綠能前瞻永續台灣

依「技術成熟、成本效益、均衡發展、帶動產業、電價可接受」原則,達成再生能源目標

:::
:::

焦點專欄

PCHE層板式熱交換器於能源領域應用開發探討

  • 發佈日期:2022/11/23
  • 資料來源:本站
  • 點閱次數:26次

一、前言

本文探討層板式PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)此型熱交換器的應用機會與開發方向,該熱交換器得名於其層板上之流道於以往常由化學蝕刻技術加工而成,與蓬勃發展的電路板製作技術相近,故推測產生此命名方式。綜觀熱交換器於各產業應用已存在長久時間,依統計分析資料,在本國熱交換器的生產成本中,材料費約佔60%,加工費約佔25%,管理費約佔9%,其它約佔6%。台灣每年的需求量約在20億以上(工業用),而整體依應用簡易分類如圖1所示。

圖1:熱交換器於各產業應用分類概要
二、熱交換器發展與應用基礎架構

熱交換器產業應用類別,由其應用方式與架構差異,又有加熱器(Heater)、過熱器(Superheater)、再熱器(Reheater)、再生器(Regenerator)、蒸發器(Evaporator)、凝結器(Condenser)、散熱器(Radiator)、冷卻器(Cooler)、廢熱回收器(Waste heat recovery)及重沸器(Re-boiler)等名稱。而發展熱交換器所需技術,可用圖2魚骨圖簡要點出。

圖2:熱交換器發展技術魚骨圖
三、熱交換器之應用比較概論

因應各類創能節能領域,系統於熱能擷取需高效率、耐高壓及高溫之熱能導引關鍵模組(含熱交換器、復熱器等)需求,現行業界廣泛使用之殼管式熱交換器(Shell and Tube Heat Exchanger)雖可承受高壓高溫應用,但於熱交換效率上卻存在快速熱傳交換限制,且建置體積規模龐大不利於整體系統建置發展。另在製程熱交換常用之硬銲版式熱交換器(BPHE, Brazed Plate Heat Exchanger)雖具良好熱交換效率,但受限於薄板組合及銅、鎳硬銲技術之限制,可耐壓耐溫約在200℃及14MPa以下,就近期發展超臨界二氧化碳熱發電或高壓流體系統之需求,也有一定限制。另就建置規模與體積成本比較方面,若先不論效率,僅以體積規模為考慮;舉國外研究案例,以4MW能量規模應用場域為例,傳統的殼管式熱交換器其體積架構仍屬龐大,與PCHE(Printed Circuit Heat Exchanger)層板式熱交換器比較,如下Heatric公司發表資料所示,其體積與重量可達6倍差異,如圖3。

圖3:傳統殼管式與PCHE熱交換器之體積比較

而在應用溫域與壓力方面,若以BPHE板式及PCHE層板式熱交換器兩者之條件做比較,則可用涵蓋範圍亦有極大差異,如圖4。

圖4:傳統BPHE板式與PCHE熱交換器之應用溫度/壓力域比較

由“Compact heat exchangers: A review and future applications for a new generation of high temperature solar receivers”一文,亦針對各型板式熱交換器特性與適用條件,整理運用特性如表1。

表1. 各類型板式熱交換器操作條件範圍
四、PCHE層板式熱交換器之開發評估

故因應近期蓬勃發展之超臨界二氧化碳熱發電或其他高壓流體創能或節能系統之需求,評估高效層板式PCHE類型熱交換器開發,如圖5。

圖5:PCHE層板式熱交換器於超臨界二氧化碳熱發電系統之應用例

該型熱交換器相較傳統管殼式或硬銲板式熱交換器,所具特性差異:

  • 高效率熱傳性能
  • 體積小、重量輕、耐用、成本低
  • 適用高壓力工作系統
  • 適用高溫溫度工作系統低壓降以及耐腐蝕性高
  • 無墊片不外漏:安裝容易、更換容易、保養需求少

在PCHE熱交換器開發技術層面,由設計分析技術先行盤點與規劃,包括a.熱導引工作流體熱流性質分析;b.層板流道設計工程模擬;及c.層板材料耐溫耐壓分析等技術。而在製程面,則由耐高壓及高溫之層板硬焊能力需求進行探討,選擇運用真空擴散焊接技術,後續則由擴散焊接製程技術、前段層板流道預加工及擴散焊接真空加壓設備建置所需技術與關鍵要點進行評估。其開發程序如圖6。

圖6:PCHE熱交換器開發流程

而對應PCHE熱交換器各開發階段之技術要點,如表2所列。

表2. PCHE熱交換器開發流程
五、PCHE層板式熱交換器開發先期測試

PCHE層板式熱交換器開發,已先就其層板流道設計與熱流模擬技術建立進行探討(如圖7),並結合本國產業自主開發掌握之真空擴散焊接製程技術,進行不鏽鋼層板接合及PCHE熱交換器雛型試製(如圖8),將以此為基礎持續累積建立開發與製造技術能量。

圖7:PCHE層板式熱交換器設計與熱流分析
圖8:PCHE熱交換器試製雛形
參考文獻
  • 金屬中心,「超臨界CO2熱發電系統模組創新前瞻計畫」,103年度新及再生能源技術先期研發計畫書,2014。
  • 金屬中心,「地熱溫泉熱發電模組技術探索創新前瞻計畫」,109年度新及再生能源前瞻技術掃描評估及研發推動計畫研究報告,2020。
  • Steven A. Wright, Ross F. Radel, Milton E. Vernon, Gary E. Rochau, and Paul S. Pickard, “Operation and Analysis of a Supercritical CO2 Brayton Cycle”, Sandia Report, SAND2010-0171, 2010.
  • Wright S.A., Fuller R., et. al. , “Operational Results of a Closed Brayton Cycle Test-Loop,” Proceedings of Space Technology and Applications International Forum (STAIF-2005), February, AIP Conference, Proceedings, Albuquerque, NM, February 2005.
  • Qi Li, Gilles Flamant, XigangYuan, Pierre Neveu, Lingai Luo, “Compact heat exchangers: A review and future applications for a new generation of high temperature solar receivers”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 15, Issue 9, December 2011, Pages 4855-4875.
  • Heatric, https://www.heatric.com/heat-exchangers/
回到上頁

Copyright © 工業技術研究院綠能與環境研究所 製作︱經濟部能源局 指導

Copyright © Industrial Technology Research Institute.

地址:10595臺北市松山區南京東路三段248號2樓︱電話:(02)8772-0089

網站開放資料宣告隱私權保護政策資訊安全宣告

網站更新日期:2022/11/26︱ 瀏覽人次:14,130,467

通過A檢測等級無障礙網頁檢測 我的E政府

本網站為響應式網頁設計(RWD),建議使用 IE9.0 以上 / Firefox / Chrome 瀏覽器