秋の葉

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：

n  碳氫化合物：燃燒性、安全性、應用、換裝、元件研究

n  氨：安全性、應用、元件研究

n  水：應用、元件研究

n  二氧化碳：應用、元件、模擬、冷媒循環研究

n  氣態冷媒循環：史特靈機械、熱聲壓縮研究

n  吸收式系統

n  二次側系統與所用之流體研究

n  基礎研究：熱力、物性、潤滑、化性研究

n  熱傳與流力：氨與冷凍油混合、二氧化碳、碳氫化合物、冰泥

n  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。

n  冰上曲棍球比賽場地，主機：60kW R-22開放式壓縮機，共一台

n  雪撬軌道競速場，主機：300kW氨冷媒開放式壓縮機，共三台

n  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)

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

(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。

  _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。