JP2005221182A

JP2005221182A - 蓄熱槽

Info

Publication number: JP2005221182A
Application number: JP2004031062A
Authority: JP
Inventors: Tetsuyoshi Ishida; 哲義石田; Masakatsu Sakai; 政勝酒井; Katsuya Haniyuda; 勝也羽入田
Original assignee: Hokuriku Electric Power Co
Current assignee: Hokuriku Electric Power Co
Priority date: 2004-02-06
Filing date: 2004-02-06
Publication date: 2005-08-18

Abstract

【課題】高温の蒸気やガスを発生する蓄熱槽を小型化すると共に装置コストを低減し、さらに電気ヒータの焼損を防止することができる蓄熱槽を提供することを目的とする。
【解決手段】電気ヒータ２及び流体５が導入される伝熱管３を配設した槽内に、大小の異なる粒径を有する固体蓄熱材１ａ，１ｂを充填し、小粒径の固体蓄熱材１ｂは大粒径の固体蓄熱材１ａに対して０．１以下の粒径であることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、蓄熱材を用いて高温の蒸気やガスを発生する蓄熱槽に関するものである。

この種の蓄熱槽としては、固体と液体の混合材を蓄熱材として用いたものが知られている。内部に伝熱管及び電気ヒータが配設され、且つ充填される蓄熱材を電気ヒータで加熱して熱エネルギーを蓄え、熱需要時に伝熱管に水やガスを供給して高温の蒸気やガスを発生させるものである（特許文献１参照）。ここで、固体蓄熱材にはマグネシア又はマグネタイト等が用いられ、液体蓄熱材は硝酸ナトリウム、亜硝酸ナトリウム、硝酸カリウムの混合材である溶融塩等が用いられている。マグネシア等の固体蓄熱材は容積当たりの蓄熱量が大きいことから、液体蓄熱材は固体蓄熱材と電気ヒータの間の隙間、蓄熱材と伝熱管の間の隙間、固体蓄熱材相互の隙間に充填させて熱伝達の促進を図るために用いられている。
特開平３−２８２１０１号公報

しかしながら、上述した蓄熱槽には、液体蓄熱材である溶融塩の物性により蓄熱材の蓄熱温度を十分に高くすることができないという問題があった。これは、溶融塩の耐熱温度によるものである。溶融塩の耐熱温度は６００℃であり、蓄熱槽内で最も高温となる電気ヒータの温度を６００℃以下にした場合、電気ヒータによって加熱される蓄熱材の平均温度は４５０℃〜５００℃が上限となり、蓄熱量を大きくすることができず、どうしても蓄熱槽を小型化することが困難であった。また、溶融塩は高コストであることから装置に膨大なコストが掛かってしまうという問題もあった。また、溶融塩中の亜硝酸ナトリウムは高温になると熱分解して酸化ナトリウムと酸素と窒素酸化物を生じる性質がある。窒素酸化物は環境問題の観点から非常に都合が悪く、蓄熱槽や電気配線の腐食の原因となり電気ヒータの切断を招いてしまうこと等から、蓄熱材の蓄熱温度を十分に高くすることができなかった。

また、他の公知例の蓄熱槽としては、蓄熱材にレンガ状に形成されたマグネシア又はマグネタイトからなる固体蓄熱材のみを用い、固体蓄熱材相互の隙間に電気ヒータを配設させたものがある。電気ヒータと固体蓄熱材の間には、電気ヒータが通停電することにより電気ヒータに生じる熱伸縮を考慮して隙間が設けてある。これにより電気ヒータと固体蓄熱材の間に空気層が形成されるため、電気ヒータから固体蓄熱材への熱伝達が悪くなり、電気ヒータが異常な温度にまで上昇してしまい焼損する問題があった。また、電気ヒータの焼損を防止するために固体蓄熱材の温度を低く設定すると、容積当たりの蓄熱量が小さくなってしまい、蓄熱槽を小型化することができない問題があった。

そこで本発明は、前記事情に基づいてなされたものであり、高温の蒸気やガスを発生する蓄熱槽を小型化すると共に装置コストを低減し、さらに電気ヒータの焼損を防止することができる蓄熱槽を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明の蓄熱槽は、電気ヒータ及び流体が導入される伝熱管を配設した槽内に、大小の異なる粒径を有する固体蓄熱材を充填し、小粒径の固体蓄熱材は大粒径の固体蓄熱材に対して０．１以下の粒径であることを特徴とする。

ここで、０．１以下とは、小粒径の固体蓄熱材が大粒径の固体蓄熱材と電気ヒータの間、大粒径の固体蓄熱材と伝熱管の間、大粒径の固体蓄熱材相互の隙間に入り込むための粒径の条件であり、粒径は充填比率を高めるためにも小さければ小さいほど好ましく、前記隙間に充填可能でさえあれば粉末状の粒径をも含む概念である。

このように構成することにより、槽内に充填する蓄熱材が全て固体蓄熱材になるため、従来の液体と固体を混合した蓄熱材に比べて容積当たりの蓄熱量に優れると共に低コストとなる。また、大小の異なる粒径の固体蓄熱材を用い、小粒径の固体蓄熱材の粒径を大粒径の固体蓄熱材の粒径に対して０．１以下にすることにより、大粒径の固体蓄熱材と電気ヒータの間、大粒径の固体蓄熱材と伝熱管の間、大粒径の固体蓄熱材相互の隙間にスムーズに入り込み充填状態が良好になり、隙間に空気層が形成されることを確実に防止することから、蓄熱槽内における固体蓄熱材の充填比率を高めて蓄熱材の蓄熱量の増加を図ることが可能となり、その結果、蓄熱槽の小型化及びコスト低減化、さらには電気ヒータの焼損を防止することができる。

上記の大粒径及び小粒径の固体蓄熱材は、請求項２記載の発明のように、小粒径の固体蓄熱材を大粒径の固体蓄熱材に対して０．４〜０．５の割合で混合することで、槽内における固体蓄熱材の充填比率を最も高めることが可能となる。

また大粒径及び小粒径の固体蓄熱材は、請求項３記載の発明のように、マグネシア、マグネタイト、アルミナ、鉄のうち１種類でもよいし、各粒径ごとに複数の種類を混合させたものであってもよいが、請求項４記載の発明のように、小粒径の固体蓄熱材に金属を使用することで、蓄熱量を大きく減少させることなく、また、蓄熱材のコストを大きく上昇させることなく、熱伝導率を高めることが可能となる。

本発明のうち、請求項１記載の発明によれば、槽内に充填する蓄熱材を全て固体蓄熱材から構成し、さらに大小の異なる粒径の固体蓄熱材を用いることによって、液体蓄熱材を用いなくとも固体蓄熱材により槽内に充填することが可能となり、特に小粒径の固体蓄熱材を大粒径の固体蓄熱材の０．１以下の粒径にすることにより、槽内に形成される隙間にスムーズに入り込み、充填比率を効果的に高めることが可能であるため、その結果、蓄熱量の増加が図られて蓄熱槽自体の小型化及びコスト低減化、さらには電気ヒータの焼損の防止を実現することができる。

本発明のうち、請求項２記載の発明によれば、固体蓄熱材のうち小粒径の固体蓄熱材は、大粒径の固体蓄熱材に対して０．４〜０．５の割合で混合することにより、槽内において各粒径の固体蓄熱材の充填比率を最も高めることができ、電気ヒータの焼損をより一層確実に防止することが可能となる。

本発明のうち、請求項３記載の発明によれば、固体蓄熱材をマグネシア、マグネタイト、アルミナ又は鉄にすることによって、前記効果と同様に、蓄熱槽を小型化することが可能となる。

本発明のうち、請求項４記載の発明によれば、少量である小粒径の固体蓄熱材に熱伝導性の高い金属を使用することによって、蓄熱量を大きく減少させることなく、また、蓄熱材のコストを大きく上昇させることなく、熱伝導率を高めることができるため、伝熱性能に優れた小型の蓄熱槽を提供することが可能となる。

以下、本発明の蓄熱槽の実施形態について図面に基づいて説明する。

図１は本発明の蓄熱槽において使用する蓄熱材のモデルを示したものである。蓄熱材１は粒径が大と小の異なる２種類の固体蓄熱材１ａ，１ｂであり、大粒径の固体蓄熱材１ａはクリンカ状（以下クリンカ状固体蓄熱材１ａと記す）をなしており、小粒径の固体蓄熱材１ｂは粉末状（以下粉末状固体蓄熱材１ｂと記す）をなしている。クリンカ状固体蓄熱材１ａ及び粉末状固体蓄熱材１ｂにはマグネシアを用いている。槽内における各固体蓄熱材１ａ，１ｂの充填状態は、クリンカ状固体蓄熱材１ａ同士の隙間に粉末状固体蓄熱材１ｂが充填されるものである。この場合、クリンカ状固体蓄熱材１ａの比率は全容積の約５０％、また、粉末状固体蓄熱材１ｂの比率はクリンカ状固体蓄熱材１ａ相互の隙間の約５０％となり、即ち粉末状固体蓄熱材１ｂは全容積の約２５％になる。従って、クリンカ状固体蓄熱材１ａと粉末状固体蓄熱材１ｂの容積比率は、クリンカ状固体蓄熱材１ａが１に対して粉末状固体蓄熱材１ｂは０．４〜０．５となる。尚、この値は幾何学的に算出されるものであり、槽内に各固体蓄熱材１ａ，１ｂ同士を隙間なく充填するための最も効果的な条件である。

クリンカ状固体蓄熱材１ａの粒径は、電気ヒータ２からクリンカ状固体蓄熱材１ａが受け取る熱エネルギーと、クリンカ状固体蓄熱材１ａから伝熱管３に伝達する熱エネルギーとの間に偏りを生じさせないためにも、電気ヒータ２又は伝熱管３の外径と同程度にすることが望ましく、本実施形態においては、蓄熱槽において一般的に使用されている電気ヒータ２のシース管の外径と同程度である１０ｍｍ〜１５ｍｍの粒径にしてある。尚、この場合の粉末状固体蓄熱材１ｂの粒径は１．５ｍｍ〜１．０ｍｍ以下となる。

図２は本発明の蓄熱槽の概略を示したものである。蓄熱槽は、電気ヒータ２と、伝熱管３と、クリンカ状固体蓄熱材１ａ及び粉末状固体蓄熱材１ｂからなる蓄熱材１と、ケーシング４とから構成されている。ケーシング４内には、電気ヒータ２及び伝熱管３が配設され、蓄熱材１が投入されている。この蓄熱槽は、夜間時間帯において電気ヒータ２を通電させて蓄熱材１を加熱し、蓄熱材１に熱エネルギーを蓄えるものであり、熱需要時には、伝熱管３に水５を供給し、その水５を蓄熱材１に蓄えられた熱エネルギーによって加熱して蒸気６に変えて、所定温度の蒸気６として取り出すものである。

この蓄熱槽において、前述した蓄熱材１のモデルを用いることによって、電気ヒータ２のシース管の材料にインコロイが採用されていることから、電気ヒータ２の最高使用温度が８００℃となり、蓄熱材１の平均温度を６５０℃〜７００℃程度と高温にすることができる。公知例のように蓄熱材１に溶融塩等の液体蓄熱材を使用した場合、蓄熱材の平均温度は４５０℃〜５００℃であり、これに対して本発明の蓄熱材１の平均温度は約１．４倍となるため、単位容積当たりの蓄熱量が増加し、蓄熱槽を約１／２に小型化することが可能となる。

また、本発明の蓄熱槽において、蓄熱材１の充填状態をクリンカ状固体蓄熱材１ａ相互の隙間に粉末状固体蓄熱材１ｂが充填されるようにすることにより、槽内における各固体蓄熱材１ａ，１ｂの充填比率を高めて、熱伝達を阻害する空気層の形成を防ぐことができるため、公知例のように蓄熱材１に液体蓄熱材を使用しなくとも熱伝導率が大きく低下することを防ぐことができる。

図３は、クリンカ状固体蓄熱材１ａ相互の隙間に粉末状固体蓄熱材１ｂを充填させた場合の各固体蓄熱材１ａ，１ｂの粒径における有効熱伝導率を示したグラフである。グラフの縦軸には有効熱伝導率を、横軸には粉末状固体蓄熱材１ｂの粒径をとったものであり、グラフ中の９，１２，１５の数字はクリンカ状固体蓄熱材１ａの粒径を表したものである。各粒径における各固体蓄熱材１ａ，１ｂの有効熱伝導率は、クリンカ状固体蓄熱材１ａの場合は粒径が大きければ大きい程、また、粉末状固体蓄熱材１ｂの場合は粒径が小さければ小さい程その値が大きくなる。また、クリンカ状固体蓄熱材１ａの粒径は粉末状固体蓄熱材１ｂの粒径に対して１０倍程度にすることで有効熱伝導率を効果的に大きくすることができる。これはグラフにおいて、クリンカ状固体蓄熱材１ａの各粒径における有効熱伝導率の値が一定となっている範囲、即ち有効熱伝導率が最も高い値を示す範囲が、粉末状固体蓄熱材１ｂに対してクリンカ状固体蓄熱材１ａの粒径が１０倍程度、又は１０倍程度以下となっている実験データが得られたためである。
この現象は、伝熱工学から見ると、全容積の大部分を占めるクリンカ状固体蓄熱材１ａである大粒子間の伝熱、クリンカ状固体蓄熱材１ａ相互の隙間に形成され粉末状固体蓄熱材１ｂが嵌り込む小粒子層内の伝熱を次のように考えることができる。
（１）大粒子間を伝わる伝熱機構
(a) 固体内の伝導伝熱
(b) 大粒子間の接触面における伝導伝熱
(c) 大粒子間の接触面近傍の流体膜を通じる伝導伝熱
(d) 大粒子間の接触面近傍の小粒子を介する伝導伝熱
(e) 小粒子層を介する伝導熱伝達
（２）小粒子層内の伝熱機構
(f) 固体内の伝導伝熱
(g) 接触面における伝導伝熱
(h) 接触面（点）近傍の流体膜を通じる伝導伝熱
(i) 固体面−固体面の輻射伝熱
(j) 空隙内流体の伝導伝熱
(k) 空隙−空隙の輻射伝熱
このうち、(d）大粒子間の接触面近傍の小粒子を介する伝導伝熱が、有効熱伝導率の向上に大きく影響しているものと考えられる。

本発明の他の実施形態としては、クリンカ状固体蓄熱材１ａの材質にはマグネシアとアルミナを、粉末状固体蓄熱材１ｂの材質には鉄を用いた蓄熱材１を槽内に充填させるものがある。このように各固体蓄熱材１ａ，１ｂの材質の組み合わせを変更することにより、有効熱伝導率が約５０％上昇して槽内の温度分布が均一化されるため、電気ヒータ２の使用温度を最高の８００℃にした場合の蓄熱材１の平均温度を７００℃〜７３０℃まで上昇させることが可能となり、その結果、容積当たりの蓄熱量は温度上昇に比例して増加することから、１／２小型化された蓄熱槽を更に１０％〜１５％程度小型化することが可能となる。

また、本発明の更なる他の実施形態としては、クリンカ状固体蓄熱材１ａの材質にはマグネシア、粉末状固体蓄熱材１ｂの材質には鉄を用いた蓄熱材１を槽内に充填させるものがある。各固体蓄熱材１ａ，１ｂの材質の組み合わせをこのようにすることにより、比較的軽量で低コストな蓄熱材１を構成することが可能となる。図４には各固体蓄熱材１ａ，１ｂの材質の組み合わせを変更したときの有効熱伝導率を示したグラフである。各固体蓄熱材１ａ，１ｂ（クリンカ状固体蓄熱材１ａ／粉末状固体蓄熱材１ｂ）の材質の組み合わせとしてはマグネシア／マグネシア、マグネシア／鉄、鉄／鉄の３パターンである。グラフより、マグネシア／鉄の組み合わせの有効熱伝導率は、鉄／鉄の組み合わせの場合に比べると劣るが、マグネシア／マグネシアの組み合わせの場合に比べると優れている。また、マグネシアのコストは鉄の約１／１０であるため、マグネシア／鉄の組み合わせの蓄熱量当たりのコストは、マグネシア／マグネシアの組み合わせの場合と比べると約５０％高くなるが、鉄／鉄の組み合わせの場合に比べると約１／６となる。つまり、各固体蓄熱材１ａ，１ｂの材質にマグネシア／鉄の組み合わせを用いることにより、蓄熱槽の伝熱性能を向上させ且つコストを抑制したいといった場合に非常に好都合になると言える。

尚、各固体蓄熱材１ａ，１ｂの材質の組み合わせを変更した場合でも、蓄熱材１にクリンカ状固体蓄熱材１ａと粉末状固体蓄熱材１ｂを用いていることから、電気ヒータ２において電気ヒータ２の通停電による熱伸縮が生じた場合でも、各固体蓄熱材１ａ，１ｂがクッション代わりとなり、熱応力によって電気ヒータ２が破損してしまうことを確実に防ぐことが可能となる。

本発明において使用する蓄熱材のモデルを示す説明図である。本発明の蓄熱槽を示す概略説明図である。本発明の各固体蓄熱材の各粒径における有効熱伝導率を示すグラフである。本発明の各固体蓄熱材の材料の各組み合わせにおける有効熱伝導率を示すグラフである。

符号の説明

１ａクリンカ状固体蓄熱材（大粒径の固体蓄熱材）
１ｂ粉末状固体蓄熱材（小粒径の固体蓄熱材）
２電気ヒータ
３伝熱管
５水（流体）

Claims

電気ヒータ（２）及び流体（５）が導入される伝熱管（３）を配設した槽内に、大小の異なる粒径を有する固体蓄熱材（１ａ，１ｂ）を充填し、小粒径の固体蓄熱材（１ｂ）は大粒径の固体蓄熱材（１ａ）に対して０．１以下の粒径であることを特徴とする蓄熱槽。
前記固体蓄熱材（１ａ，１ｂ）のうち小粒径の固体蓄熱材（１ｂ）は、大粒径の固体蓄熱材（１ａ）に対して０．４〜０．５の割合で混合することを特徴とする請求項１記載の蓄熱槽。
前記固体蓄熱材（１ａ，１ｂ）はマグネシア、マグネタイト、アルミナ又は鉄であることを特徴とする請求項１又は２記載の蓄熱槽。
請求項１乃至３記載の固体蓄熱材（１ａ，１ｂ）のうち小粒径の固体蓄熱材（１ｂ）は金属であることを特徴とする蓄熱槽。