JPS6213971A

JPS6213971A - 排熱回収方法およびその装置

Info

Publication number: JPS6213971A
Application number: JP60154415A
Authority: JP
Inventors: 水島　朝香
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1985-07-12
Filing date: 1985-07-12
Publication date: 1987-01-22

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野この発明は工場排熱等各種排熱を有効利用するための排
熱回収技術に係り、特に低温排熱の回収を主眼とする排
熱回収方法および装置に関する。

従来技術とその問題点近年、省エネルギ一対策として工場排熱等を有効に利用
する方法が盛んに実施され、今日では省エネルギー化の
進展により回収利用の容易な高・中温レベルの排熱はほ
ぼ利用しつくされ、エネルギー節減に多大な効果を上げ
ている。一方、低温レベルの排熱は利用先も少なく、経
済性からもひきあわないことが多いため廃熱となってい
る。従って、この低温排熱の回収利用が今後の省エネル
ギーの重要課題となっている。

現在、鉄鋼業における低温排熱の回収技術としては、例
えば熱媒方式が知られている。この方式は排熱を利用し
てボイラー給水、燃料ガス、燃焼空気等を予熱するシス
テムであるが、利用温度が排熱温度より下がるため回収
率が低くかつ利用先も限定される欠点がある。また、低
温排熱よりフロンガスを介して発電するフロンタービン
発電方式があるが、この方式は設備が大がかりとなり経
済性に問題がある。一方、低温排熱を昇温して利用する
技術として、圧縮式または吸収式ヒートポンプを使用し
た方式が知られている。しかしながら、従来のヒートポ
ンプ方式では昇温幅が小ざく、さらに駆動エネルギーを
必要とすることからランニングコスト、設備費が高くつ
くため、産業用としての利用例は少なく、専ら民生用の
冷暖房用が主体である。

このように、瑛状の設備技術では工場の低温排熱を十分
に利用し得ていないのが実情である。

発明の目的この発明は従来の前記実情にかんがみなされたもので、
水素吸蔵合金を利用したヒートポンプを用いることによ
り従来技術の問題点を解決し、回収率が高く、適用光の
広い低温排熱回収システムを提案することを目的とする
ものである。　。

発明の構成この発明に係る排熱回収方法は、基本的には排熱源から
熱媒体により排熱回収を行ないつつ、その熱媒体の一部
を直接排熱利用流体と熱交換するとともに、熱媒体の残
部を水素吸蔵合金ヒートポンプに供給して昇温せしめ、
前記排熱利用流体と熱交換させる方式である。

すなわち、この発明方法は、排熱源の排熱を熱媒体によ
り回収し、その熱媒体を排熱利用流体と熱交換し、低温
となった熱媒体を再び排熱源の排熱回収に循環使用する
排熱回収方法において、前記熱媒体の一部を分流して水
素吸蔵合金ヒートポンプの作動流体として用い、該ヒー
トポンプにより昇温された熱媒体を先に熱交換された前
記排熱利用流体と熱交換させてさらに排熱利用流体を昇
温せしめることを特徴とするするものであり、また、こ
の発明方法を実施するための装置としては、排熱源の排
熱を排熱回収用熱交換器にて熱媒体により回収し、その
回収した熱媒体を排熱利用流体の予熱用熱交換器に供給
し、低温となった熱媒体を前記排熱源の排熱回収用熱交
換器に循環させるごとくなした排熱回収系に、水素吸蔵
合金ヒートポンプを分岐接続し、該ヒートポンプにて熱
媒体の一部を昇温し、前記予熱用熱交換器の下流側に連
設した昇温用熱交換器にこれを供給するごとく構成した
ことを特徴とするものである。

以下、この発明について詳細に説明する。

まず、この発明に係る水素吸蔵合金ヒートポンプについ
て簡単に説明する。

水素吸蔵合金は水素を金属水素化物の形で吸蔵する性質
を有しており、かつ水素吸蔵時に発熱し水素放出時に吸
熱する性質を有する。この発明に係るヒートポンプはこ
の水素吸蔵合金を充填した容器を熱交換器として利用し
たものであり、合金を適当に選定することにより圧縮式
や吸収式ヒートポンプにない優れた特徴を持っている。

すなわち、■排熱源の利用温度限界が高い（多様な排熱
源に合わせた設計が可能）、■作動温度域が広く昇温幅
が大きい、■駆動エネルギーがほとんど不要であるとい
う利点を有する。他方、問題点としては■熱回収が間歇
的で回収率が低い、■水素吸脱反応をスムーズに行なう
ためには最適温度設定が必要で、かつ反応熱の迅速処理
の必要等があり、水素吸蔵合金ヒートポンプ単体設計の
みでは実用化が困難である。この発明では熱媒体との組
合せシステムにより前記問題点を解決し、低温排熱の回
収にすぐれた効果を発揮する排熱回収システムを開発し
た。

第１図はこの発明方法を実施するための装置構成例を示
す概略図である。

図中、（１）は排熱源（９）の排熱を熱媒体により回収
するための排熱回収用熱交換器、（２）（１１）は熱媒
槽、（３）　　（１３）は循環ポンプ、（４）は熱媒体
管路、（５）は排熱利用流体（１５）を予熱するための
予熱用熱交換器、（６〉は予熱用熱交換器（５）を出た
排熱利用流体（１５）の昇温用熱交換器、（７Ａ）　（
７Ｂ）は分岐管路、（８Ａ）は水素吸蔵合金ヒートポン
プの高温側熱交換器で、（Ａ−１）　（Ａ−２）は水素
吸蔵合金が充填されている反応容器、（８Ｂ）は同じく
水素吸蔵合金と−トポンプの低温側熱交換器で（Ｂ　−
１）（Ｂ−２）も同じく水素吸蔵合金が充填されている
反応容器、（１０−１）（１０−２）は水素導管、（１
４）は冷却媒体（１６）の冷却用熱交換器をそれぞれ示
す。すなわちここでは、高温側熱交換器（８Ａ）の反応
容器（Ａ−１）　（Ａ−２）は低温側熱交換器（８Ｂ）
の反応容器（Ｂ−１）　（Ｂ−２）とそれぞれ水素導管
（１０−１）（１０−２）で連結されて２系列の水素吸
蔵合金ヒートポンプを構成し、ヒートポンプ（Ａ−１）
−（Ｂ−１）はヒートポンプ（Ａ−１）−（Ｂ−２）と
出力−再生の１サイクルを交互に半サイクルずらして運
転されるようになっている。

なお、水素吸蔵合金を用いた熱交換器としては、例えば
第２図に示すごとく高温側熱交換器では、熱媒体入口（
２１）および出口（２２）が設けられたシェル（２０）
内に複数本の水素吸蔵合金充填チューブ（２３）が平行
に配設され、該充填チューブ（２３）の同一方向を集合
ヘッダ（２４）に接続し、さらに集合ヘッダ（２４）に
水素導管（２５）が連結された構造の熱交換器（２６）
を用いることかできる。この熱交換器の場合は、熱媒体
入口（２１）からシェル（２０）内に導入された熱媒体
（２７）が出口（２２）から流出する一方、水素導管（
２５）から圧力差（Ｐｌ−（転）により水素（２８）を
吹込み水素吸蔵合金（２９）に吸蔵させることにより水
素吸蔵反応に伴う発熱によって水素吸蔵合金（２９）が
昇温し、充填チューブ（２３）の壁面伝熱によって熱媒
体（２７）が加熱される。次に、上記水素吸蔵反応を終
了し水素吸蔵合金（２９）に水素を吸蔵させた状態にお
いて、水素導管内を金属水素化物の解離圧より低い圧力
に減圧すると圧力差（Ｐ、−Ｐ、）により熱媒体（２７
）より吸熱しつつ水素を放出して水素化のほとんどない
最初の状態に復帰する。

作　　　用上記製画において、排熱源（９）の排熱は熱交換器（１
）に通流される熱媒体により連続的に回収されていった
ん熱媒槽（２）に貯留され、循環ポンプ（３）にて熱媒
体管路（４）を経由して、一部が予熱用熱交換器（５）
に導入されて排熱利用流体（１５）を予熱する一方、残
部は分岐管路（７Ａ）を経由してヒートポンプの高温側
熱交換器（８Ａ）に導入される。

高温側熱交＠器（８八）では、反応容器（Ａ−１）に導
入された熱媒体が加熱されて昇温用熱交換器（６）に導
入される。熱交換を終了した熱媒体は分岐管路（７Ｂ）
を経由して低温側熱交換器（８Ｂ）反応容器（Ｂ−１）
に導入され、これを熱源として該反応容器（８−１）よ
り放出された水素が水素導管（１０−１）より反応容器
（Ａ−１）に導入されることにより発生する水素吸蔵反
応に伴う発熱によって該反応容器（Ａ−１）を流通する
熱媒体が加熱され、高温熱媒体管路（１１Ａ）を経由し
て昇温用熱交換器（６〉に導入され排熱利用流体（１５
）をざらに昇温する。この間、高温側熱交換器（８Ａ）
の反応容器（へ−？）では、分岐管路（７Ａ）より導入
される熱媒体より吸熱しつつ水素を放出し、放出された
水素は水素導管（１０−２）より低温側熱交換器（８Ｂ
）の反応容器（Ｂ−２）へ導入され、分岐管路（７Ｃ）
より循環ポンプ（１３）にて導入される冷却媒体（１６
）により冷却されつつ前記水素を吸収する（再生サイク
ル）。　以上の動作を交互に繰返して運転することによ
り排熱の回収利用が連続して行なわれる。

なお、低温側熱交換器（８Ｂ）の反応容器（Ｂ−１）（
８−２）に導入された熱媒体は水素の放出反応に伴う吸
熱によりざらに冷却され、低温熱媒体管路（１２Ｂ）よ
り排熱源（９）の排熱回収用熱交換器（１）へ導入され
る。

第３図は水素吸蔵合金とヒートポンプのサイクル線図を
例示したもので、Ｔ１は低温側熱交換器（８８）に導入
される熱媒体の温度、Ｔ２は高温側熱交換器（８Ａ）に
導入される熱媒体の出力温度、Ｔ８は同じく高温側熱交
換器（８＾）に導入される熱媒体自体の温度、上は冷却
用熱交換器（１４）を出た冷却媒体温度（大気温度）を
示す。

また、第４図はヒートポンプ出口熱媒体温度モデルを示
すもので、昇温用熱交換器（６）へは熱媒体を一時熱媒
槽（１７）に貯留して温度を平均化して回す。

発明の詳細な説明したごとく、この発明は排熱源の排熱を熱媒体に
より回収し、その熱媒体の一部を直接排熱利用流体に熱
交換し、熱媒体の残部を水素吸蔵合金ヒートポンプの作
動流体として用いることによりさらに昇温しで排熱利用
流体と熱交換させる方法であるから、排熱回収・利用率
を大幅に向上させることができる。

すなわち、排熱量が大量であってもその排熱の温度が低
ければ従来設備技術では回収・利用に限界がある。例え
ば、熱媒による燃料ガス予熱システムで琲熱回収量Ｑｌ
、ガス予熱熱量Ｑ２．排熱回収系の熱的ロスをＬとする
と、 α＝０２＋−Ｌとなる。ここで、Ｑｌは限界排熱回収ｆｉＱｔからみて
過少であっても排ガス温度が低いため、Ｑ２はこれ以上
大きくとれない。従って、排熱余力Ｑ’ｓ　　Ｑｔを利
用して水素吸蔵合金ヒートポンプでこの予熱ガスの昇温
を行うと、Ｑｌ−＝　Ｑ２＋Ｑｇ＋−１− Ｑ３：予熱後ガスの昇温に要した熱量Ｌ′：排熱回収系の熱的ロスとなる。

以上の結果として、排熱源に余力のある場合、回収利用
率（Ｑ３／　Ｑ２Ｘ　１００％）を向上できる。

また、この発明における水素吸蔵合金ヒートポンプは高
昇温型であるため、例えば排熱源の温度が２００°Ｃと
低温であっても排熱回収した熱媒体の温度を３００℃に
昇温させることが可能であり、排熱利用先が広くなる。

また、運転時の駆動エネルギーは、熱媒体循環用のポン
プ動力のみであるから小さく、ランニングコストを低減
できる。また、と−トポンプ単体システムに比べて排熱
回収・輸送の熱媒体システムを利用できるので、設備コ
ストの低減効果も大きい。さらに、熱媒体を水素吸蔵合
金ヒートポンプの作動流体として用いたことにより、水
素吸蔵合金の最適温度コントロールが可能となり、水素
吸蔵反応もスムーズに行われる効果を有する。

従って、この発明によれば、これまで十分に利用し得て
なかった低温排熱をより有効利用することが可能となり
、省エネルギーに大なる効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明方法を実施するための装置構成例を示
す概略図、第２図は水素吸蔵合金を用いた熱交換器の一
例を示す概略図、第３図は水素吸蔵合金とヒートポンプ
のサイクル線図、第４図はヒートポンプ出口熱媒体温度
モデルを示す図である。１・・・熱交換器、４・・・熱媒体管路、５・・・予熱
用熱交換器、６・・・昇温用熱交換器、７Ａ、　７Ｂ・
・・分岐菅路、８Ａ−−・高温側熱交換器、８Ｂ・・・
低温側熱交換器、９・・・排熱源、１０−１．１０−２
・・・水素導管、Ａ−１，八−２、Ｂ　−１、Ｂ−２・
・・反応容器。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）排熱源の排熱を熱媒体により回収し、その熱媒体
を排熱利用流体と熱交換し、低温となった熱媒体を再び
排熱源の排熱回収に循環使用する排熱回収方法において
、前記熱媒体の一部を分流して水素吸蔵合金ヒートポン
プの作動流体として用い、該ヒートポンプにより昇温さ
れた熱媒体を先に熱交換された前記排熱利用流体と熱交
換させてさらに排熱利用流体を昇温せしめることを特徴
とする排熱回収方法。
（２）排熱源の排熱を排熱回収用熱交換器にて熱媒体に
より回収し、その回収した熱媒体を排熱利用流体の予熱
用熱交換器に供給し、低温となった熱媒体を前記排熱源
の排熱回収用熱交換器に循環させるごとくなした排熱回
収系に、水素吸蔵合金ヒートポンプを分岐接続し、該ヒ
ートポンプにて熱媒体の一部を昇温し前記予熱用熱交換
器の下流側に連設した昇温用熱交換器にその昇温した熱
媒体を供給するごとく構成したことを特徴とする排熱回
収装置。