固気反応系を用いたケミカルヒートポンプ昇温操作に関する工学的研究

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多くのプロセスでは、熱をカスケード利用することにより省エネルギー化を図っている。一方で、高い温度の熱需要に合わせて熱供給するため、より低い温度の熱が余剰しているプロセスも多く存在している。ケミカルヒートポンプ(ChHP)による昇温操作は入力した低温度の熱を高温側に変換するため、プロセス排熱と燃料消費を削減することができる。本研究では、固気反応を用いた熱・物質移動操作による熱エネルギー変換技術としてケミカルヒートポンプに着目し、その実用化を目的として研究を進めている。ケミカルヒートポンプの課題には、反応材料と作動媒体により決定する作動温度と装置設計により決まる入出力特性の最適化、出力の安定性が挙げられる。本研究では、160℃程度排熱を250℃程度の熱へ変換することが可能となるケミカルヒートポンプの開発を目的として、作動媒体と吸収材の組み合わせとして水とCaBr2を選定し、本反応系における入出力に関する平衡論的な検討とモジュールによる入出力特性の実験的な検討を行った。その結果、実機相当の入出力特性の実験では、操作線から得られる出熱温度の上限、蓄熱温度の下限は実験的に得られた結果とほぼ一致したことから操作線により、作動温度を見積もることが可能であることが明らかとなった。また、連続的な2000回程度の繰り返しによる出力耐久性の評価を行い、連続出力の際に生じる反応材料の物理的な変化を把握し、その変化に伴う出力変化を予測する数値解析モデルの構築と開発を行った。その結果から、サイクルにおける入出力の低下を抑制する方法として活性炭担持型吸収材を提案し、その入出力特性の安定性を評価した。その結果、活性炭担持型吸収材を用いたモジュールにおいて、連続的に安定な入出力が可能であることが示され、本手法が連続サイクルにおいて入出力特性を維持するために有効であることが明らかとなった。