土木工程畢業(yè)論文-兩種儲(chǔ)冰優(yōu)點(diǎn)之結(jié)合

摘要： 以節(jié)能的觀點(diǎn)而言，儲(chǔ)冰系統(tǒng)系一項(xiàng)值得采納的系統(tǒng)；但是，其功能也絕非完全的可靠。因此，瑞士 DELROC AG 公司，目前發(fā)展出了一套混合式（hybrid）的儲(chǔ)冰系統(tǒng)。這種機(jī)種系傳統(tǒng)直接溶冰式與間接溶冰式系統(tǒng)的整合。此項(xiàng)設(shè)計(jì)將可彌補(bǔ)傳統(tǒng)功能之不足。
    關(guān)鍵詞： 儲(chǔ)冰系統(tǒng) 直接 間接 溶冰式     以節(jié)能的觀點(diǎn)而言，儲(chǔ)冰系統(tǒng)系一項(xiàng)值得采納的系統(tǒng)；但是，其功能也絕非完全的可靠。因此，瑞士 DELROC AG 公司，目前發(fā)展出了一套混合式（hybrid）的儲(chǔ)冰系統(tǒng)。這種機(jī)種系傳統(tǒng)直接溶冰式與間接溶冰式系統(tǒng)的整合。此項(xiàng)設(shè)計(jì)將可彌補(bǔ)傳統(tǒng)功能之不足。     如今，許多產(chǎn)業(yè)制程皆需求恒溫與高效能的冷卻過程，譬如在：食品業(yè)、飲料業(yè)及制藥業(yè)（pharmaceuticals）等環(huán)境。但是，這一類的制程作業(yè)通常系在每日的某個(gè)時(shí)段進(jìn)行。因此，為減少在電力尖峰時(shí)段的制程成本，許多業(yè)者已改用儲(chǔ)冰系統(tǒng)來(lái)儲(chǔ)備冷凍能力。     儲(chǔ)冰系統(tǒng)的原理簡(jiǎn)單而言，即是藉相變潛能（phase-changeenthalpy）的釋放原理，將儲(chǔ)冰槽內(nèi)的冰水轉(zhuǎn)變?yōu)楸�，然后在制程�?lái)臨時(shí)，利用儲(chǔ)冰槽內(nèi)的儲(chǔ)冰來(lái)吸收制程排出來(lái)的熱，藉此達(dá)到制程冷卻的目的。     制冰/儲(chǔ)冰作業(yè)一般系在電力負(fù)載的離峰時(shí)段（off-peak period）進(jìn)行。目的在于利用離峰時(shí)段的經(jīng)濟(jì)電力，來(lái)儲(chǔ)備尖峰時(shí)段（on-peakperiod）所需之冷凍能力。至于，設(shè)計(jì)尖峰時(shí)段所需之冷凍噸系一項(xiàng)專門的技術(shù)。     效能 （Performance）     每一種產(chǎn)業(yè)會(huì)根據(jù)其制程所需，選用某特定型態(tài)的儲(chǔ)冰系統(tǒng)。在選擇的依據(jù)中，儲(chǔ)冰槽的出水溫度的「恒溫性」系一項(xiàng)非常重要的考慮因素。     一般而言，「直接溶冰式」儲(chǔ)冰系統(tǒng)（direct ice storage systems）的特點(diǎn)是，當(dāng)回水（load water）進(jìn)入儲(chǔ)冰槽之后，其系以直接接觸到儲(chǔ)冰的方式與儲(chǔ)冰作熱交換。至于，「間接溶冰式」儲(chǔ)冰系統(tǒng)（indirect systems），則是藉由安置于儲(chǔ)冰槽內(nèi)的熱交換器盤管，來(lái)間接的與槽內(nèi)的儲(chǔ)冰作熱交換。在間接溶冰式系統(tǒng)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(chǔ)冰系統(tǒng)的運(yùn)作系 根據(jù)「外部溶冰原理（external melting principle）」來(lái)進(jìn)行。所謂外部即是，當(dāng)回水流過儲(chǔ)冰時(shí)，冰塊系由其（外部）表面先開始溶化。此種系統(tǒng)的制冰與溶冰過程皆系靠各自的獨(dú)立循環(huán)系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行。在這種設(shè)計(jì)中，制冰功能（charging）系藉管式或板式（tubular or flat）熱交換器內(nèi)的冷媒直膨蒸發(fā)作用（direct evaporation）來(lái)達(dá)到盤管外的結(jié)冰效果。至于熱交換器的安置位置，則是被浸泡于儲(chǔ)冰槽的槽水中。在制冰過程中，初形成之冰層會(huì)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(chǔ)冰系統(tǒng)被稱之為an ice builder storage system.在溶冰時(shí)（discharging），帶有制程熱的回水會(huì)拂過冰塊的表面，將熱能傳導(dǎo)給冰塊，以達(dá)到排熱的功能。這種排熱方式有幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：（a）溶冰量大、（b）出水溫度穩(wěn)定、（c）運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低。     危機(jī) （Danger）     但是，「直接溶冰式」儲(chǔ)冰系統(tǒng)依然有其缺點(diǎn)，譬如：（a）必須由有經(jīng)驗(yàn)者安裝、（b）冷媒的泄漏機(jī)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(chǔ)冰量難以預(yù)估，也是一項(xiàng)缺失。     通常，在白天起動(dòng)冰水機(jī)來(lái)制冰是不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)作決策。但是，Silo 廠牌的儲(chǔ)冰系統(tǒng)（又名ice harvester）系一款在白天使用的系統(tǒng)。此機(jī)種屬于「直接溶冰式」系統(tǒng)，其運(yùn)作方式是讓預(yù)冷過的冰（pre-cooled water）循環(huán)至板狀或圓筒狀蒸發(fā)器（ flat orcylindrical evaporator）的表面上，此蒸發(fā)器的安置位置是在儲(chǔ)冰槽的上端。當(dāng)冰層在蒸發(fā)器表面上逐漸增大而形成冰塊時(shí)，一種機(jī)械式的刮刀或一種熱氣裝置，會(huì)使冰塊脫離蒸發(fā)器表面而掉落至下方一個(gè)盛滿冰水 （也即回水） 的儲(chǔ)槽里，然后浸于冰水中的冰塊會(huì)實(shí)時(shí)的冷卻回水。另一種 Silo 的機(jī)種系采用「外部溶冰原理（external melting）」的設(shè)計(jì)，其系采用使用乙二醇（glycol）的熱交換器來(lái)取代「直膨式蒸發(fā)器（direct evaporator）」。這種熱交換器的材質(zhì)為一則塑料或金屬。在運(yùn)作時(shí)，從制程端循環(huán)歸來(lái)的回水，同樣的也是藉開放式回路（an open circuit）進(jìn)入儲(chǔ)冰槽內(nèi)，然后以直接接觸儲(chǔ)冰的方式與儲(chǔ)冰作熱交換。     由于「直接溶冰式」儲(chǔ)冰系統(tǒng)（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(chǔ)冰系統(tǒng)，系工業(yè)冷卻制程時(shí)常采用的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)也有逐漸被采用于區(qū)域性空調(diào)作業(yè)（district cooling）。     「間接溶冰式」儲(chǔ)冰系統(tǒng)的運(yùn)作系根據(jù)「內(nèi)部溶冰原理（internal melting principle）。所謂內(nèi)部即是，因?yàn)閮?chǔ)冰系附著于熱交換器的盤管表面，當(dāng)其吸收了盤管表面上的熱之后，系從（內(nèi)部）附著面開始溶化。這種系統(tǒng)具有一個(gè)「封閉式循環(huán)系統(tǒng) （closed circuit）」，其執(zhí)行「制冰（charging or ice formation）」與「溶冰 （discharging or ice melting）」兩項(xiàng)功能。這種使用乙二醇（glycol）與水作為循環(huán)液的循環(huán)系統(tǒng)，會(huì)與另一個(gè)（或一組）從屬循環(huán)系統(tǒng)（也即水循環(huán)系統(tǒng)， asecondary circuit）作熱交換，以完成熱交換的過程。此系統(tǒng)的儲(chǔ)冰槽（the Fafcotype）系仰賴攝氏-5℃的鹵水或brine，在塑料材質(zhì)的熱交換器內(nèi)蒸發(fā)循環(huán)，以達(dá)成制冰的效果。在制冰時(shí)，熱交換器系發(fā)揮'蒸發(fā)器'的功能。在溶冰時(shí)，已與附屬循環(huán)系統(tǒng)行過熱交換的暖鹵水會(huì)循環(huán)回?zé)峤粨Q器，藉由管壁將熱能傳遞給儲(chǔ)冰，以達(dá)成溶冰的效果。此時(shí)，接近熱交換器盤管周圍的冰層會(huì)先溶化。在溶冰時(shí)，熱交換器則系發(fā)揮冷凝器的功能。     「間接溶冰式」儲(chǔ)冰系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為：（1）儲(chǔ)冰密度高、（2）再制冰過程簡(jiǎn)單、（3）冷媒需求量少、（4）系統(tǒng)可由水電工安裝。其缺點(diǎn)包括：（a）溶冰量會(huì)持續(xù)漸減、（b） 當(dāng)溶冰過程持續(xù)之，儲(chǔ)冰槽出水溫度會(huì)漸升。     「間接溶冰式」儲(chǔ)冰系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)即是，當(dāng)儲(chǔ)冰系統(tǒng)在執(zhí)行溶冰時(shí)，預(yù)冷過之空氣會(huì)從儲(chǔ)冰槽的底部被置入，然后藉空氣來(lái)攪拌槽內(nèi)的冰水，以提升冰水溫度的「均衡性」。藉此，儲(chǔ)冰槽的出水溫度可始終保持在攝氏3℃左右。
    可靠性（Reliability）     當(dāng)「直接溶冰式」儲(chǔ)冰系統(tǒng)與「間接溶冰式」儲(chǔ)冰系統(tǒng)相互比較時(shí)，「間接式」系統(tǒng)在安全性與可靠性的考慮下，可能發(fā)生的系統(tǒng)問題會(huì)比較少。并且，當(dāng)「間接式」系統(tǒng)系使用同一個(gè)熱交換器來(lái)執(zhí)行制冰與溶冰的作業(yè)，溶冰的功能應(yīng)是無(wú)任何的顧慮。但是，此系統(tǒng)的溶冰量 （melting capacity）及儲(chǔ)冰槽出水溫度的2恒溫性2 （constancy of the outlet temperature），將會(huì)依機(jī)種而異。一般「間接溶冰式」儲(chǔ)冰系統(tǒng)非常適合于空調(diào)作業(yè)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(yè)，譬如：區(qū)域性制程冷卻（district cooling plants）及工程冷凍（process engineering）等。     為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)儲(chǔ)冰系統(tǒng)的這些缺點(diǎn)，瑞士 DELROC AG 公司發(fā)展出了一套混合式（hybrid）的儲(chǔ)冰系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的熱交換器管排（heat exchanger mats）系以穩(wěn)態(tài)聚丙烯（stabilized polypropy-lene）材料所制成，循環(huán)液依然是乙二醇。但是，此款機(jī)種的特性則為同步雙回路循環(huán)，其目的系將「直接溶冰式」系統(tǒng)中的冷卻水回路整合于間接溶冰法的作業(yè)中，藉此來(lái)彌補(bǔ)先前所提之內(nèi)部溶冰原理的缺失。當(dāng)傳統(tǒng)「間接溶冰式」系統(tǒng)在執(zhí)行溶冰時(shí)，儲(chǔ)冰（ice bank）與熱交換器管壁之間會(huì)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(huì)減低。但是在引進(jìn)了「直接溶冰式」系統(tǒng)中的冷卻水回路之后，冷卻水可將熱交換器無(wú)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(jīng)過預(yù)冷的空氣會(huì)由儲(chǔ)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(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)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(chǔ)冰系統(tǒng)「全量（full load）」與「分量（part load）」制冰的選擇。另外一個(gè)特點(diǎn)即是，混合式 DELROC系統(tǒng)的冷卻水回路系一個(gè)封閉式的循環(huán)回路（closed circuit）；因此，在制冰過程中產(chǎn)生之冰塊的質(zhì)量，也比傳統(tǒng)開放式（open circuit）循環(huán)回路產(chǎn)生之冰塊的質(zhì)量要大。此特質(zhì)也使得 DELROC 儲(chǔ)冰槽所需求之實(shí)際體積比傳統(tǒng)系統(tǒng)的體積要小。     DELROC 儲(chǔ)冰系統(tǒng)也可以產(chǎn)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(jīng)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(duì)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(dǎo)入儲(chǔ)冰槽內(nèi)，以直接接觸儲(chǔ)冰的方式再作二次熱交換。       在安裝方面，大型 DELROC 系統(tǒng)通常是安裝在顧客預(yù)備的鋼筋水泥槽中，或安置于舊儲(chǔ)裝槽中。當(dāng)熱交換器的管排（exchanger mats）配置具彈性，儲(chǔ)冰槽體積將可依據(jù)需求作改變。當(dāng)安置空間受到限制時(shí)，DELROC 儲(chǔ)冰槽的高度可縮短至4.2cm，相當(dāng)于每平方公尺高度的冰塊面積代表 300kW/h 的冷凍儲(chǔ)存量。     保證（Guarantee）     當(dāng)與傳統(tǒng)的直膨蒸發(fā)制冰系統(tǒng)（direct evaporating ice builder systems）相比較，DELROC 系統(tǒng)的冷卻水回路中會(huì)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(huán)時(shí)的結(jié)冰現(xiàn)象。     在作區(qū)域性制程冷卻的儲(chǔ)冰時(shí)，兩臺(tái)DELROC系統(tǒng)可以串聯(lián)相連的方式來(lái)從事制冰/儲(chǔ)冰的作業(yè)，以減緩鹵水主機(jī)的冷凍負(fù)荷 （冷凍需求溫度可被提升1至4℃）。藉此組合方式，區(qū)域性制程冷卻的效能可提升 30% 以上。

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