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未利用工場排熱の有効活用技術と実用展開
〜要素技術の開発・高性能化と導入事例・システム〜  
 
〜100℃以下を中心に、捨てるしかなかった排熱の回収・利用技術〜
〜ヒートポンプ・蓄熱・バイナリー発電・熱電発電・スターリングエンジン〜
[コードNo.14STM016]

■体裁/ B5判並製本 413ページ
■発行/ 2014年3月27日 サイエンス&テクノロジー(株)
■定価/ 64,800円(税込価格)
■ISBNコード/ 978-4-86428-096-9
 
捨てている熱(100℃以下)をなんとかしたい!有効に使いたい!
〜熱利用技術の高性能化、および導入の実際を徹底解説〜


低温排熱利用技術のさらなる高性能・高効率化に求められる技術と課題は?
導入検討の実際は?⇒ここでしか読めない導入・システム構築事例、省エネルギー効果を掲載


低温排熱の利用を可能にする技術について
≪動作原理の分かりやすい解説と、普及拡大に向けた課題と開発指針≫
≪実証・導入例と設備・システム構築例、CO2削減・エネルギー使用量低減効果≫

の2つの面からまとめた一冊!

著 者

齋藤潔早稲田大学
小林敬幸名古屋大学
窪川清一三菱樹脂(株)
鈴木洋神戸大学
小倉裕直千葉大学
森豊森豊技術士事務所
上原一浩神鋼リサーチ(株)
清水邦彦(株)神鋼エンジニアリング&メンテナンス
梶川武信湘南工科大学
平田宏一(独)海上技術安全研究所
長弘基北九州市立大学
坂本眞一滋賀県立大学
渡辺好章同志社大学
武田伸之日立アプライアンス(株)
藤居達郎(株)日立製作所
友藤大輔(一財)コージェネレーション・エネルギー高度利用センター
飯塚晃一朗(株)神戸製鋼所
`島明(株)前川製作所
柴芳郎ゼネラルヒートポンプ工業(株)
渡辺則之(株)高岳製作所
辻敦浩サントリープロダクツ(株)
梅井良太サントリープロダクツ(株)
岩井良博三機工業(株)
藤岡完アネスト岩田(株)
南保幸宏第一実業(株)
東謙治(株)ダ・ビンチ
藤田和博(株)TESニューエナジー
赤澤輝行(株)eスター
大下悟三浦工業(株)

書籍趣旨

<ヒートポンプ>
排熱回収型HPがさらに普及する為の技術的・使用環境的な課題と開発指針とは?
HPによる高温供給技術は?
生産工程への導入事例は?実際に省エネ効果はどの程度?

<蓄熱>
吸着・熱輸送・化学蓄熱の3つの切り口で解説。
輸送式・定置式の実用化事例

<バイナリー発電>
導入・性能・メンテナンス性などの実際は?
他ではなかなか見られないカリーナサイクルの詳細も

<熱電変換>
排熱利用のために必要なシステム構築とは?
工場設備への設置は実際どうなの?
煙道への導入事例で分かった課題と、得られた性能

<スターリングエンジン>
機構・性能はどうなっている?
工場排熱への適用の実際は?発電性能は?課題は?
ガスエンジン排ガス通路、溶解炉、窯業炉、焼却炉への導入・システム例を解説!

<今後の発展が期待される新技術>
形状記憶合金熱エンジン、熱音響機関のメカニズムとは?
実用レベルの性能発現に向けて求められることは?

<コージェネレーション>
コージェネ機器、排熱利用・周辺機器の最新動向は?
補助金・関連法規は?経済性の実際は?

<蒸気生成システム>
排温水を利用したい!蒸気生成システムで省エネルギー化
ガスエンジンコジェネへの導入例

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工場のエネルギー使用の効率化、省エネルギー化において、従来捨てられていた熱の有効利用に大きな関心が寄せられています。これまでも企業努力により多くの排熱回収・利用の取り組みがなされてきましたが、低温・低質で回収・利用が難しい熱がまだまだ残されています。東日本大震災を契機とした、自家発電設備の確保やエネルギー使用の見直しも相まって、熱を余すところなく使いつくす技術のニーズが高まり、それに対応する製品技術の開発が進展しています。

本書では、まず第1部で100℃以下を中心に、300℃程度の中温域までの排熱を有効活用するための実用技術および、今後の実用化が期待される有望技術の原理・構造と、高性能化に向けた開発指針について取り上げました。また第2部では、開発企業と導入企業のご協力により、実際の現場における導入・実証事例・その省エネルギー効果や発電性能などを豊富に掲載しています。

要素技術開発に取り組む方、排熱をどうにかして有効利用できないか検討されている工場設備担当者・エネルギー管理士の方、ならびに省エネルギー技術の普及・導入提案に取り組まれている全ての方にお役立て頂ける一冊です。
(書籍企画担当者)

目次

第1部 低温排熱利用に向けた要素技術・システムと高効率化に向けた開発

第1章ヒートポンプ
第1節圧縮式ヒートポンプの動作原理と産業排熱の効果的活用に向けた開発指針
1圧縮式サイクル
2圧縮式サイクルの性能評価指標
3圧縮式の基本特性
4圧縮式サイクルの性能向上方策
5用途拡大
6排熱回収によるヒートポンプ単体としての理論的可能性と制約条件
7排熱を活用したヒートポンプを含むシステム全体としての現状と今後の可能性
第2節吸収式ヒートポンプの動作原理と産業排熱の効果的活用に向けた開発指針
1吸収式サイクル
2デューリング線図、濃度‐エンタルピー線図
3吸収式冷凍サイクルの性能
4吸収式冷凍サイクルの基本特性
5吸収式ヒートポンプサイクル
6さまざまな吸収式冷凍機、ヒートポンプ
6.1単効用吸収式冷凍機
6.2二重効用吸収式冷凍機
6.3ジェネリンク
6.4三重効用吸収式冷凍機
6.5第一種吸収式ヒートポンプ
6.6第二種吸収式ヒートポンプ
7排熱活用方法ならびに現状と今後の可能性
第3節吸着現象を利用した熱駆動型冷凍機 ―原理・開発動向と性能向上へのアプローチ―
1廃熱駆動型冷凍機
2吸着現象を利用するヒートポンプ
2.1吸着式冷凍機の概要
2.2吸着ヒートポンプの熱サイクル
2.3吸着式冷凍機の開発動向
2.4吸着式冷凍機の性能向上へのアプローチ
2.5デシカント空調機の開発動向と課題
第2章蓄熱技術
第1節潜熱蓄熱技術の原理と産業排熱の有効利用に向けた開発指針
1潜熱蓄熱技術の原理と特徴、顕熱・化学蓄熱との違い
1.1顕熱蓄熱
1.2化学蓄熱
1.3潜熱蓄熱
2これまでに検討・実用化されてきた潜熱蓄熱材料・システム
3産業排熱利用への適用拡大に向けた潜熱蓄熱材料・システムの研究開発の方向性
3.1電力負荷平準化システムコストの低廉化
3.2電力負荷平準化システムの最適運用技術の構築
3.340〜90℃レベルに相変化点をもつ新PCMの実用化
3.4熱出力の高出力化
3.5蓄熱ユニットの小型化、軽量化
3.6コーポレートファイナンスの構築
4水蒸気吸着材≪AQSOA®≫を適用した低温排熱利用技術の開発コンセプト・特性・用途
4.1新吸着材≪AQSOA®≫の特長
4.2≪AQSOA®≫技術
4.2.1吸着式冷凍機
(1)ソーラークーリング(太陽熱冷房)システム
(2)トリジェネレーション(電力−温水−冷水)システム
4.2.2デシカント除湿機
4.2.3蓄熱技術への応用
第2節廃熱輸送システムに向けた潜熱輸送スラリーの検討
1未利用廃熱の熱ギャップ
2潜熱輸送スラリーの有効性
3潜熱輸送スラリーの素材
3.1氷スラリー
3.2低温系潜熱輸送スラリー
3.3高温系潜熱輸送スラリー
4廃熱利用潜熱輸送スラリーの取り組み
4.1溶解度低減策
4.2沈降防止策
4.3粒子成長抑制
4.4流動抵抗低減と伝熱特性
4.5壁付着性低減策
5硬殻シリカマイクロカプセル
6サーマルグリッド
第3節化学蓄熱およびケミカルヒートポンプ技術の原理と実用化に向けた開発指針
1蓄熱技術によるエネルギーリユース有効利用
1.1蓄熱技術
1.2顕熱蓄熱技術
1.3潜熱蓄熱技術
1.4化学蓄熱技術
2ケミカルヒートポンプによるエネルギーリサイクル有効利用
2.1熱機関とヒートポンプ
2.2ケミカルヒートポンプの作動原理
2.3ケミカルヒートポンプの操作例
3各種排熱対応型化学蓄熱・ケミカルヒートポンプの開発状況
3.1化学蓄熱・ケミカルヒートポンプに用いられる反応材料とその特徴
3.280℃以下熱源駆動‐冷熱生成:塩化カルシウム系
3.3100℃レベル熱源駆動‐冷・温熱生成:硫酸カルシウム系
3.4300℃レベル熱源駆動‐冷・温熱生成:酸化マグネシウム系
3.5400℃レベル熱源駆動‐冷・温熱生成:酸化カルシウム系
4100℃レベル熱源駆動‐冷・温熱生成ケミカルヒートポンプによる排熱リサイクル利用システムの開発事例
4.1100℃レベル化学蓄熱・ケミカルヒートポンプに用いられる反応材料
4.2工場排熱リサイクル型ケミカルヒートポンプドライヤーシステム
4.3地域エネルギーリサイクル有効利用ケミカルヒートポンプコンテナシステム
4.4太陽熱駆動ケミカルヒートポンプ冷暖房給湯システム例
第3章バイナリー発電
第1節バイナリーサイクル発電の原理と開発動向および関連法規・導入手順
1国内のエネルギー事情
2バイナリーサイクル発電とは
3バイナリーサイクルの特徴
(1)長所
(2)短所
4バイナリーサイクルの作動流体
5バイナリーサイクル発電の用途と実績
5.1地熱発電の歴史
5.2世界における地熱バイナリー発電の実績
5.3工場排熱回収バイナリー発電
5.4世界における工場排熱回収バイナリー発電の実績
6国内におけるバイナリー発電
7バイナリー発電の関連法規
8導入手順
9バイナリー発電の課題と展望
9.1工場排熱回収発電の課題
(1)熱源の確保
(2)発電設備の設置場所
(3)発電設備技術関連
(4)電気事業法、系統連系関連
(5)投資回収年
9.2温泉発電の課題
(1)温泉に影響を及ぼさない安心・安全な温泉発電
(2)安定した温泉熱源の確保
(3)発電設備技術関連
(4)電気事業法、系統連系関連
(5)事業性について
第2節ランキンサイクルによるバイナリ発電技術
1バイナリー発電の概要
2バイナリー発電システムの機器構成
3ランキンサイクルとカリーナサイクル
4作動媒体の種類と特徴
5バイナリー発電システムの構成機器:タービンについて
6バイナリー発電システムによる低位排熱利用
6.1バイナリー発電による低位排熱利用の適用例1
6.2バイナリー発電による低位排熱利用の適用例2
7小型バイナリー発電「マイクロバイナリー」
7.1温水仕様マイクロバイナリー発電システムの特徴
8小型バイナリー発電「マイクロバイナリー」の適用事例
第3節カリーナサイクル発電の原理と特徴、動向、使用機器及び課題
1カリーナサイクルとは
2カリーナサイクルの歴史と現状
3カリーナサイクルの基本原理と特徴
4カリーナサイクルの種類と用途及び動向
4.1カリーナサイクルの種類と用途
4.2カリーナサイクル発電プラントの動向
4.2.1カリーナサイクル発電プラントの実績とその傾向
4.2.2転炉冷却水を熱源とするカリーナサイクル発電設備
4.2.3製油所蒸留塔の塔頂ガスを熱源としたアンモニア水サイクル発電設備
4.2.4地熱を熱源としたカリーナサイクル発電設備1 Unterhaching Geothermal PowerPlant(ドイツ)
4.2.5地熱を熱源としたカリーナサイクル発電設備2 Husavik Geothermal Power Plant(アイスランド)
4.2.6地熱を熱源としたカリーナサイクル発電設備3 Quigshui Geothermal Power Plant(台湾)
4.2.7セメント工場の排熱を熱源としたカリーナサイクル Khairpur Cement Kalina Power Plant(パキスタン)
4.2.8国内の温泉を熱源としたカリーナサイクルの実用例
4.2.9実証試験設備のタービン発電機
5カリーナサイクルに使用する機器の特徴
5.1熱交換器
5.1.1熱交換器の基本技術
5.1.2凝縮器
5.1.3蒸発器
5.2タービン
5.3循環ポンプ
6カリーナサイクルの計画と導入
6.1関連法規
6.2導入計画
7カリーナサイクルの課題と将来性
第4章熱電発電技術−排熱利用への適用拡大に向けて求められる材料・応用システム−
1熱電発電技術の概説
2高性能化に向けた最近の開発動向
3応用技術
4経済性に関する考察
5社会への普及・拡大に向けた課題とシステム・ロードマップ
第5章排熱利用スターリングエンジンの技術と開発事例
1スターリングエンジンの基本構造と特徴
2排熱利用スターリングエンジンの技術
2.1スターリングエンジンの熱サイクル
2.2燃焼ガス利用エンジンと排熱利用エンジン
2.3スターリングエンジンの作動温度と多段化
3排熱利用スターリングエンジンの開発とシステム構成事例
3.1500 W級排熱利用スターリングエンジンの開発
3.23kW級排熱利用スターリングエンジンの開発
第6章形状記憶合金熱エンジンの動作原理と排熱エネルギー回収システムの構想
1形状記憶合金とそのメカニズム
2形状記憶合金熱エンジン
2.1動作原理と効率
2.2形状記憶合金熱エンジンの研究例
2.2.1プーリー形
2.2.2オフセットクランク形
2.2.3レシプロ形
2.2.4各エンジンの特性比較と問題点
2.3形状記憶合金熱エンジンの最近の研究状況
3形状記憶合金熱エンジンによる排熱エネルギー回収システムの構想
第7章熱音響システムの動作メカニズムと簡易設計コンセプトについて
1熱音響現象の歴史
2熱音響システムに使われるデバイス
2.1ループ管方式熱音響システム
2.2スタック(蓄熱器)
2.3熱交換器
2.4作業流体
3熱音響システムの動作メカニズム
3.1音と熱のエネルギー変換
3.2プライムムーバーの動作メカニズム
3.3ヒートポンプの動作メカニズム
4境界層
4.1熱境界層
4.2粘性境界層
4.3スタックの流路半径と境界層の厚み
第8章コージェネレーションシステムの技術開発動向と導入計画
1コージェネレーションの概論
1.1コージェネレーションの概要
1.1.1コージェネレーションの定義
1.1.2コージェネレーションシステムの種類
1.1.3コージェネレーションの特長
1.2コージェネレーションの市場・導入実績
1.2.1コージェネレーションの市場と高効率化の方向性
1.2.2コージェネレーションの導入実績
1.3コージェネレーション導入に関わる制度・法規について
1.3.1コージェネレーション導入促進策
1.3.2自家用電気工作物導入に関わる法規
2コージェネレーションの技術開発動向
2.1ガスエンジンの技術開発
2.1.1ガスエンジンの作動原理
2.1.2ガスエンジンの種類と特徴
2.1.3コージェネレーション用ガスエンジンの特徴
2.1.4技術開発の方向性
2.2廃熱利用技術の動向
2.3コージェネレーションシステム周辺技術関係
3コージェネレーションの導入計画
3.1コージェネレーション導入計画の進め方
3.2コージェネレーション導入計画の条件整理
3.2.1コージェネレーションの運用形態
3.3コージェネレーションシステムの設定
3.3.1原動機の種類と排熱回収システムの設定
3.3.2発電容量、台数の設定
3.4コージェネレーションシステム評価
3.4.1省エネルギー性評価
3.4.2経済性評価
3.4.3環境性評価

第2部 導入・実証事例と排熱利用システム

第1章ヒートポンプ
第1節吸収式ヒートポンプによる低温排熱の有効利用と実用事例
1吸収式ヒートポンプによる低温排熱の有効利用
1.1吸収式ヒートポンプの種類
1.2各種吸収式ヒートポンプと排熱温度
2排熱利用システム
2.1排熱投入型吸収冷温水機を使用したシステム
(1)低温水一重効用吸収式冷凍機を使用したシステム
(2)排熱投入型吸収冷温水機を使用したシステム
(3)排熱投入型蒸気焚吸収式冷凍機を使用したシステム
(4)温水・蒸気投入型ガス吸収冷温水機を使用したシステム
(5)排ガス・温水投入型ガス吸収冷温水機を使用したシステム
2.2吸収式ヒートポンプを用いたシステム
(1)第一種吸収式ヒートポンプ(一重効用)
(2)第二種吸収式ヒートポンプ
第2節低温排水を利用した120〜165℃蒸気供給ヒートポンプの開発と導入事例
1蒸気供給ヒートポンプの概要と開発の背景
2蒸気供給ヒートポンプの構成及び特徴
2.1ユニット構成
2.2高温対応技術
2.2.1圧縮機
2.2.2冷媒・冷凍機油
2.2.3取出蒸気圧力制御
2.3性能
3蒸気供給ヒートポンプの導入分野とメリット
4蒸気供給ヒートポンプの導入事例
4.1燃料用バイオエタノールについて
4.2蒸気供給ヒートポンプ導入の経緯
4.3蒸気供給ヒートポンプ導入効果
第3節吸着冷凍機を用いた低温排熱(55〜75℃)利用技術と事例紹介
1吸着冷凍機の概要
2吸着材について
3原理
4構造
5特徴
6適用事例
6.1太陽熱を利用した適用事例
6.2加熱炉排熱を利用した適用事例
6.3都市ごみ焼却炉への適用検討
6.4レトルト冷却水を再利用した適用事例
7省エネルギー効果について
第4節排熱回収ヒートポンプの工場生産プロセスへの適用
1排熱回収とは?
1.1ヒートポンプを用いない排熱回収
1.2ヒートポンプ間接排熱回収
1.3ヒートポンプ直接排熱回収
2排熱回収ヒートポンプの導入事例
2.1塗装工場
2.2陶器耐久試験
2.3エンジン内潤滑油・シリンダー加熱
2.4コージェネレーション代替システム
2.5食品工場
第5節乾燥工程への排熱回収型ヒートポンプシステムの適用事例
1製造工程と抱えていた課題
2排熱回収型ヒートポンプシステムの導入経緯
3排熱回収型ヒートポンプシステムの構成と概要
4導入効果
第6節飲料製造プロセスへの熱回収温水ヒートポンプの適用
1排熱回収ヒートポンプ適用プロセス
2適用ヒートポンプ
3熱回収ヒートポンプ導入時の経済性評価
4排熱回収ヒートポンプの稼働状況と効果
5適用可能なプロセスの条件と提案
第2章潜熱蓄熱技術による200℃以下の低温排熱活用
1システムの概要
2システムの特徴
3定置式システムへの応用
4国内関連法規への対応
5導入事例
6新たな取り組み
6.1太陽熱との組み合わせ
6.2簡易移送型潜熱蓄熱装置
7今後の展望
第3章バイナリー発電
第1節スクロール膨張機を用いた小型バイナリー発電システムの開発と応用システム
1エネルギー利用の現況と発電システム
1.1エネルギーの種類
1.2未利用エネルギー利用への期待
1.3分散発電の種類
2バイナリー発電システム
2.1バイナリー発電システムとランキンサイクル
2.2バイナリー発電システムの発電方法
2.3バイナリー発電システムの作動媒体と種類
2.4バイナリー発電の膨張機機構
2.4.1膨張機機構の種類
2.4.2スクリュー膨張機
2.4.3スクロール膨張機
2.5国内主要各社の小型バイナリー発電システム
2.6アネスト岩田(株)「小型バイナリー発電システム」
2.7バイナリー発電システムの導入時の注意点
2.7.1熱源温度と熱量
2.7.2冷熱源の確保
2.7.3周辺機器の消費電力と送電端出力
2.7.4間接熱交換
2.7.5メンテナンス
2.7.6発電電力の利用方法
2.7.7電気事業法
3バイナリー発電システムと応用
3.1排熱利用分野
3.2温泉熱、工場排熱での湯冷まし効果
3.3湯けむり発電システムとのカスケード利用
第2節焼却炉からの未利用排熱を活用した小型バイナリ―発電設備の導入について
1バイナリ―発電について
1.1バイナリー発電とは
2ACCESS ENERGY 社製バイナリ―発電機
2.1機器仕様
2.2モジュール概要
2.2.1作動流体 R245-fa
2.2.2タービン発電ユニット
2.2.2.1完全密封のモジュール
2.2.2.2高速回転発電機
2.2.2.3磁気ベアリング
2.2.2.4磁気ベアリングコントローラ
2.2.2.5電力変換
2.2.2.6リモート操作
2.3ユニット内機器について
3排温水導入事例
3.1熱源
3.2導入バイナリ―発電機設計条件
3.3運転データ
3.4まとめ
4排蒸気導入事例
4.1熱源
4.2導入バイナリ―発電機設計条件
4.3運転データ
4.4まとめ
5導入事例の考察
6まとめと今後の展望
6.1まとめ
6.2今後の展望
第3節バンケル型ロータリーエンジンとランキンサイクルによる低温廃熱発電技術
1ロータリー熱エンジンの動作原理や構造の概要
2ロータリー熱エンジンの廃熱利用技術としての特徴
3ロータリー熱エンジンによる工場・産業設備廃熱の回収・利用技術について
3.1ロータリー熱エンジン導入条件
3.2設置について
3.3想定される経済性
3.4設置・導入実証事例
4ロータリー熱エンジンの未来
第4章工場排熱利用に向けた熱電発電システムの開発と工業炉への導入事例
1工業排熱における熱電モジュール
2熱電発電システムの設計
2.1熱電発電ボックスシステム
2.2煙道用熱電発電システム
2.3電気システム
3工業炉への導入事例
4システムの問題点
第5章排熱利用スターリングエンジンの開発と実証事例・導入システム
1海外の主な実用スターリングエンジンの現状
1.1家庭用コージェネレーション向けスターリングエンジン
1.2太陽熱発電
1.3木質バイオマス発電
2排熱利用スターリングエンジンの開発
2.1スターリングエンジンの分類と特徴
2.2排熱利用スターリングエンジンの基本構成
2.3排熱利用スターリングエンジンのピストン駆動機構
2.4排熱利用スターリングエンジンの熱交換器
3(株)eスターにおける排熱利用スターリングエンジンの導入事例
3.1排熱利用スターリングエンジンの設備への導入
3.2適応可能な排熱現場と導入フロー
3.3ガスエンジン
3.4ガラス溶解炉
3.5タイルのローラハースキルン(RHK)炉
3.6焼却炉
4今後の展望
第6章廃温水熱利用による蒸気生成システムの開発
1蒸気の生成方法
2本装置の構造
3本装置の特長
4本装置を応用したシステム
5本装置の導入例



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