如何選擇合適的工業用冷卻器

安裝冷卻器有許多令人信服的理由，其中一項是移除對溫度敏感的重要製程設備所生成的熱能，將停機時間減至最低，進而持續給予保護。同時，冷卻器藉由循環再利用廠內供水，不僅節水還省下相關成本。製程設備若一天輪班數次，冷卻水成本尤其會快速增加。將冷卻器導入系統可節省支出，無須監控都市供水與廢水排放，有助於在生產預算內省下龐大資金。此外，隨著冷卻器技術日新月異，在設備開始使用後，短時間內便可回收投資資本。

指定安裝冷卻器時，了解冷卻器性能因素的運作知識，在選擇合適的產品組合上不可或缺。需要決定的要素是：打算使用的製程液體類型、製程冷卻溫度、流量和壓力要求、操作環境、環境溫度、所需冷卻器尺寸及安裝位置空間限制。

考量適用製程的冷卻液時，牢記主要因素在於效能特性及設備相容性。冷卻液效能取決於在已知溫度的特性。相關參數則包括比熱、黏度與凝固點/沸點。比熱與冷卻能力直接相關。為維持系統完整性並長期保有最佳效能，建議在需要高低設定點溫度時，混合一定比例的乙烯或丙二醇與水 (通常在 10 至 50% 範圍)。至於相容性方面，系統尺寸出錯時，常見的故障模式是密封件可能腐蝕和提前劣化。這正是需要考量到建材和液體性質，並建議在冷卻液添加腐蝕抑制劑的理由。然而，根據冷卻器技術的最新發展，離心泵浦採用不鏽鋼製儲槽和液壓零件，可防止製程用水遭到鏽微粒污染，並提供更高的可靠性和控溫性。同樣地，最先進的全鋁製微流道冷凝器採用特別設計，能在毫無腐蝕的情況下，提供長久的使用壽命，相較於其他類型的熱交換器，冷媒充填量少了 30%。

設定點溫度會影響冷卻器的冷卻能力。溫度降低增加冷凍系統的負載，溫度升高則相反。冷卻器設定溫度與總冷卻能力直接相關。因此，請務必檢視冷卻器的公開效能資料，瞭解與提議安裝設備之間的關連性。同時，冷卻器若預定安裝於外露位置，亦要確認所需冷凍防護程度，也就是冷卻器在運轉期間的最低排放液體溫度。

在配置工業用冷卻系統時，泵浦壽命雖是首要考量，但整體系統的壓力損失及必要流速，需要先按照泵浦尺寸和性能來決定。
壓力：尺寸過小的泵浦會降低整體冷卻迴路的液體流量。冷卻器內部若裝有釋壓裝置，流量將於製程環繞且回送至冷卻器。內部要是沒有安裝釋壓裝置，泵浦將嘗試提供必要壓力，並以所謂的閉合或限制壓力進行運轉。發生此狀態時，泵浦壽命將大幅縮短，液體會停止流動且泵浦內部液體轉為高熱，最後蒸發而破壞泵浦冷卻能力，導致軸承、密封件和葉輪過度磨損。欲判斷整體系統的壓力損失，需要在製程出入口放置壓力計，接著施加泵浦壓力以取得所需流量值。
流速：通過製程的流量若不足，將造成熱轉移失當，流量無法移除必要熱能以維持製程安全運作。液體溫度上升而超過設定點時，表面/組件溫度亦會持續上升，直到高於初始設定點的穩態溫度為止。大多數冷卻系統都會詳述壓力和流量需求。在指定設計所需的熱負載移除量時，務必考量整合至系統的所有軟管、配件、連接及高度變化。如果沒有依尺寸妥善調整，這些輔助功能會顯著提高壓力需求。

環境溫度。氣冷式冷卻器的散熱能力，會受到環境溫度所影響。這是冷凍系統使用環境空氣/冷媒溫度梯度而產生冷凝過程的熱傳輸所致。環境空氣溫度上升會縮減溫度差異 (ΔT)，接著減少傳輸總熱能。冷卻器若使用水冷式冷凝器，高環境溫度仍可能對壓縮機、泵浦和電子產品等重要組件造成負面影響。這些組件在操作期間生熱，溫度升高則縮短使用壽命。一般而言，非外部額定冷卻器的典型最高環境溫度為 40°C。
空間限制：為維持適當的環境空氣溫度，務必在冷卻器周圍提供適當的空氣循環空間。空氣若沒有妥善流動，再循環空氣量不足會造成迅速升溫，進而影響到冷卻器效能，還可能損及冷卻器機組。

選擇合適尺寸的冷卻器是非常重要的決定。尺寸過小的冷卻裝置總是問題叢生 - 無法妥善冷卻製程設備，製程水溫也不穩定。相較之下，尺寸過大的冷卻器則無法以最高效率運轉，證明運作成本將會偏高。為判斷適合應用的機組尺寸，須得知製程設備增加至冷卻介質的流速和熱能，也就是出入口水流的溫度變化，以 ∆T 表示。計算公式為：每秒熱能 (或是更常用的功率) = 質量流率 × 比熱容 × 溫度變化 (∆T)。水的比熱容在名義上表示為 4.2 kJ / kg K，其中若添加一定比例的乙醇，此值將升高至 4.8 kJ / kg K 備註：1K = 1°C，水密度為 1，也就是 1 公升的水 = 1 公斤的水質量。這裡舉例說明運用公式判斷，當水流率為 2.36 l/s (8.5 m3/hr)，溫度變化為 5°C 時，合適尺寸的冷卻器為多少 kW：每秒熱能 (kJ/s 或 kW) = 2.36 l/s (流率) X 5°C (∆T) X 4.2 kJ /kg K (純水比熱容)，所需冷卻器尺寸 = 49.6 kW。另外，已知打算冷卻的熱負載時，可重新調整公式，決定不同流率可達成的溫度差異 (∆T) (可利用不同泵浦尺寸達成)。還有其他的情況會影響選用尺寸。往後的廠房擴充規劃，暴露於高環境溫度，或是座落於高海拔環境，都可能導致機組規格尺寸有所不同。

對於最新一代的高階工業用冷卻器，維護簡易性、操作安全性和智慧型控制與連線能力，都是重要的設計特色。舉例來說，這些冷卻器採用 IP54 等級的靜音遮篷，讓冷卻器可在室內或戶外運作，即使環境溫度低至 -45°C 也毫無問題。機組經過特別設計，易於檢修安裝組件 - 正面的冷凍系統及背面的冷卻水循環組件。寬型遮棚門與智慧型配置，可縮短維護時間、方便檢查以避免故障。市面上的創新機型標榜多種安全裝置，例如流量和液位開關、熱探針、壓力探針、曲軸箱加熱裝置和濾器，可讓冷卻器安全操作。此外，完全密封的冷凍系統可防止冷媒氣體洩漏且無須維護。英國氟化氣體法規確實規定每年檢查一次，大型冷凍系統則由氟化氣體認證工程師每年檢查兩次。提供相序繼電器以確保壓縮機在配線出錯時，不會有損壞的風險。在這些嶄新設計中，觸控螢幕控制器以節能演算法操作，所有冷卻器感測器合併成單一系統，若有偏離操作參數，將及時發出警告。11 kW 以上的冷卻器內建智慧型遙控功能，得以實現完整連線能力。如此一來，可即時提供使用者格式明確的機器資料，確保達到最佳效率。