3.1.1 熱交換器的選擇
無論是 SWAC、OTEC 或是 ORC 等地熱發電技術，熱交換器(含蒸發器及 冷凝器)無疑是轉換水溫能源最重要的組件。整體熱傳係數、壓損、熱效率、
耐久性、尺寸、重量及成本，都是被列為考慮的選擇因素，尤其是適用於低 溫熱源或低壓差的熱交換器規格幾乎與冷凍空調循環系統相似，經濟上有相 當規格模組化的優勢。在內部管道的設計上，流體方向不論是互為平行 (Parallel)、交叉(Cross)，甚至逆向(Opposite Direction)等方式均適用，唯獨限 制金屬材料必須針對深層海水或溫泉水有防蝕、抗垢的先天條件，如鈦合金 或不銹鋼材的選用，以及金屬管道內、外壁的塗佈處理。由於熱交換器在工 業應用上已經相當廣泛，就熱輸送裝置之目的及流體變化之特性可分成預熱
有機朗肯循 環發電系統
深層海水空 調節能系統
系統設備其核 心組件之選擇
建立數學模型 能源效益分析
建議產業發展策 略、營運方針
器、加熱器、過熱器、冷卻器、急冷器、重沸器，以及本文一再提及的蒸發 器與冷凝器等等，但所有的應用範圍不外乎就是迅速而有效地受熱或冷卻。
隨著近年來電腦運算能力之增進，流場模擬軟體 Fluent 與運算流體力學
（Computational Fluid Dyanmics, CFD)之演算水準提升，利用此類程式進行設 計與生產熱交換器已經是相當成熟且有效的技術。至於熱交換器常見種類有：
殼管式(Shell and Tube Heat Exchanger, STHE)、墊片板式(Gasketed Plate Heat Exchanger, PHE) 、銅焊板式(Compact Brazed Plate Heat Exchanger, CBE)、半 焊板式(Semi-Welding Plate Heat Exchanger, SPHE)、螺旋板式(Spiral Heat Exchanger）、殼板式（Shell-and-Plate Type) 等等，各種類型的熱交換器其特 性均不相同。
一、殼管式熱交換器：此裝置是熱交換器最早被做為工業應用的型式，
主要為圓筒形殼體套入列管所構成。組件有殼體(箱)、管板、導熱管和折流板 等等，為提高熱交換器的傳熱效能，內部導熱管可以是直管或 U 形管，甚至 可採用螺紋管或翅片管等，由於結構簡單、堅固、有選材的彈性與適應性，
因此易於製造使生產成本相對較低，特別在拆卸清洗保養時也相當方便。然 而運作時容易因流體不夠緊密接觸導熱，或金屬材料本身也有吸收熱量的特 性，以至於熱傳性能均不如平板式熱交換器。
圖 3.2、殼管式熱交換器示意圖
(*圖片來源：http://www.secshellandtube.com/images/st-pic2x400-index.jpg)
二、平板式熱交換器：此裝置主要由多張板片固定於端板及框架上，可 以選擇使用「墊片」或「銅焊」的方式組裝。其提高熱傳性能的原理係利用 板片上衝壓成形的波形紋路，使流道產生狹窄的幾何截面，而流體在行進時
會不斷受到擾動，在低流速下形成湍流來增強導熱效果，適用於熱敏性或粘 性較高的流體換熱。比較值得注意的是，若選擇用墊片組合的優點是可透過 增減板片的方式，能調整換熱容量的需求，同時在拆洗與維修換保養方面也 十分方便，但缺點就是受限於墊片材料之耐壓、耐溫程度，運作時容易造成 洩漏。因此可以考慮選擇以銅焊的方式組合較安全，或者以「半焊式」的組 合可兼顧部分墊片式與銅焊式的優點。另外，目前板片的發展趨勢是研製幾 何形狀的壓花或外型，如「螺旋板」是其中一項嘗試，而材料方面國內以不 銹鋼、鋁、銅和鈦合金製造居多，日漸改善防堵、抗蝕的性能並擴大其適用 範圍。
圖 3.3、平板式熱交換器示意圖
(*圖片來源：http://www.gold-bar.co.il/wp-content/uploads/2011/10/Plate-Heat-exchangers-Gold-Bar-3.jpg)
三、殼板式熱交換器：此裝置是介於管殼式與平板式之間的型式，主要 由桶型容器置入平板式導熱管束，採浸泡接觸的方式達到熱交換的目的。1998 年中岡(Nakaoka et. al.) [35]曾針對 OTEC 以此型熱交換器做蒸發器的運用進 行性能測試，該研究顯示此類熱交換器具有相當優異之性能，有賴於內部導 熱管束屬平板式設計。由於導熱管束能藉由彎管增加紊流動能增強換熱效率，
可以是板型管或圈型管等多元造型，因此也有「殼圈式」、「板圈式」或「折 疊管式」(Avery & Wu[36], 1994)的類似型。其優點在於其結構簡單，容易裝卸、
替換或清洗保養，但耐壓程度相對有限。
圖 3.4、殼板式熱交換器示意圖[36]
為便於推估溫差能量回收之表現，本研究選擇以板式熱交換器做為模擬小型 系統的主要元件之一；在水資源溫度、流量變動之參數測試下，以設計板片增減 方式調整換熱面積需求，進而獲得兼具經濟條件之能源效益。下圖 3.5 為板式熱交 換器其換熱過程示意圖，假設水資源為低溫流體被等待回收其冷能利用，必須透 過金屬傳導冷能以及將其吸收之蓄冷媒介物。低溫水源與預備蓄冷兩種流體在各 自密閉迴路中進入，透過金屬材料大面積的接觸傳導平衡溫差能量，低溫流體釋 冷溫升，同時間蓄冷流體放熱、吸收並儲存冷能完成換熱程序，最後再回流至原 本迴路之中循環、再利用。
Q̇ = 𝑚̇𝐶𝑝Δ𝑇 = UA𝐻𝐸(LMTD)
圖 3.5、水資源於板式熱交換器之釋冷程序示意圖
其中，水資源回收溫差能量可控制流量ṁ、溫度Δ𝑇，但受到物理傳導限 源，選擇以「揮發性有機化合物」（Volatile Organic Compounds, VOC）搭配密 閉循環推動渦輪機的方式發電。因此，選擇工作流體是一個重要關鍵，除了 (Normal Boiling Temperature)、臨界壓力(Critical Pressure)與分子質量有相關性。
2007 年薩荷(B. Saleh et al.)指出 31 種純組分的有機流體適合在有機朗肯循環 做低溫級的運用[38]，其結果顯示：有機流體的焓差皆顯著低於水，以至於在 輸出相同的功率下將以更高的質量流率運作；而在比較熱力條件方面，則在 於這些工作流體的臨界溫度(Critical Temperature)、沸點溫度以及臨界壓力。
以上均間接說明了工作流體具備較高的臨界溫度能允許較高的沸點溫度，但 是較低的臨界壓力反而有助於減少循環的壓力差。
在有機朗肯循環的建置成本方面，2009 年舒斯特(A. Schuster et al.)為一座 太陽能海水淡化廠並從回收廢熱中做發電的個案進行經濟性調查[39]，這個研 究指出：有機朗肯循環過程不必為了避免在排氣端的液體而盲目追求提高過 熱度，可以直接就流體的飽和蒸汽或控制較低的過熱度運作，特別是因為乾 流體(Dry Fluid)或等熵流體(Isentropic Fluid)運作在有機朗肯循環的膨脹末端 會落在過熱區。雖然提高有機工作流體其蒸汽的過熱度能避免在膨脹器內發 生液滴侵蝕的影響，有助於系統的穩定性並允許迅速的週期循環，有利於整 體發揮更高的效率，但若在熱交換係數限制的條件下，這將導致熱交換器設 備體積相對龐大且負擔更昂貴的初置成本。
有機流體的取得來源與安全性考量方面，1985 年巴德爾(O. Badr et al.)評 估過可以使用氟氯碳化物(Chlorofluorocarbons, CFCS)來驅動低溫級的朗肯循 環[40] [41]，也就是使用俗稱的「冷媒」做為有機工作流體。由於國際先後簽 屬蒙特婁公約與京都議定書，陸續管制甚至禁用帶有「臭氧消耗潛勢」(Ozone Depletion Potential, ODP) 與「全球暖化潛勢」(Global Warming Potential, GWP) 之屬 CFCS一類的冷媒，以及屬「氫氟氯碳化物」(Hydrochlorofluorocarbons, HCFCS)一類的冷媒。因此，目前僅可選擇屬「氫氟碳化物」(Hydrofluorocarbons, HFCS) 一類的「環保冷媒」做為工作流體，此類冷媒能兼具良好的相容性與 穩定性，同時維持基本的循環性能與較低的購置成本。2005 年巴茲(J.J. Brasz et al.)在阿拉斯加以 R-134a 之 HFCS環保冷媒驅動有機朗肯循環發電[42]，從切 納地熱區獲取 74℃溫泉，如此系統的熱效率可達到 8％。
圖 3.6、工作流體分類示意圖
兩相變換利用之工作流體，其飽和特性曲線可依照飽和汽相斜率區分為 三類，如圖 3.6 所示。若斜率為正，屬乾流體，兩相飽和區較窄顯示變相熱容 較小，分子量較高，如 R-245fa 冷媒；若斜率為負，屬濕流體，兩相飽和區較 寬顯示變相潛熱需量較高，如水或氨冷媒，膨脹後會產生凝結現象；若近乎 垂直則為等熵流體，如冷凍系統常用之 R-134a 冷媒。
圖 3.7、冷媒分子成分不同之消長關係 (M. O. Mclinden & D. A. Didion[20] [43], 1987)
圖 3.8、冷媒分子成分不同，與 ODP、GWP 指數的關係[20] [43]
上圖 3.7 與圖 3.8 為一般冷媒(有機鹵化物)分子之間的消長關係。增加氫 成分會使工作流體具備可燃性的危險；增加氯成分則增加其毒性，隨意排放 將會破壞臭氧；增加氟成分則降低混溶能力，工作流體運作時需搭配潤滑劑 運作，若釋放至大氣中不易被分解，甚至能造成暖化效應。下圖 3.9 則顯示，
不同化合物冷媒之間 ODP 與 GWP 的對比：CFCS通常有較高的 ODP 及 GWP；
HCFCS通常有較低的 ODP 及 GWP；HFCS的 ODP 幾乎是零，但卻有相當高 的 GWP。
圖 3.9、各種冷媒的 ODP、GWP 比較圖[20]
由於屬 HFCs 一類的環保冷媒雖然因為不含有氯原子，不屬於破壞臭氧層 物質，但卻存在相當高的 GWP 值，僅屬於過渡性的替代產品，未來仍將陸續 遭到替換。而下一代的「天然冷媒」(Natural Refrigerants)主要是烷類、烯類的
「碳氫化合物」（Hydrocarbons, HCs），並增加定義相對於乙烯訂值 100 為基 準之產生光化學臭氧的相對數值，稱為「光化學臭氧生成潛勢」(Photochemical Ozone Potential, PCOP)。2010 年中國學者(X.D. Wang et al.)以太陽能當做有機 朗肯循環低溫熱源的實驗[44]，如下表 3.1 所示，選擇具有較高分子量的有機 流體，可供應充足的質量流率而避免系統的大型化。
表 3.1、R134a、R245fa、R717(NH3)、R744(CO2)、Pentane 的性質[44]
Working
圖 3.10、R134a、R245fa、Pentane 的飽和曲線[44]
如圖 3.10 所示，為便於推估溫差能量回收之表現，本研究選擇以 R134a 冷媒做為模擬有機朗肯循環系統運作之工作流體。由於氨冷媒(R717)屬濕流體，
有毒性、腐蝕性及可燃性，須依卡林那循環或上原循環設計，有內部熱量回 收機制搭配特殊氨-水混合物運作，因此不在本研究選項之列；CO2冷媒(R744) 則因其臨界溫度僅 31.1℃，並不適用溫泉水以接近 100℃高溫做為熱量來源。
Pentane(戊烷)雖然屬乾流體，臨界溫度高達 196.6℃，但比起 R134a 與 R245fa 之焓差(熱容)大、熵值低、分子小，將造成換熱需求負擔；最後就 R134a 與 R245fa 冷媒之間做選擇，雖然 R134a 屬等熵流體，臨界溫度 101.1℃(274.25K) 較低，但考量溫泉水以接近 100℃作為有機朗肯循環蒸發溫度時，焓差較低，
Pentane(戊烷)雖然屬乾流體，臨界溫度高達 196.6℃，但比起 R134a 與 R245fa 之焓差(熱容)大、熵值低、分子小，將造成換熱需求負擔；最後就 R134a 與 R245fa 冷媒之間做選擇，雖然 R134a 屬等熵流體，臨界溫度 101.1℃(274.25K) 較低，但考量溫泉水以接近 100℃作為有機朗肯循環蒸發溫度時，焓差較低，