冰機最佳化的最後一哩路-冷凝器ACTS的應用

1. 前言

半導體廠房透過冰水系統供應工廠無塵室內所需製冷需求，其中冰水主機為冰水系統中的核心設備，也是廠區耗能指標之一，近年來廠務節能管理已是越來越艱難的挑戰，但除了優化控制系統及硬體升等，尚有部分潛在因子能夠改善系統能耗表現。

冰水主機組成四大元件：壓縮機(Compressor)、蒸發器(Evaporator)、冷凝器(Condenser)、限流孔板(Orifice Plate)或膨脹閥(Expansion Valve)，冷媒作為熱交換介質於四大元件中循環，並透過冷凝器將熱量傳遞至冷卻水散熱，冰機能耗除了外氣條件影響外，冷凝器熱交換效率也是條件之一，做為熱交換介質之冷卻水，具水溶性礦物質、雜質、細菌等分子，於冷卻水與管壁熱交換之際，析出固體沉澱物或微生物沉積附著在熱交換器的銅管內壁，造成熱交換效果減低，迫使壓縮機需將冷媒提升到更高溫高壓的狀態，以達到系統所需熱交換溫差。

目前各類工廠均透過冰水主機年保養時執行冷凝器機械通管(包括tsmc各廠區均採此一作法)，達成銅管內壁沉積物清除的目標，但冷卻水中之水溶性礦物質、藻類及細菌黏膜生成時間，甚至包括主機熱交換器內壁附著狀況均無法即時預測，系統可能因上述汙垢造成冷凝器散熱不佳、效率下降之問題，故導入自動通管系統可於日常系統運轉中即時清潔管路汙垢，使冷凝器熱交換效率維持在最佳狀態。

2. 文獻探討

2.1 冷凍空調理論

冰水主機系統透過蒸發器吸收無塵室環境、機台之熱量並由冷凝器之冷卻水帶走熱量，大致可分為以下五個循環，如圖1所示：

1. 室內空氣循環：

   無塵室中因為人員、設備、外氣及日照等所產生的熱負載，使室內空氣熱負載上升。利用風車驅動室內空氣經冷卻盤管與冰水做熱交換，冰水將熱負載帶走後，再回到無塵室中吸收持續產生之熱負載達成循環。

2. 冰水循環：

   空氣中之熱負載經過冷卻盤管時以傳導及對流等方式傳至冰水中，造成低溫冰水溫度上升。透過冰水泵驅動冰水至蒸發器中與低壓冷媒做熱交換(冷卻過程)，變成低溫冰水後再回到冷卻盤管吸收空氣熱負載。

3. 冷媒循環：

   冰水中之熱負載經過蒸發器以傳導及對流等方式傳至冷媒中，低壓低溫液態冷媒蒸發成為氣態。由於壓縮機的驅動及壓縮，低壓低溫氣態冷媒變成高壓高溫氣態冷媒，再經由壓縮機吐出管被載到冷凝器中與冷卻水做熱交換(冷凝過程)而成為高壓中溫氣態冷媒，然後經由降壓裝置(如膨脹閥、限流孔及毛細管等)相變成低壓低溫液態最後進入蒸發器吸收冰水熱負載，周而復始達成循環。

4. 冷卻水循環：

   高溫高壓之冷媒將熱量傳至冷卻水中，造成由冷凝器出來的冷卻水溫度上升。冷卻水泵驅動冷卻水至冷卻水塔中之散熱材中與流經散熱材之空氣做熱交換而降溫後，再回到冷凝器吸收冷媒熱負載。

5. 室外空氣循環：

冷卻水中之熱負載經熱、質傳方式將熱量由水轉移至空氣中，透過風扇驅動，使熱交換後之空氣輸送至冷卻水塔以外之空間與周圍之室外空氣混合，而將熱負載排至大氣。

廠區冷卻水循環為開放式系統，冷卻水塔中的雜質容易淤積於冰水主機冷凝器內部造成散熱不佳，壓縮機需將冷媒提升至更高工作溫度得以散熱^[1]，依據莫里爾線圖R-123冷媒特性得知，若冷凝器飽和冷媒溫度上升1℃，壓縮機做功約增加3%，如 圖2所示。

結垢是熱交換器中遇到的常見問題，熱交換器內表面上因水垢形成附加層，細菌數、鈣質、藻類等皆為熱交換器表面結垢之因素，由於結垢降低熱傳速率，熱交換率如式1(熱傳量方程式)所示^[2]，在使用結垢因子的計算中考慮了傳熱效率的降低，結垢係數取決於熱交換器兩側的流體，納入結垢因子之總傳熱係數如下所示，從式2(污垢係數與熱傳係數關係式)可看出，總傳熱係數數值隨著結垢因子(即管側或殼側)中的一個或兩個值的增加而降低^[3]。

U=整體傳熱係數；A=管路截面積；ΔT=管路兩側溫差。

U=整體傳熱係數；h₀=殼側的傳熱係數；h_i=管側的傳熱係數；R_do=殼側的結垢因子；R_di=管側的結垢因子；O_D=管子的外徑；I_D=管子的內徑；A₀=管子的外面積；A_i=管的內部面積；K_w=管壁提供的阻力值。

2.2 冷凝器管壁清洗方法

1. 電雙層

   按膠體理論，水溶液中有許多帶正電位的水溶性金屬離子㊉及許多帶負電位的水溶性鹼性離子㊀，這些帶電位的膠體粒子以布朗運動在水溶液中運動，並隨著水流動。熱交換器或管路本身因為接地之故，而成為帶負電位的強勢負電位電場，以致於水中影響結垢的水溶性帶正電位的金屬離子逐漸附著於熱交換器或管路本身的壁面，形成所謂的水垢雛形，即所謂的顆粒狀軟性附著物。如果這些顆粒狀軟性附著物沒有清除，就會在金屬管壁形成硬質的水垢^[4]。

   加入負電子裝置使熱交換器管壁內形成一個強勢負電位系統，使金屬離子無法附著於管壁如 圖3。

2. 尼龍刷式

   安裝四通閥於冷凝器與冷卻水泵浦間如 圖4所示，閥件切換改變水流方向以擊出尼龍刷達成管壁清潔之目的^[5]。因清洗時冷卻水流動方向與原廠設計不同，可能導致熱交換效果不穩定，且冷卻水閥件切換異常時將造成冷卻水流量不足而連鎖冰水主機停機。

   圖4、尼龍刷式通管系統動作原理

   
3. 海棉球式

利用直徑較冷凝器銅管略大之海綿球，以泵浦加壓推送進入冰水主機冷凝器中，海棉球適時通過冷凝器內每一根銅管，同時將可能之腐蝕，沉積物清除乾淨，防止結垢腐蝕機制繼續進行，確保冰水主機運轉效率^[6]。

各冷凝器管壁清潔方式優劣比較如 表1所示。

3. 研究方法

傳統改善冰水主機冷凝器趨近溫度方法為卸除冷凝器端蓋並以尼龍刷執行銅管清潔，清洗成本高且工程具一定風險，此方式無法即時確保銅管內部之潔淨度，且夏季時冰機停機保養將降低冰水系統裕度。透過文獻研究得知自動通管系統已有多家企業皆已導入使用，此系統可維持低冷凝器趨近溫度且不影響冰機運轉，但因海綿球具磨耗問題，故需定期更換以避免清洗效果變差。

3.1 ACTS設計與閥件動作

海綿球自動通管系統主要組成元件如下：

1. 棉球捕球器：管路內部具#304不銹鋼多孔網狀圓柱型內襯，可將棉球100%捕捉並且減小壓損如 圖5。
2. 泵浦：採用2HP立式泵浦加壓冷卻水如 圖6，使棉球離開捕球器並回到收集器中，小馬力立式泵浦既節省空間且容易維護。
3. 棉球收集器：如 圖7，與捕球器原理相似，物件上安裝可觀測視窗與關斷閥件，於巡檢時可觀察海綿球損耗程度，於冰機不停機狀態下關斷閥件執行更換作業。
4. PLC&人機介面：自動控制海綿球迴路閥件切換，達成一對多控制，如 圖8所示，可與冰水主機狀態連動，並將系統狀態及警報回傳至SCADA監測。

ACTS安裝如 圖9，主要分為以下四階段循環運作 :

1. 待命：所有的棉球在收集器就預備位置。
2. 發射：控制器下達指令將氣動閥1、3，增壓泵浦將冷卻水管加壓(大於主水管壓1Bar)，將收集器內部棉球注入主水管的入水口，如 圖10所示。
3. 收集：水流將棉球快速帶過熱交換器，進行銅管清洗後收集到捕球器，捕球器內部有#304不銹鋼多孔網狀圓柱型內襯可將棉球100%捕捉，不會讓棉球流入冷卻水塔。
4. 回球：控制器下達指令將氣動閥2、4，增壓泵浦帶動水流將捕球器內之棉球引流帶回收集器內，水流回冷卻水塔，如 圖11。
5. 棉球經由上述4個流程重新回到收集器，等待著下一次的清洗循環。

3.2 ACTS導入實驗

本實驗設計如 表2所示，採取相同外氣焓值條件下，選取3台冰水主機以關閉ACTS作為對照組，監測一般無設置ACTS冰水主機系統能耗；3台ACTS正常運作之冰水主機作為實驗組，監測設置ACTS冰水主機系統能耗，以分析單台冰水主機趨近溫度與耗功之關係，並將ACTS開啟與關閉冷凝器趨近溫度進行比較。

4. 結果與分析

實驗結果顯示，開啟ACTS之冰水主機冷凝器趨近溫度平均落在0~0.2℃之間，關閉ACTS之冰水主機冷凝器銅管無法維持潔淨度，冷凝器趨近溫度於2周內持續上升並趨緩落於2℃，如 圖12所示；在關閉ACTS前後於相同外氣條件下耗功平均上升74kW，如 圖13、圖14、圖15所示，其中以ACTS開啟與關閉前後耗功率9.4~14.9%，如 表3所示，實驗證實安裝ACTS可有效改善趨近溫度並使冰機耗功維持最佳化。

5. 未來展望與結論

綜合前段論述，比較3種管路自動清潔設計後以海綿球自動通管系統較適合導入既有廠區使用，其中又以安裝方式簡單、維護容易，安裝A.C.T.S冷凝器自動清洗系統，於系統面而言可使銅管保持相對良好狀況，趨近溫度有效維持於0.5~1.0℃之間，壓縮機作功可降低9-14% ; 於運轉面而言可節省保養人力與維護經費且於夏季時可不需停機保養即可維持趨近溫度表現，可避免冰機銅管沉積腐蝕所造成破管之風險。綜合以上論述，自動通管系統應用可有效提升系統運轉可靠度與降低冰水主機系統能耗，未來可建議新工處規劃設計至新廠區，使每個廠區皆達到穩定運轉與節能改善之雙贏局面。