冰水主机

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冰水主机（chiller）是利用蒸气压缩制冷、吸附式制冷或吸收式制冷循环，将液态载冷剂中的热能移出的机器。载冷剂之后可以流到换热器来冷却设备或是其他制程用到的物质（例如空气或是处理水）。冷冻会产生废热，这是一定会有的副产物，废热需排到外界，或是用在加热过程，以提升效率。蒸气压缩冰水主机可能会用许多不同种类的压缩机，现今最常见的是全封闭涡旋式压缩机、半封闭式螺杆式压缩机，以及离心式压缩机。冷水主机的冷却介质可以是空气或是冷却的水。冷水主机如果采用水冷，一般会用自然通风或是强制送风的冷却塔来冷却。吸附式制冷和吸收式制冷都需要热源才能运作。

冰水主机常用在大中型商用、工业用、基础设施用的冷却和除湿。水冷冰水主机可以是液冷（透过冷水主机）、空气冷却或是蒸发冷却。水冷（或是液冷系统）在效率以及环境影响上，都比空气冷却要好。

## 空调上的应用

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空气调节系统中，载冷剂一般是用水和乙二醇混合而成，来自空调或是冷冻设备的冰水主机，分散到空气处理器或其他终端处理设备的热交换器或盘管（coil）中，以此冷却周围空间里的空气。水会回流到冰水主机里再冷却。冷却盘管会将空气中的显热和潜热传送到冰水中，使空气冷却并且除湿。标准空调应用的冰水主机冷冻能力在50kW到7MW之间，至少有两家厂商（York international和LG）可以生产冷冻能力高达21MW的冰水主机。冰水温度（离开冰水主机时）多半在34to的范围，依应用需求而定。常见的冰水主机会将12°C（进入温度）的冰水冷却到7°C（离开温度）。

若空调系统的冰水主机无法运作或是需要维修或更换，会用紧急冰水主机来提供冷却水。租赁的冰水主机一般会安装在拖车上，以便快速的进行布署，会用大型的冰水软管连接租用的冰水主机和空调系统。

## 工业应用

在工业应用中，会由冰水主机供应冰水或是其他载冷剂，由泵输送到其他制程设备或是实验设备。工业冰水主机会用在许多产业中，用在产品、机构或是工厂机械的受控冷却。工业冰水主机常用在塑胶产业、射出成形和吹塑成型、金属加工的切削油、焊接设备、压铸和机床、化工制程、制药、食品和饮料制造、造纸和陶瓷加工、真空系统、X光绕射、电源和燃气涡轮发电站、分析设备、半导体、压缩空气和气体冷却。工业冰水主机也用在冷却高发热的特殊设备，例如核磁共振仪以及激光设备。

工业应用的冰水主机可以是集中式的，由一个冰水主机供应多个不同的制冷需求，也可以是分散式的，每一个应用或是机器有其各自的冷水主机。两种作法都各有其优缺点。也可能混合使用集中式和分散式的冰水主机，可能是不同区域的部分冷却需求相同，但仍有些不同的情形。

冰水主机可以用在中大型商业、工业和机构（CII）建筑的空气调节。冰水主机可以是液冷、空冷或是蒸发冷却。水冷或是液冷的冰水主机常配合冷却塔，和空冷冰水主机相比，此作法可以提升冰水主机的热效率。其原因是因为热可以在接近空气湿球温度的温度排出，而不是在温度较高的干球温度排出。蒸发冷却的冰水主机效率比空气冷却要好，但仍低于液冷冰水主机。

液冷冰水主机一般会安装在室内，由独立的冷却水管路冷却，此管路中的冷却水会在室外冷却塔降温，将热排到室外。

空冷或是蒸发冷却冰水主机一般会安装在室外，空冷冰水主机可以由周围机械循环流动的空气直接冷却，热从冰水主机的冷凝器盘管，直接排到大气中。蒸发冷却冰水主机也类似，但会在冷凝器盘管上施加一层水雾，以帮助冷凝器冷却，使机器比传统的风冷机器更有效率。这两种冰水主机一般不会需要额外的冷却塔。

冰水主机周围若有现有的冷水水体可用，可以直接用来冷却、取代冷却塔，或是辅助冷却塔的功能。像在加拿大多伦多的深水源冷却系统就是一个例子。此系统用冷的湖水来冷却冰水主机，而冰水主机透过区域冷气系统冷却城市中的大楼。返回的水用来加热城市中的饮用水处理系统，在天气冷时会需要此功能。冰水主机除了本身的冷却功能，其废热也可以利用，可以达到很高的热效率。

## 蒸汽-压缩冰水主机技术

蒸汽-压缩冰水主机会使用以下压缩机中的一种：往复式压缩机、涡卷式压缩机、螺旋式压缩机或离心式压缩机，这些压缩可以用电动机、蒸汽涡轮发动机或燃气涡轮发动机驱动。最常见的作法是用电动机在半密封（semi-hermetic）或全密封（hermetic）的组态驱动，因为电动机可以高效运行，也很容易用制冷剂冷却，不需要额外的燃料供应，或考虑废气排放问题，因为电动机可以在制冷剂中运行，不需要轴封，也减少了维修、泄漏相关的成本以及维修造成的停工时间，不过有时也会使用开放式的压缩机。冰水主机发挥制冷效果是透过逆朗肯循环，也称为蒸汽-压缩。配合冷却塔的热排出，其性能系数（COP）很高，可以到5.0甚至更高。

COP $= \frac{\text{Cooling power}}{\text{Input power}}$

以下是此系统的主要组件：

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冷冻压缩机在本质上就是气态冷媒的泵浦。压缩机的额定（也是冰水机的冷冻能力）可以用千瓦输入（kW）、马力输入（HP）或体积流率（m3/h, ft3/h）表示。压缩气态冷媒的机制会随压缩机种类而不同，每一种都有其适合的应用。压缩机可以和电动机整合，也可以是开放型，透过机构和外部的电动机连接。

近年来，会在蒸汽-压缩冰水主机中使用变频器（VSD）来驱动，可以提升效率。最早变频器是在1970年代末期用在离心型压缩机上，随着能源成本上升，这也成为主流。目前变频器也用在涡卷式压缩机和螺旋式压缩机上。

冷凝器可以是气冷、液冷或是蒸发式的。冷凝器本身是热交换器，让热从冷媒气体传到水或是空气中。气冷凝结器是用铜管（供冷媒流动）和铝散热鳍片（让气流流过）制成。每一种冷凝器有不同的材料成本，在效率上也有不同。若配合蒸发冷却的冷凝器，其性能系数很高，可以到4.0甚至更高。气冷凝结器会装设在户外，由周围的空气配合风扇强制冷却。水冷或是液冷凝结器的冷却水会接到冷却塔，在冷却塔中散热。

膨胀装置（热力膨胀阀，TEV）或冷媒量测装置（RMD）会限制液态冷媒流动，会产生压力降，使一些冷媒气化。冷媒气化会从周围的液态冷媒吸收能量。冷媒量测装置会放在蒸发器前方，接近蒸发器处，因此蒸发器里的冷气体可以吸收水中的热。冷媒量测装置在蒸发器出口处有一个感测器，让冷媒量测装置可以依冰水主机设计需求而调整流量。

蒸发器可以是盘型或是壳管型。蒸发器也是热交换器，可以让热从水蒸气传到冷媒气体。在剩下的液态冷媒汽化的相变化中，冷媒可以吸收大量的热，其温度不会有明显变化。

## 吸收式制冷原理

吸收式制冷的热力学循环是由热源所驱动，热能多半是透过蒸气、热水或是燃烧进到冰水主机。相较于电力驱动的冰水主机，吸收式制冷的电能需求很小，包括溶液泵和冷却泵在内的总功率很少超过15 kW。不过其热能输入需求很大，COP多半是0.5（单效，single-effect）到1.0（双效，double-effect）。以相同的冷冻能力考量，吸收式制冷需要的冷却塔会比蒸气压缩式的要大很多。不过以能源效率的观点来看，若有低位（low-grade）热值或是废热可以使用，吸收式制冷的效果很好。在一些特别炎热的气候中，太阳能也曾用来作为吸收式制冷的能量来源。

单效吸收循环用水作为冷媒，溴化锂为吸收剂。是两物质之间强大的亲和力让此循环运作，整个过程在几乎真空的条件下进行。

- 溶液泵：在吸收器壳的底部，收集了浓溴化锂溶液（浓度60%）。密封溶液泵从此处将溶液透过壳管式热交换器预热。
- 发生器：浓溶液在离开热交换器之后，会移动到壳体上部。溶液环绕着输送蒸气或是热水的管路，蒸气或热水将热传送给浓溴化锂溶液。溶液沸腾，将冷媒蒸气往上送到冷凝器，留下下方的浓缩溴化锂。浓缩溴化锂溶液往下流到热交换器，被泵送到发生器的稀溶液冷却。
- 冷凝器：冷媒蒸气从除雾器移动到冷凝器管路。冷媒蒸气在管路中凝结，热被管路内的冷却水所带走。冷媒凝结后，会聚集在冷凝器底部的槽中。
- 蒸发器：冷媒液体从壳体上部的冷凝器移动到壳体下方的蒸发器，在蒸气器管束上喷洒。因为下方壳体的极度真空（绝对压力6 mm Hg，0.8 kPa），冷媒液体在约39F时沸腾，产生冷冻效应（真空度是因为吸湿作用。水和溴化锂的强大亲和力）
- 吸收器：当冷媒蒸气从蒸发器移动到吸收器时，发生器的浓溴化锂溶液会在吸收器上方管束上喷洒，产生蒸发器的真空度。冷媒蒸气被溴化锂溶液吸收，会产生热，热会被冷却水带走。现在浓溴化锂溶液搜集在壳层下方的底部，当流到溶液泵时，完成冷却循环，开始新一轮的循环。

## 工业冰水主机选用

选用工业冰水主机时的重要规格有总生命周期成本、动力来源、冰水主机IP等级、冰水主机冷冻能力、蒸发能力、蒸发器材质、蒸发器种类、凝结器材质、凝结能力、环温、电动机风扇种类、噪音等级、内部管路材质、压缩机数量、压缩机种类、冷媒需求、流体出口温度、以及性能系数（COP，单位为冷冻吨的冷冻能力，和单位为kW的冰水主机耗能之间的比例，对于中大型冰水主机，其数值会在3.5到7.0之间，数值越大表示效率越好。在美国则会用单位冷冻吨的kW（kW/RT）表示。

需考虑的重要过程泵规格包括有过程流量、过程压力、泵材质、弹性体以及机械轴封材质、电动机电压、电动机电气等级、电动机IP等级以及泵浦额定。若冷水温度小于−5 °C，需使用可以处理高浓度乙二醇的特制泵浦。其他重要规格包括内水箱大小、材质以及满载电流。

在选用工业冰水主机的控制盘时，需考虑现场控制盘、远端控制盘、故障指示灯、温度显示、压力显示等。

其他的功能包括有紧急警告、高热旁路（hot gas bypass）、城市供水切换。

若是布署在较远，而且热而多灰尘的场地，可以选用可拆装的冷水主机。

若冰水主机的噪音超过允许的噪音等级，会再加装声音衰减器。大型冰水主机一般会需要一排的声音衰减器，称为消音器库（silencer bank）。

## 冷媒

蒸气压缩式冰水主机需要冷媒作为内部的工作流体。有许多冷媒可以选用。在选择冰水主机时，其应用冷却温度和冷媒冷却特性需要相搭配。需考虑的重要参数有压力和温度。

有许多和冷媒有关的环境因素，这也影响未来是否仍可使用此冷媒。这在间歇式应用的冰水主机是很重要的考量因素，因为其中的大型泵浦至少要用25年以上。臭氧破坏潜势（ODP）和全球暖化潜势（GWP）是需考量的因素。以下是蒸气压缩式冰水主机常见冷媒的ODP和GWP（另外，大部分的冷媒都是高度可燃和/或有毒的）：

冷媒｜ODP｜GWP

R11｜1｜4750

R12｜1｜10900

R123｜0.02｜77

R134a｜0｜1430

R22｜0.05｜1810

R290 (propane)｜0｜3

R401a｜0.037｜1100

R404a｜0｜3922

R407a｜0｜2110

R407c｜0｜1774

R408a｜0.016｜3152

R409a｜0.039｜1585

R410a｜0｜2088

R500｜0.7｜8077

R502｜0.283｜4657

R507｜0｜3985

R600a｜0｜3

R744 (CO2)｜0｜1

R717 (ammonia)｜0｜0

R718 (water)｜0｜0

R12是ODP的参考基准。CO2是GWP的参考基准。

销售到欧洲的冰水主机，其冷媒主要是R410A（70%）、R407C（20%）和R134a（10%）

## 外部链接

- Chiller Energy Consumption Calculator (requires Java)