JP2007046855A

JP2007046855A - 水和物スラリ蓄熱装置および蓄熱方法

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Publication number: JP2007046855A
Application number: JP2005232990A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Miyamoto; 英幸宮本; Shingo Takao; 信吾高雄; Hidemasa Ogose; 英雅生越; Nobuo Takasu; 展夫高須; Shinji Higuchi; 真司樋口
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2005-08-11
Filing date: 2005-08-11
Publication date: 2007-02-22

Abstract

【課題】水和物スラリの円滑な払い出しを可能とする水和物スラリの蓄熱装置及び蓄熱方法を得る。
【解決手段】ゲスト化合物を含む水溶液および該水溶液を冷却して製造される水和物スラリを貯蔵する貯蔵タンク７と、貯蔵タンク７から払い出された前記水溶液を冷却して水和物スラリを製造する水和物スラリ製造装置１とを備えてなり、
前記貯蔵タンク７は、該貯蔵タンク７の上部に設けられて前記水溶液を払い出す上部口１１と、該貯蔵タンク７の下部に設けられて前記水和物スラリ製造装置１で製造された水和物スラリを受入れる下部口９と、前記上部口１１と同じ高さ位置または前記上部口１１と前記下部口９の間の高さ位置に設けられて前記水和物スラリ製造装置１の融解運転に使用した戻り水溶液を受入れる戻り水溶液受入口１３と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は水和物スラリを用いる蓄熱装置および蓄熱方法に関する。

夜間電力の有効利用及び電力負荷平準化を図るために、冷熱媒体を夜間に製造して貯蔵タンクに貯蔵して蓄熱しておき、昼間に貯蔵タンクから取り出して冷熱源として利用するという蓄熱空調方法が一般に用いられている。このような蓄熱空調方法のうちビル空調や地域冷暖房における冷熱媒体としては、冷水、氷スラリ等が用いられている。

図４は従来の冷水を貯蔵する蓄熱空調システムの説明図である（特許文献１）。図４において、貯水タンク111内を２室に分かつように隔膜112が設けてあり、冷媒と熱交換する冷却手段101と空調器104が接続されている。
上記のように構成された蓄熱空調システムにおいて、蓄冷運転時には貯水タンク111上室から温度T3の水が冷却手段101に供給され、該冷却手段101によって冷却される。そして、冷却された水が貯水タンク111の下室に供給されて温度T1の冷水として貯留される。冷房運転時には貯水タンク111の下室から冷水が空調器104に送られて、冷熱を供給して貯水タンク111上室に戻る。

ところで、冷熱媒体として、冷水や氷スラリの代わりに、水和物スラリを用いることが着目されている。
ゲスト化合物（たとえばテトラｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−ブチルホスホニウム塩、トリｉｓｏ−アミルスルホニウム塩などの各種塩類）を含む水溶液を冷却すると、ホスト分子である水分子によって構成された籠状の包接格子内にゲスト化合物が包み込まれて結晶化し、水和物が生成する。この水和物は、大気圧下において０℃以上の温度で生成でき、しかも潜熱が大きく冷水に比較して数倍の熱量の冷熱を貯留することができる。
また、微細な結晶粒子である水和物が水溶液中に浮遊している水和物スラリは、比較的流動性が高い点で氷スラリよりも優れている。このため、こうした水和物スラリは、冷熱輸送媒体として好ましい特性を有している。
特許文献１特開昭５９−５６６４１

上述のように、水和物スラリは冷熱輸送媒体として好ましい特性を有しているが、この水和物スラリを冷熱媒体として特許文献１に示された従来の蓄熱空調システムに適用した場合には、以下のような問題がある。

ゲスト化合物を含む水溶液を熱交換器で冷媒と熱交換して冷却して水和物スラリを製造する際に、製造時間の経過とともに熱交換器の伝熱面に次第に水和物が付着してくる。このため、熱抵抗となり熱交換効率が低下して製造能力が低下したり、流路が狭くなり圧力損失が増大したりする。そのため、製造運転を一時停止して熱交換器内を温め伝熱面に付着した水和物を溶かして製造能力を回復させる融解運転を適宜行う必要がある。

この場合、従来の貯水タンクの構造を適用するとすれば、以下のように行うことになる。つまり、融解運転時には冷却手段の熱交換器への冷媒の供給を停止し、この状態で貯蔵タンク上室から水溶液を供給して熱交換器内を温め、水溶液を貯蔵タンク下室へ送る。
水和物の製造運転時には貯蔵タンク下室に水和物スラリが供給されているが、融解運転時には水溶液が供給されるため、貯蔵タンク下室には水和物スラリと水溶液が入り混じった不均質な水和物スラリが貯蔵されることになる。そのため、水和物スラリによる蓄熱量が低くなることがある。また、冷熱利用時に貯蔵タンク下室から水和物スラリを払い出す場合に、水和物スラリの粘性が水溶液の粘性と大きく異なるので、流動性の良い水溶液のみが払い出され、水和物スラリを払い出せないという問題も想定される。

本発明は係る問題点を解決するためになされたものであり、水和物スラリを均質状態で貯蔵すると共に、水和物スラリの円滑な払い出しを可能とする水和物スラリ蓄熱装置および蓄熱方法を得ることを目的としている。

（１）本発明に係る水和物スラリ蓄熱装置は、ゲスト化合物を含む水溶液および該水溶液を冷却して製造される水和物スラリを貯蔵する貯蔵タンクと、該貯蔵タンクから払い出された前記水溶液を冷却して水和物スラリを製造する水和物スラリ製造装置とを備えてなり、前記貯蔵タンクは、該貯蔵タンクの上部に設けられて前記水溶液を払い出す上部口と、該貯蔵タンクの下部に設けられて前記水和物スラリ製造装置で製造された水和物スラリを受入れる下部口と、前記上部口と同じ高さ位置または前記上部口と前記下部口の間の高さ位置に設けられて前記水和物スラリ製造装置の融解運転に使用した戻り水溶液を受入れる戻り水溶液受入口と、を備えたことを特徴とするものである。

（２）また、本発明に係る水和物スラリ蓄熱方法は、ゲスト化合物を含む水溶液および該水溶液を冷却して製造される水和物スラリを貯蔵する貯蔵タンクと、該貯蔵タンクから払い出された前記水溶液を冷却して水和物スラリを製造する水和物スラリ製造装置とを備えてなる水和物スラリ蓄熱装置を用いた蓄熱方法であって、水和物スラリを前記貯蔵タンクに貯蔵する場合は、前記水溶液を水和物スラリ製造装置に払い出して水和物スラリを製造し、製造された水和物スラリを貯蔵タンクの下部に貯蔵されるように受け入れ、水和物スラリ製造装置の熱交換器に付着した水和物を融解する場合は、前記貯蔵タンクから水溶液を水和物スラリ製造装置に払い出し、前記熱交換器に付着した水和物を融解し、該融解に使用した水溶液を戻り水溶液として貯蔵タンクに受入れ、該戻り水溶液を上層の水溶液層および下層の水和物スラリ層との間に成層配置して上層の水溶液層と下層の水和物スラリ層を成層分離させることを特徴とするものである。

本発明においては、戻り水溶液口を貯蔵タンクの上部口と同じ高さまたは上部口と下部口との間の高さに設けることにより、融解運転時に水和物スラリ製造装置から戻ってくる水溶液が水和物スラリに混入することがないので、均質な水和物スラリを貯蔵タンク下層部に貯蔵することができる。その結果、水和物スラリによる蓄熱量を高くすることができ、さらに冷熱利用時に水和物スラリだけを円滑に払い出すことができる。

図１は本発明の実施の形態を説明する説明図である。
本実施の形態に係る水和物スラリ蓄熱装置は、図１に示すように、ゲスト化合物を含む水溶液（以下、単に「水溶液」という。）を冷却して水和物スラリを製造する水和物スラリ製造装置１と、上層に水溶液３、下層に水和物スラリ５が成層分離した状態で貯蔵される貯蔵タンク７とを有し、貯蔵タンク７は、貯蔵タンク７の下部に設けられて水和物スラリ製造装置１から水和物スラリを受入れる下部口９と、貯蔵タンク７の上部に設けられ水溶液を払い出す上部口１１と、貯蔵タンク７の上部口１１と下部口９との間の高さに設けられ、水和物スラリ製造装置１から戻る戻り水溶液を受入れる戻り水溶液受入口１３と、を備えている。
以下、各構成を詳細に説明する。

１．水和物スラリ製造装置
水和物スラリ製造装置１は内部に熱交換器を有しており、この熱交換器で図示していない冷凍機から供給される冷水とゲスト化合物を含む水溶液とが熱交換することにより水溶液が冷却され、冷却された水溶液が水和物に相変化して水和物スラリが製造される。

水和物を形成して高い潜熱量を有するゲスト化合物としては、テトラｎ−ブチルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−アミルアンモニウム塩、テトラｉｓｏ−ブチルホスホニウム塩、トリｉｓｏ−アミルスルホニウム塩などの各種塩類などであり、テトラｎ−ブチルアンモニウム塩の例として、フッ化テトラｎ−ブチルアンモニウム（（ｎ−Ｃ₄Ｈ₉）₄ＮＦ）、塩化テトラｎ−ブチルアンモニウム（（ｎ−Ｃ₄Ｈ₉）₄ＮＣｌ）、臭化テトラｎ−ブチルアンモニウム（（ｎ−Ｃ₄Ｈ₉）₄ＮＢｒ）などがある。また、これらＦ，Ｃｌ，Ｂｒの代わりに酢酸（ＣＨ₃ＣＯ₂）、クロム酸（ＣｒＯ₄）、タングステン酸（ＷＯ₄）、シュウ酸（Ｃ₂Ｏ₄）、リン酸（ＨＰＯ₄）でもよい。その他の上記塩についても同様である。

２．貯蔵タンク
貯蔵タンク７は水溶液および水和物スラリを貯蔵するものであり、この貯蔵タンク７内においては、上層に水溶液、下層に水和物スラリが成層分離した状態で貯蔵される。
貯蔵タンク７の下部には下部口９が設けられている。この下部口９は、水和物スラリ製造時には水和物スラリ製造装置１から水和物スラリを受入れ、冷熱利用時には水和物スラリを負荷側に払い出す。このため、下部口９と水和物スラリ製造装置１とは開閉弁１５を介して配管１７で連結されている。また、下部口９と負荷側とは開閉弁１９を介して配管２１で連結されている。

また、貯蔵タンク７の上部には上部口１１が設けられている。この上部口１１は、水和物スラリ製造時には水溶液を水和物スラリ製造装置１側に払い出し、冷熱利用時には空調負荷で冷熱を放出して相変化した水溶液を受入れる。このため、上部口１１と水和物スラリ製造装置１とは開閉弁２３を介して配管２５で連結されている。また、上部口１１と負荷側とは配管２７で連結されている。

また、貯蔵タンク７における上部口１１と下部口９との間の高さ位置には戻り水溶液受入口１３が設けられている。戻り水溶液受入口１３は融解運転時に水和物スラリ製造装置１から戻る戻り水溶液を受入れる。このため、戻り水溶液受入口１３は配管１７および配管２９を介して水和物スラリ製造装置１に連結されている。また、配管２９には開閉弁３１が設けられている。
なお、この例では戻り水溶液受入口１３が上部口１１と下部口９との間の高さ位置に設けられているが、戻り水溶液受入口１３は上部口１１と同じ高さ位置に設けてもよい。

上記のように構成された本実施の形態の動作を、水和物スラリ製造運転時、融解運転時、冷熱利用運転時に分けて説明する。
１．水和物スラリ製造運転時
水和物スラリ製造運転時には、図１に示すように、開閉弁１５、２３を「開」、開閉弁１９、３１を「閉」にする（開閉弁は白抜きのものが「開」、黒塗りのものが「閉」をそれぞれ示している。図２、図３においても同様である。）。この状態で、貯蔵タンク７内の上層部を形成して貯留されている水溶液３を上部口１１から配管２５を介して水和物スラリ製造装置１へ払い出す。払い出された水溶液は、水和物スラリ製造装置１の内部の熱交換器で冷水と熱交換し冷却され、水和物に相変化して水和物スラリが製造される。製造された水和物は配管１７を介して下部口９から貯蔵タンク７に受け入れられて、貯蔵タンク７の下層部に貯蔵される。

２．融解運転時
融解運転は水和物スラリ製造装置１内の熱交換器の伝熱面に水和物が付着した時に、付着した水和物を融かすために行う運転である。図２が融解運転時の説明図であり、開閉弁２３、３１を「開」にすると共に、開閉弁１５、１９を「閉」にする。
融解運転時には、水和物スラリ製造装置１の熱交換器に供給されていた冷水供給が停止され、貯蔵タンク上層部の水溶液３が上部口１１、配管２５を経て水和物スラリ製造装置１に供給される。供給された水溶液と熱交換器の伝熱面に付着していた水和物が接することで水和物が融解される。この時、供給された水溶液は水和物によって冷却されることになる。

この冷却された水溶液は、配管１７、２９および戻り水溶液受入口１３を介して貯蔵タンク７へ戻される。この戻り水溶液は、冷却されているので貯蔵タンク上層部の水溶液３よりも温度が低いために密度が高くなっている。そのため、流速を十分低下させて還流させることにより水溶液３からなる上層部内を沈降して、上層部の水溶液３と下層部の水和物スラリ５との間に戻り水溶液層３３を分離成層する。
この戻り水溶液層３３を形成することにより、融解運転時に水和物スラリ製造装置１から戻ってくる戻り水溶液が下層部の水和物スラリ５に混入することがないので、水和物スラリ５は均質を維持できる。このため、水和物スラリ５による蓄熱量を高くすることができ、さらに下層部には水和物スラリ５のみが貯蔵されているので、冷熱利用時に水和物スラリ５だけを円滑に払い出すことができる。

なお、融解運転の開始時期については、水和物スラリ製造装置１の熱交換器の冷却面に水和物が付着して、熱抵抗となり熱交換効率が低下したり、流路の圧力損失が増大したことにより発生する状況が検知されたりしたときに開始する。
より具体的には、例えば水和物スラリの流量、水和物スラリ製造装置の熱交換器出口温度、水和物スラリ製造装置の熱交換器出入口間における水和物スラリの差圧、冷水の交換熱量、水和物スラリの交換熱量などのうちいずれか一つを検出し、この検出値が所定範囲より外れた時に融解運転を開始するようにすればよい。

３．冷熱利用運転時
図３は冷熱利用運転時の説明図であり、このとき開閉弁１５、２３、３１を「閉」とし、開閉弁１９を「開」とする。
貯蔵タンク７に貯蔵された水和物スラリを下部口９から払い出し、空調負荷へ輸送し冷熱を供給する。
空調負荷の熱交換器で水和物スラリは熱交換して水溶液に相変化し上部口１１から貯蔵タンク７に受け入れられる。

以上のように、本実施の形態においては、融解運転時の戻り水溶液を貯蔵タンク７に受け入れる戻り水溶液受入口１３を貯蔵タンク７の上部に設けたので、貯蔵タンク７内で水和物スラリ５に戻り水溶液が混入することがない。そのため、水和物スラリ５は均質を維持でき、水和物スラリ５による蓄熱量を高くすることができる。また、貯留タンク７の下層部には水和物スラリ５のみが貯蔵されているので、冷熱利用時に水和物スラリ５だけを円滑に払い出すことができる。

なお、上記の実施形態では、一つの上部口１１で水溶液の水和物スラリ製造装置１への払い出しと、空調負荷からの受け入れを切り替えて行い、一つの下部口９で水溶液の水和物スラリ製造装置１からの受け入れと、空調負荷への払い出しを切り替えて行っているが、上部口と下部口をそれぞれ二つ設けて、払い出しと受け入れをそれぞれ別の口で行うようにしてもよい。

本発明の一実施の形態に係る水和物スラリ蓄熱装置の説明図である（水和物スラリ製造時）。本発明の一実施の形態に係る水和物スラリ蓄熱装置の説明図である（融解運転時）。本発明の一実施の形態に係る水和物スラリ蓄熱装置の説明図である（冷熱利用運転時）。従来の蓄熱装置の説明図である。

符号の説明

１水和物スラリ製造装置、３水溶液、５水和物スラリ、７貯蔵タンク、９下部口、１１上部口、１３戻り水溶液受入口。

Claims

ゲスト化合物を含む水溶液および該水溶液を冷却して製造される水和物スラリを貯蔵する貯蔵タンクと、該貯蔵タンクから払い出された前記水溶液を冷却して水和物スラリを製造する水和物スラリ製造装置とを備えてなり、
前記貯蔵タンクは、該貯蔵タンクの上部に設けられて前記水溶液を払い出す上部口と、該貯蔵タンクの下部に設けられて前記水和物スラリ製造装置で製造された水和物スラリを受入れる下部口と、前記上部口と同じ高さ位置または前記上部口と前記下部口の間の高さ位置に設けられて前記水和物スラリ製造装置の融解運転に使用した戻り水溶液を受入れる戻り水溶液受入口と、を備えたことを特徴とする水和物スラリ蓄熱装置。
ゲスト化合物を含む水溶液および該水溶液を冷却して製造される水和物スラリを貯蔵する貯蔵タンクと、該貯蔵タンクから払い出された前記水溶液を冷却して水和物スラリを製造する水和物スラリ製造装置とを備えてなる水和物スラリ蓄熱装置を用いた蓄熱方法であって、
水和物スラリを前記貯蔵タンクに貯蔵する場合は、前記水溶液を水和物スラリ製造装置に払い出して水和物スラリを製造し、製造された水和物スラリを貯蔵タンクの下部に貯蔵されるように受け入れ、水和物スラリ製造装置の熱交換器に付着した水和物を融解する場合は、前記貯蔵タンクから水溶液を水和物スラリ製造装置に払い出し、前記熱交換器に付着した水和物を融解し、該融解に使用した水溶液を戻り水溶液として貯蔵タンクに受入れ、該戻り水溶液を上層の水溶液層および下層の水和物スラリ層との間に成層配置して上層の水溶液層と下層の水和物スラリ層を成層分離させることを特徴とする水和物スラリ蓄熱方法。