热和能量回收及再生组件、系统和方法相关申请的交叉引用
本申请是2013年1月30日提交的美国专利申请No.13/753,585的继续申请，其公开内容通过引用全部结合到本文中。
技术领域
本发明大体涉及空气调节和加热系统的领域，更具体地，其涉及用于有效地燃烧化石燃料来加热空间的系统。
背景技术
用在利用化石燃料加热中的标准方法是在受控加热室或者热交换器中燃烧燃料。通过燃烧燃料所产生的热被在热交换器外侧周围流动的空气或水带走。这能够通过鼓风机风扇或泵来实现。热被传递到周围的空气或水中，从而加热受调节空间。允许来自燃烧反应的废料或排放物流向室外，通常利用至烟囱或大烟囱的烟道管道。火炉或锅炉的效率通过能够从热交换器提取的且被用于加热受调节空间的热的量以及被允许通过烟道逃逸而被排到外面的热和副产品的百分比来计算。这个比率或者效率定量被置于火炉或锅炉上以便描述其效率将如何。
将碳和热饱和排放物释放到大气中导致环境问题，例如全球变暖。不仅一氧化碳和二氧化碳加重抑制热释放到空间中，而且通过烟道气体排放物的排出热也通过热污染而加重这个问题。正好平均的低至中等效率的住宅天然气、LPG或油火炉每天能够发出一百万BTU的废热到大气中。商业和工业单元每单位每天能够排出上亿且偶尔数十亿BTU。此外，将烟道气体排放到大气中的这些普遍且传统的方法是浪费的且是低效的。
发明内容
在所公开实施例的至少一个方面中，该实施例指向热和能量回收组件。本发明优于传统HVAC系统之处在于其产生更少温室气体并且进一步利用通常被释放到环境中的热。该组件或者设备可以包括室，优选地被隔热，包括空气进口和排放物进口。排放物进口结构上适于接收由于燃料燃烧所放出的废气和废物。该组件或者设备也可以包括排气装置用于从室排出剩余排放物。
该室另外包括主热回收交换器，其被容纳在该室内，其与流体回路流体连通，该流体回路包括被构造成运送其中的流体的主管道。主热回收交换器被置于室内，使得在废气和废物以及空气被引入的正常操作期间其与产生的混合物热连通。因此，实现与在交换器和流体回路之内的流体的热交换。热提取交换器也与流体回路和主热回收交换器流体连通，并且被置于与要被加热的气流热连通，使得热从热提取交换器被传递到空气流中。
在所公开实施例的另一方面中，该实施例指向用于火炉的热和能量回收系统。该系统包括隔热室，其包括空气进口和排放物进口。排放物进口与火炉排气装置连通以便接收由在火炉中的燃料燃烧产生的废气和废物。空气进口被构造成接收来自空气源的空气，例如室内或者室外空气。主热回收交换器被容纳在隔热室内并且与流体回路流体连通，该流体回路包括被构造成运送其中的流体的管道。该主热回收交换器也被构造成使得在火炉的操作期间其与混合物热连通，该混合物包括经由空气进口被引入的空气以及经由被排放物进口被引入的废气和废物，使得实现与流体的热交换。该系统也包括热提取交换器，其与流体回路流体连通并且被置于与被吸入火炉的空气流热连通用于从交换器传递热能到空气流。
在所公开实施例的至少一个方面，当前实施例的组件和系统可以进一步包括热回收通风机组件。该组件提供与热提取交换器连通的室外空气进口，使得室外空气被吸入该组件中并且被推动跨过热提取交换器以当室外空气被吸入空气加热设备（例如火炉）中时加热该室外空气。
所公开实施例进一步指向从化石燃料燃烧废物回收热和能量的方法。该方法包括将由于燃料燃烧而放出的过量热和废物供给到隔热室内，该隔热室容纳主热回收交换器，其在其中容纳流体，与流体容纳管道回路联接。该方法进一步包括将空气供给到隔热室中以开始与废物的反应，这产生具有潜在能量的反应产物。此外，该方法包括通过反应产物和过量热与主热回收交换器相互作用实现热能交换。因此，在填充流体的第一热交换器和流体容纳管道回路内的温度和反应压力上升。最后，该方法包括通过吹过热提取交换器的强制空气释放热能，该热提取交换器与在隔热室外部的流体容纳管道回路流体连通。
当考虑附图以及具体描述时当前发明的这些和其他目标、特征和优点将变得更清楚。
附图说明
为了更完整地理解当前发明的性质，应该结合附图参考下述具体描述，在附图中：
图1是示例性实施例的热回收组件的一个实施例的说明图。
图2是示例性实施例的热回收组件的另一实施例的说明图。
图3是图1和图2的热回收组件的实施例的功能性的说明图。
图4是用在图1和图2的热回收组件的实施例中的热交换过程的说明图。
图5是示例性实施例的热回收系统的实施例的说明图。
图6是利用热回收通风机组件的热回收系统的另一实施例的说明图。
图7是图5中示出的热回收系统的实施例的布线图的说明图。
图8是示例性实施例的热回收系统的实施例的透视图。
图9是示例性实施例的热回收系统的另一实施例的透视图。
图10是图9中所示的示例性实施例的热回收系统的实施例的剖视图的说明图。
贯穿附图中的多幅图，相同附图标记指代相同零件。
具体实施方式
如在附图中所示，示例性实施例指向热和能量回收组件和系统，除此之外还有使用其的方法。这样的热回收装置可以适于用在HVAC系统或利用来自燃料燃烧的热能加热空气空间的任意其他系统的火炉。
在示例性实施例的一方面中，提供热回收组件100，如图1中所示。组件100包括隔热室110或者热回收箱，其包括空气进口112和排放物进口114，该排放物进口114用于接收由于燃料燃烧而发出的废气和废物。隔热室可以由各种金属或合金制成。优选地，隔热室110由不锈钢和钛合金制成。
组件100进一步包括被容纳在隔热室内的主热回收交换器116。主热回收交换器116被构造成接触由经由空气进口112引入的空气和经由排放物进口114进入的废气和废物（由缺氧的碳排放物构成）构成的混合物。盘管传感器也可以接触主热回收交换器116以将与交换器的功能性有关的任意问题传递至中央逻辑板（本文稍后讨论）。主热回收交换器116可以由对于热交换而言是理想的各种金属和合金制成，例如但不限于铜、铝等。交换器116也可以是全密封的热回收盘管的形式。
空气进口112可以被构造为单个进口或多个进口。进口可以适于引入室外空气、室内空气或者两者。另外，在一些实施例中，可能希望在隔热室110内产生加压环境；因此，一个或更多个空气进口112可以连接到压力调节器诱导风机140（见图4），其作为压力均衡系统的一部分来辅助给隔热室110内部的空气加压。诱导风机140也可以是变速马达，其由检测隔热室110内部的空气的正确温度和/或湿度和/或压力的传感器控制。
主热回收交换器116进一步互连到流体回路120，该流体回路120包含主管道122用于在其内运送流体。组件100也可以互连到在隔热室110外部的是热提取交换器130，使得热提取交换器130经由主管道122与流体回路120流体连通。热提取交换器130和主热回收交换器116经由流体回路120的主管道122互连在一起，使得主热回收交换器116接触（在隔热室110内）由经由空气进口112引入的空气和经由排放物进口114引入的废气和废物构成的混合物，而热提取交换器130在隔热室110外部接触要被加热的空气。
隔热室110另外包括废气和排水部件。用于在发生热交换之后排出剩余废气和废物的排气装置118被构造成将隔热室110互连到外部环境。此外，排水管111可以被连接到隔热室110以将带有灰尘的冷凝液带到室110外。当弥雾机113被包括在隔热室110中时排水管111是尤其必要的。弥雾机113被用于使得隔热室110内的空气充满湿气，并且帮助采集并除去来自废气的颗粒和碳烟，这是通过使该废气充满来自过度加热的油燃烧排放物的闪蒸热蒸汽的水并且落到室的底部以便通过排水管111排出。弥雾机113通常被连接到加压水管以便提供水至隔热室110从而升高室110内的露点以便增加传热势能。
在图1中示出的示例性实施例通常被设计成用于在输入废气源自更洁净的燃烧丙烷或者其他天然气的燃烧（例如但不限于加热、通风和空气调节（HVAC）单元的天然气燃烧火炉部件）时使用。不过，本领域技术人员将理解的是，组件100也可以被用在周围空气将要被化石燃料燃烧加热的其他情形中。
图2示出了组件100的示例性实施例的一个方面，其对输入废气源自燃油火炉时尤其有用；不过，这个实施例也可以被利用取代图1中所示的实施例以便燃烧天然气源。这个实施例的部件和构造大体与图1中所示相同；不过包括额外的方面来采集被存储在冷凝水中的热，该冷凝水聚积在隔热室110的底部处。在图2所示的实施例包括次热回收交换器117，其经由次管道124与主热回收交换器116流体连通，用于当水从由弥雾机113产生的冷凝液与空气和热排放物和碳烟的混合物反应以产生过度加热水滴WD而聚积时，吸收在该水中存储的过量热。因为次管道124与主热回收交换器116连通，次热回收交换器117作为整体进一步与流体回路120流体连通。图2中的排水管111被示出构造成使得水和冷凝灰/碳烟不从隔热室110排出直到水上升到一定水平WL。这允许次热回收交换器117保持在水的表面之下，因为其吸收冷凝水中所存储的过量热能以确保在整个过程中很少或者没有热能保持未被吸收。
在示例性实施例的组件和/或系统的操作期间，热排放物（一氧化碳、二氧化碳、H20等等）被排放到隔热室110中。新鲜的室外或室内空气被加压到室中以与排放物混合。因此，大的立方体占据空间的空气饱和并被加热。这个混合物流过主热回收交换器116，同时露点上升，从而保持水和热（饱和）。之后，热经由主热回收交换器116（如果利用图2所示实施例的话则包括次热回收交换器117）从混合物被提取并且被传递到热提取交换器130，使得发生热传递以加热室内空气。较冷的干燥空气被排出室外且带有减少的热、湿气和碳含量。这个过程允许从被引入隔热室中的环境空气汲取热能，使得其与已经通过化石燃料燃烧过程产生的热能混合。然后，这使得组件和系统具有实现更高效的燃料燃烧的潜能。
通过举例且接着参考图3，热回收组件100的实施例的总体方面被示为用在处于100,000输入/80,000输出比率的示例性80%年燃料利用率（AFUE）火炉中。以大约375℉/90%及湿度/55CFM从火炉汲取热的潮湿缺氧碳排放物。热的饱和有水缺氧碳排放物携带至少20,000英制热单位/小时（BTUH）的巨大热势能。除了热能之外，排放物的水饱和（弥雾增加了这种水饱和）包含高水平的潜能以便汲取。这些排放物之后使用隔热室110中的压力调节与相等立方英尺/分钟（CFM）的富氧的干燥新鲜冷空气相混合。在受控条件下在隔热室110内，干燥富氧冷空气被排放物排放内的雾化水充满，从而导致露点增加。在排放物中释放的热能（大约375℉）与新鲜冷空气混合，从而导致大约215℉的平均温度。缺氧排放物也被O2补充，从而辅助热传递过程。最终结果是暖的215℉/高露点/高O2/高势能混合物，对于高效热和能量提取是理想的。
这种混合物从主热回收交换器116上经过。在交换器116中的流体（即制冷剂）处于受控加压状况下并且能够从该混合物提取大量的热能并经由流体回路120将该热能传递到热提取交换器130，使它能够被用于温暖室内空气。在组件的每个部件之间在流体回路120中的制冷剂流动由图3中的箭头示出。在隔热室110内遵循受控且受调节反应的排气是干燥的冷的几乎无碳的排放物。产生的排放物的平均排气通常是49℉/10%湿度/0.05-0.00PPMCO（一氧化碳）。
压缩机150可以被用于辅助在主热回收交换器116和热提取交换器130之间经由流体回路120的制冷剂流动。在组件100操作期间加热在主热回收交换器116中的较冷制冷剂导致交换器和流体回路120内的压力增加，从而导致吸热制冷剂被推到较低压力的区域（见图4）。这种推动现象允许在没有任何压缩机辅助的情况下实现在回路中的大部分制冷剂流动（大约50%），从而限制所需电能的量；因此，在组件100的大部分实施例中会不必要有大压缩机就能获得足够的制冷剂流动。这样，小型压缩机优选被用于本发明的实施例中以便进一步提供能量节省。
组件100可以适于被附接到具有大约78%AFUE或更高效率的任意时期火炉，从而导致系统效率增加。如果组件100被用于火炉，则也可以减少碳排放、排放物温度和湿度。
接着参考图5和图10，示出了热回收系统200。系统200包括火炉2000，其包括排气装置2100和火炉进口2300。系统200进一步包括隔热室110，其包括空气进口112和排放物进口114。排放物进口114适于与火炉的排气装置2100连通以便接收由于火炉2000中的燃料燃烧导致的废气和废物。主热回收交换器116被容纳在隔热室110内并且与流体回路120流体连通，该流体回路120包括被构造成运送其内的流体（例如制冷剂）的主管道122。主热回收交换器116也被构造成使得在火炉2000的操作期间，其与混合物热连通，该混合物包括经由空气进口112引入的空气以及经由连接到火炉排气装置2100的排放物进口114引入的废气和废物。
系统200也包括热提取交换器130，其与流体回路120流体连通并且被置于与被吸入火炉的空气流热连通用于加热（见图5中穿过热提取交换器130的室内空气）。制冷剂在主热回收交换器116中被加热并且经由通过热交换产生的压力梯度且可选地在来自小型压缩机等的辅助下而移动到热提取交换器130，在这里热交换发生在流自室内空气源的空气流和热提取交换器130之间。被预热空气被引导到火炉的热交换器2200中，使得空气被进一步加热并且之后被引导到需要加热的住宅中或其他结构中。
另外，系统200进一步包括离开隔热室110的排水管111。排水管111可以构造如图1或图2中所示，这取决于系统200中所用的火炉类型（如本文在之前所解释的）。这样，利用如图2中所示的排水管111的系统200将进一步包括在本文中前文所描述的次热回收交换器117。
系统200也可以利用压缩机150，如本文中前文所描述的。更优选的是，压缩机是小型压缩机以便进一步有助于能量节省。还设想的是，火炉诱导风机IB可以与火炉排气装置2100连接以便将废气主动地从火炉2000抽吸到隔热室110的排放物进口114中。
本发明的组件100和系统200可以进一步利用热回收通风机。热回收通风机是HVAC工业中的已知技术有很多年了，不过典型的通风机比本发明中所公开的结合本文的组件和系统的实施例要低效得多并且结构上与该实施例不同。常规的热回收通风机（HRV）吸入新鲜的室外空气来取代排放的室内空气。HRV有助于在住宅或建筑物结构内产生空气交换，这进而有助于减少污染物、烟、污垢物、空气传播的过敏症、病毒等聚集在住宅或建筑物通风系统内。在通风机的空气交换过程期间，风扇和热交换器将使被加热或冷却的室内空气在未调节室外空气上经过。这两种空气质量永不会组合而是由热交换器分离。这个过程能够将多达85%的热能从被调节空气质量传递到未调节空气质量。大约15%的能量在这个过程中损失掉，从而导致住宅或建筑物的主人为损失到新引入的未调节空气中的加热或空气调节支付费用以便维持在结构内的相同舒适度水平。
图6示出了热回收通风机（HRV）组件160，其关于热回收组件100被构造成向内部环境提供新鲜的室外空气。HRV包含通风机室外空气进口162，其被构造成与热提取交换器130连通用于在室外空气被吸入加热设备或者火炉的供应空气进口中时加热室外空气。HRV提供洁净的室外空气用于在住宅或建筑物内循环。这将空气引导到被抽吸跨过热提取交换器130的空气流中，使得它能够被热回收组件100或者系统200所用的高能效过程加热，如本文先前所描述的。HRV组件160可以进一步包括机动阻尼器164，其与室外空气进口162连通，使得室外空气流动被调节。恒温器166可以与机动阻尼器164连通用于基于室外空气温度控制阻尼器164的打开和关闭。通常，阻尼器164允许温度范围变化从大约10华氏度至大约70华氏度的空气从中经过。恒温器166利用温度传感器168来传输外部空气温度。
图7示出了如在示例性实施例中所提供的热和能量回收系统的典型电气布线图。该图示出了在系统的逻辑板170和典型HVAC系统的火炉板和恒温器之间的连接。提供LCD滚动显示器171用于视觉描述系统的操作参数。通过LED灯指示热回收、故障排除和正常操作状况。也描述在传感器和开关（例如低压和高压开关）之间的各种连接。也描述了诱导风机和小型压缩机的连接和必要继电器。在系统的所有部件之间的连接使用逻辑板170布线以提供系统的集中控制和功能性。
图8和图9说明带有火炉2000的热和能量回收系统200的典型操作性实施例。如图所示，系统200可以适于装配在火炉单元上，位于该单元的壁上（图8）或者与火炉的空气进口串联（图9）。在图10中以一种实施例示出了剖视图，在这里系统200被构造成与火炉进口2300串联用于在空气被吸入火炉2000中时接收空气。
示例性实施例进一步指向从燃料燃烧回收热和能量的方法。该方法包括将由于燃料燃烧而放出的过量热和废物供给到隔热室中，该隔热室容纳与流体容纳管道回路联接的主热回收交换器（填充有流体）。通常，流体包括制冷剂。该方法进一步包括将空气供给到隔热室中以开始与废物的反应，其产生具有潜在能量的反应产物。此外，该方法包括通过反应产物和过量热与主热回收交换器相互作用实现热能交换。因此，主热回收交换器和流体容纳管道回路内的温度和反应压力上升。最后，该方法包括通过在热提取交换器上吹过的强制空气释放热能，该热提取交换器与在隔热室外部的流体容纳管道回路流体连通。
因为能够对示例性实施例的所描述的多个方面在细节上进行多种改进、修改和变化，所以意图是上述描述和附图中示出的所有内容被解释成是说明性的并且不是限制性含义。因此，应该由所附权利要求及其法律等价物确定示例性发明的范围。
现在已经描述了示例性实施例。