TWI611158B

TWI611158B - 高效能廢熱回收熱管內部結構

Info

Publication number: TWI611158B
Application number: TW105106594A
Authority: TW
Inventors: 李恆毅; 蔡孟昌; 王多美
Original assignee: 行政院原子能委員會核能研究所
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2016-03-03
Publication date: 2018-01-11
Also published as: TW201732213A

Abstract

一種高效能廢熱回收熱管內部結構，係包括一管本體，具有一內壁表面，該內壁表面係圍設成一密閉腔室，且該密閉腔室在近似真空狀態下充填有可隨溫度變化作液、氣兩相變化之工作流體；以及一沸石（Zeolite）塗層，形成於該管本體之內壁表面與密閉腔室之間，該沸石塗層係包含無機聚合物（Geopolymer）黏結劑、沸石與添加物，先調製該無機聚合物黏結劑，再加入該沸石與該添加物調製漿料，並燒結在該管本體之內壁表面。藉此，本發明透過在熱管內壁表面施作沸石塗層，利用沸石係多孔性材質具有極大之表面積，並且孔洞半徑比微細溝槽與網目更微小，具有較強傳熱能力與較佳毛細力之優點，而且主要成分係氧化鋁、氧化矽、及其它氧化物，不會因氧化而失效，可以在大氣環境下施作，達到使熱管尺寸不受限制之餘，更無需隔離空氣之功效。

Description

高效能廢熱回收熱管內部結構

本發明係有關於一種高效能廢熱回收熱管內部結構，尤指涉及一種工業廢熱回收熱管熱交換器，特別係指在熱管內壁表面施作沸石（Zeolite）塗層而具有較強之傳熱能力、較佳之毛細力、尺寸不受限制及不需隔離空氣之功效者。

熱管最常見用途為電子元件、電機設備散熱、空調及工業廢熱回收等四種。針對工業廢熱回收而言，工業有許多無回收設備而直接或間接排放之廢熱。直接排放之廢熱，大多來自氣體，廢熱來源包括蒸汽鍋爐、熱媒鍋爐、焚化爐、加熱爐、電弧爐、及水泥窯等。間接排放之廢熱主要因製程操作單元與系統之需求，需要用氣冷或水冷之方式，間接移除製程熱能以滿足後續製程需求，所排放廢氣或廢水需進一步冷卻，以達適合儲存或處理之需求。能源局於101年對我國電力契約容量大於800千瓦（kW）之3,300家工業能源大用戶之統計調查，煙囪餘熱所排放之總熱量約390 萬公秉油當量（KLOE），占工業部門能源使用量9.2%，相當於11.27百萬公噸二氧化碳（CO₂ ）排放，可見餘熱回收再利用實乃國家節能減碳之重要一環。其中，我國鍋爐裝置容量總計132,733噸/時（T/H），鍋爐能源用量總計42,632.83千公秉油當量（KKLOE），佔能源大用戶熱能使用量之大部分，並且我國鍋爐產品出口值約1億美元，全球排名第27位。鍋爐之排氣溫度越高，熱損也越大。但如果降低排氣溫度，雖然熱損減少，但是會造成露點腐蝕之問題。因此使用含硫量較高之燃料，排氣溫度之設定需要昇高；並且，排氣中之油灰或煤灰極易附著換熱器表面而影響熱交換效率。傳統之板式或殼管式熱交換器內部沉積物不易清除，並且當管壁破損，將會發生洩漏，故不適合腐蝕性氣體及含煙灰氣體之廢熱回收。而殼管式熱交換器之體積較大，亦不易安裝於現有設備。因此，熱管熱交換器係唯一能實現冷熱分流之熱交換器，並且容易安裝與維修。目前常用之工業廢熱回收熱管本體材料，係以不銹鋼與碳鋼為主，而第一例習用之熱管結構，為中華人民共和國專利CN103900409A，如第７圖所示，係一種熱虹吸式熱管１００。管本體１０１係金屬材料，內部在近似真空狀態下充填工作流體１０２。當下方蒸發段１０３受熱，液態工作流體１０２吸熱蒸發成為氣態而膨脹，形成壓力瞬間衝向上方冷凝段１０４，氣態工作流體１０２放熱冷凝成為液態，受重力作用沿管壁向下回流至蒸發段１０３，繼續吸熱，如此循環不斷，將下方熱能向上傳遞。惟，雖然此種熱管能將熱能從下方向上方傳遞，但無法向下傳熱。第二例習用之熱管結構，為中華人民共和國專利CN100417908C，其熱管內部有毛細結構，由銅、鋁、鋅、鉛、錫、鎳、銀、金中至少其中之一粉體燒結而成。利用毛細結構產生毛細力可以增加回流能力，使熱管可以向下或水平傳熱。然而，上述金屬粉末必須在真空或惰性氣體環境下燒結，且熱管整體尺寸受到真空燒結爐體積之限制，只適合長度30 cm以下之熱管；另外，在後續製作過程中更須與空氣隔離，否則毛細結構容易氧化而使熱管失效。對於長度30 cm以上熱管內部之毛細結構，係以不銹鋼或其它耐腐蝕材料製作成纖維，或再編織成各種形式之網目，放置於熱管內部，或在熱管內壁製作微細溝槽（groove）；前述這些製作方式雖然適合各種尺寸熱管，但是熱傳面積不足且孔隙太大，以至於熱傳能力與毛細力不足。其它有關熱管內部結構之專利，可以參考中華民國專利TW M410205U1、TW I425178、TW M318116、TW I479114、TW I305823、TW I289651、TW I281018、TW I260389；美國專利US2013/0168052A1、US2013/0160976A1、US2010/0200199A1、US7594573B2、US2006/0222423A1、US2006/0207750A1、US2006/0016580A1、US2005/0116336A1、US7086454、4674565、3952798、3762011；以及歐洲專利EP1715274A2。由上述習用範例可見，目前尚無有效方法可以同時解決熱傳能力與毛細力不足、尺寸限制與毛細結構氧化之問題。故，ㄧ般習用者係無法符合使用者於實際使用時之所需。

本發明之主要目的係在於，克服習知技藝所遭遇之上述問題並提供一種在熱管內壁表面施作沸石塗層而具有較強之傳熱能力、較佳之毛細力、尺寸不受限制及不需隔離空氣等功效之高效能廢熱回收熱管內部結構。為達以上之目的，本發明係一種高效能廢熱回收熱管內部結構，係包括：一管本體，具有一內壁表面，該內壁表面係圍設成一密閉腔室，且該密閉腔室在近似真空狀態下充填有可隨溫度變化作液、氣兩相變化之工作流體，該管本體設有蒸發段及遠離該蒸發段之冷凝段；以及一沸石塗層，係形成於該管本體之內壁表面與密閉腔室之間，該沸石塗層係包含無機聚合物（Geopolymer）黏結劑、沸石與添加物，先調製該無機聚合物黏結劑，再加入該沸石與該添加物調製漿料，並燒結在該管本體之內壁表面，其中該沸石塗層之孔徑範圍係介於數奈米至數百微米之間，其比表面積為100～600 m² /g。於本發明上述實施例中，該管本體係在100～1000°C具有50 kg/mm² 以上抗拉強度之金屬材料。於本發明上述實施例中，該管本體係為碳鋼、SUS201、SUS202、SUS304、SUS316、SUS430其中之一或其組合。於本發明上述實施例中，該管本體之截面形狀係為圓型、橢圓形、方形、矩形或多邊形其中之一。於本發明上述實施例中，該管本體截面之迴轉半徑範圍係為1～1,000 mm，而該管本體之細長比範圍係為0.001～1,000。於本發明上述實施例中，該工作流體係可在100～1000°C作液氣兩相變化傳熱之水、醇類、苯類、烷類、冷媒類、化學合成油品、鋰、鈉、或鉀；抑或在該工作流體內部添加銀、銅、或鋁之高導熱性金屬粉末或顆粒。於本發明上述實施例中，該沸石塗層係為一單層沸石塗層，其厚度介於100～1000μm之間。於本發明上述實施例中，該沸石塗層係為一具有雙層不同孔徑之沸石塗層，包含自該內壁表面上依序形成一底層沸石塗層及一表層沸石塗層，且該底層沸石塗層之孔洞半徑係比該表層沸石塗層之孔洞半徑大。於本發明上述實施例中，該沸石係為低矽沸石、中矽沸石或高矽沸石。於本發明上述實施例中，該沸石包括MFI型、X型及A型沸石之晶體結構。於本發明上述實施例中，該添加物係包括氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯、氧化矽其中一種或數種材料。於本發明上述實施例中，該管本體之內壁表面上係形成有微細溝槽，該沸石塗層係形成在該微細溝槽表面。於本發明上述實施例中，該蒸發段接觸之廢熱來源包括腐蝕性氣體、腐蝕性液體、放射性氣體、放射性液體、放射性固體、毒性氣體、毒性液體、毒性固體、煙氣、廢液、溶劑、汙泥、粉體、顆粒、砂石、焚化爐底灰、冶煉爐熔渣、溫泉地熱、蒸汽地熱、硫磺地熱、及太陽熱能，且該廢熱之溫度係介於50～1,000°C。於本發明上述實施例中，該冷凝段接觸之冷卻物質包括空氣、水、相變材料、或其它氣態、液態、固態之物質。

請參閱『第１圖～第６圖』所示，係分別為本發明之高效能廢熱回收熱管內部結構示意圖、本發明單層沸石塗層熱管水平剖面示意圖、本發明雙層沸石塗層熱管水平剖面示意圖、本發明之製作方法流程示意圖、本發明熱管內壁微細溝槽表面沸石塗層剖面示意圖、及本發明沸石塗層之晶體結構示意圖。如圖所示：本發明係一種高效能廢熱回收熱管內部結構２００，係包括一管本體２０１、以及一沸石（Zeolite）塗層２０５所構成。上述所提之管本體２０１設有蒸發段２０３及遠離該蒸發段２０３之冷凝段２０４，而該管本體２０１具有一內壁表面２０１１，該內壁表面２０１１係圍設成一密閉腔室２０１２，且該密閉腔室２０１２在近似真空狀態下充填有可隨溫度變化作液、氣兩相變化之工作流體２０２。該沸石塗層２０５係形成於該管本體２０１之內壁表面２０１１與密閉腔室２０１２之間，該沸石塗層２０５係包含無機聚合物（Geopolymer）黏結劑、沸石與添加物，且該無機聚合物黏結劑、沸石與添加物係混合均勻，並燒結在該管本體之內壁表面。如是，藉由上述揭露之結構構成一全新之高效能廢熱回收熱管內部結構。上述管本體２０１為金屬材料，係在100～1000°C具有50 kg/mm² 以上抗拉強度者，例如碳鋼、SUS201、SUS202、SUS304、SUS316、SUS430等其中之一或其組合。上述管本體２０１之截面形狀可為圓型、橢圓形、方形、矩形或多邊形等其中之一；該管本體２０１截面之迴轉半徑範圍係為1～1,000 mm，而該管本體之細長比範圍係為0.001～1,000。上述工作流體２０２係可在100～1000°C作液氣兩相變化傳熱者，例如水、醇類、苯類、烷類、冷媒類、化學合成油品、鋰、鈉、或鉀等；抑或在該工作流體２０２內部添加銀、銅、或鋁等高導熱性金屬粉末或顆粒。上述沸石塗層２０５之孔徑範圍係介於數奈米（奈米=10^-9 m）至數百微米（微米=10^-6 m）之間，比表面積為100～600 m² /g，單層厚度為100～1000μm。上述沸石塗層２０５可為一單層沸石塗層，如第２圖所示，或為一具有不同孔徑之雙層沸石塗層，如第３圖所示，包含自該內壁表面２０１１上依序形成一底層沸石塗層２０7及一表層沸石塗層２０６，且該底層沸石塗層２０7之孔洞半徑係比該表層沸石塗層２０６之孔洞半徑大。製作上述沸石塗層２０５，２０６和２０7之方法流程如第４圖所示，首先調製無機聚合物黏結劑，再加入沸石與添加物調製漿料，再塗佈於該管本體２０１內壁表面２０１１上，經過模壓成型，最後煅燒完成該沸石塗層２０５。其中，該管本體２０１之內壁表面２０１１上係可進一步加工使其表面粗化，或形成微細溝槽２０１３，然後在該粗化表面或微細溝槽２０１３表面施作該沸石塗層２０５，如第５圖所示。上述調製漿料之添加物係包括氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯、氧化矽等其中一種或數種材料；而沸石係由氧化矽（SiO₄ ）四面體以及氧化鋁（AlO₄ ）四面體兩種單元建構而成之網狀結構，其結構具開放性，有互相連通之空間或管道，構成多孔性（porous）材質具有極大的表面積，被廣泛應用於吸附劑、觸媒轉化劑及觸媒載體。該沸石之矽鋁比值不拘，可為低矽沸石、中矽沸石或高矽沸石，且如第６圖(a)～(c)所示，該沸石之種類包括MFI型、A型及X型孔道沸石之晶體結構，因此本發明熱管內壁之沸石塗層２０５具有以下優點： (1) 沸石塗層２０５係孔洞性材質，依據楊氏-拉普拉斯（Laplace-Yang）方程式，毛細壓力DPcap之計算如下： DPcap=(2s·cos(θ))/rp 式中，s為表面張力，θ為固體與液體之接觸角度，rp為孔洞半徑。由此可知孔洞半徑越小，毛細壓力越大，由於沸石孔洞半徑比微細溝槽與網目微小，因此具有較大之毛細力，可使冷凝段２０４液態工作流體２０２回流之動力提升，使熱管可以達到向下、傾斜或水平傳熱。 (2) 沸石塗層２０５係孔洞性材質，位於蒸發段２０３之多孔表面具有大量之有效成核孔洞，可增加核沸騰（nuclear boiling）汽泡產生之數量，因此熱傳係數較平滑表面高出4.5倍。並且該沸石塗層２０５具有極大之表面積，所以熱交換面積也較高，熱傳能力強。 (3) 沸石之主要成分為氧化鋁、氧化矽、與其它氧化物，不會因氧化而失效，可以在大氣環境下施作，使熱管尺寸不受限制。本發明針對工業廢熱回收熱管熱交換器，提出高效能廢熱回收熱管內部結構之嶄新設計；當運用時，本發明與該蒸發段２０３接觸之廢熱來源包括腐蝕性氣體、腐蝕性液體、放射性氣體、放射性液體、放射性固體、毒性氣體、毒性液體、毒性固體、煙氣、廢液、溶劑、汙泥、粉體、顆粒、砂石、焚化爐底灰、冶煉爐熔渣、溫泉地熱、蒸汽地熱、硫磺地熱、及太陽熱能，且該廢熱之溫度範圍係介於50～1,000°C。而本發明與該冷凝段２０４接觸之冷卻物質包括空氣、水、相變材料、或其它氣態、液態、固態之物質。藉此，本發明透過在熱管內壁表面施作沸石塗層，利用沸石係多孔性材質具有極大之表面積，並且孔洞半徑比微細溝槽與網目更微小，具有較強傳熱能力與較佳毛細力之優點，而且主要成分係氧化鋁、氧化矽、及其它氧化物，不會因氧化而失效，可以在大氣環境下施作，達到使熱管尺寸不受限制之餘，更無需隔離空氣之功效。綜上所述，本發明係一種高效能廢熱回收熱管內部結構，可有效改善習用之種種缺點，針對工業廢熱回收熱管熱交換器，提出高效能廢熱回收熱管內部結構之嶄新設計，具有較強之傳熱能力、較佳之毛細力、尺寸不受限制及不需隔離空氣之優點，進而使本發明之産生能更進步、更實用、更符合使用者之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

（本發明部分）
２００‧‧‧高效能廢熱回收熱管內部結構
２０１‧‧‧管本體
２０１１‧‧‧內壁表面
２０１２‧‧‧密閉腔室
２０１３‧‧‧微細溝槽
２０２‧‧‧工作流體
２０３‧‧‧蒸發段
２０４‧‧‧冷凝段
２０５‧‧‧單層沸石塗層
２０６‧‧‧表層沸石塗層
２０7‧‧‧底層沸石塗層
（習用部分）
１００‧‧‧熱虹吸式熱管
１０１‧‧‧管本體
１０２‧‧‧工作流體
１０３‧‧‧蒸發段
１０４‧‧‧冷凝段

第１圖，係本發明之高效能廢熱回收熱管內部結構垂直剖面示意圖。第２圖，係本發明單層沸石塗層熱管水平剖面示意圖。第３圖，係本發明雙層沸石塗層熱管水平剖面示意圖。第４圖，係本發明之製作方法流程示意圖。第５圖，係本發明熱管內壁微細溝槽表面沸石塗層剖面示意圖。第６圖，係本發明沸石塗層之晶體結構示意圖。第７圖，係傳統熱紅吸式熱管結構示意圖。

200‧‧‧高效能廢熱回收熱管內部結構

201‧‧‧管本體

2011‧‧‧內壁表面

2012‧‧‧密閉腔室

202‧‧‧工作流體

203‧‧‧蒸發段

204‧‧‧冷凝段

205‧‧‧單層沸石塗層

Claims

一種高效能廢熱回收熱管內部結構，係包括：一管本體，具有一內壁表面，該內壁表面係圍設成一密閉腔室，且該密閉腔室在近似真空狀態下充填有可隨溫度變化作液、氣兩相變化之工作流體，該管本體設有蒸發段及遠離該蒸發段之冷凝段；以及一沸石(Zeolite)塗層，係形成於該管本體之內壁表面與密閉腔室之間，該沸石塗層係包含無機聚合物(Geopolymer)黏結劑、沸石與添加物，先調製該無機聚合物黏結劑，再加入該沸石與該添加物調製漿料，並燒結在該管本體之內壁表面，其中該沸石塗層之孔徑範圍係介於數奈米至數百微米之間，其比表面積為100~600m²/g，可使冷凝段液態工作流體回流之動力提升，使熱管可以達到向下、傾斜或水平傳熱，達到較強傳熱能力與較佳毛細力。
依申請專利範圍第1項所述之高效能廢熱回收熱管內部結構，其中，該管本體係在100~1000℃具有50kg/mm²以上抗拉強度之金屬材料。
依申請專利範圍第2項所述之高效能廢熱回收熱管內部結構，其中，該管本體係為碳鋼、SUS201、SUS202、SUS304、SUS316、SUS430其中之一或其組合。
依申請專利範圍第1項所述之高效能廢熱回收熱管內部結構，其中，該管本體之截面形狀係為圓型、橢圓形、方形、矩形或多邊形其中之一。
依申請專利範圍第4項所述之高效能廢熱回收熱管內部結構，其中，該管本體截面之迴轉半徑範圍係為1~1,000mm，而該管本體之細長比範圍係為0.001~1,000。
依申請專利範圍第1項所述之高效能廢熱回收熱管內部結構，其中，該工作流體係可在100~1000℃作液氣兩相變化傳熱之水、醇類、苯類、烷類、冷媒類、化學合成油品、鋰、鈉、或鉀；抑或在該工作流體內部添加銀、銅、或鋁之高導熱性金屬粉末或顆粒。
依申請專利範圍第1項所述之高效能廢熱回收熱管內部結構，其中，該沸石塗層係為一單層沸石塗層，其厚度介於100~1000μm之間。
依申請專利範圍第1項所述之高效能廢熱回收熱管內部結構，其中，該沸石塗層係為一具有不同孔徑之雙層沸石塗層，包含自該內壁表面上依序形成一底層沸石塗層及一表層沸石塗層，且該底層沸石塗層之孔洞半徑係比該表層沸石塗層之孔洞半徑大。
依申請專利範圍第1項所述之高效能廢熱回收熱管內部結構，其中，該沸石係為低矽沸石、中矽沸石或高矽沸石。
依申請專利範圍第1項所述之高效能廢熱回收熱管內部結構，其中，該沸石包括MFI型、X型及A型沸石之晶體結構。
依申請專利範圍第1項所述之高效能廢熱回收熱管內部結構，其中，該添加物係包括氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯、氧化矽其中一種或數種材料。
依申請專利範圍第1項所述之高效能廢熱回收熱管內部結構，其中，該管本體之內壁表面上係形成有微細溝槽，該沸石塗層係形成在該微細溝槽表面。
依申請專利範圍第1項所述之高效能廢熱回收熱管內部結構，其中，該蒸發段接觸之廢熱來源包括腐蝕性氣體、腐蝕性液體、放射性氣體、放射性液體、放射性固體、毒性氣體、毒性液體、毒性固體、煙氣、廢液、溶劑、汙泥、粉體、顆粒、砂石、焚化爐底灰、冶煉爐熔渣、溫泉地熱、蒸汽地熱、硫磺地熱、及太陽熱能，且該廢熱之溫度係介於50~1,000℃。
依申請專利範圍第1項所述之高效能廢熱回收熱管內部結構，其中，該冷凝段接觸之冷卻物質包括空氣、水、相變材料、或其它氣態、液態、固態之物質。