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 *
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
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 )
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
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 1 0.5 吸着材の温度が高い 吸着材の温度が低い 0 0.2 0.4 0.6 0.8 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
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
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.241-247(2005) Asano, et al.,j.chem.eng. of Japan, 40(13),1292-1297(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
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
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 4008 2672pixel,16bit 分解能 : 約 42μm コンバーター ミラー
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 1 2 3 4 5 6 コンバーター エタノールアルミの容器
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 [-] 1 0 0.2 0.4 0.6 エタノールの厚み t r [cm]
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 [-] 1 0 0.2 0.4 0.6 エタノールの厚み t r [cm] 質量減衰係数 :μ m r 3.898cm 2 /g
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
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 20 36 10 30 50 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
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 20 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 50 30 20 10 TC t=0.5mm SUS 板 試験部 t=0.5mm SUS 板
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 20 36 10 30 50 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
吸着過程 温度 [ ] 100 80 60 40 20 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 Tad4 0 10 20 時間 [min] リザーバー 試験部 Tc 圧力 P [kpa] 10 9 8 7 6 5 0 10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 1800- 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] 300 400 300 400 リザーバー 試験部 Tc 変更 圧力 P [kpa] 10 9 8 7 6 5 0 100 200 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 実験条件リザーバー温度 :10 冷却水温度 :30 0 2 4 6 8 10 時間 [min] 0.5 1 4 7 0.4 2 5 8 3 6 9 0.3 0.2 0.1 T e T ad1 T c T ad2 T ad3 T ad4 0 0 2 4 6 時間 [min] 8 10
分布の評価 P Te リザーバー試験部 7 8 9 4 5 6 1 2 3 Tad1 Tad2 Tad3 Tad4 Tc ρ r µ m t r [-] 温度 T [ ] 100 80 60 40 20 実験条件リザーバー温度 :10 冷却水温度 :30 0 2 4 6 8 10 時間 [min] 0.5 1 4 7 0.4 2 5 8 3 6 9 0.3 0.2 0.1 T e T ad1 T c T ad2 T ad3 T ad4 0 0 2 4 6 時間 [min] 8 10
分布の評価 P Te リザーバー試験部 7 8 9 4 5 6 1 2 3 Tad1 Tad2 Tad3 Tad4 Tc ρ r µ m t r [-] 温度 T [ ] 100 80 60 40 20 実験条件リザーバー温度 :10 冷却水温度 :30 0 2 4 6 8 10 時間 [min] 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 7 8 9 T e T ad1 T c T ad2 T ad3 T ad4 0 0 2 4 6 時間 [min] 8 10
分布の評価 P Te リザーバー試験部 7 8 9 4 5 6 1 2 3 Tad1 Tad2 Tad3 Tad4 Tc ρ r µ m t r [-] 温度 T [ ] 100 80 60 40 20 実験条件リザーバー温度 :10 冷却水温度 :30 0 2 4 6 8 10 時間 [min] 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 4 5 6 T e T ad1 T c T ad2 T ad3 T ad4 0 0 2 4 6 時間 [min] 8 10
分布の評価 P Te リザーバー試験部 7 8 9 4 5 6 1 2 3 Tad1 Tad2 Tad3 Tad4 Tc ρ r µ m t r [-] 温度 T [ ] 100 80 60 40 20 実験条件リザーバー温度 :10 冷却水温度 :30 0 2 4 6 8 10 時間 [min] 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1 2 3 T e T ad1 T c T ad2 T ad3 T ad4 0 0 2 4 6 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 Tad2 Tad3 Tad4 Tc 圧力 P [kpa] 15 10 5 0 100 200 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 1800- 平衡時 1570) 再生レート :20fps
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
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
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.
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 )
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
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 [-] 100 80 60 40 20 0 2 4 6 8 10 時間 [min] 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0 2 4 6 時間 [min] 8 10 T e T ad1 T c T ad2 T ad3 T ad4
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
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 dark-30s-1-1300 ~2656 direct-30s-1-1300 ~2656 1500 2000 2500 Position pixel [-] 閾値以上をノイズとした
散乱確認 8000 7000 Brightness S [-] 6000 5000 4000 full-300s 3000 full-grid-300s empty-grid-300s empty-300s 2000 1000 1500 2000 2500 Position [pixel]
迷光 減衰量 μ m t 2 1 O=900 O=1300 O=1400 umbra method O=1450 0 0.2 0.4 0.6 エタノールの厚み t [cm]
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
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
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
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
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
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
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
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