逆向思考之冰水系統熱交換器節能設計 ·...
TRANSCRIPT
逆向思考之冰水系統熱交換器節能設計
王世民 1, 連上舜 2
1 台積電三廠 [email protected] 2 台積電三廠 [email protected]
摘要
本篇探討冰水系統空氣側(air side)效能改善,其
中單台熱交換器冷凍能力就達 990RT,而熱交換器
熱轉換效率比機械轉換效率還低 30%以上,因此熱
交換器一般提升熱交換性能常用的方法不外乎增
加熱交換器的表面積、採用高導熱材料製作熱交換
器、提升工作流體的流量與採用高導熱的工作流體
等 4 大途徑。4.5℃/13.5℃板式熱交換器(HEX)效率
遞減,夏季單台已無法滿足現場負載,規劃年度歲
休(APM)將 13.5℃熱交換器整組換新。本施作工程
採用逆向思維(reverse thinking),在不犧牲總熱傳
係數(U)前提下,以提高熱傳面積(A)與降低板片阻
抗方式,將舊設備小溫差高阻抗汰換成新設備大溫
差低阻抗,經改善後 Cpk 從 0.81 提升到 1.77,每
年節省冰水用量,效益 NT$1.2M,回收年限 0.8 年。
計畫將此專案,垂直展開推廣到各系統去評估,將
良好經驗水平展開至各廠,提供一項理論與實務結
合之寶貴節能經驗。
1. 背景
隨著產品小型化與功能要求越來越高,散熱是
一個值得關注的課題。一般提升熱交換性能常用的
方法不外乎增加熱交換器的表面積、採用高導熱材
料製作熱交換器、提升工作流體的流量與採用高導
熱的工作流體等 4 大途徑。其中,增加熱交換器的
表面積會隨著產品小型化的需求以及加工技術而
受限;而目前主要使用銅、鋁製造的熱交換器已有
極佳的導熱性能;再者,若加大工作流體的流量將
會造成泵浦輸送耗功的增加與噪音等問題。
1.1 基本熱力熱傳原理
熱交換器的原理主要是利用熱幫浦將熱從低
溫的地方,送到高溫地方,藉由熱擴散與對流的方
式,將高溫處的熱量帶走。主要的熱交換循環,通
常工作流體(水或冷媒)是利用流體的高比熱與低
蒸發點的特性,吸收大量的熱能,藉此以降低環境
的溫度。
熱傳的模式包括傳導、對流與輻射,這幾種
熱傳模式又有各自不同的基本定律。
Qc(熱傳導)=k*△T/△X (Fourier Law) (1)
Qc(熱對流)=hA△T (Newton’s Cooling Law) (2)
管側的熱傳係數可假設工作流體均勻分布於
每一熱傳管中,用 Dittus-Beolter 方程式,其中 n=0.4
加熱用(管側流體溫度較高);n=0.3 冷卻用(管側流
體溫度較低)。
Nu=0.023Re0.8Prn (3)
熱交換器之熱傳方程式一般可用下式表示,其
中 Q 為熱傳量,U 為總熱傳係數,A 為傳熱面積,
LMTD 為冷熱流體逆流,F 為其當其熱傳方式非逆
流時之溫差校正因子。
Q=UA*LMTD*F (4)
經簡單的熱傳理論分析可以發現到其型式為
一對數平均值,而一般就稱之為對數平均溫差(Log
Mean Temperature Difference),簡記為 LMTD。
LMTD 之取法為先取冷熱流體在各端點(前或後)
之溫差,而後計算其對數平均(如圖 1)。
ba
bam
TTIn
TTLMTDT
/ (5)
圖 1 (a)平行流 (b)逆向流
(a) (b)
1.2 問題描述
4.5℃/13.5℃板式熱交換器(HEX)效率逐年遞
減,夏季單台熱交換器已無法滿足現場負載,規劃
APM 將 13.5℃熱交換器整組換新,避免影響無塵室
溫溼度。
本廠冰水系統運轉總費用為 NT$98M/Yr.,冰
水主機用電量佔 68%,泵浦風扇附屬設備佔用電
32%。利用 SIPOC 找出減少耗能的關鍵為冰水總
效能 KPI, 流量 Q, 溫差△T(如圖 2)。經溫差層別
分析,其中影響空氣側(air side)需求端,佔影響冰
水系統總耗能 65%,使用 80/20 柏拉圖解析發現
13.5熱交換器與MAU熱交換器佔空氣側影響比重
較為重要(如圖 3)。
InputsSupplier Process CustomerOutputs
冰水系統(Pump/水塔/冰機)
台電電力供應(kW)
冰水總效能KPI
流量 (Q)
熱負荷[Y(△T)]
冷房負荷(Qe)冰水主機
製造冷能(Qe)
Qe 圖 2 SIPOC 流程分析冰水耗能
5332
1980 19301022
330 40 300%
20%
40%
60%
80%
100%
0
2000
4000
6000
8000
10000冷房熱負荷冷房熱負荷RT
柏拉圖80/20法則
圖 3 冰水系統之空氣側分析
1.3 冰水系統之逆向思維
本施作工程案延續過去冰水系統節能案,採用
逆向思維(reverse thinking)來執行,確立降低冰
水泵浦耗電為主要目標。從硬體著手提升熱交換器
效率,硬體改善可從二項著手,第一由板片山形紋
挑選出低壓損板片,但又不犧牲原本 U 值(總熱傳
係數);第二增加板熱數量,使溫差提升,但會提
高成本;但若節能效益能超過初設成本,就是屬於
划算可施作工程。
2. 節能評估與實驗分析
根據過去 13.5HEX(熱交換器)設計評估,在固
定熱傳量情況下,降低冷(cold side)/熱側(hot side)
冰水流量,也就降低泵浦耗電為主要目標。因此評
估著手將溫差拉大,溫差拉大也就必須將
LMTD(對數平均溫差)降低;降低 LMTD 必須提高
UA 值。
Q=UA*LMTD=mCp△T (6)
表 1 原板式熱交換器設計
Ti To Volume U A LMTD Qw Qw' U*A*LMTD
Hot side 19 13.5 544 989.42
Cold side 5.5 9.2 816 998.41
(AK20原始設計值, 板片數169片)
2770 141.7 8.87 2,993,900 2,993,900
2.1 實驗分析
對策 1:降低板片壓損
從熱傳方程式中發現,若要提升熱傳面積(A),
勢必會影響總熱傳係數(U)。因此在不影響原板式
熱交換器效能,原板片山形紋角度降低 3 倍,可將
流體擾動降低,使壓損減小(如圖 4),泵浦即可達
成節能成效。因此不同板片山形紋角度搭配勢必更
加重要,一來可維持高的總熱傳係數,又可使熱交
換器壓損最小,泵浦即可重新選用低揚程,馬達重
新選用 IE3 高效率馬達,達成雙重節能功效。
圖 4 不同板式熱交換器山形紋角度
對策 2:提升熱傳面積
在維持原總熱傳係數(U)條件下,板片依據既有
規格與現場空間限制,將板片擴充從 169 片擴充至
最滿 209 片,使熱傳面積提升 24%,冷側溫差變
大,冷側流速降低,達成節省泵浦出力費用。但前
提必須注意的是冰水主機備轉容量是否足夠,因為
在熱傳量不變,泵浦流量降低的熱負荷會轉化成為
冰水主機要克服所增加溫差,因此冰水主機負載會
提升,這點在冰水系統熱負荷轉移必須要去注意。
改善前:板片數量少
改善後:板片數量多
板片多
熱傳大
溫差大
效能升
圖 5 增加板式熱交換板片數量
2.2 節能評估
小角度→低阻抗
θ1 改善後
大角度→高阻抗
θ2
改善前
在固定熱傳量情況下,經過目前實際溫差反推
現在舊熱交換器冷側所供給流量,挑選新熱交換器
設計規格且擴充 24%熱交換器板片,評估經酸洗或
更換高效率型熱交換器回收年限是否划算(如表
2)。目前舊型熱交換器,總熱傳係數較低且板片數
量無擴充滿板(169 片),運轉 20 年以上,無清洗紀
錄,板片長年積垢已經影響熱傳效能(如圖 6),夏
季會有備台不足風險,長久間接影響冰水供給流量
增加,造成泵浦耗能提高(從設計溫差 3.7℃→3.1
℃即可得知)。
圖 6 舊熱交換器冷側積垢
預估新熱交換器提升熱傳效能,總熱傳係數(U)
不變,熱傳面積(A)提升 24%,壓損降低 50%,回
收年限大約可 2.1 年(不含熱側節能);酸洗後舊熱
交換器,總熱傳係數(U)、面積(A)、設計流量(m)
及溫差(△T)仍維持原有設計值,回收年限大約 4.2
年(不含熱側節能),總結更新成新型熱交換器整體
節能措施可大幅降低運轉成本,既可提升系統穩定
度。
表 2 評估舊熱交換器酸洗或更新
設備
項目新熱交換器
運轉流量 (CMH) 514 431 250
實際ΔT 3.1 3.7 12
用電量 (kW) 75.0 62.9 36.5
節能量 (kW) 12 39
節省效益 (NT$) 287,996 911,297
Initial cost (NT$) 1,200,000 1,920,000
Running cost (NT$) 1,774,595 1,486,599 863,298
Payback(Yrs.) 4.2 2.1
舊熱交換器
酸洗舊熱交換器
表 3 新板式熱交換器設計
Ti To Volume U A LMTD Qw Qw' U*A*LMTD
Hot side 22.1 13.5 350 995.37
Cold side 4.5 16.5 250 992.06 2764 175.2 7.17 3,005,700
案例五(T20新機設計值, 板片數209片)
2,984,436
2.3 熱交換器汰換工程
此工程安排於 APM 施工,從拆除舊熱交換器
到新熱交換器安裝定位、管路焊接、試水試壓及保
溫施作,施工難度在於必須 12 小時內完成。因此
先前工程規劃安排非常重要,才可如期完成。
圖 7 新熱交換器施工設計
新HEX送水及併入系統運轉
舊HEX拆除與新HEX安裝定位
圖 8 新熱交換器施工安裝定位
3. 結果與討論
配合水側節能措施,用以降低 HEX 壓損及增加
板片面積,將舊設備小溫差高阻抗汰換成新設備大
溫差低阻抗。冷側冰水用量降低 353CMH,冷側節
能約 NT$1.0M,溫差提升 11.3 ℃,壓損降低 50%;
熱 側 冰 水 用 量 降 低 52CMH , 熱 側 節 能 約
NT$0.2M,溫差無明顯差異(如表 4)。
表 4 改善前後熱交換器量測數據
項目
狀態
流體
工作溫度
流量
(CMH)
開度
(%)
泵浦頻率
(Hz)
入口溫度
(℃)
出口溫度
(℃)溫差(℃)
壓損
(kg/cm2)
4.5 356 64 NA 4.81 7.92 3.11 1.8
13.5 169 NA 40 20.8 13.7 7.1 1
4.5 55 17 NA 4.77 19.22 14.45 1.8
13.5 117 NA 40 20.85 13.73 7.12 0.5
新熱交換器
(施工前)
新熱交換器
(施工後)
目標節能確立,必須估算是否投資划算。基本
冷側髒汙
上,設備加上施工單台總費用為 NT$900K,額外
擴充板片 40 片需再增加額外費用約 NT$60K,總
費用為 NT$960K;但是降低耗能可節省費用達
NT$1.2M,回收年限 0.8 年就可回收,實在是很划
算的工程(如表 5)。若冰水主機長年低載運轉,備
轉容量充足,經分析可提升些許冰機負載,換得冰
水泵浦備轉容量,更是節省冰水泵浦擴充費用。
表 5 熱交換器更新投資報酬效益分析
項目
型號板熱片數 NT$/片
板片擴充額外
投資成本(NT$)
設備+施工
投資成本(NT$)
降低耗能
(kW)
節能效益
(NT$/Yr.)
凈效益
(NT$)舊熱交換器 169
新熱交換器 209
差異 24%
1,252,213900,000 1,312,213551,500 60,000
4. 結論
將熱交換器汰換總結有以下三項優點,分別詳
列如下。
提高 HEX 可靠度,確保無塵室正常生產。
改善後 Cpk 從 0.81→1.77。
節省冰水用量,效益 NT$1.2M/Yr
(payback:0.8)。
APM改善前
改善後
圖 8 改善前後板式熱交換器 Cpk 提升
本系統 13.5℃冰水僅供給無塵室乾盤管(dry
coil)控溫使用,因此早期使用熱交換器搭配比例
閥來作為控制供給出水溫度,是非常穩定的設計
(除非比例閥故障)。畢竟,熱交換器是無動件,
沒有動件就不會有故障可能,唯一須注意是密閉
系統水質必須控制佳,避免大量補自來水並將水
中氧置換,避免影響管路與設備之結垢與腐蝕,
間接影響設備效率與管璧變薄之風險。
但是熱交換器之熱轉換效率卻只有 60%,相
較高溫冰水主機電能轉換成機械能之轉換效率可
達 90%,光是效率轉換就相差 30%,更不包含高
溫冰水主機本身效率就非常高,這也就是為什麼本
廠區冰水系統效率(kW/RT)無法跳躍式突破原因。
未來若有費用許可,將擴充高溫冰水主機,
舊廠冰水系統效率將可達到新廠水準。最後,成功
=目標×方法,只要方向確定就有千百種方法可以
達到目標,而方法就在你我創意之中。
參考文獻
1. 王啟川,熱交換器設計(Ⅰ),五南圖書,台北
2. Eric M. Smith, Thermal Design of Heat
Exchangers, WILEY.