JP2009198134A - 蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】短時間で無駄なく蓄放熱することが可能な蓄熱装置を提供する。
【解決手段】潜熱蓄熱材１３と熱媒油１４とを上下二層に分離した状態で収容する蓄熱タンク１２と、その蓄熱タンク１２内の潜熱蓄熱材層１６中に熱媒油１４を供給する供給管１８と、蓄熱タンク１２内の熱媒油層１７から熱媒油１４を回収する回収管１９とを有し、供給管１８から潜熱蓄熱材層１６中に供給された熱媒油１４を潜熱蓄熱材１３に直接接触させて熱交換を行なう蓄熱装置６において、蓄熱タンク１２内に、供給管１８から潜熱蓄熱材層１６中に供給された熱媒油１４と、その熱媒油１４が通過しない領域２２の潜熱蓄熱材１３との間で熱交換を行なう伝熱板２１を設ける。
【選択図】図３

Description

この発明は、発電所や廃棄物焼却場などの熱源施設で発生する廃熱を蓄熱する蓄熱装置に関する。

熱源施設（例えば、発電所や廃棄物焼却場、製鉄所、化学プラント）で生じる廃熱を、熱利用施設（例えば、オフィスビルや病院、ホテル、クアハウス）で有効利用するため、熱源施設の廃熱を蓄熱タンク内に蓄熱し、その蓄熱タンクを熱利用施設に運搬し、その蓄熱タンクを熱源として給湯や暖房等を行なうことを可能とした蓄熱装置が知られている（特許文献１）。

この蓄熱装置は、潜熱蓄熱材と熱媒油とを上下二層に分離した状態で収容する蓄熱タンクと、その蓄熱タンク内の潜熱蓄熱材層中に熱媒油を供給する供給管と、前記蓄熱タンク内の熱媒油層から熱媒油を回収する回収管とを有し、その供給管と回収管を通じて、熱源施設（または熱利用施設）と蓄熱タンクの間で熱媒油を循環させて使用する。このとき、供給管から潜熱蓄熱材層中に供給された熱媒油は、熱媒油と潜熱蓄熱材の比重差により潜熱蓄熱材層中を上昇しながら、潜熱蓄熱材と直接接触して熱交換を行なう。

ここで、潜熱蓄熱材は、物質が固相と液相の間で相変化するときに吸収・排出する熱（潜熱）を利用して蓄熱と放熱を行なう蓄熱材であり、固相から液相に相変化するときに周りから熱を吸収し、液相から固相に相変化するときに放熱する。また、潜熱蓄熱材は、固相と液相の間で相変化するときに温度が変化しないので、一定した温度での放熱が可能である。このような潜熱蓄熱材として、例えば、酢酸ナトリウム三水和物や、塩化マグネシウム六水和物、エリスリトール、マンニトールが用いられる。
特開２００７−１３２５６９号公報

ところで、蓄熱タンク内の潜熱蓄熱材層には、供給管から供給された熱媒油が通過する領域と通過しない領域とがあり、熱媒油が通過する領域の潜熱蓄熱材は、熱媒油と直接接触して熱交換を行なうが、熱媒油が通過しない領域の潜熱蓄熱材は、熱媒油が通過する領域の潜熱蓄熱材を介して熱交換を行なう。そのため、熱媒油が通過しない領域の潜熱蓄熱材は、蓄放熱させるのに長時間を要し、その領域の潜熱蓄熱材を十分に活用することが難しかった。

例えば、図９に示すように、蓄熱タンク３１内の潜熱蓄熱材３２を融かして蓄熱する場合、供給管３３から供給された熱媒油の通過する領域３４の潜熱蓄熱材３２は、その熱媒油と直接接触して熱を受け取るので、短時間で融けるが、熱媒油が通過しない領域３５の潜熱蓄熱材３２は、熱媒油と直接接触しないので、なかなか融けない。そのため、蓄熱タンク３１内の潜熱蓄熱材３２がすべて融けるまで長時間を要し、蓄熱タンク３１内の潜熱蓄熱材３２を無駄なく利用するのが難しかった。

この発明が解決しようとする課題は、短時間で無駄なく蓄放熱することが可能な蓄熱装置を提供することである。

上記の課題を解決するため、前記蓄熱タンク内に、前記供給管から潜熱蓄熱材層中に供給された熱媒油と、その熱媒油が通過しない領域の潜熱蓄熱材との間で熱交換を行なう伝熱部材を設けた。この伝熱部材は、前記熱媒油層に至るように設けることができる。

この発明の蓄熱装置は、蓄熱タンク内に設けた伝熱部材が、供給管から潜熱蓄熱材層中に供給された熱媒油と、その熱媒油が通過しない領域の潜熱蓄熱材との間で熱交換を行なうので、熱媒油が通過しない領域の潜熱蓄熱材を蓄放熱させるのに必要な時間が短い。そのため、この発明の蓄熱装置は、蓄熱タンク内の潜熱蓄熱材を、短時間で無駄なく利用することができる。

さらに、前記伝熱部材を、前記熱媒油層に至るように設けたものは、その伝熱部材を介して、熱媒油が通過しない領域の潜熱蓄熱材と、熱媒油層中の熱媒油との間でも熱交換が行われるので、蓄放熱の効率が高い。

図１に、熱源施設１（例えば、発電所や廃棄物焼却場、製鉄所、化学プラント）で生じる廃熱を、熱源施設１から離れた熱利用施設２（例えば、オフィスビル、病院、ホテル、クアハウス）で利用可能とする熱搬送システムを示す。

この熱搬送システムは、熱源施設１側に、熱源管３と、熱媒管４と、熱源管３と熱媒管４の間で熱交換を行なう熱交換器５とが設けられている。熱源管３は熱源施設１に接続されており、熱源施設１と熱交換器５の間で、廃熱を有する熱源流体（例えば、温水や蒸気）が循環するようになっている。熱媒管４は、この発明の実施形態の蓄熱装置６に着脱可能に接続されており、熱媒管４の途中に設けた循環ポンプ７を作動させると、熱交換器５と蓄熱装置６の間で熱媒油が循環し、その熱媒油を介して熱源管３から蓄熱装置６に熱が伝達され、蓄熱される。

また、この熱搬送システムは、熱利用施設２側に、熱利用管８と、熱媒管９と、熱利用管８と熱媒管９の間で熱交換を行なう熱交換器１０とが設けられている。熱利用管８は、熱利用施設２に接続されており、熱利用施設２と熱交換器１０の間で、熱利用媒体（例えば、給湯用水や暖房用水）が循環するようになっている。熱媒管９は、蓄熱装置６に着脱可能に接続されており、熱媒管９の途中に設けた循環ポンプ１１を作動させると、蓄熱装置６と熱交換器１０の間で熱媒油が循環し、その熱媒油を介して蓄熱装置６から熱利用管８に熱が伝達され、その熱を利用して熱利用施設２での給湯や暖房が可能となる。

この熱搬送システムは、上述した熱源施設１と熱利用施設２の間で、蓄熱装置６を行き来させることにより、熱源施設１の廃熱を熱利用施設２の熱エネルギーとして利用することができる。

蓄熱装置６は、図２、図３に示すように、中心軸を略水平とする円筒状の蓄熱タンク１２を有する。蓄熱タンク１２は、断熱壁で覆われており、その蓄熱タンク１２内に、潜熱蓄熱材１３と熱媒油１４とが上下二層に分離した状態で収容されている。潜熱蓄熱材１３は、固相から液相に相変化するときに周りから熱を吸収し、液相から固相に相変化するときに放熱する。このような潜熱蓄熱材１３として、例えば、エリスリトールやマンニトール、酢酸ナトリウム三水和物、塩化マグネシウム六水和物などを用いることができる。

熱媒油１４は、潜熱蓄熱材１３よりも比重が小さいものが用いられ、潜熱蓄熱材１３との比重差によって潜熱蓄熱材１３の表面に浮いた状態となっている。また、蓄熱タンク１２内には空気層１５が設けられており、その空気層１５が、潜熱蓄熱材層１６と熱媒油層１７の体積変化を吸収するようになっている。

また、蓄熱タンク１２には、潜熱蓄熱材層１６中に熱媒油１４を供給する供給管１８と、熱媒油層１７から熱媒油１４を回収する回収管１９とが設けられている。供給管１８は、蓄熱タンク１２の中心軸と略平行に配置され、潜熱蓄熱材層１６中に熱媒油１４を吐出する下向きの吐出口２０が、長手方向に間隔をおいて多数形成されている。

蓄熱タンク１２内には、金属製（例えば、銅製）の伝熱板２１が設けられている。伝熱板２１は、図３に示すように、供給管１８から下向きに吐出された熱媒油１４と接触する位置から、蓄熱タンク１２の内面に沿って上方に延びており、その伝熱板２１を介して、供給管１８から潜熱蓄熱材層１６中に供給された熱媒油１４と、その熱媒油１４が通過しない領域２２の潜熱蓄熱材１３との間で熱交換を行なうようになっている。また、伝熱板２１は、熱媒油層１７に至るように設けられており、その伝熱板２１を介して、熱媒油１４が通過しない領域２２の潜熱蓄熱材１３と、熱媒油層１７中の熱媒油１４との間でも熱交換を行なうようになっている。伝熱板２１は、潜熱蓄熱材１３に対する接触面積が大きくなるように、蓄熱タンク１２の内面に対して直角となる姿勢で配置されている。

この蓄熱装置６に熱を蓄えるときは、蓄熱装置６の供給管１８と回収管１９を、熱源施設１の熱媒管４に接続し、その状態で循環ポンプ７を作動させ、蓄熱装置６と熱交換器５の間で熱媒油１４を循環させる。このとき、供給管１８から潜熱蓄熱材層１６中に熱媒油１４が吐出され、その熱媒油１４が、潜熱蓄熱材１３との比重差によって潜熱蓄熱材層１６中を上昇する。その上昇過程において、熱媒油１４が通過する領域２３の潜熱蓄熱材１３は、熱媒油１４と直接接触して熱を受け取り、固相から液相に変化する。また、熱媒油１４が通過しない領域２２の潜熱蓄熱材１３は、供給管１８から潜熱蓄熱材層１６中に吐出された熱媒油１４から、伝熱板２１を介して熱を受け取り、固相から液相に変化する。

一方、この蓄熱装置６から熱を取り出すときは、蓄熱装置６の供給管１８と回収管１９を、熱利用施設２の熱媒管９に接続し、その状態で循環ポンプ１１を作動させ、蓄熱装置６と熱交換器１０の間で熱媒油１４を循環させる。このとき、供給管１８から潜熱蓄熱材層１６中に熱媒油１４が吐出され、その熱媒油１４が、潜熱蓄熱材１３との比重差によって潜熱蓄熱材層１６中を上昇し、その上昇過程において、潜熱蓄熱材１３と直接接触して熱を受け取る。また、供給管１８から潜熱蓄熱材層１６中に吐出された熱媒油１４は、伝熱板２１を介して、熱媒油１４が通過しない領域２２の潜熱蓄熱材１３からも熱を受け取る。

このように、蓄熱装置６は、蓄熱タンク１２内に設けた伝熱板２１が、供給管１８から潜熱蓄熱材層１６中に吐出された熱媒油１４と、その熱媒油１４が通過しない領域２２の潜熱蓄熱材１３との間で熱交換を行なうので、熱媒油１４が通過しない領域２２の潜熱蓄熱材１３を蓄放熱させるのに必要な時間が短い。そのため、蓄熱タンク１２内の潜熱蓄熱材１３を、短時間で無駄なく利用することができる。

また、この蓄熱装置６は、伝熱板２１を介して、熱媒油１４が通過しない領域２２の潜熱蓄熱材１３と、熱媒油層１７中の熱媒油１４との間でも熱交換を行なうので、蓄放熱の効率が高い。

上記実施形態では、伝熱板２１は、蓄放熱の効率を高めるため、熱媒油層１７に至るように配置しているが、図４に示すように、熱媒油層１７に至らないように配置してもよい。

また、上記実施形態の伝熱板２１を設けるかわりに、図５に示すように、供給管１８から吐出された熱媒油１４と接触する位置に配置した銅板２４と、熱媒油１４が通過しない領域２２の潜熱蓄熱材１３の位置に配置した銅板２５とを、ヒートパイプ２６で連結し、そのヒートパイプ２６を介して、供給管１８から供給された熱媒油１４と、その熱媒油１４が通過しない領域２２の潜熱蓄熱材１３との間で熱交換が行われるようにしてもよい。

ここで、ヒートパイプ２６は、金属製のパイプ内に作動液を封入し、そのパイプ内を減圧したものであり、パイプ内の作動液の蒸発潜熱によって熱を吸収し、その蒸気がパイプ内を移動することにより熱を移動させ、その蒸気の凝縮潜熱によって熱を放出する。

また、上記実施形態の伝熱板２１を設けるかわりに、図６、図７に示すように、蓄熱タンク１２の内面に沿って分岐しながら上方に延びる金属製の伝熱体２７を、蓄熱タンク１２内に設け、その伝熱体２７を介して熱交換が行われるようにしてもよい。このようにすると、供給管１８から吐出された熱媒油１４の熱が分岐して伝達するので、供給管１８の吐出口２０の設置間隔が広い場合にも、潜熱蓄熱材１３を満遍なく蓄放熱させることができる。伝熱体２７の分岐部２７ａは、蓄熱タンク１２内における潜熱蓄熱材１３の移動を妨げないように、薄肉に形成すると好ましい。

また、上記実施形態の伝熱板２１を設けるかわりに、図８に示すように、蓄熱タンク１２内に銅線２８を垂らし、その銅線２８を介して、供給管１８から潜熱蓄熱材層１６中に供給された熱媒油１４と、その熱媒油１４が通過しない領域２２の潜熱蓄熱材１３との間で熱交換が行われるようにしてもよい。

この発明の実施形態の蓄熱装置を利用した熱搬送システムを示す図 図１に示す蓄熱装置の断面図 図２のIII−III線に沿った断面図 図３の蓄熱装置の変形例を示す断面図 図３の蓄熱装置の他の変形例を示す断面図 図３の蓄熱装置の更に他の変形例を示す断面図 図６のVII−VII線に沿った断面図 図３の蓄熱装置の更に他の変形例を示す断面図 従来の蓄熱装置を示す断面図

符号の説明

６ 蓄熱装置
１２ 蓄熱タンク
１３ 潜熱蓄熱材
１４ 熱媒油
１６ 潜熱蓄熱材層
１７ 熱媒油層
１８ 供給管
１９ 回収管
２１ 伝熱板
２２ 熱媒油が通過しない領域

Claims (2)

1. 潜熱蓄熱材（１３）とその潜熱蓄熱材（１３）よりも比重の小さい熱媒油（１４）とを上下二層に分離した状態で収容する蓄熱タンク（１２）と、その蓄熱タンク（１２）内の潜熱蓄熱材層（１６）中に熱媒油（１４）を供給する供給管（１８）と、前記蓄熱タンク（１２）内の熱媒油層（１７）から熱媒油（１４）を回収する回収管（１９）とを有し、前記供給管（１８）から潜熱蓄熱材層（１６）中に供給された熱媒油（１４）を潜熱蓄熱材（１３）に直接接触させて熱交換を行なう蓄熱装置（６）において、前記蓄熱タンク（１２）内に、前記供給管（１８）から潜熱蓄熱材層（１６）中に供給された熱媒油（１４）と、その熱媒油（１４）が通過しない領域（２２）の潜熱蓄熱材（１３）との間で熱交換を行なう伝熱部材（２１）を設けたことを特徴とする蓄熱装置。
2. 前記伝熱部材（２１）を、前記熱媒油層（１７）に至るように設けた請求項１に記載の蓄熱装置。

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