自然冷媒研討會簡介(挪威奧斯陸)

一、前言

為了因應HCFC管制措施,各國皆提出替代的方案,目前較成熟的替代品為HFC’s類的混合冷媒,這種冷媒雖然不會破壞臭氧層,但對地球仍然具有增加溫室效應的不良影響。為了要尋找對地球環境更為無害的冷媒,世界各先進國家都把目標朝向自然冷媒,例如氨(NH3)、二氧化碳(CO2)以及碳氫化合物(HCs)。國際冷凍學會(IIR)兩年一次的自然冷媒研討會,今年6月2日至5日於挪威奧斯陸舉行,提出了自然冷媒於學術以及實際應用上的最新發展,並安排參觀奧斯陸使用自然冷媒的相關設施。藉由參加研討會所獲得的資料及經驗,可提供我國擬訂替代HCFC的政策及業界選擇替代技術之參考。

 

 

二、研討會內容

研討會共有來自35個不同國家311位人士參加,會中共發表72篇論文,論文主題如下:

碳氫化合物:燃燒性、安全性、應用、換裝、元件研究

氨:安全性、應用、元件研究

水:應用、元件研究

二氧化碳:應用、元件、模擬、冷媒循環研究

氣態冷媒循環:史特靈機械、熱聲壓縮研究

吸收式系統

二次側系統與所用之流體研究

基礎研究:熱力、物性、潤滑、化性研究

熱傳與流力:氨與冷凍油混合、二氧化碳、碳氫化合物、冰泥

技術總覽與比較

 

 

三、參觀活動

參觀活動包括食品工廠(使用NH3冷媒)、冬季奧林匹克體育設施(使用NH3冷媒)以及教堂空調(使用HC冷媒)示範系統。

1.參觀挪威最大之啤酒品牌Ringnes Brewery啤酒廠之製冷設備,採用160kW氨冷媒開放式壓縮機,共四台主機。

2.參觀奧斯陸於1994舉辦冬季奧運會之相關設施,主機之用途為維持球場或賽道之冰面不融化。

冰上曲棍球比賽場地,主機:60kW R-22開放式壓縮機,共一台

雪撬軌道競速場,主機:300kW氨冷媒開放式壓縮機,共三台

室內快速滑冰競速場,主機:220kW氨冷媒開放式壓縮機,共四台;300kW氨冷媒開放式壓縮機,共一台

3.參觀奧斯陸教堂空調HC冷媒(R-290,丙烷)示範系統。

 

 

四、綜合整理

表1為幾種R-22替代冷媒之溫室效應(GWP)的比較。自然冷媒的GWP值皆相當的低,對地球環境不會造成不良的影響。

表1、幾種R-22替代冷媒之溫室效應潛力(GWP)

冷媒

化工合成冷媒

自然冷媒

HCFC-22

HFC-134a

HFC-407C

HFC-410A

R-290/

R-600a

CO2

R-717 Ammonia

溫室效應潛力(100年)

1500

1300

1526

1725

<3

1

0

 

溫室效應會造成地球溫度上升,氣候異常,南北極冰山融解,海平面上升等種種嚴重問題,HFCs冷媒顯然不是最佳的長期性替化冷媒,僅為一種中短期之替代冷媒。所謂自然冷媒如氨(NH3)、碳氫化合物(HCs)、二氧化碳(CO2)、水(water)及空氣(air)等物質,符合無破壞臭氧能力以及溫室效應極低等環保特徵,因此被視為可長期使用之替代冷媒。

以下分別針對碳氫化合物(HCs)、二氧化碳(CO2)以及氨(NH3)冷媒加以介紹:

 

(一)HCs冷媒

碳氫化合物(HCs)冷媒則是目前進度最快、最具潛力之替代冷媒,不過碳氫化合物為可燃性物質,具有潛在之危險性,大型之冷凍及空調系統目前尚不適宜採用,僅如一般家用冰箱充填量小之系統較適合使用,目前在歐洲市場很流行。

歐洲可算是發展HCs冷媒應用於家用冰箱最早之地區,尤其德國在HCs冷媒家用冰箱之產品及生產技術開發幾乎已成熟,早在1990年末,德國AEG公司便開始進行碳氫化合物(HCs)做為冷媒之研究,1992年起開始進行一系列測試實驗,結果發現異丁烷(R-600a)冷媒以及丙烷(R-290)與異丁烷(R-600a)各50%之混合冷媒的效率比現有之R-12及R-134a冷媒系統效率為高。不過丙烷(R-290)與異丁烷(R-600a)各50%之混合冷媒在冰箱內兩段溫度應用上仍有些問題,於是冰箱業者乃決定使用異丁烷(R-600a)做為冰箱冷媒,而HFC-134a冷媒冰箱自1993年起,很快的便被異丁烷(R-600a)冷媒冰箱取代,目前德國年產約四百萬台冰箱及冷凍庫,其中約有95%的是採用異丁烷(R-600a)做為冷媒,R-134a冷媒僅佔5%。其他如瑞典及中歐等國家市場亦有逐步擴大HCs冷媒冰箱之趨勢。

一般碳氫化合物(HCs)冷媒中,較符合現有技術者包括有Propane(R-290)、Propylene (R-270)以及Propane與Butane (R-600) 或Iso –butane (R-600a)的混合物,不過這些冷媒均具有極高的可燃性。事實上HCs冷媒早已應用於石化工業,在預防其燃燒的措施技術上已經成熟,因此將其應用於空調及熱泵系統內,預料在安全技術問題上將不會有太大的問題。

使用於冰箱之HC冷媒主要為Propane (R-290)及Iso-butane(R-600a),其相關之物性與CFC及HCFC冷媒比較見表2所示,值得注意的是其中HC冷媒均具有較高的蒸發潛熱值,因此HCs冷媒填充量可比其他冷媒少很多。在安全的措施方面,除了系統須加強防漏措施之外,需設有多重預警及自動防護系統,這包括HCs冷媒於空氣內濃度測定與排氣設施及環境溫度控制,使空氣中的HCs保持在一定的濃度之下,避免HCs冷媒於空氣中達到最低閃點濃度,另外溫度測定及自動關斷部分之電源設施亦不可少,以確保所有組件溫度均在HCs冷媒閃點下,縱使HCs冷媒達到最低閃點濃度,也不會被熱源引燃。

表2、HC,CFC及HCFC冷媒基本物性比較

冷媒名稱

CFC-12

HCFC-22

HFC-134a

R-600a

R-290

臨界溫度℃

112

96

101.1

135

96.8

臨界壓力kPa

4113

4974

4067

3645

4254

潛熱值kJ/kg

165.91

233.79

216.83

367.06

427.8

 

(二)CO2冷媒

CO2早在本世紀初就已被當作冷媒使用在冷凍機上,後來因為壓力太高以及效率等問題,逐漸被其他冷媒所取代。經過百年來的科技進步,加上近年來日益注重的環保問題,CO2冷媒又成為大家注目的焦點,相繼出現新的研究成果。1993年,挪威的G.Lorentzen與J.Pettersen,首先發表了應用在汽車空調系統上,並能與Rl2性能相近的CO2車用空調機之實驗室雛型機種。此外,依這些專家的研究認為,如能配合CO2的熱力特性,進一步修正系統,則可應用於大型熱泵與商業用途的冷卻系統上。

由於CO2的臨界點溫度相當的低(31.1℃相當於88℉),我們的環境溫度便已接近此溫度,若使用CO2為冷媒進行壓縮,則其冷凝散熱溫度勢必將超過臨界點溫度,而處於超臨界(SuperCritical)區之中。

不幸的是,CO2的臨界點壓力亦相當高(73.8 bar相當於107O psi),而且,其冷凝散熱是位在超臨界區之中進行,因此,其工作壓力將更高於臨界壓力。就國際間所開發之CO2雛型壓縮機測試數據顯示,其壓縮機的吸入囗壓力便已達35~4O bar(約500~60O psi),而其出囗壓力更高達80~llO bar(約1200~1600 psi),平均壓力約為R-l2操作壓力的10倍左右。

 


冷氣

 

  圖1為CO2

 

理論冷凍循環過程的T-s圖,由圖中可明確了解,過程1-2為等熵壓縮、過程2-3為等壓冷凝放熱,此二過程皆在超臨界點區工作;過程3-4為等焓節流膨脹,過程4-1為等壓蒸發吸熱,此二過程則大部份在次臨界點(SubCritical)區工作。如此地在超臨界點區放熱,而在次臨界點的兩相區進行吸熱之過程,稱之為穿越臨界點的熱循環過程(TransCritical Cycle)。同時,在圖中可知,在超臨界壓力區並無雙相區域存在,壓力與溫度間,為相互獨立的變數,CO2在超臨界點區進行放熱,有相當大的溫度降,此現象頗適合應用於高效率的熱泵系統中。
圖1、CO2理論冷凍循環過程的T-s圖

由挪威所提出的一篇針對汽車用渦卷式壓縮機研究論文指出,與R-134a壓縮機比較,在相同的轉速與容積效率下,CO2渦卷式壓縮機的壓縮內容積僅約R-134a的25%,壓縮機的大小可以減少許多。但因其高低壓間之壓差約有60 bar,所以壓縮機轉子間的間隙須比R-134a小60%。

綜合CO2冷媒的優點如下:

1.對人體健康與居住環境無短、中、長之害處,故不需回收或再處理。

2.無毒且不會分解出刺激性物質。

3.不可燃(Non-Flammable)與不會爆炸(Non-Explosive)。

4.極佳的熱力性質。

5.氣體密度高,可降低使用的管路與壓縮機尺寸,而使系統重量減輕、結構緊湊、體積小,同時,壓縮機的壓縮比降低,壓縮過程可以更接近等熵壓縮而使效率提升。

6.取得容易(可從工業廢氣中取得),成本極低。

7.不破壞臭氧層。

8.溫室效應指數(GWP)為1。

然而,由於CO2具穿越臨界點的熱力特性,因此在設計上有許多待突破的技術:

1.由於其工作壓力高於傳統許多,而且吸排氣的壓差與溫差皆頗大,因此,在壓縮機之各部零件的機械結構、壓縮室的防洩漏設計、傳動軸上的軸承選用、在高壓環境的潤滑油與油路設計、吐出口部位的排氣閥設計等,均應特別注意。

2.於密閉型壓縮機應用時,耐高壓的馬達結構、高起動負荷的馬達選用、低馬達轉子慣性、小體積高扭矩與高效率的馬達性能等設計,皆是不可忽略的。

3.如何在小管徑、高質量流率的CO2冷媒流動時,提高熱傳效率,例如設計出高熱傳效果的管排型式與空氣流路、強化吸排熱風扇的風速與風量等,為熱交換器設計時應注意的事項。

4.由於冷凝出口端與蒸發端的壓差大,因此,如何設計高效率的膨脹過程,是另一重要關鍵,例如可設計多段壓縮或膨脹裝置來降低壓縮功與膨脹損失等,皆是須突破的部份。

5.如何藉由高科技的電子感測與控制技術,針對各種環境需求,進行壓力與冷暖房能力的最適匹配控制,將是控制技術的人才發揮的領域。

6.其他如因高壓系統之動態特性掌控、高壓負荷運轉之振動噪音的防制,也是研究C02壓縮機所需面臨之重要技術課題。

(三)氨冷媒

氨冷媒應用在工業冷凍用途的歷史相當久遠,但在號稱安全冷媒的CFC與HCFC冷媒問世後,氨被訂為有毒的可燃性氣體,所以幾乎各國皆規定不得使用在空調用途。儘管受到種種的限制,歐美等冷凍工業先進國家之大型冷凍廠仍大量的使用氨冷媒系統。對氨冷媒管制最嚴的日本,也有約百分之二十的工業使用比例。近年來由於環保的問題,研究人員又回頭研究氨冷媒替代R-22冷媒的可行性。日本於1994年公佈了「氨冷凍機組設施指導方針」,以積極正面的態度來面對氨冷媒。

挪威有許多氨冷媒的應用實例,最著名的應該是1994冬季奧運之相關設施,例如雪撬軌道競速場。為維持賽道冰面平均零下5℃之低溫凍結狀態,使用了三台300kW氨冷媒開放式壓縮機,冷凍能力達880冷凍噸。埋設在賽道下的冷媒蒸發管路總長達76公里,氨冷媒充填量約60000公斤。進入主機房中,可聞到刺鼻的氨冷媒味道,可知在如此大的系統中,小量的洩漏勢難避免,為了濃度過高發生危險,機房內設有多處的氨濃度偵測器以及排風設備,可予以警報並適當的排風以降低濃度。

挪威Ringnes Brewery啤酒廠之製冷設備,亦採用氨冷媒開放式壓縮主機,能力為160kW,共四台。令人印象深刻的是,在機房中完全聞不到氨冷媒的刺鼻味,該廠工程師表示,由於啤酒廠屬於食品工廠,所以對防止冷媒洩漏之要求非常嚴格。由此可知,只要管理得當,氨冷媒設備亦可做到安全無漏無臭的境界。

五、結語

自然冷媒於學術以及實際應用上的發展非常快速。我國應持續收集了解自然冷媒於冷凍空調機的發展情形,掌握發展動態,了解相關市場、法規,以供國內推展之參考。由於我國非HFC混合冷媒(目前之R-22替代冷媒主流)之生產國,為了避免冷媒價格受國外控制,而影響相關產業,更應加強自然冷媒之基礎應用研究,以提升產業競爭力。

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秋の葉

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