成果報告書詳細
管理番号20120000001059
タイトル平成21年度~平成24年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究フェーズ 蒸気ボイラ代替可能な産業用高温ヒートポンプに関する要素技術の研究開発
公開日2012/9/21
報告書年度2009 - 2012
委託先名株式会社前川製作所
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約熱需要の多い工場などの産業分野では、プロセス加熱において100数十℃程度のボイラ蒸気が多く使用されている。この代替として、150℃以上までの加熱が可能なヒートポンプが開発されれば、ボイラを使用することなく蒸気生成が可能となり、蒸気の代わりに熱媒体を循環させることにより蒸気レスの工場構築も可能となる。
本研究開発は150℃以上の熱をヒートポンプで供給することを目的とし、広い産業分野への導入が可能となり、省エネ、省CO2に貢献できると考えられる。
GWP≦150達成のため冷媒にノルマルペンタン、冷凍機油はPAGを選定し、最高180℃での粘度確保、高温安定性等に対し試験により確認を行い使用できることを確認した。圧縮機の軸受、メカニカルシール等の要素試験を実施し、その結果を反映させた高温対応圧縮機試作機の設計・製作を行い単体性能試験により設計通りの性能を確認した。潜熱蓄熱材には多糖類の混合物を選定し、モデル装置を製作して150℃での蓄放熱性能を確認した。さらに蒸気製造ラインを追加して放熱性能を確認し、解析モデルと結果を比較して性能評価を行った。それらの要素試験の結果を基に最適システム構築のため検討を行い、当初の目的である80→150℃の加熱でCOP=3を達成する産業用ヒートポンプシステムを実現した。
これより、既存蒸気ボイラ稼働台数の10%が本研究開発のヒートポンプに代替されると仮定した場合、2020年には57.8万kL/年(COP=3)、2030年までにCOP=4(技術開発ロードマップ参考)を達成した場合は、117.3万kL/年の省エネルギー効果が得られるものと推定される。また、本技術は100℃未満の利用においても効率の改善に寄与するものであり、融雪、空調、給湯分野にも波及効果は大きい。
英文要約Title: Development of basic technology for an industrial high temperature heat pump system which can be an alternative to a steam boiler (FY2009-FY2012) FY2012 Final Report.
Fossil oil fired boilers are mainly used to generate steam much needed for heating in the industrial sector. A heat pump producing steam of more than 150C can be an alternative to the boilers. And by circulating a thermal medium (secondary refrigerant) through the heat pump a steam free factory can be realized.
The aim of this research is to develop a heat pump providing heat of more than 150C which could help reduce CO2 emissions and conserve energy. Normal pentane with a GWP less than 150 was chosen as the refrigerant while PAG oil was chosen as the lubricating oil and was tested for thermal stability and enough viscosity up to 180C. A compressor which can be operated at high temperatures was designed and fabricated after basic tests on seals, bearings and elastomers. Tests carried out on the compressor showed that the performance was in accordance with the design conditions.
The latent heat storage material used is a mixture of sugar based materials. A test rig was fabricated and heat storage as well as dissipation at 150C was carried out. A steam generation line was also added on the test rig to check heat dissipation performances. Tests results were compared with simulation data and they fairly agreed. An optimum industrial heat pump system incorporating all the basic studies mentioned above was considered for evaporation and condensing temperatures of 80C and 150C respectively and COP above 3 was realized. From the above results, it is considered that if 10% of existing boilers are replaced by the developed heat pump an energy conservation effect of 578000kL/yr(COP=3) by 2020 and 1173000kL/yr (COP=4, see development road map) by 2030 can be realized. The developed technology is also expected to help improve efficiency in heat pumps below 100C and help spread their use in air conditioning, hot water supply and melting snow on streets.
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