JPH04126961A - 化学蓄熱形ヒートポンプ - Google Patents

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〕 本発明は物質の反応熱を利用した化学蓄熱形ヒ−１〜ポ
ンプに係り、特に、酸化カルシウムと水蒸気を反応させ
ることを利用した化学蓄熱形ピー１−ポンプに関する。

〔従来の技術〕

蓄熱作用を用い、低温の熱エネルギを高温にする方法と
して、物質の可逆的化学反応を利用する方法がある。熱
エネルギは温度が高い程利用価値が高くなることから、
低温の熱を高温にするヒトポンプでも、より高温化のた
めの開発が進められている。

６００　’Ｃ程度の高温を安定して得られる反応として
、酸化カルシウムＣａ　Ｏと水（利用形態としては水蒸
気）との反応があり、この反応は次式で表わされる。

Ｃａ０（Ｓ）＋Ｈ２０（ｇ）ｔｃａ（ＯＨ）２＋２４．
９ｋｃａ　Ｑ／ｍａ　１この反応は可逆反応であり、上
記式の左辺から右辺に移る反応は発熱反応であるが、逆
は吸熱反応である。それぞれの反応を、温度レベルを変
えて行わせればヒートポンプとなり、また、右辺から左
辺への反応を終えたところで、水（水蒸気）を除去して
おけば、酸化カルシウムは蓄熱材として機能する。この
反応の平衝温度と反応槽内の水蒸気圧力との関係は、第
２図に示すように、（同図の実線ａ）、水蒸気圧力を高
くするほど平衝温度は高くなる。

この反応を利用した従来技術を第３図により説明する。

反応槽９“には蓄熱材］−〇となる酸化カルシウム（反
応後は水酸化カルシウムとなる）が粒状で充填され、そ
の内部に伝熱管１１“が配設されている。この反応槽９
ｎは水タンク３２と配管２５’によりバルブ２６＃を介
して接続しであるが、水タンク３２には水３３の加熱の
ための加熱管３５、および水３３の冷却のための冷却管
３６が水中に配設しである。

このような装置において、発熱反応時には第３図（ａ）
に示すように、水タンク３２からの高圧の蒸気３４が反
応槽９”に導かれ、反応槽内で酸化カルシウムと水蒸気
が反応して高温の熱を発生させるが、この熱を負荷側へ
、伝熱管１１ｎにより他の熱媒体で取り出す。

−・方、発熱反応が終り、反応で水酸化カルシウムとな
った蓄熱材１０を再生する。すなわち、加熱脱水し蓄熱
する場合は、第３図（ｂ）に示すように、予め水タンク
３２内の水３３の温度を下げて圧力を下げておき、バル
ブ２６“を開けて反応槽内の圧力を下げ、伝熱管１１“
により、発熱反応時の取り出し温度よりは低い温度の熱
源からの熱媒体で蓄熱材１０を加熱する。こうすること
により、反応は、式の右辺より左辺に移行し、酸化カル
シウムが再生される。

〔発明が解決しようとする課題〕

このような作動をする化学蓄熱形ヒートポンプにおいて
、蓄熱材を再生させる場合、すなわち、熱源からの熱に
より、水酸化カルシウムとなった蓄熱材を加熱・脱水す
る場合、反応槽内の圧力（水蒸気圧）を非常に低くする
必要があり、真空装置、あるいは、低圧で水蒸気が凝縮
するための低温水を貯蔵した水タンク、あるいは、低温
の凝縮器が必要となる。

さらに、再生時の蓄熱剤の加熱は、伝熱管による間接加
熱であり、反応器内の圧力が低いことから、対流による
熱伝達が期待できず、主に蓄熱材同志の熱伝導と、放射
による伝熱形態に頼ることになる。蓄熱材である酸化カ
ルシウム、あるいは、水蒸気と反応した水酸化カルシウ
ムは、水蒸気との反応、あるいは、水蒸気の放出を行う
ため、粒状に形成され、反応器としては多孔状に充填さ
れ、熱伝導が良い状態とは言えず、大きな温度分布が発
生し、再生に長時間を要する。また、このため、大きな
温度サイクルを受けることになり、蓄熱材粒子の微細化
をきたし、寿命が短くなるという欠点がある。

また、再生時に放出される水蒸気は、低圧であるため、
凝縮温度は低く、回収熱の利用度が低いという問題点も
ある。

本発明の目的は、このような欠点を解除し、再生時間の
短縮、蓄熱材の寿命の延長２回収熱利用の容易な化学蓄
熱形ヒートポンプを提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

発熱反応において水蒸気と反応した蓄熱材を再生させる
場合、すなわち、加熱脱水する場合、蓄熱材とは化学的
に不活性な気体、例えば、炭酸ガスを除去して乾燥させ
た空気を他の装置からの廃熱や太陽熱等で加熱し、これ
を蓄熱材が充填された反応槽へ導入し、蓄熱材に、直接
、接触させるようにする。

さらに、蓄熱材の再生に使用した気体の熱は、気体の予
熱、負荷側作動媒体の予熱、あるいは、空気乾燥器の再
生等に利用する。

また、負荷側へ連続的に高温の熱を取り出すため、複数
個の反応槽を設け、発熱と再生（蓄熱）を交互に、ある
いは、それぞれ時間をずらして行うようにする。

〔作用〕

前記した構成において、水酸化カルシウムとなった蓄熱
材の再生時に、これとは不活性な気体、例えば、乾燥し
た高温の空気が反応槽９内の水酸化カルシウムに、直接
、接触すると、反応槽内は蓄熱材の充填層であるため熱
伝達率が良く、蓄熱材に乾燥空気の熱が早く伝わる。一
方、乾燥空気であるため水蒸気分圧は極めて低く、水酸
化カルシウムは容易に水分を放出し短時間でカルシウム
になる。乾燥空気を一定の時間、反応槽へ流すことによ
り、反応槽内の全ての蓄熱材（水酸化カルシウム）は、
脱水を完了する。

また、反応槽を複数個、例えば、二個設け、方の反応槽
で再生反応を、他の一方の反応槽で発熱反応を行わせ、
それぞれの反応が終了後、各反応槽で逆の反応を引き続
き行うようにすれば、連続して高温の熱エネルギを得る
ことができる。

なお、再生のために反応槽９へ導入した不活性気体は、
発熱反応で高温になった反応槽内の蓄熱材で加熱されて
高温となり、この不活性気体は反応槽の外へ導かれ、熱
回収器により、その熱は他の媒体、例えば、不活性気体
の加熱に利用される。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図により説明する。本実
施例は、反応熱を連続的に利用する例として発電を行わ
せる場合を示す。

一 空気はブロワ１で配管２へ送り出され、脱湿器３ａ、脱
炭酸ガス装置３ｂ、熱回収器４を経て他の熱源で加熱さ
れる空気加熱器６へ送られる。空気加熱器６はバルブ７
．７′を持つ二本の配管８゜８′により、蓄熱材１０（
ＣａＯ）を充填した反応槽９，９′へそれぞれ接続され
る。反応槽９゜９′内には、蓄熱材１０によって負荷側
作動媒体が加熱される加熱管１１．１１’　がそれぞれ
配設されるが、負荷側作動媒体は蓄熱材１０には、直接
、接触しないように構成される。

反応槽９，９′は、バルブ１１５．１５’　をもつ配管
１４．，１４’により、熱回収器４へ接続されている。

反応槽９，９′内の加熱管１１．１１’の出口は、配管
１２，１．２’によりバルブ１３．１３’を介してター
ビン１６へ接続されている。１８は復水器で、復水は給
水ポンプ２１により、給水加熱器２０を通り、配管２８
．バルブ２９．２９’を経て反応槽９，９′内の加熱管
１１．、１１．’へ送られる。

一方、タービン１６からは配管１９により給水加熱器へ
抽気されるが、配管１９の途中より配管２３、バルブ２
４を経てアキュムレータ２２へ水蒸気が送られる。また
、給水ポンプ２１の後流側から、アキュムレータ２２ヘ
バルブ３１をもつ配管３０により水が供給される。アキ
ュムレータ２２では飽和水蒸気が発生するように蒸気、
及び、水の供給量が調節される。アキュムレータ２２か
らは、水蒸気が配管２５．２５’　により、バルブ２６
．２６’　を介してそれぞれ反応槽９，９′へ送られる
。２７．２７’　はバルブである。

このような構成において、他の熱源が利用できる場合で
、先ず、反応槽９が再生反応時の動作を述べる。ブロワ
１で送られる空気は、脱湿器３ａ。

脱炭酸ガス装置３ｂ、熱回収器４．空気加熱器６を経て
昇温され、バルブ７のある配管８を経て反応槽９へ入る
。バルブ７′は閉の状態である。反応槽９へ入った空気
は、蓄熱剤１０と直接接触による伝熱を行い、蓄熱材１
０を加熱して、脱水し、水酸化カルシウムを酸化カルシ
ウムに再生する。

加熱に使われた空気と蓄熱材１ｏから出た水蒸気は、反
応槽９より配管１４によりバルブ１５を介して熱回収器
４へ導かれて熱回収される。

この間、反応槽９′内の蓄熱材１０が再生完了状態であ
れば、アキュムレータ２２から、配管２５′、バルブ２
６′を経て水蒸気を反応槽９′内へ送り、蓄熱材１０と
水蒸気との発熱反応を行わせることができる。この場合
は従来の方法で熱を蓄熱材１０より取り出すことができ
る。すなわち、給水ポンプ２１で給水（あるいは復水）
が給水加熱器２０．配管２８を経てバルブ２９′を介し
て反応槽９′内の加熱管１１′内へ送ら九る。

給水は加熱管１１′内で蒸気になり配管１２′バルブ１
３′を経てタービン１６へ送られる。なお、反応槽９′
内の発熱反応の場合、再生反応時に内部に残っている空
気を処理する必要があるので、バルブ２６′を開いて蒸
気を導入する場合、バルブ２７′を開いて、反応槽９′
内の空気を放出する。

反応槽９内での再生反応、及び、反応槽９′内での発熱
反応が終了すれば、各反応槽周りの出入口のバルブ７．
７’　、１５．１５’　、２６゜２６’　、１．３．１
３’　、２９．２９’　、２７゜２７′の開閉を逆に切
り換えることにより、各反応槽の動作は前述の動作と逆
になり、反応槽９では発熱反応を、反応槽９′では再生
反応を進めることができる。

本実施例によれば、水酸化カルシウムとなった蓄熱材の
再生が、高温の乾燥空気との直接接触により行われるた
め、従来の間接加熱による場合に比べて、短時間に反応
が行われる。このため、他の反応槽における発熱反応時
間と同等の反応時間で蓄熱材の再生が完了し、前述のよ
うな連続した高温熱の取り出しサイクルが構成できる。

また、従来、蓄熱材の再生反応時に発生した水蒸気を低
温低圧の水に吸収・凝縮させていたのに対し、本実施例
では、再生反応で発生した水蒸気は高温空気と共に熱回
収器へ送られるため、水蒸気のもつ熱及び蓄熱材１０が
もつ顕熱が有効に利用できる。

また、本発明の他の実施例を第４図により説明する。第
４図は反応槽９，９′内の蓄熱材］Ｏを再生した空気、
及び、再生により発生した水蒸気の熱を、アキュムレー
タ２２′内の水３３の加熱用に回収する例である。すな
わち、反応槽９゜９′からの空気及び水蒸気は配管１４
により、バルブ１５．１５’　を介してアキュムレータ
２２′内に導かれる。アキュムレータ２２′内では配管
１４が加熱管３５に接続される。アキュムレータ２２′
内には、蓄熱材］Ｏの発熱反応に用いられる水蒸気３４
を発生する熱水３３が保有されている。このような構成
において、第１図について記したと同様に、バルブ７を
介して配管８により反応槽９内に導入された高温の乾燥
空気は、蓄熱材］０を加熱再生後、配管］４によりバル
ブ１５を介してアキュムレータ２２′内の加熱管３５に
導かわる。反応槽９を出たこの空気と再生により発生し
た水蒸気の保有する熱は、加熱管３５によりアキュムレ
ータ２２′内の熱水３３に伝達され、高温高圧の水蒸気
３４を発生する。この水蒸気３４は配管２５．バルブ２
６′を経て、もう一方の反応槽９′へ導かれ、反応槽９
′内の蓄熱材１０と反応し高温の熱を発生する。この熱
は加熱管１］−′内を流れる負荷側媒体を加熱するのに
用いられる。その他の工程は、第１図について記したと
同様である。

この実施例では、再生の際の余剰熱や残熱を蓄熱材１０
の発熱反応に必要な水蒸気の発生に有効に利用すること
ができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、蓄熱材の再生が短時間で可能となり、
また、再生用熱源の温度を低くすることができ、温度分
布を均一化でき、蓄熱材の寿命を長くできる。また、再
生時に反応槽から出てくる熱源用気体の保有する熱が有
効に利用でき、プラント熱効率を向」ニさせることがで
きる。

さらに、反応槽を複数個設置することにより、連続した
運転が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の系統図、第２図は、本発明
に用いられる蓄熱材と１反応媒体である水との圧力−温
度の手術関係を概念的に示す説明図、第３図は従来技術
による化学蓄熱形ビー１−ポンプの作動説明図、第４図
は本発明による他の実施例の部分的構成を示す説明図で
ある。 １　ブロワ、３　ａ　　・脱湿器、３ｂ　・脱炭酸ガス
装置ｒｔ、４・・熱回収器、６・空気加熱器、９，９′
反応槽、１０・・蓄熱材、１．　１　、　１１’　　・
加熱管、８．８’　、１２．１２’　、１４，２５．２
５’２８・・配管、７．７’　、１３．１３’　、１５
゜１５’　、２６．２６’　、２７．２７’　、２９゜
弔 図 弔 図 ｓ （α） 反底晴 （’ｏ） 再へ時

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、蓄熱材である酸化カルシウムと水蒸気を反応させて
   供給熱源の温度より高い温度の熱を得る化学蓄熱形ヒー
   トポンプにおいて、 発熱反応を行わせた後の蓄熱材の再生蓄熱を行う際、前
   記蓄熱材に対して不活性な気体を前記蓄熱材と直接接触
   させ、再生に用いた前記不活性な気体の保有熱を他の熱
   利用機器に利用することを特徴とする化学蓄熱形ヒート
   ポンプ。 ２、請求項１において、前記蓄熱材を充填した反応槽の
   容器に、前記蓄熱材に対して、不活性な気体の導入口及
   び導出口を設け、前記導出口から他の熱利用機器へバル
   ブを介して接続した化学蓄熱ヒートポンプ。 ３、請求項１において、前記蓄熱材に対し不活性な気体
   として空気を用い、空気の加熱器の上流側に脱湿器及び
   脱炭酸ガス装置を配設した化学蓄熱形ヒートポンプ。 ４、請求項１において、前記加熱管を内蔵し前記蓄熱材
   を充填した反応槽を複数個配設し、これらをバルブを介
   して並列に接続し、夫々の発熱反応時間率あるいは再生
   時間帯を段階的にずらして運転するようにした化学蓄熱
   形ヒートポンプ。 ５、蓄熱材を充填した反応槽に、不活性な気体を放出す
   る専用の弁を設けたことを特徴とする化学蓄熱形ヒート
   ポンプ。 ６、蓄熱材の再生時に反応槽より導出される再生に利用
   した気体の保有熱を、再生用気体の予熱に利用すること
   を特徴とする保有熱利用方法。 ７、蓄熱材の再生時に反応槽より導出される再生に利用
   した気体の保有熱を利用して水蒸気を発生させ、その蒸
   気を蓄熱材の発熱反応に用いるようにした保有熱利用方
   法。