TWI731501B

TWI731501B - 熱交換裝置

Info

Publication number: TWI731501B
Application number: TW108144903A
Authority: TW
Inventors: 曾柏翰; 劉宗鑫; 劉文鈞; 吳文傑; 王祥賓
Original assignee: 財團法人金屬工業研究發展中心
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2021-06-21
Also published as: TW202122734A

Abstract

一種熱交換裝置，包含複數導熱單元，及一用於容置該等導熱單元的外殼單元。每一導熱單元包括一圍繞出複數液體流道且表面具粗糙度的熱媒板件，及複數彼此相間隔地設置於該熱媒板件且為多孔質的導熱翅片。該等導熱單元的導熱翅片為多孔質，可使通過之蒸氣的壓力損失降低，以避免蒸氣堵塞之情形，加上該熱媒板件具有粗糙化的外表面，可大幅提升蒸氣的熱交換面積，並產生氣體紊流的效果，從而提升熱傳性能。此外，該熱媒板件粗糙化的內表面可提升與蓄熱流體的接觸面積，並不致增加太多的壓損。

Description

熱交換裝置

本發明是有關於一種熱交換裝置，特別是指一種氣-液型熱交換裝置。

熱交換器在冷凍空調、熱泵及工業製程領域中應用已久，傳統熱交換器包含殼管式、板式及鰭管等類型，此類熱交換器的發展已臻成熟，但仍受到操作壓力、溫域、效率、體積、壓損等條件而限制其應用環境。另一方面，目前的溫泉場域發電以深層地熱為主，而溫泉井自然放流的排放蒸氣仍接近130℃，極具發電及再利用之潛力，但如前所述，傳統熱交換器無法滿足再生能源中低溫廢氣或地熱蒸汽等熱能轉換應用所需要的低壓損、耐高溫、耐高壓、抗蝕等需求，其中高壓損會造成蒸氣經過熱交換器時容易堵塞而造成危險，且與蒸氣接觸的熱交換面積也仍有提升之空間。

因此，本發明之目的，即在提供一種氣側熱交換表面積高且壓降低的熱交換裝置。

於是，本發明熱交換裝置，包含複數導熱單元，及一用於容納該等導熱單元的外殼單元。每一導熱單元包括一圍繞出複數液體流道且表面具粗糙度的熱媒板件，及複數彼此相間隔地設置於該熱媒板件且為多孔質的導熱翅片。該外殼單元包括一殼管，該殼管界定出一高溫入氣口、一相反於該高溫入氣口的低溫出氣口、一低溫熱媒入口，及一相反於該低溫熱媒入口的高溫熱媒出口，每一液體流道的相反兩端分別連通該低溫熱媒入口及該高溫熱媒出口，每兩相鄰的導熱翅片與該熱媒板件及相鄰導熱單元之熱媒板件相配合，界定出一個兩端分別連通該高溫入氣口及該低溫出氣口的氣體流道。

本發明之功效在於：該等導熱單元的導熱翅片為多孔質，可使通過之蒸氣的壓力損失降低，以避免蒸氣堵塞之情形，加上該熱媒板件具有粗糙化的外表面，可大幅提升蒸氣的熱交換面積，並產生氣體紊流的效果，從而提升熱傳性能。此外，該熱媒板件粗糙化的內表面可提升與蓄熱流體的接觸面積，並不致增加太多的壓損。

參閱圖1、圖2，及圖3，本發明熱交換裝置之一實施例，包含一外殼單元1，及複數並排地固定於該外殼單元1內的導熱單元2。該外殼單元1包括一中空的殼管11，該殼管11界定出沿軸向方向位於該殼管11兩端的一高溫入氣口111，及一相反於該高溫入氣口111的低溫出氣口112，且還界定出沿徑向方向位於該殼管11相反兩側的一低溫熱媒入口113，及一相反於該低溫熱媒入口113的高溫熱媒出口114。該殼管11內部界定出一連通該低溫熱媒入口113的入液空間115，及一與該入液空間115分隔且連通該高溫熱媒出口114的出液空間116。在本實施例中，該殼管11以多層蓄熱材料製成，例如多層玻璃纖維或多層氧化鋁，具備較佳的蓄熱性能，以吸收並儲存可能逸散的熱能。需要特別說明的是，雖然本案圖式中，該殼管11是以圓管的方式顯示，但實際上也可視需求為方管或其他形狀的管體。

參閱圖2、圖3，及圖4，每一導熱單元2包括一圍繞出複數液體流道211且表面粗糙化的熱媒板件21，及複數沿該殼管11的軸向方向彼此相間隔地立設於該熱媒板件21的一側的導熱翅片22。該熱媒板件21在該殼管11的軸向方向上的相反兩端向外逐漸收合而形成尖端212，該等尖端212具有導流之功能，以使氣體進入時較為順暢。在本實施例中，該熱媒板件21與該等導熱翅片22一體成型，且是以420不鏽鋼粉末搭配選擇性雷射融熔銑削複合加工製造技術製得，具有耐高溫及耐高壓的特性，且外表面及內表面的粗糙度(Ra)小於50μm。該等液體流道211是沿該殼管11之徑向方向延伸，且每一液體流道211的兩端分別連接該入液空間115及該出液空間116，從而分別與該低溫熱媒入口113及該高溫熱媒出口114相連通，在本實施例中，每一液體流道211的截面為非圓形截面，可增加熱交換表面積。每一導熱翅片22沿該殼管11之軸向方向延伸，且可依需求為波浪狀、鋸齒狀或柱狀，該導熱翅片22如圖5所示地為多孔質材料，孔隙率≦50%，孔隙>1mm，且孔隙較佳為100~500μm。該熱媒板件21、該等導熱翅片22，及另一個相鄰導熱單元2之熱媒板件21彼此相配合，界定出複數沿該殼管11之軸向方向延伸的氣體流道23。更進一步地，該等導熱單元2也可應用於其他形狀或形式的殼體中，以發揮其氣-液流體呈交叉設置，且透過表面粗糙度及多孔質增加接觸面積以提升熱傳性能的特色，甚至也可單一導熱單元2獨自使用，不以此為限。

本實施例在使用時，是由該低溫熱媒入口113將低溫的蓄熱流體經該入液空間115送入該等液體流道211中，而蒸氣或廢氣(以下統稱為氣體)是由該高溫入氣口111進入該等氣體流道23中，當氣體於每一氣體流道23流動時，透過在多孔質的該等導熱翅片22及外表面粗糙化的該熱媒板件21間流動，可大幅提升熱交換表面積，並將熱能傳遞給該等液體流道211中的蓄熱流體，最後溫度降低的氣體由該低溫出氣口112送出，而溫度升高的蓄熱流體由該高溫熱媒出口114輸出。多孔質的該等導熱翅片22除了提升接觸面積外，還可使氣體流動時產生不規則的紊流流場及減少壓力損失，提高熱傳性能並消除對於蒸氣或廢氣堵塞的敏感性，低熱損可達3.55%以下。

本實施例的較佳運作環境如下：操作溫域在300℃~900℃間，操作壓力在10~140帕間，該等導熱翅片22的熱傳係數可達530.7W/m ²K，表面熱傳效率達0.993，氣側之壓降約101.55kPa，液側之壓降約為102.5Pa。

本實施例可整合氫燃料電池進行熱電轉換之應用，由該高溫熱媒出口114輸出的蓄熱流體，可用來預溫氫燃料電池的陽極反應氣體，以提升電化學反應速度與質子在電解質膜中的傳遞速度，另外同時預溫陰極端的反應氣體，以提升催化劑層和氣體擴散層(Gas Diffusion Layer , GDL)中的氣體擴散能力，以維持氫燃料電池的電能轉換效率，另一方面，可再用另一個熱交換裝置來快速吸收及排放氫燃料電池的陰極所產生的水氣，從水氣上獲得的熱能可用來加溫水體運用，並能避免水氣對氫燃料電池產生干擾，如此可對氫燃料電池進行廢熱管理及運用，使電池維持在低於85℃的操作溫域，並讓氫燃料電池的化學能轉電能效率維持在40%~60%，以維持高效運轉。

本實施例的另一個應用是整合熱再生氨燃料電池（Thermally Regenerative Ammonia-based Battery，TRAB），以該熱交換裝置獲得的熱能將熱再生氨燃料電池原陽極電解液中的氨蒸散冷凝導入原陰極，促成化學能再生而還原因反應而被消耗的陽極電極，使熱再生氨燃料電池得以持續反應，達到以廢熱轉換成化學能並充電之功效。

綜上所述，本發明熱交換裝置透過多孔質的該等導熱翅片22可減少氣側壓力損失，可消除對蒸氣側堵塞的敏感性，而蒸氣或廢氣於緊密排列的該等導熱翅片22間及該熱媒板件21外表面上產生紊流效果，加上多孔質及粗糙化的製程處理，可大幅增加熱交換面積而提升整體熱傳性能，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1········ 外殼單元 11······ 殼管 111····· 高溫入氣口 112····· 低溫入氣口 113····· 低溫熱媒入口 114····· 高溫熱媒出口 115····· 入液空間 116····· 出液空間 2········ 導熱單元 21······ 熱媒板件 211····· 液體流道 212····· 尖端 22······ 導熱翅片 23······ 氣體流道

本發明之其它的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一立體圖，說明本發明熱交換裝置之一實施例；圖2是一俯視剖面圖，說明本實施例的俯視剖面態樣；圖3是一前視剖面圖，說明本實施例的前視剖面態樣；圖4是一不完整的立體圖，說明本實施例的多個導熱單元；及圖5是一局部剖視放大圖，說明其中一導熱單元的複數導熱翅片為多孔質。

2········ 導熱單元 21······ 熱媒板件 211····· 液體流道 212····· 尖端 22······ 導熱翅片 23······ 氣體流道

Claims

一種熱交換裝置，包含：複數導熱單元，每一導熱單元包括一圍繞出複數液體流道且表面具粗糙度的熱媒板件，及複數彼此相間隔地設置於該熱媒板件且為多孔質的導熱翅片，每一導熱翅片具有多個孔隙為100μm至500μm的貫孔；及一外殼單元，用於容納該等導熱單元，該外殼單元包括一殼管，該殼管界定出一高溫入氣口、一相反於該高溫入氣口的低溫出氣口、一低溫熱媒入口，及一相反於該低溫熱媒入口的高溫熱媒出口，每一液體流道的相反兩端分別連通該低溫熱媒入口及該高溫熱媒出口，每兩相鄰的導熱翅片與該熱媒板件及相鄰導熱單元之熱媒板件相配合，界定出一個兩端分別連通該高溫入氣口及該低溫出氣口的氣體流道。
如請求項1所述的熱交換裝置，其中，每一導熱單元之該等液體流道為非圓形截面。
如請求項1所述的熱交換裝置，其中，每一導熱單元之該等導熱翅片的外型為波浪狀、鋸齒狀，及柱狀其中之一。
如請求項1所述的熱交換裝置，其中，每一導熱單元之熱媒板件與該等導熱翅片一體成型。
如請求項1所述的熱交換裝置，其中，每一導熱單元是以不鏽鋼製成。
如請求項2所述的熱交換裝置，其中，每一液體流道沿該殼管的徑向方向延伸，每一氣體流道沿該殼管的軸向方向延伸。
如請求項2所述的熱交換裝置，其中，該殼管界定出一連通該等液體流道之一端及該低溫熱媒入口的入液空間，及一與該入液空間分隔，且連通該等液體流道之另一端及該高溫熱媒出口的出液空間。
如請求項2所述的熱交換裝置，其中，每一導熱單元之熱媒板件在該殼管之軸向方向上的相反兩端向外逐漸收合而形成尖端。
如請求項2所述的熱交換裝置，其中，該外殼單元之殼管是以多層玻璃纖維或氧化鋁製成。