JPH0784946B2

JPH0784946B2 - 蓄熱材直接接触型電気温水・蒸気発生器

Info

Publication number: JPH0784946B2
Application number: JP1089056A
Authority: JP
Inventors: 雅雄平嶋; 勇夫上野
Original assignee: 株式会社田熊総合研究所
Priority date: 1989-04-07
Filing date: 1989-04-07
Publication date: 1995-09-13
Anticipated expiration: 2010-09-13
Also published as: JPH02267463A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、蓄熱材直接接触型電気温水・蒸気発生器の改
良に関するものである。

（従来の技術）従前の潜熱蓄熱型電気温水・蒸気発生は、通常第５図に
示す如く、ヒータ等の加熱源Ｊを設けた熱媒タンクＥ内
へ溶融塩等の潜熱蓄熱材Ａを貯留すると共に、夜間電力
を用いて蓄熱材Ａを加熱し、これを溶融状態として所謂
潜熱蓄熱を行ない、昼間等に熱媒タンクＥ内に設けた熱
交換管Ｈ内へ給水を送ってこれを加熱することにより、
温水又は蒸気を送る様に構成されている。

しかし、前記第５図の構成の電気温水・蒸気発生器に於
いては、放熱時に冷却により凝固した蓄熱材Ａが熱交換
管Ｈの外表面上に層状に付着し、時間の経過と共にその
厚さが順次増大する。ところが、蓄熱材そのものは熱伝
導度が相対的に低いため、前記凝固層の厚みが大きくな
るとその熱抵抗が著しく増大する。その結果給水への熱
伝達が円滑に行なえず、必然的に温水・蒸気発生装置が
大形化するという欠点がある。

また、前記従前の蓄熱型電気温水・蒸気発生器には、万
一温水・蒸気負荷が一時的に増大して発生器にピーク負
荷がかかっても、蓄熱材Ａの放熱速度が低いためにこれ
に適格に応答できないうえ、蓄熱材Ａの蓄熱量そのもの
が不足した場合には、全く負荷要求に対応出来ないとい
う問題がある。

一方、前述の如き問題を解決するものとして、第６図の
如き蓄熱材循環型の所謂アクティブ熱交換方式を用いた
電気温水・蒸気発生器が開発されている。即ち、熱媒タ
ンクＥ内に貯留した溶融塩等の蓄熱材Ａを熱媒体とし、
これを循環ポンプＦによって熱交換器Ｇ内へ送ることに
より、熱交換管Ｈ内を流通する水を加熱して温水（又は
蒸気）を得るように構成されている。尚、第６図に於い
てＩは送水ポンプ、Ｊはヒータ等の熱媒体加熱源であ
る。

しかし、前記蓄熱材循環型温水・蒸気発生器に於いて
も、蓄熱材の循環流速を相当速めないと蓄熱材の熱交換
管Ｈへの積層固着を防止できず、溶融塩がスラリー状で
流動性が悪いこととも相俟ってポンプ動力費が増えると
共に、温水・蒸気発生器の構造そのものが複雑化し、製
造コストの引き下げが図れないという問題がある。

又、前記蓄熱材と給水管の熱交換の問題を基本的に解決
するものとして、第７図に示す如く溶融塩Ａと水Ｗとを
ボイラＬ内で直接接触させ、飽和蒸気Ｓを得るようにし
た直接接触熱交換方式が開発されている。尚、第７図に
於いて、Ｐは高圧塩ポンプ、Ｍはモータ、Ｗ′は水噴射
ノズルである。

しかし、前記直接接触熱交換方式に於いても、熱交換効
率が極めて悪いうえ、水中への塩のキャリオーバを生じ
て水系配管の閉塞を生じたり、塩の加水分解（例えばNa
NO₃＋H₂₀HNO₃＋NaOH）が生じる等の問題があり、実用
化が著しく困難である。

（発明が解決しようとする問題点）本発明は、従前の蓄熱型電気温水・蒸気発生器に於ける
上述の如き問題、即ち、熱交換管Ｈの熱伝達率が低い
ため、負荷の変動に対する応答性が悪く且つ装置の小形
化が図れないこと、蓄熱材循環式とした場合でも、熱
伝達率が相対的に低く、循環ポンプの動力費が増加する
と共に構造が複雑化すること、ピーク負荷が発生器に
かかった場合でも、蓄熱材の放熱速度が低いため迅速に
応答することが出来ないこと、蓄熱材直接接触方式と
した場合には、熱交換の効率が低いうえ、塩のキャリオ
ーバによる水系配管の閉塞や塩の加水分解を生じて安全
性に欠けること、等の問題を解決せんとするものであ
り、表面架橋ポリエチレン粒体と水との混合体を蓄熱用
熱媒体とし、これを余剰電力を用いて加熱して蓄熱を行
なうと共に、前記混合体内へ供給して加熱した給水を架
橋ポリエチレン粒体から分離し、温水又は蒸気を取り出
すようにした蓄熱材直接接触型電気温水・蒸気発生器を
提供するものである。

（問題点を解決するための手段）本件請求項（１）に記載の発明は、蓄熱混合体の加熱用
ヒータを備えると共に、内部上方にスクリーン板を設け
た蓄熱タンクと；蓄熱タンク内に貯留した表面架橋ポリ
エチレン粒体と水とから成る蓄熱混合体と；加熱用ヒー
タを有する複数の水管を備え、その内部に前記蓄熱タン
クを挿着した水管壁構造の缶体と；前記蓄熱タンク内の
スクリーン板上方空間と前記水管群の下端部とを連通す
る連結管とを発明の基本構成とするものであり、蓄熱混
合体との直接接触により加熱した給水を缶体の各水管へ
供給するようにしたことを特徴とするものである。

また、本件請求項（２）に記載の発明は、加熱用ヒータ
を有する複数の水管を備えると共に、内部上方にスクリ
ーン板を設けた蓄熱槽と；蓄熱槽内に貯留した表面架橋
ポリエチレン粒体と水とから成る蓄熱混合体と；蓄熱槽
の前記スクリーン板上方空間と前記水管群の下端部とを
連通する連結管とを発明の基本構成とするものであり、
蓄熱混合体との直接接触により加熱した給水を蓄熱槽の
各水管へ供給するようにしたことを特徴とするものであ
る。

（作用）蓄熱タンク若しくは蓄熱槽内の蓄熱混合体Ｋは夜間電力
等によって加熱され、固相分である表面架橋ポリエチレ
ン粒体の内部が固相から液相に相転移を起し、潜熱に相
当する熱量が粒体内部に蓄熱され、粒体内に所謂潜熱蓄
熱が行なわれる。

給水が前記蓄熱混合体Ｋ内へ混入されることにより、当
該給水は表面架橋ポリエチレン粒体に直接接触し、その
潜熱により加熱される。加熱された給水は、スクリーン
板を通してタンク内部のスクリーン板上方空間へ流出
し、連結管を通して缶体又は蓄熱槽を形成する水管の下
部ヘッダへ導かれる。

下部ヘッダへ導かれた前記給水は、水管を上昇中にヒー
タによって加熱され、上部ヘッダを通して外部へ取り出
される。

一方、前記蓄熱混合体内のポリエチレン粒体は、その表
面が架橋処理によって硬化されているため蓄熱状態下に
於いても保形性があり、元の形状を保持している。従っ
て、スクリーン板３の透孔を抜けて粒体が外部へ漏出し
たり、水中へ溶出することは無い。

また、粒体の表面は水に包まれているため、粒体相互が
固着して伝熱特性が悪化することもない。

給水との熱交換により、ポリエチレン粒体はその潜熱を
放出し、内部の液相が固相に相転移する。この相転移が
進行することにより伝熱抵抗は順次増加するか、前述の
如く粒体の粒径が小さいうえその外周面が完全に水に包
まれているため、伝熱特性の悪化は殆んど起らない。

（実施例）以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の第１実施例に係る蓄熱材直接接触型電
気温水・蒸気発生器の縦断面図であり、第２図は第１図
のＡ−Ａ視断面図である。

図に於いて、１は蓄熱タンク、２は蓄熱混合体加熱用の
シーズヒータ、３はスクリーン板、４は攪拌装置、５は
給水ポンプ、６は給水口、７は温水・蒸気取出口、８は
給電装置、９は断熱材、Ｋは蓄熱混合体、10は水冷壁構
造の缶体、11は水管、11aは下部ヘッダ、11bは上部ヘッ
ダ、13は連結管である。

前記蓄熱混合体Ｋは所謂固液二相流体であって、液相
（水）内に粒子状の固相（ポリエチレン粒体）が混在し
た状態で蓄熱タンク１内に貯留されている。

前記混合体Ｋの固相分は、ポリエチレンの粒体の表層部
のみを架橋した所謂表面架橋ポリエチレン粒体から構成
されており、本実施例では直径1.5〜5mmφ、比重約0.9
〜1.0軟化温度約80゜〜200℃、潜熱約50〜80Kcal/kgの
表面架橋ポリエチレン粒体を利用している。より具体的
に記述すれば、前記表面架橋ポリエチレン粒体の粒径は
1.3〜3mmφ位いが伝熱並びに攪拌流動という点から最適
であり、軟化温度が約133℃と188℃の二種類のものにつ
いて実用試験を行なった。

尚、前記ポリエチレン粒体の表面架橋は所謂電子線照射
法等によって行なわれ、当該表面架橋処理を行なうこと
により、ポリエチレン粒体の表層部のみが若干硬化す
る。その結果、粒体内部が加熱下での溶融状態にあって
も、その表層部は固化状のままであり、粒体形成を保持
することになる。又、前記表面架橋処理を施しても、ポ
リエチレンの潜熱が大幅に減少するようなことは全く無
い。

一方、蓄熱混合体Ｋの液相は、表面架橋ポリエチレン粒
体が浮遊し得る比重を有する必要があり、更に、表面架
橋ポリエチレン粒体の表層部の安定性を阻害せず、しか
も化学的安定性や流動性に優れた熱容量の大きな物質が
好都合であり、水は前記各要件をほぼ満足するものであ
る。

また、蓄熱混合体Ｋの液相分Ka（水）と固相分Kb（表面
架橋ポリエチレン粒体）の混合比率Kb/Kaは20〜70VOL％
程度が望ましく、50％程度が蓄熱、伝熱及び攪拌流動性
等の点から最適である。

前記蓄熱混合体の加熱用ヒータ２は所謂シーズヒータで
あり、蓄熱タンク１の下底から槽内へ挿入されている。

前記スクリーン板３は蓄熱タンク１の上方部に設けられ
ており、蓄熱混合体Ｋ内のポリエチレン流体Kbがタンク
内のスクリーン板上方空間へ流出するのを阻止するもの
であり、例えば多数の小透孔を設けたステンレス鋼製の
スクリーン板が使用されている。

前期攪拌装置４は、タンク内部の蓄熱混合体Ｋを適宜に
攪拌流動させることにより、表面架橋ポリエチレン粒体
Kbと水とをより均等な混合状態にすると共に、各粒体へ
の潜熱蓄熱を均等にするものである。尚、当該攪拌装置
４は間欠的に運転をしてもよく、また、小型の蓄熱タン
クにあってはこれを省くことも可能である。

次に、本実施例に係る電気温水・蒸気発生器の作動につ
いて説明する。

蓄熱タンク１内に貯溜された蓄熱混合体Ｋ（固相分Kb・
表面架橋ポリエチレン、液相分Ka・水）は、夜間等の余
剰電力を用いてヒータ２により、表面架橋ポリエチレン
軟化温度（約133℃）以上の温度で一定時間加熱され
る。これにより、表面架橋ポリエチレン粒体の内部が溶
融状態となり（粒子の外表層は若干軟化するが、元の形
状が保持された状態にある）、潜熱に相当する熱量が蓄
熱されると共に、粒体及び水に所謂顕熱蓄熱が行なわれ
る。

尚、蓄熱混合体Ｋ内のポリエチレン粒体は、その内部が
溶融していても外表層は固化状態にあり、粒体形状を保
持している。又、加熱によってポリエチレン粒体の外表
層は若干軟化するが、タンク１内では粒体の外周面が水
に包まれているため、粒体相互が固着するようなことは
皆無となる。

温水又は蒸気の取出しは、タンク１の取出口７を開放
し、給水ポンプ５を作動することにより行なわれる。即
ち、給水ポンプ５によって蓄熱タンク１内へ送られた水
は、表面架橋ポリエチレン粒体と、直接接触することに
よりその潜熱蓄熱によって加熱され、スクリーン板３を
通して出口７から、後述するように連結管13、下部ヘッ
ダ11a、水管12、上部ヘッダ11bを通り、高温水（又は気
液混合体）となって流出する。又、ポリエチレン粒体は
スクリーン板３によって外部への流出が阻止される。

尚、本実施例に於ける表面架橋ポリエチレン粒体は、そ
の軟化温度が約133℃であるため、蓄熱タンク１内の水
は100℃以上に加熱されることになり、取出口７からは
水・蒸気の混合体が流出する。従ってスチームセパレー
タ（図示）を設ける方が望ましく、又、蓄熱タンク１の
内圧は１気圧以上となる。

一方、水との直接接触熱交換により潜熱を放出したポリ
エチレン粒子は、その内部が固相に相転移した流体とな
り、液相分（水）内に浮遊状態で残存する。

前記缶体10は水管11から成る水管壁構造に形成されてお
り、水管11の下部ヘッダー11aは蓄熱タンク１の温水・
蒸気取出口７へ連結管13を介して連通されている。

また、前記水管壁を構成する各水管には、加熱用ヒータ
12が設けられており、水管11内を流通する流体を再加熱
する。

給水オンプ５の作動により蓄熱タンク１内へ供給された
水は、タンク１内の蓄熱混合体Ｋのポリエチレン流体と
直接接触することによってその潜熱を吸収し、加熱され
る。

加熱された水は、スクリーン板３、取出口７及び連結管
13を通して下部ヘッダ11a内へ入り、水管11内を上昇す
る間に加熱用ヒータ12によって更に加熱され、上部ヘッ
ダ11bを通して温水・蒸気混合体が外部へ取り出され
る。

尚、本実施例では蓄熱材加熱用ヒータ２を夜間等のみに
作動するようにしているが、温水・蒸気負荷の状態に応
じて当該ヒータ２を昼間時に作動させたり、或いは水管
11の加熱用ヒータ12の作動を停止してもよいことは勿論
である。

第３図及び第４図は本件発明の第２実施例を示すもので
あり、第１実施例に於ける蓄熱タンク１を水管壁構造の
蓄熱槽とすると共に、水管壁を構成する水管11に加熱用
ヒータ12を設けたものである。

即ち、本実施例では蓄熱混合体Ｋを貯留する蓄熱槽14が
水管壁構造の槽に形成されており、その内部上方にスク
リーン板３が設けられている。また、槽14の中央には攪
拌装置４が配設されており、更に、前記スクリーン板３
の上方空間は、連続管13によって水管11の下部ヘッダ11
aへ連通されている。

蓄熱槽14内の蓄熱混合体（水と表面架橋ポリエチレン粒
体との混合体）は、夜間電力を利用して加熱用ヒータ12
を作動させることにより、ポリエチレン流体の軟化温度
以上の温度に一定時間加熱され、ポリエチレン粒体に所
謂潜熱蓄熱が行なわれる。

給水ポンプからの水は、蓄熱槽14内でポリエチレン粒体
と直接接触し、潜熱蓄熱を吸収して加熱されたあと、ス
クリーン板３及び連結管13を通して下部ヘッダ11aへ導
かれる。その後、水管11内を上昇する間に加熱用ヒータ
12によって適宜の温度に再加熱され、上部ヘッダ11bか
ら水・蒸気の混合流体が外部へ取り出されていく。

尚、固液二相型の蓄熱混合体Ｋ内のポリエチレン粒体
は、前述の通り蓄熱時に於いてもその外表層部が固化相
のままであり、しかも粒体の外周面が水によって完全に
包まれているため、水管壁やヒータ２に固着したり、或
いは粒体相互が固着したりすることは皆無となり、蓄熱
並びに放熱がより速く行なわれる。

（発明の効果）本発明に於いては、蓄熱混合体を表面架橋ポリエチレン
粒体と水との混合体とし、給水を表面架橋ポリエチレン
粒体へ直接接触させて粒体の潜熱蓄熱により、給水を加
熱する構成としている。その結果、従前の間接熱交換方
式の温水・蒸気発生器の場合に比較して熱伝特性が著し
く向上し、装置の大幅な小形化が可能となる。

また、蓄熱混合体を表面架橋ポリエチレン粒体と水との
固液二相流体としているため、固相分に大量の潜熱が蓄
熱でき、蓄熱密度が大幅に向上すると共に、潜熱蓄熱に
よる給水の加熱と、電気ヒータによる給水の加熱とが併
用自在な構成となっているため、ピーク負荷に対しても
迅速に応答することが出来、蓄熱量の不足による様々な
不都合を全て回避することが出来る。

更に、本発明に於いては、給水のみがスクリーン板を通
して流通し、表面架橋ポリエチレン粒体そのものは外部
へ流動しないため、従前の蓄熱材循環型温水・蒸気発生
器に比較してポンプ動力費が大幅に減少する。

加えて、本発明で使用する表面架橋ポリエチレン粒体は
水に対する安定性に優れ、加熱時でも表層部が固化相の
ままであり、溶融ポリエチレンが水中へ溶出するような
ことは全く無い。

本発明は上述の通り、優れた実用的効果を奏するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例に係る蓄熱材直接接触型
電気温水・蒸気発生器の縦断面図であり、第２図は第１
図のＡ−Ａ視断面図である。第３図は、本発明の第２実施例を示す縦断面図であり、
第４図は第３図のＡ−Ａ視断面図である。第５図、第６図及び第７図は従前の蓄熱型電気温水・蒸
気発生器の説明図である。１……蓄熱タンク、２……混合体加熱用ヒータ３……スクリーン板、４……攪拌装置５……給水ポンプ、８……給電線 10……缶体、11……水管 12……加熱用ヒータ、13……連結管 14……蓄熱槽

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】蓄熱混合体の加熱用ヒータを備えると共
に、内部上方にスクリーン板を設けた蓄熱タンクと；蓄
熱タンク内に貯留した表面架橋ポリエチレン粒体と水と
から成る蓄熱混合体と；加熱用ヒータを有する複数の水
管を備え、その内部に前記蓄熱タンクを挿着した水管壁
構造缶体と；前記蓄熱タンク内のスクリーン板上方空間
と前記水管群の下端部とを連通する連結管とより構成さ
れ、蓄熱混合体との直接接触により加熱した給水を缶体
の各水管へ供給するようにしたことを特徴とする蓄熱材
直接接触型温水・蒸気発生器。
【請求項２】加熱ヒータを有する複数の水管を備えると
共に、内部上方にスクリーン板を設けた蓄熱槽と、蓄熱
槽内に貯留した表面架橋ポリエチレン粒体と、水とから
成る蓄熱混合体と；蓄熱槽の前記スクリーン板上方空間
と前記水管群の下端部とを連通する連結管とより構成さ
れ、蓄熱混合体との直接接触により加熱した給水を蓄熱
槽の各水管へ供給するようにしたことを特徴とする蓄熱
材直接接触型温水・蒸気発生器。