JPS6196397A - 熱エネルギ−回収方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は間欠的または変動的に発生する熱エネルギーを
作動媒体となる蓄熱媒体を使用して連続的に安定した熱
エネルギーとして回収する熱エネルギー回収方法に関す
るものである。

従来の技術 従来、実用化されているレンガ、石等を用いた顕熱蓄熱
装置では、容量や重量が大きくなると同時に熱の放出に
比例して温度が低下してしまうという欠点があった。

そこで、このような欠点を改良した装置として潜熱蓄熱
装置が開発された。二九は蓄熱物質として相変化物質の
融解潜熱や転移物質の転移熱を利用し、小さな体積で大
きな熱量を貯え得るという特徴を有している。しかしな
がら、廃ガスまたは液状熱媒体と蓄熱物質とを直接接触
させると、それらの物質が反応して、蓄熱物質が変質す
るおそれがあり、また、融解した場合、一定の形状を保
たなくなるので蓄熱物質をどちらの物質とも反応しない
物質で作られたカプセルに封入し、カプセルを通して熱
交換しなければならないという欠点があった。さらに、
カプセルに封入した潜熱蓄熱物質を使用する場合でも、
廃ガスとの直接熱交換では、伝熱係数が小さく、熱交換
に時間を要するため、どうしても液体熱媒体を介して熱
交換しなければならなかった。

このような観点から、特開昭５６−１３７０９８におい
て、加熱および冷却に応じて潜熱の吸収および放出を生
じる相変化物質をマイクロカプセルに封入し、このマイ
クロカプセルを適用温度範囲において相変化しない液体
中に懸濁させてスラリーとすることにより、相変化物質
の固層および液態への相変化に関係なく、液状熱媒体と
同様の流動性を示し、しかも液状熱媒体よりも著しく高
められた蓄熱容量を有する蓄熱媒体が提案された。

発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記の蓄熱媒体の中の相変化物質を封入
したマイクロカプセルを懸濁させている懸濁媒体は、蒸
発しないので、蓄熱媒体に蓄熱されている熱を取出すに
は、どうしても熱交換器を通して、蓄熱媒体の熱を他の
媒体に伝達子る必要があり、このための伝熱に要する温
度差が必要であるという欠点があった。また、蓄熱媒体
の熱を直接被加熱物質へ伝達しようとすると、スラリー
状蓄熱媒体をポンプ等で加熱装置へ循環させる必要があ
り、スチーム等で加熱するように設計された既設の加熱
装置には使用できないという欠点があった。

本発明は上記従来の欠点を解消し、潜熱蓄熱剤の固定層
へ液状熱媒体を通す潜熱蓄熱装置を使用する公知の方法
では必要であった顕熱による熱の運搬に必要な温度差（
蓄熱のための熱交換器内と。

放熱のための熱交換器内の両方で）が必要でなくなるだ
けでなく、懸濁媒体と作動媒体の間の電熱に必要な温度
差も零にできるため、廃熱のエクセルギー損失が少なく
廃熱を効率良く連続的に安定な熱エネルギーとして回収
することのできる熱エネルギー回収方法を提供すること
を目的とする。

問題を解決するための手段 上記問題を解決するため９本発明の熱エネルギー回収方
法は、加熱および冷却に応じて転移熱を吸収および放出
する転移物質の粉末を、該転移物質の転移温度において
液体の作動媒体に懸濁させ、または、加熱および冷却に
応じて潜熱を吸収および放出する相変化物質を封入した
マイクロカプセルを、前記相変化物質の相変化温度にお
いて液体の作動媒体に懸濁させてスラリー状蓄熱媒体を
構成し、このスラリー状蓄熱媒体を蓄熱媒体貯僧に貯蔵
し、この貯蔵したスラリー状蓄熱媒体を加熱し、このス
ラリー状蓄熱媒体から蒸発した高圧の作動媒体の蒸気か
ら熱エネルギーを得るようにした。

実施例 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

先ず、本発明方法に用いるスラリー状蓄熱媒体の構成に
ついて述べる。これには２種のものがあり、一つは、加
熱および冷却に応じて転移熱を吸収および放出する転移
物質の粉末を、該転移物質の転移温度において液体の作
動媒体に懸濁させたものであり、もう一つは、加熱およ
び冷却に応じて潜熱を吸収および放出する相変化物質を
封入したマイクロカプセルを、前記相変化物質の相変化
温度において液体の作動媒体に懸濁させたもので−ある
。

前者の場合の具体例を挙げると、転移物質として、粉状
のペンタエリトリトール（ｐｅｎｔａａｒｙｔｈｒｉ−
ｔｏｌ　：化学式Ｃ（ＯＨ，ＯＨ）　、）　　（１８８
℃の転移熱を利用する。）を使用し１作動媒体（懸濁媒
体）として、トルエン、ベンゼン、ノルマルブタン、イ
ソブタン等の炭化水素またはアセトンまたはアフルード
（直鎖状の弗化炭素で炭素数が１０以内の不活性流体、
下表にその特性を示す、）を使用して、この作動媒体の
中へ粉状のペンタエリトリトールを懸濁させる。これに
より、作動媒体にもなるスラリー状蓄熱媒体が構成され
る。以下このスラリー状蓄熱媒体を第１蓄熱媒体という
。（以下余白）後者の場合の具体例を挙げると、相変化
物質として、粉状のポリエチレン（１３５℃の融解潜熱
を利用する。）の表面を、イオンプラズマによる架橋ま
たは電子線照射等による放射線架橋あるいは過酸化物を
使用した化学架橋などの方法により架橋処理してなるポ
リエチレンでマイクロカプセルとしたものを使用し１作
動媒体（ＩＩ濁媒体）として、脱酸素された水またはア
ルコール類またはフロンＣ−３１８，フロン１１４等の
フロン類を使用して、この作動媒体の中へ上記のマイク
ロカプセル化した粉状のポリエチレンを懸濁させる。こ
れにより、作動媒体にもなるスラリー状蓄熱媒体が構成
される。以下このスラリー状蓄熱媒体を第２蓄熱媒体と
いう。

またこの他に・、相変化物質として粉状のアンモニウム
ミョウバン（ＮＨ，ＡＩＬ（Ｓ　Ｏ，）、・１２Ｈ，Ｏ
）（９４℃の融解潜熱を利用する。）をポリエチレン膜
でマイクロカプセルにしたもの（もし、必要ならば、ポ
リエチレン膜の表面を前記第２蓄熱媒体の場合と同じ方
法で架橋処理してもよい、）を使用し１作動媒体（懸濁
媒体）として、脱酸素された水またはアルコール類また
はフロン１１．フロン１２、フロン１１３．フロン１１
４等のフロン類を使用して、この作動媒体の中へ上記の
マイクロカプセル化したアンモニウムミョウバンを懸濁
させ、スラリー状蓄熱媒体を構成してもよい。

なお、上記各蓄熱媒体Ｉこおいて、作動媒体の中へ懸濁
させる粉状またはマイクロカプセル化した潜熱蓄熱材の
粒径は１通常１．５ｍｍ以下、好ましくは平均粒径０．
１５ｍ■付近の粒の中に２０％以上の粒径５０μ以下の
粒を含むものがよい。

次に１図に基づいて本発明方法を説明する。第１図およ
び第２図は第１実施例を示す。

この場合、蓄熱媒体としては第２蓄熱媒体を使用するも
のとして説明するが、第１蓄熱媒体を使用する場合も、
作動媒体（懸濁媒体）として炭化水素・アセトン等の可
燃物を使用する場合には着火防止に留意しなければなら
ないこと、以外は作用は同じである。

図において、（１）は蓄熱媒体貯槽で、内部に第２蓄熱
媒体（５）が貯蔵されている。この場合、作動媒体とし
ては脱酸素された水が用いられている。

（２）は間欠的又は変動的に発生する廃ガス・廃蒸気等
の廃熱を蓄熱媒体に伝えるための熱交換器。

（３）は熱交換器（２）へ蓄熱媒体（５）を加圧して送
るための蓄熱媒体ポンプ、（４）は熱交換器（２）を出
た蓄熱媒体（５）を減圧して蓄熱媒体貯槽（１）へもど
すための減圧弁、（８）は蓄熱媒体貯槽（１）へ供給す
る脱酸素された水を貯めるドレン貯槽（給水貯槽）、（
７）はドレン貯槽へ給水を送入する第１ドレンポンプ、
（９）はドレン貯槽（８）に貯めら九た給水を蓄熱媒体
貯槽（１）へ圧送する第２ドレンポンプであり、この第
２ドレンポンプ（９）からの給水を蓄熱媒体貯槽′（１
）へ導く送入ノズル（１０）は蓄熱媒体貯槽（１）の底
部へ接線方向に取付けられている。なお、蓄熱媒体貯槽
（１）には適宜、撹拌機（図示せず）が設けられている
。

このような構成により、蓄熱媒体貯槽（１）に貯められ
た第２蓄熱媒体（５）は、蓄熱媒体貯槽（１）の底部か
ら引出し蓄熱媒体ポンプ（３）で加圧して熱交換器（２
）へ送る。熱交換器（２）内では第２蓄熱媒体（５）中
のポリエチレンは１３５℃で約２００ＫＪ／ｋｇの融解
潜熱を吸収してマイクロカプセルの内部で融解するが、
表面の架橋されたポリエチレンは融解しないので、マイ
クロカプセルが破壊されることがない。したがって第２
蓄熱媒体（５）が熱を受は取っても、第２蓄熱媒体（５
）中のポリエチレンが全部融解するまでは、該第２蓄熱
媒体（５）の温度はポリエチレンの融解温度（相変化温
度、１３５℃）のままである。このようにして、第２蓄
熱媒体（５）中のポリエチレンを融解させることにより
、一定の温度（１３５℃）のままで熱源流体から熱を吸
収できることになる。そして加熱された。第２蓄熱媒体
（５）は、減圧弁（４）で減圧して蓄熱媒体貯槽（１）
に戻り、この場合、第２蓄熱媒体中の脱酸素された水の
一部がフラッシュして水蒸気となり蓄熱媒体貯槽（２１
）の上部に溜ることになる。

そこで、この水蒸気を反応釜、濃縮缶、晶折缶、蒸発缶
、蒸留器、乾燥器あるいは工場、ビル等の暖房、給湯シ
ステム等の熱需要装置に適宜供給する。この場合、水蒸
気使用量が発生量よりも多い場合は蓄熱媒体貯槽（１）
の内圧が低下するために、蓄熱媒体中の脱酸素された水
の一部がフラッシュ蒸発する。しかし、この場合の蒸発
潜熱は蓄熱媒体中の融解しているポリエチレンが凝固す
る時に放出する潜熱により供給されるので、蓄熱媒体お
よび水蒸気の温度はポリエチレンの凝固温度（１３５℃
）で一定に保たれる。この場合、ポリエチレンから脱酸
素された水への熱の移動は表面が架橋された微細なポリ
エチレンの表面で行われるため、伝熱面積が非常に大き
いので伝熱抵抗が非常に小さく、第３図に示すように温
度の低下（エクセルギーの損失）がほとんどない、すな
わち、蓄熱媒体貯槽（１）を沸騰熱交換器と考えると潜
熱蓄熱物質と作動媒体との熱交換は沸騰熱交換となるの
で、蓄熱媒体貯槽（１）内での熱授受および温度の関係
をみると、第３図の線（ホ）（作動媒体の温度変化）、
および（へ）（潜熱蓄熱物質の温度変化）の如くなる。

このようにして、熱需要量は熱交換器（２）への熱の供
給量の時間的変動とは関係なしに時間的に変動させるこ
とができる。また、熱需要装置に間接加熱方式のものを
用いれば、蒸気が凝縮してできたドレンを給水として第
１ドレンポンプ（７）によりドレン貯槽（８）に貯める
ことができる。ドレン貯槽（８）に貯められたドレン（
脱酸素された水）は第２ドレンポンプ（９）で蓄熱媒体
貯槽（１）内の圧力まで加圧し、前記送入ノズル（１０
）を通して蓄熱媒体貯槽（１）内に送入する。そうする
と、ドレンは蓄熱媒体貯槽（１）内で回転しながら次第
に上昇し、融解したポリエチレンを含むマイクロカプセ
ルに触れて加熱される。ことになる、この場合、撹拌機
（図示せず）によって撹拌してやれば効果的である。凝
固したポリエチレンを多く含む第２蓄熱媒体（５）は再
び蓄熱媒体ポンプ（３）、熱交換器（２）。

減圧弁（４）のラインを循環することになる。

第４図は第２実施例を示す、第１実施例と具なる所は、
間欠的、または変動的に発生する廃熱。

等を供給する媒体として、太陽熱コレクターの集熱に使
用する熱媒体、等の液体の物質を用いる場合に有用なも
のである。

図において、（１１）は蓄熱媒体貯槽（１２）内下部に
導設された廃熱を供給する熱媒体用交換器のコイル状伝
熱管で鉛直軸心周りに円弧を描いている。

その他の構成は第１実施例の場合と同じである。

このような構成において、蓄熱媒体貯槽（１２）には第
２Ｗ熱媒体（５）が溜められている。廃熱、等を供給す
る熱媒体を熱媒体用熱交換器のコイル状伝熱管（１１）
の中へ通し、第２蓄熱媒体（５）へ伝熱し、蓄熱する。

この場合、自然対流効果で、第２蓄熱媒体（５）が流動
し、伝熱が促進される。もし必要ならば、蓄熱媒体貯槽
（１２）の上部に撹拌機を設け、（図示せず）その撹拌
翼を備えた鉛直回転軸が、コイル状伝熱管が囲う空間内
にも挿入するようにすればなおよい。その他の作用につ
いては第１実施例の場合と同じである。

第５図は第３実施例を示す、第１実施例と異なる所は間
欠的、または変動的に発生する廃熱１等を供給する媒体
として、廃蒸気、等、ａ縮により供給される媒体を用い
る場合に適するものである。

図において、（１３）は蓄熱媒体貯槽（１４）内下部に
設けられたカランドリャ型伝熱装置である。この場合、
もし必要ならば第２実施例と同様の撹拌装！（図示せず
）を設け、その撹拌翼を備えた鉛直回転軸がカランドリ
ャ型伝熱装置伝熱装置ｔ　（１３）の中心の円筒部分に
も挿入するようにすればなおよい。

その他の構成については第１実施例の場合と同じである
。

このような構成において、蓄熱媒体貯槽には第２蓄熱媒
体（５）が溜められている。廃蒸気をカランドリャ型伝
熱装置ｉＥ　（１３）へ供給すると、廃蒸気熱がこの中
で凝縮し、凝縮潜熱を第２蓄熱媒体（５）へ伝熱し蓄熱
する。この場合、自然対流効果で、第２蓄熱媒体（５）
が流動し、伝熱が促進される。

また、撹拌装置が有れば、この撹拌作用によりなお一層
伝熱が促進される。その他の作用については第１実施例
の場合と同じである。

その他の実施例としては、第６図、第７図、第８図に示
すような構成のものであり、蓄熱媒体として第１蓄熱媒
体の使用に適する装置である。すなわち、第６図のもの
は、上記第１実施例または第２実施例または第３実施例
における蓄熱媒体貯槽（１）（１２）　（１４）からの
蒸気を、ボイラ（１５）に導く構成としたものであり、
第１蓄熱媒体の作動媒体には液状のトルエンを使用して
いる０図中、（１６）はボイラ（１５）の加熱管、（１
７）はボイラ（１５）内に給水ポンプ（１８）を通して
送入された脱塩水、　（１９）はトルエン貯槽、　（２
０）はトルエン貯槽（１９）内のトルエンを加圧して蓄
熱媒体貯槽（１）（１２）　（１４）内に送入するトル
エンポンプである。第７図のものは。

上記第１実施例または第２実施例または第３実施例にお
ける蓄熱媒体貯槽（１）　（１２）　（１４）からの蒸
気を、該蓄熱媒体貯槽（１）　（１２）　（１４）より
も高い位置に設けたボイラ（１５）に導く構成としたも
のであり。

第６図に示したトルエン貯槽（１９）およびトルエンポ
ンプ（２０）は除去している。このような構成によると
、ボイラ（１５）内の液状トルエンをポンプ等を用いず
に自重で蓄熱媒体貯槽（１）　（１２）　（１４）に送
入することが可能となる。第８図のものは、第６図、第
７図に示したボイラ（１５）に代えて熱交換器（２１）
を用いたもので、この熱交換器（２１）を設ける位置も
蓄熱媒体貯槽（１）　（１２）　（１４）よりも高い位
置とされている０図中、（２２）は熱交換器（２１）の
伝熱管、（２３）は伝熱管（２２）の内部へ、熱媒体油
のようなトルエンの蒸気の凝縮温度でできるだけ蒸気圧
が低く、また平温でも液体の熱媒体油を送入する熱媒体
ポンプである。なお、蓄熱部分における作用については
、第１実施例または第２実施例または第３実施例と同じ
であり、詳細は略す。

このように１本発明方法は短時間（間欠的）に大量の熱
が必要なシステムへの熱供給とか、熱の供給と需要が時
間的に異なるシステムへ効果的に応用することができる
が、その具体例を挙げると次のようなものがある。

（１）反応釜、濃縮缶、晶析缶、蒸発缶、蒸留器、乾燥
器等のパッチプラントへの熱供給。

（２）プラントのスタートアップ用熱供給。

（３）工場、ビル等の暖冷房、給湯システムへの熱供給
。

（４）太陽熱利用システム内での蓄熱。

発明の効果 以上本発明によれば、顕熱による熱の運搬に必要な温度
差が必要でなくなるだけでなく、懸濁媒体と作動媒体の
間の伝熱に必要な温度差も零にできるため、廃熱等の熱
供給源からの熱のエクセルギー損失を最小限に抑えるこ
とができる。また。

本発明方法は、現在まで廃棄されていた間欠的または変
動的に排出される廃熱のエネルギーを、連続的で安定な
熱エネルギーとすることができ、バッチプロセス等短時
間（間欠的）に大量の熱が必要なシステムへの熱供給あ
るいはプラントのスタートアップ等、熱の供給と需要が
時間的に異なるシステムへ効果的に利用することができ
る。さらに、放熱する場合、水蒸気として取出すことも
できるので、既設のシステムへ容易に適用することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の第１実施例を示し、第１
図は熱エネルギー回収装置のフローシート、第２図は第
１図のＡ−Ａ断面図、第３図は第１図の蓄熱媒体貯槽内
における作動媒体（ホ）と転移物質または相変化物質（
へ）との熱授受および温度の関係をあられす図、第４図
は第２実施例における熱エネルギー回収装置のフローシ
ート、第５図は第３実施例における熱エネルギー回収装
置のフローシート、第６図、第７図、第８図、はそれぞ
れその他の実施例における熱エネルギー回収装置のフロ
ーシートの一部である。 （１）（１２）　（１４）・・・蓄熱媒体貯槽、（５）
・・・第２蓄熱媒体 代理人　　　森　　本　　義　　弘 第４図 ｆ 第６図 第６図 第７図 尊気’ＡＤ 手続補正書（白銀 １．事件の表示 昭和５９　　年特　許　頗第　２１５７３４　　　号２
、発明の名称 熱エネルギー回収方法 ３、補正をする者 事件との関係　　特許出願人 名称　（５１１）日立造船株式会社 ４、代　理　人 昭和　　年　　月　　日 ６、補正により増加する発明の数 ７、補正の対象 ■明細書の発明の詳細な説明の欄 （１）第４頁第１１行目〜第１２行目 「電熱に必要な温度差も零にできるため、」とあるを「
伝熱に必要な温度差を非常に小さくすることができるた
め、」と訂正する。 （２）第５頁第５行目 「蓄熱媒体貯僧」とあるを「蓄熱媒体貯槽」と訂正する
。 （３）第１４頁第１１行目〜第１２行目「凝縮によシ」
と「供給される」の間にｒ熱を」を加入する。 （４）第１５頁第１７行目 「トルエン」とあるを「トルエン」と訂正する。 （５）第１４頁第１１行目 「また平温でも」とあるを「また常温でも」と訂正する
。 （６）　＠　１７頁第１６行目〜第１７行目「温度差も
零にできるため、」とあるゴ温度差を非常に小さくする
ことができるため、」と訂正する。 ■明細書の特許請求の範囲の欄 別紙の通シ訂正する。 ２、特許請求の範囲 １．加熱および冷却に応じて転移熱を吸収および放出す
る転移物質の粉末を、該転移物質の転移温度において液
体の作動媒体に懸濁させ、ま九は、加熱および冷却に応
じて潜熱を吸収および放出する相変化物質を封入したマ
イクロカプセルを、前記相変化物質の相変化温度におい
て液体の作動媒体に懸濁させてスラリー状蓄熱媒体を構
成し、このスラリー状蓄熱媒体を蓄熱媒体貯槽に貯蔵し
、この貯蔵したスラリー状蓄熱媒体を加熱し、このスラ
リー状蓄熱媒体から蒸発した高圧の作動媒体の蒸気から
熱エネルギーを得ることを特徴とする熱エネルギー回収
方法。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、加熱および冷却に応じて転移熱を吸収および放出す
   る転移物質の粉末を、該転移物質の転移温度において液
   体の作動媒体に懸濁させ、または、加熱および冷却に応
   じて潜熱を吸収および放出する相変化物質を封入したマ
   イクロカプセルを、前記相変化物質の相変化温度におい
   て液体の作動媒体に懸濁させてスラリー状蓄熱媒体を構
   成し、このスラリー状蓄熱媒体を蓄熱媒体貯蔵に貯蔵し
   、この貯蔵したスラリー状蓄熱媒体を加熱し、このスラ
   リー状蓄熱媒体から蒸発した高圧の作動媒体の蒸気から
   熱エネルギーを得ることを特徴とする熱エネルギー回収
   方法。