儲冰系統(tǒng)的分析論文

關(guān)于儲冰系統(tǒng)的分析論文

　　以節(jié)能的觀點(diǎn)而言，儲冰系統(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DELROCAG公司，目前發(fā)展出了一套混合式（hybrid）的儲冰系統(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)者已改用儲冰系統(tǒng)來儲備冷凍能力。

　　儲冰系統(tǒng)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(nèi)的冰水轉(zhuǎn)變?yōu)楸�，然后在制程來臨時(shí)，利用儲冰槽內(nèi)的儲冰來吸收制程排出來的熱，藉此達(dá)到制程冷卻的目的。

　　制冰/儲冰作業(yè)一般系在電力負(fù)載的離峰時(shí)段（off-peakperiod）進(jìn)行。目的在于利用離峰時(shí)段的經(jīng)濟(jì)電力，來儲備尖峰時(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)的儲冰系統(tǒng)。在選擇的依據(jù)中，儲冰槽的出水溫度的「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」儲冰系統(tǒng)（directicestoragesystems）的特點(diǎn)是，當(dāng)回水（loadwater）進(jìn)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(tǒng)（indirectsystems），則是藉由安置于儲冰槽內(nèi)的熱交換器盤管，來間接的與槽內(nèi)的儲冰作熱交換。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」儲冰系統(tǒng)的運(yùn)作系根據(jù)「外部溶冰原理（externalmeltingprinciple）」來進(jìn)行。所謂外部即是，當(dāng)回水流過儲冰時(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)來執(zhí)行。在這種設(shè)計(jì)中，制冰功能（charging）系藉管式或板式（tubularorflat）熱交換器內(nèi)的冷媒直膨蒸發(fā)作用（directevaporation）來達(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；這種制冰方式的儲冰系統(tǒng)被稱之為anicebuilderstoragesystem.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)來制冰是不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)作決策。但是，Silo廠牌的儲冰系統(tǒng)（又名iceharvester）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-cooledwater）循環(huán)至板狀或圓筒狀蒸發(fā)器（flatorcylindricalevaporator）的表面上，此蒸發(fā)器的安置位置是在儲冰槽的上端。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（externalmelting）」的設(shè)計(jì)，其系采用使用乙二醇（glycol）的熱交換器來取代「直膨式蒸發(fā)器（directevaporator）」。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)歸來的回水，同樣的也是藉開放式回路（anopencircuit）進(jìn)入儲冰槽內(nèi)，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(tǒng)（directicestoragesystems）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(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)（districtcooling）。

　　「間接溶冰式」儲冰系統(tǒng)的運(yùn)作系根據(jù)「內(nèi)部溶冰原理（internalmeltingprinciple）。所謂內(nèi)部即是，因?yàn)閮Ρ�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)（closedcircuit）」，其執(zhí)行「制冰（chargingoriceformation）」與「溶冰（dischargingoricemelting）」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)，asecondarycircuit）作熱交換，以完成熱交換的過程。此系統(tǒng)的儲冰槽（theFafcotype）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」儲冰系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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(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，儲冰槽出水溫度會(huì)漸升。

　　「間接溶冰式」儲冰系統(tǒng)的另一個(gè)特點(diǎn)即是，當(dāng)儲冰系統(tǒng)在執(zhí)行溶冰時(shí)，預(yù)冷過之空氣會(huì)從儲冰槽的底部被置入，然后藉空氣來攪拌槽內(nèi)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(dāng)「直接溶冰式」儲冰系統(tǒng)與「間接溶冰式」儲冰系統(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)熱交換器來執(zhí)行制冰與溶冰的作業(yè)，溶冰的功能應(yīng)是無任何的顧慮。但是，此系統(tǒng)的溶冰量（meltingcapacity）及儲冰槽出水溫度的2恒溫性2（constancyoftheoutlettemperature），將會(huì)依機(jī)種而異。一般「間接溶冰式」儲冰系統(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（districtcoolingplants）及工程冷凍（processengineering）等。

　　為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)儲冰系統(tǒng)的這些缺點(diǎn)，瑞士DELROCAG公司發(fā)展出了一套混合式（hybrid）的儲冰系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的熱交換器管排（heatexchangermats）系以穩(wěn)態(tài)聚丙烯（stabilizedpolypropy-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)，儲冰（icebank）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，也提供了儲冰系統(tǒng)「全量（fullload）」與「分量（partload）」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（closedcircuit）；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（opencircuit）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-stepcooling）。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(dǎo)入儲冰槽內(nèi)，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(tǒng)通常是安裝在顧客預(yù)備的鋼筋水泥槽中，或安置于舊儲裝槽中。當(dāng)熱交換器的管排（exchangermats）配置具彈性，儲冰槽體積將可依據(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的冷凍儲存量。

　　保證（Guarantee）

　　當(dāng)與傳統(tǒng)的直膨蒸發(fā)制冰系統(tǒng)（directevaporatingicebuildersystems）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/watermixture），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)域性制程冷卻的儲冰時(shí)，兩臺DELROC系統(tǒng)可以串聯(lián)相連的方式來從事制冰/儲冰的作業(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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