JP2011117670A

JP2011117670A - 産業用加熱システム

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Publication number: JP2011117670A
Application number: JP2009275639A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Umezawa; 修一梅沢
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2009-12-03
Filing date: 2009-12-03
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2029-12-03
Also published as: JP5556153B2

Abstract

【課題】エネルギー効率の高い産業用加熱システムを提供する。
【解決手段】産業用加熱システムは、第１流体が流れるヒートポンプ装置（１２）と、第１流体からの熱が第２流体に伝わる熱交換装置（１４）と、第２流体からの熱が対象物に伝わる加熱室（１６）と、加熱室（１６）からの排出流体の少なくとも１部が加熱室（１６）に流れる第１ルート（６５）と、加熱室（１６）からの排出流体の残りの少なくとも１部が流れる第２ルート（６７）と、第２ルート（６７）を流れる排出流体から熱を回収し、回収した熱をヒートポンプ装置（１２）に供給する熱回収装置（１７）と、第１ルート（６５）及び第２ルート（６７）に対する、加熱室（１６）からの排出流体の割り当てを制御する制御装置（７０）と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業用加熱システムに関する。

産業用加熱システムとしては、ボイラで生成した蒸気の熱を対象物に伝える構成が一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ヒートポンプあるいは冷凍機の媒体の熱を対象物に伝える構成が知られている。

特開平６−２４９４５０号公報

本発明は、エネルギー効率の高い産業用加熱システムを提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、第１流体が流れるヒートポンプ装置と、前記第１流体からの熱が第２流体に伝わる熱交換装置と、前記第２流体からの熱が対象物に伝わる加熱室と、前記加熱室からの排出流体の少なくとも１部が前記加熱室に流れる第１ルートと、前記加熱室からの排出流体の残りの少なくとも１部が流れる第２ルートと、前記第２ルートを流れる排出流体から熱を回収し、回収した熱を前記ヒートポンプ装置に供給する熱回収装置と、前記第１ルート及び前記第２ルートに対する、前記加熱室からの排出流体の割り当てを制御する制御装置と、を備える産業用加熱システムが提供される。

本発明の態様によれば、加熱室からの排出流体の割り当てを制御することにより、ヒートポンプを使用して動力コストの低減を図りつつ、様々な加熱条件に柔軟に対応できる。

一実施形態を示す概略図である。循環モードを示す模式図である。非循環モードを示す模式図である。部分循環モードを示す模式図である。循環モードの解析結果を示すグラフ図である。非循環モードの解析結果を示すグラフ図である。部分循環モードの解析結果を示すグラフ図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、加熱システムＳ１を示す概略図である。

図１に示すように、加熱システムＳ１は、作動流体（第１流体）が流れるヒートポンプ（ヒートポンプ回路）２０を有するヒートポンプ装置１２と、熱交換装置１４と、対象物が加熱される加熱室（加熱装置）１６と、排熱回収装置（熱回収装置）１７と、制御装置７０とを備える。制御装置７０は、システム全体を統括的に制御する。加熱システムＳ１の構成は設計要求に応じて様々に変更可能である。

本実施形態において、被加熱流体（第２流体）は空気であり、加熱室１６には高温の空気が供給される。本実施形態において、ヒートポンプ装置１２の作動流体からの熱が空気を介して加熱室１６内の対象物に伝わる。熱交換装置１４において、ヒートポンプ装置１２の作動流体（第１流体）からの熱が空気（第２流体）に伝わる。熱交換装置１４からの加熱された空気が加熱室１６に供給される。加熱室１６において、空気からの熱が対象物に伝わる。

本実施形態において、加熱室１６において、加熱された空気からの熱が直接的又は間接的に対象物に伝わる。例えば、加熱室１６において、加熱された空気が対象物に直接的に接することができる。あるいは、加熱室１６において、加熱された空気と対象物との間に別の物質が介在することができる。

本実施形態において、加熱対象物は産業部品や産業材料である。例えば、加熱室１６において、産業部品又は産業材料の少なくとも一部が乾燥処理される。あるいは、加熱室１６において、産業部品又は産業材料の少なくとも一部が熱処理される。なお、汚泥、紙、木材、樹脂、薬剤、薬品、砂、家庭ごみ、産業ごみ、工芸品、工芸材料、電気部品、電気機器、塗装物、産業用衣類、機械部品、機械製品、食料、食材、食料品など、様々な物体を加熱対象にできる。他の実施形態において、被加熱流体は乾燥用以外の空気、あるいは空気以外の流体にできる。空気以外の被加熱流体としては、例えば、水、圧縮水、薬品、粘性液などが挙げられる。また、他の実施形態において、加熱室１６は、乾燥装置、及び／又は乾燥装置以外の他の熱利用装置を含むことができる。

ヒートポンプ装置１２において、ヒートポンプ２０は、蒸発、圧縮、凝縮、及び膨張の各工程からなるサイクルにより、作動流体の状態変化を利用して複数の物体間で熱の授受を行う回路である。ヒートポンプサイクルは一般に、エネルギー効率が比較的高いという利点を有する。

本実施形態において、ヒートポンプ２０は、吸熱部２１、圧縮部２２、放熱部２３、及び膨張部２４を有し、これらは導管を介して接続されている。ヒートポンプ２０において、導管内を作動流体が流れる。本実施形態において、ヒートポンプ２０は、作動流体の熱を用いて空気供給路１４０を流れる被加熱流体（第２流体、空気など）を加熱することができる。

吸熱部２１では、導管（主経路２５）内を流れる作動流体がサイクル外の熱源の熱を吸収する。本実施形態において、ヒートポンプ２０の吸熱部２１は、加熱室１６からの排出流体（排ガス、排出空気）の熱（排熱）を吸収（回収）することができる。本実施形態において、ヒートポンプ２０の吸熱部２１は、排熱回収装置１７の放熱部１６０に熱的に接続され、その内部で作動流体が蒸発する蒸発器を含む。排熱回収装置１７の放熱部１６０は、外部装置９０の放熱部を含むことができる。熱源として、外部装置９０の排熱を利用することが可能である。吸熱部２１が大気など他の熱源の熱を吸収する構成とすることもできる。放熱部１６０を流れる媒体の熱がヒートポンプ２０の吸熱部２１に吸収される。後述するように、本実施形態において、ヒートポンプ２０の吸熱部２１は、加熱室１６から排出された流体（排ガス）からの熱を吸収可能である。

圧縮部２２は、圧縮機等によって作動流体を圧縮する。この際、通常、作動流体の温度が上がる。圧縮部２２は、単段圧縮構造、又は作動流体を複数段に圧縮する多段圧縮構造を有することができる。圧縮の段数は、システムＳ１の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。圧縮部２２は、軸流圧縮機、遠心圧縮機、レシプロ式圧縮機、ロータリー式圧縮機などの様々な圧縮機のうち、作動流体の圧縮に適するものが適用される。圧縮機には動力が供給される。多段圧縮構造を有する圧縮部２２において、多軸圧縮構造又は同軸圧縮構造が適用可能である。

放熱部２３は、圧縮部で圧縮された作動流体が流れる導管を有し、導管（主経路２５）内を流れる作動流体の熱をサイクル外の熱源（被加熱流体）に与える。放熱部の数は、システムＳ１の仕様に応じて設定され、１、２、３、４、５、６、７、８、９、あるいは１０以上である。追加的に、ヒートポンプ２０は、バイパス経路、流量センサ、流路制御弁などを有することができる。

膨張部２４は、減圧弁またはタービン等によって作動流体を膨張させる。この際、通常、作動流体の温度が下がる。タービンを使用した場合には膨張部２４から動力を取り出すことができ、その動力を例えば圧縮部２２に供給してもよい。ヒートポンプ２０に使用される作動流体として、フロン系媒体（HFC 245fa、R134aなど）、アンモニア、水、二酸化炭素、空気などの公知の様々な熱媒体が、システムＳ１の仕様及び熱バランスなどに応じて用いられる。ヒートポンプ２０の放熱部２３を流れる作動流体の少なくとも一部が超臨界状態になってもよい。

熱交換装置１４は、外部から取り入れた空気が、加熱室１６に向けて流れる空気供給路１４０と、ポンプやブロアなどの不図示の流体駆動部と、必要に応じてバルブなどの流量制御部（不図示）と、必要に応じてフィルタなどのガス処理装置（不図示）とを有する。追加的に、熱交換装置１４は、ボイラや電気ヒータなどを含む予備加熱装置を必要に応じて有することができる。

熱交換装置１４は、空気供給路１４０の導管の一部（加熱部７１）と、ヒートポンプ２０の主経路２５の導管の一部（放熱部２３）とが熱的に接続された構造を有する。熱交換装置１４は、低温の流体（空気供給路１４０内の空気）と高温の流体（ヒートポンプ２０内の作動流体）とが対向して流れる向流型の熱交換方式を有することができる。あるいは、熱交換装置１４は、低温の流体と高温の流体とが並行して流れる並行流型の熱交換方式を有することができる。熱交換装置１４の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。例えば、両導管が互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、一方の導管を、他方の導管の周りや内部に配設することができる。

本実施形態において、熱交換装置１４からの被加熱流体の出力温度は、熱需要に応じて変化できる。出力温度は、例えば、５０、６０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、又は２００℃以上にできる。

本実施形態において、加熱室１６は、流体入口部６１、流体出口部６３、循環ルート６５、排気ルート６７、及び必要に応じて不図示の移送装置を有する。一例において、移送装置は、コンベア、搬送車、搬送ロボットなどの様々な形態を有することができる。移送装置によって、加熱対象物が加熱室１６内に投入されるとともに、加熱室１６から取り出される。代替的又は追加的に、加熱室１６は、加熱後の対象物の出力のために、ゲート式、旋回式などの形態を有する出力部を備えることができる。加熱した対象物の出力部は、必要に応じて加熱した対象物に化学処理などの所定の処理を行う機構を有することができる。

本実施形態において、必要に応じて、移送装置は、加熱室１６内で、加熱対象物を移動させることができる。加熱室１６は、必要に応じて、不図示の脱水装置をさらに有し、それによって対象物を脱水することができる。脱水の際、対象物に必要に応じて凝集剤を添加することができる。脱水は、遠心式、加圧式、圧搾式、振動式など、対象物に応じて様々な形態が適用可能である。脱水により、対象物の容量が減少する。また、加熱室１６は、必要に応じて、加熱室１６に入る前の対象物に熱を与える予熱室をさらに有することができる。

本実施形態において、循環ルート６５は、加熱室１６の流体出口部６３と流体入口部６１とに流体的につながる導管を含む。また、排気ルート６７は、加熱室１６の流体出口部６３と外部空間とに流体的につながる導管を含む。具体的には、加熱室１６の流体出口部６３において、制御弁６９が配置される。循環ルート６５の導管の一端、及び排気ルート６７の導管の一端が制御弁６９に流体的に接続される。制御弁６９の駆動は、制御装置７０によって制御される。制御弁６９は、加熱室１６から循環ルート６５に入る排ガスの割り当てを制御することができ、また、加熱室１６から排気ルート６７に入る排ガスの割り当てを制御することができる。

本実施形態において、被加熱流体としての高温空気の温度を温度センサ７２が計測する。温度センサ７２の計測結果に基づいて、制御弁６９が制御される。温度センサ７２は、加熱室１６の流体入口部、内部、流体出口部、循環ルート６５の内部、及び／又は排気ルート６７の内部の温度を計測することができる。すなわち、温度センサ７２は、加熱室１６の流体入口部、内部、流体出口部、循環ルート６５の内部、及び／又は排気ルート６７の内部に配置することができる。温度センサ７２を、加熱室１６内の複数箇所に配置することができる。複数の温度センサ７２の計測結果に基づく加熱室１６内の温度プロファイルに基づいて、制御弁６９を制御することできる。

代替的又は追加的に、循環ルート６５は、その内部を流れる空気の時間当たりの流量を測定する不図示の流量センサを含むことができる。また、排気ルート６７は、その内部を流れる空気の時間当たりの流量を測定する不図示の流量センサを含むことができる。本例において、制御装置７０は、温度センサ７２の計測結果と、流量センサの測定結果とに基づいて、制御弁６９を制御することができる。

循環ルート６５及び排気ルート６７は、ポンプやブロアなどの不図示の流体駆動部、バルブなどの流量制御部（不図示）、及び／又はフィルタなどのガス処理装置を、必要に応じて有することができる。本実施形態において、循環ルート６５を流れる排ガスは、加熱室１６の流体入口部６１を介して加熱室１６に戻る。また、排気ルート６７を流れる排ガスは、排熱回収装置１７を介して外部に排出される。

本実施形態において、排気ルート６７は、排熱回収装置１７に熱的に接続される放熱管７４を含む。加熱室１６からの排ガスの少なくとも一部は、排気ルート６７の放熱管７４を流れる。放熱管７４は、排熱回収装置１７の放熱部１６０に流体的に接続された吸熱導管９３に熱的に接続される。

本実施形態において、放熱管７４と吸熱導管９３とを含んで熱交換器１６３が構成される。熱交換器１６３は、低温の流体（吸熱導管９３内の作動流体）と高温の流体（放熱管７４内の熱媒体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、熱交換器１６３は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有してもよい。本実施形態において、熱交換器１６３の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。放熱管７４と吸熱導管９３とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、放熱管７４を、吸熱導管９３の外周面や内部に配設することができる。加熱室１６からの流体（排ガス、空気）の熱が吸熱導管９３を流れる媒体（冷媒など）に吸収される。その媒体が放熱部１６０を流れ、その熱がヒートポンプ２０の吸熱部２１に吸収される。こうした排熱利用により、運転コストの削減が図られる。排熱回収装置１７は、熱媒体が流れる導管、ポンプなどの媒体駆動機器、及び媒体制御用の弁（不図示）などを有することができる。なお、配管構成は図１の構成に限定されず、様々に変更可能である。

本実施形態において、加熱室１６に対して、ヒートポンプ２０からの熱が供給されるのに対して、外部装置９０にはヒートポンプ２０からの熱は実質的に供給されない。また、加熱室１６は、ヒートポンプ２０の稼動に伴って稼動される。一方、外部装置９０は、ヒートポンプ２０の稼動状態とは実質的無関係に、独立的に稼動される。

追加的に、排熱回収装置１７は、加熱室１６の排熱、及び外部装置９０からの熱の少なくとも一方を一時的に蓄える蓄熱部を有することができる。蓄熱部の使用により、外部装置９０を任意の時間帯に稼動できる。外部装置９０からの熱（排熱）を使用した蓄熱を、電力料金の比較的安い時間帯に行うことにより、電力コストの低減が図られる。また、ヒートポンプ２０の運転終了時において、加熱室１６からの排熱を使用して蓄熱を行うこともできる。余剰排熱を蓄えることにより、排熱利用効率の向上が図られる。

なお、蓄熱媒体（蓄熱材）として、水の他に、例えば、潜熱蓄熱材が挙げられる。潜熱蓄熱材としては、例えば、エリスリトール、アルカン類等の炭化水素、ワックス系（パラフィンワックス、マイクロクリスタリンワックス等）、酢酸ナトリウム、酢酸ナトリウム三水塩、又は無機水和塩等を主成分とする材料等が挙げられる。蓄熱材して、顕熱蓄熱材、化学反応蓄熱材、超臨界流体を用いた蓄熱材等の他の物質を用いてもよい。

放熱部１６０は、ヒートポンプ２０の吸熱部２１に熱的に接続された導管を含む。吸熱部２１と放熱部１６０とを含んで熱交換器１６５が構成される。熱交換器１６５は、低温の流体（ヒートポンプ２０の吸熱部２１内の作動流体）と高温の流体（排熱回収装置１７の放熱部１６０内の熱媒体）とが対向して流れる向流型の熱交換構造を有することができる。あるいは、熱交換器１６５は、高温流体と低温流体とが並行して流れる並行流型の熱交換構造を有してもよい。本実施形態において、熱交換器１６５の熱交換構造として、公知の様々なものを採用することができる。放熱部１６０の導管と吸熱部２１の導管とは互いに接触あるいは隣接して配置される。例えば、放熱部１６０の導管を、吸熱部２１の導管の外周面や内部に配設することができる。熱交換器１６５において、排熱回収装置１７の放熱部１６０からの伝達熱をヒートポンプ２０の吸熱部２１が吸収する。

本実施形態において、制御装置７０は、循環ルート６５及び排気ルート６７に対する、加熱室１６からの排ガスの割り当てを制御することができる。割り当てにかかる制御は、例えば、制御弁６９の制御（開閉制御、流量制御、又は流れ方向制御など）、及び流体駆動機器の運転制御を含む。複数の弁の制御の組み合わせにより、割り当て制御を行うこともできる。こうした制御を用いることにより、制御装置７０は、少なくとも（１）循環モード、及び（２）非循環モードを含むことができる。

＜循環モード＞
循環モードにおいて、図２Ａに示すように、加熱室１６からの排ガスの大部分が循環ルート６５に割り当てられる。循環ルート６５を介して、加熱室１６から排出された空気が加熱室１６に戻される。加熱室１６に入る空気の量は、熱交換装置１４を介してシステムＳ１内に新たに導入される空気の量（新規導入量、新規取り込み量）と循環量との合計量にできる。これは、非循環モードに比べて風量（空気供給量）の増大に有利である。大風量の空気は、例えば、昇温後の熱処理に好ましく使用できる。

本実施形態において、循環ルート６５を流れる空気（排ガス）は、熱交換装置１４を経ずに加熱室１６に入る。循環ルート６５を流れる空気の温度に比べて外部から取り込む空気の入力温度の変動は小さい。そのため、熱交換装置１４の加熱部７１において、比較的大きい入出力温度差（被加熱流体の入出力温度差）が維持される。これは、ヒートポンプ２０におけるエネルギー効率としての成績係数（ＣＯＰ：coefficient of performance）の向上に有利である。他の実施形態において、循環ルート６５を流れた空気（排ガス）が熱交換装置１４を経て加熱室１６に入る構成にできる。

本実施形態において、循環モードでは、新規導入量に相当する量の排ガスが排気ルート６７に割り当てられる。すなわち、循環モードにおいて、循環される排ガス以外の、加熱室１６からの残りの排ガスの時間当たりの流量は、熱交換装置１４を介して加熱室１６に供給される空気の時間当たりの流量（新規導入空気量）と実質的に同じである。

通常、循環モードにおける加熱室１６の排熱量は、非循環モードに比べて少ない。循環モードにおいて、ヒートポンプ２０の熱源として、主として外部装置９０からの熱を利用することができる。

＜非循環モード＞
非循環モードにおいて、図２Ｂに示すように、加熱室１６からの実質的にすべての排ガスが排気ルート６７に割り当てられる。排気ルート６７を介して、加熱室１６から排出された空気が外部に排出される。熱交換器１６３において、排気ルート６７を流れる空気の熱が、排熱回収装置１７の熱媒体に伝達される。排熱回収装置１７は、排気ルート６７を流れる排ガスから熱を回収し、回収した熱をヒートポンプ装置１２に供給することができる。

本実施形態において、非循環モードでは、熱交換装置１４の加熱部７１を経た高温空気のみが加熱室１６に入る。そのため、循環モードに比べて加熱室１６に供給される空気の高温維持に有利である。入力空気の高温維持は、例えば、加熱室１６の昇温に好ましく使用できる。また、熱交換装置１４の加熱部７１において、比較的大きい入出力温度差（被加熱流体の入出力温度差）が維持される。

このように、本実施形態によれば、循環モード及び非循環モードの双方において、ヒートポンプ２０に対する被加熱流体の入出力温度差の確保により、ヒートポンプ２０のエネルギー効率を高く維持できる。また、モードの切り換えにより、空気供給量及び／又は空気温度を変更でき、加熱室１６における処理状況に応じて適切な加熱処理を実行することができる。

モードの切り換えは、例えば、所定箇所における加熱用空気の温度の計測結果、及び／又は流量の測定結果に基づいて実行できる。本実施形態において、システムＳ１は、ヒートポンプ２０を使用して動力コストの低減を図りつつ、様々な加熱条件に柔軟に対応できる。代替的又は追加的に、他の実施形態において、加熱時間経過に基づいてモードの切り換えを実行できる。

ここで、昇温工程と実質的均熱工程とを有する加熱処理の例について説明する。本例では、加熱室１６内を所定の温度に昇温する（昇温工程）とともに、所定時間、その温度状態（温度レベル）を維持する（実質的均熱工程）。

本例において、昇温工程において主に非循環モードを選択でき、実質的均熱工程において主に循環モードを選択できる。昇温工程では、主に非循環モードの採用により、昇温時間の短縮化が好ましく図られる。実質的均熱工程では、主に循環モードの採用により、加熱室１６内の温度の均一化が好ましく図られる。

なお、本実施形態において、熱源の熱量が、目標熱量未満となる可能性がある場合、さらに別の熱源を予備的に使用してもよい。この別の熱源としては、例えば、別の熱装置、ボイラ、電気ヒータなどが挙げられる。

追加的に、本実施形態において、制御装置７０は、（３）部分循環モードを含むことができる。

＜部分循環モード＞
部分循環モードにおいて、図３に示すように、加熱室１６からの排ガス（空気）の一部が循環ルート６５に割り当てられ、かつ加熱室１６からの排ガス（空気）の別の一部が排気ルート６７に割り当てられる。本実施形態において、加熱室１６からの排ガス（空気）の一部が循環ルート６５に割り当てられ、加熱室１６からの残りの排ガス（空気）が排気ルート６７に割り当てられる。

循環ルート６５を介して、加熱室１６から排出された空気の一部が加熱室１６に戻される。加熱室１６に入る空気の量は、熱交換装置１４を介してシステムＳ１内に新たに導入される空気の量（新規導入量、新規取り込み量）と循環量との合計量であり、かつその比率は循環モードに比べて小さい。

また、加熱室１６から排出された空気の一部が外部に排出され、かつその排出量の比率は非循環モードに比べて小さく、循環モードに比べて大きい。熱交換器１６３において、熱交換器１６３において、排気ルート６７を流れる空気の熱が、排熱回収装置１７の熱媒体に伝達される。排熱回収装置１７は、排気ルート６７を流れる排ガスから熱を回収し、回収した熱をヒートポンプ装置１２に供給することができる。

部分循環モードにおいて、新規空気導入量が同じとすると、加熱室１６に対する空気供給量は、循環モードに比べて少なく、非循環モードに比べて多くできる。また、部分循環モードにおいて、加熱室１６の空気入力温度は、循環モードに比べて高く、非循環モードに比べて低くできる。

昇温工程と実質的均熱工程とを有する加熱処理の例において、昇温工程において主に非循環モード又は部分循環モードを選択でき、実質的均熱工程において主に循環モードを選択できる。昇温工程では、主に非循環モード又は部分循環モードの採用により、昇温時間の短縮化が好ましく図られる。実質的均熱工程では、主に循環モードの採用により、加熱室１６内の温度の均一化が好ましく図られる。また、部分循環モードでは、循環モードに比べて加熱室１６内の温度の均一化が好ましく図られる。

循環モード、部分循環モード、及び非循環モードの間のモードの切り換えも、例えば、所定箇所における加熱用空気の温度の計測結果、及び／又は流量の測定結果に基づいて実行できる。また、モードの切り換えにより、空気供給量及び／又は空気温度を変更でき、加熱室１６における処理状況に応じて適切な加熱処理を実行することができる。部分循環モードの採用により、システムＳ１は、さらに様々な加熱条件に柔軟に対応できる。

なお、部分循環モードにおいても、被加熱流体の入出力温度差が確保され、ヒートポンプ２０のエネルギー効率を高く維持できる。

次に、循環モード、非循環モード、及び部分循環モードのそれぞれについて加熱室１６の温度変化について解析した結果を示す。

被加熱材：鉄鋼材料、被加熱材初期温度：２０℃、空気温度（新規導入空気温度）：１２０℃、とした。また、循環モード：排ガスの１／２を循環、１／２を排気、非循環モード：排ガスのすべてを排気、部分循環モード：排ガスの１／３を循環、２／３を排気、とした。被加熱材料は円管とし、管内を加熱（乾燥）用空気が流れ、被加熱材料と熱交換するという仮定を置いた。

解析に関わる熱伝達に関し、以下の計算を行った。

熱交換量Ｗは式（１）から計算することができる。

熱貫流率ＫＡｏは式（２）又は式（３）（管内のみ（今回））から計算することができる。

次に、管内対流熱伝達率に関してはＤｉｔｔｕｓ−Ｂｏｅｌｔｅｒの方程式（４）を基に、管内加工等により熱伝達率が向上するものと仮定し、ヌッセルト数Ｎｕを式（５）のように置いた。ただし、今回の条件で式（５）が成立するかは実験的に確認される必要があると考える。

管内対流熱伝達率αｉはヌッセルト数の定義式である式（６）に式（５）を代入し計算できる。

次に管内摩擦係数ξは式（７）のブラジウスの式から計算することができる。

そして、単位長さ当たりの管内圧力損失ΔＰは式（８）のように計算することができる。

ここで、伝熱管におけるある単位長さ部分における圧力をＰｎとすると、次の単位長さ部分における圧力Ｐｎ＋１は式（９）のように計算することができる。

また、伝熱管におけるある単位長さ部分におけるエンタルピｈｎは式（１０）のように物性計算式から計算できる。

そして、次の単位長さ部分におけるエンタルピｈｎ＋１は式（１１）のように計算することができる。

そして、次の単位長さ部分における温度Ｔｎ＋１は式（１２）のように物性計算式から計算することができる。

次に鉄鋼部の温度上昇は式（１３）のように計算することができる。

図４は循環モードの解析結果を示し、図５は非循環モードの解析結果を示し、図６は部分循環モードの解析結果を示す。昇温速度は、非循環モードが最も高く、循環モードが最も低く、部分循環モードが中間であることが確認された。また、温度均一性は、循環モードが最も高く、非循環モードが最も低く、部分循環モードが中間であることが確認された。

なお、システムＳ１におけるＣＯ２の削減効果について試算した。この試算結果によれば、ボイラを用いたシステムに比べて、システムＳ１では、一次エネルギーの１／３を削減可能であり、ＣＯ２排出量の約１／２を削減可能であった。ヒートポンプ２０のＣＯＰを３、ボイラ効率を８０％とした。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されることはない。上記説明において使用した数値は一例であって、本発明はこれに限定されない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。

Ｓ１：加熱システム、１２：ヒートポンプ装置、１４：熱交換装置、１６：加熱室、１７：排熱回収装置、２０：ヒートポンプ、６５：循環ルート、６７：排気ルート、６９：制御弁、７０：制御装置、７１：加熱部、７２：温度センサ、７４：放熱管、９０：外部装置。

Claims

第１流体が流れるヒートポンプ装置と、
前記第１流体からの熱が第２流体に伝わる熱交換装置と、
前記第２流体からの熱が対象物に伝わる加熱室と、
前記加熱室からの排出流体の少なくとも１部が前記加熱室に流れる第１ルートと、
前記加熱室からの排出流体の残りの少なくとも１部が流れる第２ルートと、
前記第２ルートを流れる排出流体から熱を回収し、回収した熱を前記ヒートポンプ装置に供給する熱回収装置と、
前記第１ルート及び前記第２ルートに対する、前記加熱室からの排出流体の割り当てを制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする産業用加熱システム。
前記制御装置は、所定箇所における前記第２流体の温度に応じて前記割り当てを制御する、ことを特徴とする請求項１に記載の産業用加熱システム。
前記制御装置は、前記加熱室からの排出流体の大部分を前記第１ルートに割り当てる循環モードと、前記加熱室からの実質的にすべての排出流体を前記第２ルートに割り当てる非循環モードと、を含む、ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の産業用加熱システム。
前記制御装置は、前記加熱室からの排出流体の一部を前記第１ルートに割り当てかつ前記加熱室からの排出流体の別の一部を前記第２ルートに割り当てる部分循環モードをさらに含む、ことを特徴とする請求項３に記載の産業用加熱システム。
前記制御装置は、昇温工程において主に前記非循環モードを選択し、実質的均熱工程において主に前記循環モードを選択する、ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の産業用加熱システム。
前記制御装置は、昇温工程において主に前記非循環モード又は前記部分循環モードを選択し、実質的均熱工程において主に前記循環モードを選択する、ことを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の産業用加熱システム。
前記循環モードにおいて、前記加熱室からの残りの排出流体の時間当たりの流量は、前記熱交換装置を介して前記加熱室に供給される前記第２流体の時間当たりの流量と実質的に同じである、ことを特徴とする請求項３から請求項６のいずれかに記載の産業用乾燥システム。