JP5959152B2 - 熱輸送装置 - Google Patents
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Description
また、加熱源の供給により内部に装入された金属塩化物のアンミン錯体から放出されるアンモニアガス圧力を保持する固相反応器と、該固相反応器に接続されアンモニアガスを冷却水の供給により凝縮する凝縮器を備えたケミカル蓄熱装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
更に、CaCl2・8NH3やSrCl2・8NH3に対し、8〜20wt%のアルミニウム粉末やカーボンファイバーを混入後、成形して得られるアンモニア貯蔵体が知られている(例えば、特許文献2参照)。
また、特許文献1及び特許文献2には、2つ以上の反応器間に生じたアンモニア圧の差を利用してアンモニアを一方から他方に輸送することにより熱を輸送する熱輸送に関する開示はない。
即ち、本発明は、簡易な構成で、熱輸送性に優れた熱輸送装置を提供することを目的とする。
ここで、2つ以上の反応器は、2つ以上の反応室と2つ以上の熱媒体流路とを有し、反応室と熱媒体流路とが交互に配置された構成であることがより好ましい。
即ち、請求項1に記載の発明に係る熱輸送装置では、物理吸着材と比較してアンモニアの固定化及び脱離に要する熱量が大きい性質を有する化学蓄熱材と、化学蓄熱材と比較してアンモニアの固定化及び脱離に要する熱量が小さい性質を有する物理吸着材と、を用いる。このため、アンモニアの固定化及び脱離に要する熱量の差を利用して、小さな熱入力で大きな熱出力を得ることができる。
図1に示すように、熱輸送装置100は、第1の熱交換型反応器20と、第2の熱交換型反応器120と、第1の熱交換型反応器20と第2の熱交換型反応器120とを接続するアンモニア配管10と、を備えて構成されている。
但し、本発明における2つ以上の反応器は、図1に示す第1の熱交換型反応器20及び第2の熱交換型反応器120の形態に限定されることはなく、アンモニアが脱離するときに蓄熱しアンモニアが固定化されるときに放熱する蓄熱材が収納された反応器であれば特に制限なく使用できる。
図2に示すように、第1の熱交換型反応器20は、筐体22と、筐体22に設けられた複数の熱媒体流路26と、筐体22に設けられた複数の反応室24と、各反応室24内に収納され、蓄熱材を含む積層体30と、を有して構成されている。
筐体22内では、反応室24と熱媒体流路26とが交互に配置され、かつ、2つの熱媒体流路26が最も外側となるように配置されている。反応室24と熱媒体流路26とは隔壁を隔てて互いに分離されている。これらの構成により、外部から供給される熱媒体M1と反応室24内の蓄熱材成形体との間で熱交換を行えるようになっている。この実施形態では、反応室24、熱媒体流路26は、それぞれ扁平矩形状の開口端を有する角柱状空間とされている。この実施形態では、第1の熱交換型反応器20は、反応室24の開口方向(アンモニアの流れ方向)と熱媒体流路26の開口方向(熱媒体の流れ方向)とが側面視で直交する、直行流型の熱交換型反応器として構成されている。
第1の熱交換型反応器20における反応室24や熱媒体流路26の個数には特に限定はなく、第1の熱交換型反応器20に対し入出力する熱量や、蓄熱材成形体の伝熱面の面積(反応室内壁との接触面積)を考慮して適宜設定できる。
また、筐体22の材質としては、金属(例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、等)等の熱伝導性の高く、アンモニア耐食性のある材質が好適である。
但し、本発明における積層体の構成としては、このような蓄熱材成形体/支持体/蓄熱材成形体の3層構成を少なくとも有する構成であればよく、3層構成以外にも、例えば、蓄熱材成形体と支持体とが交互に配置され、かつ、最外層が蓄熱材成形体であるその他の構成(例えば、蓄熱材成形体/支持体/蓄熱材成形体/支持体/蓄熱材成形体の5層構成、等)であってもよい。
なお、本発明において反応器に収納される蓄熱材としては、蓄熱材成形体(例えば、蓄熱材成形体32A及び32B)に限定されるものではなく粉末の蓄熱材を用いることもできるが、反応器における熱交換の効率をより向上させる観点からは、蓄熱材成形体であることが好ましい。
本発明における蓄熱材は、配位反応によりアンモニアを固定化する化学蓄熱材、及び物理吸着によりアンモニアを固定化する物理吸着材の少なくとも一方を含むことが好ましい。
本発明における蓄熱材の好ましい形態の詳細については後述する。
このような支持体34として、具体的には、波型プレート又は多孔体プレートを用いることが好ましい。
支持体34として多孔体プレートを用いた場合には、多孔体プレート内をアンモニアが通過する。
支持体34として波型プレートを用いた場合には、波型プレートとの蓄熱材成形体との間に生じる隙間をアンモニアガスが通過する。
図3は、特に、支持体として波型プレート36を用いた場合における第1の熱交換型反応器20及び第1の熱交換型反応器20内に収納される積層体40を概念的に示した図である。支持体である波型プレート36以外の構成は図2と同様である。
支持体として波型プレート36を用いた場合は、積層体40における波型プレート36と蓄熱材成形体32A及び32Bとの間に生じる隙間をアンモニアが通過する(図3中の白抜き矢印の方向)。
なお、図1では、第1の熱交換型反応器20及び第2の熱交換型反応器120の構成を見やすくするために、前記ヘッダ部材28、下記ヘッダ部材29A、下記ヘッダ部材29B、下記ヘッダ部材128、下記ヘッダ部材129A、下記ヘッダ部材129B、下記熱媒体配管27A、下記熱媒体配管27B、下記熱媒体配管127A、及び下記熱媒体配管127Bを、二点鎖線で表している(後述の図8も同様である)。
熱媒体M1としては、エタノール等のアルコール、水、油類、これらの混合物等、熱媒体として通常用いられる流体を用いることができる。
また、図示しないが、熱輸送装置100の外部において、熱媒体M1の流通経路と熱媒体M2の流通経路とは、互いに独立している。
まず、第1の熱交換型反応器20に供給された熱を第2の熱交換型反応器120に輸送し、輸送された熱を第2の熱交換型反応器120から外部に放熱する熱利用の一例について説明する。この一例では、第1の熱交換型反応器20を熱入力側の反応器とし、第2の熱交換型反応器120を熱出力側の反応器としている。
第1の熱交換型反応器20には、所定の温度(例えば−30℃〜10℃)に維持された熱媒体M1を流通させることにより、熱を供給する。上記所定の温度の熱媒体M1の流通は、放熱及び再生を通じて維持しておくことが好ましい。
第2の熱交換型反応器120には、外部の熱利用対象に向けて熱を放出するための熱媒体M2を流通させる。
この状態では、第1の熱交換型反応器20側のアンモニア圧が第2の熱交換型反応器120側のアンモニア圧よりも高くなっている。バルブV1を閉じた状態を維持することで、第1の熱交換型反応器20側と第2の熱交換型反応器120側とのアンモニア圧の差を長時間保持することができる。
上記の放熱が継続されて第1の熱交換型反応器20内のアンモニアが減少した場合には、系内のアンモニアを再び第1の熱交換型反応器20側に集め、第1の熱交換型反応器20における蓄熱材成形体32A及び32Bにアンモニアを固定化させることにより、熱輸送装置100を初期状態に再生させる。
再生の具体的な方法の例としては、バルブV1を開いた状態で、第1の熱交換型反応器20への上記所定の温度(例えば−30℃〜10℃)の熱媒体M1の流通を維持したまま、第2の熱交換型反応器120における熱媒体流路126に高温(例えば、60℃〜100℃)に維持された熱媒体M2を流通させる方法が好適である。
これにより、吸熱反応によって第2の熱交換型反応器120からアンモニアが脱離するとともに、第2の熱交換型反応器120側から第1の熱交換型反応器20側にアンモニアが輸送される。
第1の熱交換型反応器20に到達したアンモニアは、第1の熱交換型反応器20における反応室24内の蓄熱材成形体32A及び32Bに発熱反応により固定化される。
この発熱反応の維持は、例えば、第1の熱交換型反応器20への上記所定の温度(例えば−30℃〜10℃)の熱媒体M1の流通を維持することにより行われる。
なお、上記放熱及び再生では、反応器への熱の供給を熱媒体の流通により行う例を示したが、反応器への熱の供給は、不図示の温度調節機構によって行ってもよい。
図4は、アンモニア(NH3)及び水(H2O)の飽和蒸気圧曲線である。
図4に示すように、アンモニアは、水と比較して比較的低温においても高い飽和蒸気圧を示す。例えば、−30℃〜0℃の範囲においても大気圧レベル以上のアンモニア蒸気圧を確保できる。
このため、本発明の熱輸送装置によれば比較的低温(例えば、−30℃〜+30℃)の条件下においても、アンモニア蒸気の配管内流動に伴う圧力損失を抑えることができるので、熱輸送性に優れる。例えば、本実施形態の熱輸送装置によれば、長い距離(例えば1000mm〜5000mm、更には2000mm〜5000mm)の熱輸送を行うことができる。
このため、アンモニアガスを凝縮する凝縮器を必須の構成要素として備えたケミカル蓄熱装置(例えば、特開平6−109388号公報に記載のケミカル蓄熱装置)と比較して、以下の利点を有する。
即ち、本発明の熱輸送装置では、凝縮器を必須の構成要素とせず、気/液の相変化を制御する機構も必須ではないため、装置の構成を、2つ以上の反応器をアンモニア配管でつないだ簡易な構成とすることができる。
また、アンモニアガスを凝縮する凝縮器を必須の構成要素として備えたケミカル蓄熱装置では、凝縮器におけるアンモニアガスの圧力及び冷却温度の条件を、蒸気圧が高いアンモニアガスを凝縮(液化)させるのに十分な条件に調整する必要があり、動作条件が制約され易い(動作条件の選択の幅が狭くなり易い)。
これに対し、本発明の熱輸送装置では、凝縮器を必須の構成要素とせず、2つ以上の反応器をアンモニア配管でつないだ構成であるため、動作条件が制約されにくい。
次に、本発明における反応器に収納される蓄熱材の好ましい範囲について説明する。
前記蓄熱材は、配位反応によりアンモニアを固定化する化学蓄熱材、及び物理吸着によりアンモニアを固定化する物理吸着材の少なくとも一方を含むことが好ましい。
前記化学蓄熱材を含む蓄熱材を用いることで、反応器における蓄熱密度をより高くすることができるので、熱輸送装置全体としての蓄熱密度をより高くすることができる。従って、本発明における2つ以上の反応器のうち少なくとも1つは、アンモニアが脱離するときに蓄熱しアンモニアが配位反応により固定化されるときに放熱する化学蓄熱材を含む蓄熱材が収納された反応器であることが好ましい。また、化学蓄熱材は物理吸着材と比較して種類による蓄熱温度の差が大きいことから(後述の図5参照)、化学蓄熱材を含む蓄熱材が収納された反応器を用いることで、化学蓄熱材の種類の選定により熱輸送装置の作動温度や作動アンモニア圧等の動作条件の選択の幅を広げることができる。従って、熱利用の対象に合わせ、作動アンモニア圧や作動温度を広い範囲から選定できる。
一方、前記物理吸着材を含む蓄熱材を用いることで、反応器において、アンモニアの固定化及び脱離に要する熱量をより小さくすることができるので、熱輸送装置全体としての熱輸送の制御性がより向上する。従って、本発明における2つ以上の反応器のうちの少なくとも1つは、アンモニアが脱離するときに蓄熱しアンモニアが物理吸着により固定化されるときに放熱する物理吸着材を含む蓄熱材が収納された反応器であることも好ましい。
本発明において、2つ以上の反応器の具体的な組み合わせとしては、(1)化学蓄熱材を含む反応器と化学蓄熱材を含む反応器とを少なくとも有する組み合わせ(以下、「(1)の組み合わせ」ともいう)、(2)物理吸着材を含む反応器と物理吸着材を含む反応器とを少なくとも有する組み合わせ(以下、「(2)の組み合わせ」ともいう)、又は(3)物理吸着材を含む反応器と化学蓄熱材を含む反応器とを少なくとも有する組み合わせ(以下、「(3)の組み合わせ」ともいう)が好ましく、上記(1)の組み合わせ又は上記(3)の組み合わせがより好ましい。
特に、上記(1)の組み合わせ又は上記(3)の組み合わせでは、アンモニアの固定化及び脱離に要する熱量が相対的に大きい蓄熱材を含む反応器と、アンモニアの固定化及び脱離に要する熱量が相対的に小さい蓄熱材を含む反応器と、を組み合わせることがより容易となる。このため、蓄熱材の組み合わせの選択により、反応器間での反応熱量の差により、小さな熱入力で大きな熱出力を得ることができる。
上記(3)の組み合わせによれば、熱交換装置全体としては、化学蓄熱材を含む反応器によってより高い蓄熱密度が得られるとともに、物理吸着材を含む反応器によってアンモニアの固定化及び脱離の制御をより容易とすることができる。
更に、上記(3)の組み合わせでは、物理吸着材と比較してアンモニアの固定化及び脱離に要する熱量が大きい性質を有する化学蓄熱材と、化学蓄熱材と比較してアンモニアの固定化及び脱離に要する熱量が小さい性質を有する物理吸着材と、を用いる。このため、反応器間での反応熱量の差を利用して、物理吸着材を含む反応器側に小さい熱量の熱を供給する場合においても、化学蓄熱材を含む反応器側でより大きな熱量を放熱することができる。
例えば、アンモニア1molの固定化及び脱離に要する熱量は、化学蓄熱材(例えば、LiCl、MgCl2、CaCl2、SrCl2、BaCl2、MnCl2、CoCl2、NiCl2、等)では40kJ/mol〜60kJ/molであるのに対し、物理吸着材(例えば、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、シリカゲル、粘土鉱物、等)では、20kJ/mol〜30kJ/molである。
次に、前記化学蓄熱材の好ましい形態について更に詳細に説明する。
前記化学蓄熱材としては、反応器における蓄熱密度をより高くする観点からは、金属塩化物が好ましく、アルカリ金属の塩化物、アルカリ土類金属の塩化物、又は遷移金属の塩化物がより好ましく、LiCl、MgCl2、CaCl2、SrCl2、BaCl2、MnCl2、CoCl2、又はNiCl2が特に好ましい。
前記金属塩化物は、一種単独で用いてもよいし二種以上を併用してもよい。
蓄熱温度(℃)は、各金属塩化物について、アンモニアを脱離できる温度の一例を示している。蓄熱密度(kJ/kg)は、各金属塩化物1kg当たりがアンモニアの脱離により蓄熱できる熱量(kJ)を示している。
本実施形態においては、作動アンモニア圧や作動温度に合わせて、金属塩化物の種類を適宜選定することができる。従って、熱利用の対象に合わせ、作動アンモニア圧や作動温度を選定できる幅が広がる。
例えば、熱輸送装置の作動温度を低くする場合には、BaCl2、CaCl2、SrCl2を選択することができ、熱輸送装置の作動温度を高くする場合には、NiCl2を選択することができる。
本発明における蓄熱材が前記化学蓄熱材を含む場合、該蓄熱材は前記化学蓄熱材以外のその他の成分を含んでいてもよい。
その他の成分としては、アルミナ、シリカ等のバインダー成分、カーボンファイバー等の熱伝導補助材、等が挙げられる。
但し、本発明における蓄熱材が前記化学蓄熱材を含む場合において、蓄熱密度をより向上させる観点からは、蓄熱材中における前記化学蓄熱材の含有量は、60質量%以上が好ましく、80質量%以上がより好ましい。
前記成形の圧力としては、例えば、20MPa〜100MPaが挙げられ、20MPa〜40MPaが好ましい。
次に、前記物理吸着材の好ましい形態について更に詳しく説明する。
前記物理吸着材としては、多孔体を用いることができる。
前記多孔体としては、物理吸着によるアンモニアの固定化及び脱離の反応性をより向上させる観点からは、10nm以下の細孔を持つ多孔体が好ましい。
前記細孔のサイズの下限としては、製造適性等の観点から、0.5nmが好ましい。
前記多孔体としては、同様の観点より、平均1次粒子径50μm以下の1次粒子が凝集して得られた1次粒子凝集体である多孔体が好ましい。
前記平均1次粒子径の下限としては、製造適性等の観点から、1μmが好ましい。
前記活性炭としては、BET法による比表面積が800m2/g以上2500m2/g以下(より好ましくは1800m2/g以上2500m2/g以下)である活性炭が好ましい。
前記粘土鉱物としては、非架橋の粘土鉱物であっても、架橋された粘土鉱物(架橋粘土鉱物)であってもよい。前記粘土鉱物としてはセピオライト等が挙げられる。
本発明においては、作動アンモニア圧や作動温度に合わせて、物理吸着材(好ましくは前記多孔体)の種類を適宜選定することができる。
物理吸着によるアンモニアの固定化及び脱離の反応性をより向上させる観点からは、前記物理吸着材は活性炭を少なくとも含むことが好ましい。
前記水溶性バインダーとしては、ポリビニルアルコール、トリメチルセルロース、等が挙げられる。
その他の成分としては、カーボンファイバー等の熱伝導補助材、等が挙げられる。
前記成形の圧力としては、例えば、20MPa〜100MPaが挙げられ、20MPa〜40MPaが好ましい。
次に、前記熱交換型反応器における反応室(例えば、前記第1の熱交換型反応器20における反応室24、及び、前記第2の熱交換型反応器120における反応室124)の好ましい形態について、前記第1の熱交換型反応器20における反応室24を例として説明する。
前記第1の熱交換型反応器20における反応室24は、内壁が前記蓄熱材成形体32A及び32Bとの接触部分を有していることが好ましい。より好ましくは、反応室24の内壁と、前記蓄熱材成形体32A及び32Bにおける一方の主面と、が接触している形態(即ち、蓄熱材成形体が、反応室の内壁と、支持体表面と、によって挟持されている形態)である。
即ち、蓄熱材成形体32A及び32Bが、それぞれ、反応室24の内壁及び支持体34の表面との接触を保った状態となっていることが好ましい。
反応室24の内壁が前記蓄熱材成形体32A及び32Bとの接触部分を有する構成によれば、反応室24の内壁を通じ、第1の熱交換型反応器と蓄熱材成形体との間での熱交換をより効果的に行うことができる。また、一般に、蓄熱材成形体を繰り返し使用すると、アンモニアの固定化及び脱離により蓄熱材成形体が体積膨張収縮を繰り返し、蓄熱材成形体に割れ(クラックを含む)や微粉化が生じる場合があるが、上記構成によれば、この繰り返し使用時における蓄熱材成形体の割れ(クラックを含む)や微粉化をより効果的に抑制できる。
前記第2の熱交換型反応器120における反応室124の好ましい形態についても、前記第1の熱交換型反応器20における反応室24と同様である。
収納方法として、例えば、下記工程1〜工程3を含む方法が好適である。
(工程1)まず、アンモニアが固定化されていない蓄熱材成形体を2枚準備する。
具体的には、粉末状の蓄熱材を、加圧成形等により成形して蓄熱材成形体とする。
蓄熱材成形体の体積は、反応室の内壁及び支持体の表面によって確定される空間(蓄熱材成形体が充填されるべき空間)の体積よりも小さく、かつ、後述する工程3においてアンモニアを固定化させて体積膨張させたときに、蓄熱材成形体と反応室の内壁とが接する程度の体積に調整する。
(工程2)次に、工程1で準備した2枚の蓄熱材成形体によって支持体を挟んだ構成の積層体を準備し、該積層体を反応室に収納する。
(工程3)次に、反応室に収納された2枚の蓄熱材成形体に対してアンモニアを固定化させる。
以上の方法によれば、2枚の蓄熱材成形体がアンモニアの固定化により体積膨張する現象を利用して、2枚の蓄熱材成形体の表面を、反応室の内壁及び支持体の表面に効果的に接触させることができる。
ここで、一旦、蓄熱材成形体の表面と反応室の内壁とが接触すれば、その後、蓄熱材成形体からアンモニアが脱離する場合においても体積収縮は抑制される。この場合、前記接触が保たれたまま、蓄熱材成形体の内部からアンモニアが脱離する。
次に、本発明の効果をより効果的に奏する観点からみた、本発明の熱輸送装置の好ましい形態について説明する。
ここで、熱輸送装置の死容積とは、熱輸送装置内においてアンモニアが流通できる範囲の実効的な容積を表す。
本発明の熱輸送装置では、死容積の大部分はアンモニア配管の容積であるため、アンモニア配管における圧力損失(例えば、後述の図6)を許容できる範囲でアンモニア配管の容積を極力小さくし、熱輸送装置の死容積を極力小さくすることが望ましい。
死容積が上記範囲であると、熱輸送装置内を流通するアンモニアの量をより多く確保できるので、アンモニアの輸送性及び熱の輸送性がより向上する。更に、死容積を上記の範囲とすることで、初期作動時における、アンモニアの輸送及び熱の輸送の遅れをより効果的に抑制できる。
ここで、「1つの反応器が貯蔵できるアンモニアの最大量」とは、2つ以上の反応器のうちアンモニアを固定化できる量が最も多い反応器が固定化できるアンモニアの最大量を表す。また、「1つの反応器が貯蔵できるアンモニアの最大量」は、熱輸送装置に貯蔵されるアンモニアの全量と等しい量とすることが好適である。
例えば、本発明の熱輸送装置の一例として、2つ以上の反応器のうちアンモニアを固定化できる量が最も多い反応器において、当該反応器が固定化できる最大量のアンモニアの25℃1気圧における体積が当該反応器に収納されている蓄熱材の体積に対し100倍であり、かつ、当該反応器に当該最大量のアンモニアが貯蔵されている例では、熱輸送装置の死容積を当該最大量のアンモニアの25℃1気圧における体積に対し1%以下とすることにより、2つ以上の反応器を直結させた場合の熱輸送能力に対して90%以上の熱輸送能力を得ることが可能である。
本発明の熱輸送装置では蒸気圧が高いアンモニアの輸送に伴い熱を輸送するので、アンモニア配管の長さを、1000mm〜5000mm、更には2000mm〜5000mmとすることもできる。
アンモニア配管の好ましい内径については後述する。
本発明の熱輸送装置内のアンモニア圧(作動アンモニア圧)は、例えば、0.1atm〜10atmとすることができる。
アンモニア配管の内径が100mm以下であると、装置の大型化をより抑制できる。
装置の大型化をより抑制する観点からは、アンモニア配管の内径の上限を50mmとすることがより好ましく、アンモニア配管の内径の上限を30mmとすることが特に好ましい。
図6において、アンモニア配管の内径(mm)と圧力損失ΔP(単位:kPa)との関係は、アンモニア配管の条件を以下の条件としたときの試算例である。反応器に収納される蓄熱材の種類や量にもよるが、以下の条件によれば、例えば5kWの熱出力を得ることができる。
〜アンモニア配管の条件〜
・アンモニア配管の長さ:3000mm
・アンモニア配管内の温度:0℃
・アンモニア配管内のアンモニア流量:250L/min
・アンモニア配管の材質: SUS304
ΔP’=λ×(L/D)×(ρU2/2) … 式(A)
図7において、「φ3」、「φ5」、「φ7」、及び「φ10」は、それぞれ、内径3mm、内径5mm、内径7mm、及び内径10mmを表す。「φ3」、「φ5」、「φ7」、及び「φ10」の条件では、アンモニア配管の長さを3000mmとした。
図7において、「直結」は、2つの反応器を直結させたことを意味する。
熱輸送装置の構成は、前記熱輸送装置100の構成とした。
アンモニア配管10の材質はSUS304とした。アンモニア配管10の内径及び長さは前述のとおりとした。
蓄熱材成形体32A及び32Bのサイズは、15mm×15mm×厚み3mmとした。
蓄熱材成形体32A及び32Bは、活性炭(平均一次粒子径5μm、BET法による比表面積2000m2/g)を含む蓄熱材成形体とした。
支持体34としては、15mm×15mm×厚み0.5mmのステンレス多孔体シートを用いた。
熱媒体流路24の幅は1mmとした。
第1の熱交換型反応器20における反応室24の数は30室とし、熱媒体流路24の数は31とした。
第1の熱交換型反応器20及びヘッダ部材28の死容積は1Lとした。
第2の熱交換型反応器120及びヘッダ部材128の死容積は1Lとした。
具体的には、第1の熱交換型反応器20に対して0℃の熱媒体M1を流通させることにより、活性炭を含む第1の熱交換型反応器20からアンモニアを脱離させ、CaCl2を含む第2の熱交換型反応器120側にアンモニアを輸送し、第2の熱交換型反応器120においてアンモニアの固定化反応を起こさせ、熱媒体M2の温度を上昇させる操作を想定した。
このときの熱媒体M2の温度上昇速度(単位時間当たりの温度上昇量)から、熱出力(W)を求めた。熱出力(W)の最大値をピーク出力(W)とした。
例えば、本発明の熱輸送装置は、前記アンモニア配管に、更に、圧力調節機構が設けられていてもよい。
図8は、本発明の別の実施形態に係る熱輸送装置200を模式的に示した図である。
図8に示すように、熱輸送装置200では、アンモニア配管10に、圧力調整手段220が設けられている。
熱輸送装置200のその他の構成については前述の熱輸送装置100と同様である。
圧力調整手段220としては、外力により熱輸送装置200内におけるアンモニア圧の差を更に大きくする機能を有する手段を用いることができ、具体的には、圧送ポンプや圧縮機(コンプレッサー等)等、公知の手段を用いることができる。
熱輸送装置200では、バルブV1に加え、補助的に圧力調整手段220が設けられており、この圧力調整手段220を作動させることにより、アンモニアの輸送(即ち、熱の輸送)をより効果的に行うことができる。
なお、図8に示す熱輸送装置200では、圧力調整手段220がバルブV1に対し第1の熱交換型反応器20側に設けられているが、本発明における熱輸送装置が圧力調整手段を備える場合、圧力調整手段はアンモニア配管の少なくとも1箇所に設けられていれば特に制限はない。例えば、圧力調整手段220はバルブV1に対し第2の熱交換型反応器120側に設けられていてもよい。
その他の反応器としては、例えば、第1の熱交換型反応器20及び第2の熱交換型反応器120と同様に、アンモニアが脱離するときに蓄熱しアンモニアが固定化されるときに放熱する蓄熱材が収納された反応器を用いることができる。
20 第1の熱交換型反応器
120 第2の熱交換型反応器
24、124 反応室
26、126 熱媒体流路
30、40、130 積層体
32A、32B 蓄熱材成形体
34 支持体
36 波型プレート
100、200 熱輸送装置
V1 バルブ
220 圧力調整手段
Claims (14)
- アンモニアが脱離するときに蓄熱しアンモニアが固定化されるときに放熱する蓄熱材が収納された2つ以上の反応器と、
前記2つ以上の反応器を接続し前記2つ以上の反応器間でアンモニアを流通させるアンモニア配管と、
を備え、
前記2つ以上の反応器は、アンモニアが脱離するときに蓄熱しアンモニアが配位反応により固定化されるときに放熱する化学蓄熱材であってアンモニア1molの固定化及び脱離に要する熱量が40kJ/mol〜60kJ/molである化学蓄熱材を含む蓄熱材が収納された反応器と、アンモニアが脱離するときに蓄熱しアンモニアが物理吸着により固定化されるときに放熱する物理吸着材であってアンモニア1molの固定化及び脱離に要する熱量が20kJ/mol〜30kJ/molである物理吸着材を含む蓄熱材が収納された反応器と、を含み、
前記2つ以上の反応器間に生じたアンモニア圧の差を利用してアンモニアを一方から他方に輸送することにより熱を輸送し、
前記物理吸着材を含む蓄熱材が収納された反応器に熱が供給されることにより、前記化学蓄熱材を含む蓄熱材が収納された反応器から、前記供給された熱の熱量よりも熱量が大きい熱を放出する熱輸送装置。 - 前記アンモニア配管に弁が設けられ、該弁の開閉によりアンモニア圧の差を調節する請求項1に記載の熱輸送装置。
- 前記2つ以上の反応器は、前記蓄熱材との間で熱交換する熱媒体が流通する熱媒体流路を有する請求項1又は請求項2に記載の熱輸送装置。
- 前記2つ以上の反応器は、前記蓄熱材が収納された2つ以上の反応室と、少なくとも前記反応室間に配置され、前記蓄熱材との間で熱交換する熱媒体が流通する熱媒体流路と、を含む請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- 前記2つ以上の反応器のうち1つの反応器が固定化できる最大量のアンモニアの25℃1気圧における体積に対し、死容積が1%以下である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- 前記化学蓄熱材が金属塩化物である請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- 前記金属塩化物が、アルカリ金属の塩化物、アルカリ土類金属の塩化物、及び遷移金属の塩化物からなる群から選択される少なくとも1種である請求項6に記載の熱輸送装置。
- 前記物理吸着材が、活性炭、メソポーラスシリカ、ゼオライト、シリカゲル、及び粘土鉱物からなる群から選択される少なくとも1種である請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- 前記アンモニア配管が、更に圧力調整手段を有する請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- 前記アンモニア配管の長さが、1000mm〜5000mmであり、前記アンモニア配管の内径が、10mm〜100mmである請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- 前記化学蓄熱材を含む蓄熱材が収納された反応器は、前記化学蓄熱材を含む蓄熱材を含む蓄熱材成形体が収納された反応器である請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- 前記物理吸着材を含む蓄熱材が収納された反応器は、前記物理吸着材を含む蓄熱材を含む蓄熱材成形体が収納された反応器である請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- 前記化学蓄熱材を含む蓄熱材中における、前記化学蓄熱材の含有量が60質量%以上である請求項1〜請求項12のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
- 前記物理吸着材を含む蓄熱材中における、前記物理吸着材の含有量が80体積%以上である請求項1〜請求項13のいずれか1項に記載の熱輸送装置。
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