WO2023238876A1 - サーマルサーキットシステム - Google Patents
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Classifications
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- F25B27/02—Machines, plants or systems, using particular sources of energy using waste heat, e.g. from internal-combustion engines
Definitions
- the present invention relates to a heat regeneration system (hereinafter referred to as a "thermal circuit system”) that uses waste heat generated from processes such as heating and cooling to convert it into a heat source necessary for the process.
- a heat regeneration system hereinafter referred to as a "thermal circuit system”
- a heat pump is a device that collects heat with a small amount of energy and uses it as a large amount of thermal energy, and is used to save power in high-temperature processes and low-temperature processes.
- patent documents 1 and 2 are known as chemical heat pumps
- Patent Documents 3 and 4 are known as absorption heat pumps
- Patent Document 5 and the like are known as adsorption heat pumps.
- a latent heat storage material that can utilize a phase change material having a phase transition point of 80° C. or higher is known (Patent Document 6).
- Patent Document 6 there is no system that can achieve carbon neutrality by regenerating the heat sources necessary for these processes using waste heat from high- and low-temperature processes.
- an object of the present invention is to provide a heat regeneration system (thermal circuit system) that regenerates a heat source necessary for a process using waste heat emitted from the process.
- the thermal circuit system of the present invention is a heat regeneration system that converts thermal waste heat generated from a high-temperature process into a high-temperature heat source necessary for the process, and includes a first heat pump, a second heat pump, Consisting of a third heat pump, the first heat pump raises the temperature of hot waste heat, and the second heat pump further raises the temperature of the output heat from the first heat pump and outputs it as high-temperature heat, and uses cold waste heat as a heat source.
- the third heat pump is configured to output low-temperature heat and further raise the temperature of high-temperature heat, regenerating the heat source necessary for the process using waste heat from the process, and achieving carbon neutrality.
- the high-temperature process is a process that requires a heat source of 200° C. or higher, and includes many material production processes such as plastic molding.
- the hot waste heat emitted from the high-temperature process is waste heat of 70 to 100°C.
- the first heat pump raises the temperature of hot waste heat of 70 to 100°C
- the second heat pump further raises the temperature of the output heat from the first heat pump and outputs it as high-temperature heat of 100 to 150°C. It is cooled and output as low-temperature heat of 5 to 10 degrees Celsius
- the third heat pump raises the temperature to 200 to 300 degrees Celsius, which is required as a heat source in many material production processes such as plastic molding.
- the first heat pump raises the temperature of waste heat
- the second heat pump uses the heat from the first heat pump.
- the temperature is further raised and output as high-temperature heat
- the cooling waste heat is cooled and output as low-temperature heat.
- waste heat from 70 to 100 degrees Celsius is converted to 200 to 300 degrees Celsius. Increase the temperature to.
- the thermal circuit system of the present invention preferably includes a heat storage tank containing a latent heat storage material that stores the output heat of the first heat pump to stabilize the temperature of the heat supplied to the second heat pump.
- a heat storage tank containing a latent heat storage material that stores the output heat of the first heat pump to stabilize the temperature of the heat supplied to the second heat pump.
- the temperature can be maintained for half a day (about 12 hours) after the system is stopped, it will have the effect of being able to immediately boot up the next day when operation starts. There is.
- the first heat pump may be an adsorption heat pump containing an adsorbent that uses thermal waste heat as adsorption heat.
- the second heat pump absorbs the water evaporated in the high-pressure absorber into the absorption liquid, extracts the heated heat in the heat exchanger, and outputs it as high-temperature heat, and also evaporates the water in the low-pressure evaporator to generate the latent heat of water evaporation.
- An absorption heat pump may be used that cools the cold waste heat emitted from the low-temperature process and outputs it as low-temperature heat, and regenerates the absorption liquid using the latent heat of the latent heat storage material.
- the third heat pump raises the temperature of high-temperature heat using the reaction heat of the hydration reaction of the chemical heat storage material, uses the high-temperature heat to store heat through the dehydration reaction of the chemical heat storage material, and uses the cold heat of the low-temperature heat to store heat through the dehydration reaction.
- a chemical heat pump may be used that condenses the generated steam to promote regeneration of the chemical heat storage material.
- the third heat pump generates steam at 200-300°C and cold heat at 6-11°C from steam at 100-150°C and cold heat at 5-10°C.
- the combination of the first heat pump, second heat pump, and third heat pump makes it possible to generate steam at a temperature of 200 to 300°C.
- the first heat pump which uses adsorption heat, converts hot waste heat (70 to 100 degrees Celsius) and cold waste heat (12 to 20 degrees Celsius), which are discharged after being used in high-temperature and low-temperature processes, to a temperature of 80 to 100 degrees Celsius.
- the latent heat storage material in the heat storage tank may be a microcapsule containing non-porous hollow silica particles encapsulating a phase change material that absorbs and releases latent heat in response to temperature changes.
- a microcapsule containing non-porous hollow silica particles encapsulating a phase change material that absorbs and releases latent heat in response to temperature changes.
- this microcapsule as a latent heat storage material, the supercooling phenomenon disappears, so the temperature in the heat storage tank is kept constant and the temperature of waste heat is stabilized.
- the heat transfer characteristics are improved and a heat storage tank with higher temperature stability can be formed.
- the externally supplied energy is the pump power for liquid transfer and the electric power for control, and there is no externally supplied heat, and the hot waste heat and cold waste heat generated from the process are consumed within the own system. be done. Therefore, waste heat treatment is not necessary.
- the heat source necessary for the process is regenerated using the waste heat generated from the process, ensuring an industrial heat source without using fossil fuels or electricity other than pump power, and achieving carbon neutrality. There is an effect like this. Furthermore, the thermal circuit system of the present invention does not discharge waste heat, so there is an advantage that waste heat treatment is not necessary.
- this thermal circuit system is (1) a first heat pump that uses an adsorption heat pump to heat up waste heat from a high-temperature heat source, and (2) a thermal battery that heats waste heat from a high-temperature heat source.
- a heat storage system that uses latent heat storage material to move to the high temperature side.
- a second type absorption heat pump as a thermal transistor further raises the temperature of waste heat on the high temperature side and moves it to the high temperature side, and also transfers waste heat to the low temperature side.
- thermo battery the heat storage tank that stores the latent heat storage material that stores the output heat of the first heat pump (thermal amplifier)
- thermal batteries aim to stabilize the temperature of waste heat by selecting a latent heat storage material so that the temperature inside the heat storage tank is kept constant.
- thermo transistor water evaporated in a high-pressure absorber is absorbed into an absorption liquid, and the heated heat is extracted in a heat exchanger and output as high-temperature heat.
- Water is evaporated in a low-pressure evaporator, and the latent heat of water evaporation is used to cool the water from the low-temperature process.
- the second heat pump that cools waste heat and outputs it as low-temperature heat and regenerates the absorption liquid using the latent heat of the latent heat storage material will be referred to as a "thermal transistor" in the following specification.
- the thermal circuit system of the present invention is a heat regeneration system that converts waste heat of approximately 80 to 100°C into steam of 200 to 300°C and cold heat of 5 to 10°C.
- Thermal circuit is likened to heat as an electric circuit, and continuously generates high temperature heat of 100 to 150 degrees Celsius and low temperature heat of 5 to 10 degrees Celsius from hot waste heat of 70 to 100 degrees Celsius and cold waste heat of 12 to 20 degrees Celsius. It consists of a thermal transistor that generates high-temperature heat of 100 to 150 degrees Celsius, a thermal booster that further raises the temperature to 200 to 300 degrees Celsius, a thermal amplifier and a thermal battery to stably supply high-temperature waste heat of 70 to 100 degrees Celsius. It is something that will be done. The respective configurations of the thermal transistor, thermal booster, thermal amplifier, and thermal battery will be explained below.
- thermo transistor A thermal transistor uses thermal waste heat of 70 to 100°C to continuously generate high temperature heat of 100 to 150°C and low temperature heat of 5 to 10°C.
- an absorption heat pump can be used as the thermal transistor.
- absorption heat pumps There are two types of absorption heat pumps. Among them, in the second type absorption heat pump, the input heat source temperature (T W ), the output high temperature heat source temperature (T H ), and the output low temperature heat source temperature (T L ) are as follows. T H > T W > T L.
- the output high temperature heat source temperature T H is higher than the input heat source temperature T W , and the waste heat of 80 to 100 °C is used to generate high temperature heat of 100 to 150 °C, and at the same time, low temperature heat of 5 to 10 °C is also generated. .
- the regenerator condenses the water vapor produced by the dehydration reaction, which requires low-temperature heat.
- the low-temperature heat of about 7°C obtained from the thermal transistor is used, but in the heat balance calculation, the temperature of the low-temperature heat increases by only about 1°C, so the low-temperature heat of about 6 to 11°C is used as it is in the low-temperature process. can be supplied to
- the latent heat storage material may be supplied to a piping system that is parallel to or intersects with the circulation system, separate from the circulation system, and exchanges heat with the circulation system to maintain a constant temperature, but it may be supplied as a capsule containing the heat storage material to the circulation system. By using it in a suspended state, it is possible to increase the contact area with the circulating water and increase the heat exchange rate and efficiency, so it can be used very preferably.
- a capsule used for this purpose it is preferable to use a hollow sphere or other shaped hollow capsule with a diameter ranging from several mm to several tens of cm, and to seal the heat storage material inside the hollow capsule. Alternatively, it is also very preferable to use hollow microcapsules and encapsulate the heat storage material therein.
- Such hollow microcapsules that can be preferably used in the present invention is hollow silica particles as shown in Patent Document 6. This is a particle made of silica whose surface is covered with a dense layer and has no pores, and its interior is hollow.
- a thermal battery it is possible to prevent the heat source from cooling once the thermal circuit system is stopped. Therefore, heat is quickly supplied at the time of restart.
- Thermal amplifiers and thermal batteries allow long-term stabilization of the heat supply.
- waste heat is supplied in a closed circuit, so there is no heat provided from the outside except for the room temperature cooling water used for cooling.
- the only energy provided from the outside is the pump power for liquid feeding and the control power.
- This electric power-based COP is over 20, making it a technological system compared to the COP of current electric heat pumps, which is around 3, the COP of heaters, which is around 1, and the COP of gas boilers, which is around 0.8. I understand that there is something.
- the electricity consumed by the pump power can also be supplied with waste heat, making it possible to completely close the system. It is not impossible to construct a thermal management system that does not require electricity or fossil fuels.
- the ratio of high-temperature heat to low-temperature heat can be changed by changing the operating conditions.
- By switching the flow of the absorption liquid it is possible to meet the demand for only high-temperature heat or only low-temperature heat, and by installing thermal batteries for each temperature range, it is possible to respond to process load fluctuations without stopping the system. is possible.
- the thermal amplifier 4 contains an adsorbent, and uses thermal waste heat of 70 to 100° C. as adsorption heat to raise the temperature of the thermal waste heat.
- the thermal transistor 2 absorbs water evaporated in a high-pressure absorber into an absorption liquid, extracts the heated heat in a heat exchanger and outputs it as high-temperature heat, and evaporates water in a low-pressure evaporator to perform a low-temperature process using the latent heat of water evaporation.
- the cooling waste heat generated by the system is cooled and output as low-temperature heat, and the latent heat of the latent heat storage material is used to regenerate the absorption liquid.
- the thermal booster 3 raises the temperature of the high-temperature heat using the reaction heat of the hydration reaction of the chemical heat storage material, uses the high-temperature heat to store heat through the dehydration reaction of the chemical heat storage material, and uses the low-temperature heat to generate steam generated by the dehydration reaction. condenses and promotes the regeneration of chemical heat storage materials.
- the thermal transistor 2 uses a highly concentrated absorption liquid to absorb water evaporated in the high-pressure absorber 21 (for example, 42 kPa).
- the absorption liquid for example, a lithium bromide (LiBr) solution can be used.
- the temperature of the absorption liquid is raised to approximately 130°C, and this heat is given to thermal waste heat of approximately 80°C (heated to 80.5°C by heat exchange with the absorption liquid) and taken out by a heat exchanger.
- high temperature heat of steam of about 120° C. is obtained.
- low-temperature heat of 7° C. is obtained in the low-pressure absorber 22 (for example, 0.8 kPa).
- the low-concentration absorption liquid is regenerated into a high-concentration solution using a regenerator (for example, 38 kPa).
- a regenerator for example, 38 kPa.
- the thermal booster 3 raises the temperature by a hydration reaction using a chemical heat storage material, and is a known chemical heat pump specialized for temperature raising.
- a chemical heat storage material e.g., 0.1 MPa
- the heat of hydration reaction is used to generate approximately 250° C. Raise the temperature to °C. Since the hydration reaction of the chemical heat storage material 31a stops when it reaches saturation, it is necessary to dehydrate and regenerate it.
- the regenerator 32 (for example, 1.5 kPa) also uses the approximately 120° C. steam obtained by the thermal transistor 2 to perform regeneration.
- the evaporator 33 that supplies water vapor to the reactor 31 also uses high-temperature water (steam) of about 120° C. obtained from the thermal transistor 2. Since both use heat of condensation, the consumption of high-temperature water (steam) at approximately 120°C obtained from thermal transistor 2 is only about 10%, and the remaining 90% is converted into steam at approximately 250°C during the high-temperature process. can be provided as a high-temperature heat source.
- the regenerator 32 requires low-temperature heat in order to condense the water vapor generated by the dehydration reaction in the condenser 34. The low-temperature heat of approximately 7° C. obtained by the thermal transistor 2 is used. According to heat balance calculations, the temperature of low-temperature heat will rise by about 1°C at most. Thereby, it is possible to directly provide low-temperature heat of about 8° C. as a low-temperature heat source for the low-temperature process 7.
- the chemical heat storage material (31a, 32a) used in the thermal booster 3 a known chemical heat storage material can be used, a chemical heat storage material alone may be used, or a particulate chemical heat storage material is made of water vapor permeable resin. It may also be a bonded material.
- Chemical heat storage is capable of storing heat for a long period of time, has a higher heat output density than latent heat storage, and can be used very preferably for the purpose of outputting heat at a very high temperature relative to the absorbed heat.
- various alkaline earth metal hydroxides and carbonate compounds such as magnesium hydroxide, calcium hydroxide, and calcium carbonate.
- the operating temperature of these chemical heat storage materials can be controlled by the type of compound used, and the optimum material is selected according to the operating temperature range.
- the thermal booster introduces steam at 120°C into the input side, heats it to 250°C using a chemical heat storage material, and discharges it, so calcium chloride and calcium sulfate were selected as the chemical heat storage material.
- the chemical heat storage material one type may be used or a plurality of types may be used in combination.
- the thermal booster 3 operates so that the reactor 31 and the regenerator 32 are alternately switched by controlling the valve operation of the piping in order to continuously obtain steam at about 250°C.
- high-temperature water (steam) of about 120°C output from the thermal transistor 2 (not shown) is sent to the regenerator 32 and used for the dehydration reaction of the chemical heat storage material. 33 and used to generate water vapor.
- the low temperature water of 7° C. output from the thermal transistor 2 is sent to the condenser 34 and used to condense water vapor generated in the dehydration reaction.
- the low-temperature water heated to about 8° C. by the heat of condensation is provided as a low-temperature heat source.
- the 120° C. high temperature water output from the thermal transistor 2 is sent to the reactor 31, and undergoes a hydration reaction with the steam from the evaporator 33 to obtain a 250° C. high temperature heat source. Thereafter, the valves in the piping are controlled so that the reactor 31 is replaced with the regenerator 32 and the evaporator 33 is replaced with the condenser 34. This makes it possible to continuously obtain steam at about 250°C (high-temperature heat source for high-temperature processes) using high-temperature water (steam) at about 120°C without using gas or external power.
- the thermal amplifier 4 is composed of an adsorber 41 and a regenerator 42, and is a heat pump that utilizes the heat of adsorption when water vapor is adsorbed to a porous adsorbent.
- the temperature of the cooled waste heat is increased to approximately 80°C.
- the adsorbent include zeolite, lithium hydroxide, magnesium sulfate, strontium oxalide, activated carbon, and porous metal complex (MOF), and one type may be used, or two or more types may be used in combination.
- a material in which particulate adsorbent is bonded with a water vapor permeable resin may also be used.
- a zeolite adsorbent is used to raise the temperature of waste heat using the heat of hydration reaction.
- the thermal battery 5 is a heat storage tank in which latent heat storage material is enclosed in microcapsules 5a and housed in a constant temperature bath 5b.
- Known microencapsulated latent heat storage materials include those in which a shell made of rubber, plastic, metal, etc. is filled with a latent heat material such as magnesium chloride, sodium chloride, paraffin, or naphthalene. Due to the need to prevent latent heat substances from being released from capsules (preventing sustained release), most substances are encapsulated in polymer capsules, making it difficult to use phase change substances with a phase transition point of 80°C or higher. Also, problems with mechanical strength and heat resistance have been pointed out.
- phase change substance having a phase transition point of 80°C or higher can be used, which solves the problems of mechanical strength and heat resistance. do.
- phase change substance organic substances such as pentaerythritol, polyethylene, and propioamide, which have a phase transition point in the temperature range of 80 to 200°C, and inorganic hydrates such as magnesium chloride and magnesium nitrate can be used. Furthermore, latent heat storage materials have the problem of causing supercooling and have not been used to stabilize the temperature, but by using an inorganic hydrate-based heat storage material, the problem of supercooling can be solved. Since the temperature inside the thermal battery 5 is kept constant, the temperature of the waste heat can be stabilized, and by using the thermal battery 5, it is possible to prevent the heat source from cooling down after the system is stopped, and when the system is restarted. Heat supply is provided quickly.
- the microcapsules 5a in the constant temperature bath 5b may be integrated into a microcapsule aggregate 5c.
- the individual microcapsules 5a By fixing the individual microcapsules 5a to each other with the graphite bridges 5d, heat transfer characteristics are improved, and a heat storage tank with higher temperature stability can be formed.
- the thermal transistor 2 In response to the 80°C waste heat output from the thermal battery 5, the thermal transistor 2 generates 165kW of 120°C high-temperature heat and 262kW of 7°C low-temperature heat, and then the thermal booster 3 generates a 250°C high-temperature heat source. A low temperature heat source of 245kW of 196kW and 8°C can be obtained. That is, the amount of heating of dry air 11b by the thermal amplifier 4 at room temperature (25° C.) is 718 kW, and the coefficient of performance COP based on waste heat is 0.595 for the thermal transistor 2 alone when the thermal amplifier 4 is included. (The COP of the thermal transistor 2 alone without the thermal amplifier 4 is 0.528), and the COP of the thermal transistor 2 and the thermal booster 3 with the thermal amplifier 4 is 0.614.
- FIG. 8 shows another embodiment of the configuration of the thermal circuit system.
- the thermal circuit system 11 does not have a low temperature process and cannot provide a low temperature heat source to the low temperature process or utilize cooling waste heat from the low temperature process.
- the low temperature heat output from the thermal transistor 2 is used by the thermal booster 3, and the cold heat used by the thermal booster 3 becomes cooling waste heat and returns to the thermal transistor 2, that is, it is output from the thermal booster 3.
- the low temperature heat source is returned to the thermal transistor 2.
- FIG. 9 shows another embodiment of the configuration of the thermal circuit system.
- the thermal circuit system 12 does not have a thermal battery 5, cannot maintain the heat temperature, and cannot immediately boot up the system.
- the thermal amplifier 4, the thermal transistor 2, and the thermal booster 3 can perform heat regeneration that uses the hot waste heat generated from the high-temperature process 6 to convert it into a high-temperature heat source necessary for the process.
- the present invention can stably supply a heat source for high-temperature and low-temperature processes in the materials industry. It is also useful for achieving carbon neutrality.
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Abstract
廃熱によってプロセスに必要な熱源を再生する熱再生システムを提供する。プロセスから出る温廃熱と冷廃熱を用いて必要な高温熱と低温熱に変換する熱再生システムである。ａ）温廃熱を吸着熱として用いる吸着材が収容されたサーマルアンプ４、ｂ）その出力熱を蓄熱させる潜熱蓄熱材が収容されたサーマルバッテリー５、ｃ）高圧吸収器での蒸発水を吸収液に吸収させ昇温した熱を熱交換器で取り出し高温熱として出力し、低圧蒸発器で水を蒸発させ水蒸発潜熱により低温プロセス７から出る冷廃熱を冷却して低温熱を出力し、潜熱蓄熱材の潜熱を用いて吸収液を再生するサーマルトランジスタ２、ｄ）高温熱を化学蓄熱材の水和反応により昇温し、高温熱を用いて化学蓄熱材の脱水反応により蓄熱させ、低温熱を用いて脱水反応により生じる蒸気を凝縮させ化学蓄熱材の再生を促進させ、プロセスに必要な熱源を得るサーマルブースター３を備える。
Description
本発明は、加熱や冷却などのプロセスから出る廃熱を用いて、該プロセスに必要な熱源に変換する熱再生システム（以下「サーマルサーキットシステム」という）に関するものである。
現状、産業界、特に素材産業では、素材生成における熱源として、化石燃料および電力が用いられている。一方で、カーボンニュートラルが求められている中、化石燃料を用いない熱源が求められている。鉄鋼業のように１０００℃程度の熱源が必要な産業では、アンモニアや水素燃焼に頼る必要があるが、食品加工業や化学産業では、２００℃程度の熱源が主体であり、貯蔵問題や毒性のある燃料を用いることは最適解ではない。また、素材産業では、化石燃料による加熱など高温プロセスのみならず、常温以下の冷却の低温プロセスが必要となるが、冷熱に関しては電力によって賄われている。そのため、高温プロセスや低温プロセスに関して、カーボンニュートラルを実現することは急務である。
ヒートポンプは、小さいエネルギーで熱を集めて大きな熱エネルギーとして利用するものであり、高温プロセスや低温プロセスに関して電力節減のために用いられており、例えば、ケミカルヒートポンプとして特許文献１，２が知られ、吸収式ヒートポンプとして特許文献３，４が知られ、吸着式ヒートポンプとして特許文献５などが知られている。また８０℃以上の相転移点を有する相変化物質を利用できる潜熱蓄熱材が知られている（特許文献６）。
しかしながら、高温・低温プロセスから出る廃熱によって、それらのプロセスに必要な熱源を再生し、カーボンニュートラルを実現できるシステムは見当たらない。
しかしながら、高温・低温プロセスから出る廃熱によって、それらのプロセスに必要な熱源を再生し、カーボンニュートラルを実現できるシステムは見当たらない。
かかる状況に鑑みて、本発明は、プロセスから出る廃熱によってプロセスに必要な熱源を再生する熱再生システム（サーマルサーキットシステム）を提供することを目的とする。
上記課題を解決すべく、本発明のサーマルサーキットシステムは、高温プロセスから出る温廃熱を用いて該プロセスに必要な高温熱源に変換する熱再生システムであって、第１ヒートポンプ、第２ヒートポンプ及び第３ヒートポンプで構成され、第１ヒートポンプは、温廃熱を昇温し、第２ヒートポンプは、第１ヒートポンプからの出力熱を更に昇温して高温熱として出力すると共に冷廃熱を熱源として低温熱を出力し、第３ヒートポンプは、高温熱を更に昇温する構成とされ、プロセスから出る廃熱によってプロセスに必要な熱源を再生し、カーボンニュートラルを実現する。
ここで、高温プロセスとは、２００℃以上の熱源を必要とするプロセスであり、プラスティック成形加工など多くの素材生成プロセスが該当する。高温プロセスから出る温廃熱としては７０～１００℃の廃熱である。第１ヒートポンプによって７０～１００℃の温廃熱を昇温し、第２ヒートポンプによって、第１ヒートポンプからの出力熱を更に昇温して１００～１５０℃の高温熱として出力すると共に、冷廃熱を冷却して５～１０℃の低温熱として出力し、最終的に、第３ヒートポンプによって、プラスティック成形加工など多くの素材生成プロセスが熱源として必要とする２００～３００℃まで昇温する。
一般的に、吸収式ヒートポンプでは、１３０℃以上に昇温することは困難であるが、本システムでは、第１ヒートポンプで温廃熱を昇温し、第２ヒートポンプで第１ヒートポンプからの熱を更に昇温して高温熱として出力すると共に冷廃熱を冷却して低温熱として出力し、第３ヒートポンプで高温熱を更に昇温することで、７０～１００℃の廃熱から２００～３００℃まで昇温する。
一般的に、吸収式ヒートポンプでは、１３０℃以上に昇温することは困難であるが、本システムでは、第１ヒートポンプで温廃熱を昇温し、第２ヒートポンプで第１ヒートポンプからの熱を更に昇温して高温熱として出力すると共に冷廃熱を冷却して低温熱として出力し、第３ヒートポンプで高温熱を更に昇温することで、７０～１００℃の廃熱から２００～３００℃まで昇温する。
本発明のサーマルサーキットシステムにおいて、第１ヒートポンプの出力熱を蓄熱させる潜熱蓄熱材が収容された蓄熱槽を備え、第２ヒートポンプへ供給する熱の温度を安定化させることが好ましい。第２ヒートポンプへ供給する熱の温度を安定化させるだけでなく、例えば、システムが停止した後、半日（１２時間ぐらい）温度を保つことができれば、翌日の運転開示時に即座にブートアップできるという効果がある。
本発明のサーマルサーキットシステムにおいて、第１ヒートポンプは、温廃熱を吸着熱として用いる吸着材が収容される吸着式ヒートポンプを用いてもよい。また、第２ヒートポンプは、高圧吸収器で蒸発させた水を吸収液に吸収させ昇温した熱を熱交換器で取り出し高温熱として出力すると共に、低圧蒸発器で水を蒸発させ水蒸発潜熱により低温プロセスから出る冷廃熱を冷却し低温熱として出力し、潜熱蓄熱材の潜熱を用いて吸収液を再生する吸収式ヒートポンプを用いてもよい。さらに、第３ヒートポンプは、高温熱を化学蓄熱材の水和反応の反応熱により昇温し、高温熱を用いて化学蓄熱材の脱水反応により蓄熱させ、低温熱の冷熱を用いて脱水反応により生じる蒸気を凝縮させ化学蓄熱材の再生を促進させるケミカルヒートポンプを用いてもよい。
かかる構成によれば、高温・低温プロセスから出る温廃熱と冷廃熱を用いて、該プロセスに必要な高温熱と低温熱に変換する熱再生ができる。
なお、第１ヒートポンプは吸着式ヒートポンプ、第２ヒートポンプは吸収式ヒートポンプ、第３ヒートポンプはケミカルヒートポンプを用いることが、発展性の観点から好ましい態様であるが、例えば、第２ヒートポンプを吸収式からケミカルヒートポンプに置き換えることも可能であり、さらに、第３ヒートポンプを吸着式に置き換えることも可能である。但し、吸着式は再生に時間がかかるため、数個の再生器を準備することが必要になる。
なお、第１ヒートポンプは吸着式ヒートポンプ、第２ヒートポンプは吸収式ヒートポンプ、第３ヒートポンプはケミカルヒートポンプを用いることが、発展性の観点から好ましい態様であるが、例えば、第２ヒートポンプを吸収式からケミカルヒートポンプに置き換えることも可能であり、さらに、第３ヒートポンプを吸着式に置き換えることも可能である。但し、吸着式は再生に時間がかかるため、数個の再生器を準備することが必要になる。
第１及び第２ヒートポンプによって、７０～１００℃の温廃熱と１０～１５℃の冷廃熱から、１００℃～１５０℃の蒸気と５～１０℃の冷熱を得る。そして、第３ヒートポンプによって、１００℃～１５０℃の蒸気と５～１０℃の冷熱から、２００～３００℃の蒸気と６～１１℃の冷熱を生成させる。第１ヒートポンプと第２ヒートポンプと第３ヒートポンプの組み合わせによって、２００～３００℃の蒸気の生成が可能となる仕組みである。
また、高温プロセスと低温プロセスに用いた後に排出される温廃熱（７０～１００℃）、冷廃熱（１２～２０℃）を、吸着熱を利用した第１ヒートポンプにおいて、８０～１００℃の温熱源に変換し、潜熱蓄熱材を用いた蓄熱槽により安定化させた後に、再度、サーマルサーキットシステムで熱を再生させる。サーマルサーキットシステムは閉回路となっており、送液のポンプ動力以外のエネルギーを必要とせず、廃熱を排出することもないシステムである。
かかるシステム構成によれば、高温プロセスと低温プロセスで排出された温廃熱と冷廃熱を、吸収熱、反応熱、吸着熱、潜熱を用いて熱再生することができ、高温プロセスと低温プロセスに必要となる高温熱および低温熱を、温廃熱と冷廃熱から同時に再生成することが可能になる。
また、高温プロセスと低温プロセスに用いた後に排出される温廃熱（７０～１００℃）、冷廃熱（１２～２０℃）を、吸着熱を利用した第１ヒートポンプにおいて、８０～１００℃の温熱源に変換し、潜熱蓄熱材を用いた蓄熱槽により安定化させた後に、再度、サーマルサーキットシステムで熱を再生させる。サーマルサーキットシステムは閉回路となっており、送液のポンプ動力以外のエネルギーを必要とせず、廃熱を排出することもないシステムである。
かかるシステム構成によれば、高温プロセスと低温プロセスで排出された温廃熱と冷廃熱を、吸収熱、反応熱、吸着熱、潜熱を用いて熱再生することができ、高温プロセスと低温プロセスに必要となる高温熱および低温熱を、温廃熱と冷廃熱から同時に再生成することが可能になる。
本発明のサーマルサーキットシステムにおいて、上記の蓄熱槽における潜熱蓄熱材は、温度変化に応じて潜熱の吸収及び放出を生じる相変化物質が内包された無孔中空シリカ粒子を含むマイクロカプセルであることが好ましい。このマイクロカプセルを潜熱蓄熱材として用いることにより、過冷却現象が消失するため、蓄熱槽内の温度が一定に保たれ、廃熱の温度が安定化するからである。
また、さらに、マイクロカプセルを集積体化し、マイクロカプセルがグラファイトで架橋されることにより、伝熱特性が向上し、より温度安定性の高い蓄熱槽を形成することができる。
また、さらに、マイクロカプセルを集積体化し、マイクロカプセルがグラファイトで架橋されることにより、伝熱特性が向上し、より温度安定性の高い蓄熱槽を形成することができる。
本発明のサーマルサーキットシステムでは、外部供給エネルギーは、送液用ポンプ動力と制御用電力であり、外部供給の熱量は無く、プロセスから出る温廃熱や冷廃熱は、自身のシステム内で消費される。このため廃熱処理は不要である。
本発明のサーマルサーキットシステムによれば、プロセスから出る廃熱によってプロセスに必要な熱源を再生し、化石燃料やポンプ動力以外の電力を用いず、産業用熱源を確保して、カーボンニュートラルを実現するといった効果がある。また、本発明のサーマルサーキットシステムでは、廃熱を排出しないため、廃熱処理が不要であるといった効果がある。
（サーマルサーキットシステム）
サーマルサーキットシステムは、高温熱源と低温熱源の組み合わせから成る熱循環系であり、高温熱源からの廃熱がサーマルアンプで昇温され、サーマルバッテリーを経由してサーマルトランジスタで例えば１２０℃に昇温され、次いでサーマルブースターで例えば２５０℃まで昇温されて高温熱源にリサイクルされる流れと、これと並行して低温熱源によりサーマルトランジスタへ例えば１２℃の冷却水を送液し、サーマルトランジスタで熱交換により例えば７℃に冷却された循環水がサーマルブースターで熱交換されて例えば８℃で回収される系の組み合わせである。このサーマルサーキットシステムの特徴は、（１）高温プロセスから出る温廃熱を昇温する吸着式ヒートポンプを用いるサーマルアンプで高温熱源からの廃熱を昇温する第１ヒートポンプ、（２）サーマルバッテリーとして潜熱蓄熱材を利用して高温側に移動する蓄熱系、（３）サーマルトランジスタとして第二種吸収式ヒートポンプで高温側の廃熱を更に昇温して高温側に移動するとともに、低温側の廃熱を冷却して低温側に移動する系、および（４）サーマルブースターとして化学蓄熱材を利用して高温側の廃熱を例えば２５０℃まで昇温して高温側熱源にリサイクルさせると同時に低温側の廃熱を低温熱源に戻す系からなるシステムである。
このように、高温プロセスと低温プロセスで排出された温廃熱と冷廃熱を、吸収熱、反応熱、吸着熱、潜熱を用いて熱再生し、高温プロセスと低温プロセスに必要となる高温熱源および低温熱源を、温廃熱と冷廃熱から同時に再生成するサーマルサーキットシステムについて、詳細に説明する。
ここで、温廃熱を吸着熱として用いる吸着材が収容された第１ヒートポンプに関して、以下の本明細書では「サーマルアンプ」と呼ぶ。サーマルアンプは、ゼオライトなど多孔質の吸着材が収容された吸着器と、吸着材を再生する再生器を含み、吸着器では温廃熱を吸着熱として取り込む吸着式ヒートポンプであり、低温化した廃熱を昇温する目的で使用する。
また、第１ヒートポンプ（サーマルアンプ）の出力熱を蓄熱させる潜熱蓄熱材が収容される蓄熱槽に関して、以下の本明細書では「サーマルバッテリー」と呼ぶ。サーマルバッテリーは、蓄熱槽内の温度が一定に保たれるように潜熱蓄熱材を選定して、廃熱の温度の安定化を図るものである。
サーマルサーキットシステムは、高温熱源と低温熱源の組み合わせから成る熱循環系であり、高温熱源からの廃熱がサーマルアンプで昇温され、サーマルバッテリーを経由してサーマルトランジスタで例えば１２０℃に昇温され、次いでサーマルブースターで例えば２５０℃まで昇温されて高温熱源にリサイクルされる流れと、これと並行して低温熱源によりサーマルトランジスタへ例えば１２℃の冷却水を送液し、サーマルトランジスタで熱交換により例えば７℃に冷却された循環水がサーマルブースターで熱交換されて例えば８℃で回収される系の組み合わせである。このサーマルサーキットシステムの特徴は、（１）高温プロセスから出る温廃熱を昇温する吸着式ヒートポンプを用いるサーマルアンプで高温熱源からの廃熱を昇温する第１ヒートポンプ、（２）サーマルバッテリーとして潜熱蓄熱材を利用して高温側に移動する蓄熱系、（３）サーマルトランジスタとして第二種吸収式ヒートポンプで高温側の廃熱を更に昇温して高温側に移動するとともに、低温側の廃熱を冷却して低温側に移動する系、および（４）サーマルブースターとして化学蓄熱材を利用して高温側の廃熱を例えば２５０℃まで昇温して高温側熱源にリサイクルさせると同時に低温側の廃熱を低温熱源に戻す系からなるシステムである。
このように、高温プロセスと低温プロセスで排出された温廃熱と冷廃熱を、吸収熱、反応熱、吸着熱、潜熱を用いて熱再生し、高温プロセスと低温プロセスに必要となる高温熱源および低温熱源を、温廃熱と冷廃熱から同時に再生成するサーマルサーキットシステムについて、詳細に説明する。
ここで、温廃熱を吸着熱として用いる吸着材が収容された第１ヒートポンプに関して、以下の本明細書では「サーマルアンプ」と呼ぶ。サーマルアンプは、ゼオライトなど多孔質の吸着材が収容された吸着器と、吸着材を再生する再生器を含み、吸着器では温廃熱を吸着熱として取り込む吸着式ヒートポンプであり、低温化した廃熱を昇温する目的で使用する。
また、第１ヒートポンプ（サーマルアンプ）の出力熱を蓄熱させる潜熱蓄熱材が収容される蓄熱槽に関して、以下の本明細書では「サーマルバッテリー」と呼ぶ。サーマルバッテリーは、蓄熱槽内の温度が一定に保たれるように潜熱蓄熱材を選定して、廃熱の温度の安定化を図るものである。
また、高圧吸収器で蒸発させた水を吸収液に吸収させ昇温した熱を熱交換器で取り出し高温熱として出力すると共に、低圧蒸発器で水を蒸発させ水蒸発潜熱により低温プロセスから出る冷廃熱を冷却し低温熱として出力し、潜熱蓄熱材の潜熱を用いて吸収液を再生する第２ヒートポンプに関して、以下の本明細書では「サーマルトランジスタ」と呼ぶ。
また、高温熱を化学蓄熱材の水和反応の反応熱により昇温し、高温熱を用いて化学蓄熱材の脱水反応により蓄熱させ、低温熱を用いて脱水反応により生じる蒸気を凝縮させ化学蓄熱材の再生を促進させ、プロセスに必要となる高温熱源と低温熱源を得る第３ヒートポンプに関して、本明細書では「サーマルブースター」と呼ぶ。サーマルブースターでは、化学蓄熱材の水和反応を利用するが、水和反応が飽和すると、脱水反応を生じさせて、化学蓄熱材を再生する必要がある。その際、再生熱が必要になるが、上記のサーマルトランジスタで生成された高温熱の蒸気の一部を利用して再生させる。また、脱水された蒸気を水に凝縮させる必要があるが、この凝縮に上記のサーマルトランジスタで生成された低温熱から得た冷水を用いる。
本発明のサーマルサーキットシステムは、８０～１００℃程度の廃熱を、２００～３００℃の蒸気および５～１０℃の冷熱に変換する熱再生システムである。サーマルサーキットは、熱を電気回路に見立てたものであり、７０～１００℃の温廃熱と１２～２０℃の冷廃熱から１００～１５０℃の高温熱および５～１０℃の低温熱を連続的に生成させるサーマルトランジスタ、１００～１５０℃の高温熱を更に２００～３００℃まで昇温するサーマルブースター、７０～１００℃の温廃熱を安定して供給するためのサーマルアンプおよびサーマルバッテリーから構成されるものである。
以下に、サーマルトランジスタ、サーマルブースター、サーマルアンプおよびサーマルバッテリーのそれぞれの構成について説明する。
以下に、サーマルトランジスタ、サーマルブースター、サーマルアンプおよびサーマルバッテリーのそれぞれの構成について説明する。
（サーマルトランジスタ）
サーマルトランジスタでは、７０～１００℃の温廃熱を用いて、１００～１５０℃の高温熱および５～１０℃の低温熱を連続的に生成する。サーマルトランジスタは、例えば、吸収式ヒートポンプを利用することができる。吸収式ヒートポンプには、２種類あるが、その内、第二種吸収式ヒートポンプでは、入力熱源温度（ＴＷ）、出力高温熱源温度（ＴＨ）、出力低温熱源温度（ＴＬ）とすると、ＴＨ＞ＴＷ＞ＴＬとなる。つまり、出力高温熱源温度ＴＨは入力熱源温度ＴＷよりも高く、８０～１００℃の廃熱を用いて１００～１５０℃の高温熱を生成すると同時に、５～１０℃の低温熱も生成する。
サーマルトランジスタでは、７０～１００℃の温廃熱を用いて、１００～１５０℃の高温熱および５～１０℃の低温熱を連続的に生成する。サーマルトランジスタは、例えば、吸収式ヒートポンプを利用することができる。吸収式ヒートポンプには、２種類あるが、その内、第二種吸収式ヒートポンプでは、入力熱源温度（ＴＷ）、出力高温熱源温度（ＴＨ）、出力低温熱源温度（ＴＬ）とすると、ＴＨ＞ＴＷ＞ＴＬとなる。つまり、出力高温熱源温度ＴＨは入力熱源温度ＴＷよりも高く、８０～１００℃の廃熱を用いて１００～１５０℃の高温熱を生成すると同時に、５～１０℃の低温熱も生成する。
（サーマルブースター）
サーマルブースターでは、サーマルトランジスタの出力の高温熱の１００～１５０℃の熱を、更に２００～３００℃まで昇温し、高温プロセスの高温熱源として利用する。本発明において、サーマルブースターは入力側の１００～１５０℃の熱媒体に対してこれを更に１００℃前後まで昇温して熱媒体を出力する機能を担うことが重要である。この目的で、サーマルブースターに化学蓄熱材を用い、これの水和反応を利用して目的温度まで昇温させることが特徴である。化学蓄熱材として長期間の蓄熱が可能で、かつ熱出力密度が大きく、吸収する熱に対して非常に高温にして出力する場合が好ましい。こうした目的で利用できる化学蓄熱材としては、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウムなどの各種アルカリ土類金属の水酸化物や炭酸化合物を用いることが可能である。これらの化学蓄熱材の操作温度は用いる化合物の種類によって制御することが可能で、作動温度領域に合わせた最適な素材が選択される。本発明においてサーマルブースターは入力側に１２０℃の蒸気を導入し、これを化学蓄熱材により２５０℃に昇温して排出することから、化学蓄熱材として塩化カルシウム、硫酸カルシウムを選択したが、これ以外の温度条件で稼働する場合には、それに応じた適切な化学蓄熱材を用いることが好ましく行われる。
サーマルブースターでは、サーマルトランジスタの出力の高温熱の１００～１５０℃の熱を、更に２００～３００℃まで昇温し、高温プロセスの高温熱源として利用する。本発明において、サーマルブースターは入力側の１００～１５０℃の熱媒体に対してこれを更に１００℃前後まで昇温して熱媒体を出力する機能を担うことが重要である。この目的で、サーマルブースターに化学蓄熱材を用い、これの水和反応を利用して目的温度まで昇温させることが特徴である。化学蓄熱材として長期間の蓄熱が可能で、かつ熱出力密度が大きく、吸収する熱に対して非常に高温にして出力する場合が好ましい。こうした目的で利用できる化学蓄熱材としては、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウムなどの各種アルカリ土類金属の水酸化物や炭酸化合物を用いることが可能である。これらの化学蓄熱材の操作温度は用いる化合物の種類によって制御することが可能で、作動温度領域に合わせた最適な素材が選択される。本発明においてサーマルブースターは入力側に１２０℃の蒸気を導入し、これを化学蓄熱材により２５０℃に昇温して排出することから、化学蓄熱材として塩化カルシウム、硫酸カルシウムを選択したが、これ以外の温度条件で稼働する場合には、それに応じた適切な化学蓄熱材を用いることが好ましく行われる。
まず、サーマルトランジスタで生成された１００～１５０℃の蒸気を、高圧（例えば、０．１ＭＰａ）の反応器に投入し、水和反応熱を利用して、２００～３００℃まで昇温させる。化学蓄熱材の反応は、飽和に達すると反応が停止するため、再生器で脱水して再生させる。その再生器は、低圧（例えば、１．５ｋＰａ）で、化学蓄熱材をサーマルトランジスタで得られた１００～１５０℃の蒸気を用いて再生する。
また、反応器における水蒸気の供給のためにも、サーマルトランジスタから得られた１００～１５０℃の蒸気を用いる。いずれも凝縮熱を用いるため、サーマルトランジスタから得られた１００～１５０℃の蒸気の消費量は１０％程度となり、残りの９０％程度は２００～３００℃の蒸気として高温プロセスに供給できる。
一方、再生器では、脱水反応で生ずる水蒸気を凝縮させるが、そのため低温熱が必要となる。その低温熱はサーマルトランジスタで得られた約７℃の低温熱を用いるが、熱収支計算では低温熱の温度は１℃程度しか上昇しないことから、６～１１℃程度の低温熱をそのまま低温プロセスに供給できる。
サーマルトランジスタから７０～８０℃、サーマルブースターから８０～１００℃、高温プロセスから８０～１００℃の廃熱が生ずるが、これらの廃熱を本システムでは再利用する。廃熱の温度を一定とし、かつ、安定化させるために、サーマルアンプおよびサーマルバッテリーを用いる。
（サーマルアンプ）
サーマルアンプは、ゼオライトなどの多孔質体の吸着熱を利用するヒートポンプであり、廃熱供給を安定化するものである。サーマルアンプは、原理的には３００℃程度まで昇温させることが可能であるが、水分子の脱着に時間を要するため、高温蒸気を直接得ることは困難である。ここでは、７０～８０℃未満の低温化した廃熱を、８０℃まで昇温する用途で用いる。この場合の水分子の脱着は低温化した廃熱でも減圧することで容易にできる。
サーマルアンプは、ゼオライトなどの多孔質体の吸着熱を利用するヒートポンプであり、廃熱供給を安定化するものである。サーマルアンプは、原理的には３００℃程度まで昇温させることが可能であるが、水分子の脱着に時間を要するため、高温蒸気を直接得ることは困難である。ここでは、７０～８０℃未満の低温化した廃熱を、８０℃まで昇温する用途で用いる。この場合の水分子の脱着は低温化した廃熱でも減圧することで容易にできる。
（サーマルバッテリー）
サーマルバッテリーは潜熱蓄熱材を用いた蓄熱槽である。サーマルバッテリーは、サーマルアンプで昇温された循環水の温度を一定に保って次のサーマルトランジスタの駆動を安定化させるために重要な働きを担う系で、このために熱容量の大きい潜熱蓄熱材を利用する。従来の潜熱蓄熱材には、過冷却が生ずる問題あり、温度の安定化には利用されていなかった。特に安全性・安定性が高く、廃熱回収に最適な無機水和物は数十℃の過冷却が生ずる点が問題であった。既に無機水和物系の蓄熱材の過冷却現象が消失することが知られている。かかる素材を潜熱蓄熱材として用いることにより、蓄熱槽内の温度は一定に保たれるため、廃熱の温度安定化が図れる。こうした目的で利用できる潜熱蓄熱材としては、結晶相と融解相間の相転移による可逆的吸発熱現象を利用した蓄熱材が好ましく用いられ、具体的な素材としてはパラフィン系ワックス、ポリエチレン系樹脂などを挙げることができる。本発明で用いる熱循環系において、サーマルバッテリーは７０～２００℃の温度範囲で温度を一定に維持することが好ましいことから、相転移温度として７０～２００℃の温度範囲にある素材を利用することが好ましい。更に有機材料を用いた場合には、結晶状態から融解する過程は速やかに進行するが、逆に融解状態から結晶状態に復帰する際に過冷却現象が生じ易いことから円滑なヒートサイクルが保たれず、温度を一定に保つことが妨げられる問題が発生する場合がある。これに対して、無機水和系の蓄熱材を利用することで相転移が可逆的に速やかに進行することで、廃熱温度の安定化が良好でサーマルトランジスタの稼働を安定に保つことができるため極めて好ましい。
潜熱蓄熱材は、循環系とは別に、これと並行もしくは交差する配管系に供給され、循環系と熱交換して温度を一定に保つ構成でも良いが、蓄熱材を封入したカプセルとして循環系に浮遊した状態で利用することにより、循環水との接触面積を増大し、熱交換速度と効率を高めることができることから極めて好ましく利用することができる。こうした目的で用いられるカプセルとしては、直径が数ｍｍから数１０ｃｍ程度の範囲にある中空の球体やその他の形状の中空カプセルを用いて、その内部に蓄熱材を封入することが好ましく行われる。或いは、中空マイクロカプセルを利用し、その内部に蓄熱材を封入して同様に用いることも極めて好ましく行うことができる。カプセルの大きさを小さくすることにより、カプセルの沈降や凝集による循環系の目詰まりや熱交換効率の低下を防止し、カプセル同士の衝突による破損や内容物の流出などを防止するために好ましく行うことができる。こうした中空マイクロカプセルとして、本発明で好ましく用いることのできる例として、特許文献６に示したような中空シリカ粒子を挙げることができる。これは粒子表面は、緻密層で覆われ細孔が無いシリカから成る粒子で、粒子内部が中空になっていることが特徴である。
また、サーマルバッテリーを導入することで、一旦、サーマルサーキットシステムを停止した後の熱源の冷却を防ぐことができる。このため再起動時における熱供給が速やかに行われる。サーマルアンプおよびサーマルバッテリーによって、熱供給を長期に安定化させることが可能である。
サーマルバッテリーは潜熱蓄熱材を用いた蓄熱槽である。サーマルバッテリーは、サーマルアンプで昇温された循環水の温度を一定に保って次のサーマルトランジスタの駆動を安定化させるために重要な働きを担う系で、このために熱容量の大きい潜熱蓄熱材を利用する。従来の潜熱蓄熱材には、過冷却が生ずる問題あり、温度の安定化には利用されていなかった。特に安全性・安定性が高く、廃熱回収に最適な無機水和物は数十℃の過冷却が生ずる点が問題であった。既に無機水和物系の蓄熱材の過冷却現象が消失することが知られている。かかる素材を潜熱蓄熱材として用いることにより、蓄熱槽内の温度は一定に保たれるため、廃熱の温度安定化が図れる。こうした目的で利用できる潜熱蓄熱材としては、結晶相と融解相間の相転移による可逆的吸発熱現象を利用した蓄熱材が好ましく用いられ、具体的な素材としてはパラフィン系ワックス、ポリエチレン系樹脂などを挙げることができる。本発明で用いる熱循環系において、サーマルバッテリーは７０～２００℃の温度範囲で温度を一定に維持することが好ましいことから、相転移温度として７０～２００℃の温度範囲にある素材を利用することが好ましい。更に有機材料を用いた場合には、結晶状態から融解する過程は速やかに進行するが、逆に融解状態から結晶状態に復帰する際に過冷却現象が生じ易いことから円滑なヒートサイクルが保たれず、温度を一定に保つことが妨げられる問題が発生する場合がある。これに対して、無機水和系の蓄熱材を利用することで相転移が可逆的に速やかに進行することで、廃熱温度の安定化が良好でサーマルトランジスタの稼働を安定に保つことができるため極めて好ましい。
潜熱蓄熱材は、循環系とは別に、これと並行もしくは交差する配管系に供給され、循環系と熱交換して温度を一定に保つ構成でも良いが、蓄熱材を封入したカプセルとして循環系に浮遊した状態で利用することにより、循環水との接触面積を増大し、熱交換速度と効率を高めることができることから極めて好ましく利用することができる。こうした目的で用いられるカプセルとしては、直径が数ｍｍから数１０ｃｍ程度の範囲にある中空の球体やその他の形状の中空カプセルを用いて、その内部に蓄熱材を封入することが好ましく行われる。或いは、中空マイクロカプセルを利用し、その内部に蓄熱材を封入して同様に用いることも極めて好ましく行うことができる。カプセルの大きさを小さくすることにより、カプセルの沈降や凝集による循環系の目詰まりや熱交換効率の低下を防止し、カプセル同士の衝突による破損や内容物の流出などを防止するために好ましく行うことができる。こうした中空マイクロカプセルとして、本発明で好ましく用いることのできる例として、特許文献６に示したような中空シリカ粒子を挙げることができる。これは粒子表面は、緻密層で覆われ細孔が無いシリカから成る粒子で、粒子内部が中空になっていることが特徴である。
また、サーマルバッテリーを導入することで、一旦、サーマルサーキットシステムを停止した後の熱源の冷却を防ぐことができる。このため再起動時における熱供給が速やかに行われる。サーマルアンプおよびサーマルバッテリーによって、熱供給を長期に安定化させることが可能である。
サーマルサーキットシステムにおいて、廃熱は閉回路内で供給されるため、冷却に用いられる常温の冷却水を除いては、外部から与えられる熱量はない。外部から与えられるエネルギーは、送液のポンプ動力および制御電力のみである。この電力ベースのＣＯＰは２０以上であり、現行の電力式のヒートポンプのＣＯＰが３程度、ヒーターのＣＯＰが１程度、ガス炊きボイラーのＣＯＰが０．８程度と比較すると、画期的なシステムであることがわかる。また、得られた高温熱の約半分を、熱電変換効率が１０％程度のバイナリーシステムと組み合わせることによって、電力に変換すれば、ポンプ動力で消費する電力も廃熱で供給可能となり、完全に閉じた系において、電力・化石燃料が不要な熱マネージメントシステムを構築することも不可能ではない。
なお、サーマルサーキットでは、運転条件を変更することによって、高温熱と低温熱の割合を変えることができる。吸収液の流動を切り替えることで高温熱のみ、低温熱のみの需要に対応できる上に、各温度域のサーマルバッテリーを設置することで、システムを停止することなく、プロセスの負荷変動に対応することが可能である。
以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
図１は、サーマルサーキットシステムの構成の一実施形態を示している。サーマルサーキットシステム１は、高温プロセス６から出る温廃熱７０～１００℃、低温プロセス７から出る冷廃熱１２℃を用いて、高温プロセス６と低温プロセス７に必要な高温熱と低温熱に変換する熱再生システムである。図１に示すように、サーマルサーキットシステム１は、７０～１００℃の温廃熱から高温熱１２０℃および低温熱７℃を生成させるサーマルトランジスタ２、１２０℃の高温熱を更に２５０℃まで昇温するサーマルブースター３、システムに温廃熱を安定して供給するためのサーマルアンプ４およびサーマルバッテリー５から構成される。
サーマルアンプ４は、吸着材が収容されており、７０～１００℃の温廃熱を吸着熱として用いて温廃熱を昇温させる。サーマルトランジスタ２は、高圧吸収器で蒸発させた水を吸収液に吸収させ昇温した熱を熱交換器で取り出し高温熱として出力すると共に、低圧蒸発器で水を蒸発させ水蒸発潜熱により低温プロセスから出る冷廃熱を冷却し低温熱として出力し、潜熱蓄熱材の潜熱を用いて吸収液を再生する。そして、サーマルブースター３は、高温熱を化学蓄熱材の水和反応の反応熱により昇温し、高温熱を用いて化学蓄熱材の脱水反応により蓄熱させ、低温熱を用いて脱水反応により生じる蒸気を凝縮させ化学蓄熱材の再生を促進させる。
サーマルアンプ４は、吸着材が収容されており、７０～１００℃の温廃熱を吸着熱として用いて温廃熱を昇温させる。サーマルトランジスタ２は、高圧吸収器で蒸発させた水を吸収液に吸収させ昇温した熱を熱交換器で取り出し高温熱として出力すると共に、低圧蒸発器で水を蒸発させ水蒸発潜熱により低温プロセスから出る冷廃熱を冷却し低温熱として出力し、潜熱蓄熱材の潜熱を用いて吸収液を再生する。そして、サーマルブースター３は、高温熱を化学蓄熱材の水和反応の反応熱により昇温し、高温熱を用いて化学蓄熱材の脱水反応により蓄熱させ、低温熱を用いて脱水反応により生じる蒸気を凝縮させ化学蓄熱材の再生を促進させる。
サーマルトランジスタ２は、図２に示すように、高濃度の吸収液を用いて、高圧吸収器２１（例えば、４２ｋＰａ）で蒸発した水を吸収させる。吸収液としては、例えば、臭化リチウム（ＬｉＢｒ）溶液を用いることができる。その際、吸収液は、約１３０℃まで昇温するが、この熱を約８０℃の温廃熱（吸収液との熱交換で８０．５℃に昇温）に与え、熱交換器で取り出すことによって、約１２０℃の蒸気の高温熱を得る。その後、低圧吸収器２２（例えば、０．８ｋＰａ）において７℃の低温熱を得る。低濃度化した吸収液については、再生器（例えば、３８ｋＰａ）で高濃度溶液に再生させる。このようにして、サーマルバッテリー５の出力である約８０℃の温廃熱を用いて、約１２０℃の高温熱および約７℃の低温熱を、ガスあるいは外部電力を用いずに連続的に得ることが可能になる。
サーマルブースター３は、化学蓄熱材を用いて水和反応によって昇温させるものであり、既知のケミカルヒートポンプを昇温に特化させたものである。
図３に示すように、サーマルトランジスタ２で生成された約１２０℃の高温水（蒸気）を、反応器３１（例えば、０．１ＭＰａ）に投入し、水和反応熱を利用して、約２５０℃まで昇温させる。化学蓄熱材３１ａの反応は、飽和に達すると水和反応が停止するため、脱水して再生する必要がある。その再生器３２（例えば、１．５ｋＰａ）においても、サーマルトランジスタ２で得られた約１２０℃の蒸気を用いて再生させる。また、反応器３１に対して水蒸気を供給する蒸発器３３も、サーマルトランジスタ２から得られた約１２０℃の高温水（蒸気）を用いる。いずれも凝縮熱を用いるため、サーマルトランジスタ２から得られた約１２０℃の高温水（蒸気）の消費量はわずか１０％程度であり、残りの９０％程度は、約２５０℃の蒸気として高温プロセスの高温熱源として提供することが可能である。
一方、再生器３２では、脱水反応で生ずる水蒸気を凝縮器３４で凝縮させるため低温熱が必要となる。その低温熱はサーマルトランジスタ２で得られた約７℃の低温熱を用いる。熱収支計算によると、低温熱の温度はせいぜい１℃程度しか上昇しない。これにより、約８℃の低温熱をそのまま低温プロセス７の低温熱源として提供することが可能である。
図３に示すように、サーマルトランジスタ２で生成された約１２０℃の高温水（蒸気）を、反応器３１（例えば、０．１ＭＰａ）に投入し、水和反応熱を利用して、約２５０℃まで昇温させる。化学蓄熱材３１ａの反応は、飽和に達すると水和反応が停止するため、脱水して再生する必要がある。その再生器３２（例えば、１．５ｋＰａ）においても、サーマルトランジスタ２で得られた約１２０℃の蒸気を用いて再生させる。また、反応器３１に対して水蒸気を供給する蒸発器３３も、サーマルトランジスタ２から得られた約１２０℃の高温水（蒸気）を用いる。いずれも凝縮熱を用いるため、サーマルトランジスタ２から得られた約１２０℃の高温水（蒸気）の消費量はわずか１０％程度であり、残りの９０％程度は、約２５０℃の蒸気として高温プロセスの高温熱源として提供することが可能である。
一方、再生器３２では、脱水反応で生ずる水蒸気を凝縮器３４で凝縮させるため低温熱が必要となる。その低温熱はサーマルトランジスタ２で得られた約７℃の低温熱を用いる。熱収支計算によると、低温熱の温度はせいぜい１℃程度しか上昇しない。これにより、約８℃の低温熱をそのまま低温プロセス７の低温熱源として提供することが可能である。
ここで、サーマルブースター３に用いる化学蓄熱材（３１ａ，３２ａ）としては、既知の化学蓄熱材を用いることができ、化学蓄熱材のみでもよいし、粒子状の化学蓄熱材を水蒸気透過性樹脂で結合した材料でもよい。化学蓄熱は長期間の蓄熱が可能で、かつ熱出力密度が潜熱蓄熱に比較して大きく、吸収する熱に対して非常に高温にして出力する目的では極めて好ましく用いることができる。こうした目的で利用できる系としては、水酸化マグネシウム、水酸化カルシウム、炭酸カルシウムなどの各種アルカリ土類金属の水酸化物や炭酸化合物を用いることが可能である。これらの化学蓄熱材の操作温度は用いる化合物の種類によって制御することが可能で、作動温度領域に合わせた最適な素材が選択される。本発明においてサーマルブースターは入力側に１２０℃の蒸気を導入し、これを化学蓄熱材により２５０℃に昇温して排出することから、化学蓄熱材として塩化カルシウム、硫酸カルシウムを選択したが、これ以外の温度条件で稼働する場合には、それに応じた適切な化学蓄熱材を用いることが好ましく行われる。なお、化学蓄熱材としては、一種を用いてもよいし、複数種を組み合わせてもよい。
次に、図４を参照して、サーマルブースター３の動作について説明する。サーマルブースター３では、約２５０℃の蒸気を連続的に得るために、配管のバルブ動作を制御して、反応器３１と再生器３２が交互に入れ替わるように動作する。図４に示すように、サーマルトランジスタ２（図示せず）の出力の約１２０℃の高温水（蒸気）は、再生器３２に送られ、化学蓄熱材の脱水反応に利用され、その後、蒸発器３３に送り込まれ、水蒸気の生成に利用される。また、サーマルトランジスタ２の出力の７℃の低温水は、凝縮器３４に送られ、脱水反応で生じた水蒸気を凝縮させるのに利用される。凝縮熱によって、約８℃に昇温した低温水は低温熱源として提供される。サーマルトランジスタ２の出力の１２０℃の高温水は、反応器３１に送られ、蒸発器３３からの蒸気による水和反応により、２５０℃の高温熱源を得る。
その後、配管のバルブを制御し、反応器３１が再生器３２に、蒸発器３３が凝縮器３４に入れ替わるようにする。これにより、約１２０℃の高温水（蒸気）を用いて、約２５０℃の蒸気（高温プロセスの高温熱源）を、ガスあるいは外部電力を用いずに連続的に得ることが可能になる。
その後、配管のバルブを制御し、反応器３１が再生器３２に、蒸発器３３が凝縮器３４に入れ替わるようにする。これにより、約１２０℃の高温水（蒸気）を用いて、約２５０℃の蒸気（高温プロセスの高温熱源）を、ガスあるいは外部電力を用いずに連続的に得ることが可能になる。
図５に示すように、サーマルアンプ４は、吸着器４１と再生器４２から構成され、多孔質の吸着材に水蒸気を吸着させる際の吸着熱を利用するヒートポンプであり、７０～８０℃未満の低温化した廃熱を約８０℃まで昇温させる。吸着材としては、例えば、ゼオライト、水酸化リチウム、硫酸マグネシウム、シュウ化ストロンチウム、活性炭、多孔性金属錯体（ＭＯＦ）などが挙げられ、一種を用いてもよいし、複数種を組み合わせてもよい。粒子状の吸着材を水蒸気透過性樹脂で結合した材料でもよい。ここでは、ゼオライトの吸着材を用いて、水和反応熱により、廃熱を昇温させる。
図６（１）に示すように、サーマルバッテリー５は、潜熱蓄熱材をマイクロカプセル５ａ内に封入し恒温槽５ｂに収容された蓄熱槽である。既知の潜熱蓄熱材をマイクロカプセル化したものとして、ゴム、プラスティック、金属などからなるシェルに、塩化マグネシウム、塩化ナトリウム、パラフィン、ナフタリンなどの潜熱物質を充填させたものがある。潜熱物質がカプセルから放出するのを防ぐ必要（徐放性の防止）から、高分子カプセルに内包したものが殆どであり、８０℃以上の相転移点を有する相変化物質を利用することは困難で、また力学的強度や耐熱性の問題が指摘されている。そこで、マイクロカプセル５ａとして、相変化物質が内包された無孔中空シリカ粒子を用いることにより、８０℃以上の相転移点を有する相変化物質を利用でき、力学的強度および耐熱性の問題を解消する。
相変化物質としては、８０～２００℃の温度域に相転移点を有するペンタエリスリトール、ポリエチレン、プロピオアミドなどの有機物、塩化マグネシウム、硝酸マグネシウムなどの無機水和物を用いることができる。また、潜熱蓄熱材には、過冷却が生ずる問題あり、温度の安定化には利用されなかったが、無機水和物系の蓄熱材を用いることで、過冷却の問題を解消できる。サーマルバッテリー５内の温度は一定に保たれるため、廃熱の温度安定化が図れ、サーマルバッテリー５を用いることで、システムを停止した後の熱源の冷却を防ぐことができ、再起動時における熱供給が速やかに行われる。
また、図６（２）に示すように、恒温槽５ｂ内のマイクロカプセル５ａを集積体化し、マイクロカプセル集積体５ｃとすることでもよい。個々のマイクロカプセル５ａ同士がグラファイト架橋５ｄで固定されることにより、伝熱特性が向上し、より温度安定性の高い蓄熱槽を形成することができる。
図７に示す本実施形態のサーマルサーキットシステムの性能の解析を行った結果について説明する。性能解析の条件について下記表１及び図７中に示す。サーマルバッテリー５から出力される８０℃の廃熱に対して、サーマルトランジスタ２において、１２０℃の高温熱１６５ｋＷ、７℃の低温熱２６２ｋＷが得られ、その後、サーマルブースター３で、２５０℃の高温熱源１９６ｋＷ、８℃の低温熱源２４５ｋＷが得られる。すなわち、サーマルアンプ４で乾き空気１１ｂが常温（２５℃）で加熱する量は７１８ｋＷであり、廃熱ベースの成績係数ＣＯＰは、サーマルアンプ４がある場合のサーマルトランジスタ２単独では０．５９５であり（サーマルアンプ４が無い場合のサーマルトランジスタ２単独のＣＯＰは０．５２８）、サーマルアンプ４がある場合のサーマルトランジスタ２及びサーマルブースター３では０．６１４である。
（その他の実施例）
（１）図８は、サーマルサーキットシステムの構成の他の実施形態を示している。サーマルサーキットシステム１１では、低温プロセスがなく、低温プロセスへの低温熱源の提供および低温プロセスからの冷廃熱を利用できない。しかしながら、サーマルトランジスタ２から出力される低温熱はサーマルブースター３で使用し、サーマルブースター３で使用され冷温熱は冷廃熱となって、サーマルトランジスタ２に戻る、すなわち、サーマルブースター３から出力される低温熱源をサーマルトランジスタ２に戻すことにしている。
（１）図８は、サーマルサーキットシステムの構成の他の実施形態を示している。サーマルサーキットシステム１１では、低温プロセスがなく、低温プロセスへの低温熱源の提供および低温プロセスからの冷廃熱を利用できない。しかしながら、サーマルトランジスタ２から出力される低温熱はサーマルブースター３で使用し、サーマルブースター３で使用され冷温熱は冷廃熱となって、サーマルトランジスタ２に戻る、すなわち、サーマルブースター３から出力される低温熱源をサーマルトランジスタ２に戻すことにしている。
（２）図９は、サーマルサーキットシステムの構成の他の実施形態を示している。サーマルサーキットシステム１２では、サーマルサーキットシステム１と比べて、サーマルバッテリー５がなく、熱の温度を保つことができず、システムを即座にブートアップできない。しかしながら、サーマルアンプ４、サーマルトランジスタ２およびサーマルブースター３によって、高温プロセス６から出る温廃熱を用いてプロセスに必要な高温熱源に変換する熱再生を行うことができる。
本発明は、素材産業の高温・低温プロセスの熱源を安定的に供給できる。また、カーボンニュートラルの実現に有用である。
１，１１，１２ サーマルサーキットシステム
２ サーマルトランジスタ（第２ヒートポンプ）
３ サーマルブースター（第３ヒートポンプ）
４ サーマルアンプ（第１ヒートポンプ）
５ サーマルバッテリー（蓄熱槽）
５ａ マイクロカプセル
５ｂ 恒温槽
５ｃ マイクロカプセル集積体
５ｄ グラファイト架橋
６ 高温プロセス
７ 低温プロセス
８ ポンプ
１１ａ 湿り空気
１１ｂ 乾き空気
２１ 高圧吸収器
２２ 低圧吸収器
２３ 高圧蒸発器
２４ 低圧蒸発器
２５，３２，４２ 再生器
２６，３４ 凝縮器
３１ 反応器
３１ａ，３２ａ 化学蓄熱材
３３ 蒸発器
４１ 吸着器
４２ 再生器
２ サーマルトランジスタ（第２ヒートポンプ）
３ サーマルブースター（第３ヒートポンプ）
４ サーマルアンプ（第１ヒートポンプ）
５ サーマルバッテリー（蓄熱槽）
５ａ マイクロカプセル
５ｂ 恒温槽
５ｃ マイクロカプセル集積体
５ｄ グラファイト架橋
６ 高温プロセス
７ 低温プロセス
８ ポンプ
１１ａ 湿り空気
１１ｂ 乾き空気
２１ 高圧吸収器
２２ 低圧吸収器
２３ 高圧蒸発器
２４ 低圧蒸発器
２５，３２，４２ 再生器
２６，３４ 凝縮器
３１ 反応器
３１ａ，３２ａ 化学蓄熱材
３３ 蒸発器
４１ 吸着器
４２ 再生器
Claims (7)
- 高温プロセスから出る温廃熱を用いて該プロセスに必要な高温熱源に変換する熱再生システムであって、
第１ヒートポンプ、第２ヒートポンプ及び第３ヒートポンプで構成され、
第１ヒートポンプは、温廃熱を昇温し、
第２ヒートポンプは、第１ヒートポンプからの出力熱を更に昇温して高温熱として出力すると共に冷廃熱を熱源として低温熱を出力し、
第３ヒートポンプは、前記高温熱の熱を更に昇温する、ことを特徴とするサーマルサーキットシステム。 - 第１ヒートポンプの出力熱を蓄熱させる潜熱蓄熱材が収容された蓄熱槽を備え、第２ヒートポンプへ供給する熱の温度を安定化させることを特徴とする請求項１に記載のサーマルサーキットシステム。
- 第１ヒートポンプは、前記温廃熱を吸着熱として用いる吸着材が収容され、
第２ヒートポンプは、高圧吸収器で蒸発させた水を吸収液に吸収させ昇温した熱を熱交換器で取り出し前記高温熱として出力すると共に、低圧蒸発器で水を蒸発させ水蒸発潜熱により低温プロセスから出る冷廃熱を冷却して低温熱を出力し、前記潜熱蓄熱材の潜熱を用いて前記吸収液を再生し、
第３ヒートポンプは、前記高温熱を化学蓄熱材の水和反応の反応熱により昇温し、前記高温熱を用いて前記化学蓄熱材の脱水反応により蓄熱させ、前記低温熱を用いて脱水反応により生じる蒸気を凝縮させ前記化学蓄熱材の再生を促進させる、ことを特徴とする請求項２に記載のサーマルサーキットシステム。 - 前記温廃熱は７０～１００℃であり、
前記第１ヒートポンプからの出力熱は８０～１００℃であり、
前記第２ヒートポンプが出力する前記高温熱は１００～１５０℃であり、前記低温熱は５～１０℃であり、
前記第３ヒートポンプにおける昇温温度は２００～３００℃である、ことを特徴とする請求項１～３の何れかのサーマルサーキットシステム。 - 前記潜熱蓄熱材は、温度変化に応じて潜熱の吸収及び放出を生じる相変化物質が内包された無孔中空シリカ粒子を含むマイクロカプセルであることを特徴とする請求項２又は３に記載のサーマルサーキットシステム。
- 前記潜熱蓄熱材は、温度変化に応じて潜熱の吸収及び放出を生じる相変化物質が内包された無孔中空シリカ粒子を含むマイクロカプセルの集積体であり、かつ、前記マイクロカプセルがグラファイトで架橋されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のサーマルサーキットシステム。
- 請求項１～３の何れかのサーマルサーキットシステムにおいて、
外部供給エネルギーは、送液用ポンプ動力と制御用電力であり、
外部供給の熱量は無く、廃熱がシステム内で消費されることを特徴とするサーマルサーキットシステム。
Applications Claiming Priority (2)
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2023
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