平板状形状安定化潜熱蓄熱材充填矩形蓄熱槽の非定常熱特性 : 放熱過程における諸因子の効果

Transient heat release characteristics of a rectangular latent heat storage vessel packed with shape-stabilized phase change (solid-liquid) material (PCM) are investigated numerically with the finite difference technique. It is found that the heat release characteristics are greatly affected by the flow direction of the heat transfer medium since natural and forced convections coexist in the heat storage vessel. It is clarified that the thermal efficiency of the latent heat storage system is obtained by an upward flow along the vertical PCM for heat release process The effect of the inlet velocity and the inlet temperature of heat transfer medium and the dimensions of the phase change material on transient heat release characteristics of the latent heat storage system are also revealed in the present study.

近年、蓄熱システムの多様化を図る目的より、様々な新開発の蓄熱材を用いた潜熱蓄熱システムの開発が活発に行われ始めた。従来の固液相変化潜熱システムにおいては、特に潜熱蓄熱過程である固相の融解に伴う液相の熱媒体（一般に流体）への流出防止のため、一般に潜熱蓄熱材を各種のカプセル内に密閉する試みがなされている。しかしながら、通常カプセル材にポリエチレンやポリプロピレン等の比較的熱伝導率の小さなものが利用されるために、カプセルそのものが熱抵抗となり、蓄熱・放熱過程の相変化温度と熱媒体との温度差を大きくとる必要があり、蓄熱効率の低下となる。また蓄熱槽に占めるカプセル材占有体積による蓄熱槽利用効率の低下や蓄熱材カプセル容器への充填コスト等の経済的問題がある。本研究においては、これらカプセル型蓄熱システムの問題点を克服する目的より、潜熱蓄熱材が融解しても固相状態の形状を保つ形状安定化処理を施したパラフィン系潜熱蓄熱材を扱うもので、その蓄熱・放熱特性の検討を数値計算により行うものである。前報では、平板状形状安定化潜熱蓄熱材を複数枚垂直に充填した矩形潜熱蓄熱槽の蓄熱特性、すなわち平板状蓄熱材の融解特性に及ぼす諸因子の効果を解明した。本報告は、前報の蓄熱過程の解明に続いて、平板状形状安定化潜熱蓄熱材充填蓄熱槽の放熱過程、すなわち融解した平板状蓄熱材の凝固に伴う放熱特性に影響を及ぼす熱媒体の温度、流速および蓄熱材の寸法や熱媒体流路寸法の効果を数値計算により解明することにより、この種の新しいタイプの潜熱蓄熱システムの特徴を明らかにするものである。尚、扱う潜熱蓄熱体は融点Tm=54.1℃のペンタコサンを主成分とするもので、その潜熱利用対象として温泉熱源の昇温蓄熱（約45℃から50～60℃への昇温）を想定した数値計算を行っている。従って、熱源の昇温を目的とすることにより、放熱過程の高温度化のために、熱媒体流速は極端に小さいもの（流速0.1～1mm/s）となり、蓄熱潜熱媒体流路内では、自然対流と強制対流の共存状態を伴う、複雑な流動挙動となることが予想される。

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