傾斜く形潜熱蓄熱槽の蓄熱特性に関する数値計算

概要

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熱エネルギーの有効利用および余剰空間の活用の立場より、著者らは、前報において、建物の壁、床および屋根空間をく形潜熱蓄熱槽とした場合の蓄熱特性（融解過程）に影響をおよぼす自然対流の効果を傾斜角そして加熱壁温度をパラメータとして実験的に検討した。その際、融解液相に発生する自然対流熱伝達が固液界面の移動速度および界面形状に決定的な影響をおよぼすことが実験結果として判明した。しかしながら、発生した自然対流の挙動および液相内の温度分布を詳細に検討するまでに至らなかった。従来よりこの種のく形潜熱蓄熱槽に関する解析的研究としては、Webb-Viskantaによる平均融解量を用いて一次元的に固液界面の移動を近似した一次元融解モデルによる報告がある。図1は、前報において得られた種々の傾斜角θに対する固液界面形状の差異を示したもので、θ＝0°の下面加熱の場合では、ほぼ一次元的に融解が進行するが、θ＝90°の垂直配置では融解量の増大とともに加熱壁に対向する断熱面の露出が観察される。さらに、θ＝150°の加熱面が上部に存在する場合には、固液界面が水平となるなど傾斜角θの変化に伴う自然対流様式および強さになり、複雑な固液界面を形成しながら融解が進行することになる。高価な潜熱蓄熱材を用いる蓄熱システムにおいては、その蓄熱材のほぼ100％近くを利用しないと省エネルギー機器としての役割を果たさなくなるとの指摘からも、特に融解末期の蓄熱特性を明確にする必要がある。このような背景のもとで、本研究は傾斜するく形潜熱槽内の自然対流挙動に関して、実験では測定困難である詳細な対流様式および対流強さの蓄熱特性に及ぼす影響を二次元融解モデルに基づく数値計算により傾斜角および槽寸法をパラメータとして明らかにするものである。この種の二次元融解モデルによる数値計算は傾斜角θ＝90°の垂直配置にて、Gadgil-GobinそしてBenardらにより試みられているが、いずれも固液界面移動速度および形状の報告のみで、傾斜角による効果を扱ったものはないようである。さらに、本研究は、二次元融解モデルによる計算の有用性を示すために、簡単な一次元融解モデルによる計算をも行って一次元融解モデルの適用範囲も両者の比較より明らかにするものである。得られた結果は、本研究で提案している建物の壁、床そして屋根空間などを利用した比較的その厚さの薄いく形潜熱蓄熱槽の蓄熱（固相融解）特性解明に関しての基礎資料を提供できるものと思われる。Melting characteristics of a solid phase-change material in an inclined rectangulr heat-storage enclosure heated from one side are investigated numerically. It is found that a two-dimensional model simulates the melting behavior of the inclined rectangular heat storage, as compared with the results of a one-dimensional model. In each quasi-static step, steady-state natural convection in the liquid phase is calculated by directly solving the governing equation of motion with a finite difference technique. It is noted that the time development of the melting process depends strongly on the natural convection behavior, which is changed by the inclination angle and geometrical dimensions of the rectangular heat-storage enclosure.
一般社団法人日本機械学会の論文
1992-08-25

傾斜く形潜熱蓄熱槽の蓄熱特性に関する数値計算

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