JP2010249412A - Heat storage device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、反応媒体との可逆反応により蓄放熱を行う蓄熱剤を備えた蓄熱装置に関する。 The present invention relates to a heat storage device including a heat storage agent that stores and releases heat by a reversible reaction with a reaction medium.
従来、Ca(OH)2脱水/CaO加水反応等の固気反応を用いた化学蓄熱システムが知られている(例えば、特許文献1参照)。この化学蓄熱システムは、反応媒体(H2O)を貯蔵しておくための媒体容器と、反応媒体との可逆反応により蓄放熱を行う蓄熱剤(CaO)を備えた反応器とを有している。媒体容器と反応器との間は、媒体容器から反応器に反応媒体を供給する供給管と、反応器から媒体容器に反応媒体を還流させる還流管とを介して接続されている。反応器は、円管状の熱交換壁を備えた円管型熱交換器を有している。円管型熱交換器の熱交換壁の内側には、内壁面に接するように蓄熱剤が充填されており、熱交換壁の外側には、外側を流通する熱交換流体(排ガス)との伝熱面積を拡大させるフィンが設けられている。これらの構成により、CaOが加水反応して発生する熱が排ガスに供給され得る(CaO+H2O→Ca(OH)2、放熱プロセス)。また、排ガスからの熱がCa(OH)2に供給されて蓄熱剤が再生し得る(Ca(OH)2→CaO+H2O、蓄熱プロセス)。 Conventionally, a chemical heat storage system using a solid-gas reaction such as Ca (OH) 2 dehydration / CaO addition reaction is known (for example, see Patent Document 1). This chemical heat storage system includes a medium container for storing a reaction medium (H 2 O), and a reactor including a heat storage agent (CaO) that stores and releases heat by a reversible reaction with the reaction medium. Yes. The medium container and the reactor are connected via a supply pipe for supplying the reaction medium from the medium container to the reactor and a reflux pipe for refluxing the reaction medium from the reactor to the medium container. The reactor has a tubular heat exchanger with a tubular heat exchange wall. The inside of the heat exchange wall of the circular tube heat exchanger is filled with a heat storage agent so as to be in contact with the inner wall surface, and the outside of the heat exchange wall is transferred to the heat exchange fluid (exhaust gas) flowing outside. Fins are provided to increase the thermal area. With these configurations, heat generated by the hydrolysis reaction of CaO can be supplied to the exhaust gas (CaO + H 2 O → Ca (OH) 2 , heat dissipation process). Further, heat from the exhaust gas is supplied to Ca (OH) 2 to regenerate the heat storage agent (Ca (OH) 2 → CaO + H 2 O, heat storage process).
ところで、上記のような反応器においては、熱交換壁に囲まれた空間に蓄熱剤粒子が充填されて充填層が形成されている場合が多い。この場合、反応媒体として水蒸気が用いられるとき、水蒸気が充填層内を移動する際の抵抗が大きくなる。また、蓄熱剤粒子と熱交換壁との間の伝熱抵抗も大きくなる。このため、充填層において反応が十分に進行しない部分が発生したり、充填層内部で熱的な分布が発生したりするという問題がある。 By the way, in the reactor as described above, the space surrounded by the heat exchange walls is often filled with the heat storage agent particles to form a packed bed. In this case, when water vapor is used as the reaction medium, resistance when the water vapor moves in the packed bed is increased. Moreover, the heat transfer resistance between the heat storage agent particles and the heat exchange wall is also increased. For this reason, there is a problem that a portion where the reaction does not sufficiently proceed occurs in the packed bed or a thermal distribution occurs inside the packed bed.
本発明の目的は、充填層の未反応部分を縮小でき、充填層内部での熱的な分布を緩和できる蓄熱装置を提供することにある。 The objective of this invention is providing the thermal storage apparatus which can reduce the unreacted part of a packed bed, and can ease the thermal distribution inside a packed bed.
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。 In order to achieve the above object, the present invention employs the following technical means.
請求項1に記載の発明は、気体を反応媒体とし、当該反応媒体と可逆反応可能な金属酸化物で構成される蓄熱剤粒子(43)が充填された充填層(40)と、充填層(40)の表面から充填層(40)の内部に向かって形成され、外部から供給される反応媒体を充填層(40)の内部に導入し、充填層(40)の内部から導出される反応媒体を外部に放出する内部流通路(41、42)と、充填層(40)及び内部流通路(41、42)からは空間的に隔離され、熱交換流体を流通させる流体流路(31)と、充填層(40)と熱交換が行われる第1熱交換面(30c)と、熱交換流体と熱交換が行われる第2熱交換面(30d)とを備え、第1及び第2熱交換面(30c、30d)を介して充填層(40)と熱交換流体との間で熱を伝達させる熱交換部(30)とを有し、内部流通路(41、42)は、充填層(40)の表面から奥に向かって次第に狭くなるように形成されていることを特徴とする蓄熱装置である。 The invention described in claim 1 includes a packed bed (40) filled with heat storage agent particles (43) composed of a metal oxide capable of reversibly reacting with a gas as a reaction medium, and a packed bed ( The reaction medium formed from the surface of 40) toward the inside of the packed bed (40) and introduced from the outside into the packed bed (40) and led out from the packed bed (40) An internal flow passage (41, 42) that discharges the water to the outside, and a fluid flow path (31) that is spatially isolated from the packed bed (40) and the internal flow passage (41, 42) and that circulates the heat exchange fluid. A first heat exchange surface (30c) for heat exchange with the packed bed (40) and a second heat exchange surface (30d) for heat exchange with the heat exchange fluid, and the first and second heat exchange Heat is transferred between the packed bed (40) and the heat exchange fluid via the faces (30c, 30d). And the internal flow passages (41, 42) are formed so as to gradually narrow from the surface of the packed bed (40) toward the back. It is.
この発明によると、外部から供給される反応媒体は、主に内部流通路(41、42)を介して充填層(40)内部に導かれ、充填層(40)の全体に拡散する。内部流通路(41、42)は、充填層(40)の表面から奥に向かって次第に狭くなるように形成されているため、内部流通路(41、42)内を流通する反応媒体の流速は奥に向かうほど大きくなる。これにより、反応媒体の拡散律速が緩和されるので、充填層(40)において反応媒体をより効果的に拡散させることができる。したがって、充填層(40)の未反応部分を縮小できるため、充填層(40)内部での熱的な分布を緩和できる。 According to the present invention, the reaction medium supplied from the outside is led into the packed bed (40) mainly through the internal flow passages (41, 42), and diffuses throughout the packed bed (40). Since the internal flow passages (41, 42) are formed so as to gradually narrow from the surface of the packed bed (40) toward the back, the flow velocity of the reaction medium flowing in the internal flow passages (41, 42) is It gets bigger as you go deeper. Thereby, since the diffusion control of the reaction medium is relaxed, the reaction medium can be more effectively diffused in the packed bed (40). Therefore, since the unreacted part of the packed bed (40) can be reduced, the thermal distribution inside the packed bed (40) can be relaxed.
請求項2に記載の発明は、充填層(40)は、互いに焼結結合されているとともに第1熱交換面(30c)と焼結結合され、蓄熱剤粒子(43)を保持する金属粒子(44)又は金属繊維(45)をさらに有していることを特徴としている。 In the invention according to claim 2, the packed bed (40) is sintered and bonded to the first heat exchange surface (30c), and the metal particles (43) holding the heat storage agent particles (43). 44) or metal fibers (45).
金属粒子(44)又は金属繊維(45)が充填層(40)内に混在することによって、充填層(40)の隅々に亘って熱的なネットワークが形成され得る。したがって、充填層(40)内部での熱的な分布をさらに緩和でき、充填層(40)の未反応部分をさらに縮小できる。また、蓄熱剤粒子(43)が金属粒子(44)又は金属繊維(45)によって保持されるため、内部流通路(41、42)を精度良く形成することができるとともに、形成された内部流通路(41、42)の形状を維持することができる。 By mixing the metal particles (44) or the metal fibers (45) in the packed bed (40), a thermal network can be formed across the packed bed (40). Therefore, the thermal distribution inside the packed bed (40) can be further relaxed, and the unreacted portion of the packed bed (40) can be further reduced. Further, since the heat storage agent particles (43) are held by the metal particles (44) or the metal fibers (45), the internal flow passages (41, 42) can be formed with high accuracy, and the formed internal flow passages. The shape of (41, 42) can be maintained.
請求項3に記載の発明は、充填層(40)は、第1熱交換面(30c)からの距離が遠くなるほど、蓄熱剤粒子(43)の重量に対する金属粒子(44)又は金属繊維(45)の重量の割合がより低くなるように構成されていることを特徴としている。 According to the third aspect of the present invention, in the packed bed (40), as the distance from the first heat exchange surface (30c) increases, the metal particles (44) or the metal fibers (45) with respect to the weight of the heat storage agent particles (43). ) Is configured such that the weight ratio is lower.
これにより、充填層(40)における金属粒子(44)又は金属繊維(45)の重量の割合を第1熱交換面(30c)からの距離が近くなるほど高くすることができる。したがって、充填層(40)と第1熱交換面(30c)とを確実に接合することができるとともに、充填層(40)と第1熱交換面(30c)との間の伝熱抵抗を低減できる。 Thereby, the ratio of the weight of the metal particles (44) or the metal fibers (45) in the packed bed (40) can be increased as the distance from the first heat exchange surface (30c) becomes closer. Therefore, the packed bed (40) and the first heat exchange surface (30c) can be reliably bonded, and the heat transfer resistance between the packed bed (40) and the first heat exchange surface (30c) is reduced. it can.
請求項4に記載の発明は、充填層(40)は、第1熱交換面(30c)からの距離が遠くなるほど、金属粒子(44)のアスペクト比がより大きくなるように構成されていることを特徴としている。 The invention according to claim 4 is configured such that the packed bed (40) has a larger aspect ratio of the metal particles (44) as the distance from the first heat exchange surface (30c) increases. It is characterized by.
充填される金属粒子(44)のアスペクト比が大きくなるほど空隙を大きくとることができるため、充填層(40)の空隙率を第1熱交換面(30c)からの距離が遠くなるほど高くすることができる。これにより、反応媒体が内部流通路(41、42)から充填層(40)内に浸透するときの移動抵抗を、反応媒体の流量が多い内部流通路(41、42)側ほど低くすることができる。したがって、反応媒体を充填層(40)全体に効果的に拡散させることができる。 Since the void can be made larger as the aspect ratio of the metal particles (44) to be filled becomes larger, the porosity of the packed layer (40) can be made higher as the distance from the first heat exchange surface (30c) becomes longer. it can. Thereby, the movement resistance when the reaction medium permeates into the packed bed (40) from the internal flow path (41, 42) can be lowered toward the internal flow path (41, 42) where the flow rate of the reaction medium is large. it can. Therefore, the reaction medium can be effectively diffused throughout the packed bed (40).
請求項5に記載の発明は、充填層(40)は、第1熱交換面(30c)からの距離が遠くなるほど、金属粒子(44)の粒子間距離がより大きくなるように構成されていることを特徴としている。 In the invention according to claim 5, the packed bed (40) is configured such that the distance between the particles of the metal particles (44) becomes larger as the distance from the first heat exchange surface (30c) increases. It is characterized by that.
充填される金属粒子(44)の粒子間距離が大きくなるほど空隙を大きくとることができるため、充填層(40)の空隙率を第1熱交換面(30c)からの距離が遠くなるほど高くすることができる。これにより、反応媒体が内部流通路(41、42)から充填層(40)内に浸透するときの移動抵抗を、反応媒体の流量が多い内部流通路(41、42)側ほど低くすることができる。したがって、反応媒体を充填層(40)全体に効果的に拡散させることができる。 Since the voids can be made larger as the interparticle distance of the metal particles (44) to be filled becomes larger, the porosity of the packed layer (40) should be made higher as the distance from the first heat exchange surface (30c) becomes longer. Can do. Thereby, the movement resistance when the reaction medium permeates into the packed bed (40) from the internal flow path (41, 42) can be lowered toward the internal flow path (41, 42) where the flow rate of the reaction medium is large. it can. Therefore, the reaction medium can be effectively diffused throughout the packed bed (40).
請求項6に記載の発明は、充填層(40)は、第1熱交換面(30c)からの距離が遠くなるほど、蓄熱剤粒子(43)の粒子径がより大きくなるように構成されていることを特徴としている。 In the invention according to claim 6, the packed bed (40) is configured such that the particle diameter of the heat storage agent particles (43) becomes larger as the distance from the first heat exchange surface (30c) increases. It is characterized by that.
充填される蓄熱剤粒子(43)の粒子径が大きくなるほど空隙を大きくとることができるため、充填層(40)の空隙率を第1熱交換面(30c)からの距離が遠くなるほど高くすることができる。これにより、反応媒体が内部流通路(41、42)から充填層(40)内に浸透するときの移動抵抗を、反応媒体の流量が多い内部流通路(41、42)側ほど低くすることができる。したがって、反応媒体を充填層(40)全体に効果的に拡散させることができる。 Since the voids can be made larger as the particle diameter of the heat storage agent particles (43) to be filled becomes larger, the porosity of the packed bed (40) should be increased as the distance from the first heat exchange surface (30c) becomes longer. Can do. Thereby, the movement resistance when the reaction medium permeates into the packed bed (40) from the internal flow path (41, 42) can be lowered toward the internal flow path (41, 42) where the flow rate of the reaction medium is large. it can. Therefore, the reaction medium can be effectively diffused throughout the packed bed (40).
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係の一例を示している。 In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each said means has shown an example of the corresponding relationship with the specific means as described in embodiment mentioned later.
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について図1乃至図4を用いて説明する。図1は、本実施形態における蓄熱装置1の構成を示す模式図である。図2は、図1のII−II線での断面図である。図1及び図2に示すように、蓄熱装置1は、容器体を構成する外側ケース10と、外側ケース10内に格納された平板状の蓄熱コア20とを有している。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a heat storage device 1 according to the present embodiment. 2 is a cross-sectional view taken along line II-II in FIG. As shown in FIG.1 and FIG.2, the thermal storage apparatus 1 has the
外側ケース10には、反応媒体を流出入させる流出入口11が設けられている。外側ケース10の内部には、流出入口11を介して不図示の反応媒体容器から反応媒体が流入し、また、流出入口11を介して反応媒体容器に反応媒体が流出するようになっている。
The
蓄熱コア20は、一対のヘッダタンク21、22と、両ヘッダタンク21、22に挟まれたコア部23とを有している。一方のヘッダタンク21の内部空間は、長手方向中央部に設けられたセパレータ24によって分離されている。これによりヘッダタンク21は、入口タンク部25と出口タンク部26とに分けられている。入口タンク部25には、蓄熱剤との熱交換対象となる熱交換流体を外部から流入させる流入口27が設けられている。出口タンク部26には、熱交換流体を外部に流出させる流出口28が設けられている。流入口27及び流出口28は、いずれも外側ケース10を貫通して外側に延びている。
The
コア部23は、両ヘッダタンク21、22に両端が接続された複数の扁平チューブ30を有している(図1及び図2では6本の扁平チューブ30を示している)。扁平チューブ30は金属製であり、例えばCu製である。扁平チューブ30の内部には、熱交換流体を流通させる流体流路31が形成されている。ほぼ半数(図1及び図2では3本)の扁平チューブ30aの流体流路31は、ヘッダタンク21の入口タンク部25とヘッダタンク22との間を連通させている。残りの扁平チューブ30bの流体流路31は、ヘッダタンク21の出口タンク部26とヘッダタンク22との間を連通させている。これにより、熱交換流体は、外部から流入口27を介して入口タンク部25に流入し、扁平チューブ30aの流体流路31を流通してヘッダタンク22に流入する。ヘッダタンク22に流入した熱交換流体は、扁平チューブ30bの流体流路31を流通して出口ヘッダ部26に流入し、流出口28を介して外部に流出するようになっている。
The
隣り合う扁平チューブ30において互いに対向する扁平面間の間隙には、それぞれ充填層40が形成されている。これによりコア部23は、扁平チューブ30と充填層40とが交互に積層された構成となっている。充填層40は、蓄熱剤粒子と金属粒子とを混合した混合粒子が充填されることにより形成されている。金属粒子は、扁平チューブ30と同じ又は同等の金属により構成されることが望ましい。ここで、同等の金属とは、単一金属とその金属を成分として含む合金との関係にあるか、又は主成分が同一の合金同士の関係にあることをいう。各充填層40は、両側に隣接する扁平チューブ30の管壁(熱交換壁)に対して熱的に接続されている。また各充填層40は、扁平チューブ30の管壁によって流体流路31から空間的に隔離されている。
Filled layers 40 are formed in the gaps between the flat surfaces facing each other in the adjacent
蓄熱剤粒子は、気体(例えばH2O)を反応媒体とし、当該反応媒体との可逆反応によって蓄放熱を行う金属酸化物により構成されている。この金属酸化物では、比較的低温時においては化学反応式(1)で表される発熱反応が進行し、比較的高温時においては化学反応式(2)で表される吸熱反応が進行する。なお、式中の(s)は固相を表し、(g)は気相を表す。
XO(s)+H2O(g)→X(OH)2(s)+Q(発熱) ・・・(1)
X(OH)2(s)→XO(s)+H2O(g)−Q(吸熱) ・・・(2)
充填層40には、コア部23の一方の表面23a側から内部に向かって延びる内部流通路41と、他方の表面23b側から内部流通路41と向き合って内部に向かって延びる内部流通路42とが形成されている。内部流通路41、42はいずれも、隣り合う扁平チューブ30の互いに対向する扁平面間のほぼ中心であって各扁平面とほぼ平行な面内に位置している。内部流通路41、42は、充填層40表面の入口から奥(末端)に向かって次第に狭くなるように、断面V字状に形成されている。内部流通路41、42の末端同士は互いに対向している。発熱反応時には、外部から供給される反応媒体が主に内部流通路41、42を介して充填層40内部に導入され、吸熱反応時には、充填層40内部から導出される反応媒体が主に内部流通路41、42を介して外部に放出されるようになっている。
The heat storage agent particles are made of a metal oxide that stores and releases heat by using a gas (for example, H 2 O) as a reaction medium and performing a reversible reaction with the reaction medium. In this metal oxide, an exothermic reaction represented by chemical reaction formula (1) proceeds at a relatively low temperature, and an endothermic reaction represented by chemical reaction formula (2) proceeds at a relatively high temperature. In the formula, (s) represents a solid phase, and (g) represents a gas phase.
XO (s) + H 2 O (g) → X (OH) 2 (s) + Q (exotherm) (1)
X (OH) 2 (s) → XO (s) + H 2 O (g) −Q (endothermic) (2)
The packed
ここで、内部流通路41、42は、図1の上下方向において連続して形成されていてもよい。この場合、内部流通路41、42は、図1の上下方向に延びる断面V字状の溝形状(くさび状)に形成される。また内部流通路41、42は、図1の上下方向において所定間隔で配列する複数の穴であってもよい。この場合、複数の内部流通路41、42のそれぞれは、例えば円錐状又は角錐状の形状を有する。
Here, the
充填層40及び内部流通路41、42の形成手順の一例としては、まず、蓄熱剤粒子43と金属粒子44を混合した混合粒子を扁平チューブ30間の間隙に充填し、金属粒子44同士及び金属粒子44と扁平チューブ30との間を焼結結合させて充填層40を形成し、その後、充填層40に削り出し加工を施して、先細り形状の内部流通路41、42を形成する。
As an example of the formation procedure of the packed
図3は、蓄熱コア20の扁平チューブ30管壁付近の模式的な拡大断面図である。充填層40に熱的に接続される扁平チューブ30の外壁面30cは、充填層40と熱交換が行われる第1熱交換面となっている。一方、扁平チューブ30の流体流路31に面する内壁面30dは、熱交換流体と熱交換が行われる第2熱交換面となっている。扁平チューブ30は、外壁面30c及び内壁面30dを介して充填層40と熱交換流体との間で熱を伝達させる熱交換部として機能する。
FIG. 3 is a schematic enlarged sectional view of the vicinity of the tube wall of the
充填層40は、複数の蓄熱剤粒子43と複数の金属粒子44とにより構成されている。互いに隣接する金属粒子44同士は、焼結により比較的強固に結合されている。また、扁平チューブ30の外壁面30c近傍の金属粒子44は、外壁面30cに対して焼結により比較的強固に結合されている。これにより、充填層40の隅々に亘って熱的ネットワークが形成される。蓄熱剤粒子43は、周囲の金属粒子44に囲まれて保持されている。
The packed
外部から供給される反応媒体は、主に、移動抵抗の比較的低い内部流通路41、42を介して充填層40内に導入され、その後、移動抵抗がそれより高い粒子間の空隙を通って充填層40全体に拡散する。本実施形態では、内部流通路41、42が扁平チューブ30の外壁面30cに平行な面内に形成されているため、粒子間の空隙を通って拡散する反応媒体は、図3に示すように概ね外壁面30cに交差する方向に流通することになる。
The reaction medium supplied from the outside is mainly introduced into the packed
次に、本実施形態における蓄熱装置の動作について説明する。まず、比較的低温の熱交換流体を加熱するために行われる放熱プロセスについて説明する。放熱プロセスでは、反応媒体容器から外側ケース10内に反応媒体が供給される。外側ケース10内に供給された反応媒体は、まず、移動抵抗の比較的低い内部流通路41、42を主に通って充填層40の内部に導入される。その後、内部流通路41、42内の反応媒体は、蓄熱剤粒子43や金属粒子44の粒子間の空隙を通り、主に内部流通路41、42から扁平チューブ30の外壁面30cに向かう方向に拡散する。これにより、反応媒体が充填層40の全体に浸透する。
Next, operation | movement of the thermal storage apparatus in this embodiment is demonstrated. First, a heat dissipation process performed to heat a relatively low temperature heat exchange fluid will be described. In the heat dissipation process, the reaction medium is supplied from the reaction medium container into the
充填層40内の各蓄熱剤粒子43では、反応媒体が供給されることによって化学反応式(1)に示した発熱反応が進行する。各蓄熱剤粒子43で発生した反応熱は、金属粒子44により形成される熱的ネットワークを介して、扁平チューブ30に伝達される。扁平チューブ30に伝達された熱は、扁平チューブ30内の流体流路31を流通する熱交換流体に伝達される。これにより、扁平チューブ30を介して充填層40と熱交換流体との熱交換が行われ、蓄熱剤の反応熱によって熱交換流体が加熱される。
In each heat
次に、蓄熱剤を再生するために行われる蓄熱プロセスについて説明する。蓄熱プロセスでは、比較的高温の熱交換流体からの熱が扁平チューブ30に伝達され、金属粒子44により形成される熱的ネットワークを介して充填層40全体に供給される。蓄熱剤粒子43では、供給された熱を用いて化学反応式(2)に示した吸熱反応が進行する。これにより、蓄熱剤の再生が行われる。吸熱反応により蓄熱剤粒子43から放出された反応媒体は、充填層40内の粒子間の空隙及び内部流通路41、42を通って蓄熱コア20から放出される。
Next, the heat storage process performed in order to reproduce | regenerate a heat storage agent is demonstrated. In the heat storage process, heat from a relatively high temperature heat exchange fluid is transferred to the
本実施形態では、充填層40の表面から内部に向かって内部流通路41、42が形成されている。例えば放熱プロセスにおいて、外部から供給される反応媒体は、主に内部流通路41、42を通って充填層40内部に導かれ、その後、粒子間の空隙を通って内部流通路41、42から扁平チューブ30の外壁面30cに向かう方向に拡散する。充填層40内に充填されている蓄熱剤粒子43は、反応媒体の拡散に伴い、充填層40の表面側から内部に向かって、また内部流通路41、42側から外壁面30cに向かって逐次反応していく。内部流通路41、42は、充填層40表面の入口から奥に向かって次第に狭くなるように形成されているため、内部流通路41、42内を流通する反応媒体の流速を奥に向かうほど大きくすることができる。これにより、反応媒体の拡散律速が緩和されるので、充填層40において反応媒体をより効果的に拡散させることができる。したがって、充填層40の未反応部分を縮小できるため、充填層40内部での熱的な分布を緩和できる。
In the present embodiment,
また本実施形態では、金属粒子44の存在により、扁平チューブ30から充填層40の隅々に亘って熱的なネットワークが形成される。これにより、充填層40内の熱移動が促進されるため、放熱プロセスにおいては充填層40から速やかに熱を除熱することができ、蓄熱プロセスにおいては充填層40全体に速やかに熱を行き渡らせることができる。この結果、充填層40全体の熱的な分布をさらに緩和でき、充填層40の未反応部分をさらに縮小できる。
In the present embodiment, the presence of the
さらに本実施形態では、互いに焼結結合された金属粒子44の存在により、蓄熱剤粒子43が良好に固定され得る。したがって、金属粒子44が混合されず蓄熱剤粒子43のみが充填された充填層と比較して、充填層40の形状をより容易に加工できる。したがって、内部流通路41、42の先細り形状を精度良く形成することができるとともに、形成された内部流通路41、42の形状を維持することができる。また、金属粒子44により蓄熱剤粒子43が良好に固定されるため、発熱/吸熱反応に伴って蓄熱剤粒子43に体積変化が生じても、充填層40の機械的崩壊を抑制できる。
Furthermore, in the present embodiment, the heat
また本実施形態では、扁平チューブ30の少なくとも外壁面30cと金属粒子44とが同じ又は同等の金属により構成されている。したがって、外壁面30cと金属粒子44との間を焼結により容易に結合させることができる。また、外壁面30cと金属粒子44との間に生じ得る熱歪みを低減することができる。
In the present embodiment, at least the
さらに本実施形態では、充填層40の内部流通路41、42が入口から奥に向かって次第に狭くなるように形成されている。このため、内部流通路41、42の入口付近の幅が奥まで維持される構成と比較すると、蓄熱剤粒子43及び金属粒子44を効率良く充填することができる。
Furthermore, in the present embodiment, the
ここで、本実施形態では、内部流通路41、42がコア部23の両表面23a、23bから形成されているため、両表面23a、23b間の中心部付近が内部流通路41、42の奥となっている。例えば、内部流通路がコア部23の一方の表面23aからのみ形成され、当該内部流通路が他方の表面23b付近にまで延伸している場合には、表面23b付近が内部流通路の奥となり得る。
Here, in this embodiment, since the
次に、本実施形態の変形例について説明する。図4は、本変形例における蓄熱装置の扁平チューブ管壁付近の模式的な拡大断面図である。図4に示すように、本変形例では、金属粒子44に代えて、あるいは金属粒子44に加えて、金属繊維45が充填層40に充填されている。金属繊維45同士の接点や、金属繊維45と扁平チューブ30の外壁面との間は、焼結により結合されている。充填層40内の蓄熱剤粒子43は、金属繊維45により保持されている。
Next, a modification of this embodiment will be described. FIG. 4 is a schematic enlarged cross-sectional view of the vicinity of the flat tube wall of the heat storage device in the present modification. As shown in FIG. 4, in this modified example, the filling
本変形例のように金属繊維45を用いた場合には、繊維としての熱的ネットワークが予め形成されているため、金属繊維45と扁平チューブ30の外壁面30cとの間のみを接合できればよい。したがって本変形例によれば、充填層40内の熱的ネットワークをより確実に形成できるとともに、接合工程を簡略化できる。
When the
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態について図5を用いて説明する。本実施形態は、充填層40における蓄熱剤粒子43の重量に対する金属粒子44(又は金属繊維45)の重量の割合(以下、「金属粒子44の濃度」という)が、熱交換面となる扁平チューブ30の外壁面30cからの距離によって異なる点に特徴を有している。本実施形態では、蓄熱剤粒子43、金属粒子44、反応媒体として、それぞれCaO、Cu、水蒸気が用いられている。また扁平チューブ30は、金属粒子44と同じCuで構成されている。放熱プロセスでは、化学反応式(3)で表される発熱反応が進行し、蓄熱プロセスでは、化学反応式(4)で表される吸熱反応が進行する。
CaO(s)+H2O(g)→Ca(OH)2(s)+Q(発熱) ・・・(3)
Ca(OH)2(s)→CaO(s)+H2O(g)−Q(吸熱) ・・・(4)
図5は、本実施形態における蓄熱装置の扁平チューブ管壁付近の構成を示している。図5(a)は、扁平チューブ管壁付近の模式的な拡大断面図であり、図5(b)は、扁平チューブの外壁面からの距離と金属粒子の濃度との関係を示すグラフである。図5(a)、(b)に示すように、充填層40において扁平チューブ30の外壁面30cからの距離をXとすると、充填層40中の金属粒子44の濃度は、距離Xが大きくなるほど低くなっている。すなわち、外壁面30cの近傍では充填層40中の金属粒子44の濃度が高くなっており、外壁面30cから離れて内部流通路41、42(図5では図示せず)に近づくほど金属粒子44の濃度が低くなっている。金属粒子44の濃度は、図5(b)の実線で示すように、距離Xの増加に伴い連続的に単調減少していてもよいし、図5(b)の破線で示すように、距離Xの増加に伴い段階的に減少していてもよい。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the ratio of the weight of the metal particles 44 (or metal fibers 45) to the weight of the heat
CaO (s) + H 2 O (g) → Ca (OH) 2 (s) + Q (exotherm) (3)
Ca (OH) 2 (s) → CaO (s) + H 2 O (g) −Q (endothermic) (4)
FIG. 5 shows a configuration near the flat tube wall of the heat storage device in the present embodiment. Fig.5 (a) is a typical expanded sectional view of the flat tube tube wall vicinity, FIG.5 (b) is a graph which shows the relationship between the distance from the outer wall surface of a flat tube, and the density | concentration of a metal particle. . As shown in FIGS. 5A and 5B, when the distance from the
本実施形態では、充填層40中の金属粒子44の濃度を扁平チューブ30の外壁面30cからの距離が近くなるほど高くすることができる。したがって、充填層40全体としての蓄熱剤粒子43の量を確保しつつ、充填層40と外壁面30cとを焼結により確実に接合することができ、また充填層40と扁平チューブ30との間の伝熱抵抗をより低くすることができる。
In the present embodiment, the concentration of the
ところで、内部流通路41、42の近傍は、放熱プロセスにおいて外部から供給される反応媒体が他の領域より早く到達するため、より早期に発熱反応が進行し得る。充填層40内の一部で発熱反応が開始されると、反応熱が伝達することにより周囲の蓄熱剤粒子43での発熱反応が促進される。したがって、充填層40全体の反応速度を高めるためには、早期に発熱反応が進行し得る内部流通路41、42近傍において、反応に寄与しない金属粒子44の濃度を低くすることが効果的である。本実施形態では、外壁面30cから離れた内部流通路41、42近傍において、充填層40中の金属粒子44の濃度を低くすることができるため、充填層40全体の反応速度をより高めることができる。
By the way, in the vicinity of the
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態について図6を用いて説明する。図6は、本実施形態における蓄熱装置の扁平チューブ管壁付近の構成を示している。図6に示すように、本実施形態は、充填層40における金属粒子44a、44b、44cのアスペクト比が、外壁面30cからの距離によって段階的に異なる点に特徴を有している。充填層40のうち外壁面30cに隣接する第1層40aでは、アスペクト比が比較的小さい例えば球状の金属粒子44aが充填されている。第1層40aよりも外壁面30cから離れた第2層40bでは、金属粒子44aよりもアスペクト比の大きい例えば円柱状の金属粒子44bが充填されている。第2層40bよりも外壁面30cからさらに離れた第3層40cでは、金属粒子44bよりもアスペクト比がさらに大きい例えば棒状の金属粒子44cが充填されている。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows a configuration near the flat tube wall of the heat storage device in the present embodiment. As shown in FIG. 6, the present embodiment is characterized in that the aspect ratio of the
充填される金属粒子44a、44b、44cのアスペクト比が大きくなるほど粒子間の空隙を大きくとることができるため、第1層40aの空隙率は比較的低くなり、第2層40bの空隙率は第1層40aよりも高くなり、第3層40cの空隙率は第2層40bよりもさらに高くなる。すなわち本実施形態では、外壁面30cから離れて内部流通路41、42(図6では図示せず)に近づくほど充填層40の空隙率を高くすることができる。これにより、反応媒体が内部流通路41、42から充填層40内に浸透するときの移動抵抗を、反応媒体の流量が多い内部流通路41、42側ほど低くすることができ、反応媒体の流れの末端となり流量が減少する外壁面30c側ほど高くすることができる。したがって本実施形態によれば、反応媒体を充填層40全体に効果的に拡散させることができるため、充填層40の未反応部分を縮小でき、充填層40内部での熱的な分布を緩和できる。
As the aspect ratio of the filled
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態について図7を用いて説明する。図7は、本実施形態における蓄熱装置の扁平チューブ管壁付近の構成を示している。図7に示すように、本実施形態は、充填層40における金属粒子44d、44e、44fの粒子径が、外壁面30cからの距離によって段階的に異なる点に特徴を有している。充填層40のうち外壁面30cに隣接する第1層40aでは、例えば球状で粒子径の比較的小さい金属粒子44dが充填されている。第1層40aよりも外壁面30cから離れた第2層40bでは、金属粒子44dよりも粒子径の大きい金属粒子44eが充填されている。第2層40bよりも外壁面30cからさらに離れた第3層40cでは、金属粒子44eよりも粒子径がさらに大きい金属粒子44fが充填されている。隣接する金属粒子同士の中心間の距離(粒子間距離)は、第1層40aでは比較的小さく、第2層40bでは第1層40aよりも大きく、第3層40cでは第2層40bよりもさらに大きくなっている。
(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows a configuration near the flat tube wall of the heat storage device in the present embodiment. As shown in FIG. 7, the present embodiment is characterized in that the particle diameters of the
充填される金属粒子44d、44e、44fの粒子径や粒子間距離が大きくなるほど粒子間の空隙を大きくとることができるため、第1層40aの空隙率は比較的低くなり、第2層40bの空隙率は第1層40aよりも高くなり、第3層40cの空隙率は第2層40bよりもさらに高くなる。すなわち本実施形態では、第3実施形態と同様に、外壁面30cから離れて内部流通路41、42に近づくほど空隙率を高くすることができる。したがって本実施形態によれば、第3実施形態と同様に、充填層40の未反応部分を縮小でき、充填層40内部での熱的な分布を緩和できる。
The larger the particle diameter and inter-particle distance of the
(第5実施形態)
次に、本発明の第5実施形態について図8を用いて説明する。図8は、本実施形態における蓄熱装置の扁平チューブ管壁付近の構成を示している。図8に示すように、本実施形態は、充填層40における蓄熱剤粒子43a、43b、43cの粒子径が、外壁面30cからの距離によって段階的に異なる点に特徴を有している。充填層40のうち外壁面30cに隣接する第1層40aでは、粒子径の比較的小さい蓄熱剤粒子43aが充填されている。第1層40aよりも外壁面30cから離れた第2層40bでは、蓄熱剤粒子43aよりも粒子径の大きい蓄熱剤粒子43bが充填されている。第2層40bよりも外壁面30cからさらに離れた第3層40cでは、蓄熱剤粒子43bよりも粒子径がさらに大きい蓄熱剤粒子43cが充填されている。
(Fifth embodiment)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 8 shows a configuration near the flat tube wall of the heat storage device in the present embodiment. As shown in FIG. 8, the present embodiment is characterized in that the particle diameters of the heat
充填される蓄熱剤粒子43a、43b、43cの粒子径が大きくなるほど粒子間の空隙を大きくとることができるため、第1層40aの空隙率は比較的低くなり、第2層40bの空隙率は第1層40aよりも高くなり、第3層40cの空隙率は第2層40bよりもさらに高くなる。すなわち本実施形態では、第3実施形態と同様に、外壁面30cから離れて内部流通路41、42に近づくほど空隙率を高くすることができる。したがって本実施形態によれば、第3実施形態と同様に、充填層40の未反応部分を縮小でき、充填層40内部での熱的な分布を緩和できる。
The larger the particle diameter of the heat
(その他の実施形態)
上記実施形態では、末端同士が互いに対向する内部流通路41、42を例に挙げたが、内部流通路41、42は一方から他方に貫通して形成されていてもよい。この場合、内部流通路41、42は、内部流通路41、42のそれぞれの奥となる中心部で括れた貫通孔を構成する。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the
また上記実施形態では、金属粒子44同士あるいは金属粒子44と扁平チューブ30の外壁面30cとが焼結により結合された例を挙げたが、金属粒子44同士あるいは金属粒子44と外壁面30cとの間を接着により結合してもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the
さらに上記実施形態では、扁平チューブ30及び金属粒子44の構成材料としてCuを例に挙げたが、これらの構成材料としてSUS、Fe、Al等の他の金属を用いることもできる。
Furthermore, in the said embodiment, although Cu was mentioned as an example as a constituent material of the
また上記実施形態では、蓄熱剤粒子43の構成材料としてCaOを例に挙げたが、MgO、BaO等の他の金属酸化物を構成材料として用いることもできる。
Moreover, in the said embodiment, although CaO was mentioned as an example as a constituent material of the thermal storage agent particle |
さらに上記実施形態では、蓄熱剤が反応媒体とする気体としてH2Oを例に挙げたが、CO2等の他の気体を用いることもできる。 Further in the above embodiment, the heat storage agent is exemplified of H 2 O as a gas to the reaction medium, it is also possible to use other gases such as CO 2.
また上記実施形態では、蓄熱剤粒子43と金属粒子44とが充填された充填層40を例に挙げたが、金属粒子44を混合せず、蓄熱剤粒子43のみを充填して充填層40を形成してもよい。
Moreover, in the said embodiment, although the packed
1 蓄熱装置
10 外側ケース
20 蓄熱コア
23 コア部
30、30a、30b 扁平チューブ(熱交換部)
30c 外壁面(第1熱交換面)
30d 内壁面(第2熱交換面)
31 流体流路
40 充填層
41、42 内部流通路
43 蓄熱剤粒子
44 金属粒子
45 金属繊維
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
30c Outer wall surface (first heat exchange surface)
30d Inner wall surface (second heat exchange surface)
31
Claims (6)
前記充填層(40)の表面から前記充填層(40)の内部に向かって形成され、外部から供給される前記反応媒体を前記充填層(40)の内部に導入し、前記充填層(40)の内部から導出される前記反応媒体を外部に放出する内部流通路(41、42)と、
前記充填層(40)及び前記内部流通路(41、42)からは空間的に隔離され、熱交換流体を流通させる流体流路(31)と、
前記充填層(40)と熱交換が行われる第1熱交換面(30c)と、前記熱交換流体と熱交換が行われる第2熱交換面(30d)とを備え、前記第1及び第2熱交換面(30c、30d)を介して前記充填層(40)と前記熱交換流体との間で熱を伝達させる熱交換部(30)とを有し、
前記内部流通路(41、42)は、前記充填層(40)の表面から奥に向かって次第に狭くなるように形成されていることを特徴とする蓄熱装置。 A packed bed (40) filled with heat storage agent particles (43) composed of a metal oxide capable of reacting reversibly with the reaction medium using a gas as a reaction medium;
The reaction medium formed from the surface of the packed bed (40) toward the inside of the packed bed (40) and supplied from the outside is introduced into the packed bed (40), and the packed bed (40) An internal flow passage (41, 42) for discharging the reaction medium led out from the inside to the outside;
A fluid flow path (31) that is spatially isolated from the packed bed (40) and the internal flow passages (41, 42) and circulates a heat exchange fluid;
A first heat exchange surface (30c) that exchanges heat with the packed bed (40); and a second heat exchange surface (30d) that exchanges heat with the heat exchange fluid. A heat exchange part (30) for transferring heat between the packed bed (40) and the heat exchange fluid via heat exchange surfaces (30c, 30d);
The said internal flow path (41, 42) is formed so that it may become narrow gradually toward the back from the surface of the said packed bed (40), The heat storage apparatus characterized by the above-mentioned.
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