CN108233771A - 用于辐射热回收发电的热交换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于辐射热回收发电的热交换装置，该热交换装置包含：多个扁方管，该多个扁方管为平行排列；一第一干管，位于各该多个扁方管的一端，该第一干管与各该多个扁方管之间分别具有一连通孔，该第一干管包含一出水口；一第二干管，位于各该多个扁方管的另一端，该第二干管与各该多个扁方管之间分别具有一连通孔，该第二干管包含一入水口；多个热电晶片，位于各该多个扁方管的一外管壁上，该多个热电晶片之间为一阵列排列；以及至少一支撑架，位于相对该外管壁的另一外管壁上，该至少一支撑架连接各该多个扁方管。
Description
技术领域
本发明关于用于辐射热回收发电的热交换装置。
背景技术
在工业燃烧设备中，所产生的辐射废热被视为无法回收再利用。目前国内五大工业辐射热废热分别为金属冶炼厂、玻璃面板厂、水泥厂、石化厂、及造纸厂。由于制程常在摄氏数百度的温度条件下操作，因此废热多以热辐射方式散失于环境当中。然而过去并没有相对应的回收机制，因此视辐射热为无法回收的废热。例如钢铁冶炼的连续铸造制程，属钢铁业的上游制程，温度达1000℃。而在钢铁业的下游热轧制程，其盘卷热处理时，温度仍可达500℃。另外在水泥、造纸等产业中，制程常设置旋窑燃烧系统，虽然炉体用耐火材料披覆保温，其窑体外壳仍有300℃的温度。
上述的工业制程中，皆有一个共通的特性，就是制程是属连续式，且物件连续移动，无法用接触式的装置进行废热回收，因此制程中释放尚未回收的高辐射废热量。此类型的厂域适合发展非接触式辐射热吸收技术，用来回收制程现场辐射热，所回收的热能可搭配热电技术，转换成电力使用。
发明内容
本发明提供一种用于辐射热回收发电的热交换装置，成本较低且容易组装与加工。
该用于辐射热回收发电的热交换装置包含：多个扁方管，该多个扁方管为平行排列；一第一干管，位于各该多个扁方管的一端，该第一干管与各该多个扁方管之间分别具有一连通孔，该第一干管包含一出水口；一第二干管，位于各该多个扁方管的另一端，该第二干管与各该多个扁方管之间分别具有一连通孔，该第二干管包含一入水口；多个热电晶片，位于各该多个扁方管的一外管壁上，该多个热电晶片之间为一阵列排列；以及至少一支撑架，位于相对该外管壁的另一外管壁上，该至少一支撑架连接各该多个扁方管。
附图说明
图1为根据一些实施例说明热交换装置的示意图。
图2为根据一些实施例说明热交换装置的侧视图。
图3为根据一些实施例说明热交换装置的侧视图。
图4为根据一些实施例说明热交换装置的侧视图。
图5为根据一些实施例说明热交换装置的剖面图。
图6为根据一些实施例说明热交换装置的示意图。
其中，附图标记：
11 扁方管 13 第一干管
14 第二干管 15 端
16 连通孔 18 出水口
19 端 20 连通孔
22 入水口 23 热电晶片
24 热面 25 外管壁
26 支撑架 27 第一干管
28 延伸曲面 30 扁方管
31 外管壁 32 圆心
33 出水口 35 扁方管
36 热电晶片 37 第一干管
38 第二干管 39 出水口
40 入水口 41 吸热板
42 冷面 43 热面
45 外框架 46 台架
47 集线盒 48 保温板
49 内侧壁 50 螺丝
51 吸热板 52 鳍片
53 扁方管 54 热电晶片
55 第一干管 56 第二干管
57 出水口 58 入水口
59 外框架 60 台架
61 集线盒 62 保温板
63 冷面 64 热面
65 吸热板 66 热电晶片
67 扁方管 68 外框架
69 真空环境 70 热面
71 冷面 72 绝热涂层
73 内壁 74 热能
75 热能 80 轴承
81 滑轨 82 台架
83 角度 85 外框架
100 热交换装置 200 热交换装置
300 热交换装置 400 热交换装置
500 热交换装置 600 热交换装置
Dh 水力直径 h 热对流系数
k 热传导系数 L1 长度
NuD 纽塞数 P 截面积浸润周长
R 曲率半径 W 宽度
具体实施方式
本发明提出用于辐射热回收发电的热交换装置。热交换装置利用多个扁方管排列组合成阵列式扁方管结构，透过扁方管的几何形状，扁方管与热电晶片紧密地接触且结合。热辐射在热电晶片的热端被吸收，热能在热电晶片的冷端被工作流体带走，使热电晶片的冷、热端产生温差发电。热交换装置利用扁方管的耐压与易焊接特性，并且依据热电发电系统容量所需，于直向延伸管长，并于横向增加管数，在横向干管与直向支管结合形成流道。同时，横向支撑架可强化整体阵列式扁方管结构的机械强度。此热交换装置容易量产、容易组装，并且具耐压、抗腐蚀特性，可长期于工业现场连续操作。
图1为根据一些实施例说明热交换装置100的示意图。一种用于辐射热回收发电的热交换装置100，热交换装置100包含：多个扁方管11，多个扁方管11为平行排列；第一干管13，位于各多个扁方管11的一端15，第一干管13与各多个扁方管11之间分别具有一连通孔16，第一干管13包含一出水口18；第二干管14，位于各多个扁方管11的另一端19，第二干管14与各多个扁方管11之间分别具有一连通孔20，第二干管14包含一入水口22；多个热电晶片23，位于各多个扁方管11的一外管壁25上，多个热电晶片23之间为一阵列排列；以及至少一支撑架26，位于相对外管壁25的另一外管壁上，至少一支撑架26连接各多个扁方管11。
各个扁方管11具有延伸的外管壁25，各个扁方管11的切面为长方形或方形的壁面，各个扁方管11本身为流道，容许工作流体或水在内部流通。在一实施例，各个扁方管11的材料为不锈钢，具有耐腐蚀性、耐热性、以及耐水压等特性。材料也能采用其他表面处理后的钢材或其他材质，例如：镀锌钢、铜、铝合金，但不在此限。
各热电晶片23是由数个p型与n型半导体所串联而成。当热电晶片23的两端面有温度差异时，根据热平衡理论，n型半导体中的电子载子与p型半导体中的电洞载子便扮演传递热量的角色，于是产生直流电流。其电流的大小由高温面与低温面的温差决定，温差越大所产生的电流也越大。在一实施例中，各热电晶片23包含一热面24与一冷面(或称为热端与冷端)，热面24的方向朝外，冷面相对于热面24，冷面朝向扁方管11，并且冷面接触外管壁25。实际操作上，扁方管11的几何形状与热电晶片23有紧密的接触与结合，当热辐射在热电晶片23的热面24(或热端)被吸收时，热能在冷面(或冷端)被扁方管11内的工作流体带走，藉以形成温度差异，而产生电流且进行发电。
各个扁方管11与第一干管13透过连通孔16相通。各个扁方管11与第二干管14透过连通孔20相通。第一干管13与第二干管14呈现平行，第一干管13或第二干管14与各个扁方管11呈现垂直。工作流体或水注入第二干管14的入水口22，透过连通孔20，工作流体或水进入各个扁方管11，第一干管13汇集各个扁方管11内的流道，第一干管13的出水口18用以排出来自各个扁方管11的工作流体或水。在一实施例中，入水口22、出水口18将直接采用工业现场的冷却循环水或制程纯水，工业现场冷却循环水主要针对大型机具进行冷却，通常管线压力可达10kg/cm2。在一实施例中，入水口22可加装泵，对工作流体或水进行加压，使得管线压力升高以增加流速。
在一实施例中，至少一支撑架26平行于第一干管13或第二干管14。至少一支撑架26支撑各个扁方管11，并且各个扁方管11焊接于至少一支撑架26上，至少一支撑架26可采用和扁方管11相同的结构但是不同尺寸，或采用实心的钢材，支撑架26用以增加热交换装置100整体的机械强度。在一实施例中，至少一支撑架26为长方体，各面为平面。
在一实施例中，各热电晶片23的尺寸为长度40毫米(mm)×宽度40毫米(mm)，可选用外径为10毫米×50毫米(截面尺寸)的扁方管11。本实施例的热电晶片23长度L1为40毫米，扁方管11的宽度W为50毫米，扁方管11的宽度W与热电晶片23长度L1的关系式如下：
W＝L1+(0～0.5)×L1
换句话说，扁方管11的最小宽度W可以等于热电晶片23的长度L1。扁方管11的最大宽度W为1.5倍热电晶片23的长度L1。扁方管11的管长延伸与管数增加，则依整体热交换量与热电晶片23数量设计而决定，不在此限。在一实施例中，各热电晶片23的冷面的长度L1小于各扁方管11的宽度W。
图2为根据一些实施例说明热交换装置200的侧视图。在一实施例中，第一干管27包含一延伸曲面28，多个扁方管30位于延伸曲面28上，多个扁方管30在空间上呈现一曲面排列。第一干管27具有出水口33。延伸曲面28具有一曲率半径R，使得各扁方管30的外管壁31朝向延伸曲面28的圆心32。相应地，位于各个扁方管30的另一端上的第二干管(未绘出)，以及位于各个扁方管30的中段上的至少一支撑架(未绘出)也包含延伸曲面，该延伸曲面与延伸曲面28相似且具有曲率半径R。本实施例适用于具有曲面的发热源，例如：水泥旋窑。曲面排列能提高热源收集效果。
图3为根据一些实施例说明热交换装置300的侧视图。热交换装置300包含：多个扁方管35、多个热电晶片36、第一干管37、第二干管38、出水口39、以及入水口40。在一实施例中，热交换装置300另包含：吸热板41，其中多个热电晶片36位于吸热板41与多个扁方管35之间。各个热电晶片36包含冷面42与热面43(或称为热端与冷端)，冷面42接触扁方管35，吸热板41接触各个热电晶片36的热面43。
在一实施例中，热交换装置300另包含：外框架45，其中外框架45容置多个扁方管35，外框架45与吸热板41密封多个扁方管35与多个热电晶片36。外框架45具有台架46，扁方管35、第一干管37、以及第二干管38固定于台架46上。出水口39以及入水口40穿越台架46且突出外框架45。在一实施例中，热交换装置300另包含集线盒47，集线盒47连接多个热电晶片36。集线盒47接收并且汇集热电晶片36所产生的电能。在一实施例中，使用螺丝50将吸热板41固定于台架46。
在一实施例中，热交换装置300另包含至少一保温板48，保温板48位于外框架45的一内侧壁49。保温板48用以阻断外框架45的内、外部之间的温度传递，维持热电晶片36的冷面42、及热面43(或称为热端与冷端)的温度差异。保温板48可采用例如：岩棉保温板。
图4为根据一些实施例说明热交换装置400的侧视图。在一实施例中，热交换装置400与热交换装置300相似，差异点在于，热交换装置400的吸热板51具有多个鳍片52，鳍片52用以增加吸热板51的表面积，藉以提升吸热效率。多个热电晶片54位于吸热板51与多个扁方管53之间。各个热电晶片54包含冷面63与热面64，冷面63接触扁方管53，吸热板51接触各个热电晶片54的热面64，鳍片52立于吸热板51的另一面。
在一实施例中，热交换装置400包含：多个扁方管53、多个热电晶片54、第一干管55、第二干管56、出水口57、入水口58、外框架59、台架60、集线盒61、保温板62。
图5为根据一些实施例说明热交换装置500的剖面图。热交换装置500包含：吸热板65、热电晶片66、扁方管67、及外框架68。外框架68容置热电晶片66与扁方管67，并且吸热板65与外框架68密封热电晶片66与扁方管67。热电晶片66的热面70(或称为热端)接触吸热板65，热电晶片66的冷面71(或称为冷端)接触扁方管67。在一实施例中，外框架68与多个扁方管67之间具有一真空环境69。真空环境69用以防止吸热板65所吸入的热能藉由对流而逸散出外框架68。在一实施例中，热交换装置500另包含绝热涂层72，绝热涂层72位于外框架68的内壁73。绝热涂层72位于扁方管67与热电晶片66之间，绝热涂层72阻隔扁方管67的冷能藉由传导而逸散出外框架68。在一实施例中，其中绝热涂层72与扁方管67之间不接触，真空环境69延伸到绝热涂层72与扁方管67之间。
实际操作中，热能74由吸热板65所吸收，热能74进入热电晶片66的热面70，位于热电晶片66的冷面71的热能75进入扁方管67，扁方管67内的工作流体持续地将热能75带走，使得热电晶片66形成热面70与冷面71的温度差异，温度差异产生温差发电。热交换装置500提供一个密闭环境，透过真空环境69或静滞空气达到绝热环境。当吸热板65撷取废热源的热能后，吸热板65自身开始进行热传递，除了主要热传导给热电晶片66外，其余热能也会透过热对流或热辐射形式传递给扁方管67。然而，较大的绝热空间(真空环境69或静滞空气)可以减少扁方管67吸取由热对流、热传导、及热辐射形式所得热量，可减少扁方管67的热负担，提升扁方管67(冷端或冷面71)的换热能力，降低热电晶片66的冷面71温度，藉以提高热交换装置500的发电量。
图6为根据一些实施例说明热交换装置600的示意图。在一实施例中，热交换装置600的结构与前述热交换装置100、200、300、400、或500相似。热交换装置600也包含热电晶片与扁方管。在一实施例中，热交换装置600另包含至少一轴承80，轴承80连接热交换装置600的外框架85；以及滑轨81，滑轨81耦合至少一轴承80。滑轨81固定于台架82上，滑轨81与轴承80允许热交换装置600移动，藉以调整热交换装置600本体与热源的距离。热交换装置600本体与水平面夹一角度83，角度83可为例如：45度角。藉由改变角度83与移动轴承80，以取得工业现场容许的最佳距离或均温位置。
进一步比较扁方管与圆管的对流热传效能，可以无因次的纽塞数(Nusseltnumber,NuD)分析，纽塞数是对流热传中常用的无因次变数，即进一步比较流动的流体与其外围固体界面的热传大小，其定义为其中h为单位时间，单位固体界面上的热对流系数；k为流体的热传导系数；Dh为水力直径(Hydraulic diameter)其定义为其中A为流体通过截面积；P为截面积浸润周长。
以本发明一实施例所制作的扁方管尺寸为为长度5公分(cm)，高度1公分，管壁厚0.15公分。此扁方管的流道截面积为3.29公分平方(cm2)，等于相同截面积的圆管的管内径为2.05公分，若对应最接近截面积的圆管为六分圆管(管内径1.9公分)。在本实施例的功效计算，将此三款管型进行热对流系数h比较，其计算结果如表1所示。其中纽塞数NuD可参考热传学资料。由比较结果可以得知，扁方管具有较高的对流热传效能，同时进一步计算验证也可确认扁方管在相同的流道截面积A下，扁方管的热对流系数(315W/m2K)高于圆管的热对流系数(等截面积圆管131W/m2K、六分圆管140W/m2K)。因此，本实施例采用扁方管作为热电晶片的散热端(冷面或冷端)，不仅在几何条件下提供较佳的贴合，同时可提供优越的热对流效能。
表1
本发明热交换装置能应用于工业辐射热现场，从低温的水泥旋窑表面(300℃)至高温的钢铁铸造(1000℃)，许多工业热辐射强度可达到2～20kW/m2，高于太阳在正中午时的最大强度1kW/m2，而且许多工业制程为全天候运转，不受天气影响，以整年单位面积可取得的辐射量推算，可以回收的辐射热量效益大。
本发明提出用于辐射热回收发电的热交换装置。热交换装置利用多个扁方管组合成阵列式扁方管结构，透过扁方管的几何形状与热电晶片有紧密的接触和结合，用以减少热电晶片与扁方管的热阻。热交换装置利用扁方管的耐压与易焊接特性，直向管长与横向管数可依据热电发电系统容量所需，而延长管长与增加管数，并且采用横向干管与直向支管结合形成流道。再者，除了扁方管流道自身具耐压特性外，横向支撑架同时可强化热交换装置的机械强度。热交换装置的成本相对于钢铁铸造的热交换器甚低，无需重新开模制造。热交换装置的扁方管具有容易组装与加工特性。热交换装置具耐压特性，容许提高工作流体流速，减缓扁方管中结垢机制，且扁方管具抗腐蚀特性，可长期于工业现场连续操作，能承受现场的热冲击或长期使用的要求。
虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与修改，故本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (13)
1.一种用于辐射热回收发电的热交换装置，其特征为，该热交换装置包含：
多个扁方管，该多个扁方管为平行排列；
一第一干管，位于各该多个扁方管的一端，该第一干管与各该多个扁方管之间分别具有一连通孔，该第一干管包含一出水口；
一第二干管，位于各该多个扁方管的另一端，该第二干管与各该多个扁方管之间分别具有一连通孔，该第二干管包含一入水口；
多个热电晶片，位于各该多个扁方管的一外管壁上，该多个热电晶片之间为一阵列排列；以及
至少一支撑架，位于相对该外管壁的另一外管壁上，该至少一支撑架连接各该多个扁方管。
2.如权利要求1所述的热交换装置，其特征为，各该多个热电晶片包含一冷面，该冷面接触该多个扁方管。
3.如权利要求2所述的热交换装置，其特征为，该冷面的一长度小于各该多个扁方管的一宽度。
4.如权利要求1所述的热交换装置，其特征为，该热交换装置另包含：
一吸热板，其中该多个热电晶片位于该吸热板与该多个扁方管之间。
5.如权利要求4所述的热交换装置，其特征为，该吸热板接触各该多个热电晶片的一热面。
6.如权利要求4所述的热交换装置，其特征为，该吸热板另包含多个鳍片。
7.如权利要求1所述的热交换装置，其特征为，该第一干管包含一延伸曲面，该多个扁方管位于该延伸曲面上，该多个扁方管在空间上呈现一曲面排列。
8.如权利要求1所述的热交换装置，其特征为，该热交换装置另包含：
一外框架，其中该外框架容置该多个扁方管，该外框架与一吸热板密封该多个扁方管与该多个热电晶片。
9.如权利要求8所述的热交换装置，其特征为，该外框架与该多个扁方管之间具有一真空环境。
10.如权利要求8所述的热交换装置，其特征为，该热交换装置另包含：
一绝热涂层，位于该外框架的一内壁。
11.如权利要求8所述的热交换装置，其特征为，该热交换装置另包含：
至少一轴承，连接该外框架；以及
一滑轨，耦合该至少一轴承。
12.如权利要求8所述的热交换装置，其特征为，该热交换装置另包含：
至少一保温板，位于该外框架的一内侧壁。
13.如权利要求1所述的热交换装置，其特征为，该热交换装置另包含：
一集线盒，连接该多个热电晶片。
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