JP2010078177A - 蓄熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄熱運転時にエマルジョンが生じにくい蓄熱装置を提供する。
【解決手段】潜熱蓄熱材１３を収容する蓄熱タンク１２と、その蓄熱タンク１２内に水平に設けられ、熱媒油１４を吐出する多数の吐出口２０が形成された吐出管１７と、蓄熱タンク１２から熱媒油１４を回収する回収管１８とを有し、蓄熱タンク１２内の潜熱蓄熱材１３に熱媒油１４を直接接触させて熱交換する蓄熱装置４において、吐出口２０の吐出方向を下向きとし、吐出管１７の上を覆うように蓄熱タンク１２内を仕切る多孔板１９を設け、その多孔板１９の上に固相の潜熱蓄熱材１３ａが堆積するようにする。
【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。

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冷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、潜熱蓄熱材を収容する蓄熱タンクと、その蓄熱タンク内の潜熱蓄熱材中に熱媒油を吐出する吐出管と、蓄熱タンク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。

ここで、吐出管は、蓄熱タンク内の潜熱蓄熱材中に水平に設けられ、上向きの吐出口が多数形成されており、この吐出口から潜熱蓄熱材中に吐出された熱媒油が、潜熱蓄熱材と直接接触して熱交換を行なうようになっている。

潜熱蓄熱材は、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熱を排出する。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、エリスリトール、マンニトールが用いられる。
特開２００７−１４７０９３号公報

ところで、上記蓄熱装置は、放熱運転の間、吐出管から吐出された低温の熱媒油が液相の潜熱蓄熱材と熱交換することにより、潜熱蓄熱材の結晶が蓄熱タンク内に生成し、その結晶が凝集体となって降下し、吐出管に堆積していく。そのため、放熱運転が終了したときには、吐出管は固相の潜熱蓄熱材中にある状態となる。

その後、蓄熱運転を開始すると、吐出管から吐出される高温の熱媒油によって、吐出管の周りの潜熱蓄熱材が融解し、その融解した潜熱蓄熱材が、吐出圧力および速度をもった熱媒油で激しく撹拌される。この撹拌作用によって、上記蓄熱装置は、蓄熱タンク内にエマルジョン（すなわち、液相の潜熱蓄熱材中に熱媒油の微粒子が分散したもの、あるいは熱媒油中に液相の潜熱蓄熱材の微粒子が分散したもの）を生じやすかった。

このように、蓄熱タンク内にエマルジョンが生じると、そのエマルジョンが回収管で回収する熱媒油に混入し、蓄熱タンクから流出するおそれがある。蓄熱タンクからエマルジョンが流出すると、そのエマルジョン中の潜熱蓄熱材が蓄熱タンク外の配管内で冷却されて固相となり、その潜熱蓄熱材が配管の内面に付着して配管を閉塞する。いったん配管が閉塞すると、配管内に熱媒油を流すことができないので、配管内の潜熱蓄熱材を液相に戻すのは難しく、配管内の潜熱蓄熱材を取り除くのは容易でない。

この発明が解決しようとする課題は、蓄熱運転時にエマルジョンが生じにくい蓄熱装置を提供することである。

上記課題を解決するために、潜熱蓄熱材を収容する蓄熱タンクと、その蓄熱タンク内に水平に設けられ、熱媒油を吐出する多数の吐出口が形成された吐出管と、前記蓄熱タンクから熱媒油を回収する回収管とを有し、蓄熱タンク内の潜熱蓄熱材に熱媒油を直接接触させて熱交換する蓄熱装置において、前記吐出口の吐出方向を下向きとし、前記吐出管の上を覆うように蓄熱タンク内を仕切るスクリーンを設け、そのスクリーンの上に固相の潜熱蓄熱材が堆積するようにした。

このようにすると、放熱運転の間、吐出管から吐出された低温の熱媒油と熱交換して生成した固相の潜熱蓄熱材が、吐出管の上を覆うように設けられたスクリーンで受け止められて堆積するので、放熱運転が終了したときには、吐出管が熱媒油中にある状態となる。その後、蓄熱運転を開始すると、吐出管から吐出される高温の熱媒油が、吐出管の周りの熱媒油と混ざって吐出圧力および速度が緩和された後に、スクリーンを通って潜熱蓄熱材と接触する。そのため、潜熱蓄熱材に対する熱媒油の接触が穏やかであり、エマルジョンが生じにくい。スクリーンとしては、例えば、多孔板、金網、エキスパンドメタル等を採用することができる。

また、吐出口の吐出方向が下向きなので、吐出管から吐出された熱媒油の流れは、蓄熱タンクの下部壁面に衝突して拡散し、その拡散によっても勢いを失う。そのため、潜熱蓄熱材に対する熱媒油の接触が穏やかであり、エマルジョンが生じにくい。

この発明の蓄熱装置は、蓄熱運転時に、吐出管から吐出される高温の熱媒油が、吐出管の周りの熱媒油と混ざって吐出圧力および速度が緩和された後に潜熱蓄熱材と接触するので、潜熱蓄熱材に対する熱媒油の接触が穏やかであり、エマルジョンが生じにくい。

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、熱源施設１で生じる廃熱媒体（たとえば温水や蒸気）が流れる廃熱管３と、この発明の実施形態の蓄熱装置４に着脱可能に接続される熱媒管５と、廃熱管３と熱媒管５の間で熱交換を行なう熱交換器６とが設けられており、熱媒管５に蓄熱装置４を接続した状態で循環ポンプ７を作動させることによって、熱媒管５内の熱媒油が蓄熱装置４と熱交換器６の間で循環可能となっている。このとき、廃熱管３を流れる廃熱媒体から熱媒管５を流れる熱媒油に熱が伝達され、その熱媒油の熱が蓄熱装置４に蓄熱される。

また、この熱搬送システムは、熱利用施設２側に、熱利用媒体（たとえば暖房用水や給湯用水）が流れる熱利用管８と、蓄熱装置４に着脱可能に接続される熱媒管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とが設けられており、熱媒管９に蓄熱装置４を接続した状態で循環ポンプ１１を作動させることによって、熱媒管９内の熱媒油が蓄熱装置４と熱交換器１０の間で循環可能となっている。このとき、熱媒管９を流れる熱媒油から熱利用管８を流れる給湯用水や暖房用水に熱が伝達され、その熱によって給湯や冷暖房が行なわれる。

この熱搬送システムは、上述したように、熱源施設１と熱利用施設２の間で、蓄熱装置４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ものである。

図２、図３に示すように、蓄熱装置４は、中心軸を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内には、潜熱蓄熱材１３と、潜熱蓄熱材１３よりも比重の小さい熱媒油１４とが収容されている。潜熱蓄熱材１３と熱媒油１４は、その比重差によって上下二層に分離し、熱媒油層１５と潜熱蓄熱材層１６とを形成している。

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熱を排出する。このような潜熱蓄熱材１３として、例えば、酢酸ナトリウム三水和物、エリスリトール、マンニトールなどを用いることができる。

また、蓄熱装置４は、蓄熱タンク１２内に熱媒油１４を吐出する吐出管１７と、蓄熱タンク１２から熱媒油１４を回収する回収管１８と、吐出管１７の上を覆うように蓄熱タンク１２内を仕切る多孔板１９とを有する。

吐出管１７は、蓄熱タンク１２内の潜熱蓄熱材層１６中に水平に設けられている。また、吐出管１７には、蓄熱タンク１２の外側から供給された熱媒油１４を潜熱蓄熱材層１６中に吐出する下向きの吐出口２０が、吐出管１７の長手方向に沿って多数形成されている。

回収管１８は、蓄熱タンク１２内の熱媒油層１５中に水平に設けられ、熱媒油層１５中に開口する上向きの吸入口２１が多数形成されている。吸入口２１から吸入された熱媒油１４は、回収管１８内を通って蓄熱タンク１２の外側に回収される。

多孔板１９は、蓄熱タンク１２内を上下に仕切る水平平板状に形成され、その全面にわたって多数の貫通孔が形成されている。潜熱蓄熱材１３として酢酸ナトリウム三水和物を用いる場合、各貫通孔の直径は６ｍｍ以下に設定する。

この蓄熱装置４を放熱運転するときは、図１の下側に示すように、吐出管１７と回収管１８に熱利用施設２の熱媒管９を接続し、その状態で循環ポンプ１１を作動させ、蓄熱装置４と熱交換器１０の間で熱媒油１４を循環させる。

このとき、図３、図４に示すように、熱媒管９から吐出管１７内に送り込まれた低温の熱媒油１４は、吐出管１７を通って潜熱蓄熱材層１６中に吐出され、多孔板１９の下側に溜まった熱媒油１４は、吐出管１７から吐出される熱媒油１４の圧力により多孔板１９を通って多孔板１９の上側に送り出される。また、多孔板１９の下側に溜まった液相の潜熱蓄熱材１３も、吐出管１７から吐出される熱媒油１４の圧力により多孔板１９を通って多孔板１９の上側に送り出される。

多孔板１９を通って多孔板１９の上側に送り出された熱媒油１４は、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と直接接触して熱交換する。この熱交換によって潜熱蓄熱材１３の結晶が生成し、その結晶が凝集して凝集体１３ａを形成する。一定の大きさとなった凝集体１３ａは、蓄熱タンク１２内を降下して、多孔板１９に受け止められて堆積する。そのため、放熱運転が終了したときには、吐出管１７は熱媒油１４中にある状態となる。

一方、この蓄熱装置４を蓄熱運転するときは、図１の上側に示すように、吐出管１７と回収管１８に熱源施設１の熱媒管５を接続し、その状態で循環ポンプ７を作動させ、蓄熱装置４と熱交換器６の間で熱媒油１４を循環させる。

このとき、図５に示すように、熱媒管５から吐出管１７内に送り込まれた高温の熱媒油１４は、吐出管１７の周りに溜まった熱媒油１４中に吐出され、その熱媒油１４と混ざって勢いを失った後に、多孔板１９を通って多孔板１９の上側に送り出される。また、吐出管１７から吐出された熱媒油１４の流れは、蓄熱タンク１２の下部壁面に衝突して拡散し、その拡散によっても勢いを失う。

多孔板１９を通って多孔板１９の上側に送り出された熱媒油１４は、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。この上昇過程において、潜熱蓄熱材層１６中の潜熱蓄熱材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。

以上のように、この蓄熱装置４は、蓄熱運転時に、吐出管１７から吐出される高温の熱媒油１４が、吐出管１７の周りの熱媒油１４と混ざって吐出圧力および速度が緩和された後に潜熱蓄熱材１３と接触するので、潜熱蓄熱材１３に対する熱媒油１４の接触が穏やかであり、エマルジョンが生じにくい。

また、この蓄熱装置４は、吐出口２０の吐出方向が下向きなので、吐出管１７から吐出された熱媒油１４の流れは蓄熱タンク１２の下部壁面に衝突して拡散し、その拡散によっても勢いを失う。そのため、潜熱蓄熱材１３に対する熱媒油１４の接触が穏やかであり、エマルジョンが生じにくい。ここで、図では、吐出口２０の吐出方向が真下であるが、吐出口２０の吐出方向は斜め下向きとしてもよい。

また、この蓄熱装置４は、吐出管１７から吐出された熱媒油１４が、多孔板１９の全面から蓄熱タンク１２の全体に分散して潜熱蓄熱材１３に接触するので、潜熱蓄熱材１３に対する熱媒油１４の接触が穏やかであり、エマルジョンが生じにくい。

多孔板１９は、一般構造用圧延鋼やステンレス鋼で形成してもよいが、銅などの高熱伝導性材料で形成すると好ましい。このようにすると、熱媒油１４と潜熱蓄熱材１３の間での熱交換が多孔板１９を介しても行なわれるので、蓄放熱の効率が高くなる。

この実施形態で示すように、吐出管１７の上を覆うように蓄熱タンク１２内を仕切るスクリーンとして、水平平板状の多孔板１９を採用すると、熱媒油１４が吐出管１７から吐出されてから多孔板１９に達するまでの距離が長いので、熱媒油１４の吐出圧力および速度をより確実に緩和することができるが、吐出管１７の上を覆うように蓄熱タンク１２内を仕切るスクリーンとして、図６に示すように断面山形に形成された多孔板２２や、図７に示すように断面円弧状に形成された多孔板２３を採用してもよい。このような多孔板２２，２３を採用すると、吐出管１７の周りに溜まる熱媒油１４の量が少なくなるので、その分、蓄熱タンク１２内の潜熱蓄熱材１３の量を増すことができる。また、蓄熱タンク１２内への多孔板２２，２３の搬入作業がしやすいので、水平平板状の多孔板１９を採用する場合よりも施工しやすく、低コストである。

上記実施形態では、吐出管１７の上を覆うスクリーンとして多孔板１９を採用したが、多孔板１９にかえて、金網やエキスパンドメタル等を採用してもよい。要は、熱媒油１４が通過し、固相の潜熱蓄熱材１３が堆積するものであればよい。

また、上記実施形態では、熱源施設１の廃熱を熱利用施設２で利用可能とする熱搬送システムを例に挙げて蓄熱装置４を説明したが、この発明の蓄熱装置４は、太陽熱、地熱などの自然エネルギーを熱利用施設２で利用可能とする熱搬送システムでも使用することができる。

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１に示す蓄熱装置の放熱運転時の状態を示す断面図 図２のIV−IV線に沿った断面図 図１に示す蓄熱装置の蓄熱運転時の状態を示す断面図 図５に示す蓄熱装置の変形例を示す断面図 図５に示す蓄熱装置の他の変形例を示す断面図

符号の説明

４ 蓄熱装置
１２ 蓄熱タンク
１３ 潜熱蓄熱材
１３ａ 凝集体
１４ 熱媒油
１７ 吐出管
１８ 回収管
１９ 多孔板
２０ 吐出口
２２，２３ 多孔板

Claims (1)

1. 潜熱蓄熱材（１３）を収容する蓄熱タンク（１２）と、その蓄熱タンク（１２）内に水平に設けられ、熱媒油（１４）を吐出する多数の吐出口（２０）が形成された吐出管（１７）と、前記蓄熱タンク（１２）から熱媒油（１４）を回収する回収管（１８）とを有し、蓄熱タンク（１２）内の潜熱蓄熱材（１３）に熱媒油（１４）を直接接触させて熱交換する蓄熱装置（４）において、
   前記吐出口（２０）の吐出方向を下向きとし、前記吐出管（１７）の上を覆うように蓄熱タンク（１２）内を仕切るスクリーン（１９）を設け、そのスクリーン（１９）の上に固相の潜熱蓄熱材（１３ａ）が堆積するようにしたことを特徴とする蓄熱装置。

Images