JP2012220165A - 熱回収利用システム及び熱回収利用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却源として冷凍機等の新規エネルギーを投入することなく、大気の環境温度等の自然エネルギーを利用して、効率的に廃熱を利用することができる熱回収利用システムを提供すること。
【解決手段】反応媒体との化学反応による放熱と、加熱による反応媒体の脱離とを可逆的に行う化学蓄熱材と、前記化学蓄熱材と熱の授受を行う第一の熱交換器と、を有する第一の反応器と、反応媒体との吸着による放熱と、加熱による反応媒体の脱離とを可逆的に行う吸着剤と、前記吸着剤と熱の授受を行う第二の熱交換器と、を有する第二の反応器と、反応媒体を液化する凝縮用熱交換器を有する凝縮器と、液化された反応媒体を気化する蒸発用熱交換器を有する蒸発器と、を有し、前記第一の反応器と前記第二の反応器、前記第二の反応器と前記凝縮器、前記第一の反応器と前記蒸発器は、それぞれ開閉機構を介して接続されている、熱回収利用システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱回収利用システム及び熱回収利用方法に関する。

近年、蓄熱装置やケミカルヒートポンプを始めとする、廃熱を回収して利用するための熱回収利用システムが検討されている。

一般的に、熱回収利用システムは、気体と可逆的に反応する化学蓄熱材が充填されている反応器と、化学蓄熱材と反応する気体を蒸発させる蒸発器と、化学蓄熱材と反応する気体を凝縮させる凝縮器とが、開閉機構を介して接続される。この時、反応媒体が蒸発器内で蒸発して反応気体となり、蒸発器と反応器の圧力差により反応器に移送され、化学蓄熱材が反応気体と反応して放熱する（放熱過程）。また、別の過程において、化学蓄熱材は加熱されて反応気体を放出する（蓄熱過程）。蓄熱過程において、放出された反応気体は、反応器と凝縮器の圧力差により凝縮器に移送され、凝縮器内で冷却され凝縮して反応液体となる。この放熱過程及び蓄熱過程を繰り返し行うことにより、例えば、低温で蓄熱した熱を昇温して高温出力で利用したり、高温で蓄熱した熱を増熱利用したりすることができる。

しかしながら、熱回収システムは、その動作温度域が、化学蓄熱材に依存し、それぞれの材料毎に蓄熱できる温度下限が存在する。例えば、化学蓄熱材として硫酸カルシウムを、反応媒体として水を用いて、水の凝縮のための冷却源として２５度の大気熱を利用する場合を挙げる。この場合、理論的には１１２℃を超える蓄熱温度が必要となる。

そこで、特許文献１には、化学蓄熱材料に添加材料を添加して、蓄熱温度を下げるための手法が開示されている。

しかしながら、特許文献１に記載された構成においては、蓄熱温度の低下に伴い、放熱過程における放熱温度も下がる。そのため、放熱温度を下げずに蓄熱温度を下げる場合、水の凝縮のための冷凍機等の冷却源を別に準備する必要があり、廃熱の再生利用効率を大きく下がるという問題点を有していた。

そこで、本発明では、冷却源として冷凍機等の新規エネルギーを投入することなく、大気の環境温度等の自然エネルギーを利用して、効率的に廃熱を利用することができる熱回収利用システムを提供することを目的とする。

本発明によると、
反応媒体との化学反応による放熱と、加熱による反応媒体の脱離とを可逆的に行う化学蓄熱材と、前記化学蓄熱材と熱の授受を行う第一の熱交換器と、を有する第一の反応器と、
反応媒体との吸着による放熱と、加熱による反応媒体の脱離とを可逆的に行う吸着剤と、前記吸着剤と熱の授受を行う第二の熱交換器と、を有する第二の反応器と、
反応媒体を液化する凝縮用熱交換器を有する凝縮器と、
液化された反応媒体を気化する蒸発用熱交換器を有する蒸発器と、
を有し、前記第一の反応器と前記第二の反応器、前記第二の反応器と前記凝縮器、前記第一の反応器と前記蒸発器は、それぞれ開閉機構を介して接続されている、熱回収利用システムが提供される。

本発明によれば、冷却源として冷凍機等の新規エネルギーを投入することなく、大気の環境温度等の自然エネルギーを利用して、効率的に廃熱を利用することができる熱回収利用システムが提供できる。

図１は、本発明に係る熱回収利用システムの構成の一例を示す概略図である。 図２は、図１の熱回収利用システムの蓄熱モードにおける接続形態例を示す概略図である。 図３は、図１の熱回収利用システムの放熱モードにおける接続形態例を示す概略図である。 図４は、化学蓄熱材の蓄・放熱の原理を説明する図であって、平衡時の反応媒体Ｂ（ｇ）の蒸気圧を示す圧力（Ｐ）−温度（Ｔ）線図である。 図５は、吸着剤と反応気体の吸脱着を説明するための、吸脱着等温線の模式図である。 図６は、本発明に係る冷却源の構成を例示する概略図である。 図７は、本発明に係る熱回収利用システムの構成の他の例を示す概略図である。 図８は、図７の熱回収利用システムの蓄熱モードにおける接続形態例を示す概略図である。 図９は、図７の熱回収利用システムの放熱モードにおける接続形態例を示す概略図である。 図１０は、本発明に係る熱回収システムを乾燥装置に適用する方法を説明するための、乾燥装置の構成例の概略図である。 図１１は、従来の熱回収利用システムの構成を説明するための概略図である。 図１２は、図１１の熱回収利用システムの蓄熱モードにおける接続形態例を示す概略図である。 図１３は、図１１の熱回収利用システムの放熱モードにおける接続形態例を示す概略図である。

本発明を実施するための形態を図面と共に説明する。

［第一の実施形態］
［熱回収利用システム１００ａの構成］
図１に、本発明の熱回収利用システムの構成の一例を示す概略図を示す。図１における熱回収システム１００は、第一の反応器１、第二の反応器２、蒸発器６、凝縮器５を有する。

第一の反応器１は、化学蓄熱材１０及び化学蓄熱材１０と熱の授受を行う第一の熱交換器２０を有する。化学蓄熱材１０は、反応媒体１２（反応気体１２ａ）の脱離と、反応媒体１２との反応とを、可逆的に行う。化学蓄熱材１０を加熱した場合、化学蓄熱材１０は、反応媒体を脱離する（即ち、蓄熱する）。一方、化学蓄熱材１０が反応媒体１２と反応する場合は、化学蓄熱材は放熱する（即ち、熱を出力する）。

第二の反応器２は、吸着剤１１及び吸着剤１１と熱の授受を行う第二の熱交換器２１を有する。吸着剤１１は、反応媒体１２（反応気体１２ａ）の脱離と、反応媒体１２の吸着とを、可逆的に行う。吸着剤１１を加熱した場合、吸着剤１１は反応媒体を脱離し、吸着剤１１が反応媒体１２を吸着する場合は、吸着剤１１は放熱する。

蒸発器６は、反応媒体１２（反応媒体１２ｂ）を加熱して気化させる蒸発用熱交換器２３を有する。

凝縮器５は、反応媒体１２（反応気体１２ａ）を凝縮して液化し、熱を取り出す凝縮用熱交換器２２を有する。

第一の反応器１と第二の反応器２、第二の反応器２と凝縮器５、第一の反応器１と蒸発器６は、それぞれ第二の開閉機構３１、第三の開閉機構３２、第一の開閉機構３０を介して配管７により接続されている。

また、凝縮器５において凝縮した反応液体１２ｂは、蒸発器６に移動される。移動手段の例としては、例えば、図１に示すように、ポンプ８及び第四の開閉機構３３を凝縮器５と蒸発器６の間の配管に具備させることで達成される。この時、蒸発器６において、移動された反応液体１２ｂは、蒸発用熱交換器２３に滴下して蒸発させる方式、蒸発用熱交換器２３にスプレーして蒸発させる方式等により、蒸発される。

第一の開閉機構３０、第二の開閉機構３１、第三の開閉機構３２及び第四の開閉機構３３は、開閉を自在に出来れば特に限定されず、具体的には開閉弁等が使用できる。

反応媒体１２としては、特に限定されないが、環境的な観点から水（水蒸気）を使用することが好ましい。他にも、水とアルコールの混合物などを使用できる。

また、化学蓄熱材としては、反応媒体１２（反応気体１２ａ）の脱離と、反応媒体１２との反応とを、可逆的に行うことができれば、特に限定されない。反応媒体として、水蒸気（水）を使用する場合、酸化カルシウム，酸化マグネシウム，塩化カルシウム，塩化マンガン，塩化マグネシウム，硫酸カルシウム、炭酸ナトリウムの群から選択される１つ又は２つ以上の化合物を有することが好ましい。

さらに、吸着剤は、ゼオライト、シリカゲルのいずれか一方を含むことが好ましい。

［熱回収利用システム１００ａを利用した熱回収利用方法］
次に、本発明の一実施形態である熱回収利用システム１００ａを利用した、熱回収利用方法について説明する。表１に、本発明の熱回収利用システムにおける、開閉機構の開閉状態の組み合わせ例を示す。また、図２に、図１の熱回収利用システムの蓄熱モードにおける接続形態例を示す概略図を示す。さらに図３に、図１の熱回収利用システムの放熱モードにおける接続形態例を示す概略図を示す。

表１におけるサイクルＡでは、図２に示すように、熱回収利用システム１００ａは、廃熱源６０ａ及び冷却源６２ａと熱的に接続される。第一の反応器１内の化学蓄熱材１０は、第一の熱交換器２０を介して加熱され、反応気体１２ａを脱離する。一方、第二の反応器２内の吸着剤１１は、反応気体１２ａを吸着して発熱する。この時、吸着剤１１は、冷却源６２ａにより第二の熱交換器２１を介して冷却され、吸着が促進される。

表１におけるサイクルＢでは、図３に示すように、熱回収利用システム１００ａは、廃熱源６０ａ、６０ｂ、冷却源６２ｂ及び加熱負荷６１ａと熱的に接続される。蒸発器６内の反応液体１２ｂは、加熱されて気化し、反応気体１２ａとして第一の反応器１に供給される。第一の反応器１内の化学蓄熱材１０は、供給された反応気体１２ａと反応して発熱し、第一の熱交換器２０を介して加熱負荷６１ａに加熱出力が供給される。一方、第二の反応器２内の吸着剤１１は、第二の熱交換器２１を介して廃熱源６０ｂにより加熱され、反応気体１２ａが脱離する。脱離した反応気体１２ａは凝縮器５に供給され、冷却源６２ｂにより凝縮器用熱交換器２２を介して冷却されて液化して反応液体１２ｂとなる。

即ち、サイクルＡでは、廃熱入力により化学蓄熱材１０が反応気体１２ａを放出して蓄熱状態となり、サイクルＢでは、化学蓄熱材１０が反応気体１２ａと反応して放熱状態となる。これを繰り返すことにより、廃熱の蓄熱回収及び逆過程での放熱利用が可能となる。

熱回収利用システム１００ａと、廃熱源、冷却源及び加熱負荷とを熱的に接続する方法としては、特に限定されないが、例えば、ポンプ等の輸送手段を用いて熱媒体を輸送する方法等があげられる。開閉機構の操作によってサイクルＡとサイクルＢとの切換に際し、熱回収利用システム１００ａと、廃熱源、冷却源及び加熱負荷との間の接続切換が必要となる。しかしながら、熱接続を前述の熱媒体による輸送とする場合、熱媒体の流路切換により、サイクルＡとサイクルＢに対応した熱接続の切換が可能である。

［熱回収利用システム１００ａを利用した低温熱源での蓄熱原理］
サイクルＢの過程において、蒸発器６を廃熱源６０ａにより加熱して、蒸発器内の反応気体１２ａの圧力を高くする。これにより、第一の反応器１内での化学蓄熱材１０と反応気体１２ａの反応における発熱温度を廃熱源６０ａによる入力温度よりも高温にすることができる（昇温利用）。本実施の形態においては、さらに、サイクルＡの過程において、吸着剤１１による反応気体１２ａの吸着現象を利用して、低温熱源での化学蓄熱材１０への蓄熱を可能としている。

化学蓄熱材１０を低温の熱源で蓄熱するためには、一般的に、化学蓄熱材１０から脱離した反応気体１２ａを冷却して液化させる必要があり、冷凍機等の冷却源を要する。しかしながら、本実施形態のような構成とすることで、冷却源として大気の環境温度等の自然エネルギーを利用して化学蓄熱材１０への低温蓄熱が可能となる。即ち、化学蓄熱材１０の蓄熱温度を低温化することができる。

図４に、化学蓄熱材の蓄・放熱の原理を説明する図であって、平衡時の反応媒体Ｂ（ｇ）の蒸気圧を示す圧力（Ｐ）−温度（Ｔ）線図を示す。横軸は温度の逆数を示し、縦軸は蒸気圧の対数を示す。

図４における、線Ｘは、下記式（１）の平衡時における、反応材の温度と反応媒体Ｂ（ｇ）の蒸気圧との関係を示し、線Ｙは、下記式（２）における、反応媒体Ｂ（ｇ）の飽和蒸気圧を示す。なお、式（１）及び式（２）において、固体及び液体の活量は１と仮定している。

Ａ＋Ｂ（ｇ）⇔ＡＢ 式（１）
Ｂ（ｌ）⇔Ｂ（ｇ） 式（２）
図４において、線Ｘよりも右側の温度及び圧力条件においては、化学蓄熱材１０は、反応気体１２ａと反応して発熱する。一方、線Ｘよりも左側の温度及び圧力条件においては、吸熱して反応気体１２ａの脱離反応が進行する。なお、一般的に、図４（ａ）に示すような、蓄熱温度より放熱温度が高い場合を昇温モードと呼び、図４（ｂ）に示すような、蓄熱温度より放熱温度が低い場合を増熱モードと呼ぶ。

図５に、吸着剤と反応気体の吸脱着を説明するための、吸脱着等温線の模式図を示す。図５の横軸は、ある温度における、「系内の反応気体１２ａの圧力Ｐ」と、「反応気体１２ａの飽和圧力Ｐ_０」との比である相対圧Ｐ／Ｐ_０を示し、縦軸は吸着剤が吸着可能である反応液体１２ｂの重量を示す。本系においては、吸着等温線上では、まず相対圧が０から急勾配の部分があり、そこから漸次なだらかな勾配へと移行する。この時、勾配が最も大きくなる点における相対圧を、境界相対圧と呼ぶ。図５に示すように、ある境界相対圧よりも相対圧が低い場合、反応気体１２ａが吸着剤から脱着する。一方、ある境界相対圧よりも相対圧が高い場合、吸着剤が反応気体１２ａを吸着する。境界相対圧は、吸着剤の材料設計により当業者により制御でき、例えば、０．１７に設定することができる。

吸着剤１１として境界相対圧が０．１７の材料を、化学蓄熱材１０として硫酸カルシウムを使用した場合における、温度条件の一例を示すが、本発明はこれに限定されない。サイクルＡにおいて、「系内の反応気体１２ａの圧力Ｐ」は、系内の温度（≒化学蓄熱材１０の温度）に依存し、化学蓄熱材１０の温度を９０度とした場合には、平衡時において０．９６ｋＰａと仮定される。一方、大気の環境温度３０℃とし、これが吸着剤１１の温度と仮定した場合、「反応気体１２ａの飽和圧力Ｐ_０」は４．２４ｋＰａとなる。この時、相対圧は０．２２６となり、境界相対圧０．１７よりも大きい。この時、吸着剤１１は反応気体１２ａを吸着し、第一の反応器１側では化学蓄熱材１０から反応気体１２ａの脱離が促進する。つまり、化学蓄熱材１０の蓄熱が進行する。

サイクルＡの過程で低温蓄熱された化学蓄熱材１０は、前述の通り、図３に示す装置構成におけるサイクルＢの過程で、反応気体１２ａの圧力を高くすることで高温発熱する。化学蓄熱材１０の高温発熱と並行して、第二の反応器２内の吸着剤１１は、廃熱源６０ｂにより加熱され、反応気体１２ａを脱着する。脱着した反応気体１２ａは、凝縮器５内で凝縮器用熱交換器２２を介して冷却源６２ｂにより冷却・液化され、次のサイクルＡの過程で、化学蓄熱材１０から脱離した反応気体１２ａを吸着する。

廃熱源６０ａ、６０ｂは、独立した個別の熱源でもいいし、例えば、一つの廃熱源から熱媒循環により取り出した熱をカスケード利用するような形態であっても良い。

図６に、本発明で使用できる冷却源の構成を例示する概略図を示す。冷却源は、例えば室温空気５２を、ファン５１によりダクト５３に流通させ、ダクト５３中に設置された気液熱交換器５０に担わせる構成を使用できるが、本発明はこれに限定されない。

［第二の実施形態］
［熱回収利用システム１００ｂの構成］
図７に、本発明に係る熱回収利用システムの構成の他の例を示す概略図を示す。図７の熱回収システム２００は、図１のシステムに、さらに第三の反応器３と第四の反応器４を有する。

第三の反応器３は、化学蓄熱材１０及び化学蓄熱材１０と熱の授受を行う第三の熱交換器２４を有する。化学蓄熱材１０は、反応媒体１２（反応気体１２ａ）の脱離と、反応媒体１２との反応とを、可逆的に行う。化学蓄熱材１０を加熱した場合、化学蓄熱材１０は、反応媒体を脱離する（即ち、蓄熱する）。一方、化学蓄熱材１０が反応媒体１２と反応する場合は、化学蓄熱材は放熱する（即ち、熱を出力する）。

第四の反応器４は、吸着剤１１及び吸着剤１１と熱の授受を行う第四の熱交換器２５を有する。吸着剤１１は、反応媒体１２（反応気体１２ａ）の脱離と、反応媒体１２の吸着とを、可逆的に行う。吸着剤１１を加熱した場合、吸着剤１１は反応媒体を脱離し、吸着剤１１が反応媒体１２を吸着する場合は、吸着剤１１は放熱する。

蒸発器６と第三の反応器３、第三の反応器３と第四の反応器４、第四の反応器４と凝縮器５は、それぞれ第五の開閉機構３４、第六の開閉機構３５、第七の開閉機構３６を介して配管７により接続されている。

［熱回収利用システム１００ｂを利用した熱回収利用方法］
次に、本発明の他の実施形態である熱回収利用システム１００ｂを利用した、熱回収利用方法について説明する。表２に、熱回収利用システム１００ｂにおける、開閉機構の開閉状態の組み合わせ例を示す。

熱回収利用システム１００ｂは、表２に示す開閉機構の開閉状態の組み合わせにより、サイクルＣとサイクルＤの二つのモードで動作する。各々モードでの動作は、図１のシステムと同様であり、図１のシステム１００では、化学蓄熱材１０の蓄熱と放熱を交互に行う形態であるのに対して、図７のシステム２００では、蓄熱と放熱の交互動作する手段を２つ有し、各々が補完し合って蓄熱と放熱を連続して行うことが可能である。

図８に、図７の熱回収利用システムの蓄熱モードにおける接続形態例を示す概略図を示す。さらに図９に、図７の熱回収利用システムの放熱モードにおける接続形態例を示す概略図を示す。熱回収利用システム１００ｂは、廃熱源６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、冷却源６２ａ、６２ｂ、及び加熱負荷６１ａと熱的に接続される。熱的に接続する方法としては、熱回収利用システム１００ａの場合と同様に、特に限定されないが、例えば、ポンプ等の輸送手段を用いて熱媒体を輸送する方法等があげられる。

図８に示すサイクルＣにおいては、第一の反応器１内の化学蓄熱材１０は、廃熱源６０ａにより第一の熱交換器２０を介して加熱され、反応気体１２ａを脱離する。一方、第二の反応器２内の吸着剤１１は、反応気体１２ａを吸着して発熱する。この時、吸着剤１１は、冷却源６２ａにより第二の熱交換器２１を介して冷却され、吸着が促進される。また、蒸発器６内では、反応液体１２ｂが加熱されて気化し、反応気体１２ａとして第三の反応器３に供給される。第三の反応器３では、化学蓄熱材１０が供給された反応気体１２ａと反応して発熱し、第三の熱交換器２４を介して加熱負荷６１ａに加熱出力が供給される。第四の反応器４内の吸着剤１１は、廃熱源６０ｃにより第四の熱交換器２５を介して加熱されて反応気体１２ａが脱離する。脱離した反応気体１２ａは、凝縮器５に供給され、冷却源６２ｂにより凝縮器用熱交換器２２を介して冷却・液化して反応液体１２ｂとなる。

図９に示すサイクルＤにおいては、第三の反応器３内の化学蓄熱材１０は、廃熱源６０ａにより第三の熱交換器２４を介し加熱され、反応気体１２ａを脱離する。第四の反応器４内では、吸着剤１１が反応気体１２ｂを吸着して発熱する。吸着剤１１は、冷却源６２ａにより第四の熱交換器２５を介して冷却されるため、吸着が促進される。蒸発器６内では、反応液体１２ｂが加熱されて気化し、反応気体１２ａとして第一の反応器１に供給される。第一の反応器１内では、化学蓄熱材１０が供給された反応気体１２ａと反応して発熱し、第一の熱交換器２０を介して加熱負荷６１ａに加熱出力が供給される。第二の反応器２内では、吸着剤１１は廃熱源６０ｃにより第二の熱交換器２１を介して加熱され、反応気体１２ａが脱離する。脱離した反応気体１２ａは、凝縮器５に供給され、冷却源６２ｂにより凝縮器用熱交換器２２を介して冷却・液化して反応液体１２ｂとなる。

即ち、サイクルＣでは、廃熱入力により第一の反応器１内の化学蓄熱材１０が反応気体１２ａを放出して蓄熱状態となると共に、第三の反応器３内の化学蓄熱材１０が反応気体１２ａと反応して放熱状態となる。また、サイクルＤでは、第三の反応器３内の化学蓄熱材１０が反応気体１２ａを放出して蓄熱状態となると共に、第一の反応器１内の化学蓄熱材１０が反応気体１２ａと反応して放熱状態となる。サイクルＣとＤを繰り返して交互に動作させることにより、放熱過程の連続動作と蓄熱過程の連続動作を達成することができる。

熱回収利用システム１００ｂにおいて、蒸発器６を廃熱源６０ｂにより加熱して、容器内の反応気体１２ａの圧力を高くする。これにより、化学蓄熱材１０と反応気体１２ａの反応における発熱温度を、蓄熱に用いる廃熱源６０ａの温度よりも高温にすることができる（昇温利用）。本実施の形態においては、さらに、吸着剤１１による反応気体１２ａの吸着現象を利用することで、低温熱源での化学蓄熱材１０への蓄熱を可能としている。

化学蓄熱材１０を低温の熱源で蓄熱するためには、一般的に、化学蓄熱材１０から脱離した反応気体１２ａを冷却して液化させる必要があり、冷凍機等の冷却源を要する。しかしながら、本実施形態のような構成とすることで、冷却源として大気の環境温度等の自然エネルギーを利用して化学蓄熱材１０への低温蓄熱が可能となる。即ち、化学蓄熱材１０の蓄熱温度を低温化することができる。

低温蓄熱の原理については、前述した図１における熱回収システム１００と同様であるため、ここでは説明を割愛する。

廃熱源６０ａ、６０ｂ及び６０ｃは、独立した個別の熱源でもいいし、例えば、一つの廃熱源から熱媒循環により取り出した熱をカスケード利用するような形態であっても良い。

冷却源は、前述の熱回収システム１００の場合と同様に、例えば室温空気５２を、ファン５１によりダクト５３に流通させ、ダクト５３中に設置された気液熱交換器５０に担わせる構成を使用できるが、本発明はこれに限定されない。

［乾燥装置］
図１０に、本発明の熱回収システム１００を乾燥装置に適用する方法を説明するための、乾燥装置の構成例の概略図を示す。本実施の形態では、乾燥用空気５２がダクト５３を通じて、熱風生成用熱交換器７０により加熱源６５の生成熱で加熱され、その後、乾燥室７２に導かれ、被乾燥物を乾燥後に排気する形態の乾燥装置２００を例にとって説明する。また、冷却源としては、前述の図６の形態を利用する場合とする。

なお、下記の説明においては、乾燥装置２００と別の工程の廃熱源６０ａを利用する想定とするが、この廃熱源６０ａについては、廃熱回収用熱交換器７１で回収した熱をカスケード利用することも可能である。

熱回収利用システム１００ａは、熱媒流路８１を介して乾燥装置２００と熱的に接続される。また、サイクルＡとサイクルＢの切換においては、熱媒流路８１中に、流路切替弁８０ａ、８０ｂ、８０ｃ、８０ｄ、８０ｅ、８０ｆ、８０ｇ、８０ｈを設置する。

サイクルＡにおいては、図１０中に実線で記載した熱媒流路８１が、配管７により接続される。第一の反応器１及び第二の反応器は、それぞれ、廃熱回収用熱交換器７１及び気液熱交換器５０に接続されている。第一の反応器１内の化学蓄熱材１０は、廃熱回収用熱交換器７１によって回収した熱で加熱して蓄熱される。

蓄熱が完了した後、サイクルＢの運転に移行する。この時、図１０中に点線で示したように、第一の反応器１が熱風生成用熱交換器７０に、第二の反応器２が廃熱回収用熱交換器７１に、凝縮器５が気液熱交換器５０に、蒸発器６が廃熱源６０ａに接続される。化学蓄熱材１０の発熱出力により熱風生成用熱交換器７０を補助加熱することで、乾燥装置２００の加熱源６５の消費エネルギーを低減することができる。

以下、実施例に基づいて、本発明を具体的に説明する。

［実施例１］
図１に示す熱回収利用システム１００ａを、表１に示すサイクルＡ、Ｂの条件切換で運転した。外部の廃熱源、冷却源及び加熱負荷との接続形態は、サイクルＡにおいては、図２の接続形態で、サイクルＢにおいては図３の接続形態で行った。なお、熱接続の切換は、図示しない流路切替弁による熱媒体の流路の切換により行った。

化学蓄熱材１０には、硫酸カルシウムを使用し、吸着剤１１には、境界相対圧が０．１７となるゼオライト系の吸着剤を使用し、反応媒体１２には水を用いた。

熱回収利用システム１００ａの運転においては、廃熱源６０ａの加熱により得られた９７℃の熱媒を熱回収利用システム１００ａへ供給し、サイクルＢの過程において、加熱負荷６１ａへ入力可能である熱媒体の温度を計測した。なお、冷却源６２ａ及び６２ｂは、図６で示した形態の気液熱交換器５０を使用して、熱回収利用システム１００ａに対して２３℃の熱媒を供給した。また、サイクルＢにおいては、廃熱源６０ａからの９７℃の入力熱媒により蒸発器６を加熱し、この蒸発器６での熱交換で５℃の温度降下した入力熱媒を第二の熱交換器２に流通させた。即ち、廃熱をカスケード利用することで、廃熱源６０ａに廃熱源６０ｂの機能を担わせた。

［実施例２］
図７に示す熱回収利用システム１００ｂを、表２のサイクルＣ、Ｄの条件切換で運転した。外部の廃熱源、冷却源及び加熱負荷との接続形態は、サイクルＣにおいては、図８の接続形態で、サイクルＤにおいては図９の接続形態で行った。なお、熱接続の切換は、図示していない流路切替弁による熱媒体の流路の切換により行った。

実施例１と同様、化学蓄熱材１０には、硫酸カルシウムを使用し、吸着剤１１には、境界相対圧が０．１７となるゼオライト系の吸着剤を使用し、反応媒体１２には水を用いた。

熱回収利用システム１００ｂの運転においては、廃熱源６０ａの加熱により得られた９７℃の熱媒を熱回収利用システム１００ｂへ供給し、サイクルＤの過程において、加熱負荷６１ａへ連続入力できる熱媒体の温度を計測した。なお、サイクルＣにおいては、廃熱源６０ａからの９７℃の入力熱媒を、第一の反応器１、蒸発器６、第四の反応器４の順に流通させた。即ち、廃熱をカスケード利用することで、廃熱源６０ａに廃熱源６０ｂ及び廃熱源６０ｃの機能を担わせた。また、サイクルＤにおいては、廃熱源６０ａからの９７℃の入力熱媒を、第三の反応器３、蒸発器６、第二の反応器２の順に流通させた。即ち、廃熱をカスケード利用することで、廃熱源６０ａに廃熱源６０ｂ及び廃熱源６０ｃの機能を担わせた。

［比較例１］
図１１に、従来の熱回収利用システム１００ｃの構成を説明するための概略図を示す。熱回収利用システム１００ｃは、第一の反応器１、蒸発器６、凝縮器５を有する。

第一の反応器１は、化学蓄熱材１０及び化学蓄熱材１０と熱の授受を行う第一の熱交換器２０を有する。化学蓄熱材１０は、反応媒体１２（反応気体１２ａ）の脱離と、反応媒体１２との反応とを、可逆的に行う。化学蓄熱材１０を加熱した場合、化学蓄熱材１０は、反応媒体を脱離する（即ち、蓄熱する）。一方、化学蓄熱材１０が反応媒体１２と反応する場合は、化学蓄熱材は放熱する（即ち、熱を出力する）。

蒸発器６は、反応媒体１２（反応媒体１２ｂ）を加熱して気化させる蒸発用熱交換器２３を有する。

凝縮器５は、反応媒体１２（反応気体１２ａ）を凝縮して液化し、熱を取り出す凝縮用熱交換器２２を有する。

第一の反応器１と蒸発器６、第一の反応器１と凝縮器６は、それぞれ第一の開閉機構３０、第八の開閉機構３７により接続した。また、ポンプ８及び第四の開閉機構３３を凝縮器５と蒸発器６の間の配管に具備させた。

この熱回収利用システム１００ｃを、表３に示すサイクルＥ、Ｆの条件切替で運転した。図１２に、図１１の熱回収利用システムの、蓄熱モードにおける接続形態例を示し、図１３に、図１１の熱回収利用システムの、放熱モードにおける接続形態例を示す。外部の廃熱源、冷却源及び加熱負荷を、図１２及び図１３に示す接続形態のように接続した。なお、熱接続の切換は、図示していない流路切替弁による熱媒体の流路の切換により行った。

化学蓄熱材１０には硫酸カルシウムを使用し、反応媒体１２には水を用いた。

熱回収利用システム１００ｃの運転においては、廃熱源６０ａの加熱により得られた９７℃の熱媒を熱回収利用システム１００ｃへ供給し、サイクルＦの過程において、加熱負荷６１ａへ入力できる熱媒体の温度を計測した。なお、冷却源６２ａは、図６で示した形態の気液熱交換器５０を使用して、熱回収利用システム１００ｃに対して２３℃の熱媒を供給した。また、サイクルＦにおいては、廃熱源６０ａからの９７℃の入力熱媒により蒸発器６を加熱した。

［比較例２］
比較例１の冷却源６２ａとして、１℃の冷却媒体を生成供給できる冷却装置を使用して、熱回収利用システム１００ｃに対して１℃の熱媒を供給した以外は、比較例１と同様の工程により、加熱負荷６１ａへ入力できる熱媒体の温度を計測した。

表４に、各実施例及び各比較例における、加熱負荷６１ａへ入力できる熱媒体の温度の計測結果を示す。

実施例１及び２においては、９７℃の低温の熱媒入力によっても、化学蓄熱材１０の蓄熱が行うことができ、逆過程において、実施例１では間欠的な１７５℃の、実施例２では連続した１７０℃の昇温出力が得られた。これは、本発明における、吸着剤１１の効果によるものである。実施例１及び２においては、新規エネルギーが必要となる冷却源を使用せず、図６に示す形態の室温空気５２による冷却により、十分な蓄熱効果を奏することができる。

これに対し、比較例１では、新規エネルギー投入による冷却源なしでは、サイクルＡでの化学蓄熱材１０への蓄熱が行えない。そのため、逆過程においても、放熱出力を得ることができなかった。

また、比較例２では、実施例１と同様の低温蓄熱と昇温出力が得られたが、新規エネルギー投入による冷却源が必要であり、熱回収利用の観点で実用に供さない。

１ 第一の反応器
２ 第二の反応器
３ 第三の反応器
４ 第四の反応器
５ 凝縮器
６ 蒸発器
７ 配管
８ ポンプ
１０ 化学蓄熱材
１１ 吸着剤
１２ 反応媒体
２０ 第一の熱交換器
２１ 第二の熱交換器
２２ 凝縮用熱交換器
２３ 蒸発用熱交換器
３０ 第一の開閉機構
３１ 第二の開閉機構
３２ 第三の開閉機構
３３ 第四の開閉機構
１００ａ、１００ｂ、１００ｃ 熱回収利用システム

特開２００９−１８６１１９号公報

Claims (4)

1. 反応媒体との化学反応による放熱と、加熱による反応媒体の脱離とを可逆的に行う化学蓄熱材と、前記化学蓄熱材と熱の授受を行う第一の熱交換器と、を有する第一の反応器と、
   反応媒体との吸着による放熱と、加熱による反応媒体の脱離とを可逆的に行う吸着剤と、前記吸着剤と熱の授受を行う第二の熱交換器と、を有する第二の反応器と、
   反応媒体を液化する凝縮用熱交換器を有する凝縮器と、
   液化された反応媒体を気化する蒸発用熱交換器を有する蒸発器と、
   を有し、前記第一の反応器と前記第二の反応器、前記第二の反応器と前記凝縮器、前記第一の反応器と前記蒸発器は、それぞれ開閉機構を介して接続されている、熱回収利用システム。
2. 反応媒体との反応による放熱と、加熱による反応媒体の脱離とを可逆的に行う化学蓄熱材と、前記化学蓄熱材と熱の授受を行う第一の熱交換器と、を有する第一の反応器と、
   反応媒体との吸着による放熱と、加熱による反応媒体の脱離とを可逆的に行う吸着剤と、前記吸着剤と熱の授受を行う第二の熱交換器と、を有する第二の反応器と、
   反応媒体との反応による放熱と、加熱による反応媒体の脱離とを可逆的に行う化学蓄熱材と、前記化学蓄熱材と熱の授受を行う第三の熱交換器と、を有する第三の反応器と、
   反応媒体との吸着による放熱と、加熱による反応媒体の脱離とを可逆的に行う吸着剤と、前記吸着剤と熱の授受を行う第四の熱交換器と、を有する第四の反応器と、
   反応媒体を液化する凝縮用熱交換器を有する凝縮器と、
   液化された反応媒体を気化する蒸発用熱交換器を有する蒸発器と、
   を有し、前記第一の反応器と前記第二の反応器、前記第二の反応器と前記凝縮器、前記第一の反応器と前記蒸発器、前記第三の反応器と前記第四の反応器、前記第四の反応器と前記凝縮器、前記第三の反応器と前記蒸発器、それぞれ開閉機構を介して接続されている、熱回収利用システム。
3. 前記化学蓄熱材は、酸化カルシウム，酸化マグネシウム，塩化カルシウム，塩化マンガン，塩化マグネシウム，硫酸カルシウム、炭酸ナトリウムの群から選択される１つ又は２つ以上の化合物を有し、
   前記吸着剤は、ゼオライト、シリカゲルのいずれか一方を含み、
   前記反応媒体は水である、請求項１又は２に記載の熱回収利用システム。
4. 反応媒体との化学反応による放熱と、加熱による反応媒体の脱離とを可逆的に行う化学蓄熱材と、前記化学蓄熱材と熱の授受を行う第一の熱交換器と、を有する第一の反応器と、
   反応媒体との吸着による放熱と加熱による反応媒体の脱離とを可逆的に行う吸着剤と、前記吸着剤と熱の授受を行う第二の熱交換器と、を有する第二の反応器と、
   反応媒体を液化する凝縮用熱交換器を有する凝縮器と、
   液化された反応媒体を気化する蒸発用熱交換器を有する蒸発器と、
   を有する熱回収利用システムの利用方法であって、
   前記第一の反応器及び前記第二の反応器は開閉機構を介して同じ雰囲気を有し、
   反応媒体と化学反応した前記化学蓄熱材を、廃熱源からの熱により前記第一の熱交換器を通じて加熱して該反応媒体を脱離させることで、前記廃熱源からの熱を蓄熱し、前記吸着剤を前記第二の熱交換器を通じて冷却して該反応媒体の吸着させることで前記蓄熱を促進させる、第一の工程と、
   前記第一の反応器及び前記蒸発器は開閉機構を介して同じ雰囲気を有し、
   前記第二の反応器及び前記凝縮器は開閉機構を介して同じ雰囲気を有し、
   前記吸着剤を前記第二の熱交換器を通じて加熱して反応媒体を脱離させ、脱離した該反応媒体を前記凝縮用熱交換器により液化し、
   前記蒸発器内の反応媒体を蒸発用熱交換器により気化させ、気化された該反応媒体と前記化学蓄熱材とを化学反応させることで発熱させ、前記第一の熱交換器を通じて該発熱した熱を出力する、第二の工程と、
   前記凝縮器内の反応媒体を前記蒸発器に輸送する、第三の工程と、
   を有する熱回収利用方法。

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