JPH05157490A - 気体予熱機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱効率の高い気体予熱機を提供する。 【構成】 高温側と低温側とを移動してそれぞれを流れ
る気体と接触して熱の授受を行うヒーティングエレメン
トを有する気体予熱機において、管本体２内に利用する
高温側の温度レベルによって選定した水素吸蔵合金３を
水素と共に充填密封してあるヒーティングエレメント１
を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ボイラ等の燃焼排ガス
から熱エネルギを有効に回収するため等に用いる気体予
熱機に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６〜図８を参照しながら、従来の空気
予熱機を利用したボイラ排ガス等の排熱有効利用法につ
いて説明する。

【０００３】図６はボイラプラントの排ガス系に空気予
熱機を配置した一例を示す。同図中、１００はボイラ本
体、１１０はボイラ本体１００に燃料を吹き込むバーナ
１１１を先端に有する燃料系、１２０は燃料の燃焼に必
要な空気を供給するための押込送風機、１３０Ａ，１３
０Ｂは押込送風機１２０とボイラ本体１００とを連結す
る空気供給ダクト、１４０Ａ，１４０Ｂはボイラ本体１
００からの燃焼排ガスを排出するための排ガスダクト、
１５０は煙突、１０６は空気予熱機である。空気予熱機
１６０は空気供給ダクト１３０Ａ，１３０Ｂと排ガスダ
クト１４０Ａ，１４０Ｂとに介装されており、これらダ
クト１３０Ａ，１３０Ｂ及び１４０Ａ，１４０Ｂ内を送
られるガスと直接接触するヒーティングエレメント１６
１を有している。そして、ヒーティングエレメント１６
１は駆動装置１６２により高温側と低温側との間を回転
移動するようになっている。

【０００４】かかる場合、ボイラ本体１００を出た排ガ
スは、ダクト１４０Ａを経て空気予熱機１６０の高温側
１６０Ａに導かれ、ヒーティングエレメント１６１を加
熱して保有する熱量の一部を失ってダクト１４０Ｂを経
て煙突１５０から大気中に放出される。一方、燃料系１
１０の先端に設けられたバーナ１１１から炉内に吹き込
まれた燃料を燃焼させるために必要な空気は、押込送風
機１２０からダクト１３０Ａを経て空気予熱機１６０の
低温側１６０Ｂへ導かれる。そして、ここで、高温側１
６０Ａで加熱されたヒーティングエレメント１６１から
熱を受けてダクト１３０Ｂを通り、ボイラ本体１００に
供給される。

【０００５】このような空気予熱機による熱回収の一例
を挙げると、空気予熱機１６０の高温側排ガスの入口温
度は３５０℃、出口温度は１４０℃、低温側空気の入口
温度は８０℃、出口温度は３１０℃程度となる。

【０００６】図７及び図８には上記空気予熱機１６０の
詳細を示す。両図に示すように、空気予熱機１６０の多
数のヒーティングエレメント１６１は駆動装置１６２に
よって回転駆動される軸１６３に固着されたフレーム１
６４により複数（図示では８つ）に分割されて支持され
てダクト１３０Ａ，１３０Ｂ及びダクト１４０Ａ，１４
０Ｂの長手方向に貫通するガスの通路を形成するように
保持されており、各通路をダクト１３０Ａ，１３０Ｂ及
び１４０Ａ，１４０Ｂを通るガスが流れるようになって
いる。

【０００７】そして、各フレーム１６４内のヒーティン
グエレメント１６１は、軸１６３を回転することにより
高温側１６０Ａと低温側１６０Ｂとを順次移動するよう
になっており、高温側１０６Ａ内に位置するフレーム１
６４内のヒーティングエレメント１６１はダクト１４０
Ａからの排ガスにより加熱され、また、低温側１６０Ｂ
内に移動したフレーム１６４内のヒーティングエレメン
ト１６１はダクト１３０Ａから流れてくる空気に熱を与
えることになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の空気予熱機１６
０に用いられるヒーティングエレメント１６１は、鋼板
を波板等の特殊な形状に加工して伝熱特性の向上をさせ
るなどの工夫が施されているが、排ガスから取り得る熱
量は本質的にヒーティングエレメント１６１の熱容量で
決まるので、熱効率の向上に限度がある。

【０００９】本発明はこのような事情に鑑み、従来より
熱効率の高い気体予熱機を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成する本発
明に係る気体予熱機は、相対的に温度が高い気体が流れ
る高温側と相対的に温度が低い気体が流れる低温側とを
有し、高温側と低温側との間を移動してそれぞれを流れ
る気体と接触するヒーティングエレメントにより高温側
を流れる気体の熱エネルギを低温側を流れる気体に回収
する気体予熱機において、上記ヒーティングエレメント
として、高温側の気体の温度レベルによって適宜選定し
た水素吸蔵合金を利用したヒーティングエレメントを用
いることを特徴とする。

【００１１】

【作用】前記構成の気体予熱機は水素吸蔵合金の水素ガ
ス吸蔵時の発熱反応と水素ガス放出時の吸熱反応とを利
用したヒーティングエレメントを用いるものである。か
かるヒーティングエレメントは、利用しようとする高温
側の気体の温度によって適宜選定された水素吸蔵合金を
有するもの、つまり高温側の気体の温度下で吸蔵してい
た水素を放出する吸熱反応が生じる水素吸蔵合金を収納
容器に密封したものであり、低温側では水素ガス吸蔵の
発熱反応が生じるものである。すなわち、本発明のヒー
ティングエレメントは、高温側の気体と接触して加熱さ
れると水素ガスを放出し、この水素ガスの放出反応の際
の吸熱反応により当該高温側の気体から熱を奪って温度
上昇する。そして、このように温度上昇したヒーティン
グエレメントが低温側に移動すると低温側の気体により
冷却され、水素ガスは再び吸蔵される。この水素ガス吸
蔵反応は発熱反応なので、低温側の気体は当該ヒーティ
ングエレメントにより加熱される。このようなヒーティ
ングエレメントによる高温側と低温側との熱の授受によ
り、高温側の気体の熱は低温側の気体を加熱することに
より回収される。

【００１２】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

【００１３】図１には、一実施例に係るヒーティングエ
レメントの断面を、図２及び図３はそのヒーティングエ
レメントを用いた気体予熱機の一例としての空気予熱機
の構成を示す。

【００１４】図１に示すように、ヒーティングエレメン
ト１は管本体２内に水素吸蔵合金３を充填・密封したも
のである。

【００１５】かかるヒーティングエレメント１の構造を
その製造工程を示しながら説明する。同図に示すよう
に、管本体２の一端にはプラグ４、他端にはプラグ５が
溶接されており、他端のプラグ５には封じ込め管６が溶
接されている。このヒーティングエレメント１を製造す
るには、一端にプラグ４を溶接した管本体２に水素吸蔵
合金３を充填した後、封じ込め管６が溶接されたプラグ
５を他端に溶接する。なお、図中７は水素吸蔵合金３を
管本体２の長手方向に亘って均一に保持するためのスペ
−サであり、該スペ−サ７は水素吸蔵合金３の充填の際
に例えば３００〜５００ｍｍ毎に入れられる。

【００１６】ここで、水素吸蔵合金３は、一定条件下で
水素ガス吸蔵反応を生じ、また、水素ガス放出反応を生
じるものである。市販の水素吸蔵合金は通常、水素の吸
蔵・放出に対して不活性であり、合金の種類に応じた活
性化処理を行わなければならない。

【００１７】封じ込め管６は水素吸蔵合金３の活性化作
業並びに水素ガスの吸蔵充填作業の際のガス出入口とな
るものである。そして、充填した水素吸蔵合金３の低温
条件に相当する温度−圧力で封じ込め管６より水素ガス
を吸蔵させた後、当該管６を押しつぶし、その後、シー
ル溶接をするなどの方法で管本体２内に水素吸蔵合金３
及び水素ガスを封じ込めることによりヒーティングエレ
メント１が完成する。

【００１８】図２は上記ヒーティングエレメント１を複
数本束ねて形成したモジュールの構成を示す。同図に示
すように、モジュール１０は複数本のヒーティングエレ
メント１を、気体を透過する網目状の材料などからなる
台形状の支持部材１１で束ねて各ヒーティングエレメン
ト１を略平行に保持したものである。

【００１９】図３は本実施例の空気予熱機を示す正面図
及び側面図である。同図に示すように、フレーム１２は
正八角形筒状の外形を有して８つのモジュール１０を収
納する構造を有しており、その中心には図示しない駆動
装置に連結される軸１３が設けられている。そして、こ
のようなフレーム１２に８つのモジュール１０を収納し
た空気予熱機１４は、図６に示す空気予熱機１６０と同
様に使用することができる。なお、モジュール１０に組
み込むヒーティングエレメント１の数や配列、フレーム
１２の構造等は特に限定されるものではなく、排熱利用
の設計条件から決定されるものであり、公知の手段を適
宜応用することができる。

【００２０】以下、上記実施例の作用を説明する。図４
は各種の水素吸蔵合金の圧力（Ｐ）−温度（Ｔ）特性
を、図５は水素吸蔵合金の熱の授受を伴なう機能状態を
明確にするために、Ｐ−Ｔ線図上に仮想の水素吸蔵合金
の特性を示したものである。

【００２１】この仮想の水素吸蔵合金は温度を１４０℃
に保って水素ガスの吸蔵を行わせた場合の平衡圧が２ａ
ｔｍであり、これをそのまま３５０℃に加熱すると、当
該水素吸蔵合金中に吸蔵されていた水素ガスが放出され
て水素ガス圧力５０ａｔｍで平衡に達するものである。

【００２２】ここでは、この水素吸蔵合金を上記管本体
２の内に充填された水素吸蔵合金３とし、これを一定条
件下で水素ガスと共に密封してヒーティングエレメント
１とする。この水素吸蔵合金３が水素ガスを吸蔵する場
合の反応は発熱反応であるので、１４０℃で２ａｔｍ状
態とするために、管本体２を空気等で冷却しながら封じ
込め管６から水素ガスを供給して、１４０℃で２ａｔｍ
の状態で水素ガスを吸蔵する。そして、この状態で密封
して外部に水素ガスが漏れ出ないようにし、ヒーティン
グエレメント１とする。

【００２３】かかるヒーティングエレメント１を用いて
空気予熱機１４を組み立て、図６と同様に使用して高温
側に３５０℃の排ガスを流したとする。このとき、ヒー
ティングエレメント１は３５０℃に加熱されて、水素吸
蔵合金３中に吸蔵されていた水素ガスが放出され、水素
ガス圧力５０ａｔｍで平衡に達する。この加熱による水
素ガスの放出は吸熱反応であるので、高温側を流れる排
ガスから水素吸蔵合金３に伝えられる熱量は、管本体２
等の収納容器及び水素吸蔵合金の温度上昇に見合うだけ
の顕熱と吸熱反応に見合う反応熱との和である。

【００２４】このように水素ガスを放出した状態のヒー
ティングエレメント１が低温側を流れる空気と接触して
冷却されると、当該ヒーティングエレメント１の収納容
器及び水素吸蔵合金３は１４０℃まで冷却され、放出さ
れていた水素ガスは再び吸蔵され、水素ガス圧力は２ａ
ｔｍとなる。この冷却による水素吸蔵過程は発熱反応で
あり、低温側を流れる空気は加熱される。この過程で空
気に伝えられる熱量はヒーティングエレメント１の収納
容器及び水素吸蔵合金３の温度低下に見合う顕熱と発熱
反応に見合う反応熱との和である。

【００２５】このようにして空気予熱機１４の高温側と
低温側とでの熱の授受により排ガスの有する熱エネルギ
が空気の予熱という形で回収される。そして、このとき
の熱の授受はヒーティングエレメントの収納容器及び水
素吸蔵合金の顕熱に反応熱が加わったものである。すな
わち、水素吸蔵合金を利用したヒーティングエレメント
を用いると、従来と比較して水素吸蔵合金の反応熱に相
当する熱量を余分に回収し、有効利用することができ
る。

【００２６】なお、以上は空気予熱機について説明した
が、高温側及び低温側の気体との間で熱交換を行う各種
の気体予熱機としても同様な効果が得られることは言う
までもない。また、実際にどのような種類の水素吸蔵合
金を用いるかは、高温側と低温側との気体の温度・流量
等の熱設計条件によって決められるものである。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の気体予熱
機は、ヒーティングエレメントとして水素吸蔵合金を利
用したものを用いるので、高温側及び低温側の熱の授受
において当該ヒーティングエレメントの熱容量に加えて
水素吸蔵合金の水素ガスの吸蔵・放出に伴なう反応熱も
利用できるため、従来より熱効率の優れたものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】一実施例に係るヒーティングエレメントを示す
断面図である。

【図２】一実施例に係るモジュールを示す構成図であ
る。

【図３】一実施例に係る空気予熱機を示す構成図であ
る。

【図４】各種水素吸蔵合金の圧力（Ｐ）−温度（Ｔ）特
性図である。

【図５】仮想水素吸蔵合金の圧力（Ｐ）−温度（Ｔ）特
性図である。

【図６】従来の空気予熱機を利用するボイラプラントの
説明図である。

【図７】従来の空気予熱機の縦断面図である。

【図８】従来の空気予熱機の横断面図である。

【符号の説明】

１ ヒーティングエレメント ２ 管本体 ３ 水素吸蔵合金 ４，５ プラグ ６ 封じ込め管 ７ スペ−サ １０ モジュール １１ 支持部材 １２ フレーム １３ 軸 １４ 空気予熱機

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 相対的に温度が高い気体が流れる高温側
   と相対的に温度が低い気体が流れる低温側とを有し、高
   温側と低温側との間を移動してそれぞれを流れる気体と
   接触するヒーティングエレメントにより高温側を流れる
   気体の熱エネルギを低温側を流れる気体に回収する気体
   予熱機において、上記ヒーティングエレメントとして、
   高温側の気体の温度レベルによって適宜選定した水素吸
   蔵合金を利用したヒーティングエレメントを用いること
   を特徴とする気体予熱機。