JP6044236B2 - 給湯装置 - Google Patents
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Description
従来から提案されている一対の吸着器、凝縮器、及び蒸発器を備えたシステム構成において、吸着器に代えて化学蓄熱器を利用した構成にすると、化学蓄熱器の化学蓄熱材において発現する多大な吸発熱の利用が可能になるため、給湯温度に応じた給湯効率の改善が図れると共に、外部から供給しなければならない熱エネルギー(顕熱)を軽減することができるとの知見である。
熱媒を蒸発させる蒸発器と、蒸発器から熱媒が供給され、供給された熱媒を吸着する吸着器と、蒸発器から熱媒が供給され、供給された熱媒が固定化されるときに該熱媒の蒸発潜熱以上の反応熱を放出し、該熱媒が脱離するときに蓄熱する化学蓄熱材を備え、吸着器の再生温度以上の熱を吸着器に放熱可能な蓄熱反応器と、吸着器から熱媒が供給され、供給された熱媒を凝縮する凝縮器と、吸着器、蓄熱反応器、及び凝縮器の少なくとも1つと熱的に接続されて熱交換することで給湯する給湯部と、を設けて構成されたものである。
吸着器は凝縮器と接続され、吸着器に蓄熱反応器での反応熱が加えられると、吸着器に吸着されている熱媒が脱離する。脱離した熱媒は凝縮器で凝縮され、その凝縮熱は温水として回収される。さらに、吸着器において熱媒脱離が終了し完全に再生すると、吸着器は蒸発器と接続される。蒸発器において反応熱を利用して気化した熱媒が吸着器に供給され吸着されると、その吸着熱(温熱)は、温水として回収される。すなわち、例えば蓄熱反応器で100の反応熱を得た場合を考えると、例えば100の反応熱を吸着器に与えて熱媒を脱離、凝縮させることで凝縮熱を得て100の温水が生成される。さらに、蒸発器と吸着器とを接続し、吸着器に気化した熱媒を供給して吸着熱を得ることで、100の温水が生成される。このように、熱と熱媒のやり取りを繰り返し行なうことで、化学蓄熱材の反応で蓄熱反応器に生成される熱エネルギー(反応熱Q)から(顕熱を無視した場合)温水を従来の2倍量取り出すことが可能になる。
なお、吸着器の再生とは、吸着器の吸着材に吸着している熱媒を、熱の付与により吸着材から脱離(脱着)することをいい、再生温度は、吸着材から脱離が起きる温度である。
このような態様によると、蒸発器での蒸発潜熱を利用して、その反応熱分に相当する吸着熱で温水を生成し、反応熱の一部を利用して吸着材の再生を行ない、脱着熱に相当する凝縮熱でその反応熱分に相当する凝縮熱で温水を生成するので、蓄熱反応器で得られた反応熱Qの無駄を省き、所望の給湯温度に対応する必要な熱量での給湯が行なえる。したがって、蓄熱反応器での反応熱より低い所望温度の給湯に必要な熱量を多く確保できる効果(増熱効果)があり、給湯量が増す。
化学蓄熱材を再生するときには、外部熱源により高温で加熱されるため(例えばCa(OH)2の脱水反応では約400℃程度)、顕熱ロスが生じやすいが、この顕熱を有効に利用することで熱効率が向上し、給湯効率(COP)の点で有利である。
また、従来は熱の利用効率を高めるため貯湯槽を設けた例があるが、貯湯槽では放熱による顕熱ロス(熱エネルギー損失)が大きいのに対し、化学蓄熱材を利用した蓄熱では、バルブ等で熱媒移動が遮断される限り、半永久的に熱エネルギーを保持することが可能である。例えば一般に使用される貯湯槽に比べて約150倍の蓄熱密度を達成することができる。
CaO + H2O ⇔ Ca(OH)2 ・・・(a)
またこれに、蓄熱量、発熱量Qを併せて示すと、以下のようになる。
CaO + H2O → Ca(OH)2 + Q ・・・(b)
Ca(OH)2 + Q → CaO + H2O ・・・(c)
MgCl2・2NH3+ 4NH3 ⇔ MgCl2・6NH3 + Q1[kJ] …(1)
金属塩化物の種類は、アンモニア圧や温度に合わせて適宜選定することができる。したがって、熱利用の対象に合わせ、アンモニア圧や温度を選定できる幅が広がる。
また、アンモニアを熱媒とする系は、氷点下での運転が可能である。この場合、アンモニアの吸着温度が低い場合は、BaCl2、CaCl2、SrCl2を選択することができ、アンモニアの吸着温度が比較的高い場合は、MgCl2、MnCl2、CoCl2、NiCl2を選択することができる。
成形方法については、特に限定はなく、例えば、化学蓄熱材及び必要に応じてバインダー等の他の成分を含む蓄熱材(又は蓄熱材を含むスラリー)を、加圧成形、押出成形等の公知の成形方法を適用することができる。成形時の圧力は、例えば20〜100MPaとすることができ、20〜40MPaが好ましい。
外部熱源60としては、燃料を燃焼して加熱する燃焼器、電気ヒータ等のヒータ類などを使用することができる。
吸着材の比表面積は、BET法による比表面積で500m2/g以上2500m2/g以下(より好ましくは1000m2/g以上2500m2/g以下)であることが好ましい。
また、吸着材及びバインダーに加えて、必要に応じて、他の成分を含有していてもよい。他の成分の例として、カーボンファイバーや金属繊維等の熱伝導性無機材料等が挙げられる。
蓄熱反応器10と給湯部50とは、熱交換管14を介して熱的に接続されている。蓄熱反応器10の化学蓄熱材が熱媒と発熱反応を起こすと、その反応熱を熱交換管14を介して直接熱交換に利用し、給湯部において高温の給湯を迅速に行なえるようになっている。
吸着器20と給湯部50とは、熱交換管22を介して熱的に接続されている。吸着器20に熱媒が吸着すると、その吸着熱を熱交換管22を介して水と熱交換し、給湯部において温水を給湯できるようになっている。
また、凝縮器30と給湯部50とは、熱交換管46を介して熱的に接続されている。凝縮器30に熱媒が供給されて凝縮されると、その凝縮熱を熱交換管46を介して水と熱交換し、給湯部において温水を給湯することができる。
CaO + H2O(熱媒) → Ca(OH)2+ Q[反応熱]
反応熱Q>>(蒸発器30の吸熱)
本実施形態では、蓄熱反応器10と蒸発器30とを接続し、吸着器20と凝縮器40とを接続する。蒸発器30では、熱媒である水を蒸発させて水蒸気を生成すると、吸熱が生じる。生成した水蒸気(熱媒)が供給されると、蓄熱反応器10では反応熱Qを生成する。蓄熱反応器10での反応熱Qが吸着器20に加えられると、吸着器20に吸着されている熱媒が脱離する。脱離した熱媒は、凝縮器40に送られ、凝縮器で凝縮される。この凝縮熱は、熱交換管46を介して水と熱交換し、給湯部50において温水として回収される。凝縮器で凝縮された熱媒は、凝縮器40から熱媒流通管48を流通して、蒸発器30に戻される。
次いて、吸着器20に吸着している熱媒が完全に脱離し吸着器20の再生が完了すると、吸着器20と蒸発器30とを接続し、蒸発器30から吸着器20に水蒸気(熱媒)が供給される。吸着器20では、供給された水蒸気が吸着すると、吸着熱(温熱)を生成し、生成した吸着熱は熱交換管22を介して水と熱交換し、給湯部50において温水として回収される。
本実施形態では、例えば蓄熱反応器10で100の反応熱Qを生成した場合を考えると、上記のように、例えば100の反応熱Qを吸着器20に与え、熱媒を脱離させ、脱離した熱媒を凝縮器40で凝縮させることで、100の凝縮熱を得て温水を生成する。さらに、蒸発器30から水蒸気(熱媒)を吸着器20に供給することで、100の吸着熱を得て温水を生成する。このようにして、化学蓄熱材10での発熱反応で蓄熱反応器に生成される熱エネルギー(反応熱Q)から、従来の2倍量の温水を取り出すことが可能になる。
以上のように、本実施形態の給湯システムでは、顕熱ロスが少なく熱の利用効率に優れており、給湯温度に応じて効率の良い給湯が行なえる。
(a)水源→吸着器20との熱交換→給湯(図3)
(b)水源→凝縮器40との熱交換→給湯(図2)
(c)水源→蓄熱反応器10との熱交換→給湯(図4)
(d)水源→吸着器20との熱交換(図3)→蓄熱反応器10との熱交換→給湯(図5)
(e)水源→凝縮器40との熱交換(図6)→蓄熱反応器10との熱交換→給湯(図5)
このとき、水(熱媒)の反応量を1[mol]、水とCaOとの反応熱Qを113[kJ/mol]、水の蒸発潜熱を45[kJ/mol]とすると、各器では下記の熱が生成する。
蒸発器(冷熱):45[kJ]
蓄熱反応器(温熱):113[kJ]
ここで、冷熱温度を25℃とする。ここでは、水での熱交換を想定し90℃での取り出しを想定する。凝縮器40と吸着器20とを接続し、蓄熱反応器で生成した反応熱113[kJ]と温度90℃の温水とを吸着器20に投入する。吸着器20は、給湯温度45℃から90℃まで昇温させるものとする。凝縮器40では、吸着器での昇温に対応する凝縮熱が発生するため、給湯部50において給湯温度45℃の温水を回収する。吸着熱を45[kJ/mol]、吸着器20の熱容量を0.5[kJ/℃]とすると、吸着器で脱離した水量は1.95[mol]となる。各器での熱のやり取りは、
吸着器(吸着熱+顕熱):113[kJ]
凝縮器(凝縮熱):88[kJ]
なお、蒸発器30では、水蒸気(熱媒)の供給に伴ない冷熱が発生するため、熱交換管36を介して熱的に接続されているエアコン室外機等の冷熱機器(冷熱需要)に対し、冷熱の利用が可能である。
このときの熱のやり取りは以下の通りである。
吸着器(吸着熱+顕熱):113[kJ]
蒸発器(冷熱):88[kJ]
消費した熱エネルギー:113[kJ]×N1
生成した熱エネルギー(温熱):201[kJ]×N1
よって、この給湯モードの場合、蓄熱した熱量に対して、COP=1.78での給湯が可能であることが分かる。また、このときの冷熱生成COPは、下記のようになる。
冷熱生成COP=(45[kJ]+88[kJ])/(113[kJ])
=1.18
この給湯モードでは、図4に示すように、バルブV1を開き(バルブV2〜V4は閉状態)、蒸発器30と蓄熱反応器10とを接続し、蒸発器からの水蒸気(熱媒)の供給により蓄熱反応器で発熱反応させる。その後、この反応熱を給湯部50において直接熱交換し、高温にて給湯する。この場合、上記の給湯モード(c)で蓄熱反応器との間の熱交換により直接給湯を行なうほか、給湯モード(d)〜(e)のように、給湯モード(a)や(b)で得られた温水をさらに蓄熱反応器との間の熱交換により昇温して給湯してもよい。
この給湯モードでは、図5に示すように、バルブV2を開き(バルブV1、V3、V4は閉状態)蓄熱反応器10と凝縮器40とを接続し、燃焼器である外部熱源60からの熱で蓄熱反応器10を加熱する。加熱温度は、化学蓄熱材の再生温度に照らし、例えば450℃とすることができる。蓄熱反応器の化学蓄熱材の再生温度の450℃まで昇温するのに必要な顕熱をQ1[kJ]とすると、下記の「(113[kJ]×N1)+Q1[kJ]」のうち、45[kJ]×N1の熱を凝縮熱として給湯に利用することができる。
蓄熱反応器:(113[kJ]×N1)+Q1[kJ]
凝縮器:45[kJ]×N1
この給湯モードでは、高温の給湯あるいは多量の給湯が必要な場合に、外部熱源を利用して蓄熱作用を行なうものである。すなわち、外部熱源60からの熱を蓄熱反応器10に投入して化学蓄熱材を再生し蓄熱する。このとき放出される熱媒を凝縮器40で凝縮し、この凝縮熱を給湯部50において水と熱交換し、温水として回収する。その後は、蓄熱反応器の化学蓄熱材は再生されているため、化学蓄熱材の反応熱を中心とした熱利用が可能である。
具体的には、図6に示すように、バルブV4を開き(バルブV1〜V3は閉状態)、吸着器20と凝縮器40とを接続し、回収した顕熱Qを熱交換管12を介して吸着器20に与える。吸着器20は、吸着されている熱媒を脱離し、脱離した熱媒は凝縮器40に送られ凝縮される。ここで生成した凝縮熱を給湯部50において水と熱交換し、温水として回収する。この給湯モードでは、回収した顕熱113[kJ]、温度90℃の温水を吸着器20に投入する。吸着器20は、給湯温度45℃から90℃まで昇温させるものとする。凝縮器40では、吸着器での昇温に対応する凝縮熱が発生するため、給湯部50において給湯温度45℃の温水を回収する。吸着熱を45[kJ/mol]、吸着器20の熱容量を0.5[kJ/℃]とすると、吸着器で脱離した水量は1.95[mol]となる。各器での熱のやり取りは、
吸着器(吸着熱+顕熱):113[kJ]
凝縮器(凝縮熱):88[kJ]
図5と図6の給湯モードを繰り返し行なうことで、給湯効率が高められる。
図5及び図6の給湯モードを繰り返し、N2[回]の操作を行なって蓄熱反応器の顕熱の回収が全て完了したとすると、以下に示す温熱[kJ]が生成する。
顕熱回収による熱エネルギー:113[kJ]×N2
生成した熱エネルギー(温熱):(45[kJ]×N1)+(201[kJ]×N2)
投入した熱エネルギー:113[kJ]×(N1+N2)
生成した熱エネルギー(温熱):(246[kJ]×N1)+(201[kJ]×N2)
よって、エネルギーの消費効率を示すCOP(Coefficient Of Performance)値は、下記式で表される(式中、N1=400回、N2=100回)。
このように、外部熱源を利用した給湯システムにおいて、高効率な給湯が可能となる。
COP={(45[kJ]×N1)+(201[kJ]×N2)}/(113[kJ]×N2)
=3.37
冷熱生成COP=(蒸発器の冷熱生成量)/(顕熱量)
=(88[kJ]×N2)/(113[kJ]×N2)
=0.78
また、総蓄熱量は、下記の通りである。
総蓄熱量=N1×113[kJ]=400×113[kJ]=45[MJ]
蓄熱量0[MJ]から完全に再生を行なう場合、56.25[MJ]の熱を投入する。給湯需要(風呂を想定)に対して28[MJ]を利用することとし、11.25[MJ]の顕熱回収時の増熱作用で風呂を沸かすとすると、
11.25[MJ]×3.37 = 約38[MJ]
となり、28[MJ]の給湯が可能である。残りの10[MJ]で暖房利用が可能である。同時に、11.25[MJ]×0.78=約8.8[MJ]の冷房が利用可能になる。
顕熱回収時に風呂を沸かすとすると、図8の斜線部分を補うことが可能であるため、給湯と冷房又は暖房とを同時に利用する際に蓄熱反応器の再生を行なうことが望ましい。仮に冷暖房のエネルギーが不足するときは、蓄熱反応器から賄うことが望ましい。
給湯需要(風呂を想定)に対して28[MJ]を利用することにすると、
28[MJ]/1.78(温熱生成COP)=15.7[MJ]
の蓄熱エネルギーが放出されると同時に、
15.7[MJ]×1.18(冷熱生成COP)=18.5[MJ]
の冷熱利用が可能になる。ここで、45[MJ]の蓄熱がなされていた場合、図9に示されるように、冷房利用時、冷暖房利用なしの時は、約3日分の給湯と冷房が可能である。つまり、顕熱回収を含めて4日に1度、冷房利用時に蓄熱することが望ましい。
また、暖房利用時は、温熱を60+28=88[MJ]の利用となるため、88[MJ]/1.78(温熱生成COP)=49.4[MJ]となり、一回の蓄熱では1日分を賄えない場合があるが、いずれのタイミングで蓄熱し顕熱回収しても高効率なため、蓄熱量が0に近づいたときに蓄熱すればよい。
20・・・吸着器
30・・・蒸発器
40・・・凝縮器
50・・・給湯部(給湯需要)
60・・・熱源
70・・・冷熱機器(冷熱需要)
Claims (14)
- 熱媒を蒸発させる蒸発器と、
前記蒸発器から熱媒が供給され、供給された熱媒を吸着する吸着器と、
前記蒸発器から熱媒が供給され、供給された熱媒が固定化されるときに該熱媒の蒸発潜熱以上の反応熱を放出し、該熱媒が脱離するときに蓄熱する化学蓄熱材を備え、前記吸着器の再生温度以上の熱を前記吸着器に放熱可能な蓄熱反応器と、
前記吸着器から熱媒が供給され、供給された熱媒を凝縮する凝縮器と、
前記吸着器、前記蓄熱反応器、及び前記凝縮器の少なくとも1つと熱的に接続されて熱交換することで給湯する給湯部と、
を備えた給湯装置。 - 更に、前記蓄熱反応器の前記化学蓄熱材を加熱する熱源を備えた請求項1に記載の給湯装置。
- 前記吸着器は、前記蒸発器から前記蓄熱反応器に熱媒が供給されて前記蓄熱反応器から放出された反応熱で加熱されたときに熱媒を脱離し、かつ前記蒸発器から供給された熱媒を吸着し、前記給湯部は、前記吸着器の吸着熱を水と熱交換することで給湯し、
前記凝縮器は、前記吸着器から脱離した熱媒を凝縮し、かつ前記給湯部は、前記凝縮器での凝縮熱を水と熱交換することで給湯する請求項1又は請求項2に記載の給湯装置。 - 前記蒸発器から前記蓄熱反応器に熱媒が供給され、前記給湯部は、前記蓄熱反応器から放出された反応熱を水と熱交換することで給湯する請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の給湯装置。
- 前記蓄熱反応器の化学蓄熱材は前記熱源により加熱され、前記給湯部は、加熱された蓄熱反応器の顕熱の一部を前記吸着器に付与し吸着器から脱離した熱媒を凝縮したときの凝縮熱を水と熱交換することで給湯する請求項2〜請求項4のいずれか1項に記載の給湯装置。
- 前記蒸発器から前記吸着器に熱媒が供給され、前記給湯部は、前記吸着器から放出された吸着熱を水と熱交換することで給湯する請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の給湯装置。
- 前記蓄熱反応器の化学蓄熱材は前記熱源により加熱され、該加熱により蓄熱反応器から脱離した熱媒は前記凝縮器で凝縮され、前記給湯部は、前記凝縮器から放出された凝縮熱を水と熱交換することで給湯する請求項2〜請求項6のいずれか1項に記載の給湯装置。
- 前記蓄熱反応器は、前記化学蓄熱材として、金属酸化物及び金属塩化物から選択される少なくとも一種を含む請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の給湯装置。
- 前記化学蓄熱材が、アルカリ金属の酸化物及び塩化物、アルカリ土類金属の酸化物及び塩化物、並びに遷移金属の酸化物及び塩化物からなる群から選択される請求項8に記載の給湯装置。
- 前記熱媒が水であり、前記化学蓄熱材が酸化カルシウム、酸化マグネシウム、及び酸化バリウムから選択される請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の給湯装置。
- 前記熱媒がアンモニアであり、前記化学蓄熱材が、塩化リチウム、塩化マグネシウム、塩化カルシウム、塩化ストロンチウム、塩化バリウム、塩化マンガン、塩化コバルト、及び塩化ニッケルから選択される請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載の給湯装置。
- 前記吸着器は、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吸着材を有する請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載の給湯装置。
- 前記蓄熱反応器の熱媒固定化時に放出される反応熱の熱量が、前記吸着器の熱媒吸着時に放出される吸着熱の熱量の2倍以上である請求項1〜請求項12のいずれか1項に記載の給湯装置。
- 前記給湯部から所定の閾値温度以上の給湯温度で給湯するときには、前記蒸発器から前記蓄熱反応器に熱媒が供給され、前記給湯部は、前記蓄熱反応器の反応熱を水と熱交換することで給湯し、
前記給湯部から所定の閾値温度未満の給湯温度で給湯するときには、前記給湯部は、前記吸着器において熱媒が吸着するときの吸着熱を水と熱交換し、かつ前記凝縮器において熱媒を凝縮させるときの凝縮熱を水と熱交換することで給湯する請求項1〜請求項13のいずれか1項に記載の給湯装置。
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