JP2023061139A - 排熱利用システム - Google Patents
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Abstract
【課題】排熱をより有効に利用することが可能となる排熱利用システムを提供する。【解決手段】排熱利用システム１１のケミカルヒートポンプ１２は、化学蓄熱材ＨＭが収容される蓄熱器２１と、化学蓄熱材ＨＭの脱水反応により生じた水蒸気を回収する回収器３１とを備える。ケミカルヒートポンプ１２は、化学蓄熱材ＨＭと水和反応させる水蒸気を蓄熱器２１に供給する蒸発器４１を備える。排熱利用システム１１の冷却装置１３は、熱エネルギーと電気エネルギーとを変換するエネルギー変換装置５１と、エネルギー変換装置５１に電気的に接続された蓄電装置６１とを備える。排熱利用システム１１は、エネルギー変換装置５１から冷却媒体を回収器３１へ送る回収器冷却用流路Ｌ３と、放熱動作時に発生した熱を外部の加熱対象ＨＴへ送る外部加熱用経路Ｒ１と、放熱動作時に発生した熱をエネルギー変換装置５１へ送る内部加熱用経路Ｒ２とを備える。【選択図】図１
Description
本発明は、ケミカルヒートポンプを備える排熱利用システムに関する。
特許文献１に開示されるように、工場等で発生する排熱の再利用に用いることのできる装置として、ケミカルヒートポンプが知られている。ケミカルヒートポンプは、蓄熱器と、回収器と、蒸発器とを備えている。蓄熱器には、脱水反応により蓄熱し、水和反応により放熱する化学蓄熱材が収容される。回収器は、化学蓄熱材の脱水反応により生じた蒸気を回収する。蒸発器は、化学蓄熱材の水和反応に用いる蒸気を生成する。このようなケミカルヒートポンプの回収器には、化学蓄熱材の脱水反応で生じた蒸気と水和反応する回収材が収容されることで、化学蓄熱材の脱水反応を容易に進行させることができる。
ケミカルヒートポンプを備える排熱利用システムでは、使用する排熱に対して出力する熱の割合、すなわち排熱の利用効率を高めることが重要である。ここで、上記のケミカルヒートポンプでは、回収器に収容される回収材を繰り返し使用するために、排熱を使用して脱水反応させる再生動作を行うことが必要となる。このような回収材の再生動作で排熱を使用することは、排熱の利用効率を低下させる一因となっている。また、例えば、排熱利用システムの放熱動作は、熱需要がない場合、停止させる必要がある。このような排熱利用システムの放熱動作の停止に伴って、排熱を利用できない時間が増加する。このように排熱をより有効に利用するという観点で未だ改善の余地がある。
上記課題を解決する排熱利用システムは、ケミカルヒートポンプと冷却装置とを備える排熱利用システムであって、前記ケミカルヒートポンプは、蓄熱動作時に脱水反応し、放熱動作時に水和反応する化学蓄熱材が収容される蓄熱器と、前記化学蓄熱材の脱水反応により生じた水蒸気を回収する回収器と、前記化学蓄熱材と水和反応させる水蒸気を前記蓄熱器に供給する蒸発器と、を備え、前記冷却装置は、熱エネルギーと電気エネルギーとを変換するエネルギー変換装置と、前記エネルギー変換装置に電気的に接続された蓄電装置と、を備え、前記排熱利用システムは、前記エネルギー変換装置から冷却媒体を前記回収器へ送る回収器冷却用流路と、前記放熱動作時に発生した熱を外部の加熱対象へ送る外部加熱用経路と、前記放熱動作時に発生した熱を前記エネルギー変換装置へ送る内部加熱用経路と、を備える。
この構成によれば、冷却装置により回収器を冷却することができる。これにより、回収器内の圧力を低下させることで、蓄熱器の化学蓄熱材の脱水反応を進行させることができる。このため、回収器内の圧力を低下させるための回収材の使用を省略することができる。これにより、排熱を利用する回収材の再生動作が不要になるため、排熱利用効率を高めることが可能となる。また、上記排熱利用システムは、ケミカルヒートポンプの放熱動作で発生した熱を、内部加熱用経路を通じてエネルギー変換装置へ送ることができる。エネルギー変換装置では、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。得られた電気エネルギーは、蓄電装置に蓄電することができる。すなわち、上記排熱利用システムでは、例えば、熱需要がない場合、熱エネルギーを利用して電気エネルギーを蓄電することができる。
上記排熱利用システムにおいて、前記エネルギー変換装置は、熱エネルギーと運動エネルギーとを変換する第１変換装置と、運動エネルギーと電気エネルギーとを変換する第２変換装置と、を備えてもよい。このように、例えば二種類の変換装置から上記エネルギー変換装置を構成することができる。
上記排熱利用システムにおいて、外部の熱媒体供給部から外部の冷却対象に熱媒体を送る外部冷却用流路を有し、前記外部冷却用流路は、前記回収器内を通過するように配置されてもよい。この構成によれば、ケミカルヒートポンプの回収器を用いて外部の冷却対象を冷却することができる。
上記排熱利用システムにおいて、前記蓄電装置は、外部の電力供給対象に電気的に接続され、前記電力供給対象に電力を供給可能に構成されてもよい。この構成によれば、ケミカルヒートポンプを用いて蓄電装置に蓄電した電気エネルギーを外部で有効に利用することができる。すなわち、排熱をさらに有効に利用することができる。
上記排熱利用システムにおいて、前記蓄電装置は、外部の余剰電力発生源に電気的に接続され、前記余剰電力発生源から供給される余剰電力を蓄電可能に構成されてもよい。この構成によれば、外部の余剰電力を利用してケミカルヒートポンプの回収器を冷却することができる。すなわち、外部の余剰電力を蓄熱動作に有効に利用することができる。
本発明によれば、排熱をより有効に利用することが可能となる。
（第１実施形態）
以下、排熱利用システムの第１実施形態について図面を参照して説明する。
＜排熱利用システムの主な構成＞
図１に示すように、排熱利用システム１１は、ケミカルヒートポンプ１２と、冷却装置１３とを備えている。ケミカルヒートポンプ１２は、蓄熱器２１と、回収器３１と、蒸発器４１とを備えている。ケミカルヒートポンプ１２は、排熱源ＨＳを用いて蓄熱した後、排熱源ＨＳよりも高い温度の放熱を行う。冷却装置１３は、エネルギー変換装置５１と、蓄電装置６１とを備えている。
以下、排熱利用システムの第１実施形態について図面を参照して説明する。
＜排熱利用システムの主な構成＞
図１に示すように、排熱利用システム１１は、ケミカルヒートポンプ１２と、冷却装置１３とを備えている。ケミカルヒートポンプ１２は、蓄熱器２１と、回収器３１と、蒸発器４１とを備えている。ケミカルヒートポンプ１２は、排熱源ＨＳを用いて蓄熱した後、排熱源ＨＳよりも高い温度の放熱を行う。冷却装置１３は、エネルギー変換装置５１と、蓄電装置６１とを備えている。
排熱利用システム１１は、エネルギー変換装置５１から冷却媒体を回収器３１へ送る回収器冷却用流路Ｌ３を備えている。回収器冷却用流路Ｌ３の途中にはポンプが設けられ、エネルギー変換装置５１と回収器３１との間を冷却媒体が循環できるように構成されている。排熱利用システム１１は、ケミカルヒートポンプ１２の放熱動作で発生した熱を外部の加熱対象ＨＴへ送る外部加熱用経路Ｒ１を備えている。排熱利用システム１１は、ケミカルヒートポンプ１２の放熱動作で発生した熱をエネルギー変換装置５１へ送る内部加熱用経路Ｒ２を備えている。
＜ケミカルヒートポンプの蓄熱器＞
蓄熱器２１は、ケミカルヒートポンプ１２の蓄熱動作時に脱水反応し、ケミカルヒートポンプ１２の放熱動作時に水和反応する化学蓄熱材ＨＭを有する。化学蓄熱材ＨＭとしては、周知の固体材料を用いることができる。化学蓄熱材ＨＭは、化学蓄熱物質のみから構成してもよいし、粒子状の化学蓄熱物質を水蒸気透過性樹脂等の水蒸気透過性のバインダーで結合した材料であってもよい。化学蓄熱物質としては、例えば、アルカリ土類金属のハロゲン化物、硫酸カルシウム等が挙げられる。化学蓄熱材ＨＭは、一種を用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。
蓄熱器２１は、ケミカルヒートポンプ１２の蓄熱動作時に脱水反応し、ケミカルヒートポンプ１２の放熱動作時に水和反応する化学蓄熱材ＨＭを有する。化学蓄熱材ＨＭとしては、周知の固体材料を用いることができる。化学蓄熱材ＨＭは、化学蓄熱物質のみから構成してもよいし、粒子状の化学蓄熱物質を水蒸気透過性樹脂等の水蒸気透過性のバインダーで結合した材料であってもよい。化学蓄熱物質としては、例えば、アルカリ土類金属のハロゲン化物、硫酸カルシウム等が挙げられる。化学蓄熱材ＨＭは、一種を用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。
化学蓄熱物質の一種である塩化カルシウムの脱水反応及び水和反応は、例えば、下記式（Ａ）で表される。
ＣａＣｌ２・Ｈ２Ｏ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ・・・（Ａ）
蓄熱器２１は、化学蓄熱材ＨＭと熱交換する第１熱交換器２２を備えている。蓄熱器２１は、化学蓄熱材ＨＭ及び第１熱交換器２２を収容する第１容器２３を備えている。蓄熱器２１の第１容器２３は、化学蓄熱材ＨＭの水和反応に用いられる水蒸気が導入可能に構成されている。また、蓄熱器２１の第１容器２３は、化学蓄熱材ＨＭの脱水反応で生じる水蒸気が排出可能に構成されている。
ＣａＣｌ２・Ｈ２Ｏ＋Ｈ２Ｏ⇔ＣａＣｌ２・２Ｈ２Ｏ・・・（Ａ）
蓄熱器２１は、化学蓄熱材ＨＭと熱交換する第１熱交換器２２を備えている。蓄熱器２１は、化学蓄熱材ＨＭ及び第１熱交換器２２を収容する第１容器２３を備えている。蓄熱器２１の第１容器２３は、化学蓄熱材ＨＭの水和反応に用いられる水蒸気が導入可能に構成されている。また、蓄熱器２１の第１容器２３は、化学蓄熱材ＨＭの脱水反応で生じる水蒸気が排出可能に構成されている。
蓄熱器２１の第１熱交換器２２としては、例えば、フィンチューブ型の熱交換器、フィンレス熱交換器等が挙げられる。なお、以下で説明する熱交換器についても、同様の熱交換器を用いることができる。
＜ケミカルヒートポンプの回収器＞
回収器３１は、蓄熱器２１の化学蓄熱材ＨＭの脱水反応により生じた水蒸気を回収する。回収器３１は、第２熱交換器３２と、第２熱交換器３２を収容する第２容器３３とを備えている。回収器３１内に導入された水蒸気は、第２熱交換器３２により冷却されることで凝縮水Ｗ１として回収される。
回収器３１は、蓄熱器２１の化学蓄熱材ＨＭの脱水反応により生じた水蒸気を回収する。回収器３１は、第２熱交換器３２と、第２熱交換器３２を収容する第２容器３３とを備えている。回収器３１内に導入された水蒸気は、第２熱交換器３２により冷却されることで凝縮水Ｗ１として回収される。
＜ケミカルヒートポンプの蒸発器＞
蒸発器４１は、化学蓄熱材ＨＭと反応させる水蒸気を蓄熱器２１に供給する。蒸発器４１は、排熱源ＨＳから加熱媒体が供給される第３熱交換器４２と、第３熱交換器４２を収容する第３容器４３とを備えている。蒸発器４１の第３容器４３内の水Ｗ２を第３熱交換器４２により加熱することで水蒸気を発生させることができる。
蒸発器４１は、化学蓄熱材ＨＭと反応させる水蒸気を蓄熱器２１に供給する。蒸発器４１は、排熱源ＨＳから加熱媒体が供給される第３熱交換器４２と、第３熱交換器４２を収容する第３容器４３とを備えている。蒸発器４１の第３容器４３内の水Ｗ２を第３熱交換器４２により加熱することで水蒸気を発生させることができる。
＜冷却装置＞
冷却装置１３におけるエネルギー変換装置５１は、熱エネルギーと電気エネルギーとを変換する。本実施形態のエネルギー変換装置５１は、熱エネルギーと運動エネルギーとを変換する第１変換装置５２と、運動エネルギーと電気エネルギーとを変換する第２変換装置５３とを備えている。
冷却装置１３におけるエネルギー変換装置５１は、熱エネルギーと電気エネルギーとを変換する。本実施形態のエネルギー変換装置５１は、熱エネルギーと運動エネルギーとを変換する第１変換装置５２と、運動エネルギーと電気エネルギーとを変換する第２変換装置５３とを備えている。
第１変換装置５２は、例えば、スターリングエンジンであり、熱吸収側５２ａと冷熱吸収側５２ｂとを有している。また、第１変換装置５２は、図示を省略したピストン、動力伝達部等を備えている。第１変換装置５２に外部から運動エネルギーが入力されると、冷熱吸収側５２ｂに対して、熱吸収側５２ａが低温側となる温度差が生じる。このため、第１変換装置５２は、熱吸収側５２ａで冷却を行う冷却器として用いることができる。このような第１変換装置５２を用いてケミカルヒートポンプ１２の回収器３１を冷却することができる。
一方、第１変換装置５２は、熱吸収側５２ａが加熱されると、冷熱吸収側５２ｂの温度と熱吸収側５２ａの温度との温度差である熱エネルギーが発生する。第１変換装置５２は、熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、その運動エネルギーを出力することができる。
第２変換装置５３は、第１変換装置５２から入力された運動エネルギーを電気エネルギーに変換する。また、第２変換装置５３は、蓄電装置６１から入力された電気エネルギーを運動エネルギーに変換する。第２変換装置５３としては、例えば、発電動機を用いることができる。
冷却装置１３における蓄電装置６１は、エネルギー変換装置５１に電気的に接続されている。詳述すると、蓄電装置６１は、エネルギー変換装置５１の第２変換装置５３から入力される電気エネルギーを蓄電する。また、蓄電装置６１は、第２変換装置５３に電気エネルギーを供給する。蓄電装置６１としては、例えば、リチウムイオン電池、レドックスフロー電池、鉛蓄電池、ナトリウム硫黄電池、リチウムイオンキャパシタ等が挙げられる。
本実施形態の蓄電装置６１は、外部の電力供給対象９２に電気的に接続され、電力供給対象９２に電力を供給可能に構成されている。
＜流路構成＞
次に、排熱利用システム１１の各動作で使用する流路構成について説明する。排熱利用システム１１は、蓄熱動作、放熱動作、外部冷却動作、及び蓄電動作を行う。
＜流路構成＞
次に、排熱利用システム１１の各動作で使用する流路構成について説明する。排熱利用システム１１は、蓄熱動作、放熱動作、外部冷却動作、及び蓄電動作を行う。
まず、排熱利用システム１１の蓄熱動作に用いられる流路について説明する。
図２に示すように、排熱利用システム１１は、蓄熱器２１から回収器３１に水蒸気ＷＶ１を送る回収用水蒸気流路Ｌ１を有している。排熱利用システム１１は、排熱源ＨＳから加熱媒体を蓄熱器２１の第１熱交換器２２に送る蓄熱器加熱用流路Ｌ２を有している。本実施形態の蓄熱器加熱用流路Ｌ２は、排熱源ＨＳから蒸発器４１及び蓄熱器２１の順に加熱媒体を送るように構成されている。この蓄熱器加熱用流路Ｌ２は、例えば、蒸発器４１を通過させずに、排熱源ＨＳから蓄熱器２１に加熱媒体を送る流路に変更することもできる。
図２に示すように、排熱利用システム１１は、蓄熱器２１から回収器３１に水蒸気ＷＶ１を送る回収用水蒸気流路Ｌ１を有している。排熱利用システム１１は、排熱源ＨＳから加熱媒体を蓄熱器２１の第１熱交換器２２に送る蓄熱器加熱用流路Ｌ２を有している。本実施形態の蓄熱器加熱用流路Ｌ２は、排熱源ＨＳから蒸発器４１及び蓄熱器２１の順に加熱媒体を送るように構成されている。この蓄熱器加熱用流路Ｌ２は、例えば、蒸発器４１を通過させずに、排熱源ＨＳから蓄熱器２１に加熱媒体を送る流路に変更することもできる。
上述したように、排熱利用システム１１は、回収器冷却用流路Ｌ３を有している。回収器冷却用流路Ｌ３は、第１変換装置５２から冷却媒体を回収器３１の第２熱交換器３２へ送る。冷却媒体としては、例えば、水、不凍液等が挙げられる。排熱利用システム１１は、冷却源ＣＳから冷却媒体を第１変換装置５２に送る変換装置冷却用流路Ｌ４を有している。
次に、排熱利用システム１１の放熱動作に用いられる流路について説明する。
図３に示すように、排熱利用システム１１は、排熱源ＨＳから加熱媒体を蒸発器４１に送る蒸発器加熱用流路Ｌ５を有している。排熱利用システム１１は、蒸発器４１から蓄熱器２１に水蒸気ＷＶ２を送る蓄熱器用水蒸気流路Ｌ６を有している。排熱利用システム１１は、蓄熱器２１内で発生した熱を外部の加熱対象ＨＴへ送る外部加熱用経路Ｒ１を有している。本実施形態の外部加熱用経路Ｒ１は、ヒートパイプであるが、蓄熱器２１の第１熱交換器２２内で発生した水蒸気を加熱対象ＨＴに送るように構成してもよい。加熱対象ＨＴは、特に限定されない。加熱対象ＨＴとしては、例えば、蒸気発生装置等が挙げられる。
図３に示すように、排熱利用システム１１は、排熱源ＨＳから加熱媒体を蒸発器４１に送る蒸発器加熱用流路Ｌ５を有している。排熱利用システム１１は、蒸発器４１から蓄熱器２１に水蒸気ＷＶ２を送る蓄熱器用水蒸気流路Ｌ６を有している。排熱利用システム１１は、蓄熱器２１内で発生した熱を外部の加熱対象ＨＴへ送る外部加熱用経路Ｒ１を有している。本実施形態の外部加熱用経路Ｒ１は、ヒートパイプであるが、蓄熱器２１の第１熱交換器２２内で発生した水蒸気を加熱対象ＨＴに送るように構成してもよい。加熱対象ＨＴは、特に限定されない。加熱対象ＨＴとしては、例えば、蒸気発生装置等が挙げられる。
次に、排熱利用システム１１の外部冷却動作に用いられる流路について説明する。
図４に示すように、排熱利用システム１１は、外部の熱媒体供給部９１から外部の冷却対象ＣＴに熱媒体を送る外部冷却用流路Ｌ７を有している。外部冷却用流路Ｌ７は、回収器３１内を通過するように配置されている。これにより、外部冷却用流路Ｌ７を通じる熱媒体を回収器３１により冷却することができる。熱媒体としては、例えば、空気等の気体を用いることができる。この場合、外部冷却動作により、冷気を冷却対象ＣＴに送ることができる。
図４に示すように、排熱利用システム１１は、外部の熱媒体供給部９１から外部の冷却対象ＣＴに熱媒体を送る外部冷却用流路Ｌ７を有している。外部冷却用流路Ｌ７は、回収器３１内を通過するように配置されている。これにより、外部冷却用流路Ｌ７を通じる熱媒体を回収器３１により冷却することができる。熱媒体としては、例えば、空気等の気体を用いることができる。この場合、外部冷却動作により、冷気を冷却対象ＣＴに送ることができる。
次に、排熱利用システム１１の蓄電動作に用いられる流路について説明する。
図５に示すように、排熱利用システム１１の蓄電動作では、上述した内部加熱用経路Ｒ２が用いられる。内部加熱用経路Ｒ２は、蓄熱器２１内で発生した熱をエネルギー変換装置５１の第１変換装置５２へ送る。本実施形態の内部加熱用経路Ｒ２は、ヒートパイプであり、第１変換装置５２の熱吸収側５２ａに熱媒体を循環させる熱媒体循環流路Ｌ８と熱交換するように配置されている。なお、内部加熱用経路Ｒ２は、蓄熱器２１の第１熱交換器２２内で発生した水蒸気をエネルギー変換装置５１の第１変換装置５２へ送るように構成してもよい。
図５に示すように、排熱利用システム１１の蓄電動作では、上述した内部加熱用経路Ｒ２が用いられる。内部加熱用経路Ｒ２は、蓄熱器２１内で発生した熱をエネルギー変換装置５１の第１変換装置５２へ送る。本実施形態の内部加熱用経路Ｒ２は、ヒートパイプであり、第１変換装置５２の熱吸収側５２ａに熱媒体を循環させる熱媒体循環流路Ｌ８と熱交換するように配置されている。なお、内部加熱用経路Ｒ２は、蓄熱器２１の第１熱交換器２２内で発生した水蒸気をエネルギー変換装置５１の第１変換装置５２へ送るように構成してもよい。
蓄電動作では、放熱動作と同様に、蒸発器加熱用流路Ｌ５及び蓄熱器用水蒸気流路Ｌ６が用いられる。また、蓄電動作では、蓄熱動作と同様に、変換装置冷却用流路Ｌ４が用いられる。
＜排熱利用システムの全体の動作＞
次に、排熱利用システム１１の全体の動作の一例を説明する。
図６に示すように、排熱利用システム１１の動作では、まず、熱需要があるか否かを判断する第１判断工程を行う（ステップＳ１）。ステップＳ１の第１判断工程において、熱需要がある旨の判断がなされた場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、ステップＳ１１の蓄熱動作へと進む。ステップＳ１１の蓄熱動作が行われた後、ステップＳ１２の放熱動作へと進む。ステップＳ１２の放熱動作の後には、ステップＳ１の第１判断工程が繰り返される。
次に、排熱利用システム１１の全体の動作の一例を説明する。
図６に示すように、排熱利用システム１１の動作では、まず、熱需要があるか否かを判断する第１判断工程を行う（ステップＳ１）。ステップＳ１の第１判断工程において、熱需要がある旨の判断がなされた場合（ステップＳ１：ＹＥＳ）、ステップＳ１１の蓄熱動作へと進む。ステップＳ１１の蓄熱動作が行われた後、ステップＳ１２の放熱動作へと進む。ステップＳ１２の放熱動作の後には、ステップＳ１の第１判断工程が繰り返される。
一方、ステップＳ１の第１判断工程において、熱需要がない旨の判断がなされた場合（ステップＳ１：ＮＯ）、外部を冷却する依頼があるか否かを判断する第２判断工程が行われる（ステップＳ２）。
ステップＳ２の第２判断工程において、外部を冷却する依頼がある旨の判断がなされた場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、ステップＳ２１の外部冷却動作へと進む。ステップＳ２１の外部冷却動作の後には、ステップＳ１の第１判断工程が繰り返される。
一方、ステップＳ２の第２判断工程において、外部冷却依頼がない旨の判断がなされた場合（ステップＳ２：ＮＯ）、ステップＳ２２の蓄電動作へと進む。ステップＳ２２の蓄電動作の後には、ステップＳ１の第１判断工程が繰り返される。
＜排熱利用システムの蓄熱動作＞
図２に示すように、蓄熱動作（ステップＳ２）では、蓄熱器２１の化学蓄熱材ＨＭから排出される水蒸気ＷＶ１を回収器３１により回収する。蓄熱器２１の化学蓄熱材ＨＭから排出される水蒸気ＷＶ１は、回収用水蒸気流路Ｌ１を通じて回収器３１に送られる。
図２に示すように、蓄熱動作（ステップＳ２）では、蓄熱器２１の化学蓄熱材ＨＭから排出される水蒸気ＷＶ１を回収器３１により回収する。蓄熱器２１の化学蓄熱材ＨＭから排出される水蒸気ＷＶ１は、回収用水蒸気流路Ｌ１を通じて回収器３１に送られる。
蓄熱器２１の化学蓄熱材ＨＭから排出される水蒸気ＷＶ１が回収器３１に送られることで、化学蓄熱材ＨＭの脱水反応が行われる。ここで、化学蓄熱材ＨＭの脱水反応の進行に伴って、化学蓄熱材ＨＭの温度が低下する。化学蓄熱材ＨＭの温度が排熱源ＨＳの加熱媒体の温度よりも低くなったとき、排熱源ＨＳから蓄熱器加熱用流路Ｌ２を通じて加熱媒体を蓄熱器２１の第１熱交換器２２に送る。これにより、化学蓄熱材ＨＭの脱水反応を促進することができる。
蓄熱動作では、冷却装置１３により回収器３１を冷却する。詳述すると、回収器３１の第２熱交換器３２には、冷却装置１３の第１変換装置５２における熱吸収側５２ａで冷却された冷却媒体が回収器冷却用流路Ｌ３を通じて送られる。
第１変換装置５２の熱吸収側５２ａの冷却は、蓄電装置６１の電気エネルギーが用いられる。詳述すると、第１変換装置５２の熱吸収側５２ａの冷却を行うには、まず、蓄電装置６１から電気エネルギーを第２変換装置５３に入力する。第２変換装置５３では、電気エネルギーが運動エネルギーに変換される。次に、第２変換装置５３から第１変換装置５２に運動エネルギーを入力する。第１変換装置５２では、運動エネルギーが熱エネルギーに変換される。熱エネルギーは、第１変換装置５２の熱吸収側５２ａの温度と、冷熱吸収側５２ｂの温度との温度差として出力される。このとき、第１変換装置５２の冷熱吸収側５２ｂには、冷却源ＣＳから冷却媒体が変換装置冷却用流路Ｌ４を通じて送られる。
このような冷却装置１３の一連の動作により、例えば１０℃以下の温度となるまで回収器３１を冷却することができる。１０℃の水の飽和水蒸気圧は、１．２ｋＰａであるため、例えば、排熱で加熱されたときの水蒸気圧が２ｋＰａ程度の水蒸気圧となる化学蓄熱材ＨＭであれば、その脱水反応を進行させることが可能となる。例えば、上記式（Ａ）で表される塩化カルシウムの脱水反応において、８０℃の排熱を用いる場合、塩化カルシウムの水蒸気圧は、２ｋＰａとなる。このため、冷却装置１３を用いて回収器３１を１０℃程度に冷却し、回収器３１内の水蒸気圧を１．２ｋＰａ程度まで低下させることで、塩化カルシウムの脱水反応を進行させることができる。
＜排熱利用システムの放熱動作＞
図３に示すように、放熱動作（ステップＳ１２）では、排熱源ＨＳから蒸発器４１の第３熱交換器４２に蒸発器加熱用流路Ｌ５を通じて加熱媒体を供給する。これにより、蒸発器４１で水蒸気ＷＶ２を発生させる。蒸発器４１で発生させた水蒸気ＷＶ２は、蓄熱器用水蒸気流路Ｌ６を通じて蓄熱器２１に送られる。これにより、蓄熱器２１の化学蓄熱材ＨＭの水和反応が行われる。放熱動作において、蓄熱器２１内で発生した熱は、外部加熱用経路Ｒ１を通じて外部の加熱対象ＨＴへ送られる。
図３に示すように、放熱動作（ステップＳ１２）では、排熱源ＨＳから蒸発器４１の第３熱交換器４２に蒸発器加熱用流路Ｌ５を通じて加熱媒体を供給する。これにより、蒸発器４１で水蒸気ＷＶ２を発生させる。蒸発器４１で発生させた水蒸気ＷＶ２は、蓄熱器用水蒸気流路Ｌ６を通じて蓄熱器２１に送られる。これにより、蓄熱器２１の化学蓄熱材ＨＭの水和反応が行われる。放熱動作において、蓄熱器２１内で発生した熱は、外部加熱用経路Ｒ１を通じて外部の加熱対象ＨＴへ送られる。
＜排熱利用システムの外部冷却動作＞
図４に示すように、外部冷却動作（ステップＳ２１）では、外部の熱媒体供給部９１から外部冷却用流路Ｌ７を通じて外部の冷却対象ＣＴに熱媒体を送る。熱媒体は、回収器３１により冷却される。この外部冷却動作では、回収器３１を用いて外部の冷却対象ＣＴを冷却することができる。回収器３１の冷却能力が低下した場合は、冷却装置１３を用いて回収器３１を冷却してもよい。
図４に示すように、外部冷却動作（ステップＳ２１）では、外部の熱媒体供給部９１から外部冷却用流路Ｌ７を通じて外部の冷却対象ＣＴに熱媒体を送る。熱媒体は、回収器３１により冷却される。この外部冷却動作では、回収器３１を用いて外部の冷却対象ＣＴを冷却することができる。回収器３１の冷却能力が低下した場合は、冷却装置１３を用いて回収器３１を冷却してもよい。
また、この外部冷却動作中において、蓄電装置６１から外部の電力供給対象９２に電力を供給してもよい。このように蓄電装置６１は、例えば、外部の電力供給対象９２の予備電源として利用することができる。
＜排熱利用システムの蓄電動作＞
図５に示すように、蓄電動作（ステップＳ２２）は、排熱源ＨＳから蒸発器４１の第３熱交換器４２に蒸発器加熱用流路Ｌ５を通じて加熱媒体を供給する。これにより、蒸発器４１で水蒸気ＷＶ２を発生させる。蒸発器４１で発生させた水蒸気ＷＶ２は、蓄熱器用水蒸気流路Ｌ６を通じて蓄熱器２１に送られる。これにより、上記放熱動作（ステップＳ１２）と同様に、蓄熱器２１の化学蓄熱材ＨＭの水和反応が行われる。
図５に示すように、蓄電動作（ステップＳ２２）は、排熱源ＨＳから蒸発器４１の第３熱交換器４２に蒸発器加熱用流路Ｌ５を通じて加熱媒体を供給する。これにより、蒸発器４１で水蒸気ＷＶ２を発生させる。蒸発器４１で発生させた水蒸気ＷＶ２は、蓄熱器用水蒸気流路Ｌ６を通じて蓄熱器２１に送られる。これにより、上記放熱動作（ステップＳ１２）と同様に、蓄熱器２１の化学蓄熱材ＨＭの水和反応が行われる。
蓄電動作において、蓄熱器２１内で発生した熱は、内部加熱用経路Ｒ２を通じて第１変換装置５２へ送られる。このとき、上記外部加熱用経路Ｒ１が閉鎖されることで、放熱動作は停止されている。なお、上述した放熱動作中では、内部加熱用経路Ｒ２は閉鎖されている。すなわち、外部加熱用経路Ｒ１と内部加熱用経路Ｒ２とを切り替えることで、放熱動作と蓄電動作とを切り替えることができる。
蓄電動作において、第１変換装置５２の冷熱吸収側５２ｂには、冷却源ＣＳから冷却媒体が変換装置冷却用流路Ｌ４を通じて送られる。このとき、蓄熱器２１内で発生した熱により熱吸収側５２ａが加熱された第１変換装置５２では、熱吸収側５２ａと冷熱吸収側５２ｂとの温度差である熱エネルギーが運動エネルギーに変換される。
第１変換装置５２から出力された運動エネルギーは、第２変換装置５３に入力される。第２変換装置５３では、運動エネルギーが電気エネルギーに変換される。第２変換装置５３から出力された電気エネルギーは、蓄電装置６１によって蓄電される。
＜作用及び効果＞
第１実施形態の作用及び効果について説明する。
（１－１）排熱利用システム１１は、ケミカルヒートポンプ１２と冷却装置１３とを備えている。ケミカルヒートポンプ１２は、蓄熱器２１、回収器３１、及び蒸発器４１を備えている。冷却装置１３は、熱エネルギーと電気エネルギーとを変換するエネルギー変換装置５１と、エネルギー変換装置５１に電気的に接続された蓄電装置６１とを備えている。排熱利用システム１１は、エネルギー変換装置５１から冷却媒体を回収器３１へ送る回収器冷却用流路Ｌ３を備えている。排熱利用システム１１は、放熱動作時に発生した熱を外部の加熱対象ＨＴへ送る外部加熱用経路Ｒ１と、放熱動作時に発生した熱をエネルギー変換装置５１へ送る内部加熱用経路Ｒ２とを備えている。
第１実施形態の作用及び効果について説明する。
（１－１）排熱利用システム１１は、ケミカルヒートポンプ１２と冷却装置１３とを備えている。ケミカルヒートポンプ１２は、蓄熱器２１、回収器３１、及び蒸発器４１を備えている。冷却装置１３は、熱エネルギーと電気エネルギーとを変換するエネルギー変換装置５１と、エネルギー変換装置５１に電気的に接続された蓄電装置６１とを備えている。排熱利用システム１１は、エネルギー変換装置５１から冷却媒体を回収器３１へ送る回収器冷却用流路Ｌ３を備えている。排熱利用システム１１は、放熱動作時に発生した熱を外部の加熱対象ＨＴへ送る外部加熱用経路Ｒ１と、放熱動作時に発生した熱をエネルギー変換装置５１へ送る内部加熱用経路Ｒ２とを備えている。
この構成によれば、冷却装置１３により回収器３１を冷却することができる。これにより、回収器３１内の圧力を低下させることで、蓄熱器２１の化学蓄熱材ＨＭの脱水反応を進行させることができる。このため、回収器３１内の圧力を低下させるための回収材の使用を省略することができる。これにより、排熱を利用する回収材の再生動作が不要になるため、排熱の利用効率を高めることが可能となる。また、上記排熱利用システム１１は、ケミカルヒートポンプ１２の放熱動作で発生した熱を、内部加熱用経路Ｒ２を通じてエネルギー変換装置５１へ送ることができる。エネルギー変換装置５１では、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。得られた電気エネルギーは、蓄電装置６１に蓄電することができる。すなわち、上記排熱利用システム１１では、例えば、熱需要がない場合、熱エネルギーを利用して電気エネルギーを蓄電することができる。従って、排熱をより有効に利用することが可能となる。
（１－２）排熱利用システム１１は、外部の熱媒体供給部９１から外部の冷却対象ＣＴに熱媒体を送る外部冷却用流路Ｌ７を有している。外部冷却用流路Ｌ７は、回収器３１内を通過するように配置されている。この場合、ケミカルヒートポンプ１２の回収器３１を用いて外部の冷却対象ＣＴを冷却することができる。
（１－３）排熱利用システム１１の蓄電装置６１は、外部の電力供給対象９２に電力を供給可能に構成されている。この場合、ケミカルヒートポンプ１２を用いて蓄電装置６１に蓄電した電気エネルギーを外部で有効に利用することができる。すなわち、排熱をさらに有効に利用することができる。
（第２実施形態）
排熱利用システム１１の第２実施形態について第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
排熱利用システム１１の第２実施形態について第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
図７に示すように、第２実施形態の排熱利用システム１１は、冷却装置１３の構成が第１実施形態の排熱利用システム１１と異なる。第２実施形態のエネルギー変換装置５１は、第３変換装置５４を備えている。第３変換装置５４は、熱エネルギーと電気エネルギーとを変換する。
第３変換装置５４は、例えば、ペルチェ素子等の熱電素子であり、熱吸収側５４ａと冷熱吸収側５４ｂとを有している。第３変換装置５４に外部から電気エネルギーが入力されると、冷熱吸収側５４ｂに対して、熱吸収側５４ａが低温側となる温度差が生じる。このため、第３変換装置５４は、熱吸収側５４ａで冷却を行う冷却器として用いることができる。このような第３変換装置５４を用いてケミカルヒートポンプ１２の回収器３１を冷却することができる。
一方、第３変換装置５４は、熱吸収側５４ａが加熱されると、冷熱吸収側５４ｂの温度と熱吸収側５４ａの温度との温度差である熱エネルギーから変換された電気エネルギーを出力することができる。すなわち、第２実施形態のエネルギー変換装置５１では、第１実施形態のエネルギー変換装置５１が備える第２変換装置５３を省略することができる。
冷却装置１３における蓄電装置６１は、エネルギー変換装置５１の第３変換装置５４から入力される電気エネルギーを蓄電する。また、蓄電装置６１は、第３変換装置５４に電気エネルギーを供給する。
第２実施形態の蓄電装置６１は、外部の余剰電力発生源９３に電気的に接続され、余剰電力発生源９３から供給される余剰電力を蓄電可能に構成されている。余剰電力発生源９３としては、例えば、太陽光発電システム、風力発電システム、水力発電システム、地熱発電システム、バイオマス発電システム等が挙げられる。
第２実施形態の作用及び効果について説明する。
（２－１）エネルギー変換装置５１は、上述した第３変換装置５４を備えている。この場合、第１実施形態で用いた第２変換装置５３が不要となる。これにより、エネルギー変換装置５１を小型化することが可能となる。
（２－１）エネルギー変換装置５１は、上述した第３変換装置５４を備えている。この場合、第１実施形態で用いた第２変換装置５３が不要となる。これにより、エネルギー変換装置５１を小型化することが可能となる。
（２－２）排熱利用システム１１の蓄電装置６１は、外部の余剰電力発生源９３から供給される余剰電力を蓄電可能に構成されている。この場合、外部の余剰電力を利用してケミカルヒートポンプ１２の回収器３１を冷却することができる。すなわち、外部の余剰電力を蓄熱動作に有効に利用することができる。
（変更例）
上記実施形態を次のように変更してもよい。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
上記実施形態を次のように変更してもよい。上記実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・第１実施形態の排熱利用システム１１において、蓄電装置６１を余剰電力発生源９３に電気的に接続してもよい。
・第２実施形態の排熱利用システム１１において、蓄電装置６１を電力供給対象９２に電気的に接続してもよい。
・第２実施形態の排熱利用システム１１において、蓄電装置６１を電力供給対象９２に電気的に接続してもよい。
・上記余剰電力発生源９３及び電力供給対象９２を省略してもよい。
・上記外部冷却用流路Ｌ７を省略してもよい。すなわち、ステップＳ２１の外部冷却動作を省略することもできる。
・上記外部冷却用流路Ｌ７を省略してもよい。すなわち、ステップＳ２１の外部冷却動作を省略することもできる。
１１…排熱利用システム
１２…ケミカルヒートポンプ
１３…冷却装置
２１…蓄熱器
３１…回収器
４１…蒸発器
５１…エネルギー変換装置
５２…第１変換装置
５３…第２変換装置
５４…第３変換装置
６１…蓄電装置
９１…熱媒体供給部
９２…電力供給対象
９３…余剰電力発生源
ＣＴ…冷却対象
ＨＴ…加熱対象
ＨＭ…化学蓄熱材
Ｌ３…回収器冷却用流路
Ｌ７…外部冷却用流路
Ｒ１…外部加熱用経路
Ｒ２…内部加熱用経路
ＷＶ１，ＷＶ２…水蒸気
１２…ケミカルヒートポンプ
１３…冷却装置
２１…蓄熱器
３１…回収器
４１…蒸発器
５１…エネルギー変換装置
５２…第１変換装置
５３…第２変換装置
５４…第３変換装置
６１…蓄電装置
９１…熱媒体供給部
９２…電力供給対象
９３…余剰電力発生源
ＣＴ…冷却対象
ＨＴ…加熱対象
ＨＭ…化学蓄熱材
Ｌ３…回収器冷却用流路
Ｌ７…外部冷却用流路
Ｒ１…外部加熱用経路
Ｒ２…内部加熱用経路
ＷＶ１，ＷＶ２…水蒸気
Claims (5)
- ケミカルヒートポンプと冷却装置とを備える排熱利用システムであって、
前記ケミカルヒートポンプは、蓄熱動作時に脱水反応し、放熱動作時に水和反応する化学蓄熱材が収容される蓄熱器と、
前記化学蓄熱材の脱水反応により生じた水蒸気を回収する回収器と、
前記化学蓄熱材と水和反応させる水蒸気を前記蓄熱器に供給する蒸発器と、を備え、
前記冷却装置は、
熱エネルギーと電気エネルギーとを変換するエネルギー変換装置と、
前記エネルギー変換装置に電気的に接続された蓄電装置と、を備え、
前記排熱利用システムは、
前記エネルギー変換装置から冷却媒体を前記回収器へ送る回収器冷却用流路と、
前記放熱動作時に発生した熱を外部の加熱対象へ送る外部加熱用経路と、
前記放熱動作時に発生した熱を前記エネルギー変換装置へ送る内部加熱用経路と、
を備える、排熱利用システム。 - 前記エネルギー変換装置は、熱エネルギーと運動エネルギーとを変換する第１変換装置と、運動エネルギーと電気エネルギーとを変換する第２変換装置と、を備える、請求項１に記載の排熱利用システム。
- 外部の熱媒体供給部から外部の冷却対象に熱媒体を送る外部冷却用流路を有し、前記外部冷却用流路は、前記回収器内を通過するように配置される、請求項１又は請求項２に記載の排熱利用システム。
- 前記蓄電装置は、外部の電力供給対象に電気的に接続され、前記電力供給対象に電力を供給可能に構成される、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の排熱利用システム。
- 前記蓄電装置は、外部の余剰電力発生源に電気的に接続され、前記余剰電力発生源から供給される余剰電力を蓄電可能に構成される、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の排熱利用システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2021170948A JP2023061139A (ja) | 2021-10-19 | 2021-10-19 | 排熱利用システム |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2021170948A JP2023061139A (ja) | 2021-10-19 | 2021-10-19 | 排熱利用システム |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2023061139A true JP2023061139A (ja) | 2023-05-01 |
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ID=86239291
Family Applications (1)
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| JP2021170948A Pending JP2023061139A (ja) | 2021-10-19 | 2021-10-19 | 排熱利用システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2023061139A (ja) |
-
2021
- 2021-10-19 JP JP2021170948A patent/JP2023061139A/ja active Pending
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