JP2009019866A - Chemical heat accumulating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、化学反応を利用した化学蓄熱装置に関する。 The present invention relates to a chemical heat storage device using a chemical reaction.
従来から、熱エネルギーを蓄える蓄熱技術は、省エネルギー技術として有効である。また、近年、CO2ヒートポンプや燃料電池コージェネレーションシステムを利用した給湯
機器が注目されているが、これらの機器を小型化し、設置性の向上を図るために、高密度蓄熱技術の開発が待望されている。
Conventionally, a heat storage technique for storing thermal energy has been effective as an energy saving technique. In recent years, hot water supply equipment using a CO 2 heat pump or a fuel cell cogeneration system has attracted attention, but the development of high-density heat storage technology has been awaited in order to downsize these equipment and improve installation. ing.
蓄熱技術を大別すると、顕熱蓄熱技術、潜熱蓄熱技術、および化学蓄熱技術に分類される。さらに、化学蓄熱技術は、利用する化学反応によって、吸着系、水素貯蔵合金系、有機反応系、無機反応系などに細分化することができる。 Heat storage technology is roughly classified into sensible heat storage technology, latent heat storage technology, and chemical heat storage technology. Furthermore, the chemical heat storage technology can be subdivided into an adsorption system, a hydrogen storage alloy system, an organic reaction system, an inorganic reaction system, etc., depending on the chemical reaction used.
従来の化学反応を利用した化学蓄熱装置として、吸着材を乾燥させることによって蓄熱を行うものが知られている(例えば特許文献1参照)。この種の化学蓄熱装置においては、蓄熱材は以下の2種類の形態で利用される。第1の形態は、蓄熱材を利用して冷熱を得る形態であり、いわゆるデシカント空調と呼ばれる。この第1の形態では、吸着材層に空気を直接通過させ、その結果得られた乾燥空気に加湿することで、調湿冷気を得る。第2の形態は、蓄熱材を利用して温熱を得る形態である。この第2の形態では、吸着材層に加湿空気を直接通過させ、吸着材の水分吸着時に発生する吸着熱により、空気を加熱する。加熱された空気は高温となるので、例えばこの高温の空気を利用して水を加熱し、温水等を得ることができる。なお、この第2の形態では、蓄熱材(吸着材)は固体物であり、この蓄熱材に供給される水分は、水蒸気として供給される。 As a conventional chemical heat storage device using a chemical reaction, one that stores heat by drying an adsorbent is known (for example, see Patent Document 1). In this type of chemical heat storage device, the heat storage material is used in the following two forms. A 1st form is a form which obtains cold using a thermal storage material, and is called what is called desiccant air conditioning. In the first embodiment, air is directly passed through the adsorbent layer, and humidified cold air is obtained by humidifying the resulting dry air. A 2nd form is a form which obtains heat using a thermal storage material. In the second embodiment, the humidified air is directly passed through the adsorbent layer, and the air is heated by the adsorption heat generated during the moisture adsorption of the adsorbent. Since the heated air becomes high temperature, for example, hot water can be obtained by heating water using this high temperature air. In the second embodiment, the heat storage material (adsorbent) is a solid material, and the water supplied to the heat storage material is supplied as water vapor.
特許文献2には、固体の無機水和物(例えば塩化カルシウム2水和物)と水蒸気とが反応して固体の無機水和物(例えば塩化カルシウム6水和物)が生成される反応を利用した化学蓄熱技術が開示されている。また、特許文献2には、蓄熱時に発生する水蒸気が凝縮することによって生じる熱(凝縮熱)を、蓄熱の熱源であるヒートポンプに回収することが開示されている。ただし、この場合も、蓄熱材(無機水和物)は固体物であり、この蓄熱材に供給される水分は、水蒸気として供給される。
特許文献3には、固体のアルカリ土類金属酸化物に対して、液体としての水を供給し、密閉容器内でアルカリ土類金属酸化物と水とを反応させる化学発熱装置が開示されている。この装置では、蓄熱材(アルカリ土類金属酸化物)に供給される水分は、液体の水として供給されるが、蓄熱材は固体物である。
ところで、蓄熱材として固体物を使用する場合、蓄熱材の内部に空隙が形成され、空隙の分だけ、単位容積当たりの蓄熱量が減ってしまうという課題がある。そこで、本願発明者は、蓄熱後の蓄熱材を固液共存状態または液相状態とし、放熱時にはその固液共存状態または液相状態の蓄熱材に対して液体の水を供給することを検討した。 By the way, when using a solid thing as a heat storage material, the space | gap is formed in the inside of a heat storage material, and there exists a subject that the heat storage amount per unit volume will reduce by the part of a space | gap. Therefore, the inventor of the present application considered that the heat storage material after heat storage is in a solid-liquid coexistence state or liquid phase state, and supplies heat of liquid to the heat storage material in the solid-liquid coexistence state or liquid phase state during heat dissipation. .
ところが、固液共存状態または液相状態の蓄熱材に対して上方から水を散布することと
すると、蓄熱材の界面(液面)付近では反応が進むが、蓄熱材は通常は水よりも比重が大きなものであるために蓄熱材の界面よりも下側には水が十分に供給されず、反応が不十分となる。そのため、蓄熱材に蓄熱した熱が全て放出されずに十分な放熱量が得られにくいという課題がある。
However, if water is sprayed from above on the heat storage material in the solid-liquid coexistence state or the liquid phase state, the reaction proceeds near the interface (liquid surface) of the heat storage material, but the heat storage material is usually more specific than water. Therefore, water is not sufficiently supplied below the interface of the heat storage material, and the reaction becomes insufficient. Therefore, there is a problem that it is difficult to obtain a sufficient heat radiation amount without releasing all the heat stored in the heat storage material.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、固液共存状態または液相状態の蓄熱材に液体の水を供給する化学蓄熱装置において、放熱量の向上を図ることにある。 The present invention has been made in view of such points, and the object of the present invention is to improve the heat radiation amount in a chemical heat storage device that supplies liquid water to a heat storage material in a solid-liquid coexistence state or a liquid phase state. There is to plan.
本発明に係る化学蓄熱装置は、液相状態で水よりも比重が大きくかつ水の脱着を伴う可逆反応を行うことによって蓄熱または放熱しうる蓄熱材を、蓄熱開始時には固相状態で、放熱開始時には固液共存状態または液相状態で貯留する蓄熱槽を有する蓄熱器と、水蒸気を凝縮させかつ凝縮した水を貯蔵する凝縮器と、蓄熱工程の際に前記蓄熱槽内の蓄熱材が加熱されることによって生じる水蒸気を前記凝縮器に導く還流路と、放熱工程の際に前記凝縮器内の水を前記蓄熱槽内に当該蓄熱槽の下側部分から供給する供給路と、を備えたものである。 The chemical heat storage device according to the present invention has a heat storage material that has a specific gravity greater than that of water in a liquid phase and can store or dissipate heat by performing a reversible reaction involving desorption of water. Sometimes a heat accumulator having a heat accumulator that stores in a solid-liquid coexistence state or a liquid phase state, a condenser that condenses water vapor and stores condensed water, and the heat accumulator in the heat accumulator is heated during the heat accumulating step. And a supply path for supplying water in the condenser from the lower part of the heat storage tank to the heat storage tank during the heat dissipation process. It is.
前記化学蓄熱装置は、放熱工程の際に、前記供給路から供給された水が前記蓄熱槽内を上昇して前記蓄熱材の界面に達する前に、前記供給路からの水の供給が停止されるものであってもよい。 In the chemical heat storage device, the supply of water from the supply path is stopped before the water supplied from the supply path rises in the heat storage tank and reaches the interface of the heat storage material during the heat dissipation process. It may be a thing.
また、前記化学蓄熱装置は、放熱工程の際に、前記供給路から供給された水によって前記蓄熱槽内に前記蓄熱材の界面にまで達する上下方向に延びる水の筋ができる前に、前記供給路からの水の供給が停止されるものであってもよい。 In addition, the chemical heat storage device is configured so that, during the heat radiation process, the water supplied from the supply path is formed in the heat storage tank before the streaks of water extending in the vertical direction reaching the interface of the heat storage material. The supply of water from the road may be stopped.
前記蓄熱槽は、前記供給路からの水を前記蓄熱槽内に導入するための複数の孔が形成された底板を備えていてもよい。 The heat storage tank may include a bottom plate formed with a plurality of holes for introducing water from the supply path into the heat storage tank.
前記蓄熱材は、固相状態で塩化カルシウムの水和物であってもよい。 The heat storage material may be a calcium chloride hydrate in a solid state.
前記化学蓄熱装置は、前記供給路に設けられた弁と、前記供給路を流れる水の累積流量を計測する流量センサと、前記流量センサで計測された累積流量が所定量以上になると前記弁を閉じるコントローラと、をさらに備えていてもよい。 The chemical heat storage device includes a valve provided in the supply path, a flow sensor for measuring a cumulative flow rate of water flowing through the supply path, and the valve when the cumulative flow rate measured by the flow sensor exceeds a predetermined amount. And a closing controller.
前記化学蓄熱装置は、前記蓄熱槽に配置された熱交換部を有し、熱媒体が流通する第1熱媒体回路と、前記凝縮器に配置された冷却部を有し、熱媒体が流通する第2熱媒体回路と、をさらに備え、蓄熱工程の際には、前記熱交換部に供給する熱媒体によって前記蓄熱槽内の蓄熱材を加熱し、前記冷却部に供給する熱媒体によって前記凝縮器内の水蒸気を凝縮させ、放熱工程の際には、前記熱交換部に供給する熱媒体によって前記蓄熱槽内の蓄熱材から熱を吸収するものであってもよい。 The chemical heat storage device includes a heat exchange section disposed in the heat storage tank, includes a first heat medium circuit through which a heat medium flows, and a cooling section disposed in the condenser, and the heat medium flows through the heat storage section. A second heat medium circuit, and in the heat storage step, the heat storage material in the heat storage tank is heated by the heat medium supplied to the heat exchange unit, and the condensation is performed by the heat medium supplied to the cooling unit. Water vapor in the container may be condensed, and heat may be absorbed from the heat storage material in the heat storage tank by a heat medium supplied to the heat exchange unit in the heat dissipation step.
前記化学蓄熱装置は、前記蓄熱槽内を上昇する水の加速後の速度をu1、水の供給時間
をt、蓄熱材の層厚をhとしたときに、u1×t<hを満たすものであってもよい。
The chemical heat storage device, speed u 1 after the acceleration of water rising the thermal storage tank, the supply time of water t, when the thickness of the heat storage material and is h, satisfy u 1 × t <h It may be a thing.
本発明によれば、固液共存状態または液相状態の蓄熱材と液体の水とを比較的均等に混合させることができ、放熱量の向上を図ることができる。 According to the present invention, a heat storage material in a solid-liquid coexistence state or a liquid phase state and liquid water can be mixed relatively evenly, and the amount of heat radiation can be improved.
図1は、本発明の一実施形態に係る化学蓄熱装置50の構成図である。化学蓄熱装置50は、ヒートポンプ回路53と第1熱媒体回路51と第2熱媒体回路52と蓄熱回路54とを備えている。
FIG. 1 is a configuration diagram of a chemical
ヒートポンプ回路53は、冷媒を圧縮する圧縮機2と、圧縮された冷媒を放熱させるガスクーラ3と、放熱後の冷媒を膨張させる膨張機構4と、膨張後の冷媒を蒸発させる蒸発器5とを備えている。ヒートポンプ回路53に充填される冷媒の種類は特に限定されないが、本実施形態では、冷媒として二酸化炭素が充填されている。本実施形態では、冷媒は圧縮機2によって超臨界状態にまで圧縮される。ガスクーラ3は、ヒートポンプ回路53を循環する冷媒と第1熱媒体回路51を循環する熱媒体とを熱交換させる熱交換器によって構成されている。膨張機構4は、冷媒を膨張させるものであれば足り、例えば、膨張弁であってもよく、回転式の膨張機等であってもよい。蒸発器5は、ヒートポンプ回路53を循環する冷媒と外気および第2熱媒体回路52を循環する熱媒体とを熱交換させる熱交換器によって構成されている。符号1は、蒸発器5に空気を供給する送風機を示している。
The
蓄熱回路54は、蓄熱槽21を有する蓄熱器9と、凝縮器10と、蓄熱槽21の上側部分と凝縮器10の上側部分とをつなぐ還流路22と、凝縮器10の下側部分と蓄熱槽21の下側部分とをつなぐ供給路23とを備えている。
The
蓄熱槽21は、断熱性に優れた密閉容器で構成されている。この蓄熱槽21には、固体の状態だけでなく液体の状態でも水よりも比重の大きな蓄熱材8が貯留されている。本実施形態では、蓄熱材8として塩化カルシウムの水和物が採用されている。塩化カルシウムの水和物は、水が可逆的に脱着するものであり、水の脱離によって吸熱し、水との結合によって放熱する。蓄熱材8としては、水の脱離によって塩化カルシウム4水和物となり、さらに塩化カルシウム2水和物となる塩化カルシウム6水和物が特に好適である。
The
蓄熱材8は、水の脱離に伴う蓄熱(化学蓄熱)に加え、相変化に伴う蓄熱(潜熱蓄熱)を利用するものであってもよい。潜熱蓄熱を利用するために、蓄熱材8は、100℃未満の温度で固相状態から液相状態または固液共存状態へと移行することが好ましい。より詳しくは、塩化カルシウム6水和物は、蓄熱前は、図4中に点Aで示すように常温以下の温度では固相状態であるが、水を脱離させて塩化カルシウム4水和物へと移行させつつ蓄熱すると、蓄熱後は、図4中に点Bで示すように塩化カルシウム2水和物と塩化カルシウム水和物融液(塩化カルシウム水溶液)との混合状態(固液共存状態)となる。こうして、蓄熱材8は、顕熱蓄熱に加え、化学蓄熱および潜熱蓄熱により蓄熱する。この蓄熱の際の蓄熱材8の総質量に対する塩化カルシウムの質量の割合(CaCl2質量濃度)は、蓄熱
開始時には約50%であり、蓄熱後の放熱開始時には約62%である。
The
なお、蓄熱材8は、図4中の点Aと点Bの間で状態変化する必要はなく、例えば、蓄熱後の状態では塩化カルシウム水和物融液単体(液相状態)となり、放熱開始時のCaCl2質量濃度が約60%となっていてもよい。また、蓄熱材8は、固相状態で塩化カルシウ
ム6水和物と塩化カルシウム4水和物との混合状態となっていてもよいし(蓄熱開始時のCaCl2質量濃度が例えば55%程度)、あるいは蓄熱前に塩化カルシウム6水和物の
一部が水に溶解していてもよい。
The state of the
凝縮器10は、還流路22を通じて蓄熱槽21から戻ってくる水蒸気を凝縮させ、凝縮後の水を貯留する。本実施形態では、凝縮器10はタンクからなっている。供給路23には、ポンプ12と、流量センサ11と、電磁弁13とが設けられている。なお、供給路23の弁は、必ずしも電磁弁13でなくてもよい。化学蓄熱装置50には、流量センサ11の計測値に基づいて電磁弁13を制御するコントローラ35が設けられている。
The
供給路23は、蓄熱槽21内に蓄熱槽21の下側部分から水を供給する。ここで、蓄熱槽21の下側部分とは、貯留されている固液共存状態または液相状態の蓄熱材8の上下方向中間位置よりも下側の部分のことであり、必ずしも蓄熱槽21の底面に限られないが、本実施形態では、供給路23は蓄熱槽21の底面から水を供給するように構成されている。具体的には、図2に模式的に示すように、蓄熱槽21の底板25には、複数の孔25aが形成されている。供給路23からの水は、これらの孔25aから蓄熱槽21内に導入されるようになっている。すなわち、複数の孔25aは、蓄熱槽21内に開口する供給路23の供給口を構成している。複数の孔25aは、マトリクス状または千鳥状に規則的に配置されていてもよいし、不規則に配置されていてもよい。
The
詳細は後述するが、供給路23は、供給した水が蓄熱槽21内を上昇して蓄熱材8の界面(重力によって形成される水平面であって蓄熱槽21内で空気と接する面)8aに達する前に、水の供給を終了する。すなわち、供給路23は、供給した水が蓄熱材8と十分に反応してから蓄熱材8の界面8aに達するように水を供給する。供給路23から供給する水の量が多かったり、供給速度が速すぎると、供給された水の一部は蓄熱材8と反応することなく界面8aに達してしまう。その結果、図3の仮想図に示すように、蓄熱槽21の内部には、界面8aにまで達する上下方向に延びる水の筋30aが形成されてしまう。本実施形態では、供給路23は、このような水の筋30aが形成されないように、水の筋30aができる前に水の供給を終了する。
Although the details will be described later, the
本実施形態では、水の供給量および供給速度は、供給路23を流れる水の流量と、蓄熱槽21の孔25aの数および直径と、蓄熱材8の層厚とによって定まる。なお、孔25aの直径は均一であってもよく、不均一であってもよい。孔25aの直径が不均一である場合には、計算に際して孔25aの平均直径を用いればよい。孔25aの数および直径に関しては、例えば、
ρ∞:蓄熱材密度[kg/m3] ρ:水の密度[kg/m3]
g:重力加速度[m/s2] h:蓄熱材の層厚[m]
から求められる、浮力によって加速された後の水の速度u1と、所定の供給量を供給する
時間t(例えば30s)との積が、蓄熱材8の層厚hよりも小さくなるようにまず水の噴出速度u0を決定し、これに基づいて孔25aの数および直径を決定すればよい。すなわ
ち、水の加速後の速度u1[m/s]×供給時間t[s]<蓄熱材層の層厚h[m]とい
う不等式が満たされるように水の噴出速度u0並びに孔25aの数および直径を決定すれ
ば、理論上、供給した水が蓄熱材8の界面8aに達する前に水の供給を終了することができる。水の噴出速度を決定する際の供給時間tとしては、仮の目標時間(例えば1800s)を使用すればよい。なお、実際には、種々の外乱もあり得るので、必ずしも上記不等式を満たさなくても、供給した水が蓄熱材8の界面8aに達する前に水の供給を終了することができる場合もある。
In the present embodiment, the supply amount and supply speed of water are determined by the flow rate of water flowing through the
ρ ∞ : Thermal storage material density [kg / m 3 ] ρ: Water density [kg / m 3 ]
g: Gravitational acceleration [m / s 2 ] h: Thermal storage material layer thickness [m]
First , the product of the speed u 1 of water after being accelerated by buoyancy and the time t (for example, 30 s) for supplying a predetermined supply amount, which is obtained from the above, is smaller than the layer thickness h of the
なお、蓄熱材8の界面8aに達する水の筋30aが形成されないようにするためには、上記の不等式から水の噴出速度u0はできる限り遅い方が好ましいが、全ての孔25aか
らの噴出速度を同じにするという観点から、水の噴出速度u0は2Q/A[m/s](Q
:水の流量[m3/s]、A:底板25の面積[m2])以上であることが好ましい。
In order to prevent the formation of the
: The flow rate of water [m 3 / s], and A: the area [m 2 ] of the bottom plate 25) or more.
以上をまとめると、水の噴出速度u0の範囲は、次の式を満足すればよいことがわかる
。
第1熱媒体回路51は、蓄熱工程の際には蓄熱材8に熱を供給し、放熱工程の際には蓄熱材8から熱を吸収する熱媒体が流れる回路である。本実施形態では、熱媒体として水が利用される。第1熱媒体回路51は、第1循環ポンプ14、第1の三方弁16、第2の三方弁6、ガスクーラ3、第3の三方弁7、および第4の三方弁17が順に環状に接続されてなる主回路51aを備えている。なお、第3の三方弁7と第4の三方弁17との間には、蓄熱槽21内に配置された熱交換部20が設けられている。なお、熱交換部20は、蓄熱槽21内の蓄熱材8と熱交換するものであればよく、必ずしも蓄熱槽21の内部に設けられている必要はない。熱交換部20は、蓄熱槽21の外部から蓄熱槽21を加熱または冷却するものであってもよい。また、第1熱媒体回路51は、第2の三方弁6から主回路51aに水を導入する導入回路51bと、第3の三方弁7から主回路51aの水を導出する導出回路51cと、を備えている。導入回路51bには、主回路51aに向かって水を搬送するポンプ15が設けられている。また、第1熱媒体回路51には、第1の三方弁16と第4の三方弁17とをつなぐ通路51dが設けられている。
The first
第2熱媒体回路52は、蓄熱工程の際に凝縮器10内の水蒸気を冷却する熱媒体が循環する回路である。本実施形態では、熱媒体として水が利用される。第2熱媒体回路52には、第2循環ポンプ18と、凝縮器10内に配置された冷却部24と、蒸発器5とが順に環状に接続されている。なお、冷却部24は、凝縮器10内の水蒸気を冷却するものであれば足り、必ずしも凝縮器10の内部に配置されている必要はない。冷却部24は凝縮器10の外部に設置されていてもよい。
The second
次に、化学蓄熱装置50の動作について説明する。
Next, the operation of the chemical
まず、図5を参照しながら、蓄熱工程について説明する。蓄熱工程では、ヒートポンプ回路53を熱源として、蓄熱材8に熱を蓄える。
First, the heat storage process will be described with reference to FIG. In the heat storage process, heat is stored in the
ヒートポンプ回路53では、圧縮機2から吐出された冷媒がガスクーラ3で放熱し、放熱後の冷媒は膨張機構4で膨張する。膨張後の冷媒は、蒸発器5で蒸発し、圧縮機2に戻る。
In the
第1熱媒体回路51では、第1循環ポンプ14が運転を行い、ポンプ15は運転を停止する。第1循環ポンプ14から吐出された水は、第1の三方弁16、第2の三方弁6を順に通過し、ガスクーラ3において加熱される。加熱された水(例えば80℃程度の水)は、第3の三方弁7を通過した後、熱交換部20において、蓄熱材8に放熱する。放熱後の水は、第4の三方弁17を通過し、第1循環ポンプ14に戻る。
In the first
第2熱媒体回路52では、蒸発器5で冷却された水が第2循環ポンプ18を通過し、凝縮器10の冷却部24に供給される。冷却部24に供給された水は、凝縮器10内の水蒸気を冷却し、水蒸気を凝縮させる。冷却部24を流出した水は、再び蒸発器5で冷却され、上述の動作を繰り返す。
In the second
蓄熱回路54では、ポンプ12は運転を行わず、電磁弁13は閉止される。蓄熱器9においては、熱交換部20を流れる温水によって、蓄熱材8が加熱される。その結果、蓄熱槽21内の塩化カルシウム6水和物(蓄熱材)が吸熱することにより塩化カルシウム4水
和物となり、蓄熱材8から水分が水蒸気として放出される。蓄熱槽21内で発生した水蒸気は、還流路22を通って凝縮器10に供給され、ここで冷却部24によって冷却されて凝縮する。凝縮した水は、凝縮器10に溜められる。そして、還流路22に設けられた図略の弁によって蓄熱槽21から凝縮器10への水蒸気の移送量が規制されることにより、蓄熱材8は最終的に塩化カルシウム2水和物と塩化カルシウム水和物融液との混合状態(固液共存状態)となる。なお、還流路22に真空ポンプを設けて蓄熱器9内を減圧することにより、蓄熱材8から水分を蒸発させ易くするようにしてもよい。
In the
次に、図6を参照しながら、放熱工程について説明する。放熱工程は、蓄熱器9の蓄熱を利用して第1熱媒体回路51の水を加熱し、その水を給湯等に利用する工程である。
Next, the heat dissipation process will be described with reference to FIG. The heat dissipation step is a step of heating the water of the first
放熱工程では、ヒートポンプ回路53および第2熱媒体回路52は運転を行わない。
In the heat dissipation process, the
蓄熱回路54では、電磁弁13が開放され、ポンプ12が駆動する。凝縮器10内の水は供給路23から蓄熱槽21に供給される。その結果、蓄熱槽21の底部から水が供給される。供給された水は、蓄熱材8よりも密度が低いので、蓄熱材8との間の密度差によって上昇する。その結果、供給された水は、蓄熱材8と反応しながら、蓄熱槽21内を上昇していく。このとき、蓄熱材8に含まれる塩化カルシウムと水との水和反応により反応熱が得られる。蓄熱槽21内を上昇する水は、上昇に伴って渦を生成する場合があり、その場合、蓄熱材8はこの渦によって攪拌され、水に対してより一層均質に混合しやすくなる。
In the
凝縮器10から蓄熱槽21に供給される水の累積流量は、流量センサ11によって計測される。本実施形態では、予め定めた所定量の水が供給される、すなわち流量センサ11で計測された累積流量が所定量以上になると、コントローラ35によって電磁弁13が閉じられ、蓄熱槽21に対する水の供給が停止される。なお、ここで「所定量」とは、前述したように、供給された水が蓄熱材8の界面8aに達する前に水の供給を終了するような量であり、例えば、供給された水が蓄熱材8の界面8aに達する量よりも若干少ない量等である。言い換えると、この「所定量」は、蓄熱槽21内において水の筋30aが形成されない程度の量である。この「所定量」は、予めシミュレーション等で設定してもよく、実験等によって設定してもよい。
The accumulated flow rate of the water supplied from the
第1熱媒体回路51では、第1循環ポンプ14は運転を停止し、導入回路51bのポンプ15が駆動する。第1熱媒体回路51では、ポンプ15から供給された水は、第2の三方弁6、第1の三方弁16、通路51d、第4の三方弁17をこの順に通過し、蓄熱槽21内の熱交換部20に流入する。熱交換部20に流入した水は、蓄熱材8によって加熱され、温水(例えば95℃程度の温水)となる。この温水は、熱交換部20を流出してから第3の三方弁7を通過し、導出回路51cに導かれ、その後、給湯水等として利用される。一方、蓄熱材8は、熱交換部20で水と熱交換することにより冷却され、これにより固相状態の塩化カルシウム6水和物へと戻る。
In the first
以上のように、本実施形態に係る化学蓄熱装置50によれば、水よりも比重の大きな固液共存状態の蓄熱材8を貯留する蓄熱槽21に対して、当該蓄熱槽21の下側部分から水を供給することとした。そのため、供給された水は、蓄熱材8と反応しながら蓄熱槽21内を上昇していくので、蓄熱槽21内において水と蓄熱材8とが比較的均一に混ざり合う。したがって、蓄熱材8の界面8aに対して上方から水を散布する方法と異なり、水と蓄熱材8とを良好に反応させることができ、放熱量の向上を図ることができる。
As described above, according to the chemical
図7(a)は、蓄熱槽21に塩化カルシウム4水和物を加熱して得た蓄熱材8(融液と塩化カルシウム2水和物の固液共存状態)を貯留しておき、蓄熱槽21の下側部分から水
を供給したときの蓄熱材8の温度変化を示す図である。一方、図7(b)は、蓄熱槽21に塩化カルシウム4水和物を加熱して得た蓄熱材8(融液と塩化カルシウム2水和物の固液共存状態)を貯留しておき、上方から水を散布したときの蓄熱材8の温度変化を示す図である。どちらの場合も、給水によって蓄熱材8の温度が上昇し、その後、蓄熱材8が熱交換部20によって冷却されることにより、温度が低下している。しかし、図7(a)および(b)を見比べると明らかなように、蓄熱槽21の下側部分から水を供給した場合の方が、温度上昇は大きくなり、その分所定温度までの温度低下に時間がかかるようになって放熱時間を長くすることができる。
FIG. 7A shows a heat storage tank in which a heat storage material 8 (solid-liquid coexistence state of melt and calcium chloride dihydrate) obtained by heating calcium chloride tetrahydrate is stored in a
特に、本実施形態によれば、放熱工程において、蓄熱槽21の下側部分に供給された水が蓄熱材8の界面8aに達する前に、水の供給を終了することとした。本実施形態によれば、蓄熱材8の内部に、界面8aにまで達する上下方向に延びる水の筋30aができることを防止することができる。したがって、供給した水が蓄熱材8と反応しないまま蓄熱材8の界面8aよりも上方に移動することを防ぐことができ、水と蓄熱材8とを効率的に反応させることができる。すなわち、供給した水が界面8aに達するまでに、水と蓄熱材8とを十分に反応させることができる。そのため、より一層の放熱量の向上を図ることができる。
In particular, according to the present embodiment, in the heat dissipation step, the supply of water is terminated before the water supplied to the lower portion of the
図8は、水の供給速度(噴出速度)を変化させたときの蓄熱材8の塩化カルシウム6水和物への転化率の経時変化を示すグラフである。図8から分かるように、水の供給を終了した時点で水が界面8aに到達していない場合の方が、界面8aに到達している場合に比べて、転化率が大きい。
FIG. 8 is a graph showing the change over time in the conversion rate of the
本実施形態では、蓄熱槽21の底板25に複数の孔25aを形成し、これらの孔25aから水を供給することとした。そのため、蓄熱材8の下側から水を比較的均一に供給することができる。また、複数の孔25aが形成された底板25を有するという比較的簡単な構成により、蓄熱槽21の下側部分に水を供給する好適な手段を実現することができる。
In the present embodiment, a plurality of
本実施形態では、供給路23を流れる水の累積流量を計測し、その累積流量に基づいて水の供給を停止することとした。すなわち、供給した水が蓄熱材8の界面8aに達するか否かを供給路23の水の累積流量に基づいて推定し、水が界面8aに達する前に水の供給を停止することとした。したがって、水の供給停止の時期を比較的正確かつ簡単に知ることができ、比較的簡単な方法によって、水の供給を停止することができる。
In the present embodiment, the cumulative flow rate of water flowing through the
本実施形態に係る化学蓄熱装置50は、蓄熱回路54の他に、蓄熱槽21に配置された熱交換部20を有する第1熱媒体回路51と、凝縮器10に配置された冷却部24を有する第2熱媒体回路52とを備えている。そのため、蓄熱回路54を好適に利用する優れた化学蓄熱装置50を得ることができる。
In addition to the
《変形例》
なお、前記実施形態では、ヒートポンプ回路53における冷媒として二酸化炭素を用いているが、冷媒は二酸化炭素に限定される訳ではない。冷媒として、例えばフロン系の冷媒を用いることも可能である。また、前記実施形態では、第1熱媒体回路51および第2熱媒体回路52の熱媒体として水を用いているが、水以外の熱媒体、例えば不凍液、熱媒油等を用いてもよい。熱媒体は、液体に限らず、気体であってもよい。
<Modification>
In the embodiment, carbon dioxide is used as the refrigerant in the
また、前記実施形態では、蓄熱材8として塩化カルシウムの水和物を使用しているが、蓄熱材8の材料はこれに限定される訳ではない。すなわち、本発明の蓄熱材は、蓄熱開始時に固相状態となり、放熱開始時に固液共存状態または液相状態となるものであればよく、相対湿度に対する吸水量の差が大きい他の材料系のものも好適に利用することができる
。例えば、蓄熱材8は、臭化カリウム6水和物等であってもよい。ただし、蓄熱材8が塩化カルシウムの水和物であれば、安価に大量に入手できるため、製造コストを低減できる。
Moreover, in the said embodiment, although the hydrate of calcium chloride is used as the
蓄熱槽21内に蓄熱槽21の下側部分から水を供給する構成は、前記実施形態のように複数の孔25aが形成された底板25に限定されない。また、蓄熱槽21の下側部分とは、必ずしも蓄熱槽21の底面に限らず、底面から若干上方の部分であってもよい。例えば、図9に示すように、複数の孔26aが形成された管26を、底板25の上方に配置するようにしてもよい。この場合、管26は底板25に接触するように配置してもよいが、底板25から若干上方に離間させて配置するようにしてもよい。この変形例では、蓄熱槽21内の蓄熱材8に対して、管26の孔26aから水が供給される。
The configuration for supplying water from the lower portion of the
前記実施形態では、蓄熱槽21に供給した水が蓄熱材8の界面8aに達したか否かを、供給路23を流れる水の流量に基づいて推定するが、他の手法を用いて推定するようにしてもよい。
In the above embodiment, whether or not the water supplied to the
例えば、上記推定を水の供給時間に基づいて行うようにしてもよい。例えば、供給した水が蓄熱材8の界面8aに達する前に水の供給を停止するように、水の供給開始時から所定時間が経過すると電磁弁13を閉じるようにしてもよい。
For example, the above estimation may be performed based on the water supply time. For example, the
また、蓄熱材8と水との反応が進むと、蓄熱材8の温度が変化する。そこで、上記推定を蓄熱材8の温度に基づいて行うようにしてもよい。例えば、蓄熱材8の温度を計測する温度センサを設けておき、供給した水が蓄熱材8の界面8aに達する前に水の供給を停止するように、蓄熱材8の温度が所定温度になると電磁弁13を閉じるようにしてもよい。
Further, when the reaction between the
また、蓄熱材8と水との反応が進むと、蓄熱材8の界面8aの位置が変化する。そこで、上記推定を蓄熱材8の界面8aの位置に基づいて行うようにしてもよい。例えば、蓄熱槽21に蓄熱材8の界面8aの位置を検出する液面センサを設けておき、供給した水が蓄熱材8の界面8aに達する前に水の供給を停止するように、界面8aの位置が所定位置になると電磁弁13を閉じるようにしてもよい。
Further, when the reaction between the
本発明は、例えば冷凍、空調、給湯等の各種分野において利用可能な化学蓄熱装置について有用である。 The present invention is useful for a chemical heat storage device that can be used in various fields such as refrigeration, air conditioning, and hot water supply.
8 蓄熱材
8a 蓄熱材の界面
9 蓄熱器
10 凝縮器
11 流量センサ
13 電磁弁
20 熱交換部
21 蓄熱槽
22 還流路
23 供給路
24 冷却部
25 底板
25a 孔
35 コントローラ
50 化学蓄熱装置
51 第1熱媒体回路
52 第2熱媒体回路
53 ヒートポンプ回路
54 蓄熱回路
8
Claims (9)
水蒸気を凝縮させかつ凝縮した水を貯蔵する凝縮器と、
蓄熱工程の際に前記蓄熱槽内の蓄熱材が加熱されることによって生じる水蒸気を前記凝縮器に導く還流路と、
放熱工程の際に前記凝縮器内の水を前記蓄熱槽内に当該蓄熱槽の下側部分から供給する供給路と、
を備えた化学蓄熱装置。 A heat storage material that has a specific gravity greater than that of water in the liquid phase and that can store or release heat by performing a reversible reaction with desorption of water is in a solid phase at the start of heat storage, or in a solid-liquid coexistence state or in a liquid phase at the start of heat dissipation A heat accumulator having a heat accumulator stored in
A condenser for condensing water vapor and storing the condensed water;
A reflux path for guiding water vapor generated by heating the heat storage material in the heat storage tank to the condenser during the heat storage process;
A supply path for supplying water in the condenser into the heat storage tank from a lower portion of the heat storage tank during a heat dissipation process;
A chemical heat storage device.
放熱工程の際に、前記供給路から供給された水が前記蓄熱槽内を上昇して前記蓄熱材の界面に達する前に、前記供給路からの水の供給が停止される化学蓄熱装置。 The chemical heat storage device according to claim 1,
A chemical heat storage device in which water supply from the supply path is stopped before the water supplied from the supply path rises in the heat storage tank and reaches the interface of the heat storage material during the heat dissipation process.
放熱工程の際に、前記供給路から供給された水によって前記蓄熱槽内に前記蓄熱材の界面にまで達する上下方向に延びる水の筋ができる前に、前記供給路からの水の供給が停止される化学蓄熱装置。 The chemical heat storage device according to claim 1,
During the heat dissipation process, the supply of water from the supply path is stopped before the water supplied from the supply path has a streak of water extending in the vertical direction reaching the interface of the heat storage material in the heat storage tank. Chemical heat storage device.
前記蓄熱槽は、前記供給路からの水を前記蓄熱槽内に導入するための複数の孔が形成された底板を備えている化学蓄熱装置。 In the chemical heat storage device according to any one of claims 1 to 3,
The said thermal storage tank is a chemical thermal storage apparatus provided with the baseplate in which the several hole for introducing the water from the said supply path into the said thermal storage tank was formed.
前記蓄熱材は、固相状態で塩化カルシウムの水和物である化学蓄熱装置。 In the chemical heat storage device according to any one of claims 1 to 3,
The said heat storage material is a chemical heat storage apparatus which is a hydrate of calcium chloride in a solid state.
前記供給路に設けられた弁と、
前記供給路を流れる水の累積流量を計測する流量センサと、
前記流量センサで計測された累積流量が所定量以上になると前記弁を閉じるコントローラと、
をさらに備えた化学蓄熱装置。 The chemical heat storage device according to claim 2 or 3,
A valve provided in the supply path;
A flow rate sensor for measuring a cumulative flow rate of water flowing through the supply path;
A controller that closes the valve when the cumulative flow rate measured by the flow rate sensor exceeds a predetermined amount;
A chemical heat storage device further comprising:
前記蓄熱槽に配置された熱交換部を有し、熱媒体が流通する第1熱媒体回路と、
前記凝縮器に配置された冷却部を有し、熱媒体が流通する第2熱媒体回路と、
をさらに備え、
蓄熱工程の際には、前記熱交換部に供給する熱媒体によって前記蓄熱槽内の蓄熱材を加熱し、前記冷却部に供給する熱媒体によって前記凝縮器内の水蒸気を凝縮させ、
放熱工程の際には、前記熱交換部に供給する熱媒体によって前記蓄熱槽内の蓄熱材から熱を吸収する化学蓄熱装置。 In the chemical heat storage device according to any one of claims 1 to 3,
A first heat medium circuit having a heat exchanging portion disposed in the heat storage tank and through which the heat medium flows;
A second heat medium circuit having a cooling unit disposed in the condenser and through which the heat medium flows;
Further comprising
In the heat storage step, the heat storage material in the heat storage tank is heated by the heat medium supplied to the heat exchange unit, and the water vapor in the condenser is condensed by the heat medium supplied to the cooling unit,
A chemical heat storage device that absorbs heat from a heat storage material in the heat storage tank by a heat medium supplied to the heat exchange unit during a heat dissipation process.
前記蓄熱槽内を上昇する水の加速後の速度をu1、水の供給時間をt、蓄熱材の層厚を
hとしたときに、u1×t<hを満たす化学蓄熱装置。 The chemical heat storage device according to claim 2,
The speed after the acceleration of water rising the thermal storage tank u 1, the supply time of the water t, when the thickness of the heat storage material and is h, the chemical heat storage device that satisfies u 1 × t <h.
水の噴出速度をu0、蓄熱材の密度をρ∞、水の密度をρ、重力加速度をg、蓄熱材の
層厚をh、水の供給時間をt、水の流量をQ、蓄熱材と接する底板の面積をAとしたときに、
Water ejection speed u 0 , heat storage material density ρ ∞ , water density ρ, gravity acceleration g, heat storage material layer thickness h, water supply time t, water flow rate Q, heat storage material When the area of the bottom plate in contact with is A,
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