TWI427252B - 廢熱回收利用之致冷系統 - Google Patents

Description

廢熱回收利用之致冷系統

本發明係關於一種致冷系統，尤其是一種廢熱回收利用之致冷系統。

請參照第1圖所示，揭示一種習知致冷系統9，包含一壓縮機91、一冷凝器92、一膨脹閥93及一蒸發器94。該壓縮機91、冷凝器92、膨脹閥93及蒸發器94係藉由管路相互連接，且管路內充填有工作流體，以構成一封閉迴路之循環管路系統。其中，該冷凝器92係可將工作流體之熱量[q_H ]排放至一第一熱儲95[大氣]，而該蒸發器94則可令工作流體吸收一第二熱儲96[冷凍空間]之熱量[q_L ]。藉此，使該第二熱儲96可維持在理想之溫度，以達到冷凍或冷藏之目的。

然而，以該習知致冷系統9之設計而言，該冷凝器92所排放之熱量大多散逸至外界，由於該習知致冷系統9缺少可將熱量回收再利用之結構設計，以及必須額外對該壓縮機91輸入電功[W_in ]，方可驅動該習知致冷系統9作動；因此，導致該習知致冷系統9所耗費之能源甚鉅，相當不經濟實惠，故仍有進一步加以改良之必要。

本發明目的乃解決習知技術之缺點，以提供一種廢熱回收利用之致冷系統，主要係將系統所排放之廢熱回收再利用於此致冷系統的動力循環單元，藉以達到節省能源之目的，並可兼具提升動力循環單元之熱效率者。

為達到前述發明目的，本發明所運用之技術內容包含有：

一種廢熱回收利用之致冷系統，係包含：一動力循環單元，包含一壓縮機、一加熱器及一渦輪機，該壓縮機、加熱器及渦輪機係依序互相連接；一冷凍機，連接該動力循環單元之渦輪機；及一熱交換單元，具有一輔助加熱器，該輔助加熱器係設置於該壓縮機及渦輪機之間，且該輔助加熱器連接該冷凍機。

本發明廢熱回收利用之致冷系統的冷凍機可以包含一壓縮單元、一冷凝單元、一膨脹閥及一蒸發單元，該壓縮單元、冷凝單元、膨脹閥及蒸發單元係依序互相連接，並構成一封閉循環，且該冷凝單元連接該輔助加熱器。藉此，該冷凝單元所排放之廢熱可回收至該輔助加熱器，用以初步加熱工作流體。

本發明廢熱回收利用之致冷系統的熱交換單元可以具有一廢熱回收器，該廢熱回收器設置於該冷凝單元，且該廢熱回收器連接該輔助加熱器，用以將該冷凝單元所排放之廢熱傳導至該輔助加熱器。

本發明廢熱回收利用之致冷系統的輔助加熱器係設置於該壓縮機及加熱器之間，以便初步加熱通過該壓縮機之工作流體，藉此節省該加熱器所需之能源。

本發明廢熱回收利用之致冷系統的壓縮單元還可以連接一輔助動力單元，該輔助動力單元係可用以驅動該壓縮單元作動。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

請參照第2圖所示，本發明較佳實施例之廢熱回收利用之致冷系統係包含一動力循環單元1、一冷凍機2及一熱交換單元3。該動力循環單元1係連接該冷凍機2，而該熱交換單元3則連接該動力循環單元1及冷凍機2。

該動力循環單元1係用以驅動該冷凍機2作動，且該動力循環單元1係包含一壓縮機11、一加熱器12及一渦輪機13，該壓縮機11、加熱器12及渦輪機13係依序藉由管路互相連接，且該管路內充填有工作流體。其中，該壓縮機11亦可以為泵浦[Pump]，主要係用以壓縮工作流體[例如：空氣]。該加熱器12係設置於該壓縮機11及渦輪機13之間，且該加熱器12係可利用太陽能或一般工業廢熱對壓縮後之工作流體進行等壓加熱，以利該渦輪機13膨脹輸出功。藉此，該渦輪機13所輸出之功即可用以驅動該冷凍機2作動。

該冷凍機2係用以吸收一熱儲4之熱量[q]，使該熱儲4維持於較佳之溫度，藉以達到冷凍或冷藏之功能；其中，該熱儲4係可以為冷凍室或冷藏室。更詳言之，該冷凍機2係包含一壓縮單元21、一冷凝單元22、一膨脹閥23及一蒸發單元24，該壓縮單元21、冷凝單元22、膨脹閥23及蒸發單元24亦藉由管路互相連接，以構成一封閉循環系統，且管路內亦充填有工作流體[例如：冷媒]。更詳言之，該壓縮單元21係連接該渦輪機13，並藉由管路連通於該冷凝單元22及蒸發單元24，以便該渦輪機13所輸出之功可以驅動該壓縮單元21壓縮工作流體。

其中，該冷凍機2之工作原理大致可以由第3圖所示之溫熵圖[T-S圖]進行說明，縱座標係代表溫度[T]，而橫座標則代表熵值[S]。工作流體經由該壓縮單元21壓縮升溫後[如第3圖中A→B]，隨即流入該冷凝單元22；該冷凝單元22係將工作流體之熱量加以排放以形成廢熱[Q]，使工作流體降溫[如第3圖中B→C]；降溫之工作流體係流入該膨脹閥23進行節流降壓及降溫，使工作流體之溫度得以低於該熱儲4之溫度[如第3圖中C→D]；最後，工作流體流入該蒸發單元24，由於工作流體之溫度低於該熱儲4之溫度，藉此即可利用熱量由高溫傳導至低溫之特性，令工作流體順利吸收該熱儲4之熱量[q]，而吸收熱量之工作流體則再流回該壓縮單元21[如第3圖中D→A]，即完成一個循環[cycle]。

該熱交換單元3主要係用以將該冷凍機2所排放之廢熱[Q]回收至該動力循環單元1加以使用，藉此除了可達到節省能源之目的外，該廢熱[Q]更可用以提升該動力循環單元1之熱效率。更詳言之，該熱交換單元3具有一輔助加熱器31及一廢熱回收器32，該輔助加熱器31係藉由管路連接於該壓縮機11及渦輪機13之間；在本實施例中，該輔助加熱器31係設置於該壓縮機11及加熱器12之間，令流出該壓縮機11之工作流體可預先流經該輔助加熱器31後再流入該加熱器12。該廢熱回收器32係設置於該冷凍機2之冷凝單元22，且該廢熱回收器32連接該輔助加熱器31，用以將該冷凝單元22所排放之廢熱[Q]導引至該輔助加熱器31，以便初步加熱通過該壓縮機11之工作流體，藉此使得流入該加熱器12之工作流體的溫度預先提升，以相對節省該加熱器12所需消耗之能源。

此外，本發明廢熱回收利用之致冷系統還可以包含一輔助動力單元5，該輔助動力單元5係連接該冷凍機2，用以做為該冷凍機2之另一動力來源。更詳言之，在本實施例中，該輔助動力單元5係連接該冷凍機2之壓縮單元21，用以輸出功，以便在該壓縮單元21之壓縮比不足時驅動該壓縮單元21作動。

請參照第2及4圖所示，本發明廢熱回收利用之致冷系統於使用時，係搭配第4圖所示代表該動力循環單元1之循環的溫熵圖[T-S圖]以利說明。工作流體係流經該壓縮機11被等熵壓縮並升溫至T₀ ，如第4圖所示a→b。在該冷凍機2尚未運作時，由於未有廢熱[Q]排放，因此，該加熱器12係將被壓縮之工作流體從溫度T₀ 加熱至T₂ ，如第4圖所示b→d。藉此，該渦輪機13係利用高溫T₂ 之工作流體膨脹輸出功至該壓縮單元21，令工作流體降溫，如第4圖所示d→e，藉此即可驅動該冷凍機2之壓縮單元21作動。

請參照第2及4圖所示，在該冷凍機2啟動之情形下，該冷凝單元22即可將廢熱[Q]經由該廢熱回收器32排放至該輔助加熱器31，使該輔助加熱器31可以利用廢熱[Q]將被壓縮之工作流體的溫度從T₀ 初步提升至T₁ ，如第4圖所示b→c；如此一來，該加熱器12僅需利用少許之能源，即可將工作流體之溫度從T₁ 加熱至T₂ ，如第4圖所示c→d。藉此，可有效節省該加熱器12所需耗費之能源。又，若有需要時，該加熱器12亦僅需再額外輸入少量之能源，即可有效將該溫度T₂ 進一步提升，藉此即可有效提升該動力循環單元1之熱效率。

本發明廢熱回收利用之致冷系統的主要技術特點在於：藉由該熱交換單元3之設計，令該冷凍機2之冷凝單元22所排放之廢熱[Q]經由該廢熱回收器32傳送至該輔助加熱器31，使該動力循環單元1可以利用該加熱器12搭配該輔助加熱器31，以二級加熱方式大幅提升工作流體之溫度。如此一來，利用回收該冷凍機2所產生之廢熱[Q]來驅動該動力循環單元1，不僅可節省該加熱器12加熱工作流體所需之能源，更可節省該輔助動力單元5輸入該壓縮單元21所需之功。藉此，該冷凍機2即可令該熱儲4具有冷凍或冷藏之功能，使得本發明廢熱回收利用之致冷系統具有達到節省能源及提升熱效率等諸多功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

[本發明]

1．．．動力循環單元

11．．．壓縮機

12．．．加熱器

13．．．渦輪機

2．．．冷凍機

21．．．壓縮單元

22．．．冷凝單元

23．．．膨脹閥

24．．．蒸發單元

3．．．熱交換單元

31．．．輔助加熱器

32．．．廢熱回收器

4．．．熱儲

5．．．輔助動力單元

Q．．．廢熱

q．．．熱量

〔習知〕

9‧‧‧致冷系統

91‧‧‧壓縮機

92‧‧‧冷凝器

93‧‧‧膨脹閥

94‧‧‧蒸發器

95‧‧‧第一熱儲

96‧‧‧第二熱儲

第1圖：習知致冷系統之架構圖。

第2圖：本發明較佳實施例之廢熱回收利用之致冷系統的架構圖。

第3圖：本發明較佳實施例之冷凍機循環的溫熵圖。

第4圖：本發明較佳實施例之動力循環單元循環的溫熵圖。

1．．．動力循環單元

11．．．壓縮機

12．．．加熱器

13．．．渦輪機

2．．．冷凍機

21．．．壓縮單元

22．．．冷凝單元

23．．．膨脹閥

24．．．蒸發單元

3．．．熱交換單元

31．．．輔助加熱器

32．．．廢熱回收器

4．．．熱儲

5．．．輔助動力單元

Q．．．廢熱

q．．．熱量

Claims (5)

1. 一種廢熱回收利用之致冷系統，包含：一動力循環單元，包含一壓縮機、一加熱器及一渦輪機，該壓縮機、加熱器及渦輪機係依序互相連接；一冷凍機，連接該動力循環單元之渦輪機；及一熱交換單元，具有一輔助加熱器，該輔助加熱器係設置於該壓縮機及該加熱器之間，且該輔助加熱器連接該冷凍機。
2. 依申請專利範圍第1項所述之廢熱回收利用之致冷系統，其中該冷凍機包含一壓縮單元、一冷凝單元、一膨脹閥及一蒸發單元，該壓縮單元、冷凝單元、膨脹閥及蒸發單元係依序互相連接，且該冷凝單元係連接該輔助加熱器。
3. 依申請專利範圍第2項所述之廢熱回收利用之致冷系統，其中該熱交換單元具有一廢熱回收器，該廢熱回收器設置於該冷凝單元，且該廢熱回收器連接該輔助加熱器。
4. 依申請專利範圍第1項所述之廢熱回收利用之致冷系統，其另包含一輔助動力單元，該輔助動力單元連接該冷凍機。
5. 依申請專利範圍第2或3項所述之廢熱回收利用之致冷系統，其另包含一輔助動力單元，該輔助動力單元連接該冷凍機之壓縮單元。