平板状形状安定化潜熱蓄熱材充填矩形蓄熱槽の非定常熱特性 : 蓄熱過程における諸因子の効果

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近年、エネルギの有効利用の立場から、氷蓄熱を始めとして、固－液相変化潜熱利用タイプの様々な蓄熱材および蓄熱システムの研究開発が盛んに行われ、その一部は実際の蓄熱システムプラントとして稼働している。固－液潜熱利用型蓄熱槽には、年熱蓄熱材を充填した矩形または円筒形蓄熱槽に円管コイル状またはプレート状の熱交換器を挿入した形式のものと球、円筒、平板状カプセル内に蓄熱材を封入したカプセル形式のものに大別される。前者は伝熱面より離れた領域で、潜熱蓄熱材の融解、凝固速度が遅く、蓄熱材全体にわたって効率的熱交換が出来ない欠点を有する。一方、後者は通常カプセル材として使用されるプラスチック樹脂系材料の小さな熱伝導率によるカプセル自身の熱抵抗のため、一般に蓄熱材相変化温度と熱媒体温度差（温度スウイング）を大きくする必要があり、効率的潜熱エネルギの利用を阻害することになる。特に、熱源温度や熱利用温度と潜熱相変化温度の差があまり大きくとれない場合には、カプセル材の熱抵抗は致命的欠点となる。これらの潜熱蓄熱材利用上の欠点を克服するために開発された蓄熱材としてカプセル化を伴わない形状安定化潜熱蓄熱材が開発されている。この新しい潜熱蓄熱材は、蓄熱体としてのパラフィン系材料をポリマーブレンドにより高融点樹脂に担持したもので、パラフィンが融解しても高融点樹脂系材料の担持力により流出しない構造のものであり、パラフィンが液相状態でも蓄熱材自体の形状に変化が見られない特徴を持っているものである。従って、形状安定化潜熱蓄熱材と熱媒体とは直接接触熱交換で熱の授受が可能となり、比較的小さな温度スウイングで効率的蓄・放熱特性が得られるものである。本研究では温泉の昇温そして給湯温度帯をカバーする融点50℃前後のパラフィンを蓄熱体とした形状安定化潜熱蓄熱材を対象とする。また、形状安定化潜熱蓄熱材の伝熱特性を把握する目的から、蓄熱材を単純な構造を有する平板形状とした。潜熱蓄熱槽は複数の平板状蓄熱材を垂直に充填配置し、その平板状蓄熱材で形成される矩形流路内を熱媒体が流れる矩形構造とした。熱媒体は、平板状蓄熱材で形成される矩形流路をゆっくりと流れ、蓄熱材と直接接触熱交換により、蓄熱が行われる。本研究は、この種の平板状安定化矩形潜熱蓄熱槽の非定常熱特性に影響を及ぼす基礎的因子として熱媒体の蓄熱槽入口温度および流速、そして対象とする系が強制および自然対流の共存対流熱伝達となることにより、熱媒体の流れ方向（重力に対して上向きまたは下向き）を取り上げ、数値計算により解明するものである。Transient characteristics of a ractangular latent heat storage vessel packed with shape-stabilized phase change (solid-liquid) material(PCM) are investigated numerically with the finite difference technique. It is found that the heat storage characteristics are greatly affected by the flow direction of the heat transfer medium since the natural and forced convection coexist in the heat storage vessel, That is, it is clarified that the effective thermal efficiency of the latent heat storage system is obtained with downward flow along a vertical PCM for the heat storage process. The effects of the inlet velocity and the inlet temperature of the heat transfer medium on transient heat characteristics of the latent heat storage system are also revealed in the present study.
一般社団法人日本機械学会の論文
1996-04-25

平板状形状安定化潜熱蓄熱材充填矩形蓄熱槽の非定常熱特性 : 蓄熱過程における諸因子の効果

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