TWI697613B - 熱回收系統 - Google Patents

Abstract

一種熱回收系統，其包括空壓裝置、第一熱交換器、液體管路以及至少一乾燥裝置。空壓裝置提供加壓流體。液體管路供一熱回收液體流動。加壓流體自空壓裝置經第一熱交換器到達乾燥裝置，乾燥裝置排出乾燥後的加壓流體。乾燥裝置包括第二熱交換器以及吸附劑，其中吸附劑用以吸收加壓流體的水汽。熱回收液體經由液體管路在第一熱交換器和第二熱交換器之間流動。加壓流體在第一熱交換器與熱回收液體熱交換，一脫附氣體與熱回收液體在第二熱交換器中熱交換。脫附氣體自第二熱交換器流至吸附劑，以排除吸附劑中的水分。

Description

熱回收系統

本發明有關於一種熱回收系統，特別是有關於一種可以自空壓機回收熱能的熱回收系統。

空氣乾燥機為空氣壓縮系統中不可缺少之設備，經空氣壓縮機壓縮後之空氣含有大量的凝結水、油漬及粉塵。乾燥機主要用途在於去除這類凝結水，淨化壓縮空氣以利後續應用。

然而，乾燥機中需要有吸附劑來吸附壓縮後之空氣中的凝結水，但已經吸附凝結水的吸附劑仍需要加熱的空氣來脫附、再生，以便繼續提供後續的吸附功能，但同時也增加了額外的能耗。因此，如何提供一個可以有效應用能量的空氣壓縮系統，仍是本領域亟欲解決的問題之一。

本發明提供一種熱回收系統，其可以回收空壓機壓縮氣體時所產生的熱能，同時可以降低高壓氣體在去除水汽時所需的能量消耗。

本發明實施例的熱回收系統包括空壓裝置、第一熱交換器、液體管路以及至少一乾燥裝置。空壓裝置包括提供加壓流體的第一空壓機。液體管路供一熱回收液體流動。加壓流體自第一空壓機經第一熱交換器到達乾燥裝置，乾燥裝置排出乾燥後的加壓流體。

乾燥裝置包括第二熱交換器以及吸附劑，其中吸附劑用以吸收加壓流體的水汽。熱回收液體經由液體管路在第一熱交換器和第二熱交換器之間流動。加壓流體在第一熱交換器與熱回收液體熱交換，一脫附氣體與熱回收液體在第二熱交換器中熱交換。脫附氣體自第二熱交換器流至吸附劑，以排除吸附劑中的水分。

在本發明的一實施例中，空壓裝置還包括低溫流體源以及第一冷凝器。低溫流體源提供一低溫流體，低溫流體自低溫流體源流至第一冷凝器與加壓流體熱交換。加壓流體自第一空壓機經第一熱交換器、第一冷凝器後到達乾燥裝置。

在本發明的一實施例中，上述的空壓裝置還包括第一空壓熱交換器、第二空壓機、第二空壓熱交換器以及第三空壓機。第一冷凝器、第一空壓熱交換器以及第二空壓熱交換器並聯至低溫流體源以各自接收低溫流體。加壓流體依序經第三空壓機、第二空壓機以及第一空壓機壓縮。第二空壓熱交換器以低溫流體與進入第二空壓機之前的加壓流體熱交換，第一空壓熱交換氣以低溫流體與進入第一空壓機之前的加壓流體熱交換。

在本發明的一實施例中，上述的乾燥裝置還包括提供脫附氣體至第二熱交換器的鼓風機。

在本發明的一實施例中，上述的乾燥裝置還包括加熱裝置。加熱裝置用以加熱來自第二熱交換器的脫附氣體，加熱後的脫附氣體用以排除吸附劑中的水分。

在本發明的一實施例中，經上述的加熱裝置加熱過的脫附流體的溫度落在攝氏120度至250度的範圍。

在本發明的一實施例中，上述的乾燥裝置還包括多個腔體。吸附劑配置於這些腔體中。加壓流體流經其中一腔體以經由腔體中的吸附劑吸附水汽，脫附流體流經其中另一腔體以排除另一腔體中的吸附劑的水分。乾燥裝置適於切換加壓流體以及脫附流體的流路，使這些腔體中的吸附劑輪流吸附加壓流體中的水汽或排除水分。

在本發明的一實施例中，上述的熱回收系統還包括應用裝置。應用裝置包括第三熱交換器以及耗熱裝置。第三熱交換器與乾燥裝置的第二熱交換器經由液體管路並聯至第一熱交換器。耗熱裝置提供一應用流體至第三熱交換器，應用流體與熱回收液體在第三熱交換器中熱交換，耗熱裝置接收應用流體自第三熱交換器回收的熱能。

在本發明的一實施例中，上述的耗熱裝置包括鍋爐或暖氣機。

在本發明的一實施例中，上述的脫附流體自第二熱交換器流出時的溫度落在攝氏120度至150度的範圍，且吸附劑的材質包括矽膠。

由上述可知，藉由第一熱交換器以及液體管路，本發明實施例的熱回收系統可以有效回收空壓過程所產生的熱能，同時可以減少乾燥機的能量消耗。

G1‧‧‧加壓流體

G2‧‧‧脫附氣體

L1‧‧‧低溫流體

L2、L3‧‧‧熱回收液體

L4、L5‧‧‧應用流體

10、50、80‧‧‧空壓裝置

100、200‧‧‧熱回收系統

11、12、13、14、15‧‧‧管線

20、22、24‧‧‧空壓機

21‧‧‧第一冷凝器

23‧‧‧第一空壓熱交換器

25‧‧‧第二空壓熱交換器

26‧‧‧低溫流體源

30、60‧‧‧第一熱交換器

31‧‧‧液體管路

32、33、61‧‧‧管路

40、70、81‧‧‧乾燥裝置

41、71、83‧‧‧第二熱交換器

42a、42b‧‧‧吸附劑

43‧‧‧管線

44‧‧‧加熱裝置

45‧‧‧鼓風機

46‧‧‧閥

47a、47b‧‧‧腔體

48a、48b、82‧‧‧管線

90、91‧‧‧應用裝置

92、93‧‧‧第三熱交換器

94‧‧‧蒸氣鍋爐

95、98‧‧‧耗熱裝置

96‧‧‧供應水源

圖1A是本發明第一實施例的熱回收系統的系統示意圖；圖1B是本發明第一實施例的熱回收系統的詳細系統示意圖；圖2是本發明第二實施例的熱回收系統的系統示意圖。

本發明實施例所提出的熱回收系統適於應用在空壓裝置。較佳而言，本發明實施例所提出的熱回收系統包括空壓裝置以及乾燥裝置，空壓裝置可以提供加壓流體至乾燥裝置。空壓裝置可以藉由例如是螺桿式壓縮機(Screw Compressor)或離心式壓縮機(Centrifugal Compres-sor)加壓以形成加壓流體，乾燥裝置用以去除加壓流體中所含有的水汽(water vapor)，以利後段應用。同時，乾燥裝置中用以脫附(desorp-tion)或再生(regeneration)吸附劑的熱能可以藉由一熱回收液體提供，且熱回收液體可以自加壓流體回收熱能，藉以進一步有效降低整體能耗。上述以及以下中所用之「脫附、再生」係指將乾燥裝置中用以吸附水汽的吸附劑內水分排出的步驟，上述用詞並非用以限定本發明。

以下將參照附加圖式進一步說明本發明實施例中的熱回收系統。圖1A是根據本發明第一實施例所繪示的系統示意圖。請參照圖1A，在本發明第一實施例中，熱回收系統100包括空壓裝置10、第一熱交換器30以及乾燥裝置40，其中空壓裝置10所提供的加壓流體G1會先經過第一熱交換器30，之後再傳遞至乾燥裝置40。

在本實施例中，熱回收液體L2會藉由熱交換回收至少部分加壓流體G1在壓縮過程中產生的熱，再由液體管路31傳遞至乾燥裝置40作脫附、再生等去除水分的應用。因此，熱回收系統100可以達成有效的熱回收，同時乾燥裝置40因為有熱回收液體L2作為熱源以及流體源，可以進一步降低乾燥裝置40脫附、再生所需的能耗。

在本實施例中，上述加壓流體G1例如是氣體，較佳為空氣或氮氣，本發明並不限於加壓流體G1的種類。上述熱回收液體L2例如是水，具有較大的比熱，可以以較小的體積傳遞大量熱能。另一方面，提供 液體和氣體熱交換的第一熱交換器30體積也較小，因此熱回收系統100需要的整體體積較小。同時，熱回收液體L2可以易於遠距離傳送，提供更佳的熱源應用。

以下實施例中加壓流體以加壓空氣為例，然而本發明並不限於流體的類型。請參照圖1A，在本發明的第一實施例中，空壓裝置10例如是透過管線11自外界接收空氣。空壓裝置10提供的加壓流體G1(加壓空氣)透過管線12進入第一熱交換器30，再由管線13接收來自第一熱交換器30的加壓流體G1，再以管線14傳遞加壓流體G1至乾燥裝置40。液體管路31也由管路32傳遞熱回收液體L2至第一熱交換器30，管路33將熱交換後的熱回收液體L2傳遞至乾燥裝置，作脫附、再生等去除水分的應用，藉以去除加壓流體G1中的水汽，而乾燥後的加壓流體G1再自管線15提供至應用端。在本發明的第一實施例中，第一熱交換器30例如是殼管式熱交換器或是板式熱交換器，本發明並不限於上述種類。

以下將進一步詳細說明本發明第一實施例中的熱回收系統100。請參照圖1B所繪示的第一實施例的熱回收系統100示意圖，需要特別說明的是，此處僅示例性以符號表示個元件之間的連接關係，其中簡化了各個元件的連接方向以及連接方式，以清楚說明本實施例的技術內容，然而其並非用以限定本發明的實質連接方式以及連接方向。本發明所屬領域中具有通常知識者，可以視熱交換器所需的最佳流動方式調整這些元件之間的連接方式。

在本發明的第一實施例中，熱交換系統100中的空壓裝置10包括第一空壓機20，第一空壓機20加壓並提供加壓流體G1(加壓空氣)至第一熱交換器30。加壓流體G1的熱能再如上述經由熱回收液體L2傳遞至乾燥裝置40。

在本實施例熱交換系統100中，乾燥裝置40包括第二熱交換器41以及吸附劑42a、42b，其中吸附劑42a、42b可以吸收加壓流體G1(加壓空氣)的水汽。具體而言，本實施例例如是以吸附劑42a吸取加壓空氣G1的水汽，再經由管線15提供乾燥後的加壓空氣G1。熱回收液體L2經由液體管路31在第一熱交換器30和第二熱交換器41之間流動。加壓流體G1在第一熱交換器30與熱回收液體L2熱交換，一脫附氣體G2與熱回收液體L2在第二熱交換器41中熱交換，因此加壓流體G1的熱能間接藉由熱交換讓脫附氣體G2吸收並提升溫度。帶有高溫的脫附氣體G2自第二熱交換器41流至吸附劑42b，以排除吸附劑42b中的水分。

詳細而言，本實施例的乾燥裝置40同時包括吸附劑42a以及42b，當其中之一吸附劑42a在吸附加壓流體G1的水汽時，另一吸附劑42b可以藉由脫附氣體G2來脫附、再生，以排除其中的水分。再經過一段時間當吸附劑42a已經吸取一定量的水汽後，可以再由已經脫附、再生的吸附劑42b吸附加壓流體G1的水分，而讓吸附劑42a由脫附氣體G2進行脫附、再生。上述加壓流體G1以及脫附氣體G2的切換例如可以藉由多個閥組46的切換來達成，然而本發明並不限於此，本發明所屬領域中具有通常知識這可以依需求使用適當的管線以及閥來切換上述流體以及氣體的流路。藉由熱回收液體L2回收來自加壓流體G1的熱能，脫附氣體G2可以藉由來自熱回收液體L2的熱能作初步加熱，藉以降低乾燥裝置40所需的能耗。

舉例而言，在本發明的第一實施例中，乾燥裝置40還包括腔體47a、47b，其中吸附劑42a配置於腔體47a中；吸附劑42b配置於腔體47b中。在圖1B的實施樣態中，加壓流體G1流經腔體47a以經由腔體47a中的吸附劑42a吸附水汽，再由管線15提供乾燥後的加壓流體G1。脫附氣體G2流經另一腔體47b以排除腔體47b中的吸附劑42b的水分，接著再由管線48b排放至大氣。乾燥裝置40還可以切換加壓流體G1以及脫附氣體G2的流 路，使這些腔體47a、47b中的吸附劑42a、42b輪流吸附加壓流體G1中的水汽或排除水分。以本實施例而言，例如可以藉由切換這些閥組46來切換加壓流體G1以及脫附氣體G2的流路，以使脫附後的吸附劑42b可以吸收加壓流體G1中的水汽，並讓脫附氣體G2去除吸附劑42a中的水分，接著再由管線48a排放至大氣。

另一方面，本發明第一實施例的熱能回收系統100實質上是在加壓流體G1到達第一冷凝器21之前預先由第一熱交換器30回收熱能，藉以輔助乾燥裝置40的脫附以及再生。詳細而言，請參照圖1B，在本發明的第一實施例中，空壓裝置100還包括低溫流體源26以及第一冷凝器21。低溫流體源26提供一低溫流體L1，低溫流體L1自低溫流體源26流至第一冷凝器21與加壓流體G1(加壓空氣)熱交換。加壓流體G1自第一空壓機20經第一熱交換器30、第一冷凝器21後到達乾燥裝置40。

進一步而言，本發明實施例所提出的熱能回收系統100還可以應用至現有的空壓裝置，且較佳為具有熱交換元件的空壓裝置，藉由改變熱回收液體的管線來達成可以降低能耗的效果。

另一方面，本實施例所提出的空壓裝置10可以為分級加壓的空壓裝置10。空壓裝置10還包括第一空壓熱交換器23、第二空壓機22、第二空壓熱交換器25以及第三空壓機24，其中第一空壓熱交換器23以及第二空壓熱交換氣25例如可以是殼管式熱交換器或板式熱交換器，本發明不限於此。第一冷凝器21、第一空壓熱交換器23以及第二空壓熱交換器25並聯至低溫流體源26以各自接收低溫流體L1。空氣經管線11進入後依序經第三空壓機24、第二空壓機22以及第一空壓機20壓縮為加壓流體G1(加壓空氣)。第二空壓熱交換器25以低溫流體L1與進入第二空壓機22之前的加壓流體G1熱交換，第一空壓熱交換器23以低溫流體L1與進入第一空壓機20之前的加壓流體G1熱交換，藉以維持加壓流體G1在加壓過程中可以維持在 適當的溫度範圍。

在本發明的第一實施例中，乾燥裝置40還包括提供脫附氣體G2至第二熱交換器41的鼓風機45，以及用以加熱脫附氣體G2的加熱裝置44。脫附氣體G2由鼓風機45提供後經第二熱交換器41傳遞至管線43，再經由加熱裝置44加熱後傳遞至腔體47a或47b進行吸附劑的脫附。

進一步而言，加熱裝置44加熱過的脫附流體G2的溫度落在攝氏120度至250度的範圍，藉以提供良好的脫附效果。另一方面，自第一空壓機20發出的加壓流體G1的壓力例如可以是8Bar，溫度可以落在攝氏90度至攝氏180度的範圍。熱回收液體L2在進入到第一熱交換器30之前的溫度大約是攝氏65度。由於熱回收流體L2實質上是在液體管路31、第一熱交換器30以及第二熱交換器41所形成的封閉管路中流動。因此，當熱回收液體L2例如是水時，仍可以在上述的封閉管路中經由第一熱交換器30加熱至攝氏85度至170度的範圍。因此，來自鼓風機45的脫附氣體G2可以經由在第二熱交換器41加熱至攝氏80度至攝氏150度，以降低加熱裝置44加熱脫附氣體G2時所需的能耗。

進一步而言，在本發明的其他實施例中，更可以讓脫附氣體G2自第二熱交換器41發出時的溫度落在攝氏120度至150度的範圍，且吸附劑42a、42b的材質可以包括矽膠，因此脫附氣體G2可以甚至不需加熱裝置44即可去除吸附劑42a或42b的水分，進一步降低能耗。

圖2是本發明第二實施例的熱回收系統的系統示意圖。請參照圖2，在本發明的第二實施例中，熱回收系統200包括空壓裝置50、第一熱交換器60以及乾燥裝置70，其中空壓裝置50類似於上述空壓裝置10；乾燥裝置70類似於上述乾燥裝置40；第一熱交換器60類似於上述第一熱交換器30。

本發明第二實施例所提出的熱回收系統200可以同時包含多個乾燥裝置70、81。請參照圖2，本發明第二實施例的熱回收系統200還包括空壓裝置80以及用以乾燥來自空壓裝置80的加壓流體的乾燥裝置81，其中空壓裝置80經由管線82提供加壓流體至乾燥裝置81。

本實施例的熱回收液體L3在自第一熱交換器60發出後分別流到乾燥裝置70的第二熱交換器71以及乾燥裝置81的第二熱交換器83。因此，乾燥裝置81還可以藉由來自熱回收液體L3的熱能讓乾燥裝置81中的吸附劑得以脫附、再生。舉例而言，當乾燥裝置70以及乾燥裝置81中的吸附劑在吸附加壓流體300分鐘後需要再生或脫附80分鐘時，則熱回收系統200中空壓裝置50所產生的熱回收液體L3就足以應付這些乾燥裝置70、81中脫附氣體的熱能。

進一步而言，本發明所提出的熱回收系統還可以提供其他型態的熱源供應用。本發明第二實施例的熱回收系統還可以包含應用裝置90以及應用裝置91。應用裝置90包括第三熱交換器92以及耗熱裝置94；應用裝置91包括第三熱交換器93以及耗熱裝置95。第三熱交換器92、93與乾燥裝置70的第二熱交換器71以及乾燥裝置81的第二熱交換器83經由液體管路61並聯至第一熱交換器60。因此，第三熱交換器92、93以及第二熱交換器71、83可以各自自第一熱交換器60取得熱回收液體L3。

在本實施例中耗熱裝置98提供一應用流體L4至第三熱交換器92，應用流體L4與熱回收液體L3在第三熱交換器92中熱交換，耗熱裝置98接收應用流體L4自第三熱交換器92回收的熱能。具體而言，耗熱裝置98例如包括蒸汽鍋爐94以及供應水源96，藉由來自熱回收液體L3的熱來加熱產生蒸汽。

本實施例的耗熱裝置95實質上為暖氣裝置，其提供應用流 體L5至第三熱交換器93。應用流體L5與熱回收液體L3在第三熱交換器93中熱交換，耗熱裝置95藉由來自熱回收液體L3的熱來加熱產生暖氣。

由於本發明所提出的上述實施例中，熱回收系統100、200均利用各自的第一熱交換器30以及第一熱交換器60藉由熱交換將熱能回收至熱回收液體中。因為第一熱交換器30、60是屬於氣體(加壓流體G1)對液體(熱回收液體L2)的熱交換器，其熱傳係數比現有的氣體對氣體的熱交換器好，可以更有效交換加壓流體G1和脫附氣體G2之間的熱能。同時，本發明實施例所用之熱交換器體積較小，具有低成本及節省空間之優點。熱回收液體由於是液體，擁有較高之密度及比熱，可以用較小之流量輸送相同之熱能，有利於遠距離輸送熱能之應用，且管線體積小不佔空間，具有低建造成本及運轉成本的優點，可提供更佳得、更有彈性得應用。

綜上所述，本發明所提出的熱回收裝置藉由第一熱交換器以及液體管路，可以在空壓裝置所產生的加壓流體冷凝前預先回收熱能，在以此熱能脫附或再生乾燥裝置中的吸附劑。因此，本發明實施例的熱回收系統可以有效回收空壓過程所產生的熱能，同時可以減少乾燥機的能量消耗。

G1‧‧‧加壓流體

G2‧‧‧脫附氣體

L1‧‧‧低溫流體

L2‧‧‧熱回收液體

10‧‧‧空壓裝置

100‧‧‧熱回收系統

11、12、13、14、15‧‧‧管線

20、22、24‧‧‧空壓機

21‧‧‧第一冷凝器

23‧‧‧第一空壓熱交換器

25‧‧‧第二空壓熱交換器

26‧‧‧低溫流體源

30‧‧‧第一熱交換器

31‧‧‧液體管路

32、33‧‧‧管路

40‧‧‧乾燥裝置

41‧‧‧第二熱交換器

42a、42b‧‧‧吸附劑

43‧‧‧管線

44‧‧‧加熱裝置

45‧‧‧鼓風機

46‧‧‧閥

47a、47b‧‧‧腔體

48a、48b‧‧‧管線

Claims (10)

1. 一種熱回收系統，包括：一空壓裝置，包括：一第一空壓機，提供一加壓流體；一第一熱交換器；一液體管路，供一熱回收液體流動；以及至少一乾燥裝置，該加壓流體自該第一空壓機經該第一熱交換器到達該乾燥裝置，該乾燥裝置排出乾燥後的該加壓流體，該乾燥裝置包括：一第二熱交換器，該熱回收液體經由該液體管路在該第一熱交換器和該第二熱交換器之間流動；以及吸附劑，用以吸附該加壓流體的水汽；其中該加壓流體在該第一熱交換器與該熱回收液體熱交換，一脫附氣體與該熱回收液體在該第二熱交換器中熱交換，且該脫附氣體自該第二熱交換器流至該吸附劑，以排除該吸附劑中的水分。
2. 如申請專利範圍第1項所述的熱回收系統，其中該空壓裝置還包括：一低溫流體源，提供一低溫流體；以及一第一冷凝器，該低溫流體自該低溫流體源流至該第一冷凝器；其中該加壓流體自該第一空壓機經該第一熱交換器、該第一冷凝器後到達該乾燥裝置，該低溫流體和該加壓流體在該第一冷凝器熱交換。
3. 如申請專利範圍第2項所述的熱回收系統，其中該空壓裝置還包括：一第一空壓熱交換器；一第二空壓機；一第二空壓熱交換器；以及一第三空壓機； 其中該第一冷凝器、該第一空壓熱交換器以及該第二空壓熱交換器並聯至該低溫流體源以各自接收該低溫流體，該加壓流體依序經該第三空壓機、該第二空壓機以及該第一空壓機壓縮，且該第二空壓熱交換器以該低溫流體與進入該第二空壓機之前的該加壓流體熱交換，該第一空壓熱交換氣以該低溫流體與進入該第一空壓機之前的該加壓流體熱交換。
4. 如申請專利範圍第1項所述的熱回收系統，其中該乾燥裝置還包括：一鼓風機，提供該脫附氣體至該第二熱交換器。
5. 如申請專利範圍第1項所述的熱回收系統，其中該乾燥裝置還包括：一加熱裝置，用以加熱來自該第二熱交換器的該脫附氣體，加熱後的脫附氣體用以排除該吸附劑中的水分。
6. 如申請專利範圍第5項所述的熱回收系統，其中經該加熱裝置加熱過的該脫附流體的溫度落在攝氏120度至250度的範圍。
7. 如申請專利範圍第1項所述的熱回收系統，其中該乾燥裝置還包括：多個腔體，該吸附劑配置於該些腔體中，該加壓流體流經其中一該腔體以經由該腔體中的該吸附劑吸附水汽，該脫附流體流經其中另一該腔體以排除該另一腔體中的該吸附劑的水分；其中該乾燥裝置適於切換該加壓流體以及該脫附流體的流路，使該些腔體中的該吸附劑輪流吸附該加壓流體中的水汽或排除水分。
8. 如申請專利範圍第1項所述的熱回收系統，還包括：一應用裝置，包括：一第三熱交換器，與該乾燥裝置的該第二熱交換器經由該液體管路並聯至該第一熱交換器；以及一耗熱裝置，提供一應用流體至該第三熱交換器，該應用流體與該熱 回收液體在該第三熱交換器中熱交換，該耗熱裝置接收該應用流體自該第三熱交換器回收的熱能。
9. 如申請專利範圍第8項所述的熱回收系統，其中該耗熱裝置包括鍋爐或暖氣機。
10. 如申請專利範圍第1項所述的熱回收系統，其中該脫附流體自該第二熱交換器流出時的溫度落在攝氏120度至150度的範圍，且該吸附劑的材質包括矽膠。

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