[封面故事] 日本最新冷媒技術 適用於NH3/CO2 自然冷媒的省能源型冷凍裝置
文章來源:文/淺野英世 (株)前川製作所
地球的暖化所造成的天災問題日益嚴重,全世界政府與企業正在制定更嚴格的環保標準,其中冷氣與產業製冷中的冷媒首當其衝,全世界的冷鏈業者,對今後的冷庫製冷機組到底要採用何種冷媒技術,都未有定論,本篇文章以日本最新的冷媒技術提供讀者參考。
長久以來,日本一直都是使用HCFC-22冷媒的冷凍設備,供冷凍、冷藏等製冷系統使用,目前全日本約有13,000台在運轉中。到了2020年HCFC-22在日本已完全禁止使用,因此,替代方案之提出也變的非常急迫。日本環境省提供了大力的支援,開發了使用自然冷媒的省能源型冷凍裝置。這種新技術環保又省能源,以下我們詳細介紹這種新技術的概況。
自然冷媒的省能源型冷凍裝置
開發自然冷媒的省能源型冷凍裝置,以做為冷藏倉庫中,需求最多的F級倉庫(庫內溫度:-25℃)使用,並設定目標如下:
• 使用不會破壞臭氧層及造成地球暖化的自然冷媒。
• 為了減少CO2排出量,將比舊有製品減少20%的能源使用量。
• 開發出可以讓使用者安心使用的設備。
氨(NH3)冷媒
NH3在自然冷媒中是最被廣泛使用的冷媒,其熱特性優異,比起使用HCFC-22冷媒,NH3冷媒可以達到更高效率的運轉。另一方面,因為有毒性,所以必須達到“安全的NH3冷凍裝置”的要求,並且必須解決以下的技術問題。
• 間接冷卻方式
發生NH3冷媒洩漏時,為了避免對作業人員或被冷卻物帶來不良影響的風險,於是採用二次冷媒的間接冷卻方式。不僅可以將NH3局限於機械室內,更可以減少NH3充填量至舊有方式的1/5左右。表1.是以具代表性的二次冷媒-氯化鈣水溶液的物質特性為基準時,蟻酸系不凍液 (Cold Brine)和CO2之比較表。由表中可看出黏度低且搬送熱密度高的液態化碳酸氣體(CO2)做為二次冷媒最能降低泵浦動力且無害的冷媒。
• 無洩漏的構造
關於冷媒洩漏的問題,舊有的NH3壓縮機本身即有軸封裝置(Shaft Seal),而在NewTon3000由於採用耐NH3冷媒的特殊材料之半密閉式馬達,所以可以徹底解決這個問題。
省能源化技術
對於防止地球暖化對策,減少CO2排放量也是非常重要的課題,因此降低20%消費電力為重點目標之一。
• 新齒形之採用
因為庫內溫度為-25℃的低溫規格,所以採用螺旋式雙段壓縮機,另外為了減少內部洩漏並提升效率,因而開發了新型軸心齒形。
NH3的分子量比起HCFC或HFC小,所以具有容易發生洩漏的特性。因此,利用縮短軸心的軸封線長度,並且儘可能的縮小間隙,藉以提升效率。(圖3.)
• IPM馬達
為了提升馬達的效率,所以採用內置永磁IPM ( I n ter i o rPermanent Magnet)馬達。比起平常的誘導式約可提高5~10%左右的效率。NH3冷凍機搭配半密閉式之IPM馬達在世界上是首次嘗試。(圖4.)
• 變頻器驅動
因為內置永磁IPM馬達運轉需要驅動器。為了應付這部份的負荷,需要進行無段式回轉數控制,因此採用變頻器作為驅動器。比起舊有的滑動閥方式,變頻驅動在部份負荷的省能源化上有很大的貢獻。(圖5.)
• 雙節能器
二段壓縮是利用冷擬器將液態化後的NH3冷媒液經由中間冷卻器(Inter Cooler)進行過冷卻以提升其冷凍效果。除此之外,追加低段機的節能器,藉以增加過冷卻度,向上提升冷凍能力及效率。(圖6.)
• NewTon3000
加上這些新技術而完成的NewTon3000壓縮機(參照圖7.),再將其組裝成完整的冷凍機組(參照圖8.)。
機組內包含全部的NH3系統,再加上CO2液化器、儲液器及CO2泵浦。因此,現場施工只要連接冷卻水、電源及CO2管線後即可立即進行運轉,可以縮短施工工期。
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