本文へジャンプ

成果報告書詳細
管理番号20180000000249
タイトル平成28年度ー平成29年度成果報告書 未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発/技術シーズ発掘のための小規模研究開発(蓄熱)/潜熱蓄熱装置における凝固層剥ぎ取りによる高速熱交換に関する研究開発
公開日2018/6/28
報告書年度2016 - 2017
委託先名国立大学法人東北大学多元物質科学研究所
プロジェクト番号P15007
部署名省エネルギー部
和文要約 社会全体でのエネルギー消費削減にはプロセス稼働温度に応じて順次低温側で利用するエネルギーのカスケード利用が有用である。エネルギーカスケード利用には、プロセス間のエネルギーの輸送や蓄熱が必要で、輸送・蓄積媒体に移動させる操作が必要である。本研究では、相変化物質(Phase Change Material, PCM) 溶融時の潜熱を利用して高密度に熱貯蔵する「潜熱蓄熱法」に着目した。従来の潜熱蓄熱法では、放熱時に伝熱面にPCMの凝固層が生成し、伝熱速度が著しく減少することが知られている。この凝固層はわずか 1 mmの厚みでも総括伝熱係数が 1/3 になるほどの大きな伝熱抵抗を示す。潜熱蓄熱システムの実用化には蓄・放熱速度の高速化が必要で、本研究では「PCM凝固層剥ぎ取り型高速熱交換潜熱蓄熱槽」を提案した。本機構は伝熱面が回転円管で、隣接する固定羽根が存在する点が特徴で、この機構により放熱時に回転伝熱管表面に生成したPCM凝固層を固定羽根により機械的に剥ぎ取ることで伝熱面を更新でき、高放熱速度を維持可能である。これまでに PCM 1 kg (酢酸ナトリウム三水和物)を搭載した実験室規模の試験装置を開発し、高速熱特性を明らかにした。本事業では提案機構のスケールアップ性を評価するためPCM搭載量 60 kg規模の装置を開発し、1 kg規模から60 kg規模へとスケールアップした際の機能発現の確認、スケールアップ時の課題の整理、放熱/蓄熱速度におよぼす各種パラメータの影響を評価することを目的とし、実験および数値計算による検討を行い、以下の知見を得た。

1 60kg規模凝固層剥ぎ取り型潜熱蓄熱装置の開発
 東北大学多元物質科学研究所にてPCMを60kg搭載した蓄熱槽を開発し、スケールアップ時(既往研究:PCM 1kg搭載)も高放熱・蓄熱特性が発現することを確認した。
2 凝固層剥ぎ取り型潜熱蓄熱装置の蓄熱・放熱速度におよぼす各種因子調査
 放熱速度・蓄熱速度は、伝熱管面積(径、長さ)、熱媒-PCM温度差、総括伝熱係数で整理できることを明らかにした。
3 総括伝熱係数におよぼす各種因子調査
 総括伝熱係数は、伝熱管回転数、固定羽根枚数(伝熱管外側・内側)に依存することを明らかにした。
4 凝固層剥ぎ取り型潜熱蓄熱の繰り返し性能評価
 140サイクル繰り返し後も高速放熱、蓄熱特性を有することを明らかにした。
5 凝固層剥ぎ取り型潜熱蓄熱の熱流体解析
 PCM-温水相の2領域流動、伝熱、PCM固液変態解析モデルを開発した。
英文要約Energy cascade utilization from high-temperature processes to low-temperature processes is essential for a sustainable society. Latent heat storage, where heat is stored using the latent heat of phase change materials (PCM) during melting, is a key method for utilizing waste heat. It is well known that solidification of PCM on the heat exchange wall inhibits heat transfer during the period of heat release, thereby reducing the rate of heat release. The authors proposed a new concept for rapid heat exchange in latent heat storage, namely "Scraping Solidified Layer of PCM on the heat transfer wall". In the proposed mechanism, the heat transfer tube is rotated, which results in the immediate removal of the PCM solidified on the heat transfer tube by the fixed blades coming in contact with the heat exchange wall. In a previous study, a laboratory scale setup (weight of PCM = 1 kg) was developed to realize the proposed mechanism, and the effects of rotation of the heat transfer tube on the heat release rate were experimentally demonstrated.
In the current project, an experimental setup with a 60 kg PCM has been developed to evaluate the scaling up abilities of the proposed mechanism, and investigate the influence of various parameters on the heat release and storage rate. Our studies revealed the following findings.

1. The scaled up equipment exhibited rapid heat release and storage characteristics.
2. The effect of various factors on the heat release and storage characteristics were investigated. Heat release and heat storage rate were influenced by the heat transfer area (diameter and length), temperature difference between the heating medium and PCM, and overall heat transfer coefficient.
3. The overall heat transfer coefficient depends on the rotation rate and number of fixed blades (outer and inner) of the heat transfer tube.
4. Rapid heat release and storage characteristics were maintained even after 140 cyclic tests.
5. A coupled model with a two-region flow, heat transfer, and solid-liquid transformation of the PCM was developed.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る