成果報告書詳細
管理番号20120000000852
タイトル*平成23年度中間年報 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 蒸気ボイラ代替が可能な産業用高温ヒートポンプに関する要素技術の研究開発
公開日2012/7/26
報告書年度2011 - 2011
委託先名株式会社前川製作所
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約和文要約等以下本編抜粋:1. 研究開発の内容及び成果等
(1) 最適冷媒・冷凍機油の探索及び基本物性評価
これまでの研究開発において、冷媒はn-ペンタン(GWP=3)を選定した。また、最適冷凍機油としてPAG(ポリアルキレングリコール)を選定し、種々の添加剤を添加して本高温ヒートポンプに最適な高温安定性に優れた冷凍機油を開発した。本年度は、圧縮機単体性能試験において、選定した冷媒及び冷凍機油の特性を検証するとともに、低GWP冷媒の最新情報を継続的に調査し、本条件において将来的な適用を検討した。
(2) 圧縮機の高温対応技術の開発
スクリュー圧縮機の軸受、メカニカルシール、エラストマの要素技術を確立するために前年度に引き続き要素試験を実施した。これにより、設計凝縮温度160℃を想定した条件において使用できる見通しが得られ、それらを圧縮機試作機に適用して単体性能試験装置を製作し性能試験を行った。
軸受要素試験では、軸受のコストや入手性まで考慮し選択肢を広げるため、1)アルミ+スズ、2)銀+スズ、3)PEEKの3種について追加試験を実施した。図1にアルミ+スズの試験結果を示す。偏心率、偏心角については想定される挙動であり、必要な軸受性能が確保されている。また試験運転による異常な摩耗も見られなかった。前年度の試験も加味し総合的に評価するとアルミ+スズが最適であった。
メカニカルシール要素試験では、前年度摺動面近傍温度及びオイル洩れ量によるメカニカルシールの優位性を評価し良好な結果が得られたE社製(シャワーフラッシングスリーブ付)について、実機運転時の耐久性を検証する為に要素試験装置による500時間連続耐久確認試験を行った。その結果、オイルドレン総量は当社規定値の1/10以下と極少であり、メカニカルシール摺動部近傍には付着物等は認められずシール機能の健全性が良好と判断した。
Oリングエラストマ浸漬試験では、前年度までに選定を行った材質について、実機使用条件下(n-ペンタン、PAG、使用圧力・温度)での浸漬試験を実施しOリング材の優位性を評価した。冷媒に対する評価はHNBRが最も良い結果が得られたが、実機運用条件はHNBRの耐熱温度を超えた運用となり、高温環境下での経年変化が懸念されるため、信頼性等を考慮し圧縮機試作機用メカニカルシール部のOリング材はカルレッツを選定した。
また、熱流体解析ソフトにより、スクリューロータ圧縮部及びメカニカルシール部の3次元熱流体解析を行い、上記要素試験結果の検討及び圧縮機試作機の基本設計に反映させた。
これより、高温対応圧縮機試作機(図2)の高温対策として、ラジアル軸受にアルミ溶射+スズメッキを採用し、スラスト軸受にはラジアル軸受のスズメッキ剥離粉への耐性を考慮して、潤滑油中の異物に比較的強いとされるセラミックス転動体を採用した。また、ロータ歯部のすきまは熱膨張を考慮し、運転時のすきまが従来機と同等になるように調整するとともに研削加工を施した。さらに漏洩対策として、漏洩量等良好な結果が得られたE社製シールを採用し、安全性を高めるため外部強制循環+二次シールを追加したシステムを採用した。
高温対応圧縮機試作機の性能検証と併せてヒートポンプ要素機器の性能及びシステム動作確認のため、圧縮機単体性能試験装置を製作した。この試験装置は圧縮機や凝縮器、蒸発器などの冷媒系統をケーシングで囲んだ圧縮機試験ユニットと、その負荷設備として熱媒油(温熱)と温水(冷熱)を相殺する熱交換器や外気放熱用の空気熱交換器などからなる熱媒油ユニットで構成され、定格条件における圧縮機性能、COPについて確認した。定格条件を表1に、試験装置の外観を図3に、概略フローを図4に示す。
現在、圧縮機単体性能試験を実施中であるが、定格条件においてCOP=2.8となっている。圧縮機の断熱効率、体積効率は設計仕様をほぼ満足していることから、凝縮器の能力不足の可能性があり、今後凝縮器を交換した上で再度試験を行う予定である。それによって、目標値であるCOP=3.0の達成は十分可能と考える。
英文要約Title: Development of basic technology for an industrial high temperature heat pump system which can be an alternative to a steam boiler (FY2009-FY2012) FY2011 Annual Report.
 Compressor performance tests were carried out in this fiscal year to determine performance of the compressor and characteristics of the refrigerant and oil. Tests on bearings, mechanical face seals and elastomers tests were continued in this fiscal year and results showed that the components could be used at the design temperature of 160℃. A compressor performance test facility with heat pump components was fabricated to investigate compressor and components performance as well as system operation at the designed conditions. To minimize both refrigerant charge and leakage, plate and shell heat exchangers were used. Tests are underway right now and so far tests at design conditions indicate a COP of 2.8. Compressor performances, namely, volumetric and adiabatic efficiencies nearly satisfy the design values. However, test results show that the condenser was under rated. Tests will be repeated with a redesigned condenser and the targeted COP of 3.0 is expected to be achieved.
 A mixture of erythritol and mannitol (30/70 wt%) heat storage material was used in a shell and tube heat exchanger to adjust the melting point. The heat exchanger used this fiscal year had an increased tube pitch compared to last year’s heat exchanger and as a result packing factor of the storage material was increased by 77%. Because of increased packing factor of the storage material, 3kW of heat output was attained constantly throughout the latent heat range. Heat dissipation of 5.6kWh was confirmed, giving prospect for compact applications. A two dimensional equilateral triangle cell model was analyzed to obtain a heat exchanger design guide line. Results obtained from the analysis agreed well with the test results indicating that this analysis method can be used to predict heat exchanger characteristics with good accuracy. A small test apparatus was fabricated to perform tests on generation of steam from heat from the storage material. Because the storage material is a mixture, the temperature of the storage material as well as steam generated decreases during steam generation. Because the storage material temperatures fall during steam generation, steam of 130℃, the target value, was generated for only 50 minutes.
 Test on a direct contact latent heat storage heat exchanger which offers bigger heat transfer area and high efficiency heat exchange compared to the indirect tube heat exchanger were carried out. Melting and solidification process of the storage material in the heat exchanger was visually observed. Direct contact solidification progresses in a porous state and melting is affected by the ducts formed during solidification.
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