TWI625461B - 熱能回收裝置 - Google Patents

Abstract

一種熱能回收裝置，包括一外框、至少一第一管體及至少一第二管體。外框具有一熱穿透側及一容置空間。第一管體設置於容置空間內。第一管體包括一第一材質。第二管體設置於容置空間內。第二管體比第一管體遠離熱穿透側，且與第一管體異軸。第二管體包括一第二材質。第一材質之耐熱溫度大於第二材質之耐熱溫度。第二材質之熱傳導係數大於第一材質之熱傳導係數。

Description

熱能回收裝置

本提案係關於一種熱能回收裝置，特別是有關於一種吸收輻射熱之熱能回收裝置。

自工業革命以來，人們常藉由燃燒的方式取得能量，進而製造出其他產品。然而，在工業燃燒設備中，除了直接取得的能量以外，仍會產生許多輻射熱。目前國內五大工業輻射熱分別為金屬冶煉廠、玻璃面板廠、水泥廠、石化廠及造紙廠。由於製程操作常在攝氏數百度並至上千度的溫度條件下，因此未利用到的熱能多以熱輻射方式逸散於環境當中。

然而，傳統上因未有相對應的回收機制，故這些輻射熱被視為無法回收再利用之廢熱。例如鋼鐵冶煉的連續鑄造製程的上游製程中，溫度可達攝氏1000度。而在下游熱軋製程中，其盤捲熱處理時溫度仍可達攝氏500度。另外在水泥、造紙等產業中，製程常設置旋窯燃燒系統，雖然爐體用耐火材料披覆保溫，其窯體外殼仍有攝氏300度的溫度。上述的工業製程中，皆有一個共通的特性，就是製程是屬連續式，且物件連續移動，無法用接觸式的裝置進行廢熱回收，因此製程中的環境皆會釋放高輻射廢熱能。

因此，有業者藉由用以吸收太陽輻射熱的太陽能集熱板來進行廢熱回收。然而，目前市售的太陽能集熱板經短期取熱600小時測試後，發現太陽能集熱板有形狀變形的損壞情形發生，故無法承受工業輻射熱的強度與長期運轉的環境條件。然而，耐熱溫度高的材質其導熱係數通常較低，故不易兼顧集熱板之壽命及熱能回收效率。

有鑑於以上的問題，本提案提出一種熱能回收裝置，藉由結構的配置及材質的選擇以避免熱能回收裝置之變形，同時具備輻射熱高吸收效能之特性。

本提案提出一種熱能回收裝置，包括一外框、至少一第一管體及至少一第二管體。外框具有一熱穿透側及一容置空間。第一管體設置於容置空間內。第一管體包括一第一材質。第二管體設置於於容置空間內。第二管體比第一管體遠離熱穿透側，且與第一管體異軸。第二管體包括一第二材質，第一材質之耐熱溫度大於第二材質之耐熱溫度。第二材質之熱傳導係數大於第一材質之熱傳導係數。

根據本提案之熱能回收裝置，藉由耐熱溫度較高之第一管體設置於較接近熱穿透側，而能夠避免高強度之輻射熱造成第一管體變形，而在第一管體吸收高強度之輻射熱後，較低強度之輻射熱可藉由具有較高熱傳導能力之第二管體進一步快速吸收，而可提高整體之輻射熱吸收效率。而且，於突然面臨到極高溫的高度熱衝擊環境下，第一管體可及時抵禦此熱衝擊而不損壞，第二管體也可及時逸散第一管體所承受的熱衝擊，因而提升整體之耐熱衝擊能力。

以上之關於本提案內容之說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本提案之精神與原理，並且提供本提案之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下在實施方式中詳細敘述本提案之詳細特徵以及優點，其內容足以使任何本領域中具通常知識者了解本提案之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何本領域中具通常知識者可輕易地理解本提案相關之目的及優點。以下之實施例係進一步詳細說明本提案之觀點，但非以任何觀點限制本提案之範疇。此外，本案之圖式中之元件比例關係僅為示意以便於說明，而非用以限制本提案之範疇。

請參照圖1、圖2及圖3，圖1繪示依照本提案之一實施例之熱能回收裝置10之局部側視剖面示意圖，圖2繪示圖1之熱能回收裝置10之沿II-II剖面之局部俯視剖面示意圖，圖3繪示圖1之熱能回收裝置10之架構示意圖。於本實施例中，熱能回收裝置10包括多個第一管路110、多個第二管路120、一外框130、一第一出液管141、一第一入液管142、一第二出液管151、一第二入液管152、一熱交換器160、一流體驅動裝置170及多個連接管路181、182、183。

如圖1及圖2所示，外框130具有一熱穿透側130a及一容置空間。其中，外框130包括一框體131、一隔熱層132、一反射層133及一透光板134。透光板134裝設於框體131上而形成容置空間。透光板134形成外框130之一熱穿透側130a。熱源之輻射熱H可從熱穿透側130a進入容置空間內。反射層133設置於框體131並位於容置空間內。隔熱層132設置於框體131及反射層133之間。

第一管路110及第二管路120設置於外框130且位於容置空間內。第一管路110與第二管路120異軸，也就是二者軸心錯開而不重疊。第二管路120比第一管路110遠離熱穿透側130a。各個第二管路120投影至熱穿透側130a之投影位置之中心與各個第一管路110投影至熱穿透側130a之投影位置之中心錯開。反射層133面向第一管路110及第二管路120。隔熱層132也面向第一管路110及第二管路120。容置空間可為一流通空間。流通空間可與外框以外的空間連通。容置空間亦可為一封閉空間130b。封閉空間130b內可包含靜滯而較不流動之氣體，例如空氣或氮氣等，或者可為接近真空條件，藉此可減緩封閉空間130b內之熱對流的情形發生。

各個第一管路110包括一第一管體110a及一第一熱吸收層110b。第一管體110a以一第一材質製成，且用以流通一第一流體。第一熱吸收層110b包覆於第一管體110a之周圍。於本實施例中，第一管體110a之第一材質可為陶瓷、陶瓷金屬(Cermet)、不鏽鋼、鈦金屬、鈦合金等具高耐熱溫度之材質。第一材質之耐熱溫度為變形前之溫度上限，可為攝氏500度至攝氏700度之間。第一熱吸收層110b之材質可為不鏽鋼、鐵、鉻、鎢等之金屬、其氧化物或其氮化物、陶瓷金屬等材質。

各個第二管路120包括一第二管體120a及一第二熱吸收層120b。第二管體120a以一第二材質製成，且用以流通一第二流體。第一材質之耐熱溫度大於第二材質之耐熱溫度。第二材質之熱傳導係數大於第一材質之熱傳導係數。第二熱吸收層120b包覆於第二管體120a之周圍。於本實施例中，第二管體120a之第二材質可為銅、鋁、鋁鎂合金、鋁合金等具高度熱傳導性質之材質。第二材質之耐熱溫度為變形前之溫度上限，可為攝氏300度至攝氏500度之間。第二材質之熱傳導係數可為100W/mK以上。第二熱吸收層120b之材質可為樹脂、碳黑、二氧化矽等有機摻雜塗料或無機摻雜塗料，或者鋁、鈦、鎢等金屬氧化物、氮化物等材質。第一熱吸收層110b及第二熱吸收層120b可相同亦可相異。

為了標示清楚，圖1所示之第一熱吸收層110b及第二熱吸收層120b之厚度為誇張的繪製方式。於本實施例中，第一熱吸收層110b之厚度可遠小於第一管體110a之外徑，故第一管路110之外徑 D1與第一管體110a之外徑相近。第二熱吸收層120b之厚度可遠小於第二管體120a之外徑，故第二管路120之外徑D2與第二管體120a之外徑相近。各個第一管路110之外徑D1可為10mm~30mm。相鄰二個第一管路110之中心之間之距離W1可為第一管路110之外徑D1之1.2倍距離至2倍距離。各個第二管路120之外徑D2可為10mm~30mm。各個第二管路120之中心與此些第一管路110中最接近之一第一管路110之中心之距離W2可為第一管路之外徑D1及第二管路之外徑D2之總和之0.6倍距離至1倍距離，也就是0.6(D1+D2)W2(D1+D2)。其中，距離W1大於外徑D1，但小於外徑D1及外徑D2之和。藉由此尺寸配置，熱能回收裝置10可完整回收熱源的輻射熱H，進而可提升熱能回收裝置10之熱能回收效率。

如圖2及圖3所示，第一管體110a之一端連接於第一出液管141，該些第一管體110a之另一端連接於第一入液管142。第二管體120a之一端連接於第二出液管151，第二管體120a之另一端連接於第二入液管152。於本實施例中，第一出液管141、第一入液管142、第二出液管151及第二入液管152皆可設置於外框130之外，但並非限定於此。於其他實施例中，第一出液管141、第一入液管142、第二出液管151及第二入液管152亦可設置於外框130之容置空間之內。

如圖3所示，第一出液管141及第二出液管151共同連接至連接管路181，進而連接至熱交換器160。熱交換器160可經由連接管路182連接至流體驅動裝置170。流體驅動裝置170可經由連接管路183而共同連接至第一入液管142及第二入液管152。藉由上述管路 配置而形成一循環迴路。於此循環迴路中，第一管體110a與第二管體120a為並聯關係。流體驅動裝置170可包括泵浦及儲存裝置。泵浦可提供流體流動之動力，而儲存裝置可儲存多餘的流體。於本實施例中，第一流體及第二流體相同，且可於循環迴路中流通。第一流體及第二流體可為常見的熱交換工作流體，或為水、空氣、熱煤油等流體。

如圖1、圖2及圖3所示，熱源之輻射熱H可從外框130之熱穿透側130a進入容置空間內。由於第一管路110接近熱穿透側130a，故第一熱吸收層110b可吸收大部分的輻射熱H，並進一步將熱能傳遞至第一管體110a及其內流通之第一流體。而且，第一管路110之第一管體110a之第一材質為具有高耐熱性質之材質，故於大量吸收輻射熱H而升溫時可耐久不變形。

未由第一管路110吸收之輻射熱H以及第一管路110本身所逸散之輻射熱，可藉由位置與第一管路110錯開之第二管路120吸收。由於大量之輻射熱H先被第一管路110吸收，故第二管路120所需吸收之熱輻射之熱能及強度可小於第一管路110。第二管路120之第二管體120a之第二材質可選用具有高度熱傳導性質之材質，以利加速將熱能傳遞至第二流體。未由第一管路110及第二管路120吸收之輻射熱H以及第一管路110與第二管路120本身所逸散之輻射熱，則可藉由反射層133進一步反射至第一管路110及第二管路120以再次吸收。而且，隔熱層132可減緩熱能從封閉空間130b逸散至外部環境的情形。藉此配置，熱能回收裝置10可較完整回收熱源的輻射熱H，進而可提升熱能回收裝置10之熱能回收效率。

流體驅動裝置170則可經由連接管路183驅動第一流體及第二流體分別於第一管體110a及第二管體120a內流動。因此，第一流體及第二流體分別於第一管體110a及第二管體120a內吸收熱能之後，可受到流體驅動裝置170之驅動而流向連接管路181，再進一步流至熱交換器160進行放熱。使用者可於熱交換器160取得熱能回收裝置10從熱源之輻射熱H回收之熱能。於熱交換器160進行放熱後之第一流體及第二流體，可經由連接管路182流至流體驅動裝置170，而完成循環迴路內之一循環。

請參照圖4，繪示依照本提案之另一實施例之熱能回收裝置20之架構示意圖。熱能回收裝置20與圖1及圖2中之熱能回收裝置10類似，也包括如圖1及圖2所示之多個第一管路110、多個第二管路120、一外框130、一第一出液管141、一第一入液管142、一第二出液管151及一第二入液管152。然而相異的是，於本實施例中，熱能回收裝置20另外包括一第一熱交換器261、一第二熱交換器262、一第一流體驅動裝置271、一第二流體驅動裝置272及多個連接管路281、282、283、284、285、286。由於本實施例之熱能回收裝置20之多個第一管路110、多個第二管路120、一外框130、一第一出液管141、一第一入液管142、一第二出液管151及一第二入液管152與圖1及圖2所示之熱能回收裝置10類似，而在此不加以贅述。

如圖4所示，第一出液管141連接至連接管路281，進而連接至第一熱交換器261。第一熱交換器261可經由連接管路282連接至第一流體驅動裝置271。第一流體驅動裝置271可經由連接管路283 而連接至第一入液管142。藉由上述管路配置而形成一第一循環迴路供第一流體流通。

第二出液管151連接至連接管路284，進而連接至第二熱交換器262。第二熱交換器262可經由連接管路285連接至第二流體驅動裝置272。第二流體驅動裝置272可經由連接管路286而連接至第二入液管152。藉由上述管路配置而形成一第二循環迴路供第二流體流通。於本實施例中，第一流體可與第二流體分別為常見的熱交換工作流體，或為水、空氣、熱煤油等流體。第一流體及第二流體可相同亦可相異。

第一流體驅動裝置271則可經由連接管路283驅動第一流體於第一管體110a內流動。因此，第一流體於第一管體110a內吸收熱能之後，可受到第一流體驅動裝置271之驅動而流向連接管路281，再進一步流至第一熱交換器261進行放熱。使用者可於第一熱交換器261取得熱能回收裝置20所回收之熱能。於第一熱交換器261進行放熱後之第一流體，可經由連接管路282流至第一流體驅動裝置271，而完成第一循環迴路內之一循環。

第二流體驅動裝置272則可經由連接管路286驅動第二流體於第二管體120a內流動。因此，第二流體於第二管體120a內吸收熱能之後，可受到第二流體驅動裝置272之驅動而流向連接管路284，再進一步流至第二熱交換器262進行放熱。使用者可於第二熱交換器262取得熱能回收裝置20所回收之熱能。於第二熱交換器262進行放熱後之第二流體，可經由連接管路285流至第二流體驅動裝置272，而 完成第二循環迴路內之一循環。

請參照圖5，繪示依照本提案之另一實施例之熱能回收裝置30之局部側視剖面示意圖。熱能回收裝置30與圖1、圖2、圖3及圖4所示之熱能回收裝置10、20相似。然而，本實施例中之熱能回收裝置30更包括多個第三管路390。

第三管路390設置於外框130且位於容置空間內。第一管路110、第二管路120及第三管路390異軸，也就是二者軸心錯開而不重疊。第三管路390比第二管路120遠離由透光板134所形成熱穿透側130a。各個第三管路390投影至熱穿透側130a之投影位置之中心與各個第二管路120投影至熱穿透側130a之投影位置之中心錯開。反射層133面向第一管路110、第二管路120及第三管路390。隔熱層132也面向第一管路110、第二管路120及第三管路390。容置空間可為一封閉空間130b。封閉空間130b內可包含靜滯而較不流動之氣體，例如空氣或氮氣等，或者可為接近真空條件，藉此可減緩封閉空間130b內之熱對流的情形發生。

各個第三管路390包括一第三管體390a及一第二熱吸收層390b。第三管體390a以一第三材質製成，且用以流通一第三流體。第三熱吸收層390b包覆於第三管體390a之周圍。於本實施例中，第三管體390a之第三材質可為高熱傳導性質之材質，或與第二管體相同材質。第三材質之耐熱溫度為變形前之溫度上限，可為攝氏300度至攝氏500度之間或攝氏300度以下。第三材質之熱傳導係數可為100W/mK以上。第三熱吸收層390b之材質可與第二熱吸收層120b相同材質。

為了標示清楚，圖5所示之第一熱吸收層110b、第二熱吸收層120b及第三熱吸收層390b之厚度為誇張的繪製方式。於本實施例中，第一熱吸收層110b之厚度可遠小於第一管體110a之外徑，故第一管路110之外徑與第一管體110a之外徑相近。第二熱吸收層120b之厚度可遠小於第二管體120a之外徑，故第二管路120之外徑與第二管體120a之外徑相近。第三熱吸收層390b之厚度可遠小於第三管體390a之外徑，故第三管路390之外徑D3與第三管體390a之外徑相近。各個第三管路390之外徑D3可為10mm~30mm。各個第三管路390之中心與此些第二管路120中最接近之一第二管路120之中心之距離W3可為第二管路之外徑D2及第三管路之外徑D3之總和之0.6倍距離至1倍距離，也就是0.6(D2+D3)W3(D2+D3)。

綜上所述，本提案之熱能回收裝置，能夠藉由耐熱溫度較高之管體設置於較接近熱穿透側，而能夠避免高強度之輻射熱造成較接近熱穿透側之管體變形，而在較接近熱穿透側之管體吸收高強度之輻射熱後，較低強度之輻射熱可藉由具有較高熱傳導能力之管體進一步快速吸收，而可提高整體輻射熱回收效率。

雖然本提案以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本提案。在不脫離本提案之精神和範圍內，所為之更動與潤飾，均屬本提案之專利保護範圍。關於本提案所界定之保護範圍請參考所附之申請專利範圍。

10、20、30‧‧‧熱能回收裝置

110‧‧‧第一管路

110a‧‧‧第一管體

110b‧‧‧第一熱吸收層

120‧‧‧第二管路

120a‧‧‧第二管體

120b‧‧‧第二熱吸收層

130‧‧‧外框

130a‧‧‧熱穿透側

130b‧‧‧封閉空間

131‧‧‧框體

132‧‧‧隔熱層

133‧‧‧反射層

134‧‧‧透光板

141‧‧‧第一出液管

142‧‧‧第一入液管

151‧‧‧第二出液管

152‧‧‧第二入液管

160‧‧‧熱交換器

170‧‧‧流體驅動裝置

181、182、183‧‧‧連接管路

261‧‧‧第一熱交換器

262‧‧‧第二熱交換器

271‧‧‧第一流體驅動裝置

272‧‧‧第二流體驅動裝置

281、282、283、284、285、286‧‧‧連接管路

390‧‧‧第三管路

390a‧‧‧第三管體

390b‧‧‧第三熱吸收層

D1、D2、D3‧‧‧外徑

H‧‧‧輻射熱

W1、W2、W3‧‧‧距離

圖1繪示依照本提案之一實施例之熱能回收裝置之局部側視剖面示意圖。 圖2繪示圖1之熱能回收裝置之沿II-II剖面之局部俯視剖面示意圖。 圖3繪示圖1之熱能回收裝置之架構示意圖。 圖4繪示依照本提案之另一實施例之熱能回收裝置之架構示意圖。 圖5繪示依照本提案之另一實施例之熱能回收裝置之局部側視剖面示意圖。

Claims (15)

1. 一種熱能回收裝置，包括：一外框，具有一熱穿透側及一容置空間；至少一第一管體，設置於該容置空間內，該至少一第一管體包括一第一材質；以及至少一第二管體，設置於該容置空間內，該至少一第二管體比該至少一第一管體遠離該熱穿透側，且與該至少一第一管體異軸，該至少一第二管體包括一第二材質，該第一材質之耐熱溫度大於該第二材質之耐熱溫度，該第二材質之熱傳導係數大於該第一材質之熱傳導係數；一第一熱吸收層，該第一熱吸收層包覆於該至少一第一管體之周圍，該第一熱吸收層所包括之材質選自於不鏽鋼、不鏽鋼之氧化物、不鏽鋼之氮化物、鐵、鐵之氧化物、鐵之氮化物、鉻、鉻之氧化物、鉻之氮化物、鎢、鎢之氧化物、鎢之氮化物、陶瓷金屬(Cermet)及其組合所構成之群組；以及一第二熱吸收層，該第二熱吸收層包覆於該至少一第二管體之周圍，該第二熱吸收層所包括之材質選自於樹脂摻雜塗料、碳黑摻雜塗料、二氧化矽摻雜塗料、鋁、鋁之氧化物、鋁之氮化物、鈦、鈦之氧化物、鈦之氮化物、鎢、鎢之氧化物、鎢之氮化物及其組合所構成之群組。
2. 如請求項1所述之熱能回收裝置，其中該第一材質之耐熱溫度為攝氏500度至攝氏700度。
3. 如請求項1所述之熱能回收裝置，其中該第二材質之耐熱溫度為攝氏300度至攝氏500度。
4. 如請求項1所述之熱能回收裝置，其中該第二材質之熱傳導係數為100WmK以上。
5. 如請求項1所述之熱能回收裝置，其中該外框包括一透光板及一框體，該透光板裝設於該框體上以形成該容置空間，該透光板形成該外框之該熱穿透側。
6. 如請求項5所述之熱能回收裝置，其中該外框更包括一反射層，設置於該框體內，且面向該至少一第一管體及該至少一第二管體。
7. 如請求項5所述之熱能回收裝置，其中該外框更包括一隔熱層，設置於該框體內，且面向該至少一第一管體及該至少一第二管體。
8. 如請求項5所述之熱能回收裝置，其中該外框更包括一隔熱層及一反射層，皆設置於該框體內，且皆面向該至少一第一管體及該至少一第二管體，該隔熱層設置於該框體及該反射層之間。
9. 如請求項1所述之熱能回收裝置，其中該第一材質選自於陶瓷、陶瓷金屬(Cermet)、不鏽鋼、鈦金屬、鈦合金及其組合所構成之群組，該第二材質選自於銅、鋁、鋁鎂合金、鋁合金及其所合所構成之群組。
10. 如請求項1所述之熱能回收裝置，其中該至少一第一管體之數量為多個，該至少一第二管體之數量為多個，各該第二管體投影至該熱穿透側之投影位置之中心與各該第一管體投影至該熱穿透側之投影位置之中心錯開。
11. 如請求項1所述之熱能回收裝置，其中該至少一第一管體之數量為多個，該至少一第二管體之數量為多個，各該第一管體之外徑為10mm~30mm，相鄰二個該些第一管體之中心之間之距離為各該第一管體之外徑之1.2倍距離至2倍距離，各該第二管體之外徑為10mm~30mm，各該第二管體之中心與最接近之該些第一管體之其中一者之中心之距離為各該第一管體及各該第二管體之外徑總和之0.6倍距離至1倍距離。
12. 如請求項1所述之熱能回收裝置，更包括一第一出液管、一第二出液管、一第一入液管及一第二入液管，其中該至少一第一管體之數量為多個，該至少一第二管體之數量為多個，該些第一管體之一端連接於該第一出液管，該些第一管體之另一端連接於該第一入液管，該些第二管體之一端連接於該第二出液管，該些第二管體之另一端連接於該第二入液管。
13. 如請求項1所述之熱能回收裝置，更包括一第一熱交換器、一第二熱交換器、一第一流體驅動裝置及一第二流體驅動裝置，該至少一第一管體與該第一熱交換器及該第一流體驅動裝置相連而形成一第一循環迴路，該至少一第二管體與該第二熱交換器及該第二流體驅動裝置相連而形成一第二循環迴路。
14. 如請求項1所述之熱能回收裝置，更包括一熱交換器及一流體驅動裝置，該至少一第一管體及該至少一第二管體共同與該熱交換器及該流體驅動裝置相連，而形成一循環迴路，於該循環迴路中，該至少一第一管體與該至少一第二管體並聯。
15. 如請求項1所述之熱能回收裝置，其中該容置空間為一封閉空間。