生物机电之密闭式回路系统 我在冷冻空调系统研发上的学思历程

生物机电之密闭式回路系统我在冷冻空调系统研发上的学思历程方炜台湾大学生物产业机电工程系教授

2005/01/25 宁波市，浙江省，中国

高力热处理股份有限公司超高温热冰水双效机产品发表会

生态上的密闭式回路系统

水循环

碳循环

氮循环磷循环

海洋环流

热力学领域的密闭式回路系统

蒸汽动力循环气体动力循环冷冻空调循环

Carnot 冷冻空调循环

Process 1-2 为湿压缩 Wet Compression

冷冻空调循环

4 ‘

W12W34T

轮机 压缩机

C

高压侧

低压侧

1 2 等熵2 3 等压3 4 等熵3 4’ 等焓4 1 等压

Process 1-2 为干压缩 Dry Compression

气冷式冷冻空调系统Condenser

Evaporator

EV

冷凝器 / 热排蒸发器 / 冷排Capillary tube

Cold air

Hot air

压缩机毛细管

膨胀阀C

CW

outQ

inQ

Cinout WQQ

冷气或暖气双效机 ?

不匹配的散热与吸热面积Cinout WQQ

热水与冰水双效机P

板式热交换器板式热

热水槽P

交换器

冷排侧 热排侧

消耗

冷水槽

C

消耗 新水

新水

人类与地球 对地球的责任

以保护臭氧层为目的而定的蒙特娄议定书决定，自 1996年中止生产 CFC冷媒 (R12)，自2004年依序减产 HCFC冷媒 (R22)而至 2020年中止生产。

以防止地球温室效应为目的而定的京都议定书，也指出会造成地球温室效应的 CFC冷媒 (R12)应受到抑制。 2005/2/26 正式生效。

冷冻空调界的因应 开发替代冷媒

对环境影响小的冷媒 (R134a, HFC冷媒 ) 自然冷媒 (NH3,CO2)

开发使用替代冷媒的高效率商品化机器 推广热泵的各种应用层面 ( 新看法 )

传统的热水 / 热气产生系统 瓦斯热水器，锅炉

产生二氧化碳 ( 温室气体 ) 产生ㄧ氧化碳 ( 危害安全 )

电热水器，电暖炉 ( 统称电热器 ) 高耗电 热泵

制造热水 / 热气耗电程度 <<电热器 不排放温室气体 使用安全

热泵单效机是环保产品

1 23

制热效率远高于电暖与电热设备附加功能：对大气吸热

环保新概念 地球受温室效应造成全球暖化 由电热器、锅炉与瓦斯热水器转为使用热泵

被动：少耗电、少排放温室气体，是否可以减缓温室效应？ 主动：热泵耗电 1 ，吸热 =COP > 2.6 增加对大气吸热，是否可进ㄧ部缓和全球暖化？

答案应该是肯定的！

经济部中央标准局 EER 与 COP 标准2002 年 EER (kcal/h.W) COP1

節能標章COP2

单体式

2000 kcal/h 以下 2.33 2.71 > 2.982000 ~3550 kcal/h 2.38 2.77 > 3.053550 kcal/h 以上 2.24 2.60 > 2.86

分离式

3550 kcal/h 以下 2.55 2.97 > 3.423550 kcal/h 以下 ( 变频 ) 2.38 2.77 > 3.193550 kcal/h 以上 2.35 2.73 > 3.14

COP2>COP1*1.15

EER, PF 与 COP 的计算in

in

WQCOP

in

out

WQPF

性能系数

性能因子

热泵

冷冻空调

EER = COP * 3.6/4.18

冷热水双效机 COP 与 EER 的计算

in outdual

in

Q QCOPW

1133 3.53.5

EERdual = COPdual * 3.6/4.18 = 6.5 * 0.86124=5.6

现阶段冷冻空调系统的局限

Carnot 循环是理想状况

一些观察 基于热传递的不可逆性，高压侧冷媒温度需要高于

TH，低压侧冷媒温度需要低于 TC

压缩机非绝热 ( 等 s) 压缩过程，膨胀阀非等焓过程 State 1非饱和气态 State 3非饱和液态 管路摩擦造成压力损失

(图中未显示 ) 当高压侧压力愈高 and/or低压侧压力愈低， COP愈减

一些观察

T-S Diagram

压缩机与膨胀阀存在冷媒的供需平衡问题，受外扰影响大压缩机不是等熵过程

冷气 / 热泵 缓冲能力差 (non-robust)不允许• 室外温度太低、太高• 室内温度太低、太高• 冷媒太多、 太少

拟人化的说法

EQ 低

一些观察 热排内冷媒总是液态与气态并存，无法充分散热 热排散热能力受外温影响大

热排From Compressor

上下存在不小温差

一些观察 高温高压时，饱和气态冷媒的比容为液态冷媒

的 9~12倍，冷媒液化后热排管路中留给气态冷媒的空间大增，造成高压侧压力下降 热排中液态冷媒与管壁摩擦造成压力损失大

冷凝器不是等压过程

R22 冷媒，饱和液气比容比较溫度 压力 饱和液态

vf ft3/lb饱和气态vg ft3/lb

比例140 oF 352.17 psig 0.01555 0.1433 9.215

30 oF 69.668 psig 0.01246 0.7804 62.63

溫度 压力 vf m3/kg vg m3/kg 比例60 oC 24.281 bar 0.9705/1000 0.0089 9.17

0 oC 4.9811 bar 0.7803/1000 0.047 60.23

R134a 冷媒，饱和液气态比容比较溫度 压力 饱和液态

vf ft3/lb饱和气态vg ft3/lb

比例140 oF 243.86 psig 0.0152 0.1827 1230 oF 40.788 psig 0.01233 1.1474 93

溫度 压力 vf m3/kg vg m3/kg 比例60 oC 16.813 bar 0.9488*10-3 0.0114 120 oC 2.9282 bar 0.7721*10-3 0.0689 89.23

液氣分離器氣態冷媒量減少，壓力下降

冷媒量少，熱排空間仍然ㄧ樣大，造成壓力降低

冷排吸热不足

低壓側壓力太低造成冷排結冰

热排散热太好 ( 外温低 ) 太多液态冷媒，摩擦大，比容变化大

低压侧压力下限

溫度 压力30 oF 69.668 psig

溫度 压力0 oC 4.9811 bar

溫度 压力30 oF 40.788 psig

溫度 压力0 oC 2.9282 bar

R22 冷媒R134a 冷媒

其它密闭式回路系统1

太极理念应用于冷冻空调系统的研发太极拳？

压缩机

膨胀阀

冷凝器热排蒸发器冷排气态冷媒

液态冷媒

高压高溫冷媒低压低溫冷媒

循环 (cycle) 就是一个画圆的动作

两仪 四象

八卦太极

高技巧的用力一般的外家拳「求快用力」太极拳则讲求「柔缓松静」

「用意不用力」 「随意不随力」

高技巧的使力 有招拆招是反应无招化招是顺应

太极本自然顺应柳随风

如何顺应 练拳首先要松

松胯，松命门 身松则身虚，虚以积气

要松才能卸 提供缓冲 由脊分左右

由腰分上下

压缩机

膨胀阀热排冷排

现阶段冷冻空调系统的缺点 不松

启动电流大，运转电流大 压缩机经常性全额或过负载，容易过热

不卸 一旦热排之后的冷媒流动受阻，其回冲的压力将直接冲击压缩机，缩减压缩机的使用寿命

松代表着存在因系统张力所形成的空腔

系统张力代表着鼓面 / 吉他弦的拉紧程度 有适当张力，敲鼓 / 拨弦才能发声 有空腔才能靠共振 ( 共鸣 ) 传声

太极理念应用于冷冻空调系统的研发 新增装置提供空腔，如此整个循环才能松 新增装置提供预压力，有预压力的空腔才

能提供缓冲，如此才能卸，压缩机才有保护

新增装置：蓄压器

2000,2001 方 & 蕭

有没有听过预应力？对材料预先施以应力，可提高材料的耐受力，

延长使用寿命

现阶段冷冻空调系统的缺点 不流畅

压缩机本身问题，由负荷高或转速低时压力表指针的强烈摆动可知 不稳

先天：使用四方阀的冷暖气系统 后天：天候的变化与负荷大小不定

太极拳的理念 流畅

轻灵连贯

稳

太极理念应用于冷冻空调系统的研发 流畅 ( 轻灵连贯 )

压缩机高速运转 可缓和瞬时的压力变化 高耗电

新增装置可缩小化压缩机对整体循环的影响 让冷媒流动更顺畅 让压缩机与膨胀阀在冷媒供需上维持平衡 让系统更稳定

稳 天候的外扰在新增装置可承受的范围内，不致影响压缩机负荷 「静中触动动犹静，因敌变化是神奇」

太极拳的理念 借力使力 蓄劲待发 动中求静，动静配合 以大事小 以小搏大 ( 四两拨千斤 ) 沾粘连随，敷盖对吞

太极理念应用于冷冻空调系统的研发

借力使力：机由己发，力从人借 热排后段与冷排后段結合

加强散热与吸热利用 热排前段与冷排前段結合

预冷与预热

允许两端各取所需 左侧可视为热排散热之延续或加强 右侧可视为冷排吸热之延续或加强

热排后段与冷排后段結合

新增一个热交换器( 机由己发 )

机由己发：热排后段加在冷排下方

蒸发器 / 冷排

膨胀阀

冷凝器 /热排

压缩机a’’ b’

d

a’’

d’

e’

机由己发：热排后段加在冷排下方

C

熱排冷排

C

熱排冷排

2000 ，左

热排前段与冷排前段结合

2000,2001 方 & 蕭

新增一个热交换器( 机由己发 )

P-h Diagram

热排后段与冷排后段結合預先散热

預先吸熱热排前段与冷排前段結合

太极理念应用于冷冻空调系统的研发 蓄劲待发

启动时，压力先在新增装置累积，直到可以推动后面的冷媒 压缩机只补充新增装置不足的压力，所以启动电流小

太极理念应用于冷冻空调系统的研发 动中求静，动静配合

静压 ( 新增装置做大部分的功 ) 动压 ( 压缩机只补充新增装置失去的静压 )

压缩机需提供压力 ( 动压 ) = 高压侧压力 - 低压侧压力压缩机 ( 动压 )+新增装置 ( 静压 ) = 高压侧压力 - 低压侧压力

太极理念应用于冷冻空调系统的研发 以大事小

新增装置以大截面积压力推动管路中小截面积流体 以小搏大

启动电流小，运转电流小 散热 / 吸热能力大 高效率

太极理念应用于冷冻空调系统的研发

并联的二次膨胀 串联的二次膨胀 兩段散热与二次膨胀

沾粘连随，敷盖对吞

二次膨胀：毛细管与膨胀阀并联

冷排由太阳能热水器吸热

热排在 水槽内

2002, 黃

二次膨胀：毛细管与膨胀阀串联

2001 ，左

熱排

二次膨胀：两个凝结器 ( 热排 ) 之间增加ㄧ次膨胀

h

第一段散热第二段散热p

二次膨胀

2000, 2001 方 & 蕭

其它密闭式回路系统2

心脏 double pump 体循环 / 大循环 肺循环 / 小循环

血管 ㄧ管分歧为多管或多管合为ㄧ管

最佳管径比例为多少时，能量损失最少 ?

分合并用，动之则分，静之则合，分击气打，合击沾粘

血管为什么要有舒张压血液循环 冷冻空调血管缺乏舒张压就没有弹性位能，血管与器官都会扁掉

冷媒管缺乏低压侧压力，大气压力与压缩机的负压会把冷媒管压扁收缩压 ( 血液挤向动脉 )动态调配血液的力量 高压侧压力舒张压 ( 血液由动脉流出 )保持血管弹性的力量 低压侧压力让冷媒流回压缩机的力量

心脏之体循环 ( 大循环 ) vs.高压侧 充氧血液经压缩由左心

室至左心房，在左心房经压缩排出， 通过主升动脉泵入体内上

中下三区，供应主要器官氧气之后成为缺氧血液

经过微血管，进入静脉，流回心脏的右心室

气态冷媒进入压缩机至排出 冷媒在热排散热，冷凝

成为液态冷媒

心脏之肺循环 ( 小循环 ) vs.低压侧 在右心房经压缩排出的缺氧血液通过直径扩大的肺动脉泵入肺中，肺内容积大幅加大，血液喷入 血液在肺泡内进行气体交换，排出二氧化碳，吸进氧气，使血液恢复成为充氧血液 通过肺静脉回到左心室

在热排末端的液态冷媒进入膨胀阀 冷媒经膨胀，降压，在冷排吸热，汽化，成为低压气态冷媒 经由回流冷媒管回到压缩机

血液循环理论应用于冷冻空调系统的研发

串行式压缩系统 ( 两个压缩机 ) 二元式 ㄧ元式 含中间冷却的ㄧ元式

二元串行式压缩系统 二元：两种不同冷媒

两个循环串行

Cycle B: 体循环類似ㄧ颗心脏，双心房与心室

Cycle A: 肺循环

各一個膨脹閥共用冷熱排 ( 相同冷媒 )

两个循环串行一元串行式

左心室左心房

右心房

右心室

体循环

肺循环

优点：• 省下 area 2-3-4-a 的输入功• 避免 Ta的高温• 高压侧平均温度降低

含中间冷却的一元串行式压缩冷冻循环

左心室

左心房

右心室

右心房心脏手术，加旁通管

血液循环理论应用于冷冻空调系统的研发

小循環： ㄧ个压缩机配两个蒸发器 ( 冷排 )

大循環： ㄧ个压缩机配两个凝结器 ( 热排 )

小循环：ㄧ个压缩机、两个蒸发器

ㄧ颗心脏，两片肺ㄧ对二，分离式冷气

大循环：ㄧ个压缩机，两个凝结器

2000 ，左

充氧血供應身體各區器官的氧氣

血液循环理论应用于冷冻空调系统的研发

多一个压缩机 高血压 vs. 压缩机高负荷

多ㄧ个压缩机

心脏手术，ㄧ颗不够再加ㄧ颗

高血压 高舒张压：肺功能不足造成血液含氧量不足 高收缩压：动脉硬化或阻塞造成血液循环差，供血量不足 造成器官缺氧， 心脏加速动作，形成高血压

压缩机高负荷 低压侧冷排中冷媒吸热不足，液态冷媒被液气分离装置留住，进入压缩机的气态冷媒量不足 高压侧热排中散热过度，液态冷媒多，造成压损大 压缩机负荷大，过热，停机

人工心脏研究上的盲点

将心脏视为马达或加压机由流量的观点无法解释为什么血液一离开心脏便有一个大转弯

血液循环与「气」气聚膻中

血液循环中动能只占总能量的 2%98%能量在膻中 ( 主动脉转弯处 ) 转为弹性位能血管缺乏弹性位能，就没有舒张压，血管与器官都会扁掉 王唯工， 2004

膻中 ( 主动脉转弯处 )

「气」与太极 中医的「气」事实上是ㄧ种共振，也是人体血液循环的动力 太极：气机导引

结论

血液循环与太极是远比冷冻空调循环先进的

密闭式回路系统 !

新增装置：蓄压器 是冷冻空调系统的膻中

提供所有的静压 与压缩机发生共振

是冷冻空调系统的命门 提供内需的缓冲 提供因应外扰的后援

配备蓄压器的热冰水双效机应具备的优异性能 同时提供冷热水

比單效机节能，减废，应用多 提供超高温热水，可用能 (Exergy)高，应用廣 相对于压缩机大小，提供超额冷却能力，节能，高效率

超低启动电流 较低运转电流 压缩机使用寿命长 系统运作稳定

回流热水 TH=88 oC

回流冷水 TC=12oC

高力公司 (HTU)超高温热冰水双效机P

板式热交換器板式热

热水槽

交換器冷排侧

热排侧

消耗新水

冷水槽

C

消耗新水

HTU

P

P

溫水

热冰水双效机 WW 环保产品

可将废弃能量回收再利用 热冰水均能利用者可替自己省钱 选择它就是选择保护地球

值得大家一起来推广

其它双效系统 目前

WA 热水 / 冷气 WAS 热水 / 分离式冷气

如果有需求 AW 暖气 / 冷水 AWAW 暖气 & 热水 / 冷气 & 冷水 ……….

更环保更高效率更多应用

期许

高力冷热水双效机的 COPs型號KHT-

制热能力kcal/hr

制冷能力kcal/hr

COP理論上限

COP實際值

15WAS 4990 4536 21 950WW 16632 15120 2175WW 24948 22680 21

100WW 33264 30240 21150WW 49896 45360 21

COP 理論上限 = 制冷能力制热能力 +制冷能力制热能力 - COP 實際值 = 制冷能力制热能力 +

壓縮機耗能

谢谢聆听敬请指教