高密度顕熱蓄熱システムの熱特性に関する研究

九州大学学術情報リポジトリ

Kyushu University Institutional Repository

高密度顕熱蓄熱システムの熱特性に関する研究

松尾, 篤二

https://doi.org/10.11501/3166941

出版情報：Kyushu University, 1999, 博士（工学）, 論文博士 バージョン：

権利関係：

高密度顕熱蓄熱システムの 熱特性に関する研究

平成11年12月

松 尾 篤 二

f ₁ t:欠

表リスト ^{，. . ，}. . ... ... .. . . ... ... .. .... .. ..... . . ... . ... . . ... . . . ... ..... . . . .. . . .，. . ... . . .，. . . ...

図リスト 記号の説明

第1章 序 論 ・・ ・ 1.1本研究の背景

1.1.1蓄熱の必要性・・・・ • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •

. lV

1 1 1 1.1.2蓄熱システムの所要イ上保 .^{. .}.^{. . .}.^{. .}. ・ ・ ・・ ・・ 2 1.2蓄熱方式の分類と各方式の特徴 .^{. . .}..^...^..^..^{. . . .}.^{. .}.^{. . .}..^..^{. .}...^..^{. . . .}.^..^..^{. . .}.^{. . .} 4 1.2.1顕熱蓄熱 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • 4

1.2.2潜熱蓄熱 ・・ ・・ ・・ ・ ・ ・ ・ ・ ₇

1.2.3化学蓄熱 . . . 8 1.3蓄熱方式の選定と蓄熱システムの構成 ...・H・…...1・H・....・H・...・H・"....・H・…... 9

1.3.1蓄熱方式の選定 ・ ・・ ・ 9

1.3.2蓄熱システムの構成 ...11 1.4固体顕熱蓄熱の従来の研究 ・ ・・ ・ 14 1.5本研究の目的と本論文の構成 ...20 1.6第1章のまとめ ... . .. .. .. . . ... . . . ... . . ... . . . .... ... . . ... . . .... . . . .... .. .. . .. . ... .. . . . .. . ... .. . .2 1

第2章 蓄熱・放熱特性の理論的検討 22

2.1理論解析手法 ...2 2 2.1.1解析の目的 ...2 2 2.1.2蓄熱部のモデ、ノレ化と基儀式 ...2 2

2.1.3蒸気発生部のモデル化と基礎式 ・・ ・・・ ・・・ 26

2.1.4システム特性 ....，.. ・ ・ ・・ 29

2.2解析結果 ...29

2.2.1蓄熱過程における蓄熱部の特性 ・ ・・・ ・・ ・ ・ 29

2.2.2蓄熱有効度と蓄熱密度 ...33 2.2.3放熱過程における蓄熱部の基本特性 ・ ・ ・ ・・・ 36 2.2.4システム全体の特性 ・・・ ・ ・ ...38

2.3第2章のまとめ ・ ・ ・ 40

第3市 実 験 ・・ ・ ・・・ ・ ^{・・ ・・・・ 41} 3.1実験のf j的 ・ ・… ・・・・・・ ・・・・・・ ^・ ・ ・・・・・・ 41 3.2実験装JR - . . . . . ... . . . . ・・ 41 3.2.1実験装l官の構成 ・ ・・ ・・・ ・・ ・・・・ ^・・・41

3.2.2計測項円とl汁出IJノIJ1L ・ ・・・ 44

3.3 1等熱音15宅気通路内の流速分イ11と熱伝iliの検IÎ、I ・ ・・ 46 3.3.1流速分布 ^... ・・・・・・・ ・・・ ^・ ・ ・ 46

3.3.2熱伝達の検討 .... ・・・・・ ・ ・ ・ 50

3.4蓄熱体特性実験 ・ 53

3.4.1 実験万法と実験条件 ・ ，..，...，...，...，...53

3.4.2蓄熱・放熱時の空気111度挙動の概要 ...，...55

3.4.3熱収支 ・ ・ ・ ・ ・・・ ・ 57

3.4.4蓄熱体温度分布 ・・ ・・・ ・ 59

3.4.5熱損失を考慮した蓄熱体温度解析 ・ ・ ・・・ 6¹ 3.4.6蓄熱有効度 ・ ・ ・・ ・・ H ・H・H・"....，・H・-… ...・H・-…63

3.5全体システム実験 ・ ・・・ ・・ ・ ・ ・ 64

3.5.1実験方法と実験条件 ・ ・ ・・・・ ・・ 64 3.5.2 実験結果 •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• ・・・ ・・・ ・ ・ ・ 65

3.6第3章のまとめ ・ ・ ・・・・ ^・・ 68

9 9 0 0 1 3 ρり ρO けi 門i けi ウi 機時…性性

…

直の果則一川和町一

力機綿

密腕

価

一三

日 医砲 1i ヲ】

章実試

2一2 .詐\2 4 4 3 1・信 4 4

4

4.4第4章のまとめ 門i Aサ

第5章 ^{コージェネシステムの菩熱装置への}，むJjJ}...， ・・・ ・ 75 5^.1 ^コージ^ェネシステムの概要と蓄熱装置の必要¹陀 ・・ ・・ 75 5.2蓄熱装置の仕様 ・ ・ ・・ ，..，...，... 77 5.3運転結果 ・ ，...，...，....79

5.3.1週間特性 ・ ・ ・ 79

5.3.2蓄熱特性 ...79

5.3.3放熱特性 ・・ ・・・・・・・ ・ ^{・・ ・・ 81}

5.4長熱装置の有JIj'ド!:の汗f!llî 84 5.5第5章のまとめ 85

第6章 結 論 6.1熱特性解析}j法

6.2菩熱体熱特性 6.3運転制御性

6.4本蓄熱システムの有用性

ハb ハり ハb ヴi 庁I 00 00 06 00 0δ

謝辞

参考文献 ・...

...88 89

表リスト

表1.1 表1.2 4長1.3 ぷ1.4 友1.5

表3.1 友3.2 表3.3 表3.4

表4.1 表4.2 表4.3 表4.4

告熱システムのl肝要1[�保

代づ友受的な;液(皮支刻{体本顕熱諒! 平 守1容 ;淑f 然熱 L吋 木材寸の4特 作か午，ド川 |七: 代表的なl川J山ペïl{体イ本三顕熱再指j烈糾材 - 0の)q午判-S:'r' 代表的な「巾!ド1白高jy温lL品日nU汁川↑rH淋 梓熱1詐号平守;干;熱糾材-の作，↑↑門'1午|七: 化乍学:蓄熱に利j川 日 されるj以メL凡応Lぶ;似例l

粘土質耐火れんがの物性 計測項目

蓄熱体特性実験条件 去を熱・放熱時の熱収文

実証機の仕様

マグネシア質耐火れんがの物性

証試験における消費電力と供給熱号 本システムと従来システムの比l険

図リスト

凶1.1

!ヌI 1.2

|火I 1.3

図1.4 関1.5 図1.6 図1.7 図1.8 関1.9 図1.10 図1.11 図1.12

図2.1 図2.2 司2.3

� 2.4 さ12.5 図2.6 図2.7 図2.8

年間の電力需要変化 唱ノJ需要の円周変化

筈熱、システムの負イ占パターン 各極蓄熱材の所要谷積とÍI而絡 固体顕熱帯熱式蒸気発生システム l貝接加熱方式

コンクリート板蓄熱体の温度分イti

ベブ、ノレ蓄熱装置を備えた太陽熱発78プラン トの十伽J父 太陽熱発電プラント蓄熱装置のべブ、ルtt司InLJ立分イtj Marksberryらの住宅用砕石諮熱装L?è

ベブル床中心軸上温度分布

ベブル床および耐火壁半径方向温度分布

蓄^熱部の模_式図 蓄熱体解析モデ、ル 沸騰熱伝達率の比較

低圧低熱流束域の沸騰熱伝達の4喜朗 主主熱過程の温度分布挙動

空気流量の影響 グロ気通路IIJ高の影響 蓄熱体厚 さの影響

、、�2.9 蓄熱有効度の時間変化

図2.10 蓄熱体充填率と蓄熱有効度の変化 向12.11

� 2.12

� 2.13

図3.1 図3.2 図3.3 図3.4 図3.5 司3.6 図3.7 図3.8

グロ気流量一定での放熱過程の温度分イti挙動 放熱量一定での放熱過程の温度分布挙動 放熱過程_の空気の温度と流 量_の変化

実験_装置の系 統図

蓄^熱装置 本体 蓄熱れんがの配置 蓄熱体内温度計測位置 二重ふく射遮蔽熱電対 蓄熱体可視化モデル 流動状況の可視化

可視化モデ、ルによる蓄熱過程の流速分布

11

0 1 2 3 4 5 6 7 AU -- 1i 1i 1i 11 1i 1i

1i

qリ 円台U つd qJ っけ qδ っd qJ qJ

閃凶凶凶凶凶阿図凶 11J例化モデ‘ルによる}/{.熱i1114111の流i1f分自

流速分布のモデル化

モデル化した平均úfë Jili分(1_j 1:容熱{本熱交換特性(シリーズ2) 11害熱体熱交換特性(シリーズ3) 掠熱体熱交換特性(シリーズ4)

蓄熱過程における訴熱体qJ �た�Iff)の111iさjjlfljtJIlljE分イ1_j 放熱過程における訪熱体ql央部の111さjjlfljt!ll[度分イli 去を熱過程の菩熱体水平断面↓人]の出j支分イti

�I 3.18 放熱過程の苔熱体水、ド断市内の温度分イt_j

図3.19 熱損失を考慮、した帯熱過程の温度分イliI� j- t�� {!lfCとJ2nliJ111'(の比較 図3.20 熱損失を考慮、した放熱過料の混度分布計TI= 1111とJfnliJ111'Cの比II�交 図3.21 蓄熱有効度

;_;.(13.22 全体システムでの放熱実験条件

図3.23 放熱過程における蓄熱体と空気の組度変化

司3.24 全体システム実験で、の蓄熱体温度分布計算イ!I'[と;よf ùliJ 1tI'[の比11攻 図3.25 放熱過程における空気温度挙動の計算値とxn!lJftI'cの比l険

円14.1 実証機の構造

川4.2 蓄熱過程の空気温度と蓄熱註の変化 図4.3 欣熱過程の空気温度と供給熱量の変化 司4.4 ヒータ通電放熱運転時の挙!lV]

ヌ15.1 コージェネシステム情成区l

;6J 5.2 暖房負荷の口周変化

、�5.3 暖房負荷の週間変化 図5.4 蓄熱システム系統ロ 関5.5 書熱装置の外観

図5.6 一週間の蓄熱量の変化 図5.7 書熱過程の蓄熱体温度分イ1_î 図5.8 蓄熱量の時間変化

。�5.9 放熱過程の蓄熱体温度分布(空気流泣1650 kglh)

。�5.10 放熱過程の蓄熱体温度分布(空気流�lt 700 kglh) 図5.11 放熱時の空気通路の熱伝達率

叫5.12 エネルギーフロー

111

記号の説明

A イえ熱I trÎ禎 ビオ数 比熱

蓄熱体要素あるいはれんがのj111v 等価直径

流路面積 フーリエ数 質量速度

フィン高さ

蓄熱体全長(空気流れノゴl白J) 蓄熱体要素あるいはれんがの長さ 蓄熱材質目

Bl (、

D

de

FhchJL

t

Ms

Nu ヌセノレト数

N 蓄熱体要素あるいはれんがの数

p n R Q

Q

プラントル数 交換熱

ヒータ入力

蓄熱体からの放出熱量 要求蓄熱量

実際の蓄熱藍

蓄熱体全体が一様な温度の場合の蓄熱iij-

一様温度蓄熱の場合の帯熱体単位容積あたりの詐然;IE レイノルズ数

蓄熱体表面と周囲大気との問の然低抗 允信通路|隔

グロ気流れに斜め庁向の符ピッチ フィン間隔

空気流れ方向の管ピッチ

空気流れに直角方向の管ピッチ 温度

空気と蒸気発生器管内流体との対数、ド均温度定 時間

1 04

u

e O V引 ハ U 5 5

QQQQ

qv Re

γWO

SD s f SL Sr T I1Taf

lV

nl�

kJ/kgK ln m ln2

kg/m2s m m m kg

W，MJ/h W.MJ/h W.MJ/h h在J MJ MJ MJ/m:3

m2K1W m m m m

m

。c oc

S

[J 熱通過不 W/m2K

11 流速 ln/

v.ç 苔熱体のみの年半Ih'! ln・1

v.�.c 空気通路を合む詑熱;刊行本全体の谷川 m・1

W 質量流量 kg/h

X 空気流れ万 向， または_クオ リ _{テ ィ} m， 一

y 蓄熱体厚さ方向 ln

Z 書熱体長さ(72気流れに，(( 1ÉJ )J 1('] の引先(Jilll院長T-)Jlíq) m

ギリシャ文字

α 熱伝達半

COA 総合蓄熱有効度

Cs 蓄熱有効度

εν 蓄熱体充填半

伊/ フィン有効度

η/

λ ρ

添字

フィン効率 熱伝導率 密度

α グロ_二工二手_/\\0王f

αc 蓄熱体の入口または出口の空気低温似IJ

d 蓄熱体の入口または出口の空気高温側 / 蒸気発生器管内流体， またはフィン

E 一様温度の蓄熱状態 位内面

1t7 入口

m 平均

。 管外面， またはフィンを合む行外出， または}8J UI=I大気

out 出口

s 蓄熱体要素あるいはれんが

w 蓄熱体要素あるいはれんがの表面

0 初期状態

最小

2 最大

V

W/m2K

W/mK kg/ m;�

第1章 序

1. 1本研究の背景 1. 1. 1蓄熱の必要性

技がllilのエネルギ-f泣終;需要にr1jめる76ノJの;1711介lよ， 近年， J1k終"?It吹1'1�U)ffllびに

|呼応して年々上白川!の傾向にある。 それに(、I�ってイド!日!の百ノJ市I}，tパターンも変化し， [ヌ1 1.1(1)のように1960年代下ばまでは冬季の市叫が多かったのに対して， 1970イ1:-凶か

ら冷房の普及により夏季にピークが現れるようになり，Jl立近では五l-JF:のピークがます ます高くなるとともに， 暖房への福ノ〕利用拡人-により冬不の;11iIiEも川大している。

一日のうちの需要変動を見ると， 凶1.2(1)，(2)に/示すように�t!:1日lのピークfll'iと深伐の 最低値との差が年々拡大していて，電力需要の平準化が電力系統ill川_1ニの大き必l課題ー となっている。 すなわち， 電力会社はピーク;前安をまかなうづEUl没似j作;itを似イJし介 ければならず， 需要が減少するィ交問は発電設備が余剰になって， 一・11を泊しての設備 の利用率はあまり高くない。夜間の余剰電力を書えておいて�tlmにそれを利川すれば，

設備の利用率が向上して発電設備容量の増加を抑えることができる。 また， 火力発泡

150

〉〉芸的OF

蹴100

"

4ミ脚 4くE回 50

0 4 5 6 7 8 9 10 11 12 月

2 3

図，^• ， 年間の電力需要変化

1・6ノJ II\_:-C、の

1 ・11 |

設備においては， 熱効二容の11.Jiし'\，f，'j í� (!:f状態でili%�をîrうことにより，

Lよu唆ガス1)Ï:tl H立折J;niJにもつ々がる， ?� (支比FIli卜(;;:ぴ〉'fGノjをイ1・幼4・IJ川寸る必然I-t， ょこのよ

ーつであり， 各iU力会十u立派代'lUノj料公(j)'，I，'IJ 1) I � ;liiJ}史-を砕:

うなJ要求に効果的な子段の

人して深夜電力を利川した許熱システムの作及拡大をlヌ|っている(:n.( 1)口

7E力需要は夏季の冷房負併によるピーク111'(がイド11\]を通じて11立大と必るので， これを

ドげるための氷蓄熱への関心が|布く， すでにビ、ルや地域冷J)jに'た際に@JIJされて汗及 しつつある(5)烏)^，(7)。

関1.2に見られるように， 1泣近は冬子:も�f: l'矢-の;前�II攻jfiが広がっており， I長 房のための蓄熱による深復電力利川拡大も11('裂な課題になっている口

方

1966.12.18 1995.8.25 一一一 夏季

150 一ー冬季

100 剛 牒 宍脚

〉〉芸的OF

50

24 15 20

電力需要の日周変化 実IJ h

10 時 5

図，_.2 0 0

1. 1. 2蓄熱システムの所要仕様

レストラン必どのビノレ内の ホテル， 州|沈，

本研究では， 都市部におけるオアイス，

暖房あるいは給湯のための比較的規模の大きい業務用熱源を句、定した， 深夜電力を不Ij 用する蓄熱システムを対象とする。

都市部で、のニーズ〉に対応するために， 苔熱システムには高価な上地や注築物内部グロ

-2-

!日iをrL íイ1・する[面積あるいは作積が小さいことがI��ボされ， したがって， 1!?J数決山中イ立 谷村iあたりの書熱i止が大きい151続投-必熱がイベIlf欠の1�f'I:である口 これらの日か， !.強行 イT'rÎ干物質による汚染等の環境問題がないこと， lt文り扱いが〈併効なこと， 火イ三:必こと はいうまでもないu

必定した熱利HJの負何ノ々ターンを凶l.3に， J肝要{I�慌をぷl.1 �こぶすり これはば1('î 積15，000m2程度の病院の例で、ある。 1L� Inftは|刈米川と給湯川の介rn 2，261 MJ/dayを 熱不IJtfJの主要IJ年間借であるt;羽811寺からタノ'J2011与までの12時川で均等にポIJHJすると必

1500

\4?っ\ 二

熱損失分

三 1000

E能|闘 500

I一一

桝目 放熱

。

-500

こiラ= -1000

三

E政+t|l制_{z 一1500}

4心Zミ〈

-2000

。

熱利用形態

所要熱量

4 8 12 16

時 刻 h 図1.3 蓄熱システムの負荷パターン

表1.1 蓄熱システムの所要仕様

20

医療用 130 oc以上(飽和蒸気)

754 MJ/day

給湯用 70'""80 oc

1，507 MJ/day

加湿用(年間600 h) 130 oc以上(飽和蒸気) 419 MJ/h

ピーク日寺 1.674 MJ/h

蓄熱量 7，440 MJ/day

-8^-

24

定し， これに約10%の余怖を今慮した209 MJ/hをベースリードとしたH このベース ロードを前後2 11寺11iI-ctつgh:して6 11ふから22 11.11'七でとしたn そしくゾハ11JIl�川の419 MJIh は， 主として冬不J�ll日iに使川が集qlするものであるが， ベースrIード‘にI I1 8

H与問j分をと乗せして出し\たのが夫般のí� f'lI'tハターンーで、ある《 このj必-f〉U〉jilt人-jjMAUlt 628 MJIhである。苔熱祉は，J寄熱効ギを90% (放熱引火: 10%)とすると7，440 MJ/day

となり， さらに数%の余絡を持たせて7，910 MJ/dayとするリ これを: 22川ヵ、ら6 II，IJ=

までの8 n、?問で蓄熱すれば， 11、子11りあたりの的然Jii;は989 MJ/hである日 ノ戸�J， I�I U){波 線はピーク時の所要放熱f[t 1，674 MJIhの�*にえすするi�f'(I'tハターンを必kじしたもの で， この場合一日の全使用熱量は変わら必いとしており， ピーク放熱:I:� 1，674 MJIh X2hは蓄熱容量を噌加することなくまかなうことができるが， Jj文熱能力はこれに凡 ムった設備とする必要がある。

ここで想定した熱の利用形態は医佼および給湯がqJ 心であるが， 1I乏)j}iげ117にi;r'r�き換 えても蓄熱システムへの負待という点ではrrî]じである。

1.2蓄熱方式の分類と各方式の特徴

これまでに研究ないしは実用化されている者熱)j式を詐熱H、itのエネノレギー形態に よって大別すると，高温の液体あるいは同体の頒熱で、エネノレギーを訴える「似熱糸=熱J^， 物質の融解・ 蒸発の際の相変化に{、ドう潜熱を利月]する 「淋熱訴す熟J， および熱化学反 応や吸着・脱着， 濃度変化の際の物Eg化学的反応illllれにおける烈エネノレギーのl没収・ 放出現象を利用する「化学蓄熱Jの3局知に分けられる。

以下では各方式の特徴を述べ(8)~(12)， 行j) I打�'mのビ、ルで使)I Jする必熱システムに.I1益し た蓄熱方式を探る。

1. 2. 1顕熱蓄熱

M員熱蓄熱の歴史はi片く， 鉄鋼， f実業， ガラスr�;たなど人:� ¹ (の熱を討lj ��するjJEJたの万五 熱回収に使われてきた。 民生用蓄熱システムとしては， ヨーロッパでは1950年代か ら暖房用固体顕熱蓄熱システムが徐々に将及し始め， 川ドイツでは， 現存_， I暖房需要 の25%は深夜電力を利用しているといわれている(].'3)。 日本では1970年代になって温 水蓄熱方式を採用した電気温水器や太陽熱温ノk探がやっと汗及しはじめたのが実状 である。

-1-

顕熱醤熱は， J??熱煤(本の何?切により液体主烈とI，'ïj体的牧に分けられる

液体JE熱は， JfF熱材である液体"1 J与を烈'Iï命送以(本としてflJ Jl.Jでご�0人，1^\I� IJ河川女であり，

T詐熱材としては， ノ1<， イJ機熱煤， �作品川li， 液体令hJ!J !kどがポ11J-!.J�れる こωうちj作I\�j��

取と液体金属は温度範凶によっては淋然11fi然とJf(必る;'m分がある。 液体11ijj熱材を115え るには， 蒸気正にI耐える代総が必要である。

代表的な液体頗熱帯熱材の特性を点� 1.2 (こ/Jえす(10)。

水は大気圧条イI1二ドで使用できるìlnl[広範[}!=lが夫)_{IJ L} 90()Cf'tU主までであることを|除け ば， 比熱は大きく， 毒性や材料腐食性もなく， 断熱的熱材としてすくやれ-た性質をイ1・す る。

有機熱媒は， 高温で蒸気圧が比較的低いので使いやすいが， 熱交Æ↑"1:の点から此l白i 使用温度が限定され， 3500Cないし3900Cが限度である。 イf機熱煤の政両使用温度は

般に引火点より高いので， 熱媒の漏洩に刈ーする考慮が必史である。

HTSやDraw Saltなどの溶融塩は無機庖の溶融混合物で， 1:t;熱材としての熱(向性

質は有機熱媒と液体金属の中間にあり， イ了機熱媒よりも，(，sn止まで使)₁ J IfJ能で、ある。 材 料腐食性も低く， HTSの場合4540C以下では降@の炭ぷ釧が佐川できる(8)。 これら以

蓄熱材

水

夕、ウサムA HTS

( Heat Transfer Salt ) Draw Salt

ナトリウム NaK 鉛 水銀

表1.2 代表的な液体顕熱蓄熱材の特性

実用温度範囲

℃

20 --- 90

180 --- 370

205 --- 540

260 --- 550

125 --- 760

40 --- 760

370 --- 930

370 --- 540

融点

℃

。 13 142

222

98 18 327 -39

-ü一F

比熱 kJ/kgK

4.3 2.8 1.6

1.5

1.3 1 .1 0.16 0.14

イ蒲 考

大気圧 有機熱媒 KNOylNaN02/NaN03 530/0 400/0 7wtO/o

KNOylNaN03 540/0 460/0

タトの行平岡山丘1(では， 附事nによってI-t材料j肉食↑'1:が0Úlし\ものもあるので， 内仰の材料iZEiど にlì:広が必要であるえ

液体金属は熱安定J↑'1:がよいため11.2口fll\.-C、使川できるが， Jt烈i-tJじ11佼I'I<j小さい j;()とノk 銀は比熱が特に小さく， 腐食性と伝性が強い。 支た， ナトリウムとNaI{はノkゃ�<��C との接触によって激しい発熱反応を起こすので取り扱いが公正しい。h支(小;ィr:h.rlはわEJTi?

ßllが必要であり， 十分に竹内された特殊な川途はうJIJとして， 1 (/1:_川の必然材としては 不適当である。

同体蓄熱は， 液体蓄熱の場合のような液体の蒸気川にl耐える術開谷山が不安で， 材 料との共存性も問題がほとんどないという利点がある。 その以1_(， Î ， I rJ îl体の抗熱材その ものを熱の輸送媒体にはできなし\から， 告熱材ーから烈を1!文りH.\すためには気体または 液体を蓄熱材の周囲に流してやる必�がある。 このため， [山|体必然では峠熱ヂ予約を 100%蓄熱材で埋めることは不l可能で， 流体@lf0の分だけの明|泌が必叫になるU

代表的な固体顕熱蓄熱材を表1.3に/示す(10)，( I 1)口|内|体!日以熱J47熱の.{i)F先， た川化{ダIJは 1.4節で述べるが， 蓄熱材には砕石やれんががよく)lJし\られている。 令h.rlは作制あた りの比熱が大きいので蓄熱体をコンパクトにできる以r(!î， I n _{� I} (が，nく， まーた1d!î絡ががI�

ゃれんがなどに比べて1"-'2桁高いので経済性の点では劣るU 表1.3 代表的な固体顕熱蓄熱材の特性

比 実札 密 度 容積比熱 熱伝導率 物 質

kJ/kgK kg/m3 kJ/m3K W/mK

砂利 _{0.84 1，850 1.550 0.4}

砕石 0.84 2.700 2，270 3.84

コンクリートフロック 0.8 2.200 1，760 1.6

れんが _{0.84 1，600 1.340 0.55}

粘土質耐火れんが 0.88 2.150 1.890 1.51 マグネシア質耐火れんが‘ 0.96 2，850 2.740

鋳鉄 0.46 7，800 3.590 47

アルミニウム 0.90 2.700 2.430 226

-G-

1.2.2潜熱蓄熱

物質の融角平洋?熱をポIJ川して烈エネルギーをlt ;. Ji:況しようとい7γィぅ..'ア1" 身にt， すで に1800イド代からイ{-作していたといわれるが， {り1-究IJト|たがり主1\に々--)たのは1970イド 代前、子のエネルギー危機以;Kである。的熱に?併t.��として不IJ川されるのは州市:OM然とII��

移熱であり， 蒸発の|療の幣熱はその1)íj後で、の(本相変化が大さいのでJ.úi�;;�'Iよ不1J ) 1]されな い。幣熱帯熱は蓄熱純度が大きく，訴熱村?をコンパクトにで主る利点bくある。ただ、し，

T:??熱材ーから熱を1&りH\すためには， Illìl体断熱115AAと1，î] +ぷに気体長たは液体の烈'Ii命よさが1:

体が必要であるため， Jぎ熱糟内に熱交換探または熱11諭送:ljJt{本の通路を11党け必ければf らない。 喜子熱材をカフ。セルに人れ， そのカプセルを必然榊|人jに収めて熱'1輸送�ijJtt体の通 路を形成する形式(14)やカプセルごと'1輸送する形式もある。 淋熱折熱は， 相変化時には 蓄熱材の温度変化がないので熱を -定温度で取り11\すことができるといわれている が， 実際には凝固相の熱抵抗により， 融角卒中日が残っていても11i!?熱榊から11\てくる熱l愉 送媒体の温度は次第に低下する(15)のが汗通で， 定�nlu交で熱を取りIl'rすのは作坊では ない。

潜熱蓄熱で最も研究開発が進んでいるのは氷訴熱である。 保々必システムが従来三 れて実用化され， ヒツレや地域冷房に持及しつつある。 そのなかで， 13〈j!?すべき純々び 課題も明らかになってきている(16)。冬季は氷帯熱情にY/IILノ}くを!l'j: JI�友して11反J)HこポIJ川する システムもあるが(5)， 一般には氷蓄熱糟程度の符豆の湖水では暖房負仰をまかない れない。

暖房， 給湯用蓄熱の代表的な潜熱蓄熱材を友1.4に示す(12)。 アルカリノk阿変化物やフ ッ化物， およびそれらの混合総融塩がよくJn_v \られる。 全般的似ríl]として， I被以がflfJi いほど融解熱も大きい。

F待熱蓄熱では，本f1変化にイ、I�う体積変化， 1!??刻材の烈イぷi持率が低いことに起↓大|するれ

ィ可変化への追従性の恋さ， 過冷却や相!分離による1!??熱効本の劣化といった!日!砲がある。

詩熱材の間類によっては， 内部の行IIlJJt足によりj特訓!万II(が�n-E 1"UJして彼縦ケ心気化学LiJど が起こり材料腐食を生じる可能性があるので， 145食'1"1:にI)f:Jして;た)fJ条件に近い形で1..

分検討を行う必要がある(8)。

溶融塩をセラミックスや炭素材料とコンポジット化して凶体顕熱蓄熱材的な形態 にし， 熱媒体と直俊接触させることにより性能と経済性の飛鋭的向1-:をlヌ|る試みもあ る(17)�(21)。

一7-

表1.4 代表的な中高温用潜熱蓄熱材の特性

組成 _{融点 融解熱} 密度 体積融解熱 熱伝導率 蓄熱材

mol% ℃ kJ/kg kg/m3 103 kJ/m3 W/mK

NaOH/KOH 50/50 171 213 1848 364 LiOH/NaOH 30/70 転移185 58 1172 408

融解215 290 NaOH/NaN02 73/27 237 294

NaOH/NaN03 81.5/18.5 257 292 1846 539 0.621 NaCI/KCI/MgCI2 33.0/21.6 385 234

/45.4

Li2COyNa2C03 53.3/46.7 496 372

LiF/CaF2 80.5/19.5 763 757 2046 1549

LiF 845 1015 1809 1836 1.02

MgF2 1263 883 2430 2146 0.08

1. 2. 3化学蓄熱

化学蓄熱は， 熱化学反応を利用して熱エネノレギーを化学エ不ルギーの形で、読える喜子 熱方式の総称、である。 利用される反応には極々のものが提案されている。 化学帯熱は 熱化学反応の反応熱が大きいことから， i員熱蓄熱や?fr熱訴熱に比べて必然術JJr.が大き いという未Ij点を有する。 欠点としては， 帯熱H与の/j:_成物が気体の場合には作Æt'Jを小さ くするために液化しなければならず， その際の凝縮淋熱をイI効にポIj川できなければそ のまま熱損失になって， 蓄熱効率が{尽くなるといった!日j題点をイIしている口

表1.5に反応形態ごとに化学蓄熱の原則・特徴と代4史的)x)ぶ例をIJ�(J-o 11本rl�1内で

は， 通商産業省の大型省エネノレギー技術開発i!JIJ J.主.で、):;)j包されている「スーパヒートポ ンプ・ エネノレギー集積システムJ技術の研究開発(22)で， 冷熱詐熱とAlbi41;容熱の研究 がなされ， 5種類の化学蓄熱万式のベンチプラントでの夫験から一部はパイロットシ ステム製作へと進んでいる。 実験結果によると， 熱同収率， すなわち蓄熱時の人熱円 に対する取り出された熱量の比である苔熱効率は50"'-'60%にとどまっていて， あま り高くない。 そのほかにも多くの研究事例があり実用規模のシステムまで開発されて

-8-

分 類

表， .5 化学蓄熱に利用される反応例

原 理 ・ 特 徴 利用される反応例または媒体 触媒存在下における可逆的

蓄熱密度MJ/m3

気相触媒 | 熱化学反応を利用。高温に適I CH4 ⁺ H20�主CO +3H2

I

究されている。

非触媒系

気・固反応|無機塩の熱化学反応による 分解 ・生成を利用。分解によ :って生成する気体の圧縮あ るいは凝縮が容易なことが 非触媒系|必要。

気・液反応

Ca(OH)2 喜三CaO⁺ H20

固体 固体 気体

NH4HS04主主NH3⁺ H20 ⁺ S03 液体 気体 気体 気体

金属水素化|非触媒系気 固反応である _MgH2

反応 力ず司反応速度は比較的速し\0 固体 玉三Mg⁺ H2 国体 気体

水分の吸着あるいは脱着に

吸着・脱着|伴う発熱 ・吸熱反応を利用。|ゼオライト司活性炭司シリカゲル 反応は一般に遅い。

酸あるいはアルカリの水溶

濃度差 |液の加熱による濃縮と希釈|硫酸溶液司NaOH 溶液、しiBr溶液 による放熱を利用。

1960

3100

2550

820

いるものもあるが， 蓄熱効率の低さから， 告然システムよりもヒートポンプとしての 利用方法が研究されている。

1.3蓄熱方式の選定と蓄熱システムの構成 1. 3. 1蓄熱方式の選定

木研究では， 暖房・給湯のための業務用高萩度蓄熱システムを比較的知し\期間で開 発することを念頭に置いている。

1.2節で述べた3種類の蓄熱方式のうち， 蓄熱密度， すなわち答熱材単位容積あた りの蓄熱能力が最も高いのは化学蓄熱， 次いで潜熱帯熱， そして顕熱菩熱である。

-9-

「化学芸熱JはJえがfEIでもパイロットプラントでのl削除例があり，大�)!J(/)J成に出して し1るとされているシステムもあるが， 1 \/1-，) I:JにJl:Jし、るにI't'ム:??'rl:ベコ料治:'rt七かめて俳 決すべきl課題が多い() �だ研究段附といってよい、 し\くつかの)iJL�片足や熱交換片足， J父 応・生成物質の貯峨谷泌が必要で， システムがfii制f-にfより， 的熱材t:けでかた1:iJj烈特j 度は高くてもシステム全体としては必ずしもコンパクトにな九々し\¹¹ f能↑t忠あるの1与Jj 熱効率が低いことも運転H年の経済性のI (üでは川)起である。

「潜熱蓄熱」は氷詩熱など冷熱の分野ではすでに:k)!J化されているもωω， Iぽυj， 給 湯， 力日湿用の比較的温度の向いレベノレで、は夫川例は少必いり 断熱が人-きい1!tlf然材は 1.2.2項で述べたように融点が高いので，1山fι月1詐!与平詐:f与;千;熱l符ヰ恥;汀l皮支化しようとすす-ると必然|的竹に|Al(.\11川'Jバ心仏げs口仏i汁而川y[討1

化するが， 高温用の潜熱蓄熱材は未だ研究段附にあるものがほとんどで， 過冷却J， 過 飽和， 蓄熱材の劣化や材料腐食性等， 解明すべき技術記長旭ーが多い。 1'"心川';J.:;

や火災に対する安全性への配慮慮、も必必、要でで、あるO

「顕熱蓄熱Jは技術的課題が少なく， 開発に、可たってクリアすべきハードルは故も低 い。 蓄熱密度を上げるには高出化が必要である。 1{�1bl化するとなると， 液体fu1fl熱Jt子熱 は高温で使用できる蓄熱材は友1.2に婦げたHTSなどの昨日出品liやダウサム八など作 機熱媒に限られる。HTSは腐食性の少ない熔刷出として知られてし、る。 しかし1420C 以下では凝固するので， 蓄熱材そのものを熱l愉送媒体としてポIj Jl:Jすることはできない。

別の熱輸送媒体との熱交換が必要にな る。1131品溶融状態で、のJP?熱れlfからの漏洩に対す る対策も必要になろう。 有機熱媒は高温化に{，I�ってぷ�Ul:がr\':jく必るとともに， ，Ffi実(i と温度によっては引火点を趨えるので， 安全性の而で使jけしづらい。

体顕熱蓄熱は， 熱輸送媒体は必要となるが安全性のI íríではほとんど川組がない。

図1.4に1.1.2項で設定した苔熱量7.910 MJを件るのに必l長な各純断然， 1併売!LJS 熱材の充填率を75%とした詳熱体作積と概!格の1111î絡を/Jミすo H1熱1HJj熱材では，行IIU交変 化によ る液相および同相領域の顕熱もポI]H)するものとしているu

この図で明らかなように，J寄熱イ本容積を小さくしようとすると倒的仁!Ir'，'jく必る傾向 にあるが，蓄熱密度の点からは国体、顕熱蓄熱材の 什iと7�熱11fj然材がlLli絡j支詐熱シス テムの候補材料である。 それらの中から経済性を与慮してJff熱材を選定することに仕 る。 潜熱蓄熱材は材料自身の価格は比較的安い反面， カプセル化を行ったり， 熱伝導 性の悪さを補う伝熱促進手段(2:3)を必要とするなどのコスト[而で、の不イ推定要素や，熱物 性値， 材料腐食性の問題を含めて開発要素が伐っているため， �I期開発をねらうには

nv T・i

蓄熱容子

7‘910 MJ

熱材充填率

75 %

寸

• �!_S 200-500l)C

粘土質耐火れんが

200-8000C

企 れんが

200-7000C

� マグネシア質

耐火れんが

200-8000C "

鋳鉄 A

200-7000C

卜N州J伯叫ωa2ω2ρ机仰C∞叫ωO仇ωJρ州/沖卜

200一5000C ./一

KCI/MgCIJNaCI

200-5000C ト

10，000

nu nu nU 4EE'

E門OF

.砕石

200-4500C

100 �

相仲田英特採糊

砕石 企

200-7000C -

-水

20-900C

-液体顕熱蓄熱材 企固体顕熱蓄熱材 ロ潜熱蓄熱材 10

100 10 50

5

蓄熱体容積 m3

各種蓄熱材の所要容積と価格 図，^.4

必ずしも適当な蓄熱材とはいえない。

メインテナンスがほとんど不I�なこと 安全で信頼性がl向く，

業務用としては，

システムとしてはできるだけ巾純であるのが明ましいの 廃来の|僚の処 が要求される。

設備費， 運転経費とも低コストであることはも 理が容易なことも一つの条件となる。

ちろんである。

以上のことを総合的に勘案すると，短期間で開発をねらうI134的交指熱、ンステムとし

#1マJ.�材 ては， 伎術的課題が少なく安全性も確保しやすい|川本以熱抗熱が泊している。

イみイJ 必然科4fjが大きし り 主た

図1.4から価絡面では砕石が紋も1;いが，

としては，

は産地により物性がYとなると与えられる。

したがって， 本研究では粘上質耐火れんがあるいはγグネ、ンア質的f'J火れんがを詐熱 材とする。 鋳鉄も候補となりうるが，イùfi絡がI(Jiし\こととIll.Ji?1114での般化による物↑JI-:やR

面状態の変化が予怨されるので除外する。

1.3.2蓄熱システムの構成

体顕熱蓄熱を利用して蒸気を発生させる必然システムの法本的情成をポ およびこれら 蓄熱六[�^{， ぷ気発生部，}

この蓄熱システムは， 加熱部，

1.5は したものである。

加熱部 蒸気下ラム

空気通路

飽和蒸気

蓄熱体 給水

蓄熱部 蒸気発生部

蒸発管 山町C一一-栴

空気循環ファン

図1.5 固体顕熱蓄熱式蒸気発生システム

の聞を熱輸送媒体として空気を循環させる空気侃環系で、柿!ぶされる。

加熱部は， 電気ヒータと入力制御系から成る。 指熱;'fl$は|ヌ|に概念的に/Jミしているよ うに， 耐火れんがを隣のれんがとの!日jに空気通路を設けつつ， ゐljみ，fcねて十，Vt )J父する。

蒸気発生部は蒸発管と蒸気ドラムが主安部分であり， これに給ノkポンプ， 水位及び正 力制御系が付属する。 空気循環系は空気街球ファンとグ、クトなどから成る。

蓄熱過程では， ファンで供給され78気ヒータで)JIゆ��された，'，'，'Î111lt �}� �(が11fj熱1mに流入 し， そこで蓄熱体に熱を与えた後， 低混になってブアンにjえる。 放がり品れでは， ブア ンの入口空気温度を低く保つために空気の流れ)Jlr，]を逆'Húさせ， 必然体ヵ、ら熱を三:け て高温になった空気は蒸気先生総で、ノkと熱交換して低7lilになってプアンにJ�るり}i文烈 過程では電気ヒータには通電しない。

T等熱{本を電気ヒータによって加熱する場介の力IJ烈)jょにには， 大きく分けて， "f( t刻Jrl 熱方式と問俵加熱方式の一つの方式がある。

接加熱方式は， 図1.6のように積み重ねた詳熱体ブロックに78541ヒータを分散配 置する方式で， 電気ヒータからの熱は大部分はふく射によって帯熱体に伝えられる。

この方式を高温蓄熱システムに採用する場合， 1tiも屯裂な問題はヒータを訂作品I[度以 下に確実に制御することができるかという点である。 詐熱体の出皮は11刊行的， 宅rm的

- 1 2-

蓄熱体

シースヒータ

図1.6 直接加熱方式

に変化するので， ヒータのオーバーヒートを防ぐには，ヒータのYlI1U�を|lIJ史的あるい は間接的に検出してヒータ入力を調整する必安がある。 分散IJ��iì/r�されている多数のヒ ータを個別に制御するのは現実的でないので，あるf\U交.グループ分けして制御するこ とになるが，この方法ではきめ細かい制御はできず， 抗烈体制度を低めに11íJえて余f�

を持ってヒータを保護する必要がある。 ヨーロッパを'1'心に従*からdn坂されている 比較的規模の小さい蓄熱式暖房機ではこの"1妓加熱ノjょが係川されており，111Jj熱イ本の 取高温度は6500C以下で設計されている(1:3).(2，1) �(2G)。

間接加熱万式は，ヒータを告熱体とは別にl没íi'r:し， このヒータで、lfMJillに})[I熱したシ足 気を蓄熱体に導いて蓄熱体を加熱する万点で、ある。 このノ) _fにの1，立大の不IJl、けま， ヒータ からの熱除去が強制対流によって行われるため，シ;そ5tLのヤI��'U市J11;とヒータ人ノjを;IíIJ1�-"

することによってヒータ温度を他夫に制限n，L度以ドに保持できることであり， 800�

10000Cレベルの訴熱も�If能である。 欠点は， ¹ '，)j i/uLペ��(/)'+1，2然体に熱をI j_えて引先行:li�_l��

ファンへと足る際の温度をファンの保護のためにあ主り111くでき々いことであるF この

混度は通常3500C程度と考えてよいが， この温度出IJ似のため訴熱体のボ端部分l土佐lfJ1 温度まで加熱することが不可能となる。

間接加熱方式にはこのような欠点があるが， ヒータをJtql配iiそできるので、爪按)JII熱

方式の分散配置よりメインテナンスの点でもイf利である。 本システムでは諮熱出度の

-l :�-

，\'乙心a;1刊'J' ねらう

1.4団体顕熱蓄熱の従来の研究

I�îl体顕熱諒熱に|対しては， 1長肘JìJに作反しているドイツに;MilllIl|)けだやイfJIJ'rtにI�'.Jす る文献がいくつか凡られる。 Harrscharら(21)は， れんがをTHJj燃料とする11乏);J機， 給iJ"j 機， ヒートポンプについて， f，Yt造やエネルギーバランスを/Jミしている() Gr・ünschläger ら(25)は，れんがを蓄熱材とする病宅暖房HJ#i熱装円のイ1=保とjilllhWiJ↓Jaを紹介してし\るE これらの論文は装置や運転結果の概史を述べているのみで， 訴然体のt.�け，1j:'I'l:には， �-lえ していない。

Palmourら(26)は， セントラルヒーティングHJの比較的作ほの大きい訴熱装同を対 象として， 地元産のカンランえ与を主原料とした訴熱川れんがをIJH発し， 民IEI��の訴熱 れんがと熱的特性や耐久性について比l鮫実験を行っている。欧州|で汗反している11fifA 式暖房機は個別の部屋用で， 省スペースのJ1から熱作:ltの大きいγグネシア系のれん がを蓄熱材としているが， これは高イ!I日で、あるのでセントラルヒーティングにはIr"j/J 、々 いため， 経済性の観点から地冗庄のカンランれにイ'} uしたものである。 THJj烈�II，'PのみIlt!�

はれんがに電気ヒータを埋め込んだ、直接力11熱ノJ式によっている。;よ5!験京li;Jr;から， れん がの熱的特性や耐久性はれんがの組成や結合材の極知， 製造);1)1に依存すると述べて いる。 蓄熱体内の温度分布のデータもぷされているが， 熱午、，'f'I"I: �こ|刻してIÎ下しいIÎ己主Bは ない。

稲葉ら(27)もカンラン岩を粉砕，分級したオリビンサンドをì-:)J; _{[料とするれんがを川} いた蓄熱式暖房機を開発して， その運転結果を心している() í詐_熱r/rrL_J主-_は5000_C II�主り である。

小泉ら(28)は， 空調用蓄熱装置として， )乍さ10mmのコンクリート似を4mml川I�\�

で並べた蓄熱体の蓄熱， 放熱特性をßH論的に解析し， )ミ験結果と比絞しているしI�I 1.7はその結果の一例であり， ヒ段のグラブは抗熱逃れ， 1'-段はj次烈(II}/IJ _iMf1åを 表す。 (c)図のコンクリートの吸向k性を与慮しない解析結米は(a) I�Iの)p険料i洪と かなり異なる温度分布になるが， l汲Ylï�性をJ3j-l註すると(b) I�Iのようになり， xiHIJ1111 とほぼ一致する。 吸湿性のない蓄熱体が優れた再生効率をぶすと述べている。 この装

置は蓄熱時もコンクリート板の聞に空気を流す間接)JIl熱庁式であるが， í苦熱温度は -11-

70 60 50

ι〉

世民 20

国費 ₆₀

50 40 30

3 4

(a)測定温度分布

。

ー一ーー空気温度 一一 蓄熱体温度

ーー空気温度 一一蓄熱体温度

2 3

距 離

4

昨1

(b)シミュレーション 温度分布

。

一一一ー空気温度 一一 蓄熱体温度

一ーーー空気温度 一一蓄熱体温度

2 3

初期温度 初期温度

4 5

(c)吸湿性のない場合の シミュレーション 図1.7 コンクリート板蓄熱体の温度分布

間]々600C程度であり，ノド研究の若熱システムとは行IIUJ[レベルがかけ陥れているuまた

同蓄^熱密 度 化の視点_で、の解析はなされていない。

れんが以外では，砕 あるいはぺブツレを)1]し\た訴熱の研究IJ日発が各ノJ I(，jで11fJ-売にな されている 。 これらを蓄熱材とする場介には;265dヒータヤ〉の))11熱初日をJmu

むことができないので， 必然的に流体を介して I1\J抜力|防!

Thomsonら(29)は， ナトリウムを作動流体とする100 kW太陽熱発泡プラントにへ ブ、ル帯熱装置を設置している。 プラント情成はlヌ1 1.8にIJミすように， 叉熱烈で)J11r.��し たナトリウムを熱交換片足で空気と熱交換させ， へブル合允j-l'�した1VjfA(本に.，'，'，'ìn，L!に々っ

たシ;y気を流して長熱させるもので， }j文然11与にはシ;月九(0)úfë 1VJ ) _j 1 (1]会j引いさせ， JIマ41Hjlと 1 �ÎJじ熱交換法でナトリウムをみ11熱する口 ベプマルは4 cm ，f'tUio)ノにきさのものが)1 Jし _〉 れてい る。 蓄熱装置の大きさは， 84m問ノ;x I日さ10 m， 必然科:il;はIr}大3120 MWh

(11.2 _X 106 MJ)， i皮肉書熱体温度は5880Cである。 [:;<1 1.9はぺフツレ床の1I11L度分イtíの 計算結果であり，蓄熱と放熱のサイクルでの頂部と底部の組度変化師がし\ずれも280C，

560C， 830Cの場合の蓄熱終了時と放熱終(fl、干の温度分イ1íが/戸されているJ

Marksberryら(:30)は， 欧州で使用されている蓄熱式11&))J機が米rEiで将及しないのは

-1 {)-

受熱器

蓄熱システム

lXl--rt司減圧器

|

ポンプ!

�

低温貯槽

J

図1.8 ペブル蓄熱装置を備えた太陽熱発電プラントの構成

600

550

500

ハUFD A斗

υ。

悩 唄

400

350

。 2 3 4 5 6

高 さ m

図1.9 太陽熱発電プラント蓄熱装置のペブル床温度分布

蓄熱体にれんがを使用していてコストが布いためとして，日長イI!liな砕石をJZ熱材とする 住宅用蓄熱装置の開発を行っている。 その構造を凶1.10 �こぷす。 砕石を入れたI_lJ筒 形の蓄熱体容器に電気ヒータで暖めた空気を流して書熱する。放熱11寺には諮熱体に空

-^{J G}-

%を逆向きに流して熱風を取り11\す。-I1，:r.{\71ulJ tt G 50oC， -1111渋谷:Il� 150'"'"' 180 kWh (540

�G48 MJ)の装山を15ケJJfの什"/七の地卜.本にliMそしてソィールドテストが々されて

おり， その結果がitlUりされているが， 11ijj然体のt.{�特'ド1:に|民jする1;"GJili{立以いち

大森ら(:11 )は， MHD発電}lJのtN熱式情気予然保のj:1tLi命解析と'k�"倹のがi*を凶(ltして

いる。 この子熱�は， MHD発屯機のj)l:プゴスを不Ij}I Jして燃焼川明%を15000Cに)JII7.'<�す るもので， 復数の子熱球を\l(�ダリにrt交配し， 詐熱泊料はj)l:ガスを， }/:l.熱i品Fliはツ沢弘Lを必 然体に流して空気を予熱するo T;??熱体は， マグネシア伐のれんがをねJメI'_�fた}I;I"と11'(

符25 mmおよび10mmのべブ、ノレを允-出したjvjをシリーズに悦べてあわ&している、

空気予熱取の外形、J-法は111ft.歪1.2m， i'.可さ7.9 mで， r(lf，j火材で|勾リkりした内;'fl�の115熱 室に蓄熱体が納められている。蓄熱主は対辺の川I�請が300mmの1I�ノに角形であるζ1;iJj 熱体の温度分布を流れ方向一次元で解析して夫測値と比較しており， 1耐火材の熱代九!�

が無視できないことが述べられている。

口川ら(32)，(33)も， MHD発電用の蓄熱式高温熱交換取の実験とßI!論解析を行った。

蓄熱部は内径1.1m， 高さ3mの円筒形で， 同りは厚さ250mmの耐火唱でIJHまれて いる。 内部に蓄熱材として直径20mmのアルミナベブ、ノレが光山されており， 11iJj熱時

砕石

電気ヒータ

制御装置 ダンパ ファン

図1. 10 M arksberryらの住宅用砕石蓄熱装置

-1 7^-

には高温の燃焼ガスがベブル床内をドr(lJきに， 的熱11、?にはアルゴンがI -.!Î'J 0-に流れて 約18000Cに加熱される。故初， 34f本とベソツレならびにえし(トとlói，t火11だとの11\1の熱伝ijjー のみを与慮、した尚さえ，-r古!の -次ノじW�析を11"い， ベブ、ル!木内ω'1' 心'1411に治う1)"t}江分イI îの 経fJ寺変化をよJ定めて， 夫:験怖をほぼ�)1IYjできるがJJ4!:を件たとしている。 次いで， ヘブ、ル 床の'MLff向・半径メゴ向熱伝導， 気体の泌介による'1411 }JI{'J・、|ιl�)jIÎ'Jの熱伝将， ヘブ、ル 床からI耐火壁への熱伝達も45慮、した:次ノ己解析を1 J-って，え:!倹fll'Cとのl七'1吹から， ベブ ノレ派内での、ド径庁防!の気体の混合が子位(以IJこfl{泣ーされていること '1' 心'1411 1:でのn，L 度変化は一次元解析結果とほとんど同じであることを凡1I \してし1る。|文1 1.11および 凶1.12は解析結果の一例である。ql心'IQII [:の温度分イI î ，、|ノ二作:)JI{'Jの行"uit分イI îともに，

計算値は実測値を十分表し得ていないようである。

Ismailら(34)は， ベブルやカプセル状の!ulñ熱あるいはU1熱詐熱材の光山k1の熱流動

を4種類のモデルで、比較解析して， 粒子(ベブルやカプセル)の大きさ， 作動yf，d本の 流量， 蓄熱材や作動流体の種類， 作動流体の人r 1温度変化， プêlÚ)'�f'lのツ;そI�日本の;;開平を 調べている。4種類のモデルとは， (1)蓄熱材を連続休として取り扱う辿あ'�I，'il体モデノレ，

(2)充填層の半径方向の熱伝導， 流体内の熱伝将， ポ，'{子1I'rJの熱交換を1l圧倒し た Schumannのモデ、ル， (3)粒子と流体の温度が等しいとするqí_相モデ、ル， および(4)粒

2000

1800卜|一一実測値 1600 I ^，ーーー計算値

// "'/グ，

ρ 1200

制1000

� / /〆/ ，，γ "，1

1/ ノ/

/

/ノγ ，

600 400 200

。

。 10 20 30 40 50

時 間 h

図1 . 1 1 ペブル床中心軸上温度分布

-1 8-

1.5 _•

ーー-一ー ー『ー

L2 I L3 2000

1800 1600 1400 らコ 1200 制 1000

800 600 400 200

。。

3.0 _{_}

-ーーーーー一一ーー-2.6 ーーー一ー一ーーーー一一^{-1・- -ー}-ーーーーーーーーーーーー^---ー^.--ー- _ 2.0 ーーーーーーーーーーーーーーー--0 ⁰_ーー

--ーーーーーーーー『0.5 _・-ーーーーーー ー ー-

0.15 ・ -ー

高さlm5---0一一一一一

.0実演，IJ値 一ー計算値

。 Jトl|，叶 ト 、、、、‘、‘‘司 、、.司、‘h・、‘、、、、、・、.、、、、、、4

1-J

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、、‘向、、、、、、、

ーーーーーーーーーー 1..9---___0

20 40

半径方向位置

cm

60 80

図'.'2 ペプル床および耐火壁半径方向温度分布

子内の温度勾配を考慮する組度拡散モデルで、ある。 比l肢の結果， Y/IIUJt拡散モデノレでは 粒子の大きさの影響が他のモデ、ルより大きく現れる。 その他のパラメータに刈aしては

計算モデ、ノレによる差異は小さい。

川ら(35)は， セラミックハニカムを帯熱材とし，燃焼炉1)1=ガスの熱を1"1収して燃焼 用空気の予熱に用いる切替蓄熱式熱交換掠の特性について， 次J己流れを仮定して対 流伝熱とふく射を考慮、した解析を行い，宅気流量とJ??熱イ本IH ₁₁ ��気温度.の関係を，iHðべ ている。 流量変化の影響が醤熱時とj汝熱II年とで見なり， 燃焼カiの特性も絡んで後維な

挙動を示すと述べている。

以kのように， 同体顕熱指熱の研究は，I反))}のみならず燃焼引父子熱烈などの川途 も合めて各方面で行われているが，ï等熱{本の熱特'↑"1:に|共!しては1:ijj熱材にイjJt�イIやセラ ックハニカムを用いた場合についての研究例があるものの， イ叫りf先で対象としている れんがと空気通路で構成する蓄熱体の熱特性を詳細に訓べた研究は凡あたらず，れん がと空気通路の寸法の関係など， 高密度蓄熱の!要件はIYJ仰になっていなし\。

ハひ

1 . 5本研究の目的と本論文の構成

本研究のlri終11的は， K1)rti;'fI)における州I)�'ë， レストケン咋のうと冷川烈iJJ;tを必辻'した

深夜屯ノバIJJ日のコンパクトなlil続Jtr・，\'，'j?/IlL t'!t熱シスケムを|ji17bvkj-ろことにあ石 本{り「

究では，開発の重要な要素であるシステムの熱午，}:'I'I:をllHd;命(t'-.J， 実験的に|リ!らかにして，

システムをコンパクト化するための安門:を凡1I "し， そjしをホとに十I�IJ-)Jえし-た14;jmlシステ ムの仔月]性を実証することを日的としている。

そのために， 第2濯では， 帯熱部と)][1鎖的iおよびf反対活性;:fI)のII\JにシrKLを�I�以さ斗てj­

て蓄熱， 放熱を行うシステムにおいて， ï詐熱1mの温度分イIîのIL'f Il\J変化おkびシステL 全体の蓄熱・放熱特性を理論的に解析し， システムイゴ本の'1'でll�も大きい作杭をrI îめ る苔熱部をコンパクトにする条件を見出す。

次いで第3章では， 1.1.2項で設定した書熱屯;の約1/3.5の規模の袋内で)ミー忠実を行い，

蓄熱・放熱特性を調べて理論解析結果と比l険し， Zf� 2 ì;?-C、IJミした解析下法の妥、'í ，，'[:を 検証する。

その結果をもとに実機規模のシステムを製作して， 夫|僚の佐川状態での1;初挑・放熱 特性を調べた結果を第4章で述べる。

第5章では， 本システムの一つの応用例として， i架イ文屯ノjの代わりにエンジン廃熱 を熱源とする蓄熱システムをガスエンジンコージェネレーションシステムに泌UIJし た運転結果を述べる。

最後に， 以上の結果から， 高密度.高温顕熱1醤望笠;熱システムの1烈?討挑��け卯4午午4'，1、，1[:'1' するO

-20-

1.6第1章のまとめ

支ずい1頭で、干えが114UM-GノJ;11j 115の変mと引状をぷし，IU)J1�(lItf、!とすf(�化のために深伐屯

)Jを不IJ川した詳熱がM不のみで必く冬ノ下ーも必ぜなことを述べたり イメ{リ|ゲヒではビルl人jの 暖房， 給湯のための比較的規模の大きい業務川詐烈システムを対象とし， その -例と して病院を取りとげて， �.t1"�パターンと115171L装iil;:に'Bf求される{ 1:似を/Jミした。

次いで， 菩熱万式をi頃熱J:子熱， ?，持熱1:fj熱， 化γ:詐熱に大)JIJして， それぞれの特徴と 現在の技術レベルを概説した。 淋熱詐烈，イヒワ;:詐熱は詐熱材1'1身のIJトi発や�.，'f:)1、f|:134千どを 合めて未だ課題が多く， ノド研究でねらう短期IJloげをには不1'" Jきである。 故終的に技術11県 題が少なく安全性も確保しやすいれんがを訴熱材とする[，Iil体断然訪烈ノjぷを�íiし て， 省スペース ・高蓄熱密度化のために8000Cレベルの1'1'机Ilt?r熱を行うこととした。

さらに， 加熱部， 苔熱部， 蒸気発生部， およびこれらの11\1を熱'1治活煤体として宅討 を循環させる蓄熱システムの概念を示し， 従米の研究をレビ、ューした。 れんがを1!??熱 材とする蓄熱システムについては研究事例が少なく，lci密度訪熱の要件がIYJ確になっ ていない。

以上にもとづいて， システムの熱特性をI}!jらかにするという本研究の11的を述べた。

、，AOム

第2章 蓄熱・放熱特性の理論的検討

2. 1理論解析手法 2. 1. 1解析の目的

若熱システムにおいて熱の反受を行うのは力11

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t!l t}�

それぞれの部分がどのような特性を持ち， システムイモーやドがどのkうな不動を/J�-Jーかを 予測することが蓄熱システムの)J;本11:係を決Jiごし， さらにそれを以迫化寸る1..で不IIJ

欠である。このために必要なのが苦熱システムの性能シミュレーションであるυ シ ュレーションに求められる機能は， 蔀熱体の岐過な形状・、J-yt ・配ダIJヤトを凡tUし， ま

た与えられた運転条件の下での蓄熱システムの総合的な性能を予測できることであ る。そのシミュレーションを行うのが木解析の目的である。

蓄熱システムに関する従来の解析の多くは， 11E熱;干r�だけのTlt!?熱過f'l�あるいはjj文熱過 程を対象としている。このような解析では，蓄熱部の熱的特性を矢1Iることはできても，

所要の蒸気発生量を得るためのシステムの操作条件， たとえば所��空気流f止などを直 後求めることはできない。蓄熱部と蒸気発生部とを組み介わせて， ïぞ?熱システム全体 を対象とした解析を行わなければならない。

蓄熱部については， 蓄熱体に関する非定常熱伝導ノJ.411よを'j-えられた坑界条件と初 期条件のもとに解く問題として取り倣うことができる。ぷ気発生加については， 対流 用j熱交換器の性能予測の問題に帰着するから， 一般の熱交換伐の性能li111ノパ去が@JIJ できる。

2. 1.2蓄熱部のモデル化と基礎式

ここで取り扱う解析(36)，(37)の対象として， Jij訪れ音I�に|共!しては光山本が比11攻(内人-きく とれる直メガ本のれんが蓄熱材を積み上げて構成したTiff斜体の場介に|以AËする。|ヌI _2.1 は苦熱部を模式的に示したものである。何々のれんがは!r'()j体で， これを後数のダIJに 並べて全体の蓄熱体を構成する。各列の蓄熱体の問には、内f、ILt反間と凡なせる空気通 路が形成され， 蓄熱体と熱交換を行う空気は各列の聞の通路をi二向きまたはドIpJきに 一様に流れる。積み重ねられた上下のれんがの問は空気は通過しないものとする。 蓄 熱体全体は両側で断熱材を介して外部と隔てられている。

解析に当たって 以下の仮定をおく。

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