CN108430223A - 基于热回收温度梯度的炉系统 - Google Patents

Abstract

一种基于温度梯度的热回收炉系统，包括：多个腔室，被布置成序列，腔室被配置用于根据跨越序列的温度梯度布置以各种温度操作；传送机，被配置用于运输产品通过序列中的多个腔室以用于根据温度梯度布置进行热处理；以及多个温度分离的热交换器系统，每个热交换器系统包括热交换器、基于其在温度梯度布置中的温度而到腔室中的至少一个腔室的导管、以及从至少一个腔室到热交换器的返回导管。

Description

基于热回收温度梯度的炉系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年12月23日提交的题为“HEAT-RECOVERING TEMPERATURE-GRADIENT BASED OVEN SYSTEM”的美国临时申请No.62/387,244的优先权并且要求于2016年12月16日提交的题为“HEAT-RECOVERING TEMPERATURE-GRADIENT BASED OVEN SYSTEM”的美国发明专利申请No.15/382,451的优先权，两者均通过引用整体并入本文，并且作为本申请的一部分用于所有目的。

关于联邦资助研究或开发的声明

不适用。

提交于光盘上的材料的援引加入

不适用。

背景技术

炉用于各种类型的许多工业过程中。炉的一种常见用途是用于材料的热处理，诸如水或溶剂从制造的部件中的蒸发。炉中的空气由加热器加热，以将热能传送给材料。为了去除蒸发的水或溶剂，空气可以被循环到炉中以及从炉中循环出来。这种循环也可以提供向炉中的空气增加热的机会，因为能量在热处理中固有地损失。然而，例如当加热的空气被释放到周围环境中时，循环也可能是能量损失源。为了应对这种热损失，已使用热交换器以试图恢复一些本来会损失的能量。

历史上，工业规模的热过程通常由相对不昂贵的化石燃料提供动力。因此，到目前为止，减少工业炉过程中的热损失并不是一个重要的优先事项。然而，现代工厂通常被设计为较少依赖于化石燃料或完全消除它们，而不是使用可再生能源，可再生能源在短期内可能更昂贵。因此，高能效的工业过程将变得更加重要。

附图说明

图1是图示了根据本公开的一个或多个实施例构造的热回收炉系统的框图。

图2是图示了根据本公开的一个或多个实施例构造的另一热回收炉系统的框图。

图3是图示了根据本公开的一个或多个实施例构造的另一热回收炉系统的框图。

图4是图示了根据本公开的一个或多个实施例的用于基于温度梯度来回收炉系统中的热量的方法的流程图。

具体实施方式

本文档描述了用于在工业规模上提供高能效热过程的系统和技术的示例。在一些实现中，炉系统被设计以用于在将热能递送到炉系统中时热交换器的更有效使用。例如，当使用多个热交换器时，在不同温度操作的炉被分组到不同的热交换器，以允许它们更高效地操作。结果，减少了热能的损失。

图1是图示了根据本公开的一个或多个实施例构造的热回收炉系统100(在本文中可互换地被称为“炉系统”)的框图。炉系统100包括多个腔室102A至102I，腔室102A至102I被配置用于在热处理过程中使用。腔室被布置成序列，序列以腔室102A开始并且在该示例中以腔室102I结束。该序列可以具有任何配置。在一些实现中，序列基本是线性的。在一些实现中，该序列可以具有基本弓形或其它弯曲的形状。例如，腔室可以被布置成弧，弧具有分别在腔室102A和102I处的端，其中剩余的腔室相对于其在某个方向上(例如，向上或向下)偏移。

通道104被限定为通过该组腔室。在一些实现中，每个腔室102A至120I包括由腔室102A至102I的壁限定的、用于加热的空气的空腔。特别地，侧壁中的一些可以具有允许被热处理的材料从一个腔室传递到下一腔室的开口。这样的开口可以基本上从一个腔室到下一腔室是类似的。例如，整个通道104可以至少部分地由这样的腔室102A至102I和相应的腔室间开口限定，以便提供通过该组腔室的纵向路径。

炉系统100可以被设计用于各种各样的材料的热处理。在一些实现中，固体或液体材料或其组合可以在过程中被路由通过腔室102A至102I。例如，炉系统100可以被用于通过蒸发水和/或另一溶剂而干燥材料。

受到热处理的材料可以具有多种形状，或者不具有永久形状，如液体的情况。这里，产品106被示意性地图示在腔室102A之内。在一些实现中，产品106可以具有其它配置和/或尺寸。产品106可以被包围在适合的材料中或者可以是无覆盖的以用于直接暴露于炉空气。

可以为一些或全部炉系统提供传送机或其它运输系统。这里，传送带108沿着腔室102A至102I的序列从端到端地被布置。产品106被放置在传送带108上，这允许系统100在过程中将产品106从腔室传递到腔室。在该示例中，假定产品106以基本上线性的序列运输通过腔室102A至102I，并且行进的方向是从腔室102A朝向腔室102I。然而，可以使用产品106的运输/移动的其它配置。

至少对于过程的一部分，热处理涉及将腔室中的至少一个加热到与另一腔室的温度不同的温度。温度可以取决于正在被处理的特定产品106和/或正在被执行的热处理的类型。仅仅为了说明的目的，该示例中针对相应腔室已经指示了近似温度。这里，腔室102A和102I被标记为60℃；腔室102B被标记为70℃，腔室102C和102H被标记为80℃；以及腔室102D至102G被标记为100℃。由此，这是在贯穿热处理过程的序列涉及温度梯度的布置中的腔室的一个示例。各种温度梯度布置可以用于不同的实现中。例如，这里的温度梯度布置涉及在运输线路的开始处增加温度，然后在开始和结束的中间的一定距离上使温度平稳，并且最终随着产品接近线性序列的结束而减小温度。由此，温度梯度布置可以包括从序列的开始增加温度、以及朝向序列的结束减小温度。在其它的一些实现中，温度梯度布置可以涉及多于一个的局部温度最大值和/或更多局部温度最小值或它们的组合。

在本文所描述的示例中，空气作为热传递介质而被提及。然而，在其它的一些实现中，可以使用任何其它流体，诸如另一气体或液体。例如，腔室可以被配置用于在热过程中对材料进行基于液体的热处理。

空气可以被供应给腔室中的一些或全部腔室。这里，导管110提供可以用作针对相应腔室的一个或单一能量源的进入空气。类似地，空气通过相应的返回导管112从腔室去除。例如，腔室102A通过导管110A接收空气并且将空气通过返回导管112A去除。每个导管和对应的回流导管可以彼此类似，或可以具有一些差异，例如以适应发生在腔室中(例如，由于蒸发)的空气的改变。可以使用(一种或多种)任何类型的导管，包括但不限于由适合于热处理过程中涉及的流量和温度水平的材料制成的管道。

一个或多个加热器可以被设置在炉系统100中。在一些实现中，提供进入空气的导管110中的每一个均被设置有相应的加热器114。例如，这可以是电加热器114。电加热器114可以用于在进入相应腔室102之前增加导管110中的空气的温度。由此，仅举两个示例，可以控制导管110A中的加热器114以将60℃的空气提供到腔室102A中，同时控制导管110B中的对应加热器以将70℃的空气提供到腔室102B中。如果存在的话，控制每个加热器114以调节其递送的热量的量。例如，中央控制器可以共同地或单独地调节加热器114。加热器114可以是相同类型的，或者可以使用两种或更多种的加热器类型(例如，对于应该具有更高温度的腔室的更强大的加热器)。

炉系统100可以包括多个热交换器116。例如，这里使用三个热交换器116A至116C，如将要解释的，每个热交换器专用于腔室的特定的一个或多个温度。可以使用适合于正在执行的热过程并且与热处理的类型兼容的任何类型的热交换器116。例如，可以使用空气对空气热交换器。每个热交换器在其一侧上(例如，朝向腔室)具有端口118，并且在其另一侧上(例如，远离腔室)具有其它端口120。例如，在热交换器116A上，端口118A是从热交换器116A朝向腔室102A、102B和102C的出口，并且端口118B是从腔室102A、102B和102C到热交换器116的入口。类似地，端口120A是从热交换器116在远离腔室的方向上(例如，到周围环境)的出口，并且端口120B是向热交换器116的进口(例如，这供应周围的空气或来自另一源的空气)。此外，从周围环境汲取空气并且还将使用过的空气返回到周围环境的系统有时也被称为开放系统。相比之下，封闭系统可以提供空气在系统内的循环。

在穿过热交换器116时，两股空气流相对彼此经受热交换。例如，进入空气流(例如，在从端口120B到端口118A的路径中的空气流)可以由来自外出空气流(例如，在从端口118B到端口120A的路径中的空气流)的能量的热传递加热。也就是说，这可以允许在从炉腔室返回时的能量的回收，而不是例如将所有的该能量都损失到周围环境。

可以在炉系统中使用一个或多个风扇来提供足够的空气流动。(一个或多个)风扇可以被定位在上文所讨论的热交换器的两侧中的任一侧上，或者被定位在两侧上。例如，(一个或多个)风扇可以使得空气在一侧上通过入口端口120B被传送到热交换器116A中并且通过出口端口118A出来；类似地，(一个或多个)风扇可以使得空气在另一侧上通过入口端口118B被传送到热交换器116A中并且通过出口端口120A出来。

炉系统沿着腔室102A至102I被定位于其中的序列具有温度梯度布置的事实可能在从炉腔室返回时提供能量回收方面提出挑战。即，返回导管112提供具有反映温度梯度布置的温度范围的空气流：在该示例中从约60℃到约100℃。如果在热交换之前允许所有这些流混合在一起，那么热交换器的操作在某种意义上必须朝向炉系统的最低温度(在该例子中为60℃)调整。由此，热交换器仅能部分利用(即，恢复)100℃流的能量，以免较冷的炉腔室过热。以不同的方式来陈述，来自最热的空气流的一些能量不能被回收，然而在热学上该能量在系统中将是有用的(即，以维持最热的炉的温度)。

通过基于温度梯度布置对返回空气流进行选择性分组，可以减少或消除该缺点。在一些实现中，相应腔室的个体温度驱动如何进行分组的选择。例如，可以使用歧管122。在一些实现中，返回导管112A至112C被分组到歧管122A中，返回导管112D至112G被分组到歧管122B中，并且返回导管112H至112I被分组到歧管122C中。例如，这将温度在60-80℃范围内的空气返回流置于共用歧管(122A或122C)中，将100℃(或包括该值的温度范围)的空气返回流置于与其它歧管分开的共用歧管中。可以使用除上文之外的其它分组。

上文的示例说明了这种分组的益处，即应该从中回收能量的外出空气与从温度视角来看更适配它的进入空气流配对。例如，在来自腔室102A至102C的返回空气的情况下，热交换器116A使用它来加热最初不应热于60℃的空气。由此，60-80℃的返回空气适合于此目的。另一方面，来自腔室102D至102G的返回空气此时与最终将被加热到100℃的空气进行热交换。由此，来自返回空气的热量不会被浪费到其原本将被浪费的程度；确切地说，可以提供进入空气与外出空气之间的热量的完全交换，而没有将进入空气加热到过高温度的缺点。确切地说，这允许例如朝着出口端口118C的空气在热交换器116B中被加热到比腔室102A应当被操作的温度高的温度。也就是说，因为腔室102A在这里是60℃，所以当离开热交换器116A的空气达到出口端口118A时，其必须处于该温度或更低。

由此，基于温度梯度布置系统将腔室中的两个或更多个腔室关于相应热交换器而分组可以因此允许整个炉系统回收更多的热能并且因此更高效地操作。术语组或分组在此用于指代一个或多个组成(例如，如果一个腔室具有其自己的热交换器，则一个腔室可以是一组)。

分组可以以多种不同方式中的任一方式进行。例如，应当以大约相同的温度操作的腔室可以彼此分组，例如使得所有60℃的腔室属于一个热交换器，所有80℃的腔室被分组到另一热交换器，等等。对于个体温度可以存在多个不同的这样的组(例如，对于60℃腔室的相应组的两个热交换器)。作为另一示例，温度在温度范围内的腔室可以被分配给对应的热交换器。例如，热交换器可以被分离，使得它们中的一个或多个处置在60-80℃范围内的腔室，而至少一个其它的热交换器处置在80-100℃范围内的腔室。这样的温度或温度范围可以取决于具体实现来选择。例如，温度范围可以贯穿温度梯度布置而均匀间隔开(例如，每个范围覆盖20℃的间隔)。作为另一示例，一个温度范围可以比另一较低的温度范围窄(例如，使得最高范围仅包括处于约100℃的腔室，而较低的范围更宽。

由此，炉系统100是其中热回收基于温度梯度的炉系统的一个示例。即，腔室102A至102I被布置成对应于通道104的序列，并且被配置用于根据跨越该序列的温度梯度布置以各种温度操作。作为热处理过程的一部分，传送带108被配置用于将产品106运输通过序列中的多个腔室。热处理因此根据温度梯度布置被执行。多个热交换器系统也根据温度被分离。即，热交换器116具有通向相应腔室的导管110和来自相应腔室的返回导管112。热交换器/腔室配对或针对相应热交换器的腔室分组基于在温度梯度布置中的腔室的温度。

热交换器116可以全部是相同类型的。然而，在一些实现中，可以使用两种或更多种不同类型的热交换器。例如，这可以提供某一类型的热交换器用于例如(一个或多个)较热的空气流，而另一类型用于(一个或多个)较冷的空气流。

图2是图示了根据本公开的一个或多个实施例构造的另一热回收炉系统200的框图。除了该示例中的热交换器系统中的每一个具有三个向其分组的腔室并且腔室可以具有不同的温度之外，该炉系统200的一些方面可以与上文所描述的炉系统100的那些方面类似或相同。由此，炉系统200也被设计为通过将材料传送通过以温度梯度布置组织的炉腔室的序列而对材料执行热处理。

这里的炉系统200包括热泵202，热泵202被配置用于向放置在热交换器系统的相应导管中的个体加热器204供给热量。热泵通过从热源(这里对应于热源入口206(例如，处于20℃的液体))提取热能、将该热量递送到热沉(这里对应于在热沉入口208中流动的流体)中来这样做。在流体穿过加热器中的个体加热器之后，其可以通过热沉出口210返回到热泵。可以调节个体加热器来控制所产生的腔室温度，例如使得一些腔室比其它腔室热。另外，在热泵202的另一侧上，较冷的液体(例如，处于15℃)在失去其一些能量之后通过热源出口离开热泵202。如此，炉系统200图示了其中用于根据温度梯度布置而分组的腔室的相应加热器全部由共用的热泵驱动的示例。

图3是图示了根据本公开的一个或多个实施例构造的另一热回收炉系统300的框图。除了炉系统300使用至少两个热泵302和304之外，该炉系统300的一些方面可以与上文描述的炉系统200的那些方面类似或相同。例如，热泵302可以被特征化为中温热泵，并且热泵304可以被特征化为高温热泵。在一些实现中，热泵302和304是相同类型的。然而，在其它的一些实现中，它们可以是不同类型的。例如，这可以提供某一类型的热泵用于例如(一个或多个)较热的腔室，同时不同的类型用于(一个或多个)较冷的腔室。

热泵302和304可以基于彼此类似或不同的热源操作。这里，例如，热泵302和304均被供应有20℃的液体，该液体在相应的热泵中被降到15℃。此外，在热沉侧上，用于腔室中的一些腔室的导管中的加热器306被供应有来自热泵302的加热的流体，同时用于其它腔室的加热器308被供应有来自另一热泵304的加热的流体。因此，该系统可以被分成多个热泵回路，这里为低温回路310和高温回路312。如此，系统300是一个如下的示例，其中设立多个热泵以驱动定位在从热交换器通向具有温度梯度布置的炉系统的相应腔室的导管中的多个加热器，并且其中加热器基于温度梯度布置关于热泵而被分组。

也就是说，本示例涉及基于温度来关于腔室被分离的热交换器以及还基于温度来关于热泵被分离的加热器。此外，加热器关于热泵的温度分离可以与腔室关于热交换器的温度分离相同或不同。例如，60-80℃温度的所有腔室此处均在低温回路310中，而它们被分组在分开的热交换器系统下。另一方面，100℃温度的所有腔室此处均在高温回路312中，并且也被分组在相同的热交换器系统下。

图4是图示了根据本公开的一个或多个实施例的用于基于温度梯度在炉系统中回收热量的方法的流程图。操作400开始于根据跨越序列的温度梯度布置设立序列中的多个腔室(步骤402)。操作400继续配置用于运输产品通过序列中的多个腔室以用于根据温度梯度布置进行热处理的传送机(步骤404)。接着，操作400包括布置用于炉系统的多个热交换器(步骤406)，然后基于温度梯度布置将腔室关于热交换器分组(步骤408)。操作400终止于运输产品通过序列中的多个腔室以用于热处理(步骤410)。

图4的操作400还可以包括：设立多个热泵以驱动定位在从热交换器通向相应腔室的导管中的多个加热器，以及基于温度梯度布置将加热器关于热泵分组。在这种情况下，加热器的分组可以与腔室的分组不同。

此外，温度梯度布置可以包括从序列的开始增加温度，以及朝向序列的结束减小温度。该方法还可以包括：作为开放系统来操作热回收炉系统，使得热交换器中的至少一些热交换器接收周围空气。该方法还可以包括基于温度范围将热交换器分配给腔室。在这种情况下，温度范围可以贯穿温度梯度布置而均匀间隔开。在其它的一些情况下，温度范围可以不均匀间隔开。

在前述说明书中，已经参考具体实施例描述了本发明。然而，如本领域技术人员将领会的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以修改或以各种其它方式实现本文所公开的各种实施例。因此，本描述被认为是说明性的，并且用于教导本领域技术人员制作和使用所公开的系统、方法和计算机程序产品的各种实施例的方式。应理解的是，本文中所示出和所描述的公开的形式应当被视为代表性实施例。等效的元件、材料、过程或步骤可以替代本文中代表性地示出和描述的那些元件、材料、过程或步骤。此外，本公开的某些特征可以独立于其它特征的使用而被利用，在得益于本公开的描述之后，所有这些对于本领域技术人员而言是显而易见的。

本文所描述的炉的控制可以通过使用软件和固件指令的电子器件(例如一个或多个处理器)来实现。“处理器”包括处理数据、信号或其它信息的任何硬件系统、硬件机制或硬件部件。处理器可以包括具有中央处理单元、多个处理单元、用于实现功能的专用电路或其它系统的系统。可以通过使用专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件、现场可编程门阵列(FPGA)、光学、化学、生物、量子或纳米工程系统、部件和机制，通过使用在一个或多个数字计算机或处理器中编程的软件或代码来实现一些实施例。基于本文代表性地提供的公开和教导，本领域技术人员将领会实现本公开的其它方式或方法。

如本文所使用的，术语“包括”、“包含”、“含有”、“具有”、“带有”或其任何上下文变体旨在涵盖非排他性的包括。例如，包括列举要素的过程、产品、制品或装置不一定仅限于那些要素，而可以包括没有明确列举的或者这样的过程、产品、制品或装置所固有的其它要素。此外，除非明确地相反陈述，否则“或”是指包括的而不是排他的。例如，以下中的任一项满足条件“A或B”：A为真(或存在)并且B为假(或不存在)，A为假(或不存在)并且B为真(或存在)，以及A和B均为真(或存在)。

还将领会的是，附图/图中所描绘的要素中的一个或多个要素也可以以更分开或集成的方式实现，或者甚至在某些情况下被去除或呈现为不可操作，这根据特定应用是有用的。附加地，除非另外特别指出，否则附图/图中的任何信号箭头应被认为仅是示例性的，而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种基于温度梯度的热回收炉系统，所述热回收炉系统包括：

多个腔室，被布置成序列，所述多个腔室被配置用于根据跨越所述序列的温度梯度布置以各种温度操作；

传送机，被配置用于运输产品通过所述序列中的所述多个腔室，以用于根据所述温度梯度布置进行热处理；以及

多个温度分离的热交换器系统，每个温度分离的热交换器系统包括热交换器、基于所述腔室中的至少一个腔室在所述温度梯度布置中的温度而到所述至少一个腔室的导管、以及从所述腔室中的所述至少一个腔室到所述热交换器的返回导管。

2.根据权利要求1所述的热回收炉系统，其中所述温度梯度布置包括从所述序列的开始增加温度、以及朝向所述序列的结束减小温度。

3.根据权利要求1所述的热回收炉系统，其中所述热回收炉系统是开放的，使得温度分离的热交换器中的至少一些温度分离的热交换器接收周围空气。

4.根据权利要求1所述的热回收炉系统，其中所述温度分离的热交换器系统中的每个温度分离的热交换器系统被配置以使得所述腔室中的温度在温度范围内的任何腔室被分配给对应的热交换器，所述温度范围是针对该温度分离的热交换器系统而预定义的。

5.根据权利要求4所述的热回收炉系统，其中所述温度范围贯穿所述温度梯度布置而均匀地间隔开。

6.根据权利要求4所述的热回收炉系统，其中较高温度范围比至少一个其它的较低温度范围窄。

7.根据权利要求1所述的热回收炉系统，其中所述温度分离的热交换器系统中的每个温度分离的热交换器系统还包括在所述导管中的加热器。

8.根据权利要求7所述的热回收炉系统，还包括热泵，其中所述温度分离的交换器系统中的每个温度分离的交换器系统的加热器由所述热泵驱动。

9.根据权利要求7所述的热回收炉系统，还包括多个热泵，其中所述温度分离的交换器系统中的一些温度分离的交换器系统的加热器由第一热泵驱动，并且所述温度分离的交换器系统中的其它温度分离的交换器系统的加热器由第二热泵驱动。

10.根据权利要求9所述的热回收炉系统，其中所述加热器关于对应的热泵的温度分离与所述腔室关于温度分离的热交换器的温度分离不同。

11.根据权利要求9所述的热回收炉系统，其中取决于所述温度梯度布置，所述多个热泵是不同类型的。

12.根据权利要求1所述的热回收炉系统，其中：

第一热交换器被包括在第一温度分离的热交换器系统中；

第二热交换器被包括在第二温度分离的交换器系统中；

进入到所述第一热交换器的周围进入空气被加热到比进入到所述第二热交换器的周围空气高的温度。

13.根据权利要求1所述的热回收炉系统，其中取决于所述温度梯度布置，温度分离的热交换器是不同类型的。

14.一种基于温度梯度在炉系统中回收热量的方法，所述方法包括：

根据跨越序列的温度梯度布置设立所述序列中的多个腔室，其中传送机被配置用于运输产品通过所述序列中的所述多个腔室，以用于根据所述温度梯度布置进行热处理；

布置用于所述炉系统的多个热交换器；以及

基于所述温度梯度布置，将所述腔室关于所述热交换器分组。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

设立多个热泵以驱动多个加热器，所述多个加热器定位在从所述热交换器通向相应的腔室的导管中；以及

基于所述温度梯度布置，将所述加热器关于所述热泵分组。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述加热器的分组与所述腔室的分组不同。

17.根据权利要求14所述的方法，其中所述温度梯度布置包括从所述序列的开始增加温度、以及朝向所述序列的结束减小温度。

18.根据权利要求14所述的方法，还包括：作为开放系统来操作所述炉系统，使得所述热交换器中的至少一些热交换器接收周围空气。

19.根据权利要求14所述的方法，还包括基于温度范围将热交换器分配给腔室。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述温度范围贯穿所述温度梯度布置而均匀地间隔开。