TWI667205B - 具防垢成效的熱交換系統及其防垢方法 - Google Patents

具防垢成效的熱交換系統及其防垢方法 Download PDF

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Abstract

本發明提供一種具防垢成效的熱交換系統及其防垢方法，該熱交換系統至少包括：負載控制單元、溫度壓力偵測單元、以及水垢處理單元，藉整合該等單元的互動性，配合本發明防垢方法以模擬符合實場運轉相同限值的水質，對所運轉機具為冷凍冷藏空調主機類、空壓機類或各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類等，就實場運轉條件不同及水質不同的積垢狀況，調節水質結合方式，並透過防垢成效測試及整合至本發明該熱交換器系統，使得水質不具帶電性，失去反應能力而不會形成水垢，提高防積垢成效，確保冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類等的運轉效率及性能。

Description

具防垢成效的熱交換系統及其防垢方法
本發明係有關於一種熱交換系統，特別是指一種能夠提高防積垢成效，對空壓機類或是冷凍冷藏空調主機類(包含冷凍冷藏設備、箱型機、冰水主機、滷水冰機、熱泵…等等)、利用冰滷水或冷媒製冷輸送、污廢水處理的熱交換裝置、空調設備、工業用爐、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類等等機具，於實場運轉中確保運轉效率及性能之具防垢成效的熱交換系統及其防垢方法。
熱交換器主要是利用幫浦將熱從高溫的地方，送到低溫地方藉由熱交換的方式，將高溫側的熱量帶走或加熱產生蒸汽、熱水，時下各式各樣的冷凍冷藏空調主機、空壓機、鍋爐的構造中都有熱交換器，藉以將運轉中產生的熱量帶走或加熱產生蒸汽、熱水。然而，此種以熱交換循環原理進行升降溫的方式，在冷凍冷藏空調主機、空壓機、鍋爐的機具中皆會產生積垢問題，詳言之，就冷凍冷藏空調主機、空壓機而言，冷卻水熱交換管路為此類機具必須的組件，藉該冷卻水管路中的冷卻水在大氣中散熱達到降溫，相對地，補充水的硬度和大氣中的懸浮固體、有機物及微生物…等不斷進入冷卻水中，加上常溫(大氣溫度10~50℃)運轉的冷卻水因散熱水質(包含有鈣離子與碳酸氫根離子)濃縮產生水垢，該水垢的結垢因子為碳酸鈣包括鈣離子及碳酸氫根離子解離的碳酸根離子(HCO3 -+OH- →H2O+CO3 -2)，日久之後積垢便會阻礙熱交換循環，進而降低冷凍冷藏空調主機、空壓機散熱效能。就鍋爐而言，鍋爐管路中的爐水在運轉高溫條件(100~200℃)因為蒸發水質濃縮而結垢，結垢之結晶體如：碳酸鈣結晶日久之後積垢便會阻礙熱交換循環，換言之，此種以熱交換循環原理進行升降溫的冷凍冷藏空調主機、空壓機或鍋爐，於運轉一段時間後受環境、溫度及水垢等因素影響，皆會造成積垢現象致使得運轉效能及性能降低。同樣的，利用冰滷水或冷媒製冷輸送、污廢水處理的熱交換裝置、空調設備、工業用爐、各式熱交換器或冷卻散熱裝置等等機具，於運轉一段時間後受環境、溫度及水垢等因素影響，皆會造成積垢現象致使得運轉效能及性能降低。
業界為積極改善積垢現象，針對水垢的防治處理則有不少相關專利存在，如：中華民國新型專利號第M279636號(利用變頻電磁場破壞分解水中鈣、鎂離子與碳酸根離子結合現象)、第M436496號(利用具有過濾語細化的雙重淨水功效，減少水中雜質，藉以降低水垢生成)、第M462272號(藉磁棒來磁化管體中的水減少水垢產生)、第M470846號(藉電擊作用解離出正離子與負離子，使水管路中的結垢、鐵鏽、碳酸鈣及細菌等得除去)、第M509221號(利用電器吸附水垢)及第M517196號(利用磁棒對水進行磁化作用袪除水中的水垢)，以及美國專利第4153559號、第4366053號、第4505815號等。惟，該等國內外專利案僅針對水垢處理提出一些構造解決，並未能將水垢處理後對於所應用的對象(例如：冷凍冷藏空調主機、空壓機、鍋爐)進行防治積垢後運轉效率及性能的確保，進言之，由於全世界節能減碳的趨勢，依照CNS 12575對主機的要求(冷卻水為10~50 ℃)，及CNS 2144鍋爐操作及維護規章、CNS 10231鍋爐給水與鍋爐水之水質標準對鍋爐高中低溫運轉條件的要求(蒸汽鍋爐為100~200℃，熱水鍋爐為45~100℃)，實場運轉應確保整年度主機EER值、鍋爐效率在規範內，相關的業者則必須進行不同負載運轉的監控並提出因應之道，前述國內外專利案固然提出水垢處理的構造並聲稱能夠解決積垢問題，但也只是在說明書中技巧性聲稱，不敢在合約中敘明不同天候與不同負轉的運轉條件下實際測試檢驗成效，因此是否確實具備積垢處理後的防垢成效，各領域的專業業者(空調主機廠商、空壓機廠商、鍋爐廠商、化工專業、水處理專業)因為跨領域關係，各自為政而不敢嚐試，因而，無法得知或是不敢確保所應用的對象(例如：冷凍冷藏空調主機、空壓機、鍋爐)的運轉效率及性能。換言之，水垢處理器廠商通常是非化工專業，亦非空調主機、空壓機、鍋爐製造專業，除以目視方法進行防垢成效檢驗耗時而緩慢(三至六個月甚至一年)，更因為採用目視根本無法判定主機、空壓機、鍋爐的熱交換管路內部積垢程度，致多數業主無法逕以接受。而化工專業的水處理技術廠商及化工廠常使用小型模擬熱交換器來檢測防垢成效，因為對成效質疑，故通常不賣亦不使用水垢處理器，基於此，水垢處理器廠商單獨販賣水垢處理器，主機、空壓機、鍋爐廠商單獨販賣主機、空壓機、鍋爐，二者並未整合。再者，改善案時水處理廠商直接對業主洽談、採購銷售安裝，而實際安裝水垢處理器廠商純以主機管路管徑大小來論，並未考慮造成水垢因子的處理成效，致使得水垢處理器未能與空調主機、空壓機、鍋爐整合，如是，在不同技術領域無法整合下，無法達到防垢成效。總之，時下現況水垢處理器銷售者從未列出防積垢成效，以避免無法驗收；冷凍 冷藏空調主機類、空壓機、鍋爐類廠商同樣從未列出防積垢成效；又，新建工程案時空調技師設計監造、承包商施工亦從未列出防積垢成效，如此，不良的商業模式循環永遠無法有效的達到節能減碳目的。
本發明之目的，即在提供一種具防垢成效的熱交換系統，該系統係整合應用於冷凍冷藏空調主機類的冷凝器、空壓機類的空氣冷卻器或油冷卻器、各式熱交換器、冷卻散熱裝置，或是鍋爐類的爐管上，將運轉中散熱的冷卻水或加熱的爐水之積垢因子碳酸鈣進行處理，令鈣離子、碳酸根離子結合方式改變而具分子雛型，不再具帶電性，失去反應能力，而不會形成水垢，提高防積垢成效，確保冷凍冷藏空調主機、空壓機、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐的運轉效率及性能，藉以解決業界多年來一直都因未達產業上利用性而未成功的問題，而藉由本發明改變運轉中水體的鈣離子與碳酸根離子的結合方式，方能夠達到成功克服的關鍵技術。
又，本發明之再一目的，即在提供一種熱交換系統之防垢方法，該方法係對冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置，或是鍋爐類的水垢處理不完全的部分改善，以模擬符合實場運轉的相同水體，透過防垢成效快速測試方法檢驗，再進行調節並整合，使達到水垢處理完全，不會積垢達到100%防垢成效。
本發明之又一目的，即在提供一種一站式的系統及服務，減少使用者分散或分次採購不能達到購買高運轉效率及性能的熱交換系統，也減少使用者因不具備分辨良莠不齊的水垢處理及整合技能，而長期 因積垢無法解決的困擾。
本發明之另一目的，即在提供一種防垢成效快速測試方法來取代習知緩慢、粗糙的防垢辨識方法，甚至幾乎沒有測試，本發明可以在3~8小時即可確定防垢成效率，提供使用者衡量自身需求來決定適合的防垢成效率，或是製造時就納入本項功能設計。
為達上述目的，本發明具防垢成效的熱交換系統，該熱交換系統係設置於所運轉冷凍冷藏空調主機類的冷凝器、空壓機類的空氣冷卻器、油冷卻器、各式熱交換器、冷卻散熱裝置的冷卻水管路上，或是鍋爐類的爐管上，至少包括：負載控制單元、溫度壓力偵測單元以及水垢處理單元，其中該負載控制單元係能夠控制實場運轉中該冷凝器、該空氣冷卻器、油冷卻器、該各式熱交換器、該冷卻散熱裝置或是該爐管的每一時間實場動態運轉達設定條件，如：冰滷水出水溫度、空氣壓力、熱源側溫壓、冷卻水溫、鍋爐蒸汽壓力或熱水溫度；該溫度壓力偵測單元能夠偵測實場運轉中該冷凝器、該空氣冷卻器或油冷卻器、各式熱交換器、冷卻散熱裝置、該鍋爐的每一時刻溫度、壓力；該水垢處理單元藉模擬符合實場運轉相同限值的水質，調節該冷凝器、空氣冷卻器、油冷卻器、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是爐管的水體，及調節運轉中該冷凝器、空氣冷卻器、油冷卻器、各式熱交換器、冷卻散熱裝置，或是爐管的積垢因子碳酸鈣中鈣離子與碳酸根離子的結合方式，並藉通過防垢檢驗具有防垢成效的水垢處理器，整合應用於冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類；如是，有效的處理實場運轉中該冷凍冷藏空調主機類的冷凝器、空壓機類的空氣冷卻器、油冷卻器、各式熱交換 器、冷卻散熱裝置，或是爐管中的水垢，達到防積垢成效。
依據上述，其中調節該冷凝器、空氣冷卻器、油冷卻器、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是爐管的水體，指調節不同設計流量及水質，即，高溫運轉於鍋爐類；低溫運轉於冷凍冷藏空調主機類、空壓機類，當所運轉為蒸氣鍋爐時，以軟水整合流量取80~120%給水流量；當所運轉為熱水鍋爐時，以半軟水或硬度低於碳酸鈣值200ppm的水，整合流量取10~80%給水流量或取鍋爐總水量除以1~24小時；當所運轉為冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置，以補充水硬度低於碳酸鈣值200ppm時整合流量取1~40%循環水流量；若以補充水硬度高於碳酸鈣值200ppm時，藉公式依照比例調整，該公式為：「整合流量×(補充水硬度的碳酸鈣值÷200ppm的數值)」；而其循環水流量的公式為：「將冷凍空調噸數值×CNS 12575規範12.5L/m/RT」，其中，空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置的散熱量均以3,900kcal/hr來換算冷凍空調噸數。
依據上述，該水垢處理單元藉通過防垢檢驗具有防垢成效的水垢處理方法，整合應用於冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類，透過調節冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器或冷卻散熱裝置的冷卻水濃縮倍數值，該濃縮倍數值取決於補充水及限值，該濃縮倍數值的公式為：限值除以補充水導電度，而其水量的公式為：補充水流量M=nE/(n-1)；排放水流量B=E/(n-1)
其中：n為濃縮倍數，E為蒸發水流量；為冷凍冷藏空調主機噸 數的函數，蒸發水流量須以冷卻塔噸數的散熱量(3,900kcal/h/RT)÷30℃蒸發熱580kcal/kg來計算。
本發明具防垢成效的熱交換系統，進一步設有訊息處理單元，該訊息處理單元包含：記憶體、微處理器及編輯介面，其中該記憶體儲存該負載控制單元與該溫度壓力偵測單元所偵測運算的該冷凝器、該空氣冷卻器、油冷卻器、該各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是該鍋爐蒸汽壓力或熱水溫度、負載條件、冷卻水水質、補水量與排水量、不同溫度的運轉EER、耗能等數值，並儲存模擬符合實場運轉相同水質限值的水量及水質(鈣離子與碳酸根離子)濃度數值；該微處理器用於將來自於該負載控制單元與該溫度壓力偵測單元所控制與偵測的實場運轉數值，與該記憶體前期儲存的模擬符合實場運轉相同水質限值的水量及水質(鈣離子與碳酸根離子)濃度數值進行比對、演算，並將結果顯示於所連接的終端銀幕上；該編輯介面能夠與外接操作面板相容，提供各項訊息的輸出與輸入作業。
本發明熱交換系統之防垢方法，該防垢方法係設定冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置，或是鍋爐類運轉的條件如：運轉限值之水質；再以模擬符合實場運轉的冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置，或是鍋爐類的水量及水質(鈣離子與碳酸根離子)的數值，進行水垢處理，並透過防垢成效快速測試方法檢驗，經檢驗後對於水垢處理不完全的部分，繼續進行該水垢處理的調節與成效檢驗，直至冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置，或是鍋爐類於實場運轉達到水垢處理完全，不會積垢的成效為止(即，達到100%防垢成效)，最後，將前述通過防垢檢驗的水垢處理器整合於冷凍 冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類上，賦於該等機具的熱交換系統具有防垢成效，令熱交換過程不會有結垢，可提高冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類的運轉效率及性能。
1‧‧‧熱交換系統
2‧‧‧負載控制單元
3‧‧‧溫度壓力偵測單元
4‧‧‧訊息處理單元
5‧‧‧水垢處理單元
6‧‧‧冷凝器
7‧‧‧空氣冷卻器
8‧‧‧鍋爐
41‧‧‧記憶體
42‧‧‧微處理器
43‧‧‧編輯介面
50‧‧‧水垢處理器
51‧‧‧殺菌器
52‧‧‧雜質分離器
81‧‧‧蒸氣鍋爐
82‧‧‧熱水鍋爐
83‧‧‧冷凍冷藏空調主機
831‧‧‧冷卻塔
84‧‧‧空壓機
91‧‧‧各式熱交換器
92‧‧‧冷卻散熱裝置
93‧‧‧給水管
94‧‧‧旁流管
第一圖A、B為本發明熱交換系統方塊流程圖；第一圖C為本發明熱交換系統之防垢方法方塊流程圖。
第二圖為本發明熱交換系統第一實施例應用於蒸氣鍋爐的示意圖。
第三圖為本發明熱交換系統第二實施例應用於熱水鍋爐的示意圖。
第四圖A、B為本發明熱交換系統第三實施例應用於冷凍冷藏空調主機管內型與管外型的示意圖。
第五圖A、B為本發明熱交換系統第四實施例應用於空壓機管內型與管外型的示意圖。
先請參閱第一圖C為本發明熱交換系統之防垢方法方塊流程圖，本發明該防垢方法係整合應用於冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置，或是鍋爐類，如圖所示本發明熱交換系統之防垢方法係設定冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類運轉的條件如：運轉限值之水質；以模擬符合實場運轉的冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類的水 量及水質(鈣離子與碳酸根離子)的數值；並進行水垢處理；透過碳酸鈣結晶動力學檢測法(對不同水質的碳酸鈣成分，測試其結晶的反應速率；反應速率變慢即表示抑制結垢的成效率，例如：碳酸鈣結晶成長速率由2.0*10-10m/秒降低為1.0*10-10m/秒甚至0.0*10-10m/秒，表示有50%的抑制成效及完全抑制。)或模擬熱交換器檢測(將熱交換器的熱源側溫度提高，使熱源側與冷卻水溫差達實場熱源側與冷卻水溫差2~12倍來進行)的防垢成效二種快速測試方法檢驗；將經檢驗後對於水垢處理不完全的部分，繼續進行該水垢處理的調節，直至冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置，或是鍋爐類於實場運轉達到水垢處理完全，不會積垢的成效為止(即，達到100%防垢成效)；將前述通過防垢檢驗的水垢處理器整合於冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類上，賦於該等機具的熱交換系統具有防垢成效，令熱交換過程不會有結垢，可提高冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類的運轉效率及性能。
本發明熱交換系統係根據上述防垢方法整合應用於冷凍冷藏冷凍冷藏空調主機的冷凝器、空壓機的空氣冷卻器或油冷卻器、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐上，請參閱第一圖A，本發明該熱交換系統1包括：負載控制單元2、溫度壓力偵測單元3、訊息處理單元4，以及水垢處理單元5等，其中該負載控制單元2係用於控制實場運轉中該冷凝器6、該空氣冷卻器7(或油冷卻器及各式熱交換器、冷卻散熱裝置包含：冷凍冷藏設備、箱型機、冰水主機、滷水冰機、熱泵…等等、利用冰滷水或冷媒製冷輸送、污廢水處理裝置、空調設備、空壓機、工業用爐、熱交換器...等等機具)， 或是該鍋爐8(包括蒸氣鍋爐81與熱水鍋爐82)，或是各式熱交換器91與冷卻散熱裝置92的每一時間實場動態運轉達設定條件，如：冰滷水出水溫度、空氣壓力、熱源側溫壓、冷卻水溫、鍋爐蒸汽壓力或熱水溫度。該溫度壓力偵測單元3係用於偵測實場運轉中該冷凝器6、該空氣冷卻器7(或油冷卻器)、該鍋爐8(包括蒸氣鍋爐81與熱水鍋爐82)、該各式熱交換器91與冷卻散熱裝置92運轉的每一時刻溫度、壓力。該訊息處理單元4包含記憶體41、微處理器42及編輯介面43，其中該記憶體41儲存該負載控制單元2與該溫度壓力偵測單元3所偵測運算的該冷凝器6、該空氣冷卻器7(或油冷卻器)、該鍋爐8(包括蒸氣鍋爐81與熱水鍋爐82)、該各式熱交換器91與冷卻散熱裝置92等，其蒸汽壓力或熱水溫度、負載條件、冷卻水水質、補水量與排水量、不同溫度的運轉EER、耗能等數值、歷年殺菌劑的餘裕濃度(需求係數)，並儲存模擬符合實場運轉相同水質限值的水量及水質(鈣離子與碳酸根離子)濃度數值。該微處理器42用於將來自於該負載控制單元2與該溫度壓力偵測單元3所控制與偵測的實場運轉數值，與該記憶體41前期儲存的模擬符合實場運轉相同水質限值的水量及水質(鈣離子與碳酸根離子)濃度數值、運轉EER(指運轉EER、kW/RT或COP，視計算單位而定)、耗能進行比對、演算，並將結果顯示於所連接的終端銀幕上。該編輯介面43能夠與外接操作面板相容，提供各項訊息的輸出與輸入作業。該水垢處理單元5係與該訊息處理單元4相連，藉該模擬符合實場運轉相同限值的水質，調節該冷凝器6、空氣冷卻器7(油冷卻器)、各式熱交換器91與冷卻散熱裝置92的冷卻水，或是鍋爐8(包括蒸氣鍋爐81與熱水鍋爐82)的爐水，及調節運轉中該冷凝器6、空氣冷卻器7(油冷卻器)、各式熱交換器91與冷卻散熱裝置92，或是鍋爐8(包括蒸氣鍋 爐81與熱水鍋爐82)的積垢因子碳酸鈣中鈣離子與碳酸根離子的結合方式，並藉通過防垢檢驗具有防垢成效的水垢處理器50，整合應用於冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類，達防垢成效，其中該水垢處理單元5模擬符合實場運轉的相同水質，係指對該冷凍冷藏空調主機類的冷凝器6、空壓機類的空氣冷卻器7(油冷卻器)及各式熱交換器91與冷卻散熱裝置92的冷卻水，及蒸汽鍋爐81的爐管，依據模擬符合實場運轉的水量及水質(鈣離子與碳酸根離子)結合程度的數值進行調節，而對熱水鍋爐82的爐管，依據模擬符合實場運轉的水質(鈣離子與碳酸根離子)結合程度及水量的數值進行調節。另，調節該冷凝器6、空氣冷卻器7(油冷卻器)、各式熱交換器91與冷卻散熱裝置92的冷卻水，或是鍋爐8(包括蒸氣鍋爐81與熱水鍋爐82)的爐水，係指調節不同設計流量及水質，亦即，高溫運轉於鍋爐類；低溫運轉於空調主機類、空壓機類、熱交換器與冷卻散熱裝置，當所運轉為鍋爐類的蒸氣鍋爐81時，以軟水整合流量取80~120%給水流量；當所運轉為鍋爐類的熱水鍋爐82時，以半軟水或硬度低於碳酸鈣值200ppm的水，整合流量取10~80%給水流量或取鍋爐總水量除以1~24小時之數值；當所運轉為空調主機類、空壓機類、熱交換器與冷卻散熱裝置，以補充水硬度低於碳酸鈣值200ppm時整合流量取1~40%循環水流量；若以補充水硬度高於碳酸鈣值200ppm時，藉公式依照比例調整，該公式為：「整合流量×(補充水硬度的碳酸鈣值÷200ppm的數值)」；而其循環水流量的公式為：「將冷凍空調噸數值×CNS 12575規範12.5L/m/RT」。
另，該冷凝器6、空氣冷卻器7(油冷卻器)、各式熱交換器91與冷卻散熱裝置92，或是蒸氣鍋爐81的濃縮倍數值取決於補充水及限值，其 中該冷凝器6、空氣冷卻器7(油冷卻器)、或是各式熱交換器91與冷卻散熱裝置92的濃縮倍數值的公式為：限值除以補充水導電度，例如：補充水取自於自來水，導電度為300微姆歐，鈣硬度為130ppm，冷卻水之限值為2,000微姆歐，則濃縮倍數為2,000/300=6.67倍。而其循環水量的公式為：補充水流量M=nE/(n-1)；排放水流量B=E/(n-1)；前述公式中：n為濃縮倍數；E為蒸發量，為冷凍冷藏空調主機噸數的函數。而該主機、空壓機及熱交換器的散熱量以3,900kcal/h/RT來換算RT數，30℃水的蒸發熱為580kcal/kg，水密度1kg/L，每冷卻噸蒸發量E為3,900/580=6.724L/h/RT；依前述濃縮倍數6.67倍代入前述補充水流量公式，求得補充水流量M=nE/(n-1)=6.67/(6.67-1)*6.724=7.91L/h/RT；而求得排放水流量B=E/(n-1)=1/(6.67-1)*6.724=1.19L/h/RT。
歸納以上，本發明熱交換系統1藉整合該等單元的互動性，配合本發明該防垢方法以模擬符合實場運轉的相同水質，對所運轉機具為空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類，就實場運轉條件不同，以及水質不同的積垢狀況下，透過防垢成效快速測試方法檢驗，並以該水垢處理器50進行該水垢處理至不會積垢的成效(即，達到100%防垢成效)，使得本發明該熱交換器系統1的水質不具帶電性，失去反應能力而不會形成水垢，詳言之，水質中鈣離子、碳酸根離子未經處理或處理不完全時(即，未達到100%防垢成效)，仍有殘留成分進入所運轉機具中，因具帶電性，則仍會形成水垢結晶體GaCO3(s)，如下式(1)所示。但經本發明該水垢處理器50的水垢處理完全時(即，達到100%防垢成效)，鈣離子、碳酸根離子結合方式改變而形成之CaCO3 0為處理過的離子團，如下式(2)所示， CaCO3 0具分子雛型，不再具帶電性，失去反應能力，因此不會形成水垢，如是能夠達到在不同天候與不同負轉的運轉下，提高防積垢成效，確保冷凍冷藏空調主機、空壓機、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐的運轉效率及性能。藉此本發明熱交換系統因而建立水垢處理後經防垢成效率檢驗的相關資料，以作為指定或不指定百分比的防垢成效參考，如是，藉所建立的防垢成效率檢驗相關資料比對，使用於機具的製造或運轉中的機具等同於進行水垢處理的防垢成效率檢驗，如此，進一步配合本發明該防垢方法以模擬符合實場運轉的相同水質，對所運轉機具進行水質及積垢因子之碳酸鈣中鈣離子與碳酸根離子的結合方式調節，能夠令防垢成效通過100%或達到指定的百分比、或其他指定方式(如溫度或壓力等)之防垢檢驗。
Ca+2+CO3 -2 → CaCO3(s)---------(1)
Ca+2+CO3 -2 → CaCO3 0-------------(2)
續請參閱第一圖B，為本發明熱交換系統1該水垢處理單元5進一步包括殺菌器51及雜質分離器52的方塊流程圖，如圖所示，本流程圖與第一圖A的差別在於該殺菌器51係與所運轉設備的冷卻水管相連接，用於殺死在冷卻水管中水質繁殖的藻菌等微生物。該雜質分離器52係設置於所運轉設備的進水管進口端，用於將冷卻水所帶來的懸浮固體雜質類進行分離，以利於水垢的處理。(註：由於冷卻水運轉為循環方式，該殺菌器51與雜質分離器52實施上，亦可設置於所運轉設備的出口端或跨進出口二端順向或逆向水流等處，其中水質均屬相同，影響差異甚微，長期運轉都有同樣防水垢效果。)
請參閱第二圖與第三圖，為本發明熱交換系統1應用於蒸氣 鍋爐81與熱水鍋爐82的第一實施例與第二實施例示意圖，習知蒸氣鍋爐81運轉高溫條件(100~200℃)卻因爐水蒸發水質濃縮而積垢，本發明適用於相同運轉高溫條件做積垢改善，即，本發明熱交換系統1如第二圖所示，藉通過防垢檢驗具有防垢成效的水垢處理單元5(包括：水垢處理器50)整合應用於蒸氣鍋爐81，將本發明水垢處理單元5設置於的給水管93進口端上，透過該水垢處理單元5整合該蒸氣鍋爐81蒸發量與給水流量、水質之交互作用來發揮作用達低積垢成效進行防垢處理，亦即，須提供安全需求之瞬間給水量，整合該蒸氣鍋爐81蒸發量之2.5~3倍而與給水流量相同，及較化學處理之可接受補充水硬度範圍更廣，容許變異度更大，例如：蒸發量10噸/小時蒸汽鍋爐須整合低積垢器流量為25~30噸/小時，其補充水硬度可接受範圍為5~50ppm，而相對之化學處理僅為接受5ppm，幾乎不容許有變異度，如是，與給水流量、水質之交互作用即能夠達低積垢與防垢成效。另，本發明熱交換系統1亦可適用於夾帶共出及汽水共騰控制較佳操作之鍋爐，其給水流量為鍋爐蒸發量之1.2~2倍，本發明水垢處理單元5則選取為與給水流量相同之1.2~2倍之案例。
再請參閱第三圖所示，本發明熱交換系統1藉通過防垢檢驗具有防垢成效的水垢處理單元5(包括：水垢處理器50)整合應用於該熱水鍋爐82，同樣的，本發明熱交換系統1設置於給水管93的進口端上，以半軟水或硬度低於碳酸鈣值200ppm的水，整合流量取30%給水流量或取鍋爐系統總水量除以8小時，此處鍋爐系統總水量係指鍋爐內水量或加上循環管內水量，視實際狀況而定，如是，與給水流量、水質之交互作用即能夠達低積垢與防垢成效。
續請參閱第四圖A、B為本發明熱交換系統的第三實施例，本發明熱交換系統1藉通過防垢檢驗具有防垢成效的水垢處理單元5整合應用於冷凍冷藏空調主機管內型與管外型水垢處理的示意圖，如圖所示，本發明水垢處理單元5設置於冷卻水進入冷凝器6的進口端的旁流管94上(第四圖A)或是進水管93上(第四圖B)，冷凍冷藏空調主機83由冷卻塔831流出的冷卻水為常溫(10~50℃)條件，卻因冷卻水散熱水質濃縮後，水垢不處理或處理不完全而積垢。本發明水垢處理單元5能夠在相同運轉常溫條件做積垢改善，即，如第四圖A、B所示，本發明水垢處理單元5不論在冷凍空調主機83的管內式或管外式水垢處理，於整合條件時結垢因子碳酸鈣為鈣離子及碳酸根離子均在相同濃縮倍數6.67倍(補充水導電度為300微姆歐，鈣硬度為130ppm)，以補充水流量M=7.91L/h/RT，排放水硬度為130*6.67=867.1ppm以1,000RT主機為例，計算如下：當負載100%時，補充水流量M=7.91 *1000=7,910L/h，鈣硬度流入量為130mg/L*7,910=1,028.3g/L(1ppm=1mg/L)，排放水量=1,185.9L/h，鈣硬度排放量=867.1*1,185.9=1,028.3g/L；負載80%時，補充水流量M=7,910 *80%=6,328L/h，鈣硬度流入量為130mg/L*6,328=822.6g/L，排放水量=948.7L/h，鈣硬度排放量=867.1*948.7=822.6g/L；負載60%時，補充水流量M=7,910 *60%=4,746L/h，鈣硬度流入量為130mg/L*4,746=617.0g/L，排放水量=711.5L/h，鈣硬度排放量=867.1*711.5=617.0g/L。本發明熱交換系統1能夠根據流入冷卻水之鈣硬度量透過該訊息處理單元4的該記憶體41預存補充水流量、排放流量及鈣硬度增減量資料(如表1；本發明在模擬符合實場運轉的調節水量及水質須注意鈣硬度的增減量為“0”。)，經該微 處理器42比對運算，隨著負載而呈比例改變，鈣硬度排放量也隨著負載改變，且與流入量相同(即冷卻水之鈣硬度量不受負載影響)，如是給水流量、水質之交互作用即能夠達低積垢與防垢成效。
再者，本發明配合殺菌器51將冷卻水管中水質繁殖的藻菌等微生物殺死，進言之，本發明透過該訊息處理單元4的記憶體41儲存所運轉設備歷年殺菌劑的餘裕濃度資料(如表2；需求係數，控制殺菌劑的餘裕濃度)，經該微處理器42比對運算，依照冷凍冷藏空調主機、空壓機的噸數計算殺菌器51最大需求量，在給水流量、水質之交互作用即能夠達低積垢與防垢成效。
另，要說明的是，由於冷卻水運轉為循環方式，前述及後述水垢處理單元5及殺菌器51、雜質分離裝置52實際組裝上，能夠設置在熱交換管路的進口端、出口端或跨進出口二端順向或逆向水流等處皆可，其中水質均屬相同，影響甚微，長期運轉都有同樣效果。
續請參閱第五圖A、B為本發明熱交換系統的第四實施例應 用於空壓機管內型與管外型的示意圖，如圖所示，本發明熱交換系統1不論在空壓機84的管內式或管外式水垢處理，藉通過防垢檢驗具有防垢成效的水垢處理單元5整合應用，將本發明該水垢處理單元5設置於冷卻水進入空氣冷卻器7(或是油冷卻器；或是各式熱交換器)的旁流管94的進口端上(第五圖A)或是給水管93(第五圖B)上，並如同前述第三實施例透過該訊息處理單元4的記憶體41預存補充水流量、排放流量及鈣硬度增減量資料(如表1)，經該微處理器42比對運算，隨著負載而呈比例改變，鈣硬度排放量也隨著負載改變，且與流入量相同(即冷卻水之鈣硬度量不受負載影響)，如是給水流量、水質之交互作用即能夠達低積垢與防垢成效。另，透過該訊息處理單元4的記憶體41儲存所運轉設備歷年殺菌劑的餘裕濃度資料(如表2；需求係數，控制殺菌劑的餘裕濃度)，經該微處理器42比對運算，依照冷凍冷藏空調主機、空壓機的噸數計算殺菌器51最大需求量，在給水流量、水質之交互作用即能夠達低積垢與防垢成效。
除上述第三、第四實施例所介紹說明本發明水垢處理單元整合應用於冷凍冷藏空調主機類的冷凝器、空壓機類的空氣冷卻器、油冷卻器外，時下污廢水處理的熱交換裝置、工業用爐所採用熱交換裝置，這些裝置及各式熱交換器，以及冷卻散熱裝置同樣都以冷卻水來達到控制溫度的運作方式，而其冷卻水運作過程結垢、防垢及水量及水質處理方式皆與前述第三、第四實施例相同。值得一提的是，冷卻散熱裝置的散熱片亦屬熱交換裝置，該散熱片表面同樣接觸冷卻水，也會有積垢等問題產生，本發明同樣可應用於冷卻塔各種散熱方式。本發明採用結晶動力學檢測法，碳酸鈣結晶成長速率由2.0*10-10m/秒降低為1.0*10-10m/秒甚至0.0*10-10m/秒，表示有 50%的抑制成效及完全抑制。另，本發明應用於各式熱交換器的模擬熱交換器檢測法係將其熱源側溫度提高，使熱源側與冷卻水溫差達實場熱源側與冷卻水溫差之7.8倍，例如：冷卻水入水溫30℃，出水溫35℃，空調主機冷凝溫36℃，平均熱傳溫差為36-(35+30)/2=3.5℃，而將熱源側提高至60℃，平均熱傳溫差為60-(35+30)/2=27.5℃，熱傳速率增加為27.5/3.5=7.86倍。此方法可快速檢測在模擬熱交換器表面產生結垢的速率。同樣的，結垢速率變慢可以決定抑制結垢的成效率，即未經處理的結垢速率為100mg/cm2/月，經水垢處理器的結垢速率降為40mg/cm2/月，表示有60%的抑制成效，速率達“0mg/cm2/月”即表示完全抑制。換言之，本發明能夠藉前述所建立的防垢成效率檢驗相關資料，使用於機具的製造或運轉中的機具的比對，即等同於進行水垢處理的防垢成效率檢驗。
歸納以上，本發明具防垢成效的熱交換系統能夠在不同天候與不同負轉的運轉條件下，提高防積垢成效，提供冷凍冷藏空調主機、空壓機、各式熱交換器、冷卻散熱裝置及鍋爐如下優點：
1.改善時下相關業者於積垢處理後無法得知，或是不敢確保冷凍冷藏空調主機、空壓機、各式熱交換器、各式冷卻散熱裝置或是鍋爐的運轉效率及性能的缺失，確保冷凍冷藏空調主機、空壓機、各式熱交換器、各式冷卻塔或是鍋爐的運轉效率及性能。
2.改善習知緩慢、粗糙的防垢辨識方法，提高業者快速測試防垢成效確保冷凍冷藏空調主機、空壓機、各式熱交換器、各式冷卻散熱裝置或是鍋爐的採購與他的需求能吻合，以避免事後清洗水垢的維修或改善之麻煩。
3.對空調主機的防垢成效，其EER依照CNS 12575量測一年後甚至仍高達95%以上，與低達50%以下的現有主機有極大差異，改善幅度最高達95-50=45%。空調主機為耗能最大的單一設備，本發明有極高的節能產業價值。
4.對空壓機的低積垢成效，空氣冷卻器散熱效果提升，耗電可降低達8~10%，及油冷卻器散熱效果提升，減少油溫升高之95~100℃必須停機換油之頻率，停機則產氣量減少影響產能及生產排程、調度困難都提高。
5.對鍋爐的低積垢成效，其結垢後效率與新鍋爐效率相比可以看出其下降幅度。低積垢成效鍋爐的下降幅度極微小，對比先前技術下降5~15%，改善幅度即為5~15%，顯示成效良好。
6.改善鍋爐適用之補充水硬度範圍有10倍緩衝容量、流量範圍有50~100%；並於冷凍冷藏空調主機、空壓機冷卻水改善其補充水水質、流量與負載不規則變化等因子的適用範圍，對使用者降低了使用的技術難度與複雜度。
7.本發明能夠依照主機的噸數計算殺菌器需求量，並增設負載器來調節四季的需量，對使用者降低了使用的技術難度與複雜度。
8.本發明開創新紀元，把化工、軟硬體技術導入冷凍冷藏空調主機、空壓機及鍋爐，習知製造廠的製造程序僅有機電技術，本發明使得擴展製造程序範圍涵蓋運轉程序的高積垢、高耗能改善為低積垢、低耗能的設備。
9.本發明能夠提高防垢成效的成功率，減少失控的風險，對 熱交換系統冷卻水更有降低藻菌失控的風險，及對熱交換系統冷卻水有降低水垢失控的風險。
綜上所述，本發明具防垢成效的熱交換系統及其防垢方法確能達到創作之目的，符合專利要件，惟，以上所述僅為本發明較佳實施例，大凡依據本發明所為之各種修飾與變化仍應包含於本專利申請範圍內。

Claims (15)

  1. 一種具防垢成效的熱交換系統，係整合應用於冷凍冷藏空調主機類的冷凝器、空壓機類的空氣冷卻器、油冷卻器、各式熱交換器、冷卻散熱裝置，或是鍋爐類上，該熱交換系統包括：負載控制單元，係用於控制實場動態運轉中達設定條件；溫度壓力偵測單元，係用於偵測實場運轉中的溫度、壓力；以及水垢處理單元，係設置於冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻塔的冷卻水管或是鍋爐類的給水管上，藉模擬符合實場運轉的相同水質，並調節該熱交換系統的水體，及運轉中的積垢因子碳酸鈣中鈣離子與碳酸根離子的結合方式，並藉通過防垢檢驗具有防垢成效的水垢處理器，整合應用達防垢成效。
  2. 如申請專利範圍第1項所述具防垢成效的熱交換系統，其中該水垢處理單元以模擬符合實場運轉的相同水質，係以通過100%或指定百分比、或其他指定方式(如溫度或壓力等)之防垢檢驗的防垢成效為條件。
  3. 如申請專利範圍第1項所述具防垢成效的熱交換系統，其中該水垢處理單元係設置於冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器或是冷卻散熱裝置的管路的進口端、出口端或跨進出口二端順向或逆向水流等處皆可。
  4. 如申請專利範圍第1項所述具防垢成效的熱交換系統，其中調節水體指調節不同設計流量及水質，即，高溫運轉於鍋爐類；低溫運轉於冷凍冷藏空調主機類、空壓機類以及各式熱交換器、冷卻塔，當所運轉為蒸氣鍋爐時，以軟水整合流量取80~120%給水流量或蒸發量的150~300%；當所運轉為熱水鍋爐時，以半軟水或硬度低於碳酸鈣值200ppm的水，整合流量取10~80%給水流量或依水值修正流量，或取鍋爐系統總水量除以1~24小時；當所運轉為冷凍冷藏空調主機類、空壓機類以及各式熱交換器、冷卻塔時，整合流量取1~40%循環水流量或依水值修正流量；而其循環水流量的公式為：「將冷凍空調噸數值×CNS 12575規範12.5L/m/RT」，其中空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置的散熱量均以3,900kcal/hr來換算冷凍空調噸數。
  5. 如申請專利範圍第1項所述具防垢成效的熱交換系統，其中該水垢處理單元進一步包括殺菌器及雜質分離器或前述二者之一，該殺菌器係與所運轉設備的冷卻水管相連接，用於殺死在冷卻水中繁殖的藻菌等微生物；該雜質分離器係與所運轉設備的冷卻水管相連接，用於將冷卻水所帶來的懸浮固體雜質類進行分離。
  6. 一種具防垢成效的熱交換系統，係整合應用於冷凍冷藏空調主機類的冷凝器、空壓機類的空氣冷卻器、油冷卻器、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類上，該熱交換系統包括：負載控制單元，係用於控制實場動態運轉中達設定條件；溫度壓力偵測單元，係用於偵測實場運轉中的溫度、壓力；及訊息處理單元，包含記憶體、微處理器及編輯介面，其中該記憶體儲存該負載控制單元與該溫度壓力偵測單元所偵測運算的蒸汽壓力或熱水溫度、負載條件、冷卻水水質、補水量與排水量、不同溫度的運轉EER、耗能等數值，並儲存模擬符合實場運轉相同水質限值的水量及水質(鈣離子與碳酸根離子)濃度數值；該微處理器用於將來自於該負載控制單元與該溫度壓力偵測單元所控制與偵測的實場運轉數值，與該記憶體前期儲存的模擬符合實場運轉相同水質限值的水量及水質(鈣離子與碳酸根離子)濃度數值、運轉EER、耗能進行比對、演算，並將結果顯示於所連接的終端銀幕上；該編輯介面能夠與外接操作面板相容，提供各項訊息的輸出與輸入作業；以及水垢處理單元，係設置於冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻塔的冷卻水管或是鍋爐類的給水管上，與該訊息處理單元整合，藉該模擬符合實場運轉相同限值的水質並調節該熱交換系統的水體，及運轉中的積垢因子碳酸鈣中鈣離子與碳酸根離子的結合方式，並藉通過防垢檢驗具有防垢成效的水垢處理器，整合應用達防垢成效。
  7. 如申請專利範圍第6項所述具防垢成效的熱交換系統，其中該水垢處理單元以模擬符合實場運轉相同限值的水質，並以通過100%或指定百分比、或其他指定方式(如溫度或壓力等)之防垢檢驗的防垢成效為條件，將水垢處理器進行整合應用達防垢成效。
  8. 如申請專利範圍第6項所述具防垢成效的熱交換系統，其中調節水體指調節不同設計流量及水質，即，高溫運轉於鍋爐類；低溫運轉於冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器或是冷卻散熱裝置，當所運轉為蒸氣鍋爐時，以軟水整合流量取80~120%給水流量或蒸發量的150~300%；當所運轉為熱水鍋爐時，以半軟水或硬度低於碳酸鈣值200ppm的水，整合流量取10~80%給水流量或依水值修正流量，或取鍋爐系統總水量除以1~24小時；當所運轉為冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器或是冷卻散熱裝置時，整合流量取1~40%循環水流量或依水值修正流量；而其循環水流量的公式為：「將冷凍空調噸數值×CNS 12575規範12.5L/m/RT」，其中，空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置的散熱量均以3,900kcal/hr來換算冷凍空調噸數。
  9. 如申請專利範圍第6項所述具防垢成效的熱交換系統，其中該水垢處理單元係設置於冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器或是冷卻散熱裝置的管路的進口端、出口端或跨進出口二端順向或逆向水流等處皆可。
  10. 一種具防垢成效的熱交換系統，係整合應用於冷凍冷藏空調主機類的冷凝器、空壓機類的空氣冷卻器、油冷卻器、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類上，該熱交換系統主要包括：負載控制單元，係用於控制實場運轉中該冷凝器、該空氣冷卻器、油冷卻器、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是該爐管的實場動態運轉中達設定條件，如：冰滷水出水溫度、空氣壓力、熱源側溫壓、冷卻水溫、鍋爐蒸汽壓力或熱水溫度；溫度壓力偵測單元，係用於偵測實場運轉中該冷凝器、該空氣冷卻器、油冷卻器、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是該鍋爐運轉中的溫度、壓力；以及水垢處理單元，係設置於冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置的冷卻水管或是鍋爐類的給水管上，藉調節該熱交換系統的水體，及積垢因子碳酸鈣中鈣離子與碳酸根離子，達防垢成效。
  11. 一種具防垢成效的熱交換系統，該熱交換系統係將冷凍冷藏空調主機類或空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類等機具的水體所存在的積垢因子，進行處理，該熱交換系統特徵在於：具有一水垢處理單元，設置於冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻塔的冷卻水管或是鍋爐類的給水管上，將機具運轉的水體透過防垢處理來調節，改變其鈣離子與碳酸根離子的結合方式，令機具運轉達到防垢成效。
  12. 一種具防垢成效的熱交換系統，該熱交換系統係將冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置，或是鍋爐類等機具的水體所存在的積垢因子，進行處理，該熱交換系統特徵在於：具有一水垢處理單元，設置於冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻塔的冷卻水管或是鍋爐類的給水管上，係將運轉中機具的水體經防垢處理，並透過所建立防垢成效率檢驗相關資料比對，使得機具的製造或運轉中的機具等同於進行水垢處理的防垢成效率檢驗，而達指定成效。
  13. 如申請專利範圍第10至12項所述具防垢成效的熱交換系統，其中該水垢處理單元進一步藉模擬符合實場運轉的相同水質，調節運轉中機具的水體及積垢因子之碳酸鈣中鈣離子與碳酸根離子的結合方式，令運轉中機具的水體通過100%或指定百分比、或其他指定方式(如溫度或壓力等)之防垢檢驗的防垢成效。
  14. 一種熱交換系統之防垢方法，該方法包括：設定冷凍冷藏空調主機類、空壓機類及各式熱交換器、冷卻散熱裝置，以及鍋爐類運轉的條件如：運轉限值之水質；以模擬符合實場運轉的冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類的水量及水質(鈣離子與碳酸根離子)濃度的數值，進行水垢處理；透過防垢成效測試方法檢驗；將經檢驗後對於水垢處理不完全的部分，繼續進行該水垢處理的調節與成效檢驗，直至冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類於實場運轉達到水垢處理完全，不會積垢的成效為止；將前述通過防垢檢驗的水垢處理器整合於冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類上，賦於該等機具的熱交換系統具有100%或指定百分比、或其他指定方式(如溫度或壓力等)之防垢成效，提高冷凍冷藏空調主機類、空壓機類、各式熱交換器、冷卻散熱裝置或是鍋爐類的運轉效率及性能。
  15. 如申請專利範圍第14項所述熱交換系統之防垢方法，其中該防垢成效測試方法為碳酸鈣結晶動力學檢測法或是為模擬熱交換器檢測法。
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