土木工程畢業論文-兩種儲冰優點之結合

土木工程畢業論文-兩種儲冰優點之結合

摘要： 以節能的觀點而言，儲冰系統系一項值得采納的系統；但是，其功能也絕非完全的可靠。因此，瑞士 DELROC AG 公司，目前發展出了一套混合式（hybrid）的儲冰系統。這種機種系傳統直接溶冰式與間接溶冰式系統的整合。此項設計將可彌補傳統功能之不足。
    關鍵詞： 儲冰系統 直接 間接 溶冰式     以節能的觀點而言，儲冰系統系一項值得采納的系統；但是，其功能也絕非完全的可靠。因此，瑞士 DELROC AG 公司，目前發展出了一套混合式（hybrid）的儲冰系統。這種機種系傳統直接溶冰式與間接溶冰式系統的整合。此項設計將可彌補傳統功能之不足。     如今，許多產業制程皆需求恒溫與高效能的冷卻過程，譬如在：食品業、飲料業及制藥業（pharmaceuticals）等環境。但是，這一類的制程作業通常系在每日的某個時段進行。因此，為減少在電力尖峰時段的制程成本，許多業者已改用儲冰系統來儲備冷凍能力。     儲冰系統的原理簡單而言，即是藉相變潛能（phase-changeenthalpy）的釋放原理，將儲冰槽內的冰水轉變為冰，然后在制程來臨時，利用儲冰槽內的儲冰來吸收制程排出來的熱，藉此達到制程冷卻的目的。     制冰/儲冰作業一般系在電力負載的離峰時段（off-peak period）進行。目的在于利用離峰時段的經濟電力，來儲備尖峰時段（on-peakperiod）所需之冷凍能力。至于，設計尖峰時段所需之冷凍噸系一項專門的技術。     效能 （Performance）     每一種產業會根據其制程所需，選用某特定型態的儲冰系統。在選擇的依據中，儲冰槽的出水溫度的「恒溫性」系一項非常重要的考慮因素。     一般而言，「直接溶冰式」儲冰系統（direct ice storage systems）的特點是，當回水（load water）進入儲冰槽之后，其系以直接接觸到儲冰的方式與儲冰作熱交換。至于，「間接溶冰式」儲冰系統（indirect systems），則是藉由安置于儲冰槽內的熱交換器盤管，來間接的與槽內的儲冰作熱交換。在間接溶冰式系統中，乙二醇（glycol）與水的混合液（俗稱鹵水）是熱交換器所使用之冷媒。     「直接溶冰式」儲冰系統的運作系 根據「外部溶冰原理（external melting principle）」來進行。所謂外部即是，當回水流過儲冰時，冰塊系由其（外部）表面先開始溶化。此種系統的制冰與溶冰過程皆系靠各自的獨立循環系統來執行。在這種設計中，制冰功能（charging）系藉管式或板式（tubular or flat）熱交換器內的冷媒直膨蒸發作用（direct evaporation）來達到盤管外的結冰效果。至于熱交換器的安置位置，則是被浸泡于儲冰槽的槽水中。在制冰過程中，初形成之冰層會附著于熱交換器的管壁上，然后冰層越積越厚；這種制冰方式的儲冰系統被稱之為an ice builder storage system.在溶冰時（discharging），帶有制程熱的回水會拂過冰塊的表面，將熱能傳導給冰塊，以達到排熱的功能。這種排熱方式有幾項優點：（a）溶冰量大、（b）出水溫度穩定、（c）運轉費用低。     危機 （Danger）     但是，「直接溶冰式」儲冰系統依然有其缺點，譬如：（a）必須由有經驗者安裝、（b）冷媒的泄漏機率大、（c）槽體容易生銹腐蝕。此外，由于溶冰量難以掌握，因此造成儲冰量難以預估，也是一項缺失。     通常，在白天起動冰水機來制冰是不經濟的運作決策。但是，Silo 廠牌的儲冰系統（又名ice harvester）系一款在白天使用的系統。此機種屬于「直接溶冰式」系統，其運作方式是讓預冷過的冰（pre-cooled water）循環至板狀或圓筒狀蒸發器（ flat orcylindrical evaporator）的表面上，此蒸發器的安置位置是在儲冰槽的上端。當冰層在蒸發器表面上逐漸增大而形成冰塊時，一種機械式的刮刀或一種熱氣裝置，會使冰塊脫離蒸發器表面而掉落至下方一個盛滿冰水 （也即回水） 的儲槽里，然后浸于冰水中的冰塊會實時的冷卻回水。另一種 Silo 的機種系采用「外部溶冰原理（external melting）」的設計，其系采用使用乙二醇（glycol）的熱交換器來取代「直膨式蒸發器（direct evaporator）」。這種熱交換器的材質為一則塑料或金屬。在運作時，從制程端循環歸來的回水，同樣的也是藉開放式回路（an open circuit）進入儲冰槽內，然后以直接接觸儲冰的方式與儲冰作熱交換。     由于「直接溶冰式」儲冰系統（directice storage systems）的溶冰量大，外加其回水溫度的「恒溫性」高；因此，采用「外部溶冰原理」的「直接溶冰式」儲冰系統，系工業冷卻制程時常采用的系統。這種系統也有逐漸被采用于區域性空調作業（district cooling）。     「間接溶冰式」儲冰系統的運作系根據「內部溶冰原理（internal melting principle）。所謂內部即是，因為儲冰系附著于熱交換器的盤管表面，當其吸收了盤管表面上的熱之后，系從（內部）附著面開始溶化。這種系統具有一個「封閉式循環系統 （closed circuit）」，其執行「制冰（charging or ice formation）」與「溶冰 （discharging or ice melting）」兩項功能。這種使用乙二醇（glycol）與水作為循環液的循環系統，會與另一個（或一組）從屬循環系統（也即水循環系統， asecondary circuit）作熱交換，以完成熱交換的過程。此系統的儲冰槽（the Fafcotype）系仰賴攝氏-5℃的鹵水或brine，在塑料材質的熱交換器內蒸發循環，以達成制冰的效果。在制冰時，熱交換器系發揮'蒸發器'的功能。在溶冰時，已與附屬循環系統行過熱交換的暖鹵水會循環回熱交換器，藉由管壁將熱能傳遞給儲冰，以達成溶冰的效果。此時，接近熱交換器盤管周圍的冰層會先溶化。在溶冰時，熱交換器則系發揮冷凝器的功能。     「間接溶冰式」儲冰系統的優點為：（1）儲冰密度高、（2）再制冰過程簡單、（3）冷媒需求量少、（4）系統可由水電工安裝。其缺點包括：（a）溶冰量會持續漸減、（b） 當溶冰過程持續之，儲冰槽出水溫度會漸升。     「間接溶冰式」儲冰系統的另一個特點即是，當儲冰系統在執行溶冰時，預冷過之空氣會從儲冰槽的底部被置入，然后藉空氣來攪拌槽內的冰水，以提升冰水溫度的「均衡性」。藉此，儲冰槽的出水溫度可始終保持在攝氏3℃左右。
    可靠性（Reliability）     當「直接溶冰式」儲冰系統與「間接溶冰式」儲冰系統相互比較時，「間接式」系統在安全性與可靠性的考慮下，可能發生的系統問題會比較少。并且，當「間接式」系統系使用同一個熱交換器來執行制冰與溶冰的作業，溶冰的功能應是無任何的顧慮。但是，此系統的溶冰量 （melting capacity）及儲冰槽出水溫度的2恒溫性2 （constancy of the outlet temperature），將會依機種而異。一般「間接溶冰式」儲冰系統非常適合于空調作業之用，但是不適用于那種（在瞬間）要求高效能與低溫冷卻（在攝氏0℃左右）的作業，譬如：區域性制程冷卻（district cooling plants）及工程冷凍（process engineering）等。     為了彌補傳統儲冰系統的這些缺點，瑞士 DELROC AG 公司發展出了一套混合式（hybrid）的儲冰系統。這種系統的熱交換器管排（heat exchanger mats）系以穩態聚丙烯（stabilized polypropy-lene）材料所制成，循環液依然是乙二醇。但是，此款機種的特性則為同步雙回路循環，其目的系將「直接溶冰式」系統中的冷卻水回路整合于間接溶冰法的作業中，藉此來彌補先前所提之內部溶冰原理的缺失。當傳統「間接溶冰式」系統在執行溶冰時，儲冰（ice bank）與熱交換器管壁之間會逐漸形成寬大的間距，因此冰塊與熱交換器之間的熱傳能力會減低。但是在引進了「直接溶冰式」系統中的冷卻水回路之后，冷卻水可將熱交換器無法完全吸收之熱再作二次吸收（詳附圖），以提高排熱效率。除此之外，經過預冷的空氣會由儲冰槽的底部被置入槽水中，藉以攪拌提升槽水溫度的「均衡度」。     此款設計的優點不但能提升整體溶冰的效率，在不影響到正常制冰程序下，也提供了儲冰系統「全量（full load）」與「分量（part load）」制冰的選擇。另外一個特點即是，混合式 DELROC系統的冷卻水回路系一個封閉式的循環回路（closed circuit）；因此，在制冰過程中產生之冰塊的質量，也比傳統開放式（open circuit）循環回路產生之冰塊的質量要大。此特質也使得 DELROC 儲冰槽所需求之實際體積比傳統系統的體積要小。     DELROC 儲冰系統也可以產生超低溫（大約 0℃左右）的冷卻水，這種冷卻水的制造過程是經過兩階的冷卻過程（two- step cooling）。第一階冷卻過程系藉鹵水熱交換器，先對冷卻水作初步熱交換。第二階冷卻過程系將第一階冷卻過之冷卻水導入儲冰槽內，以直接接觸儲冰的方式再作二次熱交換。       在安裝方面，大型 DELROC 系統通常是安裝在顧客預備的鋼筋水泥槽中，或安置于舊儲裝槽中。當熱交換器的管排（exchanger mats）配置具彈性，儲冰槽體積將可依據需求作改變。當安置空間受到限制時，DELROC 儲冰槽的高度可縮短至4.2cm，相當于每平方公尺高度的冰塊面積代表 300kW/h 的冷凍儲存量。     保證（Guarantee）     當與傳統的直膨蒸發制冰系統（direct evaporating ice builder systems）相比較，DELROC 系統的冷卻水回路中會被參入些許的鹵水（brine）或乙二醇與水的混合物（glycol/water mixture），以避免冷在攝氏0℃下作循環時的結冰現象。     在作區域性制程冷卻的儲冰時，兩臺DELROC系統可以串聯相連的方式來從事制冰/儲冰的作業，以減緩鹵水主機的冷凍負荷 （冷凍需求溫度可被提升1至4℃）。藉此組合方式，區域性制程冷卻的效能可提升 30% 以上。

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