TW201802421A - 廢熱回收熱交換器 - Google Patents

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Abstract

本發明的實施方式的廢熱回收熱交換器，藉由回收燃燒在鍋爐中的廢氣的熱能來加熱水，廢熱回收熱交換器包括：下部板，形成有廢氣流入口；上部板，在與廢氣流入口相對的位置形成有廢氣排放口；第一側板，形成有複數個第一側貫通孔；第二側板，作為與第一側板相對的板，在與第一側貫通孔相對的位置形成有複數個第二側貫通孔；第三側板及第四側板，用於連接第一側板和第二側板；複數個熱交換器，作為用於流體流動的鈦材質的管，以平行的方式分別連接第一側貫通孔與相對於第一側貫通孔的第二側貫通孔之間。

Description

廢熱回收熱交換器
本發明涉及廢熱回收熱交換器，具體地涉及藉由回收產生在鍋爐中的廢氣的廢熱來進行熱交換的廢熱回收熱交換器。
在鍋爐中燃燒的廢氣約以200℃～250℃的溫度排放至大氣中，由此產生很大的熱損失。由於這種因高溫廢氣的熱損失而產生的熱損失約為10％～20％左右，因此鍋爐的效率下降到80％以下。
對此，利用廢熱回收系統，並利用在啟動鍋爐後產生的廢氣來回收熱能之後用於供熱水或供暖。這種廢熱回收系統，是指利用在啟動鍋爐後產生的廢氣來用於供熱水或供暖的系統，當啟動鍋爐時，高溫廢氣向煙囪排放至大氣，在這種情況下，藉由利用廢熱回收熱交換器來進行熱交換來回收熱能之後用於供熱水或供暖的系統。
如圖1所示，在鍋爐煙道與廢氣出口之間設置傳熱效率優秀的廢熱回收系統，由此以對流的方式利用冷水（約10℃～15℃）來與200℃～250℃的高溫廢氣進行熱交換之後回收廢熱，並將降低至約40℃～50℃的溫度的廢氣排放至煙道，從而能夠降低燃料成本。
然而，通常，在鍋爐中進行燃燒反應時，因硫成分而產生亞硫酸氣體，並與氧氣結合之後生成無水硫酸，而且再與水分進行反應之後生成硫酸，因這種硫酸的腐蝕性非常強，而造成材料的腐蝕，進而縮短使用壽命（尤其，在170℃以下產生低溫腐蝕）。
因此，在使用包含硫成分的燃料的鍋爐的情況下，考慮到低溫腐蝕的情況，排放170℃以上的低溫腐蝕點的廢氣被視為當然，最終，因未回收170℃以下的廢氣廢熱而存在廢熱回收受到限制的問題。
專利文獻1：韓國授權專利10-1198238號
本發明的技術問題在於，提供具有不產生由鍋爐的廢氣引起的腐蝕的、材質的熱交換管的廢熱回收熱交換器。並且，本發明的技術問題在於，解決以焊接的方式無法固定未被腐蝕的材質的熱交換管的問題。
本發明的實施方式的廢熱回收熱交換器，藉由回收燃燒在鍋爐中的廢氣的熱能來加熱水，廢熱回收熱交換器可包括：下部板，形成有廢氣流入口；上部板，在與上述廢氣流入口相對的位置形成有廢氣排放口；第一側板，形成有複數個第一側貫通孔；第二側板，作為與上述第一側板相對的板，在與上述第一側貫通孔相對的位置形成有複數個第二側貫通孔；第三側板及第四側板，用於連接上述第一側板和第二側板；以及複數個熱交換器，作為用於流體流動的鈦材質的管，以平行的方式連接第一側貫通孔與相對於上述第一側貫通孔的第二側貫通孔之間。
其中，在上述熱交換管中，一末端在插入於上述第一側貫通孔後並進行擴管，來固定於第一側板，另一末端在插入於上述第二側貫通孔後被擴管，來固定於上述第二側板。
其中，根據鍋爐的容量來供給流體的複數個熱交換管被分成複數個區間。
並且，本發明的實施方式的廢熱回收熱交換器製造方法，用於製造由藉由回收燃燒在鍋爐中的廢氣的熱能來加熱水的下部板、上部板、第一側板、第二側板、第三側板及第四側板的殼體形成的廢熱回收熱交換器的廢熱回收熱交換器製造方法，上述廢熱回收熱交換器製造方法可包括：廢氣流入口的形成步驟，在上述下部板形成廢氣流入口；廢氣排放口的形成步驟，在上述上部板的與上述廢氣流入口相對的位置形成廢氣排放口；第一側貫通孔的形成步驟，在上述第一側板形成複數個第一側貫通孔；第二側貫通孔的形成步驟，在上述第二側板形成與上述複數個第一側貫通孔相對設置的複數個第二側貫通孔；熱交換管一末端的擴管固定步驟，對鈦材質的熱交換管的一末端進行擴管並固定於形成有複數個第一側貫通孔的第一側板；熱交換管另一末端的擴管固定步驟，對鈦材質的熱交換管的另一末端進行擴管並固定於形成有與上述第一側貫通孔相對設置的第二側貫通孔的第二側板；使上述下部板、上述上部板、上述第一側板、上述第二側板、上述第三側板及上述第四側板相互結合的步驟。
上述熱交換管一末端的擴管固定步驟可包括：在形成有複數個第一側貫通孔的第一側板插入鈦材質的熱交換管的一末端的步驟；以及藉由在上述一末端的內部施加設定大小的擴管壓力來使熱交換管的一末端的周圍擴張，從而使一末端的外徑加壓上述第一側貫通孔的周圍來進行固定的步驟。
上述熱交換管另一末端的擴管固定步驟可包括：在形成有在與上述第一側貫通孔相對設置的複數個第二側貫通孔的第二側板插入上述熱交換管的另一末端的步驟；以及藉由在上述另一末端的內部施加設定大小的擴管壓力來使熱交換管的另一末端的周圍擴張，從而使另一末端的外徑加壓上述第二側貫通孔的周圍來進行固定的步驟。
其中，利用相同的擴管壓力來同時實現對於相同的熱交換管的、上述熱交換管一末端的擴管固定步驟和上述熱交換管另一末端的擴管固定步驟。
其中，上述第一側板和第二側板為金屬鋼板材質，利用比導致上述金屬鋼板的變形的變形壓力小的擴管壓力來進行加壓。
可實現根據上述任一廢熱回收熱交換器製造方法來製造的廢熱回收熱交換器。
根據本發明的實施方式，藉由將鈦材質的熱交換管適用於廢熱回收熱交換器，既可防止熱交換管的腐蝕，又可有規律地保持熱交換器的熱效率。因此，在適用於本發明的廢熱回收熱交換器的廢熱回收系統中，可以極大化燃料的節減效果，進而，在溫水加熱中藉由供給低溫的冷水來進行加熱，因此能夠使熱交換器的入出口的溫度差變大，從而能夠提高熱交換效率。
以下，本發明的優點、特徵及其實現這些的方法可以藉由參照與附圖一同進行詳細說明的後述實施例來得到更加明確的解釋。然而，本發明不僅局限於以下公開的實施例，能夠以互不相同的多種方式來體現，而且為了向本發明所屬技術領域中具有通常知識者完整地說明發明的範圍而所提供，因此本發明僅以發明要求保護範圍來被定義。並且，在本發明的說明中，在被判斷為與此相關的公知技術等可以使本發明的主旨不清楚的情況下，可以省略與此相關的詳細說明。
圖2係繪示本發明的實施例的廢熱回收交換系統的圖，圖3係繪示本發明的實施例的廢熱回收交換器的圖，圖4係繪示本發明的實施例的形成有複數個第一側貫通孔的第一側板的圖，圖5係繪示根據本發明的實施例來以平行的方式配置於第一側板和第二側板之間的複數個熱交換管的圖，圖6係繪示根據本發明的實施例來複數個第一側貫通孔被分成複數個區間的狀態的圖。
廢熱回收交換系統包括廢熱回收熱交換器100、鍋爐200及貯水槽300。
如圖2所示，當在鍋爐200中的燃料被燃燒後排放200℃～250℃的高溫廢氣時，在廢熱回收熱交換器100中與從貯水槽300提供的冷水（約10℃～15℃）進行熱交換，由此回收廢熱並排放降低至約40℃～50℃的溫度的廢氣，進而被加熱的溫水用於貯水槽300或供暖。其中，貯水槽300為貯存水等流體的流體保管水槽。
在圖3中繪示本發明的廢熱回收熱交換器100，其係藉由回收燃燒在鍋爐200中的廢氣的熱能來加熱水，廢熱回收熱交換器100包括下部板114、上部板113、第一側板111、第二側板112、第三側板115、第四側板116及熱交換管120。此外，可進一步包括流體混合用集管130。
下部板114作為廢熱回收熱交換器100的下部板的板，形成有廢氣流入口。藉由廢氣流入口來在鍋爐200中產生的高溫廢氣向廢熱回收熱交換器100的內部流入。
上部板113作為廢熱回收熱交換器100的上側板的板，在與廢氣流入口相對的位置形成有廢氣排放口。藉由廢氣流入口來流入之後與熱交換管120進行熱交換，進而向廢氣排放口排放變成低溫的廢氣。
這種廢氣流入口和廢氣排放口可以呈圓形、四邊形、六角形等的多種形狀，並且，最佳地，廢氣流入口和廢氣排放口具有相同的形狀、相同的開口面積。由於排放氣體的流入量和排放量相同，因而使之具有相同的形狀及開口面積。
第一側板111作為廢熱回收熱交換器100的第一側板的板，形成有複數個第一側貫通孔h1。這種第一側貫通孔h1具有比熱交換管120的一末端更大的直徑，使得熱交換管120的一末端能夠被插入。作為參考，在圖4中繪示形成有複數個第一側貫通孔h1的第一側板111。
第二側板112作為廢熱回收熱交換器100的第二側面的板，是與第一側板111相對的板。在與第二側板112的第一側貫通孔h1相對的位置形成有複數個第二側貫通孔h2。同樣，第二側貫通孔h2具有比熱交換管120的另一末端的直徑更大的直徑，使得熱交換管120的另一末端能夠被插入。
第三側板115為廢熱回收熱交換器100的第三側面的板，用於連接第一側板111和第二側板112。
第四側板116作為廢熱回收熱交換器100的第四側面的板，用於連接第一側板111和第二側板112。因此，第三側板115與第四側板116相對。
熱交換管120作為用於流動從貯水槽300供給的流體的管，本發明體現鈦材質的熱交換管120。
通常，在鍋爐中燃燒燃料時，因硫成分而產生硫酸，由於這種硫酸的腐蝕性非常強，因而可以腐蝕熱交換器內的熱交換管，從而可以縮短使用壽命。為瞭解決這種問題，本發明利用鈦材質來製造熱交換管120。鈦材質作為突出的耐硫酸材質，對含有硫成分的廢氣具有耐腐蝕性，而且保持持續的熱傳導率，因此具有也可以在使用產生燃料油/柴油等的腐蝕性氣體的燃料的鍋爐中，回收廢熱的優點。因此，當廢氣溫度下降至低溫腐蝕點以下（約50℃以下）的低溫時，也能夠在不發生腐蝕的情況下回收廢熱。
另一方面，具有分別平行的方式連接第一側貫通孔h1與相對於第一側貫通孔h1的第二側貫通孔h2之間的複數個熱交換管120。因此，如圖5所示，複數個熱交換管120以平行的方式分別連接在第一側板111與第二側板112之間。
為此，熱交換管120的一末端應該與第一側板111的第一側貫通孔h1相結合固定，熱交換管120的另一末端應該與第二側板112的第二側貫通孔h2相結合固定。在以往的熱交換管120的情況下，藉由焊接等來可以固定結合熱交換管120，但在如本發明的具有鈦材質的熱交換管120的情況下，存在無法進行焊接的問題。原因在於，即使在真空狀態下對鈦進行焊接，也因容易發生熱變形而產生扭曲等的不良現象。
對此，本發明利用擴管（tube expanding）方式來進行結合固定熱交換管120。即，將熱交換管120的一末端插入於第一側貫通孔h1之後進行擴管，來固定於第一側板111，而且將熱交換管120的另一末端插入於第二側貫通孔h2之後進行擴管，來固定於第二側板112。在後述的圖7至圖10中，對這種擴管方法進行詳細的說明。
另一方面，可以使根據鍋爐200的容量來供給流體的複數個熱交換管120被分成複數個區間。例如，如圖6所示，能夠將複數個第一側貫通孔h1分成三個區間，即，第一區間I、第二區間II、第三區間III，可根據鍋爐200的容量，僅向與位於第一區間I的複數個第一側貫通孔h1相結合的熱交換管120內供給流體，或僅向與位於第一區間I/第二區間II的複數個第一側貫通孔h1相結合的熱交換管120供給流體，或向與位於整個第一區間I/第二區間II/第三區間III的複數個第一側貫通孔h1相結合的所有熱交換管120供給流體。因此，若因鍋爐200容量小而廢氣的溫度低或廢氣量少，則可以僅向位於第一區間的複數個熱交換管120供給流體。
另一方面，如圖3所示，在廢熱回收熱交換器100中更包括流體混合用集管130，由此分配從貯水槽300開始借助單一流入管來流入的流體之後，可以向複數個熱交換管120流出，同樣，聚集流入複數個熱交換管120之後被排放的流體之後，可利用單一排放管來進行排放。
圖7係繪示本發明的實施例的廢熱回收熱交換製造過程的流程圖，圖8係繪示根據本發明的實施例在第一側板形成第一側貫通孔的狀態的圖，圖9係繪示根據本發明的實施例熱交換管的一末端插入於第一側板的第一側貫通孔的狀態的圖，圖10係繪示根據本發明的實施例來使插入於第一側貫通孔的熱交換管的一末端擴管的狀態的圖。
在製造由藉由回收燃燒在鍋爐200中的廢氣的熱能來加熱水的下部板114、上部板113、第一側板111、第二側板112、第三側板115及第四側板116的殼體來形成的廢熱回收熱交換器100的、廢熱回收熱交換器製造方法中，首先，包括在下部板114形成廢氣流入口的、廢氣流入口的形成步驟S710。
並且，包括在上部板113的與廢氣流入口相對的位置形成廢氣排放口的廢氣排放口形成步驟S720。
並且，包括在上述第一側板111形成複數個第一側貫通孔h1的第一側貫通孔的形成步驟S730。
並且，包括在上述第二側板112形成與複數個第一側貫通孔h1相對設置的複數個第二側貫通孔h2的第二側貫通孔的形成步驟S740。作為參考，這種廢氣流入口的形成、廢氣排放口的形成、第一側貫通孔的形成及第二側貫通孔的形成可以利用已公知的多種貫通口的製造方法來實現。
廢氣流入口的形成步驟S710、廢氣排放口的形成步驟S720、第一側貫通孔的形成步驟S730及第二側貫通孔的形成步驟S740可以同時實現，或者也可以按照互不相同的步驟來進行工作。
若結束廢氣流入口的形成步驟S710、廢氣排放口的形成步驟S720、第一側貫通孔的形成步驟S730及第二側貫通孔的形成步驟S740，則進行熱交換管一末端的擴管固定步驟S750，即，對鈦材質熱交換管120的一末端進行擴管並固定於形成有複數個第一側貫通孔h1的第一側板111。
並且，進行熱交換管另一末端的擴管固定步驟S760，即，對熱交換管120的另一末端進行擴管並固定於形成有與第一側貫通孔h1相對設置的複數個第二側貫通孔h2的第二側板112。
詳細說明這種熱交換管一末端的擴管固定步驟S750如下：首先，如圖8所示，在形成有複數個第一側貫通孔h1的第一側板111，如圖9所示，進行插入鈦材質的熱交換管120的一末端的步驟S751。
而且，如圖10所示，進行步驟S752，即，藉由利用加壓機來向熱交換管120的一末端的內部施加預設大小的擴管壓力，來使熱交換管120的一末端的周圍擴張。因此，藉由熱交換管120的一末端的外徑加壓第一側貫通孔h1的周圍來進行固定。因此，在無需額外的焊接的條件下，因鈦材質的熱交換管120被加壓在第一側板111的第一側貫通孔h1的外徑，而完全被嵌入，從而可進行固定結合。作為參考，參照圖10，可確認出：由於熱交換管120的一末端的外徑的周圍因受到加壓的影響而變寬（被擴管），因而熱交換管120的一末端的外徑比另一區域的外徑略大。
與熱交換管一末端的擴管固定步驟S750相同，熱交換管另一末端的擴管固定步驟S760包括：步驟S761，在形成有與第一側貫通孔h1相對設置的複數個第二側貫通孔h2的第二側板112插入熱交換管120的另一末端；以及步驟S762，在另一末端的內部施加設定大小的擴管壓力來使熱交換管120的另一末端的周圍擴張，從而使另一末端的外徑加壓第二側貫通孔h2的周圍來進行固定。
藉由進行這種熱交換管一末端的擴管固定步驟S750和熱交換管另一末端的擴管固定步驟S760，來可配置複數個以分別平行的方式連接一個第一側貫通孔h1與相對於第一側貫通孔h1的第二側貫通孔h2之間的熱交換管120。
經過熱交換管一末端的擴管固定步驟S750和熱交換管另一末端的擴管固定步驟S760之後，藉由使下部板114、上部板113、第一側板111、第二側板112、第三側板115及第四側板116相互結合（步骤S770），來最終可以製造廢熱回收熱交換器100。
另一方面，在熱交換管120另一末端的擴管固定和熱交換管120另一末端的擴管固定中，可以僅對某一側進行擴管，或者可以在相同的位置及利用相同的壓力來同時對兩側進行擴管。
對於相同的熱交換管120，可以利用相同的擴管壓力來同時實現上述熱交換管120一末端的擴管固定步驟S750和上述熱交換管120另一末端的擴管固定步驟S760。
另一方面，在進行熱交換管120一末端的擴管固定和熱交換管120另一末端的擴管固定時，加壓機藉由插入於熱交換管120的一末端或另一末端來進行擴大周圍的加壓，而且這種加壓是利用預設的擴管壓力來進行施加的。然而，這種擴管壓力不能大於第一側板111或第二側板112的變形壓力。其原因在於，即使形成有第一側貫通孔h1的第一側板111和形成有第二側貫通孔h2的第二側板112由金屬鋼板材質來形成，也可能存在如下問題，即，在進行擴管固定時，當施加能夠使金屬鋼板變形的程度的壓力時，會導致第一側貫通孔h1或第二側貫通孔h2的變形。因此，最佳地，利用比導致作為第一側板111和第二側板112的材質的金屬鋼板變形的、變形壓力小的擴管壓力來進行加壓。
上述本發明的說明中的實施例是為了幫助所屬領域中具有通常知識者的理解而從多種可實施的例子中選定並提出的最佳實施例，該發明的技術思想不應局限於這些實施例，在不脫離本發明的技術思想的範圍內可以進行多種變化、變更及等效的其他實施例。
100‧‧‧廢熱回收熱交換器
111‧‧‧第一側板
112‧‧‧第二側板
113‧‧‧上部板
114‧‧‧下部板
115‧‧‧第三側板
116‧‧‧第四側板
120‧‧‧熱交換管
130‧‧‧流體混合用集管
200‧‧‧鍋爐
300‧‧‧貯水槽
h1‧‧‧第一側貫通孔
h2‧‧‧第二側貫通孔
I‧‧‧第一區間
II‧‧‧第二區間
III‧‧‧第三區間
S710、S720、S730、S740、S750、S751、S752、S760、S761、S762、S770‧‧‧步驟
圖1為說明廢熱回收熱交換系統的概念的圖。
圖2係繪示本發明的實施例的廢熱回收交換系統的圖。
圖3係繪示本發明的實施例的廢熱回收交換器的圖。
圖4係繪示本發明的實施例的形成有複數個第一側貫通孔的第一側板的圖。
圖5係繪示根據本發明的實施例來以平行的方式配置於第一側板和第二側板之間的複數個熱交換管的圖。
圖6係繪示根據本發明的實施例來複數個第一側貫通孔被分成複數個區間的狀態的圖。
圖7係繪示本發明的實施例的廢熱回收熱交換製造過程的流程圖。
圖8係繪示根據本發明的實施例來在第一側板形成第一側貫通孔的狀態的圖。
圖9係繪示根據本發明的實施例熱交換管的一末端插入於第一側板的第一側貫通孔的狀態的圖。
圖10係繪示根據本發明的實施例來使插入於第一側貫通孔的熱交換管一末端擴管的狀態的圖。
S710、S720、S730、S740、S750、S751、S752、S760、S761、S762、S770‧‧‧步驟

Claims (6)

  1. 一種廢熱回收熱交換器，其係藉由回收燃燒在一鍋爐中的廢氣的熱能來加熱水，該廢熱回收熱交換器包括： 一下部板，形成有一廢氣流入口； 一上部板，在與該廢氣流入口相對的位置形成有一廢氣排放口； 一第一側板，形成有複數個第一側貫通孔； 一第二側板，作為與該第一側板相對的板，在與該第一側貫通孔相對的位置形成有複數個第二側貫通孔； 一第三側板及一第四側板，用於連接該第一側板和該第二側板； 複數個熱交換器，作為用於流動流體的鈦材質的管，以平行的方式分別連接該第一側貫通孔與相對於該第一側貫通孔的該第二側貫通孔之間；以及 一流體混合用集管，分別設置於該第一側板及該第二側板， 在複數個熱交換管的每一個中，一末端在插入於該第一側貫通孔後被擴管，來固定於該第一側板，另一末端在插入於該第二側貫通孔後被擴管，來固定於該第二側板， 根據該鍋爐的容量來供給流體的該複數個熱交換管被分成複數個區間。
  2. 一種廢熱回收熱交換器的製造方法，用於製造基於如申請專利範圍第1項所述的廢熱回收熱交換器的製造方法，該廢熱回收交換器的製造方法包括： 廢氣流入口的形成步驟，在該下部板形成該廢氣流入口； 廢氣排放口的形成步驟，在該上部板的與該廢氣流入口相對的位置形成該廢氣排放口； 第一側貫通孔的形成步驟，在該第一側板形成複數個第一側貫通孔； 第二側貫通孔的形成步驟，在該第二側板形成與該第一側貫通孔相對設置的複數個第二側貫通孔； 熱交換管一末端的擴管固定步驟，對鈦材質的該熱交換管的一末端進行擴管並固定於形成有該複數個第一側貫通孔的該第一側板； 熱交換管另一末端的擴管固定步驟，對鈦材質的該熱交換管的另一末端進行擴管並固定於形成有與該複數個第一側貫通孔相對設置的複數個第二側貫通孔的該第二側板；以及 使該下部板、該上部板、該第一側板、該第二側板、該第三側板及該第四側板相互結合的步驟。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之廢熱回收熱交換器的製造方法，其中熱交換管一末端的擴管固定步驟包括： 在形成有該複數個第一側貫通孔的該第一側板插入鈦材質的該熱交換管的一末端的步驟；以及 藉由在一末端的內部施加設定大小的擴管壓力來使該熱交換管的一末端的周圍擴張，從而使一末端的外徑加壓該第一側貫通孔的周圍來進行固定的步驟。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之廢熱回收熱交換器的製造方法，其中熱交換管另一末端的擴管固定步驟包括： 在形成有與該第一側貫通孔相對設置的複數個第二側貫通孔的該第二側板插入該熱交換管的另一末端的步驟；以及 藉由在該另一末端的內部施加設定大小的擴管壓力來使該熱交換管的另一末端的周圍擴張，從而使另一末端的外徑加壓該第二側貫通孔的周圍來進行固定的步驟。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之廢熱回收熱交換器的製造方法，其中利用相同的擴管壓力來同時實現對於相同的該熱交換管的、該熱交換管一末端的擴管固定步驟和該熱交換管另一末端的擴管固定步驟。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之廢熱回收熱交換器的製造方法，其中該第一側板和該第二側板為金屬鋼板材質，利用比導致該金屬鋼板變形的變形壓力小的擴管壓力來進行加壓。
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