JP2007132568A - 潜熱蓄熱装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】蓄熱開始時の立ち上げ時間を短縮し、熱交換効率を高める。
【解決手段】熱媒体13を廃熱発生施設又は熱需要施設と潜熱蓄熱材12充填の容器11との間を循環させ、容器11内で、熱媒体13と潜熱蓄熱材12を直接接触させて熱交換をおこない、廃熱発生施設又は熱需要施設と容器11内との間で熱を移動可能とした潜熱蓄熱装置10において、潜熱蓄熱材12と熱媒体13とは前者が後者より比重が高く容器11内で2層を形成するものとし、スクリュウ16あるいは攪拌子18aにより、潜熱蓄熱材12をかき混ぜ、熱媒体13との接触を多くして熱交換効率を高める。また、網15によって、液泡13aを破壊して潜熱蓄熱材12の熱媒体13への混入を抑える。熱交換初期には、ネジ棒、ヒータ等によって、供給部14aから排出部14bへ熱媒体13の通路を形成して立ち上がり時間を短縮する。
【選択図】図5

Description

この発明は、工場等から排出される廃熱及び太陽熱、地熱等の自然エネルギーを蓄熱し、ホテルや病院、学校、事務所、温水プール等の熱を必要とする施設に搬送、放熱することで、廃熱の有効利用を図る潜熱蓄熱装置に関する。
従来から、工場や発電所、廃棄物処理施設等の廃熱発生施設においては、発生する廃熱の有効利用が種々なされているが、通常、200℃以下の低温排ガスは廃棄されるか、廃熱発生施設近隣にパイプライン等により搬送され利用される程度であって、有効利用されているとは言い難い。
このため、その低温排ガスを有効利用すべく、低温排ガスの持つ廃熱を潜熱蓄熱材に蓄熱し、その潜熱蓄熱材を、熱を必要とする熱需要施設へ車両等の搬送手段を用いて搬送し、そこで放熱させることで廃熱を利用する潜熱蓄熱装置が提案されている(特許文献1参照)。
ここで潜熱蓄熱材とは、相変化により蓄熱するものであって、例えば、酢酸ソーダ3水和物や塩化マグネシウム6水和物のように、融解時に潜熱を蓄熱して液体となり、凝固時に潜熱を放熱して固体となるものが使用される。
特開2000−310432号公報
この装置によれば、上記したパイプライン等と異なり、場所的制限を受けることがないため、廃熱発生施設から離れた場所の熱需要施設においても、廃熱を有効利用することができる。また、インフラコストも大幅に削減することができる。
この潜熱蓄熱材に蓄熱又は放熱させるには、熱媒体を廃熱発生施設又は熱需要施設と潜熱蓄熱材との間を循環させて、潜熱蓄熱材と熱媒体の間で熱交換することが必要である。その熱交換の方式として、潜熱蓄熱材をカプセルに収納した状態で循環する熱媒体との間で熱交換を行うカプセル方式、潜熱蓄熱材中にチューブを通し、チューブ内に熱媒体を循環させることにより熱交換を行うシェルチューブ方式、潜熱蓄熱材と循環する熱媒体とを直接接触させることにより熱交換を行う直接接触方式の3つの方式がある。
このうち、直接接触方式は、潜熱蓄熱材と熱媒体とが直接接触するため、他の方式に比べて熱交換の効率がよく、また、カプセルやチューブが不要なため、同じ容量であれば他の方式より多くの蓄熱材を充填可能であり、搬送のコストも低廉で済む。
ところが、直接接触方式は以下のような課題を有する。すなわち、第一に、熱媒体が流速や温度条件により液泡となって勢いよく蓄熱材中を循環する際には、熱媒体の液泡に蓄熱材が随伴し、熱媒体の循環装置により、熱媒体ごと潜熱蓄熱装置の容器外に排出されてしまうため、容器中の蓄熱材が減少し、熱交換の効率が落ちてしまう。
第二に、蓄熱材が、蓄放熱途中の固体と液体が混合した状態においては、蓄熱材中に熱媒体の通る一定の道筋ができてしまい、蓄熱材全体と熱媒体との接触に偏りが生じるため、蓄放熱の効率が悪い。
第三に、潜熱蓄熱材は放熱後に固化するため、蓄熱開始時に熱媒体を蓄熱材中に循環させようとしても、蓄熱材が固体の状態であるゆえ、循環がうまくいかず蓄熱装置の立ち上がりが遅い。
そこで、この発明は、直接接触方式の潜熱蓄熱装置において、以上の3つの課題を解決することを目的とする。
上記した第一の課題を解決するため、この発明は、容器内の供給口から供給される熱媒体の液泡を破砕する手段を設けたのである。
このようにすれば、供給口から供給される熱媒体の液泡は潜熱蓄熱材層内で破砕されるため、熱媒体に随伴して潜熱蓄熱材が熱媒体層ひいては容器外に流出することはなく、容器内の潜熱蓄熱材の減少による熱交換の効率の低下を防止することができる。
具体的には、搬送可能な容器に潜熱蓄熱材を収め、熱媒体を廃熱発生施設又は熱需要施設と前記容器との間を循環させることによって、前記容器内で、前記熱媒体と前記潜熱蓄熱材を直接接触させて、熱媒体と潜熱蓄熱材の間で熱交換をおこない、前記廃熱発生施設又は熱需要施設と前記容器内との間で熱を移動可能とした潜熱蓄熱装置において、前記潜熱蓄熱材と熱媒体とは前者が後者より比重が高く前記容器内において2層を形成するものとし、前記容器内と前記廃熱発生施設又は熱需要施設間に熱媒体を循環させるための循環管の、容器内における熱媒体の供給部は、前記潜熱蓄熱材層内にあり、かつ、前記潜熱蓄熱材内に前記供給部から吐出される熱媒体の液泡破砕手段を設けた構成を採用したのである。
その液泡破砕手段としては、網等の多孔質材を潜熱蓄熱材層内に設け、これに液泡を通過させることにより細分化させるのが簡便である。その他、潜熱蓄熱材と熱媒体との界面に浮遊物を浮かせてこれにより液泡を破砕してもよい。
上記した第二の課題を解決するため、この発明は、容器内の潜熱蓄熱材層を攪拌する攪拌手段を設けたのである。
このようにすれば、容器内の層をなした潜熱蓄熱材はかき混ぜられるため、蓄放熱途中において、蓄熱材中に熱媒体の通る一定の道筋が形成されることはなく、満遍なく熱媒体と蓄熱材が接触することで熱交換の効率が向上する。
具体的には、搬送可能な容器に潜熱蓄熱材を収め、熱媒体を廃熱発生施設又は熱需要施設と前記容器との間を循環させることによって、前記容器内で、前記熱媒体と前記潜熱蓄熱材を直接接触させて、熱媒体と潜熱蓄熱材の間で熱交換をおこない、前記廃熱発生施設又は熱需要施設と前記容器内との間で熱を移動可能とした潜熱蓄熱装置において、前記潜熱蓄熱材と熱媒体とは前者が後者より比重が高く前記容器内において2層を形成するものとし、前記容器内と前記廃熱発生施設又は熱需要施設間に熱媒体を循環させるための循環管の、容器内における熱媒体の供給部は、前記潜熱蓄熱材層内にあり、前記容器内における熱媒体と潜熱蓄熱材の熱交換時に、前記潜熱蓄熱材を攪拌する攪拌手段を設けた構成を採用したのである。
その攪拌手段としては、潜熱蓄熱材層内にスクリュウを設けて、それを回転させることにより、広範囲にわたり同時攪拌する手段があり、これによると攪拌効率がよい。また、ブレード、インペラー等を用いても同様の効果が得られる。
また、他の攪拌手段としては、潜熱蓄熱材層内に磁性体からなる攪拌子を配置し、この攪拌子を容器外からマグネチックスターラにより遠隔的に回転操作することにより攪拌する手段があり、これによると容器外壁に孔を開けずに済むため、容器に孔を穿つことによる潜熱蓄熱材の漏れや容器の強度を低下を防止することができる。
上記した第三の課題を解決するため、この発明は、潜熱蓄熱材を収めた容器の内外へ熱媒体を循環させるための循環管の、容器内の潜熱蓄熱材層内に設けた熱媒体供給部から、容器内の熱媒体層へと、熱媒体の通路を形成する手段を設けたのである。
このようにすれば、形成された通路を通って、熱媒体が滞りなく循環するため、潜熱蓄熱装置の立ち上がり時間を短縮することができる。
具体的には、搬送可能な容器に潜熱蓄熱材を収め、熱媒体を廃熱発生施設又は熱需要施設と前記容器との間を循環させることによって、前記容器内で、前記熱媒体と前記潜熱蓄熱材を直接接触させて、熱媒体と潜熱蓄熱材の間で熱交換をおこない、前記廃熱発生施設又は熱需要施設と前記容器内との間で熱を移動可能とした潜熱蓄熱装置において、前記潜熱蓄熱材と熱媒体とは前者が後者より比重が高く前記容器内において2層を形成するものとし、前記容器内と前記廃熱発生施設又は熱需要施設間に熱媒体を循環させるための循環管の、容器内における熱媒体の供給部は、前記潜熱蓄熱材層内にあり、前記容器内における熱媒体と潜熱蓄熱材の熱交換時に、前記潜熱蓄熱材層内に、その循環管の供給部から熱媒体層への通路を形成する手段を設けた構成を採用したのである。
その通路形成手段としては、上記潜熱蓄熱材層と熱媒体層の界面から潜熱蓄熱材層内に至るねじ棒又は棒状ヒータを用いるのが簡便であって、これらによれば、通路形成の効率がよい。その他、棒状スクリュウなどを用いてもよい。
上記したそれぞれの構成において、さらに、容器内における熱媒体の供給部の吐出口を、下向き又は横向きに設けることとすると、吐出口が上向きでないため、比重の高い潜熱蓄熱材が沈下することで循環管内に入り込んで固化し、熱媒体の循環の妨げとなることを防止できる。
なお、上記各解決手段はそれぞれ併用することができる。例えば、第一から第三の解決手段を全て採用するかあるいは、そのうちの2つ、たとえば、第二および第三の解決手段を併用してもよい。
この発明は、上記したそれぞれの解決手段を用いることにより、蓄熱開始時の立ち上げ時間の短縮や、潜熱蓄熱材と熱媒体との接触率の向上および潜熱蓄熱材の減少の防止に伴う効率のよい熱交換が可能となる。
図1に、この発明にかかる潜熱蓄熱装置10の使用概略図を示す。図示のように、工場等の廃熱発生施設20から排出される排ガスの持つ廃熱を、熱交換器21を介して熱媒体13に移動させ、搬送可能な容器11に収納された潜熱蓄熱材12にこの熱媒体13を直接接触させて蓄熱させ、この潜熱蓄熱材12を収めた容器11を病院等の熱需要施設30へ車両等の搬送手段40により移動し、再度潜熱蓄熱材12に熱媒体13を直接接触させて放熱させ熱交換器31を介して湯を沸かすなどして利用に供する。
さらに詳細には、図示のように、熱媒体13は循環管14を通じ、廃熱発生施設20又は熱需要施設30と容器11との間を循環させられており、容器11内には、下方に循環管14につながる供給部14aが、上方に循環管14につながる排出部14bがそれぞれ設けられている。ここで、潜熱蓄熱材12と熱媒体13とは混ざり合わない物質を使用する。そして、前者は後者より比重が高く調節されているため、容器内11において、潜熱蓄熱材12層が下方に、熱媒体13層が上方に、2層が分離して形成される。
このようにして、循環管14の供給部14aは潜熱蓄熱材12が沈下して形成される潜熱蓄熱材12層中に位置することとなり、供給部14aの吐出口から吐き出された熱媒体13は潜熱蓄熱材12層中を潜熱蓄熱材12と直接接触しながら上昇することで、熱媒体13と潜熱蓄熱材12との間で熱交換が行われ、上昇し終えた熱媒体13は熱媒体13層に吸収され、排出部14bの吸い込み口から吸い込まれ、ポンプ14cにより容器11外に排出される。容器11外に排出された熱媒体13は、循環管14を通り、熱交換器21、31を介して廃熱発生施設20の排ガス等や熱需要施設30の湯等と熱交換される。これを繰り返すことにより、潜熱蓄熱材12に蓄熱又は放熱が行われる。
図2に潜熱蓄熱装置10の一例を示す。この例は上記第一の課題を解決するものである。図示のように、この例においては、容器11内の潜熱蓄熱材12層と熱媒体13層とが2層に分離した界面に、一枚または複数枚を積層した網15が設けられている。
また、循環管14の熱媒体13の供給部14aの吐出口は、循環管14内に潜熱蓄熱材12が入り込んで固化するのを防止すべく、下向きあるいは横向きに設けられてある。これは後述する他の例においても同様である。
通常、循環管14の供給部14aの吐出口から液泡13aとなって吐き出された熱媒体13は、潜熱蓄熱材12層内を、潜熱蓄熱材12を伴って勢いよく上昇する。その上昇時に、その液泡13aは、上記界面に設けられた網15により破砕され、その液泡13aに伴われた潜熱蓄熱材12も、その破壊とともに上昇力を失って、界面よりも上に飛び出ることはない。このため、潜熱蓄熱材12が循環管14の排出部14bから容器11外に排出されることはなく、潜熱蓄熱材12の減少に伴う熱交換効率の低下を引き起こすことはない。
なお、網15は界面上でなくても、潜熱蓄熱材12層内に設けてあれば、液泡13aを破砕できるため、この発明の目的は達せられる。また、網15以外の多孔質材や、界面に浮遊物を浮かすことによっても同様の効果を奏することができる。
網15については、単層または複数層のどちらでもよいが、単層の場合には、発生する液泡13aの平均径と同等以下の目開きのメッシュ数となっており、複数層の場合には、重なり合った網15の見かけ目開きが、液泡13aの平均径と同等以下なっていることが破砕の効率の観点から望ましい。
また、網15に代わる浮遊物としては、液泡13aの上昇を妨げて横方向に逸らせたり、破砕したりする機能を持つ形状や容積を有するものが用いられる。具体的には、浮遊状態における下側に、液泡13aを破砕する突起を設けたものや、液泡13aの上昇力に抗するに十分な容積を持ち、液泡13aがこれに衝突して横方向に分散するものが考えられる。なお、浮遊物は、循環管14の供給部14aの吐出口の真上などの、液泡13aが上昇する確率の高い場所に設置しておくと、破砕の効率がよいことは無論である。
図3に潜熱蓄熱装置10の他例を示す。この例は、上記第二の課題を解決するものである。図示のように、この例においては、側面容器11内の潜熱蓄熱材12層内に、容器11外の電動機17に連結されたスクリュウ16が回転可能に固定されている。このスクリュウ16は、容器11外壁側面に穿たれた孔から容器11内部へと導入されており、孔とスクリュウ16の間は気密にシールされている。
この潜熱蓄熱装置10は、スクリュウ16を電動機17により回転させておくと、潜熱蓄熱材12層が攪拌され、潜熱蓄熱材12と熱媒体13とが満遍なく接触するため、熱交換の効率が向上する。スクリュウ16によると潜熱蓄熱材12層の広範囲にわたって効率的な攪拌が可能となる。なお、スクリュウ16は数分おきに間欠運転させるのが効率的である。
このスクリュウ16に代えて、インペラー、ブレードにより潜熱蓄熱材12層を攪拌しても同様の効果を得ることができる。
攪拌の方法は上述したものに限られない。他例を図4に示す。図示のように、この例においては、側面容器11内の潜熱蓄熱材12層内に磁石等の磁性体からなる棒状の攪拌子18aが配置されている。この攪拌子18aは潜熱蓄熱材による腐食を防ぐため、テフロン等の耐腐食性材料からなるコーティングが施されている。
また、容器11外には、容器11に近接してマグネチックスターラ18bが配置されている。このマグネチックスターラ18bは、潜熱蓄熱装置10と別体とし、自由に持ち運び可能とするのが好ましい。
図示のように、マグネチックスターラ18bは電動機18cと、電動機18cから延びる回転軸18dと、回転軸18dに連結された磁性部18eとを備え、電動機18cの駆動により、磁性部18eに回転運動が与えられる。磁性部18eの回転運動に随伴して、その磁気影響下にある磁性体からなる攪拌子18aも同じ向きに回転し、この回転により、潜熱蓄熱材12層の攪拌が実現される。
以上のようにして、潜熱蓄熱材12と熱媒体13とが満遍なく接触するため、熱交換の効率が向上する。特にこの例においては、攪拌作業を遠隔操作により行うため、容器11外壁に孔をあける必要がなく、容器11の強度が低下したり、孔から潜熱蓄熱材12が漏れたりする心配がないというメリットを有する。
攪拌子18aの個数は、勿論1個に限定されず、数を増やせばそれだけ、攪拌の効率が良くなることは言うまでもない。また、上述した例においては、攪拌子18aは棒状のもものを用いたが、無論形状はこれに限られず、十字型、羽根車型など様々な形状が考えられる。また、攪拌の効率を上げるために、攪拌子18aに、攪拌作業を補助する付属品を取り付けてもよい。
図5にその例を示す。この例においては、攪拌子18aは容器11天井で支持されたシャフト18fに連結され、シャフト18fの中程には、羽根車18gが備え付けられている。攪拌子18aのマグネチックスターラ18bによる回転運動の付与に伴い、シャフト18fが回転し、羽根車18gが回転するため、潜熱蓄熱材12層の比較的上部も攪拌されることになり、攪拌の効率が上がる。
なお、潜熱蓄熱装置10の保温性を高めるため、容器11外面をロックウール等で被覆している場合には、容器11底面を覆うロックウールの一部を取り外し可能に形成しておき、蓄放熱時には、この部分を取り外してマグネチックスターラ18bを攪拌子18aに近接できるようにしておくと、十分な攪拌効果が得られる。
図6に、潜熱蓄熱装置10のさらに他の例を示し、この例は上記第三の課題を解決するものである。図示のように、この例においては、ねじ棒19が、容器11の外壁上面に設けられたねじ孔から、容器11内の放熱後固化した潜熱蓄熱材12層内の、熱媒体13の供給部14aの下までねじ込まれている。ねじ棒19には頭部19aが設けられており、この頭部19aが容器11外壁に当接することで、ねじ棒19が固定されると同時に、容器11内への落下が防止される。
この潜熱蓄熱装置10においては、熱交換する運転開始時(蓄熱開始時)には、ねじ棒19を引き抜いておく。このようにすると、潜熱蓄熱材12層の、ねじ棒19が固定されていた部分が熱媒体13の通り道となり、熱媒体13が容器内10を供給口14aから排出口14bへとスムーズに循環して、蓄熱装置10の立ち上がり時間が短縮される。容器11外壁上面に設けられたねじ孔には、ねじ棒19を引き抜いた後、栓をしておけば、潜熱蓄熱材12や熱媒体13が外部に漏れ出す心配はない。
このねじ棒19に代えて、棒状ヒータを同様に固定しておき、蓄熱装置10の立ち上げ時にこのヒータを加熱してヒータ周辺の潜熱蓄熱材12を融解させることにより、熱媒体13の通り道を形成しても同様の効果が得られる。
上記の各例は併用することができ、例えば、図7に示すように、潜熱蓄熱装置10に、網15及びスクリュウ16を共に設けることができる。その他、網15と攪拌子18aを併用するなど、任意の選択が可能である。
潜熱蓄熱装置の使用概略図 潜熱蓄熱装置の一例の断面図 潜熱蓄熱装置の他例の断面図 潜熱蓄熱装置の他例の断面図 潜熱蓄熱装置の他例の断面図 潜熱蓄熱装置の他例の断面図 潜熱蓄熱装置の他例の断面図
符号の説明
10 潜熱蓄熱装置
11 容器
12 潜熱蓄熱材
13 熱媒体
13a 液泡
14 循環管
14a 供給部
14b 排出部
14c ポンプ
15 網
16 スクリュウ
17 電動機
18a 攪拌子
18b マグネチックスターラ
18c 電動機
18d 回転軸
18e 磁性部
18f シャフト
18g 羽根車
19 ねじ棒
19a 頭部
20 廃熱発生施設
21 熱交換器
30 熱需要施設
31 熱交換器
40 搬送手段

Claims (8)

  1. 搬送可能な容器(11)に潜熱蓄熱材(12)を収め、熱媒体(13)を廃熱発生施設(20)又は熱需要施設(30)と前記容器(11)との間を循環させることによって、前記容器(11)内で、前記熱媒体(13)と前記潜熱蓄熱材(12)を直接接触させて、熱媒体(13)と潜熱蓄熱材(12)の間で熱交換をおこない、前記廃熱発生施設(20)又は熱需要施設(30)と前記容器(11)内との間で熱を移動可能とした潜熱蓄熱装置(10)において、
    前記潜熱蓄熱材(12)と熱媒体(13)とは前者(12)が後者(13)より比重が高く前記容器(11)内において2層を形成するものとし、前記容器(11)内と前記廃熱発生施設(20)又は熱需要施設(30)間に熱媒体(13)を循環させるための循環管(14)の、容器(11)内における熱媒体(13)の供給部(14a)は、前記潜熱蓄熱材(12)層内にあり、かつ、前記潜熱蓄熱材(12)層内に前記供給部(14a)から吐出される熱媒体(13)の液泡破砕手段を設けたことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
  2. 上記液泡破砕手段を、上記潜熱蓄熱材(12)層内に設けた多孔質材(15)よりなしたことを特徴とする請求項1に記載の潜熱蓄熱装置。
  3. 搬送可能な容器(11)に潜熱蓄熱材(12)を収め、熱媒体(13)を廃熱発生施設(20)又は熱需要施設(30)と前記容器(11)との間を循環させることによって、前記容器(11)内で、前記熱媒体(13)と前記潜熱蓄熱材(12)を直接接触させて、熱媒体(13)と潜熱蓄熱材(12)の間で熱交換をおこない、前記廃熱発生施設(20)又は熱需要施設(30)と前記容器(11)内との間で熱を移動可能とした潜熱蓄熱装置(10)において、
    前記潜熱蓄熱材(12)と熱媒体(13)とは前者(12)が後者(13)より比重が高く前記容器(11)内において2層を形成するものとし、前記容器(11)内と前記廃熱発生施設(20)又は熱需要施設(30)間に熱媒体(13)を循環させるための循環管(14)の、容器(11)内における熱媒体(13)の供給部(14a)は、前記潜熱蓄熱材(12)層内にあり、前記容器(11)内における熱媒体(13)と潜熱蓄熱材(12)の熱交換時に、前記潜熱蓄熱材(12)層を攪拌する攪拌手段を設けたことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
  4. 上記攪拌手段を、上記潜熱蓄熱材(12)層内に設けたスクリュウ(16)よりなしたことを特徴とする請求項3に記載の潜熱蓄熱装置。
  5. 上記攪拌手段を、上記潜熱蓄熱材(12)層内に配置した磁性体からなる攪拌子(18a)とし、前記攪拌子(18a)を上記容器(11)外部からマグネチックスターラ(18b)により回転操作することを特徴とする請求項3に記載の潜熱蓄熱装置。
  6. 搬送可能な容器(11)に潜熱蓄熱材(12)を収め、熱媒体(13)を廃熱発生施設(20)又は熱需要施設(30)と前記容器(11)との間を循環させることによって、前記容器(11)内で、前記熱媒体(13)と前記潜熱蓄熱材(12)を直接接触させて、熱媒体(13)と潜熱蓄熱材(12)の間で熱交換をおこない、前記廃熱発生施設(20)又は熱需要施設(30)と前記容器(11)内との間で熱を移動可能とした潜熱蓄熱装置(10)において、
    前記潜熱蓄熱材(12)と熱媒体(13)とは前者(12)が後者(13)より比重が高く前記容器(11)内において2層を形成するものとし、前記容器(11)内と前記廃熱発生施設(20)又は熱需要施設(30)間に熱媒体(13)を循環させるための循環管(14)の、容器(11)内における熱媒体(13)の供給部(14a)は、前記潜熱蓄熱材(12)層内にあり、前記容器(11)内における熱媒体(13)と潜熱蓄熱材(12)の熱交換時に、前記潜熱蓄熱材(12)層内に、その循環管(14)の供給部(14a)から熱媒体(13)層への通路を形成する手段を設けたことを特徴とする潜熱蓄熱装置。
  7. 上記通路形成手段を、上記潜熱蓄熱材(12)層と熱媒体(13)層の界面から潜熱蓄熱材(12)層内に至るねじ棒(19)又は棒状ヒータからなしたことを特徴とする請求項6に記載の潜熱蓄熱装置。
  8. 上記容器(11)内における熱媒体(13)の供給部(14a)の吐出口を、下向き又は横向きに設けたことを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の潜熱蓄熱装置。
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