JPH0823449B2 - 蓄熱型電気温水・蒸気発生器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、蓄熱型電気温水・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・蒸気発生器は、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、熱媒タンクＥ内に設けた熱交換
器Ｈ内へ給水を送ってこれを加熱することにより、温水
又は蒸気を得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
は、熱交換管Ｈの伝熱壁部に於ける熱伝達率が低いた
め、蓄熱材Ａから給水への放熱速度が極めて遅くなり、
温水・蒸気発生器の小形化を図り難という基本的な欠点
がある。

例えば、放熱時に於いては、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
の大形化を招くことになる。

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。

前記蓄熱材循環方式の潜熱蓄熱型電気温水・蒸気発生
器では、蓄熱材Ａが一定の流速で循環流動されるため、
熱交換管Ｈの外表面上には蓄熱材Ａの凝固層が固着し難
くなる。その結果、熱伝達特性も蓄熱材Ａが静止した状
態の場合に比較して相当改善されることになる。

しかし、当該蓄熱材循環方式の熱交換に於いても、熱
交換管Ｈの外表面に於ける蓄熱材の凝固層の固着を皆無
にすることは困難であり、特に熱媒体としての蓄熱材Ａ
の循環流速が低いと、チューブ外表面への凝固層の固着
が著しく増大する。その結果、高い熱伝達特性を保持す
るためには蓄熱材Ａの循環流速を相当に高める必要があ
り、蓄熱材である溶融塩がスラリー状であってその流動
性が相対的に低いこととも相俟って、循環ポンプＦの動
力費が著しく高騰することになる。

また、前記従前の蓄熱型電気温水・蒸気発生器にあっ
ては、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。

（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いうえ、循環ポンプの動力費が増加
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、及び負荷が万一増大して蓄熱量が不足した
場合には、温水・蒸気発生器が全く使いものにならなく
なること、等の問題を解決せんとするものであり、蓄熱
型温水・蒸気発生器を蓄熱材Ａからの放熱による加熱と
電気ヒータによる加熱とを組合せた構成とすると共に、
蓄熱材に全く新規な構成の固液二相熱媒体を用いること
により、ベース負荷並びにピーク負荷の何れにも必要且
つ十分に対応し得るようにした蓄熱型温水・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、熱媒体加熱用ヒータ２
を備えた蓄熱タンク１と，粒径が1.5〜5mmφの表面架橋
ポリエチレン粒体Kbと熱媒油若しくはエチレングリコー
ルKaとを後者に対する前者の比Kb/Kaが20〜70VoL％の範
囲で混合して成り、前記蓄熱タンク１内に貯留した固液
二相熱媒体Ｋと，熱交換用水管5aを備え、ピーク負荷時
に流動する固液二相熱媒体Ｋにより給水を加熱する熱交
換器4aと，定常負荷時に給水を加熱するヒータ10を内部
に設けた熱交換用水管5bを備え、ピーク負荷時に流動す
る固液二相熱媒体Ｋにより前記給水を加熱する熱交換器
4bと，ピーク負荷時に作動する固液二相熱媒体Ｋの循環
ポンプ３と，前記熱交換用水管5b又は熱交換用水管5a及
び熱交換用水管5bへ給水する給水ポンプ６と，前記熱交
換用水管5b又は熱交換用水管5a及び熱交換用水管5bから
の加熱給水を受入れするスチームセパレータ７とを発明
の基本構成とするものである。

（作用）熱媒体加熱用ヒータで蓄熱タンク又は槽本体内
の固液二相熱媒体を加熱することにより、熱媒体の固相
分を形成す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
に蓄熱される。

潜熱蓄熱が行なわれた固液二相熱媒体は、循環ポンプ
により流動若しくは攪拌装置により攪拌流動され、熱交
換用水管を介して保持する熱を給水に与える。

熱媒体内の粒体は、その表面が架橋されているため蓄
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。

熱交換により、熱媒体内の粒体はその潜熱を放出して
内部の液相状が固相状に相転移すると共に、順次蓄熱タ
ンクへ戻される。

表面架橋ポリエチレン粒体は、前述の通り、蓄熱状態
下に於いても元の形状を保持しているため、熱交換用水
管の外表面へ固着するようなことは全く起らず、熱伝達
率が著しく改善される。

尚、請求項（１）に記載の温水・蒸気発生器に於いて
は、併置した給水加熱用ヒータによる加熱と、蓄熱した
熱媒体による加熱とが温水・蒸気負荷に応じて適宜に作
動され、例えば通常負荷を熱媒体による加熱により、ま
たピーク負荷を給水加熱用ヒータの作動によって分担す
るという様な作動が行なわれる。

また、請求項（２）に記載の温水・蒸気発生器に於い
ても同様であり、熱媒体加熱用ヒータを蓄熱時以外にも
適宜に作動させることにより、ピーク負荷への対応が行
なわれる。

（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実施例に係る蓄熱型電気温水・
蒸気発生器の系統図であり、第２図は使用する熱交換器
の他の例を示す断面図である。

図に於いて、１は蓄熱タンク、２は熱媒体加熱用ヒー
タ、３は熱媒体循環ポンプ、4a・4bは熱交換器、5a・5b
はひれ付熱交換用水管、６は給水ポンプ、７はスチーム
セパレータ、８は管路、９は制御装置、10は給水加熱用
のシーズヒータ、11は圧力調整器、12は給水ゲージ、Ｋ
は蓄熱タンク内に貯留した熱媒体である。

前記熱媒体Ｋは所謂固液二相流体であって、液相Ka内
に固相Kbが混在した状態で管路８及び熱交換器4a内を流
通する。

前記熱媒体Ｋの固相分Kbは、ポリエチレンの粒材の表
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を前記熱媒体の固相分Kbとし
て利用している。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1.5〜3mmφ位が伝熱並びに
熱媒体Ｋの循環流動という点から最適であり、又、その
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化学的方法又
は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
状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、前記固液二相熱媒体Ｋの液相分Kaには、熱媒油
若しくはエチレングリコールの何れかを前記表面架橋ポ
リエチレン粒体の軟化温度に応じて使用している。

熱媒体Ｋの液相分Kaの材質としては、前記固相分Kbが
浮遊し得る比重を有する必要があり、更に、固相分Kbを
形成する表面架橋ポリエチレン粒体の表層部の安定性を
阻害しないことが必要である。加えて、液相分Kaは化学
的安定性や流動性に優れ、熱容量の大きな物質が良い。
これ等の点を勘案し、本実施例では前述の如く、軟化温
度が約133℃の表面架橋ポリエチレン粒体を固相分Kbと
した場合にはエチレングリコールを、また軟化温度が約
188℃の表面架橋ポリエチレン粒体を固相分Kbとした場
合には、熱媒油を、夫々液相分Kaとするようにしてい
る。

前記固液二相熱媒体Ｋを構成する液相分Kaと固相分Kb
との混合比率（Kb/Ka）は20〜70VOL％程度であり、50％
程度が伝熱特性等の点から最適である。

前記給水加熱用のシーズヒータ10は熱交換器4bのひれ
付熱交換用水管5bを介して給水を直接加熱するものであ
り、本実施例に於いては後述する如く、ヒータ10の作動
によって常用負荷（ベース負荷）を分担すると共に、蓄
熱タンク１内の熱媒体Ｋの蓄熱量でもってピーク負荷を
分担する構成としている。

尚、本実施例では上述の如くヒータ10によってベース
負荷を分担する構成としているが、熱媒体Ｋによりベー
ス負荷を分担し、ヒータ10でピーク負荷を分担するよう
にしてもよいことは勿論である また、本実施例では、給水加熱用ヒータ10を備えた熱
交換器4bと、固液二相熱媒体Ｋが循環する熱交換器4aを
夫々別個に設ける構成としているが、第２図に示す如
く、一本のひれ付熱交換用水管5aの内部へ給水加熱用の
シーズヒータ10を挿着し、ヒータ10と水管5a間の空隙を
給水通路とすることにより、熱交換器を１基にまとめた
構成としてもよい。

次に、前記蓄熱型温水・蒸気発生器の作動について説
明する。

蓄熱タンク１内に貯留された熱媒体Ｋ（固相分Kb・表
架橋ポリエチレン、液相分Kaエチレングリコール等）
は、夜間等の余剰電力を用いてヒータ２により、表面架
橋ポリエチレンの軟化温度約133℃又は約188℃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、エチレングリコ
ール等の液相分には所謂顕熱蓄熱が行なわれる。

昼間に於ける温水（又は蒸気）の発生は給水加熱用ヒ
ータ10の作動によって行なわれ、給水ゲージ12、圧力調
整器11及び制御装置９を介してヒータ10並びに給水ポン
プ６等の制御が行なわれる。

一方、蒸気負荷等が急増した場合には、熱媒体循環ポ
ンプ３が駆動され、固液二相熱媒体Ｋを熱交換器4aへ送
ることにより、ひれ付熱交換用水管5aを介して給水ポン
プ６からの給水が加熱され加熱水がスチームセパレータ
７へ送られる。

熱媒体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。従って、熱交換用水管5aの外表面に固相分が固着
することは全くない。

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、液相分Ka内に浮遊した状態で
管路８を通して蓄熱タンク１へ戻される。

第３図及び第４図は、本発明の第２実施例を示す横断
面図及び縦断面図である。

当該実施例に於いては、蓄熱タンクと熱交換器が一体
的に形成され且つ固液二相熱媒体Ｋが槽本体13内で攪拌
装置14により、強制攪拌されている。

即ち、槽本体13は水管壁15を備えた密封構造に形成さ
れている。又、水管壁15を形成する各水管15aの上・下
端は、上部ヘッダ16及び下部ヘッダ17へ夫々連結されて
おり、給水ポンプ６から前記下部ヘッダ17へ給水が供給
される。更に、前記槽本体13の内部には複数の熱媒体加
熱用のシーズヒータ２と、攪拌装置14を形成する攪拌羽
根14aが夫々配設されており、夜間電力等によって固液
二相熱媒体Ｋが攪拌されつつヒータ２によって加熱さ
れ、蓄熱が行なわれる。

尚、前記固液二相熱媒体Ｋは第１実施例の場合と同様
に表面架橋ポリエチレン粒体と熱媒油又はエチレングリ
コールとの混合体であり、ポリエチレン粒体に潜熱蓄熱
が行なわれる。又、第３図及び第４図に於いて14bは攪
拌装置の駆動用モータ、18は給電線、19は温水・蒸気取
出口、20は断熱材である。

給水ポンプ６から水管15a内へ供給された給水は、攪
拌により流動する固液二相熱媒体Ｋとの熱交換によって
加熱され、取出口19から温水（又は蒸気）となって槽外
へ流出する。固液二相熱媒体Ｋ内の固相分（ポリエチレ
ン粒体）Kb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、その結果、水管15aの外表面
へ固着積層するようなことは全く無く、高い熱伝達率で
もって熱交換が行なわれる。

尚、熱媒体加熱用ヒータ２への給電は、夜間のみの給
電に限定する必要は無く、蒸気負荷等が急増した場合に
はヒータ１を作動して、攪拌流動する熱媒体Ｋを介して
給水の加熱を促進することも可能である。

（発明の効果） 本発明に於いては、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
出来ると共に、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。

また、熱媒体を表面架橋ポリエチレン粒体を固相分と
する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、熱媒体の蓄熱密度が大幅に向上する。

更に、固液二相熱媒体を流動させると共に、その固相
分を表面架橋ポリエチレン粒体としているため、従前の
溶融塩循環方式のように、熱交換用水管の外表面に溶融
塩の固相分が固着して熱伝達率が悪化するようなことが
皆無となり、前記溶融塩循環方式の場合に比較して熱伝
達率が約３倍程度向上する。その結果、温水・蒸気発生
器の大幅な小形化が可能となる。

加えて、小粒径の潜熱蓄熱材を液相分内へ浮遊せしめ
た状態で固液二相熱媒体をポンプにより循環若しくは攪
拌羽根により流動させるようにしているため、従前のス
ラリー状の溶融塩を循環若しくは攪拌流動させる場合に
比較して流体の流動性が向上し、ポンプ動力費の引下げ
が可能となる。

そのうえ、熱媒体内の表面架橋ポリエチレン粒体の軟
化温度を80〜200℃程度に選定することにより、高温水
又は蒸気が容易に得られると共に、熱媒油等の液相分は
100℃以上でも常圧であるため、蓄熱タンクや槽本体に
は圧力がかからず、安全性や経済性の点でも好都合であ
る。

本発明は上述の通り、優れた実用的効用を奏するもの
である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１実施例に係る蓄熱型電気温水・
蒸気発生器の系統図である。 第２図は、第１実施例で使用する熱交換器の他の例を示
す断面図である。 第３図及び第４図は、本発明の第２実施例に係る蓄熱型
電気温水・蒸気発生器の横断面図及び縦断面図である。 第５図及び第６図は、従前の蓄熱温水気温水・蒸気発生
器の概要説明図である。 １……蓄熱タンク ２……熱媒体加熱用ヒータ ３……熱媒体循環ポンプ 4a・4b……熱交換器 5a・5b……熱交換用水管 ６……給水ポンプ ７……スチームセパレータ 10……給水加熱用ヒータ 13……槽本体 14……攪拌装置 15……水管壁 Ｋ……固液二相熱媒体

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱媒体加熱用ヒータ（２）を備えた蓄熱タ
   ンク（１）と，粒径が1.5〜5mmφの表面架橋ポリエチレ
   ン粒体（Kb）と熱媒油若しくはエチレングリコール（K
   a）とを後者に対する前者の比（Kb/Ka）が20〜70VoL％
   の範囲で混合して成り、前記蓄熱タンク（１）内に貯留
   した固液二相熱媒体（Ｋ）と，熱交換用水管（5a）を備
   え、ピーク負荷時に流動する固液二相熱媒体（Ｋ）によ
   り給水を加熱する熱交換器（4a）と，定常負荷時に給水
   を加熱するヒータ（10）を内部に設けた熱交換用水管
   （5b）を備え、ピーク負荷時に流動する固液二相熱媒体
   （Ｋ）により前記給水を加熱する熱交換器（4b）と，ピ
   ーク負荷時に作動する固液二相熱媒体（Ｋ）の循環ポン
   プ（３）と，前記熱交換用水管（5b）又は熱交換用水管
   （5a）及び熱交換用水管（5b）へ給水する給水ポンプ
   （６）と，前記熱交換用水管（5b）又は熱交換用水管
   （5a）及び熱交換用水管（5b）からの加熱給水を受入れ
   するスチームセパレータ（７）と，から構成したことを
   特徴とする蓄熱型電気温水・蒸気発生器。