气对气热回收装置的制作方法

本实用新型属于废热回收技术领域，特别涉及一种气对气热回收装置，具有减少热传面积、增加热交换效率、增加热交换器的种类选择性及增加工程可行性的功效。

背景技术：

废热回收来源，泛指工厂无回收设备而直接或间接排放的热源。直接排放多针对气体而言，包括锅炉、焚化炉、加热炉、电弧炉、水泥窑等等的废热气体排放，请参阅图1a所示，现有高温制程废气A通过现有排气风机B经现有第一风管C排至大气D中。现有高温制程废气A中多数仍有相当的热能未被有效利用，直接排放实属浪费，且这些直接排放到大气的高温废气会对环境造成不利的影响。请参阅图1b 所示，在制程需要补充气体时，利用现有进气风机E将现有低温外气F 经现有第二风管G导入低温气体提供现有制程补气H，若要提供预热的外部气体，则要增加预热用的加热装置。也就是说，在不具热回收的制程中，直接排放高温制程废气不但造成环境破坏，还要增加制程补气增加的预热设备及能源损耗成本。

热交换器广泛应用在各种工业领域，用以将一种介质的热量传递至另一种介质，使得工业的二次能源能被充分利用，达成实现余热回收与节能的效果。目前产业回收废热用于加热冷空气供制程补气，如果是采用热交换器方式，请参阅图2所示，采用现有气对气热交换器I，如管壳式、热管式或板式等等热交换器，在大风量的现有气对气热交换器I中，因为空气的热传导性能不佳，所需的热交换面积很大，所以造成热交换器体积庞大，造价贵且维修不易。

中国台湾公告号M472825“可便利拆卸清洗的热交换器”专利，包含至少一热交换器单元，该热交换器单元包括：一外壳体，其内部具有一腔室，该外壳体的上端与下端分别具有连通该腔室的进气口与出气口，该进气口与出气口之间界定一第一气流通道，该外壳体的两侧端分别形成一开放口且分别连接一侧盖用以将该二开放口封闭，该外壳体的开放口的外周围向外延伸一凸缘，各侧盖的内侧端设有一凸缘，该外壳体的凸缘与该二侧盖的凸缘对应结合，该外壳体的内壁设有至少一垫圈，该垫圈的一部分凸出该外壳体的内壁；及一热交换模块，其包含分隔开的第一与第二端板及设置于该第一与第二端板间的多个热交换管，该第一端板结合在该外壳体的一凸缘与一对应侧盖的凸缘之间，该第二端板伸入该外壳体的腔室内且该第二端板的周围抵靠在该垫圈的内壁上，该多个热交换管相互连通且共同界定一第二气流通道，该第二气流通道与该第一气流通道没有连通；其中一第一气体可由该外壳体的进气口引入且通过该第一气流通道而由该外壳体的出气口排出，一第二气体可通过该热交换模块的第二气流信道而与该第一气体进行热交换(2014年02月21日中国台湾专利公告数据参照)。中国台湾公告号I412717“气对气热交换器”专利，包括有：一外箱体，两端形成有第一气体进气口与第一气体出气口，顶端则形成有置入口；多个内垂吊体，各该内垂吊体通过该置入口而垂吊定位于该外箱体内部，且其结构包括有上盒体、下盒体与导气管束，而将该导气管束两端焊接于该上盒体底板与该下盒体顶板，并把该上盒体内部分隔出第二类气体进气室与第二类气体出气室，该下盒体内部遂成为回转室，而该上盒体于该第二类气体进气室形成有第二类气体进气口且于该第二类气体出气室形成有第二类气体出气口，而每一个内垂吊体分别导入不同的气体气流，致使横贯流过该外箱体内部的第一气体气流，快速且连续地与不同的气体气流进行热交换，藉以将多个热交换器整合于一体，且令该上盒体与该下盒体内部增设回转室，以增加气流的回转次数与流经该导气管束的次数；以及一保温层，固定于该外箱体内部而介于该外箱体与内垂吊体的下盒体间，藉其厚度及软性特征以填满该外箱体与内垂吊体的下盒体间间隙，吸收该导气管束因温度变化产生的向下热应变与热应力，并达到气密效果，而该保温层材质为陶瓷纤维者(2014年10月21日中国台湾专利公告数据参照)。中国台湾公告号M472824“新颖板式热交换器”专利，其包含：一底板；一盖板，盖板设有第一流体入口与出口，及第二流体入口与出口；多层夹板，该多层夹板位于底板与盖板之间，该多层夹板内将形成第一流道及第二流道，第一流道与第二流道之间不互通；底板、盖板及多层夹板连接配合硬焊填料以硬焊方式为之(2014年02月21日中国台湾专利公告数据参照)。

前述工业上这些废气热回收的案例，将具有高温的制程废气经由热交换器的热交换，预热需要加温的冷空气，此方法虽然很简单，但若风量大时，缺点很多，如:(1)热交换器体积庞大；(2)风管尺寸大，施工不易，尤其是有些案例，现场空间不足，或热回收与预热的位置距离很远，大风管无法施工；(3)热交换器空气压损大，造成风机马力增加；(4)热交换器太大不易保养；(5)空气的热传导性能不佳，热交换效率差，一般垂直流型(CROSS FLOW TYPE)效率只有50％。上述为现有技术的缺失，为业界亟待克服的难题。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本实用新型的主要目的在于提供一种气对气热回收装置，其主要由气对水热交换器及水对气热交换器构成，该气对水热交换器具有第一气体入口、第一气体出口、第一流体入口及第一流体出口，第一气体入口通过风管连接高温废气，第一气体出口通过风管将热交换后的低温废气排至大气，第一流体入口通过水管连接设于高处的膨胀水箱，该水管设置有循环泵提供循环水，第一流体出口通过水管连接水对气热交换器的第二流体入口，该水对气热交换器具有第二气体入口、第二气体出口、第二流体入口及第二流体出口，第二气体入口通过风管连接低温外气，第二气体出口通过风管将热交换后的高温外气连接待补气制程设备，第二流体入口通过水管连接气对水热交换器的第一流体出口，第二流体出口通过水管连接膨胀水箱，通过气对水热交换器将高温废气与循环水热交换，将热能转换到循环水成循环热水，再通过水对气热交换器将循环热水与低温外气热交换，加热外气供待补气制程设备，形成气对气热回收，由于水的热力性能远优于空气的性能，所以可以减少热传面积，热交换效率可达60～80％。除此之外，大风量的气对气热交换器大多是板式热交换器，本实用新型的气对水或水对气热交换器的选择就很多种，例如可选择管壳式、板式或管鳍片式等等热交换器型式。再者，本实用新型除了改良热交换器的热交换效率，另外热量的传递转换成水管输送热水，相较风管的体积小很多，增加工程的可行性。

本实用新型前述通过水管连接的膨胀水箱为密闭式膨胀水箱，该密闭式膨胀水箱上方连接有压缩空气源以打入压缩空气，利用控制压缩空气的量，控制本实用新型水管水压保持在热回收水温度所对应的蒸汽压之上，使水管不产生蒸汽泡。

本实用新型前述气对水热交换器或水对气热交换器，可多组的模块单元串连，达到所需的热交换量。

附图说明

图1a为现有技术不具热回收的制程流程图(排气部分)；

图1b为现有技术不具热回收的制程流程图(进气部分)；

图2为现有技术气对气热回收制程流程图；

图3为本实用新型气对气热回收制程流程图；

图4为本实用新型多组模块单元串连气对水热交换器示意图；

图5为本实用新型多组模块单元串连水对气热交换器示意图；

图6a为气对气热传导温度梯度示意图；

图6b为气对气热传导类比电流阻抗公式示意图；

图7a为气对水热传导温度梯度示意图；

图7b为气对水热传导类比电流阻抗公式示意图；

图8a为水对气热传导温度梯度示意图；

图8b为水对气热传导类比电流阻抗公式示意图。

其中的附图标记为：

A 现有高温制程废气

B 现有排气风机

C 现有第一风管

D 大气

E 现有进气风机

F 现有低温外气

G 现有第二风管

H 现有制程补气

I 现有气对气热交换器

1 气对水热交换器

10 第一气体入口

11 第一气体出口

12 第一流体入口

13 第一流体出口

2 水对气热交换器

20 第二气体入口

21 第二气体出口

22 第二流体入口

23 第二流体出口

3 风管

30 排气风机

31 进气风机

4 高温废气

40 高温外气

5 低温废气

50 低温外气

6 水管

60 膨胀水箱

61 循环泵

62 压缩空气源

Ta1 一次侧空气的温度

Ta2 二次侧空气的温度

Tm1 一次侧金属板的表面温度

Tm2 二次侧金属板的表面温度

Tw 水的温度

Ra1 一次侧空气的对流热阻

Ra2 二次侧空气的对流热阻

Rm 金属板传导热阻

Rw 水的对流热阻

具体实施方式

本实用新型涉及一种气对气热回收装置，具有减少热传面积、增加热交换效率、增加热交换器的种类选择性及增加工程可行性的功效。

如图3所示的本实用新型气对气热回收制程流程图，由图3可知本实用新型气对气热回收装置包括：

气对水热交换器1，其具有第一气体入口10、第一气体出口11、第一流体入口12及第一流体出口13；其中，第一气体入口10通过风管3连接高温废气4，较佳地，该风管3可设置排气风机30。第一气体出口11 通过风管3将热交换后的低温废气5排至大气，第一流体入口12通过水管6连接设于高处的膨胀水箱60，该水管6设置有循环泵61提供循环水。第一流体出口13通过水管6连接水对气热交换器2的第二流体入口22。

水对气热交换器2，其具有第二气体入口20、第二气体出口21、第二流体入口22及第二流体出口23；其中，第二气体入口20通过风管3连接低温外气50，较佳地，该风管3可设置进气风机31。第二气体出口21 以风管3将热交换后的高温外气40连接待补气制程设备，第二流体入口 22通过水管6连接气对水热交换器1的第一流体出口13，第二流体出口 23通过水管6连接回膨胀水箱60。

通过气对水热交换器1将高温废气4与循环水热交换，将热能转换到循环水成循环热水，再通过水对气热交换器2将循环热水与低温外气 50热交换，加热外气供待补气制程设备，形成气对气热回收，由于水的热力性能远优于空气的性能，所以可以减少热传面积，热交换效率可达60～80％。除此之外，现有技术中，大风量的气对气热交换器大多是采用板式热交换器【气对气热交换器的设计，一次侧(空气)与二次侧 (空气)的热阻相同，所以二侧的热传面积相同，一般常用是采用板对板热交换器】，本实用新型的气对水或水对气热交换器的选择就很多种，例如可选择管壳式、板式或管鳍片式等等热交换器型式【气对水热交换器的设计，一次侧(空气)与二次侧(水)的热阻差异很大，水侧的热传面积可以减少很多，一般常用是采用管鳍片热交换器，水在管侧(热传面积较小)，空气在鳍片侧(热传面积较大)。水对气热交换器亦相同】。再者，本实用新型除了改良热交换器的热交换效率，另外热量的传递转换成水管6输送热水，相较风管3的体积小很多，增加工程的可行性。

再者，本实用新型前述的水管6连接的膨胀水箱60为密闭式膨胀水箱，该密闭式膨胀水箱上方连接有压缩空气源62以打入压缩空气，利用控制压缩空气的量，控制本实用新型水管水压保持在热回收水温度所对应的蒸汽压之上，使水管6不产生蒸汽泡。由于水在100℃的蒸汽压力是101.3kpa，在水压力不足的循环水中很容易产生蒸汽泡，因此循环水路必须设计成密闭式，利用密闭式膨胀水箱(置于装置高点)，底部管路连接循环水管6，上方连接有压缩空气源62以打入压缩空气，因为空气是可压缩气体，可以吸收水因温度变化所产生的体积变化。如此可利用控制压缩空气的量，控制系统水压保持在热回收水温度所对应的蒸汽压之上，使系统不会产生蒸汽泡。

如图4所示的本实用新型多组模块单元串连气对水热交换器示意图及图5所示的本实用新型多组模块单元串连水对气热交换器示意图，本实用新型前述气对水热交换器1或水对气热交换器2，可由多组热交换模块单元串连(本实施例为4组管鳍片热交换器串连)，达到所需的热交换量。在实务设计上，管鳍片的水侧温度差有限制，例如水的进出温度差最大约等于20℃，如果要热回收温度差80℃的热空气时，可以多组热交换器(四组)串连，达到所需的热交换量。

以下就传导的导热度性进行说明：

水的导热度0.604W/mK(条件：温度21℃密度997kg/M³)

空气的导热度0.026W/mK(条件：温度27℃密度1.177kg/M³)

纯铜的导热度386W/mK(条件：温度20℃密度8954kg/M³)

纯铝的导热度204W/mK(条件：温度20℃密度2707kg/M³)

水的传导热性能是空气的23倍

纯铜的传导热性能是水的639倍

纯铝的传导热性能是水的337倍。

对流的热传递系数：

水的热传递系数50～10,000W/m²K(强制对流的水)

空气的热传递系数10～200W/m²K(强制对流的空气)

水的对流热性能是空气的5～50倍。

热传公式的性能比较：

以下通过最简单的板对板热传模型公式，说明气对水的热传性能优于气对气的热传性能。在实际应用上，气对水或水对气热交换器可能是管鳍片热交换器，热传公式更复杂，但分析其结果是相同的。

热传公式说明：

热传递的导热率公式可分为传导、对流及辐射

传导热流率

对流热流率

辐射热流率(辐射效应忽略不计)

合成热流率

气对气的热传递方程式(如图6a和图6b所示)

(空气的对流热阻)

(热交换器金属板传导热阻，相较对流热阻很小，可忽略不计)

气对水的热传递方程式(如图7a和图7b所示)

(空气的对流热阻)

(金属板传导热阻，相较空气对流热阻很小，可忽略不计)

(水的对流热阻，相较空气对流热阻很小，可忽略不计)

水对气的热传递方程式(如图8a和图8b所示)

(水的对流热阻，相较空气对流热阻很小，可忽略不计)

(金属板传导热阻，相较空气对流热阻很小，可忽略不计)

(空气的对流热阻)

公式中符号说明：

q＝热流率合成热流率

A＝热传面积(m²)

ΔT＝热传温度差(K)

L＝热传长度(m)

k＝导热度(W/m·K)

hc＝对流系数(W/m²·K)

hr＝辐射系数(W/m²·K)

hc/a＝空气的对流系数(W/m²·K)

hc/w＝水的对流系数(W/m²·K)

R＝热阻(K/W)

Rtot＝总合成热阻(K/W)

U＝总热传递系数(W/m²·K)

Ra1＝一次侧空气的对流热阻(K/W)

Ra2＝二次侧空气的对流热阻(K/W)

Rm＝金属板传导热阻(K/W)

Rw＝水的对流热阻(K/W)

结论：由前述结果可得，在相同温度差与热传面积下，气对水或水对气热交换器的热流率是气对气热交换器的2倍。

上述实施例，仅为本实用新型的较佳可行实施例而已，并非用以拘限本实用新型的范围，本领域技术人员运用本实用新型说明书及权利要求书所作的等效结构变化，理应包括于本实用新型的保护范围内。