TWM581787U - Power generation system using a thermal supercatheter assembly - Google Patents

Abstract

本創作係有關於一種使用熱超導管組件之發電系統，該熱超導管組件包括有一殼體、複數熱超導管以及一隔板，隔板將殼體區分為一熱流體腔室及一冷流體腔室，分別容納不同溫度之循環流體。本創作之發電系統包括有一產生器、一精餾器、一液氣分離器、一冷凝器、一蒸發器、一吸收器、一儲液器以及一發電機，其中，發電系統之循環流體係於低壓低溫之狀態下，同步進行發電、放熱及製冷作業。藉此，本創作可透過熱回收所提供之熱能驅動系統運作，除了產生電力供給外，更可同步完成海水淡化、烘培乾燥以及除去發電廠所產生的煙霾及空汙等功效。

Description

使用熱超導管組件之發電系統

本創作係關於一種使用熱超導管組件之發電系統，尤指一種可於低壓低溫同步進行發電、放熱及製冷之使用熱超導管組件之發電系統。

在習知技術中，透過吸收式冷凍循環所發展出的發電系統，其係以自然冷媒氨作製冷劑、水作吸收劑，並透過殼管式之熱交換機構進行工作流體的循環交換，以進行熱量的轉換，其中，基本的殼管式之熱交換機構包括有一外殼管及一內管，亦即包括熱交換機構殼側及管側，雖然殼管式熱交換機構具備了結構簡單、流體置換性佳及維護容易等特點，但在熱交換回收及熱傳導的效率上仍有很大的改善空間。因此，本發明改為透過熱超導管作為主要的導熱元件，其依靠自身內部工作液體的相變化來實現熱交換之訴求，具備很高的熱傳導效率，同時具有優良的等溫性及熱開關性能，提供更佳地熱傳可用性(exergy)。此外，過去冷凍循環之汽化過程所產生的動能鮮少將其使用於發電系統中，而經吸收器回收後之餘熱亦鮮少將其回收至產生器再重新利用，故所述冷凍循環不單只是可達成製冷作業，經整體配置的改良後應可兼具有發電及儲熱之功能，形成一多功能之發電系統。

創作人緣因於此，本於積極創作之精神，亟思一種可以解決上述問題之使用熱超導管組件之發電系統，幾經研究實驗終至完成本創作。

本創作之主要目的係在提供一種使用熱超導管組件之發電系統，透過改良式之熱超導管組件，其係以隔板將熱超導管區隔於熱流體腔室與冷流體腔室之兩大區間內，並分別容納不同溫度之循環流體，具有耗能極小、熱能轉換效率高及循環利用性更佳之特性，並在本創作之發電系統架構中，所述循環流體可於低壓低溫之狀態下，同步進行發電、放熱及製冷作業。藉此，本創作可透過熱回收所提供之熱能驅動系統運作，除了產生電力供給外，更可同步完成海水淡化、烘培乾燥以及除去發電廠所產生的煙霾及空汙等功效。

為達成上述目的，本創作所使用之熱超導管組件包括有一殼體、複數熱超導管以及一隔板，隔板將殼體區分為一熱流體腔室及一冷流體腔室，且熱流體腔室與冷流體腔室不可導通，分別容納不同溫度之循環流體。其中，所述熱超導管組件可確實將外部流體分別導入熱流體腔室及冷流體腔室中，在習知技術中係未曾有文獻記載將熱超導管分隔於各自獨立的腔室中，建構出一區段吸熱而另一區段放熱之熱交換系統，有效提升熱循環及熱交換效率。

此外，結合上述熱超導管組件之結構設計，本創作之發電系統包括有：一可供外界熱源輸入之產生器、一可將循環流體純化之精餾器、一可將循環流體液氣分離之液氣分離器、一可供循環流體釋放潛熱之冷凝器、一可將冷卻水製冰之蒸發器、一可吸收循環流體餘熱之吸收器、一可存放循環流體之儲液器以及一發電機。其中，發電系統之循環流體係於低壓低溫之狀態下，同步進行發電、放熱及製冷作業。

上述系統除了可降低門檻閾值，達到低壓低溫發電的效果外，若應用於煙囪之排煙結構上，可透過熱超導管組件之製冰冷卻結晶技術使蒸氣低於其露點溫度而取代傳統避免酸露點以蒸汽加熱之手段排放，減少電力及動能之消耗並同時去除煙道白煙繚繞的問題；若應用於海水淡化方面，可透過冷凝器放熱反應所提供之熱能，進行海水蒸餾之熱循環，其藉由持續的汽化及凝結，並同步將鹵水排出，以獲得純淨之淡水供給；若應用於發電機發電方面，可利用氨水露點溫度之推移效應，在低溫低壓下就能汽化而取得輸出動能，使得回收熱能可直接再次利用。藉此，本創作兼具以上特點，實為一具被突破性技術之發電系統。

上述熱超導管外若有液體流經可使用光管，不具有鰭片結構；相對地，上述熱超導管外若有氣體流經可使用鰭片管，具有鰭片結構。藉此，因氣體於管體接觸時有較差的熱傳導係數，故藉由鰭片結構一可增加熱傳面積，二來可增加密集度，以提升熱傳效率。

上述熱流體及冷流體可為氨水或非共沸冷媒。藉此，所述熱流體及冷流體係用以吸收周圍空氣或物質之熱量，而達到製冷效果之工作流體，且當選用非共沸冷媒時，該流體的混和物是精餾器以氣液分離方式將其分離成組成成分，其具有安定性高、易產生相變化等特點。

上述發電系統之溫度可為80~100℃；上述發電系統之壓力可為20~40巴(bar)。藉此，所述發電系統之配置架構將配合循環流體之狀態特性，使得所述循環流體可於上述溫度與壓力範圍內，同步進行發電、放熱及製冷作業，俾能使回收熱能可再次利用。

上述使用熱超導管組件之發電系統可更包括一氣動齒輪調速器，其設置於發電機與液氣分離器之間，用以提供循環流體充足之發電動能。藉此，所述氣動齒輪調速器可提供足夠的扭力將低溫蒸氣輸送至發電機中，用以提供該循環流體充足之發電扭力動能。

上述使用熱超導管組件之發電系統可更包括一背壓回收器，其可將氣動齒輪調速器之部分剩餘氣體輸送至吸收器中，一併將餘熱吸收至產生器內再次循環利用。

以上概述與接下來的詳細說明皆為示範性質是為了進一步說明本創作的申請專利範圍。而有關本創作的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。

1‧‧‧熱超導管組件

10‧‧‧發電系統

2‧‧‧殼體

21‧‧‧上殼體

210‧‧‧冷流體腔室

211‧‧‧冷流體入口

212‧‧‧冷流體出口

22‧‧‧下殼體

220‧‧‧熱流體腔室

221‧‧‧熱流體入口

222‧‧‧熱流體出口

3,3’‧‧‧熱超導管

301‧‧‧光管

302‧‧‧鰭片管

3021‧‧‧鰭片結構

31‧‧‧導管本體

32‧‧‧毛細物體

33‧‧‧氣體腔室

4‧‧‧隔板

41‧‧‧穿孔

5‧‧‧循環流體

61‧‧‧產生器

62‧‧‧精餾器

63‧‧‧液氣分離器

64‧‧‧冷凝器

65‧‧‧蒸發器

66‧‧‧吸收器

67‧‧‧儲液器

68‧‧‧發電機

69‧‧‧氣動齒輪調速器

70‧‧‧背壓回收器

D‧‧‧冷流體

H‧‧‧熱流體

L‧‧‧導管流體

L1‧‧‧氣態流體

L2‧‧‧液態流體

圖1係本創作所使用之熱超導管組件之分解圖。

圖2A係本創作所使用之熱超導管組件之組合圖。

圖2B係本創作所使用之另一熱超導管組件之組合圖。

圖3係本創作所使用之熱超導管組件之流體流向之示意圖。

圖4係本創作所使用之熱超導管組件內部之流體循環之示意圖。

圖5係本創作一較佳實施例之使用熱超導管組件之發電系統之系統架構圖。

請參閱圖1至圖3，其分別為本創作所使用之熱超導管組件之分解圖、組合圖、另一熱超導管組件之組合圖以及流體流向之示意圖。圖中出示一種熱超導管組件1，包括有一殼體2、複數熱超導管3以及一隔板4。在本實施例中，殼體2包括一上殼體21及一下殼體22，上殼體21具有一冷流體入口211及一冷流體出口212，下殼體22具有一熱流體入口221及一熱流體出口222，其中，當各個熱超導管組件1需彼此連接設置時，根據不同發電系統的配置方式，該殼體2亦可包含多個流體入口或多個流體出口，不以上述個數為限。此外，所述冷流體與熱流體之溫度高低係為相對溫度而言，並無絕對性之溫度設定，故於基本的結構配置係由下殼體22設有熱流體入口221及熱流體出口222，而由上殼體21設置冷流體入口211及冷流體出口212，其較符合冷、熱循環之流場分佈關係。

接著，請一併參閱圖4，係本創作所使用之熱超導管組件內部之流體循環之示意圖。如圖所示，本創作所使用之熱傳導元件係為複數根熱超導管3，每一熱超導管3分別平行設置，容納於該殼體2內。其中，每一熱超導管3包括一導管本體31、一附著於導管本體31內壁之毛細物體32以及一氣體腔室33。在所述導管本體31內，一導管流體L之兩種狀態：氣態流體L1以及液態流體L2，其可於氣體腔室33及毛細物體32內進行熱循環並藉由相變化達到熱交換之效果，本實施例所使用之液態流體L2係為低沸點之去離子水，當其汽化後將形成氣態流體L1，其主要路徑如圖所示：氣態流體L1在氣體腔室33底部由環境吸收熱能後，朝向氣體腔室33頂部流動，此時頂部之外界溫度相較導管本體31內部來的低，故氣態流體L1開始放出熱能至環境，並在熱能轉換的過程中，氣態流體L1也逐漸凝結為液態流體L2，其順著附著於導管本體31內壁之毛細物體32朝底部流動，此時底部之環境溫度相較導管本體31內部來的高，故液態流體L2 再度吸收熱能，汽化為氣態流體L1並朝向氣體腔室33頂部流動，進而完成了熱超導管3內部之熱循環。至於熱交換的部分主要分為吸熱反應(如導管本體底部之箭號所示)及放熱反應(如導管本體頂部之箭號所示)兩大部分，其中，導管本體31底部之吸熱反應係由管外經導管本體31、毛細物體32後傳遞至氣體腔室33中；相對地，導管本體31頂部之放熱反應係由氣體腔室33經毛細物體32、導管本體31後傳遞至管外。

前述係針對熱超導管3內部之流體循環詳加介紹，接下來請回到圖1至圖3，本創作所使用之熱超導管組件1之一大特色在於：除了將複數熱超導管3設置於殼體2內之外，更進一步在殼體2上組設有一隔板4。其中，該隔板4具有複數穿孔41，且每一穿孔41分別穿設有對應之熱超導管3，並將熱超導管3焊接於隔板4上，使殼體2區分為一可容納一熱流體H之熱流體腔室220及一可容納一冷流體D之冷流體腔室210，在本實施例中，所述熱流體H及冷流體D共同稱之為循環流體5，主要成分為氨水，其蒸發潛熱值甚大，冷凍效率極高，且具有沸點低、臨界溫度高等特性，適合作為冷凍系統中之冷媒使用，用以吸收周圍空氣或物質之熱量，而達到製冷效果之工作流體，或者，可另選用所謂非共沸冷媒，如R-407C冷媒，其溫度滑落溫差在華氏10度以上，在氣液兩相上有很大的差異，亦適合作為冷媒使用。藉此，上殼體21所形成之冷流體腔室210可供冷流體D進行熱交換，將熱量帶出熱超導管3；下殼體22所形成之熱流體腔室220可供熱流體H進行熱交換，將熱量導入熱超導管3。其中，所述熱流體腔室220與冷流體腔室210不可導通，亦即，熱流體H與冷流體D無法直接進行熱交換，必須透過本創作之熱超導管3的熱潛熱相變方可達到訴求。

此外，如圖2A及圖2B所示，本創作所使用之熱超導管3之外表面可區分為以下兩種型態，其一為光管301，當熱超導管3外部係為液體流經時，一般會使用光管301，該熱超導管3之外壁不具有鰭片結構，接觸面積較小；其二為鰭片管302，當熱超導管3外部係為氣體流經時，一般會使用鰭片管302，該管外壁具有鰭片結構3021。藉此，因氣體與管體接觸時有較差的熱傳導係數，故藉由鰭片結構3021一可增加熱傳面積，二來可增加鰭片效率密集度，以提升熱傳效率。其中，圖2A之較佳實施例之熱超導管3結合了上述光管301與鰭片管302，適合分別有液體及氣體流經該熱超導管3；而圖2B之另一實施例之熱超導管3’則僅包含了光管301之型態，故在此實施例中僅適合有液體流經熱超導管3’。

接著，請參閱圖5，係本發明一較佳實施例之使用熱超導管組件之發電系統之系統架構圖。圖中出示一種使用熱超導管組件1之發電系統10，所述熱超導管組件1之基本結構可參閱前面段落之敘述，其細部的差異性如流體出入孔之數量及設置位置，將根據發電系統配置方式的不同而略有差異，其細節變化不多在此就不便贅述。在本實施例中，所述發電系統10包括有一產生器61、一精餾器62、一液氣分離器63、一冷凝器64、一蒸發器65、一吸收器66、一儲液器67、一發電機68、一氣動齒輪調速器69以及一背壓回收器70。上述除了蒸發器65亦可使用傳統的外殼管及內管結構外，其餘之產生器61、精餾器62、冷凝器64以及吸收器66皆選用前述之熱超導管組件1作為熱交換構件之結構特徵。

在本實施例中，產生器61係分別連接精餾器62及儲液器67，係接收外界的熱源如：鍋爐、沼氣、地熱、太陽能、內燃機或氣化爐之生質能，其經由回收利用後，將餘熱重新轉化再生，提供主要的熱源動能驅動，其透過加熱循環流體5，進而將熱能傳遞出去。其次，精餾器62係連接液氣分離器63，其 進一步將高溫氨氣帶入精餾器62內欲進行純化，同時降低其溫度，以便後續之冷凝作業。

液氣分離器63係分別連接冷凝器64及氣動齒輪調速器69，係將由精餾器62輸送過來之循環流體5進行完全的液氣分離，一部分將氣體輸送至氣動齒輪調速器69中，準備後述之發電作業；另一部分將液體輸送至冷凝器64，準備後述之冷凝作業。其中，氣動齒輪調速器69係分別連接發電機68及背壓回收器70，透過氣動齒輪調速器69內部之多翼傳動器，提供足夠的扭力將低溫蒸氣輸送至發電機68中，用以提供循環流體5充足之發電動能；另一方面，氣動齒輪調速器69將部分之剩餘氣體及水蒸氣等透過背壓回收器70輸送至該吸收器66中，一併將餘熱吸收至產生器61內而可再次循環利用。

再者，冷凝器64係連接蒸發器65，所述氨氣係在冷凝器64內逐漸釋放潛熱，冷卻形成純氨液，作為後續循環至蒸發器65之前置作業；而冷凝器64之冷流體腔室內在本實施例中係通入冷卻水，其以水冷式之冷卻方式進行冷凝降溫，或冷流體腔室亦可以風扇吹入冷卻氣流，其以氣冷式之冷卻方式進行冷凝降溫。藉此，透過冷凝器64放熱反應所提供之熱能，可進行海水蒸餾之熱循環，其藉由持續的汽化及凝結，並同步將鹵水排出，以獲得純淨之淡水供給，此外，放熱反應所提供之熱能更可額外進行烘培乾燥作業，把多餘的水氣一併帶走，維持環境中的乾燥度。

接著，蒸發器65係連接吸收器66，在本實施例中，蒸發器65接受來自冷凝器64之純氨液，該氨液在蒸發器65中透過吸收被冷卻物之潛熱而汽化，而汽化之低壓蒸氣導入吸收器66之熱流體腔室內；相對地，在蒸發器65所通入之冷卻水，當其內之氨液急遽膨脹蒸發吸熱後，冷卻水中的熱量將快速被 帶走而有製冷效果。此時，若將所述製冰技巧同步應用於煙囪之排煙結構上，更可使燃燒後排煙溫度低於其露點溫度，直接讓水蒸汽在煙囪管內就先行凝結，而取代煙囪避免酸露點形成，傳統蒸汽以加熱消除水蒸氣白煙之手段，以減少電力及動能之消耗並同時去除煙道白煙繚繞的問題，煙氣中所含重金屬因溫度降低而形成冷凍結晶排出。

最終，所述吸收器66係經由儲液器67連接回產生器61，當吸收器66吸收來自蒸發器65所產生之蒸汽後，帶有餘熱之循環流體5自吸收器66排出時可先暫存於儲液器67中，經集結後可再次導入至產生器61中，以達到廢熱之回收再利用，減少發電循環過程中之熱能浪費。

上述發電系統10之溫度係為80~100℃；上述發電系統之壓力可為20~40巴(bar)。藉此，所述發電系統之配置架構配合循環流體之狀態特性，使得所述循環流體可於上述溫度與壓力範圍內，同步進行發電、放熱及製冷作業，俾能使回收熱能可再次利用。

藉由上述設計，本創作除了可降低門檻閾值，達到低壓低溫發電的效果外，若應用於煙囪之排煙結構上，可透過熱超導管組件之製冰冷卻結晶技術使蒸氣低於其露點溫度而取代傳統避免酸露點以蒸汽加熱之手段排放，減少電力及動能之消耗並同時去除煙道白煙繚繞的問題；若應用於海水淡化方面，可透過冷凝器放熱反應所提供之熱能，進行海水蒸餾之熱循環，其藉由持續的汽化及凝結，並同步將鹵水排出，以獲得純淨之淡水供給；若應用於發電機發電方面，可利用氨水露點溫度之推移效應，在低溫低壓下就能汽化而取得輸出動能，使得回收熱能可直接再次利用。藉此，本創作兼具以上特點，實為一具被突破性技術之發電系統。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本創作所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

Claims (8)

1. 一種使用熱超導管組件之發電系統，該熱超導管組件包括有一殼體、複數熱超導管以及一隔板，該每一熱超導管分別平行穿設於該隔板，容納於該殼體內，該隔板將該殼體區分為一熱流體腔室及一冷流體腔室，且該熱流體腔室與該冷流體腔室不可導通，分別容納不同溫度之循環流體；該發電系統包括有：一產生器，可供外界熱源輸入；一精餾器，連接該產生器，可將該循環流體純化；一液氣分離器，連接該精餾器，可將該循環流體液氣分離；一冷凝器，連接該液氣分離器，可供該循環流體釋放潛熱；一蒸發器，連接該冷凝器，可將冷卻水製冰；一吸收器，連接該蒸發器及該產生器，可吸收該循環流體之餘熱；一除液器，連接該吸收器，可存放該循環流體；以及一發電機，接收來自該液氣分離器之該循環流體，進行發電作業；其中，該發電系統之該循環流體係於低壓低溫之狀態下，同步進行發電、放熱及製冷作業。
2. 如申請專利範圍第1項之使用熱超導管組件之發電系統，其中，該熱超導管外若有液體流經係使用光管，不具有鰭片結構。
3. 如申請專利範圍第1項之使用熱超導管組件之發電系統，其中，該熱超導管外若有氣體流經係使用鰭片管，具有鰭片結構。
4. 如申請專利範圍第1項之使用熱超導管組件之發電系統，其中，該循環流體係為氨水或非共沸冷媒。
5. 如申請專利範圍第1項之使用熱超導管組件之發電系統，其中，該發電系統之溫度係為80~100℃。
6. 如申請專利範圍第1項之使用熱超導管組件之發電系統，其中，該發電系統之壓力係為20~40巴(bar)。
7. 如申請專利範圍第1項之使用熱超導管組件之發電系統，其更包括一氣動齒輪調速器，其設置於該發電機與該液氣分離器之間，用以提供該循環流體充足之發電動能。
8. 如申請專利範圍第7項之使用熱超導管組件之發電系統，其更包括一背壓回收器，其可將該氣動齒輪調速器之部分剩餘氣體輸送至該吸收器中，一併將餘熱吸收至該產生器內再次循環利用。