福岡県工業技術センター研究報告 No.14(2004) 流下液膜式氷蓄熱器に関する研究開発解氷特性＊１吉村賢二小山繁＊２福田俊仁＊３大庭英樹＊４ Development of Falling-Water-Film-Type Ice Thermal Energy Storage Vessel Ice Melting Characteristics Kenji Yoshimura , Shigeru Koyama , Toshihito Fukuda , Hideki Ohba 本研究では，流下液膜式氷蓄熱器の開発を目的に，実機規模の装置の解氷特性に関する実験を行い，液膜流量及び散水温度が，解氷量，解氷速度，冷却能力及び熱伝達係数に及ぼす影響を調べた。液膜流量が大きいほど，解氷速度が大きくなる。散水温度が高いほど，解氷量，解氷速度及び冷却能力は大きくなる。液膜流量が大きいほど，解氷の初期段階及びそれ以降の平均熱伝達係数はいずれも大きくなり，解氷の初期段階の平均熱伝達係数の方がそれ以降より大きい。散水温度と氷の融解温度との差が大きいほど，解氷の初期段階では平均熱伝達係数は大きく，それ以降では徐々に減少する。１はじめに近年，電力需要の平準化のために深夜電力を活用した熱槽内に設置された鉛直平板型伝熱面(10)，圧縮機(1)，凝縮器(2)，膨張弁(5)，散水ノズル(9)，水循環ポンプ(11)，氷蓄熱が注目を集めており，種々の形式の氷蓄熱器が開解氷用水タンク(13)，冷媒配管，水配管から構成される。発され，実用化されている。その中で，内融式浸水型氷全ての解氷実験において，所定の重量の氷を均一厚さ蓄熱器は，構造が最も簡単なため広く用いられているが，に生成させた後，所定の散水温度に設定された散水用水凝固速度及び融解速度が小さい。これらの欠点を解決すタンク内の実験水を，所定の散水流量で散水ノズルからる手段として，薄い液膜による大きい氷－水界面の熱伝鉛直平板型伝熱面上の氷に散水させることにより，解氷達を利用する流下液膜の利用が考えられる。著者らは，実験を開始した。実験時は，鉛直平板型伝熱面全体の重水平伝熱管周りの流下液膜の凝固問題を取り上げ，流下量をロードセルを用いて測定することにより，解氷した液膜の凝固過程における熱伝達特性の整理を行うと共に，氷重量を測定した。通常の浸水型における凝固との比較検討を行った結果，流下液膜式の方が浸水型に比較して，凝固速度が大きい３結果と考察ことを明らかにした。更に，流下液膜式氷蓄熱器の開発図－２に散水温度Twa=20[℃]における，単位伝熱面積当を目的に，実機規模の装置を設計・製作して実験を行い， & [kg/m2s]の時間変化特性に及ぼす液膜たりの解氷速度 w 製氷能力に対する運転条件の影響を調べた。流量 Γ [kg/ms]の影響を示す。液膜流量 Γ が大きい場合本研究では，実機規模の流下液膜式氷蓄熱装置の解氷 &は (0.196～0.261[kg/ms])は，解氷の初期段階で解氷速度 w 特性に関する実験を行い，液膜流量及び散水温度が，解急激に増加し，時間の経過と共に急激に減少する。一方，氷量，解氷速度，冷却能力及び熱伝達係数に及ぼす影響液膜流量Γが小さい場合(0.098～0.131[kg/ms])は，解氷速を調べた。 & は解氷の初期段階で上昇し，その後長時間に渡って度w 徐々に減少する。２研究，実験方法図－１に実験装置の概略を示す。実験装置は，主に蓄図－３に散水温度Twa=20[℃]における，解氷の初期段階 ( τ =0～0.00005)とそれ以降 ( τ =0.00005～)の平均熱伝達係数hm[W/m2K]と液膜流量Γ[kg/ms]の関係を示す。液膜＊１機械電子研究所流量Γが大きいほど，解氷の初期段階( τ =0～0.00005)及＊２九州大学先導物質化学研究所びそれ以降( τ =0.00005～)の平均熱伝達係数hmはいずれ＊３昭和鉄工（株）も大きくなる。また，解氷の初期段階の平均熱伝達係数＊４熊本大学工学部知能生産システム工学科 hmの方がそれ以降の平均熱伝達係数hmより大きい。福岡県工業技術センター研究報告 No.14(2004) Chilling unit Water flow 3 13 T 16 7 12 8 2 16 16 15 5 11 T 16 T 15 16 17 15 1 4 7 10 13 16 16 6 16 6 16 17 Compressor Capillary tube Heat storage tank Heat exchanger plates Water tank Gate valve 2 5 8 11 14 17 10 14 T 16 1 9 T 4 16 T 16 18 11 T Condenser 3 Expansion valve 6 Load cell 9 Pump 12 Constant temperature bath 15 Check valve 18 16 18 16 drain Mixing chamber Tank Accumulator Sight glass Water spray nozzle Flow meter T Temperature measuring point Electromagnetic valve Cross valve 図－１流下液膜式氷蓄熱装置 0.04 500 ○ ● △ ▲ ○ ● 400 hm / W/m2K w / kg/m2s 0.03 Γ=0.098[kg/ms] Γ=0.131[kg/ms] Γ=0.196[kg/ms] Γ=0.261[kg/ms] 0.02 0.01 τ=0～0.00005 τ=0.00005～ 300 200 100 0 0 0 0.00005 0.0001 0.00015 0 0.05 0.1 τ 図－２解氷速度 w と無次元時間τの関係図－３ 0.15 0.2 Γ / kg/ms 0.25 0.3 平均熱伝達係数hmと液膜流量Γの関係４まとめまた，散水流量を制御することにより，解氷速度の (1) 液膜流量が大きいほど，解氷速度が大きくなる。制御が容易である。従って，所定の冷熱量が短時間 (2) 散水温度が高いほど，解氷量，解氷速度及び冷却能で必要な場合は，浸水型氷蓄熱器と比較して，本流力は大きくなる。 (3) 液膜流量が大きいほど，解氷の初期段階及びそれ以降の平均熱伝達係数はいずれも大きくなり，解氷の初期段階の平均熱伝達係数の方がそれ以降より大き下液膜式氷蓄熱器は小さい氷表面積で良いということになり，氷蓄熱槽設備を縮小できる可能性がある。 (5) 本流下液膜式氷蓄熱器は平成 14 年度に昭和鉄工㈱で実用化された。い。また，散水温度と氷の融解温度との差が大きいほど，解氷の初期段階では平均熱伝達係数は大きく，それ以降では徐々に減少する。 (4) 本流下液膜式氷蓄熱器は，高い解氷速度が得られ，５掲載論文吉村賢二，小山繁，福田俊仁，大庭英樹：日本冷凍空調学会論文集，Vol.20，No.4，p.509(2003).