低温潜熱物質を分散体としたO/W型エマルションを用いた蓄冷システムに関する基礎研究 : 第3報,空気-エマルション直接接触熱交換法による放冷特性

The thermal properties, the flow and cold heat-storage characteristics of the O/W-type emulsion were reported in the first and the second report, respectively. This paper deals with cold heat-release characteristics of the oil (tetradecane, C_<14>H_<30>, freezing point 278.9K)/water emulsion as a latent heat-storage material having a low melting point. An air-emulsion direct contact heat exchange method was selected for the cold heat-release from the solidified emulsion layer. The temperature effectiveness, the sensible heat release time and the latent heat release time were measured as experimental parameters. The useful nondimensional correlation equations for those parameters were derived in terms of nondimensional emulsion level expressed the emulsion layer dimensions, Reynolds number for air flow, Stefan number and heat capacity ratio.

熱媒体としての水中に低温潜熱蓄冷物質を分散混合した潜熱蓄冷は、その凝固状態においても未凍結の熱媒体により流動性を保持し、凝固熱媒体の流動搬送が可能であり、蓄冷システムの構築に新たな発展が期待できる。このような流動性に富む潜熱蓄冷材を対象として前報においては、低温潜熱物質であるテトラデカン（C14H30、融点Yf=278.9K、潜熱量L=229kj/kg）を連続相である水に微細分散したOil/Water型エマルションの熱物性、輸送特性において重要となる粘性評価を行った。さらに、コイル状二重管式熱交換器を用いた潜熱蓄冷（凝固）実験を行い、流動、熱伝達および蓄冷時間についても明らかにしてきた。潜熱蓄冷材料の冷熱（融解潜熱）を利用する際の有利点は、潜熱蓄冷材の融解時にその融点付近の一定温度を安定的に利用することができることである。このような潜熱蓄冷材融点付近の一定温度を低温熱源として効率的利用するためには、分散質としての凝固潜熱体と被冷却媒体としての暖かい空気との直接接触熱交換によるエマルションの放冷が有効と考えられる。気液接触式熱交換に関する従来の研究では、加藤らが水道水およびカルボキシメチルセルローズ中に空気を噴出したときの気液界面積を測定し、さらに、亜硫酸水溶液中への酸素の吸収速度、イオン交換水中への炭酸ガスの吸収速度の測定より液相側物質伝達係数の算出を行っている。Mersmannらは、固体粒子および水中に空気を流動させた場合の熱伝達係数に関する検討を行っている。また、著者らも新しい型の暖房器を目指した研究で温水層に微細な空気泡を吹き込み、空気温度と温度制御を同時に効率的に行う気液直接接触熱交換器の提示を行っている。しかしながら、空気と流動微細固体との直接接触式熱交換に関して、微細凝固体の潜熱相変化を伴う放冷過程を扱った研究は見当たらない。本研究は、この種の潜熱エマルション蓄冷システムの基本的放冷特性を把握する目的より分散質である低温微細凝固潜熱蓄冷体を含むO/W型エマルション充填槽下部から、暖かい空気を多数の円形ノズルより吹き込んだ場合の放冷特性を実験的に検討するものである。ここでは、凝固エマルションの基本的放冷特性を検討する立場から取り扱いの容易なようにエマルション充填槽は円筒形容器とし、さらに、ノズルも単一直径の円形を採用してある。その放冷熱特性に影響を及ぼす実験パラメータとしてエマルション中の潜熱物質であるテトラデカン油濃度、エマルション液位、初期エマルション温度、入口暖空気温度および空気ノズル噴出速度を検討してある。すなわち、これらの実験パラメータがこの種の放冷システム構築において重要となる顕熱および潜熱放冷時間そして潜熱放冷時の熱交換後低温空気温度に及ぼす影響を実験的に明らかにするものである。

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