多 段 型 生 成 吸 収 ヒートポンプの 開 発 ヒートポンプ システム Heat pump system 冷 却 塔 tower 排 Waste hot 生 成 吸 収 ヒートポンプ generation Absorption heat pump 排 熱 源 ( 工 場 排 熱 など) Wast

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1 論 文 多 段 型 生 成 吸 収 ヒートポンプの 開 発 福 住 幸 大 入 江 智 芳 山 田 宏 幸 井 上 修 行 Generation by a Three-stage Boosting Absorption Heat Pump by Yukihiro FUKUSUMI, Hiroyuki YAMADA, Tomoyoshi IRIE, & Naoyuki INOUE Heat sources, such as hot 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 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, generation, Absorption heat pump, Multi-stage,, Co-generation system 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 排 熱 が, 年 間 1110 PJ あると 推 計 され,そのうち100 未 満 の, 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 ~ 1) 99 の 排 熱 と200 未 満 のガス 排 熱 の 合 計 743 PJ/ 年 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 に 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 の 消 費 量 は 2) 1360 PJ/ 年 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), 5,6) 太 陽 熱 を 利 用 したヒートポンプの 検 討,サイクルの 理 7) 論 解 析 とシミュレーションによる 最 適 化, 実 験 装 置 に 8) よる 性 能 試 験 と 解 析 などが 報 告 されている 荏 原 冷 熱 システム 早 稲 田 大 学 基 幹 理 工 学 部 工 学 博 士 吸 収 式 ヒートポンプは, 単 段 型 ( 媒 体 : 水 /LiBr) が 製 品 化 されており, 性 能 評 価 指 標 であるCOP( 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 温 度 の 上 限 は120 程 度 となっている 工 場 で 使 用 する は, 配 管 のサイズを 抑 えるため, 少 なくとも0.5 MPa(abs) 以 上 の ( 飽 和 温 度 で 表 示 すると150 以 上 の )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 を 生 成 するには, 機 器 を 多 段 に 組 合 せて する 必 要 が ある 一 方, 吸 収 ヒートポンプの 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 )を 得 ることができるサイクルを 検 討 した また,3 段 の 吸 収 ヒートポンプによって,80 程 度 の を 駆 動 源 として150 の 高 温 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 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 3

2 多 段 型 生 成 吸 収 ヒートポンプの 開 発 ヒートポンプ システム Heat pump system 冷 却 塔 tower 排 Waste hot 生 成 吸 収 ヒートポンプ generation Absorption heat pump 排 熱 源 ( 工 場 排 熱 など) Waste heat source plant waste heat etc. ッダ header 既 設 ボイラ Boiler 2. 吸 収 ヒートポンプの 概 要 排 熱 を 駆 動 源 とし, を 取 り 出 すことのできる 型 吸 収 ヒートポンプの 説 明 図 を 図 2に 示 す 動 作 原 理 と しては, 再 生 器 と の を 駆 動 力 として, 蒸 発 器 から 吸 収 器 への 能 力 を 生 み 出 すものである こ の 型 吸 収 ヒートポンプは 第 二 種 吸 収 ヒートポンプと も 称 されるもので, 第 一 種 吸 収 ヒートポンプと 称 される 通 常 の 吸 収 冷 凍 機 とは, 吸 収 器 と 再 生 器 凝 縮 器 の 圧 力 関 係 が 逆 になっている 吸 収 ヒートポンプは, 排 熱 そのものを 駆 動 源 として 高 温 を 発 生 できることが 大 きな 特 徴 である これまでに 実 用 化 されている 吸 収 ヒートポンプは,80 ~ 90 程 度 の 排 あるいは 排 から120 程 度 の を 生 成 する ものである 実 用 化 されている 吸 収 ヒートポンプの 構 成 機 器 とフローを 図 3に 示 す 既 設 ボイラ Boiler 配 管 Piping ボイラ 負 荷 軽 減 educed fuel の ユース ポイント Point of use 図 1 生 成 吸 収 ヒートポンプの 導 入 イメージ Fig. 1 Schematic diagram の ユース ポイント Point of use 吸 収 溶 液 による1 段 当 たりの 幅 は30 ~ 50 程 度 であり,150 を 超 えるような を 生 成 するには, 昇 温 した 熱 を 更 に する 多 段 サイクルが 必 要 にな る 多 段 型 は 構 成 機 器 が 多 く 複 雑 になるため,まだ 実 用 化 には 至 っていない また, 運 転 中 の 缶 胴 内 圧 が 大 気 圧 以 下 であることは, 缶 胴 が 圧 力 容 器 とならないため 保 守 の 面 から 有 利 である 缶 胴 内 圧 を 抑 えるには 溶 液 を 結 晶 限 界 ぎりぎりまで 濃 縮 し,さらにこの 濃 縮 溶 液 を 用 いて 大 気 圧 ぎりぎりまで 昇 圧 すれば,この 制 約 条 件 の 下, 最 高 温 度 の を 取 り 出 すことができる 本 開 発 で 採 用 したサイクルは, 濃 度 方 向 と 圧 力 方 向 を 組 み 合 わせた 図 4 のような3 段 サイクルである 9,10) 吸 収 器 Absorber 再 生 器 Generator 図 3 型 吸 収 ヒートポンプの 構 成 Fig. 3 Configuration of the temperature absorption heat pump 飽 和 温 度 Saturated temperature ( 冷 媒 温 度 ) efrigerant temperature =1 吸 収 器 Absorber 120 =0.5 dierence 温 度 冷 却 =0.5 80~90 dierence 再 生 器 Generator 冷 却 塔 20~40 tower 吸 収 ヒートポンプのデューング 図 Duhring diagram 吸 収 ヒートポンプによる イメージ Schematic diagram 図 2 型 吸 収 ヒートポンプ Fig. 2 absorption heat pump 4

3 多 段 型 生 成 吸 収 ヒートポンプの 開 発 吸 収 器 HT absorber 飽 和 温 度 Saturated temperature 吸 収 器 Absorber 再 生 器 Generator 高 温 HT evaporator 高 温 再 生 器 HT generator dierence dierence dierence dierence 温 度 3 段 型 吸 収 ヒートポンプのデューング 図 Duhring diagram 3 段 型 吸 収 ヒートポンプによる イメージ Schematic diagram 図 4 3 段 型 吸 収 ヒートポンプサイクル Fig. 4 Cycle of the three-stage temperature absorption heat pump 3. 試 験 機 本 開 発 では 3 段 サイクルで150 を 発 生 する 実 用 サイズの 試 験 機 を 設 計 製 作 した 吸 収 器 (AL)で 発 生 した 吸 収 熱 の 高 温 への 伝 達 は, 吸 収 器 と 高 温 蒸 発 器 ( E h ) を 一 体 構 造 と し た 吸 収 で 行 い, 高 温 再 生 器 (Gh)の 熱 源 として, 吸 収 で 発 生 した 冷 媒 を 導 入 し, 吸 収 の 吸 収 熱 を 利 用 している 本 試 験 機 では, 実 運 転 における 缶 胴 の 内 圧 を 計 測 して, 運 転 中 の 缶 胴 の 内 圧 が 大 気 圧 以 下 となることを 確 認 するとともに, 吸 収 サイ クルや 伝 熱 について 知 見 を 得 ることを 目 的 とする 試 験 機 は, 製 品 化 が 見 込 まれる 容 量 で,なおかつ 社 内 試 験 設 備 に 見 合 った 大 きさとして, 発 生 量 を150 kw (=224 kg/h)として 設 計 した 排 熱 源 は とし,コージェネレーションシステムの 仕 様 を 参 考 にして 入 口 温 度 は88 で 設 計 した 冷 却 水 は 冷 却 塔 循 環 水 を 使 用 するものとし, 通 年 運 転 を 想 定 し て 外 気 湿 球 温 度 の 年 間 平 均 値 から, 入 口 温 度 は 25 で 設 計 した 給 水 はボイラ 給 水 相 当 で 給 水 温 度 は 80 とし, 発 生 は150 の 飽 和 で 圧 力 は0.47 MPa (abs)とした 以 上 の 仕 様 で 吸 収 サイクルの 収 束 計 算 プログラムを 作 成 し, 吸 収 サイクルの 状 態 量 や 伝 熱 について 計 算 を 行 った また, 本 試 験 機 は 製 品 化 を 見 据 え,コストダウンと 短 納 期 化, 品 質 向 上 のため,ユーザごとに 個 別 特 殊 設 計 するの ではなく, 標 準 化 されたユニット 製 品 とし, 工 場 で 組 み 立 てて 現 地 に 輸 送 して 据 え 付 けることを 念 頭 に 置 いた 設 計 と し, 外 形 寸 法 は 陸 送 が 可 能 であることとした 試 験 機 の 仕 様 は 表 1のとおりである Hot 表 1 試 験 機 の 仕 様 Table 1 Specification of the test apparatus 項 目 Item 発 生 量 Amount 発 生 温 度 Temp. 発 生 圧 力 Pressure 入 口 温 度 Inlet temp. 流 量 入 口 温 度 Inret temp. 流 量 単 位 Unit 設 計 値 Design value kw MPa(abs) L/min L/min 1400 COP 0.20 缶 胴 内 圧 Shell pressure 電 源 Power supply 外 形 寸 法 Dimensions kpa(abs) 95.2 mm 三 相 200V 50 Hz Three-phase 2 240(L) 2 820(W) 2 900(H) 5

4 多 段 型 生 成 吸 収 ヒートポンプの 開 発 (E), (C), 再 生 器 (G), 吸 収 器 (A) といった 主 要 な 缶 胴 は, 物 質 移 動 と 熱 移 動 に 伴 う 媒 体 の 相 変 化 や 流 動 性, 流 体 の 圧 力 損 失 等 を 考 慮 し,シェルアン ドチューブ 型 とした 缶 胴 は 内 圧 が 同 じものどうしをま とめるとともに, 断 面 形 状 を 角 形 にすることでコンパク ト 化 を 実 現 した 缶 胴 内 は 高 真 空 に 保 つ 必 要 があり 気 密 性 が 要 求 されるため, 熱 交 換 器 は 溶 接 構 造 とした 熱 交 換 器 の 材 料 はコストと 製 作 性 から 一 般 構 造 用 鋼 材 を 使 用 し, 伝 熱 管 は 銅 製 の 高 性 能 伝 熱 管 及 びボイラ 用 伝 熱 管 を 使 用 した 低 温 は 小 型 化 とコストダウンのため 伝 熱 を 詳 細 に 検 討 し, 吸 収 冷 凍 機 では 前 例 のない 満 液 式 を 採 用 した 溶 液 のフローは, 低 温 サイクルと 高 温 サイクル がそれぞれ 溶 液 ポンプと をもち, 双 方 のサ イクルが 独 立 して 循 環 運 転 する 構 成 とした 試 験 機 のフローを 図 5に 示 す は 伝 熱 性 能 が 良 くコンパクトで,かつ 気 密 性 に 優 れたブレージング 型 積 層 プレート 式 熱 交 換 器 を 採 用 した 再 生 器 と 吸 収 器 はすべて 均 一 な 液 散 布 ができ るスプレーノズル 方 式 とし, 溶 液 ポンプと 冷 媒 ポンプは 気 密 性 に 優 れた 遠 心 式 キャンドモータポンプを 採 用 した 試 験 機 の 中 で, 高 温 吸 収 器 の 発 生 部 だけは 運 転 時 に 大 気 圧 を 超 えることも 想 定 し, 労 働 安 全 衛 生 法 の 第 一 種 圧 力 容 器 に 準 拠 した 設 計 とした 試 験 機 の 外 観 を 写 真 に 示 す 4. 試 験 結 果 製 作 した 試 験 機 を 社 内 の 試 験 用 スタンドに 設 置 し, 運 転 試 験 を 実 施 した 試 験 は 入 口 温 度, 入 口 温 度, 発 生 温 度 を 変 化 させ, 様 々な 運 転 条 件 でデータを 取 得 した 入 口 温 度 は70 から90, 発 生 温 度 は130 から 150 の 範 囲 で 試 験 を 実 施 した 試 験 時 期 が 夏 季 で 外 気 温 が 高 かったため, 温 度 を 低 下 させることができ ず, 温 度 は30 と35 の 条 件 で 試 験 を 実 施 した 入 口 温 度 が 高 いほど,また 入 口 温 度 と 発 生 温 度 は 低 いほど, 発 生 量 が 大 きくなる 特 性 が 確 認 できた 試 験 結 果 を 図 6のグラフに 示 す 設 計 点 である 入 口 温 度 25 は 実 施 できなかったため, 設 計 計 算 を 用 い た 性 能 予 測 から 設 計 点 の 性 能 を 十 分 満 足 することと, 缶 胴 内 圧 が 大 気 圧 以 下 であることを 確 認 した 定 格 運 転 時 の 設 計 値 及 び 試 験 データの 外 挿 値 を 表 2に 示 す 試 験 機 の 制 御 は 起 動, 定 常 運 転, 停 止 についてそれぞ れラダーシーケンスを 組 み, 安 定 した 自 動 制 御 が 可 能 で あることを 確 認 した 定 常 時 のトレンドデータを 図 7に 示 す 熱 源 の 試 験 機 入 口 温 度 が 設 定 値 に 達 した 時 点 で 低 温 溶 液 ポンプと 低 温 冷 媒 ポンプを 始 動 し,まず 低 温 側 の サイクルを 確 立 させてから 高 温 溶 液 ポンプと 高 温 冷 媒 ポンプを 始 動 して 高 温 側 のサイクルを 確 立 させる サイ クルの 確 立 に 伴 って 発 生 圧 が 徐 々に 上 昇 し, 起 動 か ら 約 1 時 間 で が 発 生 した 定 常 運 転 時 では 発 生 量,,,, 温 度 とも 安 定 して 自 動 制 御 できていることが 確 認 できた 冷 媒 分 器 efrigerant separator 水 分 器 separator 出 口 ノズル outlet /Eh 吸 収 Absorption evaporator 高 温 吸 収 器 HT absorber 高 温 缶 胴 High temp. shell ノズル Waste hot inlet/outlet 低 温 缶 胴 Low temp. shell 低 温 再 生 器 LT generator 高 温 再 生 器 HT generator 溶 液 Solution 冷 媒 efrigerant 給 水, Feed steam /241 図 5 試 験 機 のフロー 図 Fig. 5 Flow diagram of the test apparatus 写 真 試 験 機 外 観 Photo External appearance of the test apparatus 6

5 多 段 型 生 成 吸 収 ヒートポンプの 開 発 発 生 量 kw Amount of generated kw 試 験 データ Test data 試 験 データ Test data 入 口 温 度 inlet temp. 図 6 試 験 結 果 グラフ Fig. 6 Test result graph 設 計 値 Design value 設 計 値 Design value 設 計 点 Design point 表 2 定 格 運 転 の 設 計 値 と 試 験 データ 外 挿 値 Table 2 Design values for rated operation and test data extrapolation values 項 目 Item 発 生 量 Amount 発 生 温 度 Temp. 発 生 圧 力 Pressure 入 口 温 度 Inlet temp. 流 量 入 口 温 度 Inlet temp. 流 量 単 位 Unit 設 計 値 Design value 試 験 データ 外 挿 値 Extrapolation value kw MPa(abs) L/min L/min COP 缶 胴 内 圧 Shell pressure kpa(abs) 温 度 Temp. deg C 発 生 量 kg/min Amount of steam kg/min 経 時 間 分 Time min 入 口 Waste hot inlet 出 口 Waste hot outlet 入 口 inlet 出 口 outlet 発 生 発 生 量 () Amount of steam ight axis 図 7 定 常 時 のトレンドデータ Fig. 7 Trend data during stable operation 7

6 多 段 型 生 成 吸 収 ヒートポンプの 開 発 5.お わ り に 3 段 サイクルの 吸 収 ヒートポンプによって, 排 熱 から を 発 生 する 装 置 を 開 発 し, 実 機 試 験 により 以 下 の 事 項 を 確 認 した 13 段 サイクルを 運 転 し,85 の を 熱 源 とし た 場 合 に150 の を 発 生 することができた 2 運 転 時 の 缶 胴 内 圧 は 大 気 圧 以 下 であり, 法 規 制 を 受 けないことが 確 認 できた 3 起 動, 停 止 及 び 定 常 状 態 での 運 転 制 御 は 問 題 なく 行 うことができた 今 後 も 引 き 続 き 吸 収 ヒートポンプによる 排 熱 の 有 効 利 用 について 研 究 開 発 を 進 めていく 参 考 文 献 1) 平 成 12 年 度 工 場 群 の 排 熱 実 態 調 査 研 究 省 エネルギーセン ター 2) 平 成 18 年 度 エネルギー 需 給 実 績 経 済 産 業 省 資 源 エネルギー 庁 3) 高 田 : 吸 収 冷 凍 機,pp.38-41, 日 本 冷 凍 協 会 (1982). 4) 柏 木, 伊 藤, 黒 崎, 加 藤 : 日 本 機 械 学 会 論 文 集 B,52(474), 795(1986). 5) 野 邑, 西 村, 藪 下, 柏 木 : 日 本 冷 凍 協 会 論 文 集,6(2),151(1989). 6) 野 邑, 西 村, 藪 下, 柏 木 : 日 本 冷 凍 協 会 論 文 集,7(3),65(1990). 7) 井 上, 入 江, 福 住 : 日 本 冷 凍 空 調 学 会 論 文 集,22(2),173(2005). 8) 福 住, 井 上 :2005 年 度 日 本 冷 凍 空 調 学 会 年 次 大 会 講 演 論 文 集, C106(2005). 9) 田 野, 齋 藤, 井 上, 福 住 :2011 年 度 日 本 冷 凍 空 調 学 会 年 次 大 会 講 演 論 文 集,B324(2011). 10) 大 塚, 田 野, 齋 藤, 井 上, 福 住 : 第 46 回 空 気 調 和 冷 凍 連 合 講 演 会 講 演 論 文 集,20(2012). 6. 謝 辞 本 研 究 は, 省 エネルギー 革 新 技 術 開 発 事 業 として, ( 独 ) 新 エネルギー 産 業 技 術 総 合 開 発 機 構 (NEDO) の 委 託 により 実 施 されたものである.ここに 記 して 謝 意 を 表 する 8

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