TWI682132B - 氣對氣熱回收方法及裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係有關一種氣對氣熱回收方法及裝置,其方法為將氣對氣熱回收分成二階段,第一階段是高溫廢氣對循環冷水熱交換,所得低溫廢氣排至大氣,所得高溫循環水供第二階段所用,第二階段是將第一階段所得高溫循環水對低溫外氣熱交換,所得高溫外氣供製程補氣所用,結合第一階段氣對水熱交換及第二階段水對氣熱交換,構成完整氣對氣熱回收方法,具有減少熱傳面積、增加熱交換效率、增加熱交換器的種類選擇性及增加工程可行性之功效。

Description

氣對氣熱回收方法及裝置
本發明屬廢熱回收技術領域,特別係指一種氣對氣熱回收方法及裝置,具有減少熱傳面積、增加熱交換效率、增加熱交換器的種類選擇性及增加工程可行性之功效。
廢熱回收來源,泛指工廠無回收設備而直接或間接排放稱之。直接排放多針對氣體而言,包括鍋爐、焚化爐、加熱爐、電弧爐、水泥窯…等等的廢熱氣體排放,請參閱第1圖所示,高溫製程廢氣(A)藉排氣風機(B)經風管(C)排至大氣(D)中,高溫製程廢氣(A)中多數仍有相當的熱能未被有效利用,實屬浪費,且這些直接排放到大氣的高溫廢氣會對環境造成不利的影響。在製程須要補充氣體時,係利用進氣風機(E)將低溫外氣(F)經風管(G)導入低溫氣體供製程補氣(H),若要提供預熱的外部氣體,則要增加預熱用的加熱裝置。亦即在不具熱回收的製程中,直接排放高溫製程廢氣不但造成環境破壞,還要增加製程補氣增加的預熱設備及能源損耗成本。
熱交換器廣泛應用在各種工業領域,用以將一種介質的熱量傳遞至另一種介質,使得工業的二次能源能被充分利用,達成實現餘熱回收與節能的效果。目前產業回收此廢熱用於加熱冷空氣供製程補氣,如果是採用熱交換器方式,請參閱第2圖所示,均是採用氣對氣熱交換器(I),如管殼式、熱管式或板式…等等熱交換器,在大風量的氣對氣熱交換器(I)中, 因為空氣的熱傳導性能不佳,所需的熱交換面積很大,所以造成熱交換器體積龐大,造價貴且維修不易。
我國公告號M472825「可便利拆卸清洗的熱交換器」專利,包含至少一熱交換器單元,該熱交換器單元包括:一外殼體,其內部具有一腔室,該外殼體的上端與下端個別具有連通該腔室的進氣口與出氣口,該進氣口與出氣口之間界定一第一氣流通道,該外殼體的兩側端個別形成一開放口且個別連接一側蓋用以將該二開放口封閉,該外殼體的開放口的外周圍向外延伸一凸緣,各側蓋的內側端設有一凸緣,該外殼體的凸緣與該二側蓋的凸緣對應結合,該外殼體的內壁設有至少一墊圈,該墊圈的一部分凸出該外殼體的內壁;及一熱交換模組,其包含分隔開的第一與第二端板及設置於該第一與第二端板間的複數熱交換管,該第一端板結合在該外殼體的一凸緣與一對應側蓋的凸緣之間,該第二端板伸入該外殼體的腔室內且該第二端板的周圍抵靠在該墊圈的內壁上,該數熱交換管相互連通且共同界定一第二氣流通道,該第二氣流通道與該第一氣流通道沒有連通;其中一第一氣體可由該外殼體的進氣口引入且通過該第一氣流通道而由該外殼體的出氣口排出,一第二氣體可通過該熱交換模組的第二氣流通道而與該第一氣體進行熱交換(2014年02月21日專利公告資料參照)。公告號I412717「氣對氣熱交換器」專利,係包括有:一外箱體,兩端形成有第一氣體進氣口與第一氣體出氣口,頂端則形成有置入口;複數個內垂吊體,各該內垂吊體藉由該置入口而垂吊定位於該外箱體內部,且其結構包括有上盒體、下盒體與導氣管束,而將該導氣管束兩端焊接於該上盒體底板與該下盒體頂板,並把該上盒體內部分隔出第二類氣體進氣室與第二類氣體 出氣室,該下盒體內部遂成為迴轉室,而該上盒體於該第二類氣體進氣室形成有第二類氣體進氣口且於該第二類氣體出氣室形成有第二類氣體出氣口,而每一個內垂吊體分別導入不同之氣體氣流,致使橫貫流過該外箱體內部之第一氣體氣流,快速且連續地與不同之氣體氣流進行熱交換,藉以將複數個熱交換器整合於一體,且令該上盒體與該下盒體內部增設迴轉室,俾以增加氣流之迴轉次數與流經該導氣管束之次數;以及一保溫層,固定於該外箱體內部而介於該外箱體與內垂吊體之下盒體間,藉其厚度及軟性特徵以填滿該外箱體與內垂吊體之下盒體間間隙,吸收該導氣管束因溫度變化產生之向下熱應變與熱應力,並達到氣密效果,而該保溫層材質為陶瓷纖維者(103年10月21日專利公告資料參照)。公告號M472824「新穎板式熱交換器」專利,其包含:一底板;一蓋板,蓋板設有第一流體入口與出口,及第二流體入口與出口;多層夾板,該多層夾板位於底板與蓋板之間,該多層夾板內將形成第一流道及第二流道,第一流道與第二流道之間不互通;底板、蓋板及多層夾板連結配合硬銲填料以硬銲方式為之(2014年02月21日專利公告資料參照)。
前述工業上這些廢氣熱回收的案例,將具有高溫的製程廢氣經由熱交換器的熱交換,預熱需要加溫的冷空氣,此方法雖然很簡單,但若風量大時,缺點很多,如:(1)熱交換器體積龐大。(2)風管尺寸大,施工不易,尤其是有些案例,現場空間不足,或熱回收與預熱的位置距離很遠,大風管無法施工。(3)熱交換器空氣壓損大,造成風機馬力增加。(4)熱交換器太大不易保養。(5)空氣的熱傳導性能不佳,熱交換效率差,一般垂直流型(CROSS FLOW TYPE)效率只有50%,為其缺失,為業界亟待克服之難題。
本案發明人鑒於前述習用技術之缺失,積其多年實際從事空調產品之設計施工等專業知識,經不斷研究、改良後,終有本發明之研發成功,公諸於世。
緣是,本發明之主要目的在提供一種氣對氣熱回收方法,其方法為將氣對氣熱回收分成二階段,第一階段是高溫廢氣對循環冷水熱交換,所得低溫廢氣排至大氣,所得高溫循環水供第二階段所用,第二階段是將第一階段所得高溫循環水對低溫外氣熱交換,所得高溫外氣供製程補氣所用,結合第一階段氣對水熱交換及第二階段水對氣熱交換,構成完整氣對氣熱回收方法,具有熱回收效率更高之功效。
本發明之另一主要目的在提供一種氣對氣熱回收裝置,主要係由氣對水熱交換器及水對氣熱交換器所構成,該氣對水熱交換器具有第一流體入口、第一流體出口、第二流體入口及第二流體出口,第一流體入口以風管連結高溫廢氣,第一流體出口以風管將熱交換後低溫廢氣排至大氣,第二流體入口以水管連結設於高處之膨脹水箱,該水管設置有循環泵提供循環水,第二流體出口以水管連結水對氣熱交換器第二流體入口,該水對氣熱交換器具有第一流體入口、第一流體出口、第二流體入口及第二流體出口,第一流體入口以風管連結低溫外氣,第一流體出口以風管將熱交換後高溫外氣連結待補氣製程設備,第二流體入口以水管連結氣對水熱交換器第二流體出口,第二流體出口以水管連結膨脹水箱水管,藉氣對水熱交換器將高溫廢氣與循環水熱交換,將熱能轉換到循環水成循環熱水,再藉水對氣熱交換器將循環熱水與低溫外氣熱交換,加熱外氣供待補氣製 程設備,形成氣對氣熱回收,由於水的熱力性能遠優於空氣的性能,所以可以減少熱傳面積,熱交換效率可達60~80%。除此之外,大風量的氣對氣熱交換器大多是板式熱交換器,本發明之氣對水或水對氣熱交換器的選擇就很多種,例如可選擇管殼式、板式或管鰭片式…等等熱交換器型式。再者,本發明除了改良熱交換器的熱交換效率,另外熱量的傳遞轉換成水管輸送熱水,相較風管的體積小很多,增加工程的可行性。
本發明前述以水管連結之膨脹水箱為密閉式膨脹水箱,該密閉式膨脹水箱上方連結有壓縮空氣源以打入壓縮空氣,利用控制壓縮空氣的量,控制本發明水管水壓保持在熱回收水溫度所對應的蒸氣壓之上,使水管不產生蒸氣泡。
本發明前述氣對水熱交換器或水對氣熱交換器,可多組的模組單元串連,達到所需的熱交換量。
(A)‧‧‧高溫製程廢氣
(B)‧‧‧排氣風機
(C)‧‧‧風管
(D)‧‧‧大氣
(E)‧‧‧進氣風機
(F)‧‧‧低溫外氣
(G)‧‧‧風管
(H)‧‧‧製程補氣
(I)‧‧‧氣對氣熱交換器
(1)‧‧‧氣對水熱交換器
(10)‧‧‧第一流體入口
(11)‧‧‧第一流體出口
(12)‧‧‧第二流體入口
(13)‧‧‧第二流體出口
(2)‧‧‧水對氣熱交換器
(20)‧‧‧第一流體入口
(21)‧‧‧第一流體出口
(22)‧‧‧第二流體入口
(23)‧‧‧第二流體出口
(3)‧‧‧風管
(30)‧‧‧排氣風機
(31)‧‧‧進氣風機
(4)‧‧‧高溫廢氣
(40)‧‧‧高溫外氣
(5)‧‧‧低溫廢氣
(50)‧‧‧低溫外氣
(6)‧‧‧水管
(60)‧‧‧膨脹水箱
(61)‧‧‧循環泵
(62)‧‧‧壓縮空氣源
第1圖係不具熱回收的製程流程圖; 第2圖係習用氣對氣熱回收製程流程圖;第3圖係本發明氣對氣熱回收製程流程圖;第4圖係本發明多組模組單元串連氣對水熱交換器示意圖;第5圖係本發明多組模組單元串連水對氣熱交換器示意圖;第6圖係氣對氣熱交換的熱傳遞說明圖;第7圖係氣對水熱交換的熱傳遞說明圖;第8圖係水對氣熱交換的熱傳遞說明圖。
本發明係有關一種氣對氣熱回收方法及裝置,具有減少熱傳面積、增加熱交換效率、增加熱交換器的種類選擇性及增加工程可行性之功效。
本發明氣對氣熱回收方法,其係將氣對氣熱回收分成二階段,第一階段是高溫廢氣對循環冷水熱交換,所得低溫廢氣排至大氣,所得高溫循環水供第二階段所用,第二階段是將第一階段所得高溫循環水對低溫外氣熱交換,所得高溫外氣供製程補氣所用,結合第一階段氣對水熱交換及第二階段水對氣熱交換,構成完整氣對氣熱回收方法。由於水的熱力性能遠優於空氣的性能,所以可以減少熱傳面積,熱交換效率可達60~80%。除此之外,大風量的氣對氣熱交換器大多是板式熱交換器,本發明之氣對水或水對氣熱交換器的選擇就很多種,例如可選擇管殼式、板式或管鰭片式…等等熱交換器型式。
請參閱第3圖之本發明氣對氣熱回收製程流程圖,由圖可知本發明氣對氣熱回收裝置主要包括有:氣對水熱交換器(1),具有第一流體入口(10)、第一流體出口(11)、第二流體入口(12)及第二流體出口(13),第一流體入口(10)以風管(3)連結高溫廢氣(4),較佳的該風管(3)可設置排氣風機(30),第一流體出口(11)以風管(3)將熱交換後低溫廢氣(5)排至大氣,第二流體入口(12)以水管(6)連結設於高處之膨脹水箱(60),該水管(6)設置有循環泵(61)提供循環水,第二流體出口(13)以水管(6)連結水對氣熱交換器(2)之第二流體入口(22);水對氣熱交換器(2),具有第一流體入口(20)、第一流體出口(21)、第二流體入口(22)及第二流體出口(23),第一流體入口(20)以風管(3)連 結低溫外氣(50),較佳的該風管(3)可設置進氣風機(31),第一流體出口(21)以風管(3)將熱交換後高溫外氣(40)連結待補氣製程設備,第二流體入口(22)以水管(6)連結氣對水熱交換器(1)之第二流體出口(13),第二流體出口(23)以水管(6)連結回膨脹水箱水管(6);藉氣對水熱交換器(1)將高溫廢氣與循環水熱交換,將熱能轉換到循環水成循環熱水,再藉水對氣熱交換器(2)將循環熱水與低溫外氣熱交換,加熱外氣供待補氣製程設備,形成氣對氣熱回收,由於水的熱力性能遠優於空氣的性能,所以可以減少熱傳面積,熱交換效率可達60~80%。除此之外,先前技術中,大風量的氣對氣熱交換器大多是採用板式熱交換器【氣對氣熱交換器的設計,一次側(空氣)與二次側(空氣)的熱阻相同,所以二側的熱傳面積相同,一般常用是採用板對板熱交換器】,本發明之氣對水或水對氣熱交換器的選擇就很多種,例如可選擇管殼式、板式或管鰭片式…等等熱交換器型式【氣對水熱交換器的設計,一次側(空氣)與二次側(水)的熱阻差異很大,水側的熱傳面積可以減少很多,一般常用是採用管鰭片熱交換器,水在管側(熱傳面積較小),空氣在鰭片側(熱傳面積較大)。水對氣熱交換器亦相同】。再者,本發明除了改良熱交換器的熱交換效率,另外熱量的傳遞轉換成水管(6)輸送熱水,相較風管(3)的體積小很多,增加工程的可行性。
再者,本發明前述以水管(6)連結之膨脹水箱(60)為密閉式膨脹水箱,該密閉式膨脹水箱上方連結有壓縮空氣源(62)以打入壓縮空氣,利用控制壓縮空氣的量,控制本發明水管水壓保持在熱回收水溫度所對應的蒸氣壓之上,使水管不產生蒸氣泡。由於水在100℃的蒸氣壓力是101.3kpa, 在水壓力不足的循環水中很容易產生蒸氣泡,因此循環水路必須設計成密閉式,利用密閉式膨脹水箱(置於裝置高點),底部管路連接循環水管(6),上方上方連結有壓縮空氣源(62)以打入壓縮空氣,因為空氣是可壓縮氣體,可以吸收水因溫度變化所產生的體積變化。如此可利用控制壓縮空氣的量,控制系統水壓保持在熱回收水溫度所對應的蒸氣壓之上,使系統不會產生蒸氣泡。
請參閱第4圖之本發明多組模組單元串連氣對水熱交換器示意圖及第5圖之本發明多組模組單元串連水對氣熱交換器示意圖,本發明前述氣對水熱交換器(1)或水對氣熱交換器(2),可多組的模組單元串連(本實施例為4組管鰭片熱交換器串連),達到所需的熱交換量。在實務設計上,管鰭片的水側溫度差有限制,例如水的進出溫度差最大約等於20℃,如果要熱回收溫度差80℃的熱空氣時,可以多組熱交換器(四組)串連,達到所需的熱交換量。
以下就傳導的導熱度性說明:水的導熱度0.604W/mK(條件:溫度21℃密度997kg/M3)空氣的導熱度0.026W/mK(條件:溫度27℃密度1.177kg/M3)純銅的導熱度386W/mK(條件:溫度20℃密度8954kg/M3)純鋁的導熱度204W/mK(條件:溫度20℃密度2707kg/M3)水的傳導熱性能是空氣的23倍純銅的傳導熱性能是水的639倍純鋁的傳導熱性能是水的337倍。
對流的熱傳遞係數:水的熱傳遞係數50~10,000W/m2K(強制對流的水)空氣的熱傳遞係數10~200W/m2K(強制對流的空氣)水的對流熱性能是空氣的5~50倍。
熱傳公式的性能比較:以下藉由最簡單的板對板熱傳模型公式,說明氣對水的熱傳性能優於氣對氣的熱傳性能。在實際應用上,氣對水或水對氣熱交換器可能是管鰭片熱交換器,熱傳公式更複雜,但分析其結果是相同的。
熱傳公式說明: 熱傳遞的導熱率公式可分為傳導、對流及輻射
Figure 107136469-A0101-12-0009-1
Figure 107136469-A0101-12-0009-2
Figure 107136469-A0101-12-0009-3
Figure 107136469-A0101-12-0009-4
公式符號說明中:
Figure 107136469-A0101-12-0009-5
A=熱傳面積(m2)
T=熱傳溫度差(K)
L=熱傳長度(m)
k=導熱度(W/m‧K)
h c =對流係數(W/m2‧K)
h c/a =空氣的對流係數(W/m2‧K)
h c/w =水的對流係數(W/m2‧K)
R=熱阻(K/W)
R tot =總合成熱阻(K/W)
U=總熱傳遞係數(W/m2‧K)
氣對氣的熱傳遞方程式(請參閱第6圖)
Figure 107136469-A0101-12-0010-6
(空氣的對流熱阻)
Figure 107136469-A0101-12-0010-28
(熱交換器金屬板傳導熱阻,相較對流熱阻很小,可忽略不計)
Figure 107136469-A0101-12-0010-8
Figure 107136469-A0101-12-0010-9
氣對水的熱傳遞方程式(請參閱第7圖)
Figure 107136469-A0101-12-0010-10
(空氣的對流熱阻)
Figure 107136469-A0101-12-0010-11
(金屬板傳導熱阻,相較空氣對流熱阻很小,可忽略不計)
Figure 107136469-A0101-12-0010-12
(水的對流熱阻,相較空氣對流熱阻很小,可忽略不計)
Figure 107136469-A0101-12-0010-13
Figure 107136469-A0101-12-0011-14
水對氣的熱傳遞方程式(請參閱第8圖)
Figure 107136469-A0101-12-0011-29
(水的對流熱阻,相較空氣對流熱阻很小,可忽略不計)
Figure 107136469-A0101-12-0011-16
(金屬板傳導熱阻,相較空氣對流熱阻很小,可忽略不計)
Figure 107136469-A0101-12-0011-17
(空氣的對流熱阻)
Figure 107136469-A0101-12-0011-18
Figure 107136469-A0101-12-0011-19
結論:由前述結果可得,在相同溫度差與熱傳面積之下,氣對水或水對氣熱交換器的熱流率是氣對氣熱交換器的2倍。
綜上所述,本發明所揭露之一種「氣對氣熱回收方法及裝置」為昔所無,亦未曾見於國內外公開之刊物上,理已具新穎性之專利要件,又本發明確可摒除習用技術缺失,並達成設計目的,亦已充份符合專利要件,爰依法提出申請,謹請貴審查委員惠予審查,並賜予本案專利,實感德便。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳可行實施例而已,並非用以拘限本創作之範圍,舉凡熟悉此項技藝人士,運用本發明說明書及申請專利範圍所作之替代性方法及等效結構變化,理應包括於本發明之專利範圍內。
(1)‧‧‧氣對水熱交換器
(10)‧‧‧第一流體入口
(11)‧‧‧第一流體出口
(12)‧‧‧第二流體入口
(13)‧‧‧第二流體出口
(2)‧‧‧水對氣熱交換器
(20)‧‧‧第一流體入口
(21)‧‧‧第一流體出口
(22)‧‧‧第二流體入口
(23)‧‧‧第二流體出口
(3)‧‧‧風管
(30)‧‧‧排氣風機
(31)‧‧‧進氣風機
(4)‧‧‧高溫廢氣
(40)‧‧‧高溫外氣
(5)‧‧‧低溫廢氣
(50)‧‧‧低溫外氣
(6)‧‧‧水管
(60)‧‧‧膨脹水箱
(61)‧‧‧循環泵
(62)‧‧‧壓縮空氣源

Claims (4)

  1. 一種氣對氣熱回收裝置,主要包括有:氣對水熱交換器,具有第一流體入口、第一流體出口、第二流體入口及第二流體出口,第一流體入口以風管連結高溫廢氣,第一流體出口以風管將熱交換後低溫廢氣排至大氣,第二流體入口以水管連結膨脹水箱,該水管設置有循環泵提供循環水,第二流體出口以水管連結水對氣熱交換器第二流體入口;水對氣熱交換器,具有第一流體入口、第一流體出口、第二流體入口及第二流體出口,第一流體入口以風管連結低溫外氣,第一流體出口以風管將熱交換後高溫外氣連結待補氣製程設備,第二流體入口以水管連結氣對水熱交換器第二流體出口,第二流體出口以水管連結膨脹水箱水管;藉氣對水熱交換器將高溫廢氣與循環水熱交換,將熱能轉換到循環水成循環熱水,再藉水對氣熱交換器將循環熱水與低溫外氣熱交換,加熱外氣供待補氣製程設備,構成完整氣對氣熱回收裝置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之氣對氣熱回收裝置,其中,該以水管連結之膨脹水箱為密閉式膨脹水箱,該密閉式膨脹水箱上方連結有壓縮空氣源以打入壓縮空氣,利用控制壓縮空氣的量,控制水管水壓保持在熱回收水溫度所對應的蒸氣壓之上,使水管不產生蒸氣泡。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之氣對氣熱回收裝置,其中,該氣對水熱交換器,可多組的模組單元串連,達到所需的熱交換量。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之氣對氣熱回收裝置,其中,該水對氣熱交換器,可多組的模組單元串連,達到所需的熱交換量。
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