CN104420902B - 具有复热及冷凝功能的热交换器、热循环系统及其方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有复热及冷凝功能的热交换器、热循环系统及其方法，具有复热及冷凝功能的热交换器，包括一压力容器、一复热管路以及一冷却流体管路。压力容器具有一入口、一出口以及一隔板，隔板将压力容器的内部间隔为一工作流体复热区以及一工作流体冷凝区，且隔板位于入口与出口之间。复热管路配置于压力容器中，并通过工作流体复热区，以加热流经复热管路的一液态工作流体。冷却流体管路配置于压力容器中，并通过工作流体冷凝区，以冷却一进入压力容器内的汽态工作流体。汽态工作流体先通过工作流体复热区，再流向工作流体冷凝区。

Description

具有复热及冷凝功能的热交换器、热循环系统及其方法
技术领域
本发明涉及一种热传机制，且特别涉及一种具有复热及冷凝功能的热交换器及应用其的热循环系统及方法。
背景技术
中低温废热发电市场近几年蓬勃发展，而有机朗肯循环(Organic RankineCycle，ORC)为目前中低温废热发电技术中最为成熟且具经济效益的一种技术。有机朗肯循环为一封闭热机循环系统，其关键元件和工作原理如下：(1)工作流体升压泵(pump)：升压液态工作流体，并送入蒸发器中加热；(2)蒸发器(evaporator)：吸取热源流体的热能，以汽化工作流体；(3)膨胀机/涡轮机及发电机组(expander/turbine and power generator)：转换工作流体的热能和压力能为膨胀机的轴功率(shaft power)，再经由发电机产生电力；(4)冷凝器(condenser)：冷凝做功后的汽态工作流体成为液态，并送往工作流体升压泵的入口，完成循环。
有机朗肯循环(ORC)属于双循环系统(binary cycle system)。其一，ORC回路中的工作流体，经历液泵升压、蒸发器汽化、膨胀机做功、冷凝器液化等过程，完成密闭式热机循环系统。其二，来自热源的热流(hot stream)，则通过蒸发器，将热能传递给工作流体。在蒸发器内，工作流体通过热传介质（例如：壳管式热交换器的热传管、板式热交换器的热传板）吸收热流热能。热流于蒸发器放热后，即经由蒸发器的热流出口流回至外界环境。视热流出口的温度与流量，热流可能直接排放或再利用。
然而，做完功后的汽态工作流体的温度过高，会造成冷凝器的热负载增加，而升压后的液态工作流体的温度过低，则会造成蒸发器的热负载增加。因此，热循环的效率无法有效提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有复热及冷凝功能的热交换器及热循环系统，具有较佳的热能利用及回收效率，以降低热交换器的热负载。
本发明的另一目的在于提供一种热交换方法，具有较佳的热能利用及回收效率，以降低热交换器的热负载。
根据本发明的一方面，提出一种具有复热及冷凝功能的热交换器，包括一压力容器、一复热管路以及一冷却流体管路。压力容器具有一入口、一出口以及一隔板，隔板将压力容器的内部间隔为一工作流体复热区以及一工作流体冷凝区，且隔板位于入口与出口之间。复热管路配置于压力容器中，并通过工作流体复热区，以加热流经复热管路的一液态工作流体。冷却流体管路配置于压力容器中，并通过工作流体冷凝区，以冷却一进入压力容器内的汽态工作流体。汽态工作流体先通过工作流体复热区，再流向工作流体冷凝区。
根据本发明的一方面，提出一种热循环系统，包括一具有复热及冷凝功能的热交换器、一蒸发器、一发电模块以及一泵。此具有复热及冷凝功能的热交换器包括一压力容器、一复热管路以及一冷却流体管路。压力容器具有一入口、一出口以及一隔板，隔板将压力容器的内部间隔为一工作流体复热区以及一工作流体冷凝区，且隔板位于入口与出口之间。复热管路配置于压力容器中，并通过工作流体复热区，以加热流经复热管路的一液态工作流体。冷却流体管路配置于压力容器中，并通过工作流体冷凝区，以冷却一进入压力容器内的汽态工作流体。汽态工作流体先通过工作流体复热区，再流向工作流体冷凝区。蒸发器连接复热管路的一出口，以加热液态工作流体至一汽态。发电模块藉由一第一管路连接蒸发器的一出口，并藉由一第二管路连接压力容器的入口。泵藉由一第三管路连接压力容器的出口，并藉由一第四管路连接复热管路的一入口。
根据本发明的一方面，提出一种热交换方法，包括下列步骤。提供一压力容器，压力容器内设置一复热管路、一冷却流体管路以及一隔板。隔板将压力容器的内部间隔为一工作流体复热区以及一工作流体冷凝区。复热管路通过工作流体复热区，而冷却流体管路通过工作流体冷凝区。通入一汽态工作流体于压力容器中，以加热流经复热管路的一液态工作流体。引导汽态工作流体由工作流体复热区流向工作流体冷凝区。引导汽态工作流体通过工作流体冷凝区，以冷却汽态工作流体至一液态。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1绘示依照本发明一实施例的具复热及冷凝功能的热交换器；
图2绘示依照本发明一实施例的热循环系统；
图3绘示依照本发明一实施例的热交换方法的各个步骤。
图4A及图4B分别绘示导流板为多孔板或螺旋导流板的示意图。
其中，附图标记
100：热循环系统
101：热交换器
110：压力容器
110a：工作流体复热区
110b：工作流体冷凝区
111：入口
112：出口
113：隔板
114：第一端板
115：第二端板
116：流道
117：流道出口
120：复热管路
130：冷却流体管路
131：第一管路
132：第二管路
133：第三管路
134：第四管路
140：导流板
140a：多孔板
140b：螺旋导流板
141：第一导流板
142：第二导流板
150：发电模块
151：膨胀机
152：发电机
160：蒸发器
170：泵
F：工作流体
Fp：汽态工作流体
Fq：液态工作流体
A：第一通道口
B：第二通道口
C：冷却流体
H：热源流体
具体实施方式
在本实施例的一范例中，以具有复热及冷凝功能的热交换器来加热高压侧的液态工作流体，且同时能冷却低压侧的汽态工作流体。例如：经由泵升压后的液态工作流体，在进入蒸发器之前，先进入一复热管路中吸热，以使过冷液态工作流体的温度上升，以减少蒸发器的热负载（或热交换面积）。此外，做功后的低压汽态工作流体，在进行冷凝之前就先释放部分热能，以使汽态工作流体的温度下降，以降低冷凝器的热负载（或热交换面积）。因此，可同时降低蒸发器与冷凝器的热负载。
在一实施例中，热交换器具有复热器及冷凝器的双重功能，且仅需要单一个压力容器。若将复热器及冷凝器分为二，除设置经费增加外，由于复热器属于压力容器的一种，需进行压力容器认证，因而成本增加。
在一实施例中，压力容器具有一隔板，此隔板将该压力容器的内部间隔为一工作流体复热区以及一工作流体冷凝区。汽态工作流体与过冷液态工作流体在工作流体复热区中进行热交换，其功能如同复热器。接着，汽态工作流体再与外界冷却流体在工作流体冷凝区进行热交换，其功能如同冷凝器。因此，复热的热传及冷凝的热传均在此一压力容器中进行，并以隔板隔开，进而缩短热交换所需管路的长度，并降低热交换器的设置成本。
以下是提出实施例进行详细说明，实施例仅用以作为范例说明，并非用以限缩本发明欲保护的范围。
请参照图1，其绘示依照本发明一实施例的具有复热及冷凝功能的热交换器101。此热交换器101包括一压力容器110、一复热管路120以及一冷却流体管路130。压力容器110具有一入口111、一出口112以及一隔板113。隔板113将压力容器110的内部间隔为一工作流体复热区110a以及一工作流体冷凝区110b，且隔板113位于入口111与出口112之间。在本实施例中，设置隔板113的目的是使热交换器101具有复热器及冷凝器的双重功能，且仅需要单一个压力容器110，因此能减少热交换器101设置的成本。
在一实施例中，压力容器110内设有第一端板114与第二端板115，此二端板与压力容器110的内侧壁相连。隔板113的一端固定在第二端板115上，并与第二端板115垂直配置。隔板113的另一端与第一端板114不相连，以形成一流道出口117于工作流体复热区110a以及工作流体冷凝区110b之间。因此，汽态工作流体Fp由入口111进入压力容器110后，先经过工作流体复热区110a，再由流道出口117流向工作流体冷凝区110b。
请参照图1，复热管路120配置于压力容器110，并通过工作流体复热区110a，以加热流经复热管路120的一液态工作流体Fq。在一实施例中，复热管路120可为直管、波浪管或螺旋管。复热管路120固定在第一端板114与第二端板115上，且复热管路120连接于泵170与蒸发器160（参见图2）之间。因此，汽态工作流体Fp与过冷液态工作流体Fq可在工作流体复热区110a中进行热交换，其功能如同复热器。
由于经由泵170升压后的液态工作流体Fq，在进入蒸发器160之前，先进入复热管路120中吸热，以使液态工作流体的温度上升，故能减少蒸发器160的热负载（或热交换面积）。
请参照图1，压力容器110的内部例如包括多个导流板140，此些导流板140配置于工作流体复热区110a中，且此些导流板140间隔地排列，以形成一流道116，例如是S型流道或螺旋型流道。因此，汽态工作流体Fp可经由流道116通过此些导流板140。在一实施例中，设置导流板140的目的是为了增加复热管路120与汽态工作流体Fp于流道116中的热交换面积，并降低汽态工作流体Fp的流速，以使汽态工作流体Fp在流道116中停留的时间增加，进而提高热交换的效率。
导流板140可直接配置在复热管路120的外侧，并与复热管路120垂直配置，用以引导汽态工作流体Fp沿着复热管路120的外侧流动。在一实施例中，此些导流板140包括多个第一导流板141以及多个第二导流板142，此些第一导流板141与此些第二导流板142交错配置，以形成S型流道。第一导流板141连接隔板113，并与隔板113垂直配置。各个第一导流板141与压力容器110的内侧壁不相连，以形成多个第一通道口A。此外，第二导流板142连接压力容器110的内侧壁，并与内侧壁垂直配置。各个第二导流板142与隔板113不相连，以形成多个第二通道口B。上述的第一通道口A与第二通道口B交错配置且位于流道的相对两侧，以形成类似S型的流道。因此，汽态工作流体Fp可经由第一通道口A与第二通道口B依序通过此些导流板140，并将热能传给复热管路120内的一液态工作流体Fq。
上述的第一导流板141与第二导流板142例如是半封闭式挡板，用以控制汽态工作流体的流向并降低流速，但本发明不以此为限。导流板140亦可为多孔板140a或螺旋导流板140b，如图4A及图4B所示，同样能达到控制汽态工作流体的流向并降低流速的功效。
此外，复热管路120内部例如加装扭曲片(twisted tape)、弹簧线(wire coil)、线筛(wire brush)或设有突出物(block)，使液态工作流体离子化而产生次回流(secondaryflow)，以增加液态工作流体停留的时间，进而提高热交换的效率。或者，在另一实施例中，于液态工作流体中添加纳米金属(nano metal)增加吸热能力、利用超音波振荡液态工作流体或以摆动翼振荡以增加紊流扰动能力，亦可应用在本发明的热交换器中，以提高热交换的效率。
承上所述，隔板113设有一流道出口117，其位于流道116最远离入口111的一侧。当汽态工作流体Fp于流道中释放部分热能之后，经由流道出口117流向工作流体冷凝区110b。请参照图1，冷却流体管路130配置于压力容器110中，并通过工作流体冷凝区110b，以冷却进入压力容器110内的汽态工作流体Fp。在一实施例中，冷却流体管路130可为直管、波浪管或螺旋管。冷却流体管路130固定在第一端板114与第二端板115上，且汽态工作流体Fp与外界冷却流体C在工作流体冷凝区110b进行热交换，其功能如同冷凝器。
由于高温的汽态工作流体Fp在进行冷凝之前就先释放部分热能，以使汽态工作流体Fp的温度下降，因此能降低冷凝器的热负载（或热交换面积）。
在一实施例中，上述介绍的导流板140亦可应用在工作流体冷凝区110b中，以形成类似图1所示的流道于工作流体冷凝区110b中。导流板的排列方式如上所述，且其形式不限，可为多孔板、半封闭式挡板或螺旋导流板等。例如：将导流板直接配置在冷却流体管路130的外侧，并与冷却流体管路130垂直配置，用以引导汽态工作流体Fp沿着冷却流体管路130的外侧流动。
此外，冷却流体管路130内部例如加装扭曲片(twisted tape)、弹簧线(wirecoil)、线筛(wire brush)或设有突出物(block)，使冷却流体离子化而产生次回流(secondary flow)，以增加冷却流体停留的时间，进而提高热交换的效率。或者，在另一实施例中，于冷却流体中添加纳米金属(nano metal)增加吸热能力、利用超音波振荡冷却流体或以摆动翼振荡以增加紊流扰动能力，亦可应用在本发明的热交换器中，以提高热交换的效率。
请参照图2，其绘示依照本发明一实施例的热循环系统100。此热循环系统100包括一具有复热及冷凝功能的热交换器101、一蒸发器160、一发电模块150以及一泵170。热交换器101的功能相当于复热器及冷凝器。蒸发器160用以加热工作流体F至一汽态。发电模块150藉由一第一管路131连接蒸发器160的一出口，并藉由一第二管路132连接压力容器110的一入口。此外，泵170藉由一第三管路133连接压力容器110的一出口，并藉由一第四管路134连接复热管路120的一入口，以形成一具有复热功能的封闭回路。因此，此热循环系统100可为一具有热能回收的封闭热机循环系统。
应用在有机朗肯循环中，可利用常压低沸点的有机物质(例如：冷媒、碳氢化合物)为工作流体，并可利用工业废热、地热、温泉或太阳能等多样化的中低温热源来加热工作流体，使工作流体在蒸发器160内蒸发、汽化，汽化后的工作流体再导引至发电模块150做功并发电。
另外，应用在极低温ORC发电系统，可利用常温水（或表层海水）为热源来加热以液态天然气、液态氮或液态氧做为冷流的工作流体，使工作流体在蒸发器160内蒸发、汽化，汽化后的工作流体再导引至发电模块150做功并发电。
上述的发电模块150例如是由膨胀机151（例如：涡轮机、螺旋式膨胀机、涡卷式膨胀机）以及发电机152组合而成。请参照图2，在一实施例中，具有高温蒸汽状态的工作流体F的热能和压力能转换为膨胀机151的轴功率，再将工作流体膨胀做功产生的机械能输入至发电机152，并由发电机152产生电力。此外，做功完后的汽态工作流体流经具有复热及冷凝功能的热交换器101，以释放部分热能，再通过冷却流体管路130中的冷却流体C吸收汽态工作流体的其余热能，而凝结为液态工作流体，接着，藉由泵170升压液态工作流体，并送入蒸发器160中，利用热源流体H所放出的热能进行液态工作流体的加热，以构成一热循环系统。
有关热交换器的隔板113、导流板140、复热管路120以及冷却流体管路130的配置方式及流道设计，请参照图1及相关内容，以下略述应用上述实施例的热交换方法。请参照图3，其绘示依照本发明一实施例的热交换方法的各个步骤。首先，在步骤301中，提供一压力容器110，压力容器110内设置一复热管路120、一冷却流体管路130以及一隔板113。隔板113将压力容器110的内部间隔为一工作流体复热区110a以及一工作流体冷凝区110b，其中复热管路120通过工作流体复热区110a，而冷却流体管路130通过工作流体冷凝区110b。在步骤302中，通入一汽态工作流体Fp于压力容器110中，以加热流经复热管路120的一液态工作流体Fq。在步骤303中，引导汽态工作流体Fp由工作流体复热区110a流向工作流体冷凝区110b。在步骤304中，引导汽态工作流体Fp通过工作流体冷凝区110b，以冷却汽态工作流体Fp至一液态。
由上述的热交换方法可知，汽态工作流体Fp与复热管路120先在工作流体复热区110a中进行热交换，接着，汽态工作流体Fp再与外界冷却流体C在工作流体冷凝区110b进行热交换。因此，复热的热传及冷凝的热传均在此一压力容器110中进行，并以隔板113隔开，进而缩短热交换所需管路的长度，并降低热交换器的设置成本。此外，仅需要单一个压力容器110，故可降低压力容器验证的成本。
本发明上述实施例所揭露的具复热及冷凝功能的热交换器及应用其的热循环系统及方法，将复热器及冷凝器合而为一，具有较佳的热能利用及回收效率，并能同时降低蒸发器与冷凝器的热负载，进而提高热循环的效率，因此实用性高。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (18)

1.一种具有复热及冷凝功能的热交换器，其特征在于，包括：
一压力容器，该压力容器具有一入口、一出口以及一隔板，该隔板将该压力容器的内部间隔为一工作流体复热区以及一工作流体冷凝区，且该隔板位于该入口与该出口之间；
一复热管路，配置于该压力容器中，并通过该工作流体复热区，以加热流经该复热管路的一液态工作流体；以及
一冷却流体管路，配置于该压力容器中，并通过该工作流体冷凝区，以冷却一进入该压力容器内的汽态工作流体，
其中，该隔板分隔于该复热管路与该冷却流体管路之间，且该汽态工作流体先经由该入口进入该工作流体复热区，再通过该隔板流向该工作流体冷凝区并直接经由该出口排出。
2.根据权利要求1所述的具有复热及冷凝功能的热交换器，其特征在于，该压力容器的内部包括多个导流板，该些导流板配置于工作流体复热区中，该些导流板间隔地排列，以形成一流道，且该汽态工作流体经由该流道通过该些导流板。
3.根据权利要求1所述的具有复热及冷凝功能的热交换器，其特征在于，该隔板设有一流道出口，该汽态工作流体经由该流道出口流向该工作流体冷凝区。
4.根据权利要求2所述的具有复热及冷凝功能的热交换器，其特征在于，该些导流板包括多个第一导流板以及多个第二导流板，该些第一导流板与该些第二导流板交错配置，以形成一S型流道。
5.根据权利要求2所述的具有复热及冷凝功能的热交换器，其特征在于，该些导流板为多孔板、半封闭式挡板或螺旋导流板。
6.根据权利要求1所述的具有复热及冷凝功能的热交换器，其特征在于，该复热管路及/或该冷却流体管路内部设有扭曲片、弹簧线、线筛或突出物，使该液态工作流体及/或冷却流体产生次回流。
7.一种热循环系统，其特征在于，包括：
一具有复热及冷凝功能的热交换器，包括：
一压力容器，该压力容器具有一入口、一出口以及一隔板，该隔板将该压力容器的内部间隔为一工作流体复热区以及一工作流体冷凝区；
一复热管路，配置于该压力容器中，并通过该工作流体复热区，以加热流经该复热管路的一液态工作流体；及
一冷却流体管路，配置于该压力容器中，并通过该工作流体冷凝区，以冷却一进入该压力容器内的汽态工作流体，
其中，该汽态工作流体先通过该工作流体复热区，再流向该工作流体冷凝区；
一蒸发器，连接该复热管路的一出口，以加热该液态工作流体至一汽态；
一发电模块，藉由一第一管路连接该蒸发器的一出口，并藉由一第二管路连接该压力容器的该入口；以及
一泵，藉由一第三管路连接该压力容器的该出口，并藉由一第四管路连接该复热管路的一入口。
8.根据权利要求7所述的热循环系统，其特征在于，该压力容器的内部包括多个导流板，该些导流板配置于工作流体复热区中，该些导流板间隔地排列，以形成一流道，且该汽态工作流体经由该流道通过该些导流板。
9.根据权利要求7所述的热循环系统，其特征在于，该隔板设有一流道出口，该汽态工作流体经由该流道出口流向该工作流体冷凝区。
10.根据权利要求8所述的热循环系统，其特征在于，该些导流板包括多个第一导流板以及多个第二导流板，该些第一导流板与该些第二导流板交错配置，以形成一S型流道。
11.根据权利要求8所述的热循环系统，其特征在于，该些导流板为多孔板、半封闭式挡板或螺旋导流板。
12.根据权利要求7所述的热循环系统，其特征在于，该复热管路及/或该冷却流体管路内部设有扭曲片、弹簧线、线筛或突出物，使该液态工作流体及/或冷却流体产生次回流。
13.一种热交换方法，其特征在于，包括：
提供一压力容器，该压力容器具有一入口及一出口，且该压力容器内设置一复热管路、一冷却流体管路以及一隔板，该隔板分隔于该复热管路与该冷却流体管路之间，将该压力容器的内部间隔为一工作流体复热区以及一工作流体冷凝区，其中该复热管路通过该工作流体复热区，而该冷却流体管路通过该工作流体冷凝区；
通入一汽态工作流体于该压力容器中，经由该入口进入该工作流体复热区，以加热流经该复热管路的一液态工作流体；
引导该汽态工作流体由该工作流体复热区通过该隔板流向该工作流体冷凝区；以及
引导该汽态工作流体通过该工作流体冷凝区以冷却该汽态工作流体至一液态，并直接经由该出口排出。
14.根据权利要求13所述的热交换方法，其特征在于，该压力容器的内部还包括多个导流板，该些导流板配置于工作流体复热区中，该些导流板间隔地排列，以形成一流道，且该汽态工作流体经由该流道通过该些导流板。
15.根据权利要求14所述的热交换方法，其特征在于，该隔板设有一流道出口，该汽态工作流体经由该流道出口流向该工作流体冷凝区。
16.根据权利要求14所述的热交换方法，其特征在于，该些导流板包括多个第一导流板以及多个第二导流板，该些第一导流板与该些第二导流板交错配置，以形成一S型流道。
17.根据权利要求14所述的热交换方法，其特征在于，该些导流板为多孔板、半封闭式挡板或螺旋导流板。
18.根据权利要求13所述的热交换方法，其特征在于，该复热管路及/或该冷却流体管路内部设有扭曲片、弹簧线、线筛或突出物，使该液态工作流体及/或冷却流体产生次回流。
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