具有復熱及冷凝功能的熱交換器、熱循環系統及其方法
2023-05-16 02:55:01
具有復熱及冷凝功能的熱交換器、熱循環系統及其方法
【專利摘要】一種具有復熱及冷凝功能的熱交換器、熱循環系統及其方法，具有復熱及冷凝功能的熱交換器，包括一壓力容器、一復熱管路以及一冷卻流體管路。壓力容器具有一入口、一出口以及一隔板，隔板將壓力容器的內部間隔為一工作流體復熱區以及一工作流體冷凝區，且隔板位於入口與出口之間。復熱管路配置於壓力容器中，並通過工作流體復熱區，以加熱流經復熱管路的一液態工作流體。冷卻流體管路配置於壓力容器中，並通過工作流體冷凝區，以冷卻一進入壓力容器內的汽態工作流體。汽態工作流體先通過工作流體復熱區，再流向工作流體冷凝區。
【專利說明】具有復熱及冷凝功能的熱交換器、熱循環系統及其方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種熱傳機制，且特別涉及一種具有復熱及冷凝功能的熱交換器及應用其的熱循環系統及方法。
【背景技術】
[0002]中低溫廢熱發電市場近幾年蓬勃發展，而有機朗肯循環(Organic RankineCycle,0RC)為目前中低溫廢熱發電技術中最為成熟且具經濟效益的一種技術。有機朗肯循環為一封閉熱機循環系統，其關鍵元件和工作原理如下:(1)工作流體升壓泵(pump):升壓液態工作流體，並送入蒸發器中加熱；(2)蒸發器(evaporator):吸取熱源流體的熱能，以汽化工作流體；(3)膨脹機/潤輪機及發電機組(expander/turbine and power generator):轉換工作流體的熱能和壓力能為膨脹機的軸功率(shaft power),再經由發電機產生電力；(4)冷凝器(condenser):冷凝做功後的汽態工作流體成為液態，並送往工作流體升壓泵的入口，完成循環。
[0003]有機朗肯循環(0RC)屬於雙循環系統(binary cycle system)。其一,0RC迴路中的工作流體，經歷液泵升壓、蒸發器汽化、膨脹機做功、冷凝器液化等過程，完成密閉式熱機循環系統。其二，來自熱源的熱流(hot stream),則通過蒸發器，將熱能傳遞給工作流體。在蒸發器內，工作流體通過熱傳介質(例如:殼管式熱交換器的熱傳管、板式熱交換器的熱傳板)吸收熱流熱能。熱流於蒸發器放熱後，即經由蒸發器的熱流出口流回至外界環境。視熱流出口的溫度與流量，熱流可能直接排放或再利用。
[0004]然而，做完功後的汽態工作流體的溫度過高，會造成冷凝器的熱負載增加，而升壓後的液態工作流體的溫度過低，則會造成蒸發器的熱負載增加。因此，熱循環的效率無法有效提升。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種具有復熱及冷凝功能的熱交換器及熱循環系統，具有較佳的熱能利用及回收效率，以降低熱交換器的熱負載。
[0006]本發明的另一目的在於提供一種熱交換方法，具有較佳的熱能利用及回收效率，以降低熱交換器的熱負載。
[0007]根據本發明的一方面，提出一種具有復熱及冷凝功能的熱交換器，包括一壓力容器、一復熱管路以及一冷卻流體管路。壓力容器具有一入口、一出口以及一隔板，隔板將壓力容器的內部間隔為一工作流體復熱區以及一工作流體冷凝區，且隔板位於入口與出口之間。復熱管路配置於壓力容器中，並通過工作流體復熱區，以加熱流經復熱管路的一液態工作流體。冷卻流體管路配置於壓力容器中，並通過工作流體冷凝區，以冷卻一進入壓力容器內的汽態工作流體。汽態工作流體先通過工作流體復熱區，再流向工作流體冷凝區。
[0008]根據本發明的一方面，提出一種熱循環系統，包括一具有復熱及冷凝功能的熱交換器、一蒸發器、一發電模塊以及一泵。此具有復熱及冷凝功能的熱交換器包括一壓力容器、一復熱管路以及一冷卻流體管路。壓力容器具有一入口、一出口以及一隔板，隔板將壓力容器的內部間隔為一工作流體復熱區以及一工作流體冷凝區，且隔板位於入口與出口之間。復熱管路配置於壓力容器中，並通過工作流體復熱區，以加熱流經復熱管路的一液態工作流體。冷卻流體管路配置於壓力容器中，並通過工作流體冷凝區，以冷卻一進入壓力容器內的汽態工作流體。汽態工作流體先通過工作流體復熱區，再流向工作流體冷凝區。蒸發器連接復熱管路的一出口，以加熱液態工作流體至一汽態。發電模塊藉由一第一管路連接蒸發器的一出口，並藉由一第二管路連接壓力容器的入口。泵藉由一第三管路連接壓力容器的出口，並藉由一第四管路連接復熱管路的一入口。
[0009]根據本發明的一方面，提出一種熱交換方法，包括下列步驟。提供一壓力容器，壓力容器內設置一復熱管路、一冷卻流體管路以及一隔板。隔板將壓力容器的內部間隔為一工作流體復熱區以及一工作流體冷凝區。復熱管路通過工作流體復熱區，而冷卻流體管路通過工作流體冷凝區。通入一汽態工作流體於壓力容器中，以加熱流經復熱管路的一液態工作流體。引導汽態工作流體由工作流體復熱區流向工作流體冷凝區。引導汽態工作流體通過工作流體冷凝區，以冷卻汽態工作流體至一液態。
[0010]以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1繪示依照本發明一實施例的具復熱及冷凝功能的熱交換器；
[0012]圖2繪示依照本發明一實施例的熱循環系統；
[0013]圖3繪示依照本發明一實施例的熱交換方法的各個步驟。
[0014]圖4A及圖4B分別繪示導流板為多孔板或螺旋導流板的示意圖。
[0015]其中，附圖標記
[0016]100:熱循環系統
[0017]101:熱交換器
[0018]110:壓力容器
[0019]110a:工作流體復熱區
[0020]110b:工作流體冷凝區
[0021]111:入口
[0022]112:出口
[0023]113:隔板
[0024]114:第一端板
[0025]115:第二端板
[0026]116:流道
[0027]117:流道出口
[0028]120:復熱管路
[0029]130:冷卻流體管路
[0030]131:第一管路
[0031]132:第二管路
[0032]133:第三管路
[0033]134:第四管路
[0034]140:導流板
[0035]140a:多孔板
[0036]140b:螺旋導流板
[0037]141:第一導流板
[0038]142:第二導流板
[0039]150:發電模塊
[0040]151:膨脹機
[0041]152:發電機
[0042]160:蒸發器
[0043]170:泵
[0044]F:工作流體
[0045]Fp:汽態工作流體
[0046]Fq:液態工作流體
[0047]A:第一通道口
[0048]B:第二通道口
[0049]C:冷卻流體
[0050]Η:熱源流體
【具體實施方式】
[0051]在本實施例的一範例中，以具有復熱及冷凝功能的熱交換器來加熱高壓側的液態工作流體，且同時能冷卻低壓側的汽態工作流體。例如:經由泵升壓後的液態工作流體，在進入蒸發器之前，先進入一復熱管路中吸熱，以使過冷液態工作流體的溫度上升，以減少蒸發器的熱負載(或熱交換面積)。此外，做功後的低壓汽態工作流體，在進行冷凝之前就先釋放部分熱能，以使汽態工作流體的溫度下降，以降低冷凝器的熱負載(或熱交換面積)。因此，可同時降低蒸發器與冷凝器的熱負載。
[0052]在一實施例中，熱交換器具有復熱器及冷凝器的雙重功能，且僅需要單一個壓力容器。若將復熱器及冷凝器分為二，除設置經費增加外，由於復熱器屬於壓力容器的一種，需進行壓力容器認證，因而成本增加。
[0053]在一實施例中，壓力容器具有一隔板，此隔板將該壓力容器的內部間隔為一工作流體復熱區以及一工作流體冷凝區。汽態工作流體與過冷液態工作流體在工作流體復熱區中進行熱交換，其功能如同復熱器。接著，汽態工作流體再與外界冷卻流體在工作流體冷凝區進行熱交換，其功能如同冷凝器。因此，復熱的熱傳及冷凝的熱傳均在此一壓力容器中進行，並以隔板隔開，進而縮短熱交換所需管路的長度，並降低熱交換器的設置成本。
[0054]以下是提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護的範圍。
[0055]請參照圖1，其繪示依照本發明一實施例的具有復熱及冷凝功能的熱交換器101。此熱交換器101包括一壓力容器110、一復熱管路120以及一冷卻流體管路130。壓力容器110具有一入口 111、一出口 112以及一隔板113。隔板113將壓力容器110的內部間隔為一工作流體復熱區110a以及一工作流體冷凝區110b，且隔板113位於入口 111與出口 112之間。在本實施例中，設置隔板113的目的是使熱交換器101具有復熱器及冷凝器的雙重功能，且僅需要單一個壓力容器110，因此能減少熱交換器101設置的成本。
[0056]在一實施例中，壓力容器110內設有第一端板114與第二端板115，此二端板與壓力容器110的內側壁相連。隔板113的一端固定在第二端板115上，並與第二端板115垂直配置。隔板113的另一端與第一端板114不相連，以形成一流道出口 117於工作流體復熱區110a以及工作流體冷凝區110b之間。因此，汽態工作流體Fp由入口 111進入壓力容器110後，先經過工作流體復熱區110a，再由流道出口 117流向工作流體冷凝區110b。
[0057]請參照圖1，復熱管路120配置於壓力容器110，並通過工作流體復熱區110a，以加熱流經復熱管路120的一液態工作流體Fq。在一實施例中，復熱管路120可為直管、波浪管或螺旋管。復熱管路120固定在第一端板114與第二端板115上，且復熱管路120連接於泵170與蒸發器160 (參見圖2)之間。因此，汽態工作流體Fp與過冷液態工作流體Fq可在工作流體復熱區110a中進行熱交換，其功能如同復熱器。
[0058]由於經由泵170升壓後的液態工作流體Fq，在進入蒸發器160之前，先進入復熱管路120中吸熱，以使液態工作流體的溫度上升，故能減少蒸發器160的熱負載(或熱交換面積)。
[0059]請參照圖1，壓力容器110的內部例如包括多個導流板140，此些導流板140配置於工作流體復熱區110a中，且此些導流板140間隔地排列，以形成一流道116，例如是S型流道或螺旋型流道。因此，汽態工作流體Fp可經由流道116通過此些導流板140。在一實施例中，設置導流板140的目的是為了增加復熱管路120與汽態工作流體Fp於流道116中的熱交換面積，並降低汽態工作流體Fp的流速，以使汽態工作流體Fp在流道116中停留的時間增加，進而提聞熱交換的效率。
[0060]導流板140可直接配置在復熱管路120的外側，並與復熱管路120垂直配置，用以引導汽態工作流體Fp沿著復熱管路120的外側流動。在一實施例中，此些導流板140包括多個第一導流板141以及多個第二導流板142，此些第一導流板141與此些第二導流板142交錯配置，以形成S型流道。第一導流板141連接隔板113，並與隔板113垂直配置。各個第一導流板141與壓力容器110的內側壁不相連，以形成多個第一通道口 A。此外，第二導流板142連接壓力容器110的內側壁，並與內側壁垂直配置。各個第二導流板142與隔板113不相連，以形成多個第二通道口 B。上述的第一通道口 A與第二通道口 B交錯配置且位於流道的相對兩側，以形成類似S型的流道。因此，汽態工作流體Fp可經由第一通道口 A與第二通道口 B依序通過此些導流板140，並將熱能傳給復熱管路120內的一液態工作流體Fq。
[0061]上述的第一導流板141與第二導流板142例如是半封閉式擋板，用以控制汽態工作流體的流向並降低流速，但本發明不以此為限。導流板140亦可為多孔板140a或螺旋導流板140b，如圖4A及圖4B所示，同樣能達到控制汽態工作流體的流向並降低流速的功效。
[0062]此外，復熱管路120內部例如加裝扭曲片(twisted tape)、彈簧線(wirecoil)、線篩(wire brush)或設有突出物(block),使液態工作流體離子化而產生次回流(secondary flow),以增加液態工作流體停留的時間，進而提高熱交換的效率。或者，在另一實施例中，於液態工作流體中添加納米金屬(nano metal)增加吸熱能力、利用超音波振蕩液態工作流體或以擺動翼振蕩以增加紊流擾動能力，亦可應用在本發明的熱交換器中，以提高熱交換的效率。
[0063]承上所述，隔板113設有一流道出口 117，其位於流道116最遠離入口 111的一側。當汽態工作流體Fp於流道中釋放部分熱能之後，經由流道出口 117流向工作流體冷凝區110b。請參照圖1，冷卻流體管路130配置於壓力容器110中，並通過工作流體冷凝區110b，以冷卻進入壓力容器110內的汽態工作流體Fp。在一實施例中，冷卻流體管路130可為直管、波浪管或螺旋管。冷卻流體管路130固定在第一端板114與第二端板115上，且汽態工作流體Fp與外界冷卻流體C在工作流體冷凝區110b進行熱交換，其功能如同冷凝器。
[0064]由於高溫的汽態工作流體Fp在進行冷凝之前就先釋放部分熱能，以使汽態工作流體Fp的溫度下降，因此能降低冷凝器的熱負載(或熱交換面積)。
[0065]在一實施例中，上述介紹的導流板140亦可應用在工作流體冷凝區110b中，以形成類似圖1所示的流道於工作流體冷凝區110b中。導流板的排列方式如上所述，且其形式不限，可為多孔板、半封閉式擋板或螺旋導流板等。例如:將導流板直接配置在冷卻流體管路130的外側，並與冷卻流體管路130垂直配置，用以引導汽態工作流體Fp沿著冷卻流體管路130的外側流動。
[0066]此夕卜，冷卻流體管路130內部例如加裝扭曲片(twisted tape)、彈簧線(wirecoil)、線篩(wire brush)或設有突出物(block),使冷卻流體離子化而產生次回流(secondary flow),以增加冷卻流體停留的時間，進而提高熱交換的效率。或者，在另一實施例中，於冷卻流體中添加納米金屬(nano metal)增加吸熱能力、利用超音波振蕩冷卻流體或以擺動翼振蕩以增加紊流擾動能力，亦可應用在本發明的熱交換器中，以提高熱交換的效率。
[0067]請參照圖2，其繪示依照本發明一實施例的熱循環系統100。此熱循環系統100包括一具有復熱及冷凝功能的熱交換器101、一蒸發器160、一發電模塊150以及一泵170。熱交換器101的功能相當於復熱器及冷凝器。蒸發器160用以加熱工作流體F至一汽態。發電模塊150藉由一第一管路131連接蒸發器160的一出口，並藉由一第二管路132連接壓力容器110的一入口。此外，泵170藉由一第三管路133連接壓力容器110的一出口，並藉由一第四管路134連接復熱管路120的一入口，以形成一具有復熱功能的封閉迴路。因此，此熱循環系統100可為一具有熱能回收的封閉熱機循環系統。
[0068]應用在有機朗肯循環中，可利用常壓低沸點的有機物質(例如:冷媒、碳氫化合物)為工作流體，並可利用工業廢熱、地熱、溫泉或太陽能等多樣化的中低溫熱源來加熱工作流體，使工作流體在蒸發器160內蒸發、汽化，汽化後的工作流體再導引至發電模塊150做功並發電。
[0069]另外，應用在極低溫0RC發電系統，可利用常溫水(或表層海水)為熱源來加熱以液態天然氣、液態氮或液態氧做為冷流的工作流體，使工作流體在蒸發器160內蒸發、汽化，汽化後的工作流體再導引至發電模塊150做功並發電。
[0070]上述的發電模塊150例如是由膨脹機151 (例如:渦輪機、螺旋式膨脹機、渦卷式膨脹機)以及發電機152組合而成。請參照圖2，在一實施例中，具有高溫蒸汽狀態的工作流體F的熱能和壓力能轉換為膨脹機151的軸功率，再將工作流體膨脹做功產生的機械能輸入至發電機152，並由發電機152產生電力。此外，做功完後的汽態工作流體流經具有復熱及冷凝功能的熱交換器101，以釋放部分熱能，再通過冷卻流體管路130中的冷卻流體C吸收汽態工作流體的其餘熱能，而凝結為液態工作流體，接著，藉由泵170升壓液態工作流體，並送入蒸發器160中，利用熱源流體Η所放出的熱能進行液態工作流體的加熱，以構成一熱循環系統。
[0071]有關熱交換器的隔板113、導流板140、復熱管路120以及冷卻流體管路130的配置方式及流道設計，請參照圖1及相關內容，以下略述應用上述實施例的熱交換方法。請參照圖3，其繪示依照本發明一實施例的熱交換方法的各個步驟。首先，在步驟301中，提供一壓力容器110，壓力容器110內設置一復熱管路120、一冷卻流體管路130以及一隔板113。隔板113將壓力容器110的內部間隔為一工作流體復熱區110a以及一工作流體冷凝區110b，其中復熱管路120通過工作流體復熱區110a，而冷卻流體管路130通過工作流體冷凝區110b。在步驟302中，通入一汽態工作流體Fp於壓力容器110中，以加熱流經復熱管路120的一液態工作流體Fq。在步驟303中，引導汽態工作流體Fp由工作流體復熱區110a流向工作流體冷凝區110b。在步驟304中，引導汽態工作流體Fp通過工作流體冷凝區110b，以冷卻汽態工作流體Fp至一液態。
[0072]由上述的熱交換方法可知，汽態工作流體Fp與復熱管路120先在工作流體復熱區110a中進行熱交換，接著，汽態工作流體Fp再與外界冷卻流體C在工作流體冷凝區110b進行熱交換。因此，復熱的熱傳及冷凝的熱傳均在此一壓力容器110中進行，並以隔板113隔開，進而縮短熱交換所需管路的長度，並降低熱交換器的設置成本。此外，僅需要單一個壓力容器110，故可降低壓力容器驗證的成本。
[0073]本發明上述實施例所揭露的具復熱及冷凝功能的熱交換器及應用其的熱循環系統及方法，將復熱器及冷凝器合而為一，具有較佳的熱能利用及回收效率，並能同時降低蒸發器與冷凝器的熱負載，進而提高熱循環的效率，因此實用性高。
[0074]當然，本發明還可有其他多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。
【權利要求】
1.一種具有復熱及冷凝功能的熱交換器，其特徵在於，包括: 一壓力容器，該壓力容器具有一入口、一出口以及一隔板，該隔板將該壓力容器的內部間隔為一工作流體復熱區以及一工作流體冷凝區，且該隔板位於該入口與該出口之間；一復熱管路，配置於該壓力容器中，並通過該工作流體復熱區，以加熱流經該復熱管路的一液態工作流體；以及 一冷卻流體管路，配置於該壓力容器中，並通過該工作流體冷凝區，以冷卻一進入該壓力容器內的汽態工作流體， 其中，該汽態工作流體先通過該工作流體復熱區，再流向該工作流體冷凝區。
2.根據權利要求1所述的具有復熱及冷凝功能的熱交換器，其特徵在於，該壓力容器的內部包括多個導流板，該些導流板配置於工作流體復熱區中，該些導流板間隔地排列，以形成一流道，且該汽態工作流體經由該流道通過該些導流板。
3.根據權利要求1所述的具有復熱及冷凝功能的熱交換器，其特徵在於，該隔板設有一流道出口，該汽態工作流體經由該流道出口流向該工作流體冷凝區。
4.根據權利要求2所述的具有復熱及冷凝功能的熱交換器，其特徵在於，該些導流板包括多個第一導流板以及多個第二導流板，該些第一導流板與該些第二導流板交錯配置，以形成一 S型流道。
5.根據權利要求2所述的具有復熱及冷凝功能的熱交換器，其特徵在於，該些導流板為多孔板、半封閉式擋板或螺旋導流板。
6.根據權利要求1所述的具有復熱及冷凝功能的熱交換器，其特徵在於，該復熱管路及/或該冷卻流體管路內部設有扭曲片、彈簧線、線篩或突出物，使該液態工作流體及/或冷卻流體產生次回流。
7.一種熱循環系統，其特徵在於，包括: 一具有復熱及冷凝功能的熱交換器，包括: 一壓力容器，該壓力容器具有一入口、一出口以及一隔板，該隔板將該壓力容器的內部間隔為一工作流體復熱區以及一工作流體冷凝區； 一復熱管路，配置於該壓力容器中，並通過該工作流體復熱區，以加熱流經該復熱管路的一液態工作流體；及 一冷卻流體管路，配置於該壓力容器中，並通過該工作流體冷凝區，以冷卻一進入該壓力容器內的汽態工作流體， 其中，該汽態工作流體先通過該工作流體復熱區，再流向該工作流體冷凝區； 一蒸發器，連接該復熱管路的一出口，以加熱該液態工作流體至一汽態； 一發電模塊，藉由一第一管路連接該蒸發器的一出口，並藉由一第二管路連接該壓力容器的該入口 ；以及 一泵，藉由一第三管路連接該壓力容器的該出口，並藉由一第四管路連接該復熱管路的一入口。
8.根據權利要求7所述的熱循環系統，其特徵在於，該壓力容器的內部包括多個導流板，該些導流板配置於工作流體復熱區中，該些導流板間隔地排列，以形成一流道，且該汽態工作流體經由該流道通過該些導流板。
9.根據權利要求7所述的熱循環系統，其特徵在於，該隔板設有一流道出口，該汽態工作流體經由該流道出口流向該工作流體冷凝區。
10.根據權利要求8所述的熱循環系統，其特徵在於，該些導流板包括多個第一導流板以及多個第二導流板，該些第一導流板與該些第二導流板交錯配置，以形成一 S型流道。
11.根據權利要求8所述的熱循環系統，其特徵在於，該些導流板為多孔板、半封閉式擋板或螺旋導流板。
12.根據權利要求7所述的熱循環系統，其特徵在於，該復熱管路及/或該冷卻流體管路內部設有扭曲片、彈簧線、線篩或突出物，使該液態工作流體及/或冷卻流體產生次回流。
13.—種熱交換方法，其特徵在於，包括: 提供一壓力容器，該壓力容器內設置一復熱管路、一冷卻流體管路以及一隔板，該隔板將該壓力容器的內部間隔為一工作流體復熱區以及一工作流體冷凝區，其中該復熱管路通過該工作流體復熱區，而該冷卻流體管路通過該工作流體冷凝區； 通入一汽態工作流體於該壓力容器中，以加熱流經該復熱管路的一液態工作流體； 引導該汽態工作流體由該工作流體復熱區流向該工作流體冷凝區；以及 引導該汽態工作流體通過該工作流體冷凝區，以冷卻該汽態工作流體至一液態。
14.根據權利要求13所述的熱交換方法，其特徵在於，該壓力容器的內部還包括多個導流板，該些導流板配置於工作流體復熱區中，該些導流板間隔地排列，以形成一流道，且該汽態工作流體經由該流道通過該些導流板。
15.根據權利要求14所述的熱交換方法，其特徵在於，該隔板設有一流道出口，該汽態工作流體經由該流道出口流向該工作流體冷凝區。
16.根據權利要求14所述的熱交換方法，其特徵在於，該些導流板包括多個第一導流板以及多個第二導流板，該些第一導流板與該些第二導流板交錯配置，以形成一 S型流道。
17.根據權利要求14所述的熱交換方法，其特徵在於，該些導流板為多孔板、半封閉式擋板或螺旋導流板。
18.根據權利要求13所述的熱交換方法，其特徵在於，該復熱管路及/或該冷卻流體管路內部設有扭曲片、彈簧線、線篩或突出物，使該液態工作流體及/或冷卻流體產生次回流。
【文檔編號】F01K25/10GK104420902SQ201310625248
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年11月27日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】傅本然, 郭啟榮, 徐菘蔚 申請人:財團法人工業技術研究院