TWI744725B - 高溫分流組件及利用其之熱交換器與重組機構 - Google Patents
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Abstract
一種高溫分流組件及利用其之熱交換器與重組機構，高溫分流組件包括一入口流道、至少一第一流道及至少一第二流道。入口流道提供具有一總流量之流體進入；第一流道與入口流道相通且與入口流道具有一第一夾角，第一夾角介於90~270度之範圍，第一流道提供具有一第一流量之流體由入口流道流入；第二流道與第一流道相通且與第一流道具有一第二夾角，第二夾角介於30~150度之範圍，第二流道提供具有一第二流量之流體由入口流道流入，第一流量與第二流量之和為總流量。
Description
本發明有關於一種高溫分流組件及利用其之熱交換器與重組機構，尤指一種能於高溫下有效控制流體分流比例之高溫分流組件及利用其之熱交換器與重組機構。
高溫分流組件常被應用於石化、化工、電力等產業。而一般常見的高溫分流方式，包括高溫分流閥與三通管路等。於固態氧化物燃料電池(SOFC)系統中可運用於陽極尾氣分流，達到燃料回收再發電與燃燒控制兩種用途，對系統發電效率有顯著效益。
固態氧化物燃料電池(SOFC)系統運轉過程中，電堆消耗之燃氣比例約75%，其餘25%則是提供系統進行熱循環。然而，剩餘之25%的高溫尾氣會影響系統端熱平衡與發電效率，故系統之氣體尾端回收技術與熱交換技術相當重要。
現行固態氧化物燃料電池(SOFC)系統採用之燃料分流技術大致包括抽氣幫浦與主動/被動分流閥二種。
關於抽氣幫浦，其缺失在於：由於常溫幫浦無法於高溫下(例如，>400℃)操作，因此必須使用耐高溫幫浦；但是耐高溫幫浦的價格約為常溫幫浦的三倍，價格昂貴；而若使用常溫幫浦，則需要再使用熱交換器，並且進行尾氣降溫作業，因而增加熱損。
關於主動/被動分流閥，其缺失在於：主動分流閥造價昂貴且電子元件無法承受高溫，至於被動分流閥則無法控制分流比例。
基於習知應用於產業之分流技術無法於高溫下精準控制氣體的分流之比例，且造價相當昂貴，據此，如何能有一種能於高溫下有效控制流體分流比例之『高溫分流組件』，是相關技術領域人士亟待解決之課題。
於一實施例中，本發明提出一種高溫分流組件，其適於在一第一溫度與一第二溫度所構成之溫度範圍下使用，該第一溫度小於該第二溫度，該高溫分流組件包含：一入口流道，提供具有一總流量之流體進入；至少一第一流道，其與該入口流道相通且與該入口流道具有一第一夾角，該第一夾角介於90~270度之範圍，該第一流道提供具有一第一流量之該流體由該入口流道流入；以及至少一第二流道，其與該第一流道相通且與該第一流道具有一第二夾角，該第二夾角介於30~150度之範圍，該第二流道提供具有一第二流量之該流體由該入口流道流入，該第一流量與該第二流量之和為該總流量。
於另一實施例中，本發明提出一種熱交換器，包含：至少一流道板，其相對二面分別設有複數第一流體通道及第二流體通
道，該第一流體通道與第二流體通道分別提供溫度不同的第一流體與第二流體流經，其中該第一流體通道係利用本發明所提出之高溫分流組件所構成。
於另一實施例中，本發明提出一種利用本發明所提出之高溫分流組件之重組機構，包含：一塗層，塗佈於該高溫分流組件上，用以進行重組反應。
1、1A~1D:高溫分流組件
10、10A~10D:入口流道
11:出口端
20、20A~20C、21D、22D:第一流道
21:入口端
30、30A~30C、31D、32D:第二流道
31:入口端
4:熱交換器
4A:流道板堆疊組件
41:流道板
411:第一流體通道
412:第二流體通道
H1:入口
H2:出口
L1~L5:曲線
θ1、θ1A~θ1C:第一夾角
θ2、θ2A~θ2C:第二夾角
ψ1:第一管徑
ψ2:第二管徑
圖1為本發明之高溫分流組件實施例之結構示意圖。
圖2~4為本發明不同高溫分流組件實施例之結構示意圖。
圖5為本發明之高溫分流組件實施例於不同工作溫度時之分流比例曲線圖。
圖5A為本發明之高溫分流組件實施例於攝氏25度時之角度與分流比例的關係之三維曲線圖。
圖5B為本發明之高溫分流組件實施例於攝氏800度時之角度與分流比例的關係之三維曲線圖。
圖5C為本發明之高溫分流組件實施例於攝氏800度時之角度與流量的關係之三維曲線圖。
圖6為本發明之高溫分流組件實施例之第一流道與第二流道具有不管徑時之分流比例曲線圖。
圖7為本發明之高溫分流組件具有複數第一流道與複數第二流道之實施例之結構示意圖。
圖8為利用本發明之高溫分流組件之一種熱交換器實施例之外觀結構示意圖。
圖8A及圖8B為構成圖8之熱交換器之流道板之相對二面之結構示意圖。
請參閱圖1所示，本發明所提供之一種高溫分流組件1，其適於在一第一溫度與一第二溫度所構成之溫度範圍下使用，第一溫度小於第二溫度。高溫分流組件1包含一入口流道10、一第一流道20及一第二流道30。
入口流道10提供具有一總流量之流體進入。第一流道20與入口流道10相通且與入口流道具有一第一夾角θ1，第一夾角θ1介於90~270度之範圍。第一流道20提供具有一第一流量之流體由入口流道10流入。
第二流道30與第一流道20相通且與第一流道20具有一第二夾角θ2，第二夾角θ2介於30~150度之範圍。第二流道30提供具有一第二流量之流體由入口流道10流入，第一流量與第二流量之和為總流量。
入口流道10具有一出口端11，第一流道20之入口端21與入口流道10之出口端11直接相連，因此，全部之具有總流量之流體可由入口流道10流入第一流道20；第二流道30之入口端31與第一流道20直接相連，第二流道30之入口端31與入口流道10之出口端11不直接相連，因此，於第一流道20中之具有總流量之流體由第一流道20分流進入第二流道30。
第一流道20具有一第一管徑ψ1，第二流道30具有一第二管徑ψ2，第二管徑ψ2對第一管徑ψ1之比值的較佳範圍為：(ψ2/ψ1)=0.25~1.1。
當於第一溫度下使用高溫分流組件1時，流入第二流道30之第二流量小於總流量之5%。例如，當第一溫度為攝氏25度，流入第一流道20之第一流量為99%，流入第二流道30之第二流量為1%。
當於第二溫度下使用高溫分流組件1時，流入第二流道30之第二流量等於或大於總流量之5%。例如，當第二溫度為攝氏800度，流入第一流道20之第一流量為54%，流入第二流道30之第二流量為46%。
請參閱圖2所示實施例，高溫分流組件1A包含一入口流道10A、一第一流道20A及一第二流道30A。第一流道20A與入口流道10A間之第一夾角θ1A為90度。第二流道30A與第一流道20A間之第二夾角θ2A為30度。
請參閱圖3所示實施例，高溫分流組件1B包含一入口流道10B、一第一流道20B及一第二流道30B。第一流道20B與入口流道10B間之第一夾角θ1B為90度。第二流道30B與第一流道20B間之第二夾角θ2B為150度。
請參閱圖4所示實施例，高溫分流組件1C包含一入口流道10C、一第一流道20C及一第二流道30C。第一流道20C與入口流道10C間之第一夾角θ1C為270度。第二流道30C與第一流道20C間之第二夾角θ2C為150度。
圖2至圖4實施例說明本發明之入口流道、第一流道及第二流道之間之夾角實施方式有多種，可視實際需要而設定。
請參閱圖5所示，其中，縱軸的分流比例代表流入第二流道的第二流量相較於由入口流道流入的總流量之百分比。
曲線L1對應圖2所實施例示結構，第一夾角θ1A為90度，第二夾角θ2A為30度。測試條件為流體流速為8公升/分鐘(l/min)。當於攝氏25度下使用高溫分流組件1A時，第二流量約為流體總流量的1%，而於攝氏800度時，第二流量可達到流體總流量的26%。
曲線L2對應圖3所實施例示結構，第一夾角θ1B為270度，第二夾角θ2B為150度。測試條件為流體流速為5.6公升/分鐘(l/min)。當於攝氏25度下使用高溫分流組件1B時，第二流量約為流體總流量的1%，而於攝氏800度時，第二流量可達到流體總流量的42%。
曲線L3代表圖4所實施例示結構，第一夾角θ1C為90度，第二夾角θ2C為150度。測試條件為流體流速為8.4公升/分鐘(l/min)。當於攝氏25度下使用高溫分流組件1C時，第二流量約為流體總流量的1%，而於攝氏800度時，第二流量可達到流體總流量的47%
由圖5所示曲線可知，當本發明之高溫分流組件1的第一流道20與入口流道10之第一夾角θ1介於90~270度之範圍，第二流道30與第一流道20間之第二夾角θ2介於30~150度之範圍時，本發明之高溫分流組件1於高溫(例如攝氏800度)下使用時相較於常溫時(例如攝氏25度)皆能發揮明顯的分流功能。
請參閱圖5A所示，其顯示本發明之高溫分流組件實施例於攝氏25度時之角度與分流比例的關係之三維曲線圖。其中，「Split ratio(%)」代表流入第二流道相較於由入口流道流入的分流比例；「Angle θ1(degrees)」代表第一流道與入口流道間之第一夾角；「Angle θ2(degrees)」代表第二流道與第一流道間之第二夾角。
請參閱圖5B所示，其顯示本發明之高溫分流組件實施例於攝氏800度時之角度與分流比例的關係之三維曲線圖。其中，「Split ratio(%)」代表流入第二流道相較於由入口流道流入的分流比例，於本模擬實驗中，流體為氫氣；「Angle θ1(degrees)」代表第一流道與入口流道間之第一夾角；「Angle θ2(degrees)」代表第二流道與第一流道間之第二夾角。
請參閱圖5C所示，其顯示本發明之高溫分流組件實施例之角度與流量的關係之三維曲線圖。其中，「Flow rate(nlpm)」代表流入入口流道的流體流量(nlpm，公升/分鐘)；「Angle θ2(degrees)」代表第一流道與入口流道間之第一夾角；「Angle θ2(degrees)」代表第二流道與第一流道間之第二夾角。
綜合圖5A~5C所示，於攝氏25度時，分流比例小於或等於1%；於攝氏800度時，當第一夾角為90~270度，第二角度為30~150度，分流比例最高可達46%。藉由第一夾角與第二夾角的設計，在提供不同氫氣流量於5~65nlpm下，具有常溫(例如攝氏25度)與高溫(例如攝氏800度)分流之機制。根據分析結果，本案透過分流結構設計，可有效控制高低溫分流情形。
請參閱圖1及圖6所示，其中，縱軸的分流比例代表流入第二流道30的第二流量相較於由入口流道10流入的總流量之百分比，橫軸代表第二管徑ψ2與第一管徑ψ1的比值。
曲線L4代表當於攝氏800度的第二溫度下使用高溫分流組件1時，第二管徑ψ2與第一管徑ψ1的比值變化對於分流比例的影響。
曲線L5代表當於攝氏25度的第一溫度下使用高溫分流組件1時，第
二管徑ψ2與第一管徑ψ1的比值變化對於分流比例的影響。
圖6所示曲線證明，當第二流道30與第一流道20之管徑比例(ψ2/ψ1)介於0.25~1.1的範圍時，在常溫下使用高溫分流組件1無明顯分流情況、而在高溫下使用高溫分流組件1則可形成分流，說明本發明可透過溫度進行有效之分流控制。
請參閱圖7所示實施例，高溫分流組件1D包含一入口流道10、複數第一流道21D、22D及複數第二流道31D、32D。入口流道10、第一流道21D、22D及第二流道31D、32D之間的夾角關係以及管徑比例，係依循圖1所示實施例之關係以及管徑比例。此外，於圖7亦揭露代表高溫流體流進及流出之入口H1及出口H2，藉此本發明之高溫分流組件1D可藉由與高溫流體熱交換之方式，控制分流比例。
圖7實施例說明本發明之第一流道及第二流道之數量及形狀可依實際需要而變化。
請參閱圖8所示，本發明提供之一種熱交換器4，其具有一流道板堆疊組件4A，流道板堆疊組件4A是由複數之流道板41堆疊構成。熱交換器4適用於任何需要進行熱交換的裝置，例如，可適用於固態氧化物燃料電池(SOFC)。
請參閱圖8A與圖8B所示，其分別顯示流道板41的相對二面，該相對二面分別設有複數第一流體通道411及第二流體通道412，第一流體通道411與第二流體通道412分別提供溫度不同的第一流體與第二流體流經。其中，第一流體通道411係依循前述本發明之高溫分流組件之入口流道、第一流道及第二流道的角度設計。
如圖8所示，第一流體透過包含入口流道、第一流道及第二流道之流道板41的第一流體通道411，而可由入口流道流入、並分別流入第一流道及第二流道(圖8左半部所示一分為二之箭頭示意性代表第一流體流動方向與分流情況)，與第一流體溫度不同之第二流體則流經流道板41的第二流體通道412(圖8右半部所示箭頭代表第二流體流動方向)。透過同一流道板41相對二面所流經之不同溫度的第一流體與第二流體，以及依循前述本發明之高溫分流組件所設計之第一流體通道411，達成有效控制分流比例。
必須說明的是，圖8~8B所示熱交換器4及流道板41之結構僅為示意圖，用以說明利用本發明之高溫分流組件之一種熱交換器，然不應以此為限。
就圖1~圖4及圖7實施例而言，只要將重組觸媒塗層塗佈於高溫分流組件1、1A~1D上，即可構成重組機構，例如，可適用於固態氧化物燃料電池(SOFC)，用以進行重組反應，例如，重組碳氫CO2氣體。利用高溫尾氣結合重組觸媒塗層，例如：鎳基合金、銅基合金與白金貴金屬等，進行二氧化碳(CO2)與甲烷(CH4)、氫氣(H2)重組反應，減少系統二氧化碳(CO2)排放，提升系統發電效率。
本發明之創作概念在於，本發明透過結構設計達成高溫工業氣體之分流功效。透過不同管徑大小與支流之結構設計，使每一流道的壓阻不同，達到分流效果。
本發明之設計原理在於，流體流經曲面時因慣性效應產生邊界層分離現象，形成渦旋而影響流場阻力；流體速度和黏度受操作溫度影響，
使流場渦旋大小產生變化。
綜上所述，本發明所提供之高溫分流組件，本發明利用不同角度的分流歧道設計，可控制工作流體於不同操作溫度之流道阻力，達成分流比例控制之目標。
不僅可在高溫下達到工業氣體(氫氣、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、氮氣、空氣等)分流，同時也可以整合既有系統組件於搭配熱交換器進行整合設計，提升系統熱回收率與控制分流比例，降低系統成本。
經實際驗證，就發電系統而言，若回收50%的殘餘燃料時，電池堆發電效率可從50%提升至57%。當發電效率為50%時，需要675公升/分鐘(l/min)之天然氣，然而，當發電效率為57%時，只需要592公升/分鐘(l/min)之天然氣，約可節省13%之燃料費，以發電一年為例，其燃料費可以節省2萬美元。相較於習知採用高溫分流幫浦回收燃氣的方式，高溫分流幫浦的成本至少需要5萬美元，且其效能低於本發明。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
1:高溫分流組件
10:入口流道
11:出口端
20:第一流道
21:入口端
30:第二流道
31:入口端
θ1:第一夾角
θ2:第二夾角
ψ1:第一管徑
ψ2:第二管徑
Claims (8)
- 一種高溫分流組件，其適於在一第一溫度與一第二溫度所構成之溫度範圍下使用，該第一溫度小於該第二溫度，該高溫分流組件包含：一入口流道，提供具有一總流量之流體進入，該入口流道具有一出口端；至少一第一流道，其與該入口流道相通且與該入口流道具有一第一夾角，該第一夾角介於90~270度之範圍，該第一流道提供具有一第一流量之該流體由該入口流道流入，該第一流道之入口端與該入口流道之該出口端直接相連，全部之該具有該總流量之該流體由該入口流道流入該第一流道；至少一第二流道，其與該第一流道相通且與該第一流道具有一第二夾角，該第二夾角介於30~150度之範圍，該第二流道提供具有一第二流量之該流體由該入口流道流入，該第一流量與該第二流量之和為該總流量，該第二流道之入口端與該第一流道直接相連，該第二流道之入口端與該入口流道之該出口端不直接相連，於該第一流道中之該具有該總流量之該流體由該第一流道分流進入該第二流道；以及該第一流道具有一第一管徑ψ1，該第二流道具有一第二管徑ψ2，(ψ2/ψ1)=0.25~1.1。
- 如申請專利範圍第1項所述之高溫分流組件，其中於該第一溫度下使用該高溫分流組件時，該第二流量小於該總流量之5%。
- 如申請專利範圍第2項所述之高溫分流組件，其中該第一溫度為攝氏25度，該第二流量小於或等於該總流量之1%。
- 如申請專利範圍第1項所述之高溫分流組件，其中於該第二溫度下使用該高溫分流組件時，該第二流量等於或大於該總流量之5%。
- 如申請專利範圍第4項所述之高溫分流組件，其中該第二溫度為攝氏800度，該第二流量至少為該總流量之46%。
- 一種熱交換器，包含：至少一流道板，其相對二面分別設有複數第一流體通道及第二流體通道，該第一流體通道與第二流體通道分別提供溫度不同的第一流體與第二流體流經，其中該第一流體通道係利用申請專利範圍第1項至第5項中任一項之高溫分流組件所構成。
- 一種利用申請專利範圍第1項至第5項之高溫分流組件之重組機構，包含：一重組觸媒塗層，塗佈於該高溫分流組件上，用以進行重組反應。
- 如申請專利範圍第7項所述之重組機構，其中該重組觸媒塗層為鎳基合金、銅基合金與白金貴金屬其中之一。
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| TW108143022A TWI744725B (zh) | 2019-09-27 | 2019-11-26 | 高溫分流組件及利用其之熱交換器與重組機構 |
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-
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- 2019-11-26 TW TW108143022A patent/TWI744725B/zh active
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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| US20170328644A1 (en) * | 2014-11-06 | 2017-11-16 | Sumitomo Precision Products Company, Ltd. | Heat Exchanger |
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