成果報告書詳細
管理番号20110000001234
タイトル平成21年度~平成22年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業(先導研究)直接接触熱交換による革新的省エネルギー型水和物スラリ製造技術の研究開発
公開日2011/9/9
報告書年度2009 - 2010
委託先名JFEエンジニアリング株式会社
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー技術開発部
和文要約本研究は、超高効率ヒートポンプを用いた蓄熱空調システムにおいて、潜熱蓄熱材として空調に使用する温度域で有効なTBAB水和物スラリを用い、この製造のために、直接接触等の新規な熱交換方式を用いて、蓄熱空調システムの省エネルギー性を革新的に向上させることを目的としている。
(1)潜熱蓄熱材・熱媒の研究
 水和物スラリは、空調使用温度域である5~10℃で固液相変化時の潜熱を有する蓄熱材である。TBAB(臭化n-テトラブチルアンモニウム)を水に溶かした水溶液を流動させながら冷却すると、10~100ミクロンの水和物結晶が水溶液中に生成される。水和物スラリはこの水和物である微細粒子と水溶液の固液混相流体である。
水和物の生成熱(潜熱)はおよそ46kcal/kgであり、氷の約半分であるが、氷の生成温度が0℃に対して本水和物は5~8℃であるため、氷蓄熱の冷凍機の成績係数に比べて高くできる。また、水和物と水溶液の比重差は小さく、また微細粒子同士の凝集性もないことから、配管等に水と同様に流すことが可能である。
 TBAB水溶液を冷却して水和物スラリを製造するための熱交換方式は、現状はプレート式熱交換器を使用した間接熱交換方式である。これを冷却用の熱媒体と水溶液を直接接触して熱交換する方式にすれば、伝熱性能が優れ、圧力損失も小さくなることで大幅な効率向上が期待できる。しかし、液体から固体に相変化する直接接触式熱交換器は実用化された例はない。
この水和物スラリに適した熱媒候補を選定するため、非水溶性の熱媒体36種類について、熱物性、安全性、腐食性等のデータベースを作成した。
 データベースは比重、比熱、熱伝導率、粘度、溶解度などの物性と安全性、経済性、腐食性、熱交換特性、材料適合性などで、主に文献調査を行う一方、熱媒体とTBAB水溶液混合流体の金属材料の腐食性に関しては実験を行った。
 その調査結果から、熱媒は安全性、分離性、経済性の観点から「n-ドデカン(C12H26)」を第一候補として選択した。
 また、この熱媒体及びTBAB水溶液混合流体に対する炭素鋼、ステンレス鋼及び銅の金属材料の腐食は実用上問題ないことを実験的に確認した。
(2)直接接触熱交換技術の開発
 直接接触熱交換においては、液滴の微細化、液滴量の最大化、TBAB水溶液と熱媒体の混合促進化により熱交換を高効率化させることが必要であるが、一方、微細化による蓄熱材と熱媒体の分離の困難化、液適量増大による閉塞の危険性、混合による動力増が考えられ、おのおのの最適化が必要となる。
 そこで、直接接触熱交換予備試験装置及び熱交換評価試験装置を製作し、スラリ製造時の熱交換特性、熱交換器等での水和物による付着特性、蓄熱材と熱媒との分離特性について実験的に把握した。
 試験結果では、直接接触熱交換による水和物スラリ製造時に、熱媒体が泡状となって水和物を随伴するため、熱媒体の冷却器の伝熱面で水和物付着が生じ冷却器の圧力損失が増大することが明らかとなった。
そのため、直接接触熱交換後の熱媒体と水和物スラリとの分離性能向上が重要であることから、数種類の分離方法について分離性能の検討を行った。
分離方法として、静置沈降式分離槽では、上昇速度が6mm/s以下のすることでオイル中のスラリ(水溶液)が分離可能であり、また、機械分離では、バスケット型遠心分離機が有望である。
また、直接接触試験装置を用いて直接接触熱交換による水和物スラリの熱密度を評価した。試験結果では、熱密度17Mcal/m3(12℃基準)の高熱密度の水和物スラリが製造可能であることを確認し、最終目標値である15Mcal/m3以上の製造を達成することができた。
英文要約Title: Strategic Development of Energy Conservation Technology Project.
Research and Development of Innovative Energy-Saving Clathrate Hydrate Slurry Production Technology by Direct Contact Heat Exchange (FY2009-FY2010) Final Report:
 The purpose of this study is to innovative improve the energy-saving properties of thermal-storage type cool air-conditioning systems using Clathrate Hydrate Slurry (CHS) which is an effective latent thermal-storage material in the temperature range used for air conditioning and new heat exchanging methods including direct contact in a thermal-storage type cool air-conditioning systems using ultrahigh efficiency heat pump.
  (1) Research on latent thermal-storage materials and media:
 While the heat exchange method to generate CHS by cooling TBAB solution is currently an indirect heat exchange method using a plate-type heat exchanger, it is expected a heat exchange method by direct contact between the heat medium for cooling and the solution would lead to efficiency improvement because the heat transfer performance will be much better and the pressure loss is also smaller. However, there has been no case in which a direct contact heat exchanger with phase transition from liquid to solid was practically applied. We prepared a database of thermo physical properties, safety and so forth about 36 water-insoluble heat media to select the heat medium candidates suited for this CHS. Based on the results, we selected n-dodecane (C12H26) as the first heat medium candidate due to its safety, separation property and economic feasibility. We also confirmed experimentally that corrosion of metallic materials by the mixture fluid of this heat medium and TBAB solution was practically manageable.
  (2) Development of direct contact heat exchange technique:
 A direct contact heat exchanger cools the TBAB solution by mixing the TBAB solution and a low-temperature heat medium and forms CHS. We prepared a test system for direct contact heat exchange to understand the heat exchange properties in slurry formation, adhesion properties in heat exchanger and so forth, and separation property between the thermal-storage material and the heat medium through experiments. It is important to improve the separation property between the heat medium and the CHS after direct contact heat exchange. We examined the separation performance of several separation methods. Moreover, we evaluated the heat density of CHS by direct contact heat exchange using the evaluation test equipment for direct contact heat exchange. It was confirmed in the results that CHS of high heat density at 17Mcal/m3 (12 degrees Centigrade standard) could be generated. This cleared the final objective value of 15Mcal/m3 or higher.
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