JP2004198022A

JP2004198022A - 中温排熱回収システム

Info

Publication number: JP2004198022A
Application number: JP2002366396A
Authority: JP
Inventors: Masasuke Nakajima; 雅祐中島; Shoichiro Baba; 尚一郎馬場; Takeshi Yajima; 健史矢嶌; Masato Oguma; 正人小熊; Masayoshi Hori; 政義堀
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2002-12-18
Publication date: 2004-07-15

Abstract

【課題】排熱源における排熱とエマルジョンとを直接熱交換し排熱をエマルジョンによって蓄熱槽に回収することにより、急激な熱負荷の変化に対応し、装置構成を簡略化し、高効率で均一温度の蓄熱を可能にする。
【解決手段】排熱源１からの中温の排熱を熱交換器４により流動性のエマルジョン６と熱交換してエマルジョン６を状態変化させ、この状態変化したエマルジョン６を蓄熱槽５に導いて排熱を蓄熱槽５に回収する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排熱回収を簡略な装置構成にて効率良く達成できるようにした中温排熱回収システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、比較的低温の排熱の回収は一般に水から温水を得ることによって行われている。即ち、比較的低温の排熱が発生する排熱源の機器の周りに熱交換器を設置し、熱交換器を介して直接水を加熱するか、又は媒体を介して間接的に水を加熱することにより温水を得ている。この温水の熱を蓄熱する方法としては、最も簡略な方法として温水をそのまま貯湯槽で貯湯する方法がある。また、他の蓄熱方法としては、温水或いは他の加熱した媒体を蓄熱槽内に装填したカプセル或いはエマルジョンからなる蓄熱材と熱交換し、熱交換したカプセル或いはエマルジョンにより蓄熱する方法がある。
【０００３】
前記温水をそのまま貯湯槽で貯湯する方法としては、燃焼室に連通したガス通路に排熱回収部を設け、該排熱回収部に連通する媒体の循環路に配置した熱交換器を蓄熱槽に設け、該蓄熱槽により水を加熱して温水を貯湯するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
蓄熱槽内にカプセルを装填して熱交換により蓄熱する方法としては、蓄熱材分散液の上層界面に小径の複数の中空ボールを敷き詰めて水分を透過しにくくし、蓄熱材分散液として水中油滴型エマルジョンや蓄熱材を内包したマイクロカプセルを用いたものがある（例えば、特許文献２参照）。
また、蓄熱槽内にエマルジョンを装填して熱交換により蓄熱する方法としては、蓄熱材を貯留し側壁が伝熱管から構成された蓄熱槽本体を設け、前記蓄熱材として、水と油と界面活性剤とを混合して粒子が水中に均一分散されたエマルジョンを用いたものがある（例えば、特許文献３参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平０６−１０９２５１号公報
【特許文献２】
特開２００２−２４１７４９号公報
【特許文献３】
特開平１１−１８３０７２号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１のように温水をそのまま貯水槽で貯湯する方法においては、貯湯槽にて多くの蓄熱量を確保しようとすると、蓄熱量に見合うだけの温水を貯留するために大容量の貯湯槽が必要となり、設備全体が大型化する問題がある。
【０００６】
特許文献２のように蓄熱槽内に装填したカプセルによって蓄熱する方法では、蓄熱槽内のカプセルと外部の熱流体とを熱交換する必要があることから、蓄熱、放熱を問わず急激な熱負荷の変化に対応ができない問題がある。また、熱交換のために蓄熱槽の内部に伝熱管を巡らせる必要があり蓄熱槽の構造が複雑且つ高価になる。更に、温水とカプセルとを熱交換して温水の熱を蓄熱する場合には、温水の顕熱（比熱）のみにて熱の取込みが行われることから大量の温水を蓄熱槽に循環させる必要があり運転費が増加すると共に蓄熱槽を大型にする必要がある。更に、蓄熱槽内に装填されたカプセルは熱交換時に温度のバラツキを生じ易くそのために蓄熱温度が不均一になり易い。また、特に一般に知られているカプセルは耐熱温度が低く、そのために１００℃前後の比較的高い温度の熱を取込む場合には、中間熱交換器を設置してカプセルに導く温度を低下させる必要があり、このために中間熱交換器の設置によって装置構成の複雑化と設備コストの上昇を招くばかりでなく、高温の熱を中間熱交換器で無駄に捨てることになる。
【０００７】
特許文献３のように排熱回収を温水で行い、その排熱を蓄熱槽内に装填したエマルジョンによって蓄熱する方法においては、熱交換のために蓄熱槽の内部に伝熱管を巡らせる必要があり蓄熱槽の構造が複雑且つ高価になる。温水の顕熱（比熱）のみにて熱の取込みが行われることから大量の温水を蓄熱槽に循環する必要があり運転費が増加すると共に蓄熱槽が大型化する問題がある。更に、蓄熱槽内のエマルジョンは熱交換時に温度のバラツキを生じ易くそのために蓄熱温度が不均一になり易い。
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑みてなしたもので、エマルジョンを、蓄熱槽より排熱源近傍の熱交換器又は冷却器に搬送・循環させ、排熱源における排熱をエマルジョンによって蓄熱槽に回収することにより、急激な熱負荷の変化に対応でき、装置構成が簡略化でき、高効率で均一温度の蓄熱が可能な中温排熱回収システムを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、排熱源からの中温の排熱を熱交換器により流動性のエマルジョンと熱交換してエマルジョンを状態変化させ、この状態変化したエマルジョンを蓄熱槽に導いて排熱を蓄熱槽に回収することを特徴とする中温排熱回収システム、に係るものである。
【００１０】
請求項２に係る発明は、中温の排熱は３０℃〜１５０℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の中温排熱回収システム、に係るものである。
【００１１】
請求項３に係る発明は、排熱源における７０℃以上の中温の排熱を回収する際はエマルジョンの流動経路を密閉構造とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の中温排熱回収システム、に係るものである。
【００１２】
本発明によれば、排熱源における３０℃〜１５０℃程度の中温の排熱とエマルジョンとを直接熱交換させてエマルジョンを状態変化させ、状態変化したエマルジョンを蓄熱槽に貯留することによって排熱を蓄熱槽に回収するようにしたので、蓄熱、放熱を問わず急激な熱負荷の変化に対応することができ、且つ蓄熱槽での熱交換を必要としないので装置構成が簡略になり、循環するエマルジョンの潜熱によって排熱回収、蓄熱を行うので高効率でしかも均一温度での蓄熱が可能になる。
【００１３】
また、中温上部範囲である７０℃〜１５０℃の排熱を回収して蓄熱する際には、蓄熱槽及び管路等のエマルジョンが流動する経路のすべてを密閉構造とすることにより、エマルジョンの水分の蒸発を抑制し、これによって中温上部範囲である７０℃〜１５０℃の排熱も効果的に回収して蓄熱することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は本発明に係る中温排熱回収システムの形態の一例を示したものである。図１において、符号１は種々の設備や装置に多数存在している排熱源である。図１では３つの排熱源１が示されており、各排熱源１からは温水、蒸気、排ガス等の排熱が連続的に或いは間欠的に排出されている。
【００１６】
本発明では種々の設備や装置に多数存在する排熱源１の排熱のうち、排熱の温度が１００℃前後、特に３０℃〜１５０℃程度の中温の排熱を排出している排熱源１を対象として排熱を回収し蓄熱するようにしたものである。因みに一般の設備や装置から大量に排出される排熱は殆どが３０℃〜１５０℃程度の温度であり、従ってこのような中温の排熱を有効に回収し利用することはエネルギーの有効活用の面から極めて重要である。
【００１７】
このような中温の排熱を回収して蓄熱するために、各排熱源１からの排熱はポンプ２を備えた排熱供給管３を介し排熱源１に対応して設けられた熱交換器４又は冷却器に導かれる。更に、蓄熱槽５にはエマルジョン６が装填してあり、このエマルジョン６はポンプ７により供給管８を介して前記熱交換器４の各伝熱管９に順次導かれて前記排熱と熱交換した後、戻り管１０により蓄熱槽５に戻されるようになっている。この蓄熱槽５は、外部に対する熱の放出を防止するための断熱材１１によって包囲されている。
【００１８】
エマルジョン６は、水と動植物性油脂または炭化水素よりなる石油系油等とを、界面活性剤を添加又は添加せずに混合することにより得られ、このエマルジョン６は流動性を有し、油の種類を変えることによって融解温度を適宜選定することができる。
【００１９】
従って、このように選定して蓄熱槽５に貯留されたエマルジョン６は、熱交換器４の伝熱管９において排熱と熱交換し加熱されて油が融解（状態変化）することにより排熱を回収し、この状態変化したエマルジョン６が蓄熱槽５に戻されて貯留されることにより蓄熱が行われるようになっている。
【００２０】
前記したような中温の排熱をエマルジョン６を介して回収する際、エマルジョン６の水分が蒸発する問題がある。このため、例えば３０℃〜７０℃程度の中温下部範囲の排熱と、７０℃〜１５０℃程度の中温上部範囲の排熱とを分けて排熱回収、蓄熱を行うようにしている。
【００２１】
中温下部範囲である３０℃〜７０℃の排熱を回収して蓄熱する際には、排熱源１の内、例えば温度差が５℃程度の範囲に含まれる排熱を熱交換器４に導くようにし、且つそのうちの最低温度の排熱によって融解する油が混合されたエマルジョン６を用いる。図１では、３つの排熱源１からの例えば５０℃と５２℃と５５℃の排熱を対応した熱交換器４に供給する場合を示しており、蓄熱槽５には最低温度である５０℃で融解する油が混合されたエマルジョン６が装填されている。また各排熱源１から各熱交換器４に供給されて熱交換した後の流体は排出管１２にて外部に排出されるようになっている。尚、図１では３つの排熱源１の排熱を回収する場合について示したが、１つ或いはそれ以上の任意数の排熱源１からの排熱を熱交換器４に導いて排熱回収するようにしてもよいことは勿論である。また、３０℃〜７０℃程度の中温下部範囲の排熱回収では、エマルジョン６の水分の蒸発は僅かであり、よって蓄熱槽５は開放された構造であってもよいが、熱放出を低減する面からはエマルジョン６の流動経路のすべてを密閉構造とすることは好ましい。
【００２２】
蓄熱槽５にはポンプ１３によって蓄熱槽５内のエマルジョン６を取出して空調等の利用系装置１４に導くための取出管１５が接続されており、取出管１５により取出されたエマルジョン６は利用系装置１４に設けられた伝熱管１６を介して利用系装置１４を加熱し、その後再び蓄熱槽５に戻されるようになっている。
【００２３】
また、図１では蓄熱槽５内のエマルジョン６を直接利用系装置１４に導く場合について例示したが、図２に示すように蓄熱槽５内に設けた伝熱管１７と利用系装置１４に設けた伝熱管１８との間をポンプ１９を備えた循環流路２０で接続し、媒体２１を循環させることによって蓄熱槽５に蓄熱された熱を利用系装置１４に間接的に取出すようにしてもよい。
【００２４】
以下に、上記形態の作用を説明する。
【００２５】
各排熱源１からの５０℃と５２℃と５５℃の排熱はポンプ２により排熱供給管３を介して対応した熱交換器４に供給され、その後排出管１２を介して外部に排出される。
【００２６】
この状態で、ポンプ７を駆動して蓄熱槽５内のエマルジョン６を供給管８を介し前記熱交換器４の各伝熱管９に順次導く。このとき、エマルジョン６は５０℃で融解する油を混合したものが選定されているので、各熱交換器４の５０℃と５２℃と５５℃の排熱との熱交換によって油が融解（状態変化）し、この状態変化によって排熱を回収する。このとき、一部の排熱源１からは排熱が排出されない場合もあるが、排出されている排熱源１からの排熱によって、しかもその排熱の全体熱量に応した分だけエマルジョン６の状態変化が行われる。
【００２７】
状態変化したエマルジョン６は、戻り管１０を経て蓄熱槽５に戻され、これによって蓄熱槽５に排熱が回収されて蓄熱される。このとき、前記したようにエマルジョン６は排熱源１からの排熱によって状態変化する潜熱によって排熱回収、蓄熱を行うので、高効率の排熱回収、蓄熱ができ、よって熱交換器４に循環するエマルジョン６の流量は水を用いて熱交換する場合に比して大幅に減少することができる。
【００２８】
状態変化して蓄熱槽５に貯蔵されたエマルジョン６は、ポンプ１３の駆動により取出管１５を介して利用系装置１４に任意に取出され、伝熱管１６を介して利用系装置１４を加熱することにより熱を放出し、熱を放出して油が凝固したエマルジョン６は蓄熱槽５に戻されて再び排熱の回収に供される。
【００２９】
上記したように、排熱源１における排熱とエマルジョン６とを直接熱交換させてエマルジョン６を状態変化させ、この状態変化したエマルジョン６を蓄熱槽５に貯留することによって排熱を蓄熱槽５に回収するようにしたので、蓄熱、放熱を問わず急激な熱負荷の変化に対応することができ、蓄熱槽５での熱交換を必要としないので装置構成を簡略化することができ、循環するエマルジョン６の潜熱によって排熱回収、蓄熱が行われるので高効率しかも均一温度の蓄熱が可能になる。
【００３０】
また、前記した中温上部範囲である７０℃〜１５０℃の排熱を回収して蓄熱する際には、７０℃〜１５０℃の排熱を排出する排熱源１の内、例えば温度差が５℃程度の範囲に含まれる排熱を熱交換器４に導くようにし、且つそのうちの最低温度で融解する油を混合したエマルジョン６を用いる。この場合も、１つ或いはそれ以上の任意数の排熱源１からの排熱を熱交換器４に導いて排熱回収するようにしてもよいことは勿論である。
【００３１】
更に、中温上部範囲である７０℃〜１５０℃の排熱を回収して蓄熱するには、前記蓄熱槽５及び管路等のエマルジョン６が流動する経路のすべてを密閉構造とする。７０℃〜１５０℃の排熱とエマルジョン６とが熱交換することによって、エマルジョン６の水分が蒸発し圧力が上昇するようになるが、経路が密閉されていることによって蒸発が抑制される。このとき必要ならば耐圧構造としてもよい。このように経路を密閉構造とすることによって中温上部範囲である７０℃〜１５０℃の排熱を効果的に回収して蓄熱することができる。
【００３２】
尚、本発明は上記形態例にのみ限定されるものではなく、エマルジョンとしては従来から知られている種々のものを用いることができること、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ること、等は勿論である。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば以下のような優れた効果を奏し得る。
【００３４】
排熱源における３０℃〜１５０℃程度の中温の排熱とエマルジョンとを直接熱交換させてエマルジョンを状態変化させ、状態変化したエマルジョンを蓄熱槽に貯留することによって排熱を蓄熱槽に回収するようにしたので、蓄熱、放熱を問わず急激な熱負荷の変化に対応することができ、且つ蓄熱槽での熱交換を必要としないので装置構成が簡略になり、循環するエマルジョンの潜熱によって排熱回収、蓄熱を行うので高効率でしかも均一温度での蓄熱が可能になる。
【００３５】
また、７０℃以上の中温の排熱を回収して蓄熱する際には、蓄熱槽及び管路等のエマルジョンが流動する経路のすべてを密閉構造とすることにより、エマルジョンの水分の蒸発を抑制し、これによって７０℃以上の中温の排熱も効果的に回収して蓄熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の中温排熱回収システムの形態の一例を示す構成ブロック図である。
【図２】本発明の中温排熱回収システムの形態の他の例を示す構成ブロック図である。
【符号の説明】
１排熱源
４熱交換器
５蓄熱槽
６エマルジョン

Claims

排熱源からの中温の排熱を熱交換器により流動性のエマルジョンと熱交換してエマルジョンを状態変化させ、この状態変化したエマルジョンを蓄熱槽に導いて排熱を蓄熱槽に回収することを特徴とする中温排熱回収システム。
中温の排熱は３０℃〜１５０℃の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の中温排熱回収システム。
排熱源における７０℃以上の中温の排熱を回収する際はエマルジョンの流動経路を密閉構造とすることを特徴とする請求項１又は２に記載の中温排熱回収システム。