JP5252282B2 - 蓄熱装置 - Google Patents

Description

この発明は、発電所や廃棄物焼却場などの熱源施設で発生する廃熱を蓄熱する蓄熱装置。

熱源施設（例えば、発電所や廃棄物焼却場、製鉄所、化学プラント）で生じる廃熱を、熱利用施設（例えば、オフィスビルや病院、ホテル、クアハウス）で有効利用するため、熱源施設の廃熱を蓄熱タンク内に蓄熱し、その蓄熱タンクを熱利用施設に運搬し、その蓄熱タンクを熱源として給湯や冷暖房等を行なうことを可能とした蓄熱装置が知られている（特許文献１）。

この蓄熱装置は、潜熱蓄熱材とその潜熱蓄熱材よりも比重の小さい熱媒油とを上下二層に分離した状態で収容する蓄熱タンクと、その蓄熱タンク内に熱媒油を吐出する吐出管と、蓄熱タンク内の熱媒油層中に吸入口を開口させる回収管とを有し、その吐出管と回収管を通じて、熱源施設（または熱利用施設）と蓄熱タンクの間で熱媒油を循環させて使用する。このとき、吐出管から蓄熱タンク内に吐出された熱媒油は、潜熱蓄熱材との比重差により潜熱蓄熱材層中を上昇しながら、潜熱蓄熱材と直接接触して熱交換を行なう。

ここで、潜熱蓄熱材は、固相と液相の間で相変化するときに吸収・排出する熱（潜熱）を利用して蓄熱と放熱を行なう蓄熱材であり、固相から液相に相変化するときに周りから熱を吸収し、液相から固相に相変化するときに熱を排出する。また、潜熱蓄熱材は、固相と液相の間で相変化するときに温度が変化しないので、一定した温度での放熱が可能である。このような潜熱蓄熱材として、例えば、酢酸ナトリウム三水和物や、エリスリトール、マンニトールが用いられる。
特開２００７−１４７０９３号公報

ところで、上記蓄熱装置は、蓄熱タンク内で熱媒油を潜熱蓄熱材と直接接触させているので、熱源施設または熱利用施設と蓄熱タンクとの間で熱媒油を循環させたときに、液相の潜熱蓄熱材が熱媒油とともに蓄熱タンクから流出し、その潜熱蓄熱材が、蓄熱タンク外の配管内で冷却されて固相となり、その潜熱蓄熱材が配管の内面に付着して配管を閉塞するおそれがある。

特に、蓄放熱の速度を高めるために熱媒油の流量を大きくすると、その熱媒油で蓄熱タンク内の潜熱蓄熱材が撹拌されるので、蓄熱タンクから潜熱蓄熱材が流出しやすくなり、その流出した潜熱蓄熱材で蓄熱タンク外の配管が閉塞するおそれが生じる。いったん配管が閉塞すると、配管内に熱媒油を流すことができないので、配管内の潜熱蓄熱材を液相に戻すのは難しく、配管内の潜熱蓄熱材を取り除くのは容易でない。

この発明が解決しようとする課題は、蓄熱タンクから流出した潜熱蓄熱材で蓄熱タンク外の配管が閉塞するのを防止することである。

上記課題を解決するため、この発明の発明者は、熱媒油の流量を大きくして潜熱蓄熱材が熱媒油層に混入したときに、前記回収管の吸入口よりも上側に、潜熱蓄熱材が混入していない熱媒油からなる上澄みが形成されることを見出し、その上澄みを利用して蓄熱タンク外の配管の閉塞を防止するようにした。

具体的には、蓄熱タンクの外側で前記回収管から分岐して蓄熱タンク内の熱媒油層中に吸入口を開口させる第２回収管を設け、その第２回収管の吸入口を前記回収管の吸入口よりも上側に配置し、前記回収管と前記第２回収管のうちのいずれを通って熱媒油を回収するかを切り換えるバルブを設けたのである。

このようにすると、蓄放熱運転中、蓄熱タンク外の配管内に潜熱蓄熱材が流出したときにも、蓄放熱運転終了後、第２回収管を熱媒油が通るようにバルブを切り換えることにより、潜熱蓄熱材が混入していない熱媒油を蓄熱タンク外の配管内に流すことができる。これにより、蓄熱タンク外の配管内の潜熱蓄熱材が混入した熱媒油は、潜熱蓄熱材が混入していない熱媒油に入れ替わるので、蓄熱タンク外の配管は閉塞しない。

また、上記課題は、前記蓄熱タンクとは別個に熱媒油を収容するストレージタンクを設け、蓄熱タンクの外側で前記回収管から分岐してストレージタンク内に吸入口を開口させる第２回収管を設け、前記回収管と前記第２回収管のうちのいずれを通って熱媒油を回収するかを切り換えるバルブを設けても解決することができる。

このようにすると、蓄放熱運転中、蓄熱タンク外の配管内に潜熱蓄熱材が流出したときにも、蓄放熱運転終了後、第２回収管を熱媒油が通るようにバルブを切り換えることにより、潜熱蓄熱材が混入していない熱媒油を蓄熱タンク外の配管内に流すことができる。これにより、蓄熱タンク外の配管内の潜熱蓄熱材が混入した熱媒油は、潜熱蓄熱材が混入していない熱媒油に入れ替わるので、蓄熱タンク外の配管は閉塞しない。

これらの蓄熱装置において、蓄放熱運転中は、前記回収管を熱媒油が通るように前記バルブを切り換え、蓄放熱運転終了後に、前記第２回収管を熱媒油が通るように前記バルブを切り換える制御部を設けることができる。

この制御部を設ける場合、前記蓄熱タンクに、熱媒油層中に潜熱蓄熱材が混入しているか否かを検知する潜熱蓄熱材検出センサを設け、前記制御部は、その潜熱蓄熱材検出センサで潜熱蓄熱材の混入を検知した場合にのみ、蓄放熱運転終了後の前記バルブの切り換えを行なうようにすると好ましい。このようにすると、蓄放熱運転終了後のバルブの切り換えが、蓄熱タンク外の配管内に潜熱蓄熱材が流出したときにのみ行われるので効率的である。

また、上記制御部を設ける場合、前記回収管に、回収管内を流れる熱媒油に潜熱蓄熱材が混入しているか否かを検知する潜熱蓄熱材検出センサを設け、前記制御部は、その潜熱蓄熱材検出センサで潜熱蓄熱材の混入を検知した場合にのみ、蓄放熱運転終了後の前記バルブの切り換えを行なうようにしてもよい。このようにしても、蓄放熱運転終了後のバルブの切り換えが、蓄熱タンク外の配管内に潜熱蓄熱材が流出したときにのみ行われるので効率的である。

前記潜熱蓄熱材検出センサとしては、例えば、熱媒油中に挿入された静電容量検出プローブに潜熱蓄熱材が接触したときの静電容量の変化に基づいて潜熱蓄熱材を検出する静電容量センサを採用することができる。

この発明の蓄熱装置は、蓄放熱運転終了後、潜熱蓄熱材が混入していない熱媒油で蓄熱タンク外の配管内をクリーニングすることができるので、蓄熱タンク外の配管が閉塞しない。そのため、熱媒油の流量を大きく設定して、蓄放熱の速度を高めることが可能である。

図１に、熱源施設１（例えば、発電所や廃棄物焼却場、製鉄所、化学プラント）で生じる廃熱を、熱源施設１から離れた熱利用施設２（例えば、オフィスビル、病院、ホテル、クアハウス）で利用可能とする熱搬送システムを示す。

この熱搬送システムは、熱源施設１側に、熱源施設１で生じる廃熱媒体（たとえば温水や蒸気）が流れる廃熱管３と、この発明の実施形態の蓄熱装置４に着脱可能に接続される熱媒管５と、廃熱管３と熱媒管５の間で熱交換を行なう熱交換器６とが設けられており、熱媒管５に蓄熱装置４を接続した状態で循環ポンプ７を作動させることによって、熱媒管５内の熱媒油が蓄熱装置４と熱交換器６の間で循環可能となっている。このとき、廃熱管３を流れる廃熱媒体から熱媒管５を流れる熱媒油に熱が伝達され、その熱媒油の熱が蓄熱装置４に蓄熱される。

また、この熱搬送システムは、熱利用施設２側に、熱利用媒体（たとえば暖房用水や給湯用水）が流れる熱利用管８と、蓄熱装置４に着脱可能に接続される熱媒管９と、熱利用管８と熱媒管９の間で熱交換を行なう熱交換器１０とが設けられており、熱媒管９に蓄熱装置４を接続した状態で循環ポンプ１１を作動させることによって、熱媒管９内の熱媒油が蓄熱装置４と熱交換器１０の間で循環可能となっている。このとき、熱媒管９を流れる熱媒油から熱利用管８を流れる給湯用水や暖房用水に熱が伝達され、その熱によって給湯や冷暖房が行なわれる。

この熱搬送システムは、上述したように、熱源施設１と熱利用施設２の間で、蓄熱装置４を行き来させることにより、熱源施設１の廃熱を熱利用施設２の熱エネルギーとして利用するものである。

図２に示すように、蓄熱装置４は、中心軸を水平とする円筒状の蓄熱タンク１２を有する。蓄熱タンク１２内には、潜熱蓄熱材１３と、潜熱蓄熱材１３よりも比重の小さい熱媒油１４とが収容されている。潜熱蓄熱材１３と熱媒油１４は、その比重差によって上下二層に分離し、熱媒油層１５と潜熱蓄熱材層１６とを形成している。

潜熱蓄熱材１３は、固相から液相に相変化するときに周りから熱を吸収し、液相から固相に相変化するときに熱を排出する。このような潜熱蓄熱材１３として、例えば、酢酸ナトリウム三水和物、エリスリトール、マンニトール、塩化マグネシウム六水和物などを用いることができる。

また、蓄熱装置４は、蓄熱タンク１２内に熱媒油１４を吐出する吐出管１７と、蓄熱タンク１２から熱媒油１４を回収する回収管１８および第２回収管１９と、潜熱蓄熱材検出センサ２０とを有する。

吐出管１７は、蓄熱タンク１２内の潜熱蓄熱材層１６中に水平に設けられている。また、吐出管１７には、蓄熱タンク１２の外側から供給された熱媒油１４を潜熱蓄熱材層１６中に吐出する下向きの吐出口２１が多数形成されている。

回収管１８は、蓄熱タンク１２内の熱媒油層１５中に水平に設けられ、熱媒油層１５中に開口する上向きの吸入口２２が多数形成されている。吸入口２２から吸入された熱媒油１４は、回収管１８内を通って蓄熱タンク１２の外側に回収される。

潜熱蓄熱材検出センサ２０は、蓄熱タンク１２の壁面に取り付けられており、静電容量検出プローブ２３が熱媒油層１５に挿入されている。ここで、潜熱蓄熱材検出センサ２０は、熱媒油１４中に挿入された静電容量検出プローブ２３に潜熱蓄熱材１３が接触したときの静電容量の変化に基づいて潜熱蓄熱材１３を検出する静電容量センサであり、熱媒油層１５中の回収管１８の吸入口２２の近傍の熱媒油１４に潜熱蓄熱材１３が混入しているか否かを検知する。

第２回収管１９は、蓄熱タンク１２の外側で回収管１８から分岐して蓄熱タンク１２内の熱媒油層１５中に吸入口２４を開口させている。第２回収管１９の吸入口２４は、回収管１８の吸入口２２よりも上側に配置されている。

回収管１８には、第２回収管１９の分岐部分よりも蓄熱タンク１２側に電動バルブ２５が設けられ、第２回収管１９の途中にも電動バルブ２６が設けられており、これらの電動バルブ２５，２６を操作することにより、回収管１８と第２回収管１９のうちのいずれを通って熱媒油１４を回収するかを切り換えることが可能となっている。

すなわち、回収管１８の電動バルブ２５を開くとともに第２回収管１９の電動バルブ２６を閉じたときは、回収管１８を通って熱媒油１４が回収され、回収管１８の電動バルブ２５を閉じるとともに第２回収管１９の電動バルブ２６を開いたときは、第２回収管１９を通って熱媒油１４が回収される。

蓄熱装置４には、これらの電動バルブ２５，２６を制御する制御部（図示せず）が設けられている。制御部は、蓄放熱運転中は、回収管１８を熱媒油１４が通るように電動バルブ２５，２６を切り換え、蓄放熱運転終了後は、第２回収管１９を熱媒油１４が通るように電動バルブ２５，２６を切り換える。また、制御部は、潜熱蓄熱材検出センサ２０の検知信号が入力されるようになっており、蓄放熱運転中に潜熱蓄熱材検出センサ２０が潜熱蓄熱材１３の混入を検知した場合にのみ、蓄放熱運転終了後の電動バルブ２５，２６の切り換えを行なうようになっている。

また、蓄熱装置４には、吐出管１７の上を覆うように蓄熱タンク１２内を仕切る多孔板２７が設けられている。多孔板２７には、その全面にわたって多数の貫通孔が形成されている。

この蓄熱装置４を放熱運転するときは、図１の下側に示すように、吐出管１７と回収管１８に熱利用施設２の熱媒管９を接続し、その状態で循環ポンプ１１を作動させ、蓄熱装置４と熱交換器１０の間で熱媒油１４を循環させる。

このとき、図３に示すように、熱媒管９から吐出管１７内に送り込まれた低温の熱媒油１４は、吐出管１７を通って蓄熱タンク１２内に吐出され、多孔板２７の下側に溜まった熱媒油１４は、吐出管１７から吐出される熱媒油１４の圧力により多孔板２７を通って多孔板２７の上側に送り出される。また、多孔板２７の下側に溜まった液相の潜熱蓄熱材１３も、吐出管１７から吐出される熱媒油１４の圧力により多孔板２７を通って多孔板２７の上側に送り出される。多孔板２７を通って多孔板２７の上側に送り出された熱媒油１４は、潜熱蓄熱材１３との比重差によって蓄熱タンク１２内を上昇し、回収管１８を通って熱媒管９に流出する。

ここで、熱媒油１４は、蓄熱タンク１２内を上昇する過程において、潜熱蓄熱材１３と直接接触して熱交換する。この熱交換によって潜熱蓄熱材１３の結晶が生成し、その結晶が凝集して凝集体を形成する。一定の大きさとなった凝集体は、蓄熱タンク１２内を降下して、多孔板２７に受け止められて堆積する。そのため、放熱運転が終了したときには、吐出管１７は熱媒油１４中にある状態となる。

一方、この蓄熱装置４を蓄熱運転するときは、図１の上側に示すように、吐出管１７と回収管１８に熱源施設１の熱媒管５を接続し、その状態で循環ポンプ７を作動させ、蓄熱装置４と熱交換器６の間で熱媒油１４を循環させる。

このとき、図４に示すように、熱媒管５から吐出管１７内に送り込まれた高温の熱媒油１４は、吐出管１７の周りに溜まった熱媒油１４中に吐出され、その熱媒油１４と混ざって勢いを失った後に、多孔板２７を通って多孔板２７の上側に送り出される。多孔板２７を通って多孔板２７の上側に送り出された熱媒油１４は、潜熱蓄熱材１３との比重差によって蓄熱タンク１２内を上昇する。この上昇過程において、蓄熱タンク１２内の潜熱蓄熱材１３は、熱媒油１４と直接接触して熱を受け取り、固相から液相に変化する。

以上のように、この蓄熱装置４は、蓄熱タンク１２内で熱媒油１４を潜熱蓄熱材１３と直接接触させて蓄放熱を行なうので、蓄放熱の速度を高めるために熱媒油１４の流量を大きくすると、その熱媒油１４で蓄熱タンク１２内の潜熱蓄熱材１３が撹拌され、潜熱蓄熱材１３と熱媒油１４の混合層２８が蓄熱タンク１２内に一時的に形成される。そのため、蓄熱タンク１２外の熱媒管５，９に潜熱蓄熱材１３が流出しやすくなり、その流出した潜熱蓄熱材１３で熱媒管５，９や熱交換器６，１０が閉塞するおそれが生じる。

また、蓄熱タンク１２内の上昇流は回収管１８の吸入口付近で消失するので、蓄熱タンク１２内には、回収管１８の吸入口２２よりも上側に、潜熱蓄熱材１３が混入していない熱媒油１４からなる上澄み２９が形成される。

次に、この上澄み２９を利用して熱媒管５，９や熱交換器６，１０の閉塞を防止するクリーニング運転を説明する。

蓄熱運転中に、潜熱蓄熱材検出センサ２０が潜熱蓄熱材１３の混入を検知した場合、蓄熱運転終了後、図５に示すように、第２回収管１９を熱媒油１４が通るように電動バルブ２５，２６を切り換え、その後、制御部のタイマに予め設定した時間が経過するまでの間、循環ポンプ７を駆動する。これにより、上澄み２９の熱媒油１４が熱媒管５と熱交換器６内を流れ、熱媒管５と熱交換器６内の熱媒油１４は、潜熱蓄熱材１３が混入していない熱媒油１４に入れ替わる。このとき、熱媒油１４の流速を０．５ｍ／秒以上に設定し、熱媒管５と熱交換器６に行き渡る量の熱媒油１４を１回流すと、熱媒管５と熱交換器６内の潜熱蓄熱材１３を効果的に取り除くことが可能である。また、循環ポンプ７を駆動する時間は、熱媒管５の長さに応じて設定する。

蓄熱運転中に、潜熱蓄熱材検出センサ２０が潜熱蓄熱材１３の混入を検知しなかった場合は、このクリーニング運転は行なわない。

上述したクリーニング運転は、放熱運転終了後にも同様に行なうことができる。

この蓄熱装置４は、蓄放熱運転終了後、潜熱蓄熱材１３が混入していない熱媒油１４で熱媒管５，９と熱交換器６，１０内をクリーニングするので、熱媒管５，９と熱交換器６，１０が閉塞しない。そのため、熱媒油１４の流量を大きく設定して、蓄放熱の速度を高めることが可能である。

また、この蓄熱装置４は、蓄放熱運転終了後の電動バルブ２５，２６の切り換えを、蓄熱タンク１２から潜熱蓄熱材１３が流出したときにのみ行なうので効率的である。

上記実施形態では、回収管１８と第２回収管１９のうちのいずれを通って熱媒油１４を回収するかを切り換えるバルブとして、２つの電動バルブ２５，２６を採用しているが、これにかえて、第２回収管１９の分岐部分に三方弁を設けてもよい。

また、上記実施形態では、熱媒油層１５中に潜熱蓄熱材１３が混入しているか否かを検知する潜熱蓄熱材検出センサ２０として、熱媒油１４中に挿入された静電容量検出プローブ２３に潜熱蓄熱材１３が接触したときの静電容量の変化に基づいて潜熱蓄熱材１３を検出する静電容量センサを採用しているが、他の形式のセンサを採用してもよい。そのようなセンサとして、例えば、ロッドの外周に、熱媒油１４と同じ比重の円筒状のフロートをスライド可能に嵌合し、そのフロートの周囲の熱媒油１４に潜熱蓄熱材１３が混入したときのフロートの浮き沈みに基づいて潜熱蓄熱材１３を検出するフロート式センサが挙げられる。

また、上記実施形態では、蓄熱タンク１２に潜熱蓄熱材検出センサ２０を設け、その潜熱蓄熱材検出センサ２０で、熱媒油層１５中に潜熱蓄熱材１３が混入しているか否かを検知するようにしたが、これにかえて、回収管１８に潜熱蓄熱材検出センサ２０を設け、その潜熱蓄熱材検出センサ２０で、回収管１８内を流れる熱媒油１４に潜熱蓄熱材１３が混入しているか否かを検知するようにしてもよい。

蓄熱タンク１２とは別個に熱媒油１４を収容するストレージタンク（図示せず）を設け、そのストレージタンク内に第２回収管１９の吸入口２４を開口させ、前記ストレージタンク内に収容した熱媒油１４で熱媒管５，９と熱交換器６，１０内をクリーニングするようにしても、蓄熱タンク１２から流出した潜熱蓄熱材１３で熱媒管５，９や熱交換器６，１０が閉塞するのを防止することができる。

また、上記実施形態では、熱媒油１４による蓄熱タンク１２内の撹拌作用を緩和するため、吐出管１７の上を覆うように蓄熱タンク１２内を仕切る多孔板２７を設けているが、この発明は、蓄熱タンク１２内に多孔板２７が無い蓄熱装置４にも適用することができる。

また、上記実施形態では、熱源施設１の廃熱を熱利用施設２で利用可能とする熱搬送システムを例に挙げて蓄熱装置４を説明したが、この発明の蓄熱装置４は、太陽熱、地熱などの自然エネルギーを熱利用施設２で利用可能とする熱搬送システムでも使用することができる。

この発明の実施形態の蓄熱装置を利用した熱搬送システムを示す図 図１に示す蓄熱装置の断面図 図１に示す蓄熱装置の放熱運転時の状態を示す断面図 図１に示す蓄熱装置の蓄熱運転時の状態を示す断面図 図１に示す蓄熱装置の蓄熱運転終了後のクリーニング運転時の状態を示す断面図

符号の説明

４ 蓄熱装置
１２ 蓄熱タンク
１３ 潜熱蓄熱材
１４ 熱媒油
１５ 熱媒油層
１７ 吐出管
１８ 回収管
１９ 第２回収管
２０ 潜熱蓄熱材検出センサ
２２ 吸入口
２３ 静電容量検出プローブ
２４ 吸入口
２５，２６ 電動バルブ

Claims (5)

1. 潜熱蓄熱材（１３）と該潜熱蓄熱材（１３）よりも比重の小さい熱媒油（１４）とを上に熱媒油層（１５）及び下に潜熱蓄熱材層（１６）の上下二層に分離した状態で収容する蓄熱タンク（１２）と、該蓄熱タンク（１２）内の前記潜熱蓄熱材層（１６）に熱媒油（１４）を吐出する吐出管（１７）と、前記蓄熱タンク（１２）内の前記熱媒油層（１５）中に吸入口（２２）を開口させる回収管（１８）とを有し、前記吐出管（１７）から吐出した熱媒油（１４）を比重差により上昇させながら蓄熱タンク（１２）内の潜熱蓄熱材（１３）に直接接触させて熱交換する蓄熱装置において、
   前記蓄熱タンク（１２）の外側で前記回収管（１８）から分岐して蓄熱タンク（１２）内の熱媒油層（１５）中に吸入口（２４）を開口させる第２回収管（１９）を設け、その第２回収管（１９）の吸入口（２４）を前記回収管（１８）の吸入口（２２）よりも上側に配置し、前記回収管（１８）と前記第２回収管（１９）のうちのいずれを通って熱媒油（１４）を回収するかを切り換えるバルブ（２５，２６）を設け、
   蓄放熱運転中に前記回収管（１８）を熱媒油（１４）が通り、蓄放熱運転終了後に第２回収管（１９）を熱媒油（１４）が通るように前記バルブ（２５，２６）を切り換えることにより、蓄熱タンク（１２）外の配管内の熱媒油（１４）を、潜熱蓄熱材（１３）が混入していない熱媒油（１４）に入れ替えることを可能としたことを特徴とする蓄熱装置。
2. 蓄放熱運転中は、前記回収管（１８）を熱媒油（１４）が通るように前記バルブ（２５，２６）を切り換え、蓄放熱運転終了後に、前記第２回収管（１９）を熱媒油（１４）が通るように前記バルブ（２５，２６）を切り換える制御部を設けた請求項１に記載の蓄熱装置。
3. 前記蓄熱タンク（１２）に、熱媒油層（１５）中に潜熱蓄熱材（１３）が混入しているか否かを検知する潜熱蓄熱材検出センサ（２０）を設け、前記制御部は、その潜熱蓄熱材検出センサ（２０）で潜熱蓄熱材（１３）の混入を検知した場合にのみ、蓄放熱運転終了後の前記バルブ（２５，２６）の切り換えを行なう請求項２に記載の蓄熱装置。
4. 前記回収管（１８）に、回収管（１８）内を流れる熱媒油（１４）に潜熱蓄熱材（１３）が混入しているか否かを検知する潜熱蓄熱材検出センサ（２０）を設け、前記制御部は、その潜熱蓄熱材検出センサ（２０）で潜熱蓄熱材（１３）の混入を検知した場合にのみ、蓄放熱運転終了後の前記バルブ（２５，２６）の切り換えを行なう請求項２に記載の蓄熱装置。
5. 前記潜熱蓄熱材検出センサ（２０）は、熱媒油（１４）中に挿入された静電容量検出プローブ（２３）に潜熱蓄熱材（１３）が接触したときの静電容量の変化に基づいて潜熱蓄熱材（１３）を検出する静電容量センサである請求項３または４に記載の蓄熱装置。

Images