成果報告書詳細
管理番号20140000000069
タイトル平成23年度-平成25年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 実用化開発 マイクロコンバスタ技術を利用した密閉式ガスヒータ搭載連続加熱炉の研究開発
公開日2015/3/10
報告書年度2011 - 2013
委託先名株式会社IHI
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約製造業におけるエネルギー消費の74%を占めている鉄鋼や化学など素材系産業において、高温大型の熱源に対しては、高性能工業炉などの導入により大幅な省エネルギーが実現されている。一方、中低温、中小型の加熱源に対しては抜本的な対策が行なわれていないのが現状である。本研究開発では、特に熱の利用効率が悪いことが想定される食品製造用の加熱源に着目した。
IHIと東北大学は、平成14-16年度NEDO先導研究においてマイクロコンバスタの開発を行った。マイクロコンバスタとは、燃焼器内で排熱を回収し予混合気を予熱することで、小さな密閉空間においても高い燃焼安定性を維持し、かつ熱効率の大幅な向上を実現した燃焼加熱器である。本研究開発では、マイクロコンバスタ技術を用いた密閉式ガスヒータ、およびガスヒータを搭載する連続加熱炉の開発を行った。
密閉式ガスヒータを搭載した連続加熱炉は、ガスヒータ内での排熱回収に加え、炉内の排ガスを逃がす必要がなく密閉性が向上できるため、従来技術に対して飛躍的な省エネおよび作業環境の改善が可能である。
研究開発体制としては、密閉式ガスヒータ、連続炉の開発をIHIが行い、食品焼成への適用性の評価を株式会社ブルボンに、密閉式ガスヒータの燃焼振動現象の評価を国立大学法人東北大学流体科学研究所に委託を行った。
密閉式ガスヒータの開発においては、食品焼成用連続炉へ適用するのに必要な、食品焼成に必要な制御幅をもつこと、3年以上の耐久性を有すること、作業環境において騒音がないこと、の3つの課題について開発を行った。ヒータの断熱構造の工夫により燃焼安定性を向上させ、制御幅を拡大した。3年以上の耐久性については、数値解析と熱サイクル試験により確認を行った。また、東北大学により、高負荷起動時にヘルムホルツ型の燃焼振動が発生していることが明らかとなり、対策実施により騒音抑制を達成した。
連続加熱炉の開発においては、炉長7mの試験炉を製作し、実機を模擬する熱流束履歴となるようにガスヒータの調整を行い、商品と同等の米菓、クッキーの焼成に成功した。さらに、連続炉幅方向の負荷の調整により、幅方向での均一な焼成を実現した。燃料削減率については、従来機に対して50%以上の大幅な削減が可能であることを確認した。
量産ガスヒータの試作では、ヒータ構造の改良、主要部品のプレス加工により、従来試作ヒータに対して、製作費半減が可能となった。
今後は実証機の設計・製作、および食品焼成試験を行い、食品焼成用連続炉の開発を足掛かりに、密閉式ガスヒータおよびガスヒータ搭載連続炉の製品化を進めていく予定である。
英文要約Large energy saving is realized for high temperature environments and large heaters by introducing highly efficient furnaces. Such heat sources are used in steel and chemical industry, where heat generation consumes 74% of the total energy. On the other hand, energy saving is not progressing for low temperature environments and small heaters, which are used in fields such as food production.
IHI and Tohoku University developed the micro-combustor in a NEDO pioneering project from 2002 to 2004. The micro-combustor is a highly efficient small heater, which realizes very stable combustion and high efficiency by recovering heat from the exhaust gas in very small confined space. The continuous furnace does not only profit from the heat recovery within confined gas heater, but also renders ventilation of burnt gases unnecessary, which contributes to better furnace confinement, and thereby considerably improves energy consumption as well as working conditions.
In this project the development has been divided into three tasks. IHI developed a new confined gas heater and a continuous furnace equipped with this confined gas heater. Bourbon Corporation Japan evaluated the food baking performance, and the Institute of Fluid Science at Tohoku University assessed the phenomenon of combustion oscillation.
Priorities in the confined gas heater development have been the demand to allow a wide span of control as required for baking food, a durability of more than three years, and low noise in the work environment. Wide control is achieved by improving combustion stability and by change of the insulation structure. Durability was confirmed by numerical analysis and thermal cycle tests. Combustion oscillation has been found to be caused by Helmholtz resonance for high loads and is suppressed by countermeasures.
For the development of a continuous furnace, a 7m long test furnace was manufactured. By adjusting heater load and location in the test furnace, heat fluxes similar to those in currently operated ovens are obtained. Rice crackers and cookies have been baked successfully. Load of the heaters are adjusted to get a uniform temperature in width. Fuel consumption is confirmed to be lower than 50% of conventional furnaces.
After successful confined gas heater development, structure and press working of main parts was improved for mass production. In a trial manufacture costs could be cut to half.
In future, IHI will produce a demonstration furnace and test food baking, and thereby push forward the commercialization of confined gas heater and continuous furnace.
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