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まいかうづき
5 years ago
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1 中性子イメージング専門研究会 2013 年 12 月 3 日エタノール活性炭系吸着器の吸脱着過程の可視化村田健太, 浅野等, 齊藤泰司 * 神戸大学大学院工学研究科京都大学原子炉実験所 *

2 研究背景近年, エネルギー問題が深刻となっている地球温暖化化石燃料の枯渇そこで, エネルギーの有効利用が求められている. コージェネレーションシステムでは排熱の利用促進によるエネルギー利用効率の向上が求められている熱駆動ヒートポンプとして, 低温熱源で動作可能な吸着式ヒートポンプシステムが注目されている

3 吸着式ヒートポンプとは電気駆動放熱凝縮器機械圧縮式凝縮器脱着膨張弁高圧圧縮機圧力膨張弁圧縮機低圧蒸発器吸熱蒸発器エンタルピー吸着熱駆動膨張弁放熱凝縮器高圧低圧蒸発器吸熱吸着式吸着脱着吸着器加熱 (60~100 ) 熱源 ( 排熱, 太陽熱 )

4 吸着式ヒートポンプとは電気駆動膨張弁熱駆動膨張弁放熱凝縮器高圧圧縮機低圧蒸発器吸熱放熱凝縮器高圧加熱低圧蒸発器吸熱機械圧縮式吸着式脱着吸着圧力膨張弁吸着器凝縮器蒸発器エンタルピー脱着吸着一定時間ごとに吸着, 脱着を切り替えるバッチ運転

相対圧力 = W: 吸着量 W aaa : 吸着材の質量 P: 吸着材まわりの圧力

5 吸着現象吸着とは物質が界面に濃縮される現象. 吸着時に吸着熱を発生する吸着率 W/Wads [-] 吸着等温線吸着材の温度が高い吸着材の温度が低い相対圧力 P/P sat [-] 温度が上がると吸着量が小さくなる吸着率 = 相対圧力 = W: 吸着量 W aaa : 吸着材の質量 P: 吸着材まわりの圧力 P sss : 吸着材の温度に対する冷媒の飽和圧力吸着時に発生する吸着熱によって吸着量の低下吸着時における吸着材充填層の熱拡散が課題

6 吸着材充填層内の熱移動フィン吸着材充填層冷却水問題吸着材は粒子層であるので, 熱拡散は悪い冷媒の吸脱着速度を高めるためにフィンを設置することで, 吸着材充填層の熱拡散向上バッチ運転時に, 吸着材 + フィンの顕熱がロス過渡変化時の吸着量分布を考慮した伝熱面形状の設計が必要

7 吸着材と冷媒の組み合わせ吸着材冷媒シリカゲル水シリカゲルエタノールゼオライト水活性炭エタノール C, SiO2 など C2H5OH, H2O など中性子ラジオグラフィによる可視化実験 Asano, et al.,nim-a,542,pp (2005) Asano, et al.,j.chem.eng. of Japan, 40(13), (2007) 本研究の可視化対象中性子線に対して吸着器内の吸着量分布を把握には中性子ラジオグラフィが有効透過しやすい減衰しやすい

8 研究目的エタノール活性炭を用いた吸着器における吸脱着プロセスでの吸着量分布の過渡変化を中性子ラジオグラフィによって可視化, 計測する. フィンが及ぼす影響を評価した実験内容 1 エタノールの減衰特性の評価厚さの異なる容器を用いてエタノールの減衰係数を計測した. 2 吸脱着過程の可視化対象 : フィンを設置した吸着材充填層

9 中性子ラジオグラフィシステム京都大学研究用原子炉 E-2port(1MW 運転 ) ビーム孔 :15cm L/D=100 I 0 試験部 I 冷却型 CCD カメラ BU-532N pixel,16bit 分解能 : 約 42μm コンバーターミラー

10 エタノールの減衰特性画像輝度 :S S = GI 0 exp ρ wwww μ m wwww t wwww ρ r μ m r t r + O wall: アルミ容器 r: エタノール露光時間 :300s エタノール温度 :25.2 :70 24pixel コンバーターエタノールアルミの容器

11 エタノールの減衰特性画像輝度 :S S = GI 0 exp ρ wwww μ m wwww t wwww ρ r μ m r t r + O アルミ容器エタノール暗電流露光時間 :300s エタノール温度 :25.2 :70 24pixel 2 offset:dark current ρ r µ m r t r [-] エタノールの厚み t r [cm]

2 :70 24pixel 2 the umbra method offset:dark current ρ r µ m

12 エタノールの減衰特性画像輝度 :S S = GI 0 exp ρ wwww μ m wwww t wwww ρ r μ m r t r + O アルミ容器エタノール真影部の輝度露光時間 :300s エタノール温度 :25.2 :70 24pixel 2 the umbra method offset:dark current ρ r µ m r t r [-] エタノールの厚み t r [cm] 質量減衰係数 :μ m r 3.898cm 2 /g

13 吸脱着過程の実験装置 P TC 真空ポンプ配管内径 :4mm リザーバー中性子エタノール冷却水 / 温水恒温槽実験条件試験部リザーバー温度冷却水 / 温水温度 10 吸着 20~30 20 脱着 80

14 試験部と吸着材試験部材質 : 純アルミ試験部厚み :20mm エタノール蒸気 84 吸着材吸着材 MC エバテック高性能多孔質カーボン ( マックスソーブ )MSC-30( 一般品 ) TC 比表面積 (m 2 /g) 3170 平均粒子径 (µm) 86 冷却水 / 温水アルミニウム製のフィン厚み 1mm TC 見かけ密度 :260 kg 3 m

15 試験部と吸着材試験部材質 : 純アルミ試験部厚み :20mm エタノール蒸気吸着剤封入吸着剤高性能多孔質カーボン ( マックスソーブ )MSC-30( 一般品 ) 比表面積 (m 2 /g) 3170 平均粒子径 (μm) 86 TC TC t=0.5mm SUS 板試験部 t=0.5mm SUS 板

16 試験部と吸着材試験部材質 : 純アルミ試験部厚み :20mm エタノール蒸気 84 吸着材吸着材 MC エバテック高性能多孔質カーボン ( マックスソーブ )MSC-30( 一般品 ) TC 比表面積 (m 2 /g) 3170 平均粒子径 (µm) 86 冷却水 / 温水中性子吸収体 TC 見かけ密度 :260 kg 3 m

17 吸着過程温度 [ ] T e T c T ad1 T ad2 T ad3 T ad4 実験条件冷却水温度 :30 リザーバー温度 :10 Te P Tad1 Tad2 Tad3 Tad 時間 [min] リザーバー試験部 Tc 圧力 P [kpa] 時間 [min] 20 露光時間 :30s, 撮影間隔 :40s ダイナミックレンジ :230(= 吸着前平衡時 1570) 再生レート :3fps

実験条件冷却水温度:20 30 リザーバー温度:10 吸着過程 P 温度 T [ ] 100 Te Tc 80 60 40 Tad1 Tad2 Tad3 Tad4 Tad1 Tad2 Tad3 Tad4 Te 20 0 0 冷却水 30 20 100 200 撮影間隔時間 [min]

18 実験条件冷却水温度:20 30 リザーバー温度:10 吸着過程 P 温度 T [ ] 100 Te Tc Tad1 Tad2 Tad3 Tad4 Tad1 Tad2 Tad3 Tad4 Te 冷却水撮影間隔時間 [min] リザーバー試験部 Tc 変更圧力 P [kpa] 時間 [min] 露光時間:30s,撮影間隔:40s or 120s ダイナミックレンジ:230(=吸着前1800 平衡時1570) 再生レート:20fps

分布の評価 ρ r μ m r t r = ll S ddd O S aaa O S ddd : 吸着前の画像の輝度 S aaa : 吸着時の画像の輝度 O: カメラの暗電流温度 T [ ] ρ r µ m t r [-] 100 80 60 40 20

19 分布の評価 ρ r μ m r t r = ll S ddd O S aaa O S ddd : 吸着前の画像の輝度 S aaa : 吸着時の画像の輝度 O: カメラの暗電流温度 T [ ] ρ r µ m t r [-] 実験条件リザーバー温度 :10 冷却水温度 : 時間 [min] T e T ad1 T c T ad2 T ad3 T ad 時間 [min] 8 10

20 分布の評価 P Te リザーバー試験部 Tad1 Tad2 Tad3 Tad4 Tc ρ r µ m t r [-] 温度 T [ ] 実験条件リザーバー温度 :10 冷却水温度 : 時間 [min] T e T ad1 T c T ad2 T ad3 T ad 時間 [min] 8 10

21 分布の評価 P Te リザーバー試験部 Tad1 Tad2 Tad3 Tad4 Tc ρ r µ m t r [-] 温度 T [ ] 実験条件リザーバー温度 :10 冷却水温度 : 時間 [min] T e T ad1 T c T ad2 T ad3 T ad 時間 [min] 8 10

22 分布の評価 P Te リザーバー試験部 Tad1 Tad2 Tad3 Tad4 Tc ρ r µ m t r [-] 温度 T [ ] 実験条件リザーバー温度 :10 冷却水温度 : 時間 [min] T e T ad1 T c T ad2 T ad3 T ad 時間 [min] 8 10

23 分布の評価 P Te リザーバー試験部 Tad1 Tad2 Tad3 Tad4 Tc ρ r µ m t r [-] 温度 T [ ] 実験条件リザーバー温度 :10 冷却水温度 : 時間 [min] T e T ad1 T c T ad2 T ad3 T ad 時間 [min] 8 10

脱着過程温度 T [ ] 100 80 60 40 20 T e T ad1 T c T ad2 T ad3 T ad4 0 100 200 時間 [min] 実験条件温水温度 :80 リザーバー温度 :20 Te リザーバー P 試験部 Tad1

24 脱着過程温度 T [ ] T e T ad1 T c T ad2 T ad3 T ad 時間 [min] 実験条件温水温度 :80 リザーバー温度 :20 Te リザーバー P 試験部 Tad1 Tad2 Tad3 Tad4 Tc 圧力 P [kpa] 時間 [min] 露光時間 :30s, 撮影間隔 :40s ダイナミックレンジ :230(= 吸着前平衡時 1570) 再生レート :20fps

25 まとめ吸脱着過程の過渡変化の可視化によって以下のことがわかった. エタノールの減衰特性真影法によって計測した結果, 質量減衰係数は 3.898cm 2 /g であった散乱が大きく, 定量計測のためには真影法の適用が必要である吸脱着過程の可視化露光時間 30s, 撮影間隔 40s で, 過渡変化を可視化することができた吸着過程吸着材充填層の表層, フィン周辺で吸着速度が大きい熱電対を挿入している部分から蒸気が流入することで吸着している様子が確認された脱着過程伝熱面から吸着材が加熱されることによって, 蒸気が生成し, 粒子層が持ち上がった

26 真影法の適用中性子吸収グリッドフィン周辺が見える吸着材充填層

28 まとめ吸脱着過程の過渡変化の可視化によって以下のことがわかった. エタノールの減衰特性真影法によって計測した結果, 質量減衰係数は 3.898cm 2 /g であった散乱が大きく, 定量計測のためには真影法の適用が必要である吸脱着時の可視化露光時間 30s, 撮影間隔 40s にすることで, 過渡変化を可視化することができたフィン周辺で吸着していることが確認された熱電対を挿入している部分から蒸気が流入することで吸着している様子が確認された. 脱着時では伝熱面から蒸気が生成することで, 粒子層が持ち上がった.

29 吸着式ヒートポンプとは電気駆動放熱凝縮器機械圧縮式凝縮器脱着膨張弁高圧圧縮機圧力膨張弁圧縮機低圧蒸発器蒸発器吸着吸熱エンタルピー熱駆動放熱吸着式膨張弁凝縮器高圧低圧蒸発器吸熱吸着脱着吸着器加熱 (60~100 ) 熱源 ( 排熱, 太陽熱 )

30 吸着式ヒートポンプとは電気駆動膨張弁熱駆動膨張弁放熱凝縮器高圧圧縮機低圧蒸発器吸熱放熱凝縮器高圧加熱低圧蒸発器吸熱機械圧縮式吸着式脱着吸着圧力膨張弁吸着器凝縮器蒸発器エンタルピー脱着吸着一定時間ごとに吸着, 脱着を切り替えるバッチ運転

31 熱電対の影響熱電対付近で隙間がある温度 T [ ] 減衰量 ρµ m t [-] 時間 [min] 時間 [min] 8 10 T e T ad1 T c T ad2 T ad3 T ad4

32 吸着量導出吸着前 S ddd = GI o exp ρ wwww μ m wwww t wwww (1 ε)ρ aaa μ m aaa t aaa + O 吸着過程 S aaa = GI 0 exp ( ρ wwww μ m wwww t wwww (1 ε)ρ aaa μ m aaa t aaa ρ r μ m r t r ) + O 吸着量の算出式 m = ρ r t r = 1 μ m r ln S ddd O 0 S aaa O 0

33 ホワイトスポットノイズホワイトスポット冷却型 CCD カメラへの γ 線による CCD チップの放射線障害に伴う画像で発生するノイズであるノイズが発生している点では画像の輝度が周囲の輝度と比べ高い値をとっている可視化画像から吸着量を定量的に評価するためにはノイズをできるだけ除去しなければならない物体を置かずに中性子線をコンバーターに当てたとき露光時間 :60s 原子炉出力 :1MW

ノイズ除去方法可視化画像には多数のノイズが存在する Dark と Direct の比較 3000 Brightness S [-] 2000 1000 0

34 ノイズ除去方法可視化画像には多数のノイズが存在する Dark と Direct の比較 3000 Brightness S [-] dark-30s ~2656 direct-30s ~ Position pixel [-] 閾値以上をノイズとした

35 散乱確認 Brightness S [-] full-300s 3000 full-grid-300s empty-grid-300s empty-300s Position [pixel]

36 迷光減衰量 μ m t 2 1 O=900 O=1300 O=1400 umbra method O= エタノールの厚み t [cm]

37 吸着冷凍システムの動作高圧, 高温 (60~100 ) 低圧, 低温 (10~30 ) 温水凝縮器 30 程度冷却水吸着側脱着側冷水蒸発器

38 吸着冷凍システムの動作高圧, 高温 (60~100 ) 低圧, 低温 (10~30 ) 温水凝縮器 30 程度冷却水吸着側脱着側冷水蒸発器

39 吸着冷凍システムの動作高圧, 高温 (60~100 ) 低圧, 低温 (10~30 ) 温水凝縮器 30 程度冷却水吸着側脱着側冷水蒸発器

40 吸着冷凍システムの動作高圧, 高温 (60~100 ) 低圧, 低温 (10~30 ) 温水凝縮器 30 程度冷却水脱着側吸着側冷水蒸発器

41 吸着冷凍システムの動作高圧, 高温 (60~100 ) 低圧, 低温 (10~30 ) 温水凝縮器冷却水 30 程度冷水蒸発器

42 吸着冷凍システムの動作高圧, 高温 (60~100 ) 低圧, 低温 (10~30 ) 凝縮器脱着側吸着側膨張弁温水冷却水蒸発器

43 吸着冷凍システムの動作高圧, 高温 (60~100 ) 低圧, 低温 (10~30 ) 凝縮器吸着側脱着側膨張弁冷却水温水蒸発器

44 エタノール活性炭の優位性吸着は表面で起こる現象なので, 比表面積が高いほど, 吸着量は上昇すると考えられる活性炭は吸着能力が高い活性炭は疎水性あるため, 水はあまり吸着しない

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