媒5度C時的壓力跟39度C時的壓力,因為壓縮機的功用是把低壓打成高壓,這兩個溫度所對應的壓力就是壓縮機必須做的功,換句話講也就是主機的揚程.

前面講過,揚程是一種位階能量的概念,因此如果揚程越大,葉輪的直徑就要越大,揚程跟流量決定了機械的構面,如果揚程小,那麼葉輪的直徑也就不用那麼大.

在流體機械裡面有一個叫做近似定律,意思是流量跟轉速成正比,揚程跟轉速成平方比,馬力跟轉速成立方比,因此如果同樣的流量之下,揚程低一點的話,所需要的馬力成平方比的減少.

對冰水主機的壓縮機來講,它的流量是由現場的熱負載所要求,比如說現場需要1000RT的冷凍能力,冰水設計的溫差是10度F,流量是2400GPM,所以依照熱平衡的原理,這些熱量必須傳遞到冷媒側,而壓縮機冷媒的進出口端的焓差乘以壓縮機提供的流量最後也會等於1000RT,但是因為氣體壓縮會產生摩擦熱,所以最後的總產熱可能是1250RT,因此冷凝器的整個熱會比蒸發器大.

那麼是什麼因素決定主機的揚程要多少,答案就是溫度,當兩邊溫度的差值越大,主機就必須提供更大的揚程才能克服這種阻抗,簡單講就是如果你的冰水溫度要求越低,或是冷卻水溫越高,那麼主機就必須提供更高的揚程能力才能克服這個溫度的阻礙.

所以如果說一台主機的出水設計溫度是7-12度,而另外一台的出水設計溫度是12-17度,冷卻水設計同樣是32-37度,即使看起來噸數一樣,但是7-12度出水的這台葉輪不用這麼大,馬達也不用這麼大,因為揚程跟馬力成平方比的關係,所以同樣的噸數,COP值卻差不少,原因就是兩台主機的揚程不一樣,一台是30度,而另一台才25度.高溫的這台揚程是低溫這台的83%而以,同樣噸數看起來當然省電多了.

所以主機要節能最簡單的方法就是想辦法降低主機的揚程,揚程越小就越省電,而高壓壓力由冷卻水出水溫度決定,低壓壓力則由冰水出水溫度決定,這兩者的溫度決定高低壓多少,而冷卻水溫多少則是由天氣及冷卻水塔的效率決定.天氣不可控,因此冷卻水溫的高低會隨著天氣而變化.

流量呢?流量可不可以強制給它變少?流量跟馬力呈立方比變化,流量變少不就省更多了,但是熱這個東西如果要求必須是恆定的,必如說我現場就是需要1000個冷凍噸的量,那麼熱不變的狀況下流量變少溫差就會變大,溫差變大主機的揚程就增加,一來一回不見的討的了便宜,而現場的溫差變大更會讓很多東西都失控,因此要讓流量變少必須審慎為之.

因此如果說主機設計的溫差是30度C(7-37度C),那麼如果有機會讓主機溫差變小但流量不變,例如說變成20度,是不是就可以省很多電,答案當然是肯定的,因此冬天的時候如果冷卻水溫低一點,主機可以省的電是很多的.

那麼為什麼到現在還有很多人不知道可以這麼做或是不敢這麼做,答案就是上面講的只是理論,還要看機器的設計容不容許,如果不容許這樣做硬要這樣做,那麼結果就是機器會受損或是故障.

理由在哪裡?壓縮機必須由馬達推動,機械裡面會有培林,馬達裡面有線圈,培林需要被潤滑,而馬達也必須冷卻,因此冷凍油及小部分的冷媒必須擔負潤滑跟冷卻的作用,如果高壓太低了,冷凍油可能會失油,因為廠家有時會利用一小部分的高壓來替跑到蒸發器的冷凍油幫忙回油,高壓太低文式管的作用就弱,很可能跑久會跳失油,另一方面,因為高壓太低,從冷凝器壓送給馬達的冷煤不夠,馬達長時間運轉可能會燒毀,另一方面如果膨脹閥沒有自動因應高壓太低打開一點,負載太大的情況下將會因為蒸發器匱料導致低蒸發冷媒溫度跳脫.這些因素都會限制冷凍主機低冷卻水溫運轉的能力.

那麼到底哪種主機才是最適合低冷卻水溫運轉又不會跳故障的機器,基本上不能講,因為客戶心理自然有底,沒必要在這邊廢話,另外空調這邊各家門派一堆,又冷又省電是業主最想要的,但是廠商卻沒有什麼好處,廠商沒有好處自然就沒有熱情,而各家的主機廠商更不可能自曝其短去影響自己的銷售,所以還是業主自己要體認,從自己的操作經驗中去體會.

總之,複雜的東西不見得像表面看起來那麼難,只要找對頭緒的話,而簡單的東西有時還真不簡單,就像今天下午去割開一段保溫,才發現現有的閥體跟新的差7公分,要改一堆東西才能接的到,真是心中圈圈叉叉一直上來,因為工又要多很多才能把事情做好,調水溫呢?幾分鐘就可以搞定了,哎,只能說事情看起來太簡單就很沒價值,至少在台灣好像是這樣,而簡單的事卻是最費工最麻煩,為什麼會這樣我不知道?也許就是千金難買早知道最好的解釋吧.