エバラ時報 No. 241(2013-10) ─ ─ 3 1.は じ め に わが国の工場から排出される排熱は,平成12 年度調査 では,100℃以上のガス排熱,40℃以上の温水排熱が,年 間1110 PJあると推計され,そのうち100℃未満の温水, 250℃未満のガスは,温度が低いため,エネルギーとして工 場内での再利用が難しいとされている 1) 。著者らは,60 ~ 99℃の温水排熱と200℃未満のガス排熱の合計 743 PJ/ 年 1) を対象に,吸収ヒートポンプで使い勝手のよい高温・ 高圧の蒸気に昇温して有効利用することを目標に開発 を進めている。わが国の工場における蒸気の消費量は 1 360 PJ/ 年 2) と,総排熱量以上に膨大な熱量を必要とし ており,前述の排熱 743 PJ/ 年を全て回収しても利用可能 である。 排熱を有効に利用する技術である吸収ヒートポンプ 3) については,熱交換器の仕様に関するシミュレーション 4) , 太陽熱を利用したヒートポンプの検討 5,6) ,サイクルの理 論解析とシミュレーションによる最適化 7) ,実験装置に よる性能試験と解析 8) などが報告されている。 吸収式ヒートポンプは,単段昇温型(媒体:水 /LiBr) が製品化されており,性能評価指標であるCOP(昇温熱 量 / 投入排熱量)が 0.5 に近く,エクセルギー効率も高い が,生成蒸気温度の上限は120℃程度となっている。工 場で使用する蒸気は,蒸気配管のサイズを抑えるため, 少なくとも0.5 MPa(abs)以上の蒸気(飽和温度で表 示すると150℃以上の蒸気)の要求があるが,低温排熱 を利用して吸収式ヒートポンプで150℃以上の高温蒸気 を生成するには,機器を多段に組合せて昇温する必要が ある。 一方,吸収ヒートポンプの蒸気生成温度を上げていく と,ヒートポンプの缶胴内圧が大気圧を超えて法規制の 対象となり,定期点検時には開放点検が必要になる。吸 収ヒートポンプは作動媒体の特性上,缶胴の大気開放を 避けたいため,本開発では缶胴内圧が大気圧未満で高温 (150℃蒸気)を得ることができるサイクルを検討した。 また,3 段昇温の吸収ヒートポンプによって,80℃程度の 温水を駆動源として150℃の高温蒸気を発生する実用的 なサイズの試験装置を設計製作し,運転試験を実施して その有効性を確認した。排熱から蒸気を生成することで, 既設ボイラの負荷を軽減し,ボイラで消費する化石燃料 を削減することができる。導入イメージを図1 に示す。 〔論文〕 多段昇温型蒸気生成吸収ヒートポンプの開発 福 住 幸 大 * 山 田 宏 幸 * 入 江 智 芳 * 井 上 修 行 ** * 荏原冷熱システム㈱ ** 早稲田大学 基幹理工学部 工学博士 Steam Generation by a Three-stage Temperature Boosting Absorption Heat Pump by Yukihiro FUKUSUMI, Hiroyuki YAMADA, Tomoyoshi IRIE, & Naoyuki INOUE Heat sources, such as hot water of 100°C or less and waste gas of 250°C or less emitted from plant processes, are often wasted because their temperature is too low to be utilized. We have developed a three-stage temperature boosting absorption heat pump and built a test apparatus based on it that boosts the waste heat temperature to generate 150°C steam. An operation test of the apparatus has been conducted to verify its effectiveness. Maintaining the shell pressure below the atmospheric pressure during operation ensures exemption from regulations for pressure vessels and significantly reduces the burden of periodic inspection. By generating steam from waste heat, the heat pump is expected to reduce the load on existing boilers and to decrease fossil fuel consumption in the boilers. Keywords: Waste heat, Waste hot water, Steam generation, Absorption heat pump, Multi-stage, Temperature boosting, Co-generation system
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Steam Generation by a Three-stage Temperature Boosting Absorption Heat Pump
by Yukihiro FUKUSUMI, Hiroyuki YAMADA, Tomoyoshi IRIE, & Naoyuki INOUE
Heat sources, such as hot water of 100°C or less and waste gas of 250°C or less emitted from plant processes, are often wasted because their temperature is too low to be utilized. We have developed a three-stage temperature boosting absorption heat pump and built a test apparatus based on it that boosts the waste heat temperature to generate 150°C steam. An operation test of the apparatus has been conducted to verify its effectiveness. Maintaining the shell pressure below the atmospheric pressure during operation ensures exemption from regulations for pressure vessels and significantly reduces the burden of periodic inspection. By generating steam from waste heat, the heat pump is expected to reduce the load on existing boilers and to decrease fossil fuel consumption in the boilers.
Keywords: Waste heat, Waste hot water, Steam generation, Absorption heat pump, Multi-stage, Temperature boosting, Co-generation system