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いとはいざわ
5 years ago
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平成 29 年度講義予定エネルギー機器学 ( 第 9 回 ) 冷凍空調サイクル 1.

(10/18) 相変化を伴う伝熱 4. (10/25) 沸騰伝熱 5. (11/ 8) 流動沸騰 6.

エコキュートエアコン家庭用燃料電池コージェネレーションシステム HP オール電化 HP

スペースの制約が支障となっているパナソニック HP 蒸発器 Q L 低温低圧膨張弁減圧

1 平成 29 年度講義予定エネルギー機器学 ( 第 9 回 ) 冷凍空調サイクル 1. (10/ 4) 伝熱の応用と伝熱機器 2. (10/11) 輻射伝熱 3. (10/18) 相変化を伴う伝熱 4. (10/25) 沸騰伝熱 5. (11/ 8) 流動沸騰 6. (11/15) 凝縮を伴う伝熱 7. (11/22) 熱交換器の基礎 8. (11/27( 月 ))[ 水曜日課 ] 物質伝達 9. (12/ 6) 蒸気タービンガスタービン複合発電 10.(12/13) 冷凍空調コジェネレーション 11.(12/20) 定期試験様々なエネルギーシステム単段蒸気圧縮冷凍サイクルコージェネレーションエコキュートエアコン家庭用燃料電池コージェネレーションシステム HP オール電化 HP エネルギー効率は高いものの熱交換器などの機器が大容量であるためシステム全体が大きくなりスペースの制約が支障となっているパナソニック HP 蒸発器 Q L 低温低圧膨張弁減圧圧縮部高温高圧凝縮器 Q H 蒸発器単段蒸気圧縮冷凍サイクルは気体の冷媒を圧縮機で圧縮し凝縮器で冷却して圧力が高い液体をつくり膨張弁で圧力を下げ蒸発器で低温で気化させ気化熱で熱を奪い取る冷凍機の熱サイクルであるシステムの小型化が進められることによって普及が加速し, 現在のエネルギー消費を格段に抑えられることが期待される.

2 蒸気圧縮式冷凍サイクルヒートポンプシステムサイクル図 T-s 線図電動機 M 蒸発器 Q L 低温低圧膨張弁減圧圧縮機高温高圧凝縮器 Q H 熱媒体を用いるヒートポンプによる熱移動では可逆 ( 逆の順番も可能 ) な発熱現象と吸熱現象を共に利用する冷暖房では熱媒体を減圧する事により周囲より温度を下げ室内 ( 冷房時 ) または屋外 ( 暖房時 ) の空気から吸熱させる周囲から吸熱した熱媒体を加圧することにより温度を上げ屋外 ( 冷房時 ) または室内 ( 暖房時 ) の空気に対して発熱させるサイクル内の冷媒流動 P-h 線図ヒートポンプの作動原理ヒートポンプ式給湯器 1 コンプレッサーで冷媒を圧縮すると圧力と温度が上がる 2 熱交換器で温度の上がった冷媒より熱をとり熱源として利用 3 圧力の高い冷媒を膨張弁で膨張させ圧力を下げると冷媒の温度は外気温度より低くなる 4 もうひとつの熱交換器を使い冷たくなった冷媒を空気で温める 1-4 のプロセスによって空気の熱を集めて熱源として利用できる熱交換器を逆にすることによって冷房冷凍にも使える同時に使うと暖房と冷房冷凍が同時にできます

3 蒸発器Q Q H C T T W Q H Q C H S2 S3 C S4 S1 TC S3 S2 Q Q T T S S H C H 逆カルノーサイクル C 1 4: 温度 T C で Q C の熱を等温吸熱 4 3: 温度 T H まで断熱圧縮 3 2: 温度 T H で Q H の熱を等温放熱 2 1: 温度 T C まで断熱膨張 3 2 Q H 主要冷媒の熱物性値冷凍サイクルの理論成績係数 QC TC ( COP) R W T T H C Q C ヒートポンプサイクルの理論成績係数 QH TH TC ( COP) H 1 ( COP) R 1 1 W TH TC TH TC ここで W : 外部から供給された有効仕事 T : 絶対温度 S : 気体のエントロピー Q : 熱量 P : 気体の圧力 V : 気体の体積エアコン家庭用冷房空調機凝縮器が大型化しているため大型室外器が必要熱交換器の小型化により室外器の小型化が可能凝圧縮器縮器

空調機の構成と冷凍サイクル熱交換器インバータファン四方弁圧縮機カーエアコン接続配管熱交換器

空調機の効率は冷凍サイクル効率が支配的カーエアコンカーエアコンエジェクタで効率 UP 熱交換器で小型化 1.

冷媒はコンデンサーファンの風によって冷却されさらに液化が進みレシーバーへ送られる 3.

エバポレーターを出た冷媒はコンプレッサーに戻り再び圧縮される基本的にはエアコンなどの冷凍サイクルと同じただし

4 空調機の構成と冷凍サイクル熱交換器インバータファン四方弁圧縮機カーエアコン接続配管熱交換器室外熱交換器圧縮機四方弁冷媒室内熱交換器クロスフィンチューフ型熱交換器膨張弁冷凍サイクル構成空調機の効率は冷凍サイクル効率が支配的カーエアコンカーエアコンエジェクタで効率 UP 熱交換器で小型化 1. コンプレッサーによって圧縮された冷媒が半液体の状態でコンデンサーに入る 2. 冷媒はコンデンサーファンの風によって冷却されさらに液化が進みレシーバーへ送られる 3. レシーバーでは液化できなかった僅かな冷媒を液冷媒と分離する 4. 液冷媒は膨張弁の微小なノズル穴からエバポレーター内へ噴射され気化する 5. 気化した冷媒はエバポレータ周りの熱を奪っていきそれによってエバポレータが冷やされる 6. ブロワファンの風によって冷風を起こす 7. 車内の空気中の水分は冷えたエバポレーター表面で凝縮され水滴となり車外へ放出される 8. エバポレーターを出た冷媒はコンプレッサーに戻り再び圧縮される基本的にはエアコンなどの冷凍サイクルと同じただし通常の冷凍サイクルと異なり, コンプレッサーエンジン動力を利用して稼動レシーバードライヤーを備えており液化しきれなかった冷媒や, 不純物, 水分を取り除く. 不可変動に備えて一時的に冷媒を蓄える. 機能室内の温度を下げられるだけでなく, 乾燥した送風によりフロントガラスやサイドガラスの霜取りや曇り取りを行う機能も持つデメリットエンジンの動力を利用してコンプレッサーを駆動させるため, エンジンの負担が大きくなり, 燃費が悪くなる.

5 吸収冷凍サイクル吸収式冷凍機 Q L 蒸発器低温低圧膨張弁減圧圧縮部吸収冷凍サイクル高温高圧凝縮器 Q H 蒸発器吸収器凝縮器圧縮部溶液熱交換器ポンプ再生器通常の冷凍サイクル ( 蒸気圧縮式冷凍サイクル ) では圧縮機を電気によって駆動させるが, 吸収冷凍サイクルではこの圧縮工程を熱エネルギーによって行う. 冷媒 - 吸収剤水 - 臭化リチウム系 : 大型建物の冷房専用機ヒートポンプとしては使用不可アンモニア- 水系 : ヒートポンプとして使用可能成績係数は低い家庭用燃料電池 ( エネファーム ) コージェネレーション燃料電池発電ユニット天然ガス燃料改質装置発電セルスタック熱イン回バータ酸素収装置排熱貯湯ユニット貯湯タンクお湯バックアップ熱源機水素給湯出力 1 KW 電気 30 mm 暖房 82 mm ウォーターパワー株式会社

エネファーム家庭用燃料電池コージェネレーションシステム燃料電池発電ユニット 191-TB01+136-CF01

5% 以上 (700W) 総合効率 :54% 以上発電効率 : 27% 以上 (250W) 効率 ( 低位発熱量基準 )

(250W) 寸法 (mm) 191-TB01 高さ895 幅 890 奥行き300 104 kg 191-ES01

貯湯タンク容量 200l 寸法 (mm) 高さ1900 幅 750 奥行き 440 質量 105 kg ( 満水時 305

エネファーム HP 東京ガス LIFUEL 左 : 燃料電池ユニット右 : 貯湯ユニット ( エコジャパン HP より )

73 205 mm ルフトヴァッサーグローバル http://www.hotfrog.

6 エネファーム家庭用燃料電池コージェネレーションシステム燃料電池発電ユニット 191-TB CF ES CF01 効率 ( 高位発熱量基準 ) 総合効率 :72% 以上発電効率 : 31.5% 以上 (700W) 総合効率 :54% 以上発電効率 : 27% 以上 (250W) 効率 ( 低位発熱量基準 ) 総合効率 :80% 以上発電効率 : 35% 以上 (700W) 総合効率 :60% 以上発電効率 : 30% 以上 (250W) 寸法 (mm) 191-TB01 高さ895 幅 890 奥行き kg 191-ES01 高さ900 幅 900 奥行き kg 排熱利用給湯暖房ユニット (136-CF01) 貯湯温度 60 貯湯タンク容量 200l 寸法 (mm) 高さ1900 幅 750 奥行き 440 質量 105 kg ( 満水時 305 kg) 現在のエネファームは設置スペースが限られているため, 小型化させることが普及の課題! エネファーム HP 東京ガス LIFUEL 左 : 燃料電池ユニット右 : 貯湯ユニット ( エコジャパン HP より ) 燃料電池システム用熱交換器の開発燃料電池 LIFUEL の仕組み必要な設置スペース : 幅 3.5m 奥行き 1.3m 高さ 2.6m 戸建住宅に限定燃料電池システム用熱交換器材質 : SUS316L Ni ロウ付け流体 : 液液気液タイプ寸法 : mm ルフトヴァッサーグローバルマイクロガスタービン MGT 単独での発電効率は 15% 程度だが再生器を取り付けることにより発電効率を 28-30% に高めることができるコジェネシステムを利用することでエネルギー効率が 70-80% に高まるエコキュート熱交換器の小型化によりシステムの小型化が可能熱交換器の高効率化により高いエネルギー効率が実現

7 エコキュート冷媒物性の比較ヒートポンプ技術を応用し,CO 2 冷媒を用いて空気の熱で湯を沸かす電気給湯機左ヒートポンプ右貯湯タンクメリット深夜電力を利用した場合給湯にかかる光熱費が抑えられる. 二酸化炭素は地球温暖化係数が1で代替フロンの1300と比べて環境負荷が低い. 不燃性ガスなのでガス漏れしても安全. デメリット従来の給湯器と比較し高価である. 本体料金 40 万前後 + 工事費ある程度のスペースを必要とする. 瞬間的な湯沸しができない. 修理費用が高価である. 室外機の寿命は3 万時間約 10~15 年で交換が必要 CO 2 冷媒ヒートポンプシステムエコキュート水熱交換器部が 10~12MPa と高圧 COP( 加熱能力 / 消費電力 ) 増大のためには圧縮機の負荷軽減日本伝熱学会学会誌伝熱 2006 年 4 月号 CO2 給湯機用熱交換器の開発高効率の熱交換器

8 熱交換器とは熱を一方の物質から他方の物質へ伝える機器熱交換器冷凍サイクルにおける熱交換器熱交換器の応用先エコキュート用熱交換器の仕様パソコン, 自動車, 燃料電池, エコキュート, 発電プラント, エアコン, 冷蔵庫, ボイラーなど各種冷媒の物性値比較 CO 2 冷媒を用いた場合, 約 6kW の熱交換性能があれば適用可能

エコキュートに実装されている熱交換器 D 社製熱交換器の性能マイクロチャンネル積層型熱交換器の研究開発熱交換器の小型化高性能化が必要

冷媒ヒートポンプ燃料電池, マイクロガスタービン F Low temperature water P P P 実験装置 High temperature water

75(lit/min) 加熱側温度 80±5( ) 冷却側温度 13±2( ) MEMS ボルト締め拡散接合 P 40mm Drain Water Tank F

9 エコキュートに実装されている熱交換器 D 社製熱交換器の性能マイクロチャンネル積層型熱交換器の研究開発熱交換器の小型化高性能化が必要筑波大学阿部金子研究室小型エネルギー機器従来型の熱交換器は高効率実現のため大型化システム全体のスケールは熱交換器が支配的マイクロチャネル熱交換器の開発 CO 2 冷媒ヒートポンプ燃料電池, マイクロガスタービン F Low temperature water P P P 実験装置 High temperature water 水 - 水の伝熱流動特性実験条件流量範囲 0.5~2.75(lit/min) 加熱側温度 80±5( ) 冷却側温度 13±2( ) MEMS ボルト締め拡散接合 P 40mm Drain Water Tank F 15.8mm E.R. Delsman et al.,2004 強度不足により使用環境が制限高圧高流速条件下で使用可能 Valve Pump Heater D F: Flow meter : Temperature measure point P: Pressure measure point

10 Heat exchange rate (W /m 3 ) 1.0E E E E E E+04 伝熱性能の比較結果 High temperature water flow rate 1.25(lit/min) Micro-channel heat exchanger Device A Device B Low temperature water flow rate (lit/min) 従来の熱交換器に比べおよそ 100 倍の性能システムの大幅な小型化が可能水 - 水の伝熱流動特性 Quantity of heat exchange (W) 熱交換量 High temperature water 80( ) 80 High temperature High temperature water water flow flow rate rate 2.0lit/min 1.5lit/min 1.0lit/min Low temperature water flow rate (lit/min) 水 - 水の伝熱流動特性 T hout 熱交換量 Q V 冷却側の受熱量 230(g) の非常に小さな熱交換器で 1500~3500(W) の伝熱性能 T cin T cout T hin C( p Tcout - Tcin) V: 流量 (kg/s) :1000(kg/m 3 ) C p :4.19(kJ/kg K) 電動機 Q L 蒸発器低温低圧ヒートポンプシステムへの適用エネルギーおよび地球温暖化問題への対策冷暖房用と給湯用機器の省エネルギー化およびCO 2 削減 M 減圧圧縮機高温高圧凝縮器膨張弁ヒートポンプサイクル Q H ヒートポンプの普及高い成績係数 (COP) 省エネルギー燃焼が起きない. CO 2 削減問題点室外機が大きい為, 設置スペースが必要ヒートポンプの小型化が重要凝縮器として適応する蒸気インジェクターの小型化を実現させることで, ヒートポンプのシステムの小型化と省エネルギー化を目指す. 蒸気入口条件圧力 110~115(kPa) 温度 100( ) Low temperature water 凝縮実験装置 F:Flow meter :Temperature measure point P:Pressure measure point F P P Valve 沸騰なし凝縮量出口状況の確認水 - 蒸気の伝熱流動特性 Drain P Boiler

5 layers 新しい熱交換器の試作 6 layers 5 layers 6 layers 10000 既存の熱交換器との比較 (0.25mm 0.25mm, 671 本 610 本 ) 1 2 3 6 layers 5 layers 高温側低温側 Counter flow 高温側 0.25 0.25 6 低温側 5 高温側低温側流路径積層数 [mm] [ 層 ] 0.5 0.5 6 5 0.

0358 Heat transfer rate [W] 8000 6000 devicea 4000 deviceb Flow channel (671 610) 3.0 lit/min 2000 2.0 lit/min 1.5 lit/min 1.

11 5 layers 新しい熱交換器の試作 6 layers 5 layers 6 layers 既存の熱交換器との比較 (0.25mm 0.25mm, 671 本 610 本 ) layers 5 layers 高温側低温側 Counter flow 高温側低温側 5 高温側低温側流路径積層数 [mm] [ 層 ] layers 5 layers Parallel flow 流路数全流路数流路長伝熱面積 [ 本 / 層 ] [ 本 ] [mm] [m 2 ] Heat transfer rate [W] devicea 4000 deviceb Flow channel ( ) 3.0 lit/min lit/min 1.5 lit/min 1.0 lit/min Flow rate of low-temperature water [lit/min] 単位体積あたりの熱交換量が 100 倍以上であるだけでなく全熱交換量でも既存の熱交換器の性能を凌駕している Heat transfer rate [W] 熱交換量に及ぼす積層数の影響 Flow rate of low-temperature water [lit/min] 4 5 device A device B Flow channel ( ) 2.0 lit/min 1.5 lit/min 1.0 lit/min Flow channel ( ) 2.0 lit/min 1.5 lit/min 1.0 lit/min Flow channel ( ) 3.0 lit/min 2.0 lit/min 1.5 lit/min 1.0 lit/min 6 全熱交換量はチャンネル積層数に線形に相関マイクロチャンネル内の流動挙動マイクロチャンネルの凝縮挙動の研究報告は数件 (HFC134a 等 ) 単管可視観測実験マイクロチャンネル内の気液二相流では重力よりも表面張力の影響が大きくなり通常スケールの管内凝縮挙動とは異なる可能性各種パラメータにおけるフローパターンの観測伝熱特性の定量評価本研究においては熱交換器としての性能評価蒸気?? 水二相流蒸気水蒸気

入口蒸気圧力 :108-182 [kpa] サブクール水温 :20-74 [ºC] 不凝縮性ガス濃度 :4.2 33.

(25 m) 流動様式 10 mm 20 mm Wall 30 mm 実験条件 P in : 142 kpa A B C

6 ppm Vapor Annular flow Bubbly flow D in : 240 m Flame rate

pump Valve 100 Tmm Drain P T T 50 mm P 40 mm T Insulation

flow Atmospheric Subcooling water Drain pressure Drain T P T

Heater D in A: 滑らかな環状流 B: 波立った環状流 C: 噴出流 1 mm 0 s 33 s 264 s

エコキュート用熱交換器との比較 ( 適用例 ) 排液温度制御用熱交換器の製作 CO2 冷媒ヒートポンプ ( エコキュート

5kW 熱交換器外観 ( クロスフロー型 ) 流路形状 ( 矢印位置で切断 ) 要求仕様 ( 半導体機器製造装置用 )

12 入口蒸気圧力 : [kpa] サブクール水温 :20-74 [ºC] 不凝縮性ガス濃度 : [ppm] 実験装置及び実験条件 31 mm 17 mm 4 mm 銀ペーストエポキシ系接着剤 K 型熱電対 (25 m) 流動様式 10 mm 20 mm Wall 30 mm 実験条件 P in : 142 kpa A B C Subcooling water D T water : 28±1 ºC M air : 33.6 ppm Vapor Annular flow Bubbly flow D in : 240 m Flame rate 4000 FPS Replay speed 10 FPS Shutter speed 50 s Peristaltic pump Valve 100 Tmm Drain P T T 50 mm P 40 mm T Insulation Safety Degasifie valve T T T Valve P Test section rvapor flow Atmospheric Subcooling water Drain pressure Drain T P T Boiler Pyrex glass Water pipe tank 50 mm Balance Vacuum pump Heater D in A: 滑らかな環状流 B: 波立った環状流 C: 噴出流 1 mm 0 s 33 s 264 s D: 気泡流 429 s 蒸気泡の収縮環状流長さが凝縮に対して支配的である可能性 300 m エコキュート用熱交換器との比較 ( 適用例 ) 排液温度制御用熱交換器の製作 CO2 冷媒ヒートポンプ ( エコキュート ) の水熱交換器加熱能力 4.5kW 熱交換器外観 ( クロスフロー型 ) 流路形状 ( 矢印位置で切断 ) 要求仕様 ( 半導体機器製造装置用 ) 1. 高温側温度 :95 45 流量 :Max 3.0 L/min 2. 冷却水温度 :13.5 流量 : 約 3.0 L/min 3. 装置サイズ 150mm x 300mm x 240mm 以内他社熱交換器 ( 伝熱学会誌ダイキン工業株式会社カタログ他社実施例 ) 47

13 半導体工場への設置例熱交換器設置前熱交換器設置後エジェクターサイクル限られた空間での要求仕様を実現エジェクターシステム内の圧力挙動エジェクタサイクル

エジェクタを用いた冷凍サイクル他の応用例 : デンソーが実用化プリウスの燃費を 1.

2 回収したエネルギーを, 混合部ディフューザで圧力エネルギーに変換して昇圧する.

14 エジェクタを用いた冷凍サイクル他の応用例 : デンソーが実用化プリウスの燃費を 1.5% 向上エジェクタサイクル膨張弁エジェクタにすることにより, 1 膨張時の渦の発生を抑制し等エントロピー膨張が生じる. 渦発生で損失していたエネルギーを冷媒の運動エネルギーとして回収ができる. 2 回収したエネルギーを, 混合部ディフューザで圧力エネルギーに変換して昇圧する. 圧縮機の吸引圧力を増加させ効率が向上する. 蒸発器入口の冷媒状態は液体となるため, 蒸発器内の圧力損失低減熱伝達率増加などの効果による性能向上 3 エジェクタは構造が容易で故障が少なく保守が容易で, 今までのシステムに組み込める. liquid Expansion valve liquid 従来冷凍機とエジェクタサイクル冷凍機 Ejector Condenser Evaporator Condenser gas mixture Evaporator Compressor 従来の冷凍機 gas gas Separator liquid エジェクタサイクル冷凍機 Compressor 膨張弁に代ってエジェクタを採用エジェクタにより膨張と流体の駆動コンプレッサ負荷を低減サーバ冷却

15 現在用いられているのはサーバ冷却ヒートシンク ( 放熱器 ) + ファン発熱する機械電気部品に取り付けて熱の放散によって温度を下げることを目的にした部品特徴強制対流を生じて熱を移動ファンをつける場合とつけない場合では設計が異なる. 主に材料としては熱が伝導しやすいアルミや銅ヒートシンクの性能は熱抵抗によって表され, 熱抵抗が小さいものほど性能が高い. PC 冷却 ( ヒートシンク ) ヒートシンクの性能向上によりファンやヒートシンクの数の改善が可能サイズ (W D H): mm マザーボード上のヒートシンク左の図のようにフィンを設置し剣山状にすることで表面積が広くなり, 熱が効率よく放熱される. 既存のヒートシンク W20 D20 H14mm ( 株 )WELCON 総厚 5mm 圧縮機圧縮機

722 ( kj / kg K) 等エントロピ変化とすると 50( ) の飽和圧力 P1 1.

16 問題 10-1 HFC-134a を冷媒とする基本冷凍サイクルがある 1. 冷房運転をしているときの蒸発温度は 10( ) 凝縮温度は 50( ) であったこのときの冷房成績係数を求めよ 2. 暖房運転をしているときの蒸発温度は 0( ) 凝縮温度は 40( ) であったこのときの暖房成績係数を求めよ問題 10-1 回答の方針 (1) HFC-134a 冷媒の 10( ) の時の飽和蒸気の比エンタルピと比エントロピは h1 404 ( kj / kg) s ( kj / kg K) 等エントロピ変化とすると 50( ) の飽和圧力 P1 1.32( MPa) に対する比エンタルピは h2 428 ( kj / kg) であるから状態 3は飽和液であるのでその比エンタルピは h3 272 ( kj / kg) また h 成績係数は 4 h 3 h ( cop) h であるからこのときの冷房 1 2 h4 h 1 問題 10-1 回答の方針 (2) HFC-134a 冷媒の0( ) の飽和蒸気の比エンタルピと比エントロピは h1 399 ( kj / kg) s ( kj / kg K) 等エントロピ変化とすると 40( ) の飽和圧力 P1 1.02( MPa) の交点の状態 1に対する比エンタルピは h2 425 ( kj / kg) であるから状態 3は 0 の飽和液であるのでその比エンタルピは h3 256 ( kj / kg) であるのでこのときの暖房成績係数は h2 h3 ( cop) h h 2 1

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PowerPoint プレゼンテーションコンパクトなフィンレス気液熱交換器 ~ 低圧力損失高伝熱性 ~ 金沢大学理工研究域機械工学系助教大西元 Kanazawa University 1 研究背景 Kanazawa University エネルギーの大量消費化石燃料の高騰枯渇新クリーンエネルギーの開発 + 省エネルギー化の推進温室効果ガス (CO 2 ) の排出量削減温暖化砂漠化解決策深刻なエネルギー環境問題ヒートポンプが