低凝固点油滴の凝固を利用した潜熱蓄冷に関する基礎研究 : 第1報,低温水溶液中を浮上するテトラデカン油滴の流動および凝固特性

Flow and solidification characteristics of tetradecane droplets [melting point of 5.8℃, latent heat of 229.1 kJ/kg, density of 770 kg/m^3 (at 6℃) ] ascending in ethlene glycol water solution of 30 weight percent at low temperature were investigated experimentally in order to examine the possibility of a liquid-liquid or liquid-solid direct-contact-type latent cold heat storage system. A new type of solidification rate meter is proposed in the present study. As a result, some interesting freezing behaviors of droplets were observed by the visualization technique. From the measurements of solidification rate of tetradecane droplets, the relationships between the solidification rate and some experimental parameters were clarified.

近年、大都市圏における夏期昼夜間電力利用格差是正対策の一つとして、安価な深夜電力を利用する潜熱蓄冷システムに関する研究・開発が行われるようになり、氷蓄冷システムを始めとして既に実用化されているものもある。特に潜熱蓄冷システムの蓄冷器、すなわち蓄冷物質と熱媒体とが隔離されている隔離方式と、互いに不溶性の蓄冷物質と熱媒体を直接接触させる直接接触方式とに分類される。前者の場合、潜熱蓄冷物質を金属あるいは樹脂製容器内に充填し、これらを熱媒体中に設置することにより熱交換を行ういわゆるカプセル型潜熱蓄冷システムがその代表例である。この場合蓄冷物質と熱媒体がカプセル壁により隔離されているため、熱媒体の清浄度を高く保てるという利点がある反面、カプセル自体が熱抵抗となり伝熱効率が低下し、熱交換器が大型化する等の欠点を有する。一方、後者は、熱媒体が蓄冷物質と直接接触するため、両者が相互に溶解しない場合はきわめて高い熱伝達効率を得ることができ、また装置が簡単かつ小型化できる等の利点を有している。本研究では、高性能潜熱蓄冷システムの開発を目的とし、低温冷媒水溶液中に疎水性液相蓄冷物質を噴射注入して微粒化させ、蓄冷物質が 密度差により低温水溶液中を浮上しながら低温水溶液との直接接触熱交換により凝固相変化を行い、蓄冷を完了するというシステムを提案するものである。本研究で対象とする潜熱蓄冷システムにおける熱交換は、分散相液体が凝固相変化を行う液－液、固－液共存型直接接触熱交換となるが、この種の直接接触熱交換に関する研究は、現状では見あたらないようである。従って、本研究は潜熱蓄冷システムの性能向上および分散相液体が凝固相変化挙動を伴う直接接触熱交換に関する諸因子の効果を、まず凝固現象の把握に焦点をあて、実験的に検討するものである。本実験では、蓄冷物質として融点、潜熱量および密度がそれぞれ5.8℃、229.1kj/kgおよび770kg/m3（6℃）のパラフィン系油であるテトラデカン油（C14H30）を選定し、低温水溶液にはこれと不溶性のエチレングリコール30wt％水溶液（以下水溶液）を用いることにより、水溶液中を浮上するテトラデカン油滴の凝固特性を可視実験により定性的に明らかにする。さらに、テトラデカン油噴射温度、速度、および低温水溶液温度を実験因子とした場合の油滴凝固率および蓄冷熱量の測定結果より定量的にこの種の蓄冷システムの可能性を検討するものである。

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