形状安定化球状潜熱蓄熱体を用いた流動層型潜熱蓄熱槽の流動および蓄熱特性

This paper deals with fluidization and heat storage characteristics of shape-stabilized latent heat storage particles packed into a fluidized bed-type heat storage vessel. The shape-stabilized latent heat storage material consists of normal paraffin (pentacosane C_<25>H_<52>, latent heat 164 kJ/kg, melting point of 327.2 K) as a latent heat material, and polyethylene as a shape-stabilizing material. The pressure losses both on fluidized and on fixed particle layers were measured in order to investigate flow behavior in the heat storage vessel. It was found that the pressure loss of the fluidized particle layer was lower than that of the fixed particle layer. Furthermore, the effects of hot air flow rate, inlet air temperature and the amount of heat storage particles packed into the heat storage vessel on the completion time of the heat storage process were investigated. As a result, the nondimensional correlations for the completion time of the heat storage process were expressed in terms of nondimensional pumping power, the Stefan number and the ratio of the packed particle layer height to the diameter of the cylindrical heat storage vessel.

一般に固－液相変化潜熱蓄熱材（PCM）は、カプセル内に充填して使用される例が多い。このカプセル型潜熱蓄熱システムは、カプセル化に要する費用が多くかかり、そして、熱伝導率の小さなプラスチック材をカプセルとするため、その熱抵抗により潜熱蓄熱材の相変化温度付近での効率的熱抽出が出来なくなるなどの問題がある。例えば平板状の形状安定化潜熱蓄体に厚さ0.5mm～2.0mmのポリプロピレン製被覆（熱伝導率 0.195W/(m・K)）を施した場合、放熱完了時間は被覆のない場合に比較して7～15％増大することが確認されている。これらの問題点の解決策として、形状安定化潜熱蓄熱体を用いた脱カプセル化技術がある。形状安定化潜熱蓄熱体は担持材により潜熱物質の流出がなく、固体状粒子と同じ形状を保つものである。従って融解潜熱物質の流出防止用としてのカプセルに封入する必要なく、上述のカプセル型潜熱蓄熱の問題点を解決できるものである。さらに潜熱物質であるパラフィンは熱伝導率が0.194(60℃)～0.294(20℃)W/(m・K)と小さいため、これに熱伝導率が0.291(60℃)～0.333(20℃)W/(m・K)と大きなポリエチレンを混合して得られる形状安定化潜熱蓄熱体は、潜熱物質のみに比較して熱伝導率増大することも特徴である。また、カプセル型潜熱蓄熱システムにおいては、一般にカプセル蓄熱体を蓄熱槽に固定して使用する、いわゆる固定充填層を用い熱媒体を流動させて熱交換を行う方法が主になされてきた。固定充填層の場合には、固定された蓄熱体と熱媒体の熱交換により、熱媒体の流れ方向への温度差（温度勾配）が大きくなり、均一な熱交換が不可能となる。このため、蓄熱材と熱媒体が小温度差の蓄熱システムには向いておらず、下流域での蓄熱完了に時間がかかるなどの問題点がある。この問題点の解決方法としては、粒子状蓄熱材を流動化させ、蓄熱槽を流動層とし、その蓄熱粒子の混合作用により層内において均一な熱交換を行うことにより、熱媒体と蓄熱材粒子を小温度差にても熱交換させることが考えられる。さらに流動層型潜熱蓄熱槽にて蓄熱された球状潜熱蓄熱体を、空気流により管内高速搬送し、最終的に利用側での空気暖房や温水製造媒体として利用する、新たな潜熱蓄熱体システムが構築されれば、熱輸送時のポンプ動力も大きく削減されることにより、省エネルギーに大きく貢献すると考えられる。本研究では、上述の新たな潜熱蓄熱システムの蓄熱槽として、球状に成形した形状安定化潜熱蓄熱体を流動蓄熱体とし、熱媒体に空気を用いた、流動層型の潜熱蓄熱槽の可能性を検討するものである。本報告では、蓄熱槽内の流動化状態を知る上で重要となる可視化用試験部を用いた球状潜熱蓄熱体の流動状態の観察結果を示すとともに、蓄熱槽内の圧力損失と空塔流速の関係を定量的に明らかにし、蓄熱槽を固定充填層とした場合との比較・検討を行う、さらに、潜熱蓄熱の際に重要な要素となる潜熱蓄熱完了時間について送風動力、入口温度および蓄熱材粒子の静止層高さとの関係を流動層および固定充填層の場合について実験的に明らかにする。最終的に、潜熱蓄熱完了時間を予測する無次元整理式の提案を行うものである。

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