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高速流體機械的節能

摘要"

廣域運轉範圍、擴大降載能力和高能效的磁浮離心機開發和商轉,對空調節能之推動成效顯著。除國際知名的磁浮壓縮機公司Danfoss Turbocor,已完備60-400RT的系列商品,全球冰水機市場的領導廠York、Daikin和Trane亦引領市場動向,紛紛推出磁浮離心機產品。
為掌握全球空調發展的趨勢,我國企業應集結並強化結盟,上中下游中堅企業共同深耕核心技術,以具備競爭力的關鍵技術以及產業供應鏈為打造核心,透過磁浮主軸模組及驅控總成、高轉速馬達與變頻器、高速流力元件與系統整合等技術自主化、扎根台灣,以期推動多元化應用之無油、完全懸浮之節能高效流體機械產業,進而開闢全球化市場,提升我國用電效率發揮節能成效。

關鍵詞:磁浮軸承、離心式壓縮機、高速流體機械

前言

冰水機主要功能為提供空調設備所需要的冰水,在整個空調機市場的銷售上佔有舉足輕重的地位,現代都市中、大型建築大樓和工業製程所使用的空調系統主要以中央空調冰水機為主,最大的空調系統是用於區域供熱和製冷。冰水機可具備寬廣的工作溫度範圍,除了應用在空調領域之外,也廣泛用於冷凍冷藏用途。
在台灣中大型建築物中以空調用電占最大宗,整年度的電力消耗分佈,空調用電量在夏季占40~50%,而冬季也占20~30%。顯然地,高效率冰水機有助於空調節電。
有接觸就會有磨耗,主動式磁浮軸承技術可以實現無油化、無接觸及近乎無磨損的優勢。近年來已在各大應用領域導入商轉機種,例如冷凍空調和污水處理、石油和天然氣輸送、渦輪機械、醫療設備、機械製造工具機、超導磁浮軸承等[ 1]。
本文聚焦磁浮軸承在高速空調冰水機之應用介紹,現今主動式磁浮軸承有利於冰水機系統能效提昇,並且逐漸被終端用戶所接受,快速擴張其市場占有率,主要歸功於無需潤滑油系統、低振動噪音和低功率消耗達到節能成效等
優點。
我國冰水機產業規模近半屬中小型企業,長期以來缺乏發展更先進節能與環保的冰水機整合技術能力,無法構成完整磁浮離心機產業鏈使產業價值持續往上提昇。國內廠商已注意到全球市場訴求更節能與環保的產品趨勢,為避免產業競爭力弱化,國內廠商迫切需要補足磁浮軸承冰水機產品技術。
本文先闡述高速流體機械的無油化技術之優點,進而說明國際磁浮離心式冰水機發展趨勢,接續報告我國磁浮離心式冰水機發展現況,最後作出綜整結論及展望。

高速流體機械之變頻化、
無油化

近年來由於變頻驅控技術的進步與成本的降低,變頻驅控技術已被廣泛應用於各類空調商品,包含小型空調機和中、大型冰水機,可大幅助益於節能之訴求。中、大型冰水機變頻化已成為近年來市場的趨勢,尤其是離心式冰水機,採用氣體動力式的壓縮機,變頻運轉操作時,具有耗電量與轉速三次方成正比的相關性,因而可運用轉速調控達到節能之效果。雖然所需要克服與整合的技術困難度更高,但是卻使得冰水機具有更高的部分負載效率的優點。
離心式冰水機導入變頻器配備對於上述能源效率之影響,可參考麥克維爾(McQuay)磁浮軸承技術資訊,如圖1[2]所示,離心式冰水機採用變頻機組並結合先進的磁浮軸承技術,和傳統離心式冰水機採用變頻器(感應馬達)或者是傳統離心式冰水機採用定轉速運轉(感應馬達),三種配備之運轉用軸承損耗、變頻器損耗和馬達損耗加以評價,軸承損耗和風損依序為1.5%、5.0%和5.0%;採用變頻器者損耗皆為2.0%;馬達損耗則依序為2.0%、4.2%、4.2%;至於採用增速齒輪機械者,如圖2所示,則會額外衍生齒輪機組的損耗1.0%。換言之,磁浮軸承技術再結合永磁馬達直驅,將傳統的增速齒輪裝置移除,可以節省能源消耗約4.7%~6.7%。
另外在冰水機系統中的冷凍油亦是造成系統效率降低的主要原因之一。特別是滿液式與噴淋式蒸發器,冷凍油和液態冷媒互相混合,需設置回油裝置方能將潤滑油回到壓縮機中。一旦回油系統運作不良,或是長時間於低載運轉,潤滑油易滯留於蒸發器中,造成熱交換效率降低,定期處理冷凍油的工作,也使得維護成本增加與環境的負擔。...更多內容,請見《機械新刊》雜誌。

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