TWI532910B - 具復熱及冷凝功能的熱交換器及應用其之熱循環系統及方法 - Google Patents

Description

具復熱及冷凝功能的熱交換器及應用其之熱循環系統及方 法

本發明是有關於一種熱傳機制，且特別是有關於一種具復熱及冷凝功能的熱交換器及應用其之熱循環系統及方法。

中低溫廢熱發電市場近幾年蓬勃發展，而有機朗肯循環(Organic Rankine Cycle，ORC)為目前中低溫廢熱發電技術中最為成熟且具經濟效益之一種技術。有機朗肯循環為一封閉熱機循環系統，其關鍵元件和工作原理如下：(1)工作流體升壓泵(pump)：升壓液態工作流體，並送入蒸發器中加熱；(2)蒸發器(evaporator)：汲取熱源流體的熱能，以汽化工作流體；(3)膨脹機/渦輪機及發電機組(expander/turbine and power generator)：轉換工作流體的熱能和壓力能為膨脹機的軸功率(shaft power)，再經由發電機產生電力；(4)冷凝器(condenser)：冷凝做功後的汽態工作流體成為液態，並送往工作流體升壓泵的入口，完成循環。

有機朗肯循環(ORC)屬於雙循環系統(binary cycle system)。其一，ORC迴路中的工作流體，經歷液泵升壓、蒸發器汽化、膨脹機做功、冷凝器液化等過程，完成密閉式熱機循環系統。其二，來自熱源的熱流(hot stream)，則透過蒸發器，將熱能傳遞給工作流體。在蒸發器內，工作流體透過熱傳介質(例如：殼管式熱交換器的熱傳管、板式熱交換器的熱傳板)吸收熱流熱能。熱流於蒸發器放熱後，即經由蒸發器的熱流出口流回至外界環境。視熱流出口的溫度與流量，熱流可能直接排放或再利用。

然而，做完功後的汽態工作流體的溫度過高，會造成冷凝器的熱負載增加，而升壓後的液態工作流體的溫度過低，則會造成蒸發器的熱負載增加。因此，熱循環的效率無法有效提升。

本發明係有關於一種具復熱及冷凝功能的熱交換器及熱循環系統，具有較佳的熱能利用及回收效率，以降低熱交換器之熱負載。

本發明係有關於一種熱交換方法，具有較佳的熱能利用及回收效率，以降低熱交換器之熱負載。

根據本發明之一方面，提出一種具復熱及冷凝功能的熱交換器，包括一壓力容器、一復熱管路以及一冷卻流體管路。壓力容器具有一入口、一出口以及一隔板，隔板將壓力容器的內部間隔為一工作流體復熱區以及一工作流體冷凝區，且隔板 位於入口與出口之間。復熱管路配置於壓力容器中，並通過工作流體復熱區，以加熱流經復熱管路之一液態工作流體。冷卻流體管路配置於壓力容器中，並通過工作流體冷凝區，以冷卻一進入壓力容器內的汽態工作流體。汽態工作流體先通過工作流體復熱區，再流向工作流體冷凝區。

根據本發明之一方面，提出一種熱循環系統，包括一具復熱及冷凝功能的熱交換器、一蒸發器、一發電模組以及一泵浦。此具復熱及冷凝功能的熱交換器包括一壓力容器、一復熱管路以及一冷卻流體管路。壓力容器具有一入口、一出口以及一隔板，隔板將壓力容器的內部間隔為一工作流體復熱區以及一工作流體冷凝區，且隔板位於入口與出口之間。復熱管路配置於壓力容器中，並通過工作流體復熱區，以加熱流經復熱管路之一液態工作流體。冷卻流體管路配置於壓力容器中，並通過工作流體冷凝區，以冷卻一進入壓力容器內的汽態工作流體。汽態工作流體先通過工作流體復熱區，再流向工作流體冷凝區。蒸發器連接復熱管路之一出口，以加熱液態工作流體至一汽態。發電模組藉由一第一管路連接蒸發器之一出口，並藉由一第二管路連接壓力容器之入口。泵浦藉由一第三管路連接壓力容器之出口，並藉由一第四管路連接復熱管路之一入口。

根據本發明之一方面，提出一種熱交換方法，包括下列步驟。提供一壓力容器，壓力容器內設置一復熱管路、一冷卻流體管路以及一隔板。隔板將壓力容器的內部間隔為一工作流 體復熱區以及一工作流體冷凝區。復熱管路通過工作流體復熱區，而冷卻流體管路通過工作流體冷凝區。通入一汽態工作流體於壓力容器中，以加熱流經復熱管路之一液態工作流體。引導汽態工作流體由工作流體復熱區流向工作流體冷凝區。引導汽態工作流體通過工作流體冷凝區，以冷卻汽態工作流體至一液態。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100‧‧‧熱循環系統

101‧‧‧熱交換器

110‧‧‧壓力容器

110a‧‧‧工作流體復熱區

110b‧‧‧工作流體冷凝區

111‧‧‧入口

112‧‧‧出口

113‧‧‧隔板

114‧‧‧第一端板

11.5‧‧‧第二端板

116‧‧‧流道

117‧‧‧流道出口

120‧‧‧復熱管路

130‧‧‧冷卻流體管路

131‧‧‧第一管路

132‧‧‧第二管路

133‧‧‧第三管路

134‧‧‧第四管路

140‧‧‧導流板

140a‧‧‧多孔板

140b‧‧‧螺旋導流板

141‧‧‧第一導流板

142‧‧‧第二導流板

150‧‧‧發電模組

151‧‧‧膨脹機

152‧‧‧發電機

160‧‧‧蒸發器

170‧‧‧泵浦

F‧‧‧工作流體

Fp‧‧‧汽態工作流體

Fq‧‧‧液態工作流體

A‧‧‧第一通道口

B‧‧‧第二通道口

C‧‧‧冷卻流體

H‧‧‧熱源流體

第1圖繪示依照本發明一實施例之具復熱及冷凝功能的熱交換器。

第2圖繪示依照本發明一實施例之熱循環系統。

第3圖繪示依照本發明一實施例之熱交換方法的各個步驟。

第4A及4B圖分別繪示導流板為多孔板或螺旋導流板的示意圖。

在本實施例之一範例中，以具復熱及冷凝功能的熱交換器來加熱高壓側的液態工作流體，且同時能冷卻低壓側的汽態工作流體。例如：經由泵浦升壓後的液態工作流體，在進入蒸發器之前，先進入一復熱管路中吸熱，以使過冷液態工作流體的溫度上升，以減少蒸發器的熱負載(或熱交換面積)。此外，做功後的低壓汽態工作流體，在進行冷凝之前就先釋放部分熱能，以使汽態工作流體的溫度下降，以降低冷凝器的熱負載(或熱交 換面積)。因此，可同時降低蒸發器與冷凝器之熱負載。

在一實施例中，熱交換器具有復熱器及冷凝器的雙重功能，且僅需要單一個壓力容器。若將復熱器及冷凝器分為二，除設置經費增加外，由於復熱器屬於壓力容器之一種，需進行壓力容器認證，因而成本增加。

在一實施例中，壓力容器具有一隔板，此隔板將該壓力容器的內部間隔為一工作流體復熱區以及一工作流體冷凝區。汽態工作流體與過冷液態工作流體在工作流體復熱區中進行熱交換，其功能如同復熱器。接著，汽態工作流體再與外界冷卻流體在工作流體冷凝區進行熱交換，其功能如同冷凝器。因此，復熱的熱傳及冷凝的熱傳均在此一壓力容器中進行，並以隔板隔開，進而縮短熱交換所需管路的長度，並降低熱交換器的設置成本。

以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。

請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施例之具復熱及冷凝功能的熱交換器101。此熱交換器101包括一壓力容器110、一復熱管路120以及一冷卻流體管路130。壓力容器110具有一入口111、一出口112以及一隔板113。隔板113將壓力容器110的內部間隔為一工作流體復熱區110a以及一工作流體冷凝區110b，且隔板113位於入口111與出口112之間。在本實施例中，設置隔板113的目的是使熱交換器101具有復熱器及冷凝器的雙重功能，且僅需要單一個壓力容器110，因此能減少熱交換器101設置的成本。

在一實施例中，壓力容器110內設有第一端板114與第二端板115，此二端板與壓力容器110的內側壁相連。隔板113的一端固定在第二端板115上，並與第二端板115垂直配置。隔板113的另一端與第一端板114不相連，以形成一流道出口117於工作流體復熱區110a以及工作流體冷凝區110b之間。因此，汽態工作流體Fp由入口111進入壓力容器110後，先經過工作流體復熱區110a，再由流道出口117流向工作流體冷凝區110b。

請參照第1圖，復熱管路120配置於壓力容器110，並通過工作流體復熱區110a，以加熱流經復熱管路120之一液態工作流體Fq。在一實施例中，復熱管路120可為直管、波浪管或螺旋管。復熱管路120固定在第一端板114與第二端板115上，且復熱管路120連接於泵浦170與蒸發器160(參見第2圖)之間。因此，汽態工作流體Fp與過冷液態工作流體Fq可在工作流體復熱區110a中進行熱交換，其功能如同復熱器。

由於經由泵浦170升壓後的液態工作流體Fq，在進入蒸發器160之前，先進入復熱管路120中吸熱，以使液態工作流體的溫度上升，故能減少蒸發器160的熱負載(或熱交換面積)。

請參照第1圖，壓力容器110的內部例如包括複數個導流板140，此些導流板140配置於工作流體復熱區110a中，且此些導流板140間隔地排列，以形成一流道116，例如是S型流道或螺旋型流道。因此，汽態工作流體Fp可經由流道116通過此些導流板140。在一實施例中，設置導流板140的目的是為了增加復熱管路120與汽態工作流體Fp於流道116中的熱交換面積，並降低汽態工作流體Fp的流速，以使汽態工作流體Fp在 流道116中停留的時間增加，進而提高熱交換的效率。

導流板140可直接配置在復熱管路120的外側，並與復熱管路120垂直配置，用以引導汽態工作流體Fp沿著復熱管路120的外側流動。在一實施例中，此些導流板140包括複數個第一導流板141以及複數個第二導流板142，此些第一導流板141與此些第二導流板142交錯配置，以形成S型流道。第一導流板141連接隔板113，並與隔板113垂直配置。各個第一導流板141與壓力容器110的內側壁不相連，以形成多個第一通道口A。此外，第二導流板142連接壓力容器110的內側壁，並與內側壁垂直配置。各個第二導流板142與隔板113不相連，以形成多個第二通道口B。上述的第一通道口A與第二通道口B交錯配置且位於流道的相對兩側，以形成類似S型的流道。因此，汽態工作流體Fp可經由第一通道口A與第二通道口B依序通過此些導流板140，並將熱能傳給復熱管路120內之一液態工作流體Fq。

上述的第一導流板141與第二導流板142例如是半封閉式擋板，用以控制汽態工作流體的流向並降低流速，但本發明不以此為限。導流板140亦可為多孔板140a或螺旋導流板140b，如第4A及4B圖所示，同樣能達到控制汽態工作流體的流向並降低流速的功效。

此外，復熱管路120內部例如加裝扭曲片(twisted tape)、彈簧線(wire coil)、線篩(wire brush)或設有突出物(block)，使液態工作流體離子化而產生次迴流(secondary flow)，以增加液態工作流體停留的時間，進而提高熱交換的效率。或者，在另一實施例中，於液態工作流體中添加奈米金屬(nano metal)增加吸熱 能力、利用超音波振盪液態工作流體或以擺動翼振盪以增加紊流擾動能力，亦可應用在本發明之熱交換器中，以提高熱交換的效率。

承上所述，隔板113設有一流道出口117，其位於流道116最遠離入口111之一側。當汽態工作流體Fp於流道中釋放部分熱能之後，經由流道出口117流向工作流體冷凝區110b。請參照第1圖，冷卻流體管路130配置於壓力容器110中，並通過工作流體冷凝區110b，以冷卻進入壓力容器110內的汽態工作流體Fp。在一實施例中，冷卻流體管路130可為直管、波浪管或螺旋管。冷卻流體管路130固定在第一端板114與第二端板115上，且汽態工作流體Fp與外界冷卻流體C在工作流體冷凝區110b進行熱交換，其功能如同冷凝器。

由於高溫的汽態工作流體Fp在進行冷凝之前就先釋放部分熱能，以使汽態工作流體Fp的溫度下降，因此能降低冷凝器的熱負載(或熱交換面積)。

在一實施例中，上述介紹的導流板140亦可應用在工作流體冷凝區110b中，以形成類似第1圖所示的流道於工作流體冷凝區110b中。導流板的排列方式如上所述，且其形式不限，可為多孔板、半封閉式擋板或螺旋導流板等。例如：將導流板直接配置在冷卻流體管路130的外側，並與冷卻流體管路130垂直配置，用以引導汽態工作流體Fp沿著冷卻流體管路130的外側流動。

此外，冷卻流體管路130內部例如加裝扭曲片(twisted tape)、彈簧線(wire coil)、線篩(wire brush)或設有突出物 (block)，使冷卻流體離子化而產生次迴流(secondary flow)，以增加冷卻流體停留的時間，進而提高熱交換的效率。或者，在另一實施例中，於冷卻流體中添加奈米金屬(nano metal)增加吸熱能力、利用超音波振盪冷卻流體或以擺動翼振盪以增加紊流擾動能力，亦可應用在本發明之熱交換器中，以提高熱交換的效率。

請參照第2圖，其繪示依照本發明一實施例之熱循環系統100。此熱循環系統100包括一具復熱及冷凝功能的熱交換器101、一蒸發器160、一發電模組150以及一泵浦170。熱交換器101的功能相當於復熱器及冷凝器。蒸發器160用以加熱工作流體F至一汽態。發電模組150藉由一第一管路131連接蒸發器160之一出口，並藉由一第二管路132連接壓力容器110之一入口。此外，泵浦170藉由一第三管路133連接壓力容器110之一出口，並藉由一第四管路134連接復熱管路120之一入口，以形成一具有復熱功能的封閉迴路。因此，此熱循環系統100可為一具有熱能回收的封閉熱機循環系統。

應用在有機朗肯循環中，可利用常壓低沸點的有機物質(例如：冷媒、碳氫化合物)為工作流體，並可利用工業廢熱、地熱、溫泉或太陽能等多樣化的中低溫熱源來加熱工作流體，使工作流體在蒸發器160內蒸發、汽化，汽化後的工作流體再導引至發電模組150做功並發電。

另外，應用在極低溫ORC發電系統，可利用常溫水(或表層海水)為熱源來加熱以液態天然氣、液態氮或液態氧做為冷流的工作流體，使工作流體在蒸發器160內蒸發、汽化，汽化後的工作流體再導引至發電模組150做功並發電。

上述之發電模組150例如是由膨脹機151(例如：渦輪機、螺旋式膨脹機、渦卷式膨脹機)以及發電機152組合而成。請參照第2圖，在一實施例中，具有高溫蒸汽狀態之工作流體F的熱能和壓力能轉換為膨脹機151的軸功率，再將工作流體膨脹做功產生的機械能輸入至發電機152，並由發電機152產生電力。此外，做功完後的汽態工作流體流經具有復熱及冷凝功能的熱交換器101，以釋放部分熱能，再透過冷卻流體管路130中的冷卻流體C吸收汽態工作流體的其餘熱能，而凝結為液態工作流體，接著，藉由泵浦170升壓液態工作流體，並送入蒸發器160中，利用熱源流體H所放出的熱能進行液態工作流體的加熱，以構成一熱循環系統。

有關熱交換器的隔板113、導流板140、復熱管路120以及冷卻流體管路130的配置方式及流道設計，請參照第1圖及相關內容，以下略述應用上述實施例之熱交換方法。請參照第3圖，其繪示依照本發明一實施例之熱交換方法的各個步驟。首先，在步驟301中，提供一壓力容器110，壓力容器110內設置一復熱管路120、一冷卻流體管路130以及一隔板113。隔板113將壓力容器110的內部間隔為一工作流體復熱區110a以及一工作流體冷凝區110b，其中復熱管路120通過工作流體復熱區110a，而冷卻流體管路130通過工作流體冷凝區110b。在步驟302中，通入一汽態工作流體Fp於壓力容器110中，以加熱流經復熱管路120之一液態工作流體Fq。在步驟303中，引導汽態工作流體Fp由工作流體復熱區110a流向工作流體冷凝區110b。在步驟304中，引導汽態工作流體Fp通過工作流體冷凝區110b，以 冷卻汽態工作流體Fp至一液態。

由上述的熱交換方法可知，汽態工作流體Fp與復熱管路120先在工作流體復熱區110a中進行熱交換，接著，汽態工作流體Fp再與外界冷卻流體C在工作流體冷凝區110b進行熱交換。因此，復熱的熱傳及冷凝的熱傳均在此一壓力容器110中進行，並以隔板113隔開，進而縮短熱交換所需管路的長度，並降低熱交換器的設置成本。此外，僅需要單一個壓力容器110，故可降低壓力容器驗證的成本。

本發明上述實施例所揭露之具復熱及冷凝功能的熱交換器及應用其之熱循環系統及方法，將復熱器及冷凝器合而為一，具有較佳的熱能利用及回收效率，並能同時降低蒸發器與冷凝器的熱負載，進而提高熱循環的效率，因此實用性高。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。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。

101‧‧‧熱交換器

110‧‧‧壓力容器

110a‧‧‧工作流體復熱區

110b‧‧‧工作流體冷凝區

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‧‧‧復熱管路

130‧‧‧冷卻流體管路

140‧‧‧導流板

141‧‧‧第一導流板

142‧‧‧第二導流板

Fp‧‧‧汽態工作流體

Fq‧‧‧液態工作流體

A‧‧‧第一通道口

B‧‧‧第二通道口

C‧‧‧冷卻流體

Claims (18)

1. 一種具復熱及冷凝功能的熱交換器，包括：一壓力容器，該壓力容器具有一入口、一出口以及一隔板，該隔板將該壓力容器的內部間隔為一工作流體復熱區以及一工作流體冷凝區，且該隔板位於該入口與該出口之間；一復熱管路，配置於該壓力容器中，並通過該工作流體復熱區，以加熱流經該復熱管路之一液態工作流體；以及一冷卻流體管路，配置於該壓力容器中，並通過該工作流體冷凝區，以冷卻一進入該壓力容器內的汽態工作流體，其中，該隔板分隔於該復熱管路與該冷卻流體管路之間，且該汽態工作流體先通過該工作流體復熱區，再經由該隔板流向該工作流體冷凝區。
2. 如申請專利範圍第1項所述之熱交換器，其中該壓力容器的內部包括複數個導流板，該些導流板配置於工作流體復熱區中，該些導流板間隔地排列，以形成一流道，且該汽態工作流體經由該流道通過該些導流板。
3. 如申請專利範圍第1項所述之熱交換器，其中該隔板設有一流道出口，該汽態工作流體經由該流道出口流向該工作流體冷凝區。
4. 如申請專利範圍第2項所述之熱交換器，其中該些導流板包括複數個第一導流板以及複數個第二導流板，該些第一導流板與該些第二導流板交錯配置，以形成一S型流道。
5. 如申請專利範圍第2項所述之熱交換器，其中該些導流板 為多孔板、半封閉式擋板或螺旋導流板。
6. 如申請專利範圍第1項所述之熱交換器，其中該復熱管路及/或該冷卻流體管路內部設有扭曲片、彈簧線、線篩或突出物，使該液態工作流體及/或冷卻流體產生次迴流。
7. 一種熱循環系統，包括：一具復熱及冷凝功能的熱交換器，包括：一壓力容器，該壓力容器具有一入口、一出口以及一隔板，該隔板將該壓力容器的內部間隔為一工作流體復熱區以及一工作流體冷凝區；一復熱管路，配置於該壓力容器中，並通過該工作流體復熱區，以加熱流經該復熱管路之一液態工作流體；以及一冷卻流體管路，配置於該壓力容器中，並通過該工作流體冷凝區，以冷卻一進入該壓力容器內的汽態工作流體，其中，該隔板分隔於該復熱管路與該冷卻流體管路之間，且該汽態工作流體先通過該工作流體復熱區，再經過該隔板流向該工作流體冷凝區；一蒸發器，連接該復熱管路之一出口，以加熱該液態工作流體至一汽態；一發電模組，藉由一第一管路連接該蒸發器之一出口，並藉由一第二管路連接該壓力容器之該入口；以及一泵浦，藉由一第三管路連接該壓力容器之該出口，並藉由一第四管路連接該復熱管路之一入口。
8. 如申請專利範圍第7項所述之熱循環系統，其中該壓力容 器的內部包括複數個導流板，該些導流板配置於工作流體復熱區中，該些導流板間隔地排列，以形成一流道，且該汽態工作流體經由該流道通過該些導流板。
9. 如申請專利範圍第7項所述之熱循環系統，其中該隔板設有一流道出口，該汽態工作流體經由該流道出口流向該工作流體冷凝區。
10. 如申請專利範圍第8項所述之熱循環系統，其中該些導流板包括複數個第一導流板以及複數個第二導流板，該些第一導流板與該些第二導流板交錯配置，以形成一S型流道。
11. 如申請專利範圍第8項所述之熱循環系統，其中該些導流板為多孔板、半封閉式擋板或螺旋導流板。
12. 如申請專利範圍第7項所述之熱循環系統，其中該復熱管路及/或該冷卻流體管路內部設有扭曲片、彈簧線、線篩或突出物，使該液態工作流體及/或冷卻流體產生次迴流。
13. 一種熱交換方法，包括：提供一壓力容器，該壓力容器內設置一復熱管路、一冷卻流體管路以及一隔板，該隔板將該壓力容器的內部間隔為一工作流體復熱區以及一工作流體冷凝區，其中該復熱管路通過該工作流體復熱區，而該冷卻流體管路通過該工作流體冷凝區，且該隔板分隔於該復熱管路與該冷卻流體管路之間；通入一汽態工作流體於該壓力容器中，以加熱流經該復熱管路之一液態工作流體； 引導該汽態工作流體由該工作流體復熱區並經由該隔板流向該工作流體冷凝區；以及引導該汽態工作流體通過該工作流體冷凝區，以冷卻該汽態工作流體至一液態。
14. 如申請專利範圍第13項所述之熱交換方法，其中該壓力容器的內部還包括複數個導流板，該些導流板配置於工作流體復熱區中，該些導流板間隔地排列，以形成一流道，且該汽態工作流體經由該流道通過該些導流板。
15. 如申請專利範圍第14項所述之熱交換方法，其中該隔板設有一流道出口，該汽態工作流體經由該流道出口流向該工作流體冷凝區。
16. 如申請專利範圍第14項所述之熱交換方法，其中該些導流板包括複數個第一導流板以及複數個第二導流板，該些第一導流板與該些第二導流板交錯配置，以形成一S型流道。
17. 如申請專利範圍第14項所述之熱交換方法，其中該些導流板為多孔板、半封閉式擋板或螺旋導流板。
18. 如申請專利範圍第13項所述之熱交換方法，其中該復熱管路及/或該冷卻流體管路內部設有扭曲片、彈簧線、線篩或突出物，使該液態工作流體及/或冷卻流體產生次迴流。