成果報告書詳細
管理番号20140000000332
タイトル平成23年度-平成25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 (事前研究一体型) 二酸化炭素冷媒で作動する圧縮吸収ハイブリッドサイクルの研究開発
公開日2014/8/21
報告書年度2011 - 2013
委託先名パナソニック株式会社 独立行政法人産業技術総合研究所
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約冷凍空調機の冷媒はハイドロクロロフルオロカーボンから代替フロンに切り替わったが、これらは極めて大きな温室効果を持つため排出抑制が求められている。業務用空調分野については低GWPで不活性な冷媒の実用化が求められている。そこで本研究では、CO2冷媒の優れた吸収特性をもつイオン液体に注目し、圧縮吸収ハイブリッドサイクルを構成し、優れた省エネ性をもつ自然冷媒空調機の技術開発を目的とした。産総研においては、空調用圧縮吸収サイクル技術に最適なCO2吸収液の研究を中心に進めた。当初モデルとした1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)- amide ([BMIM][Tf2N])のCO2吸収量、CO2共存下の混合溶液のエンタルピーや粘性率の推算式を提案し、ハイブリッドサイクルのエネルギー効率などの性能評価を可能とした。さらに、[BMIM][Tf2N]より優れたCO2搬送能力を持ち、空調用途に適したイオン液体を開発し、ハイブリッドサイクルのエネルギー効率を著しく向上させ、イオン液体を用いたCO2吸収圧縮式ヒートポンプの実用可能性について検証した。パナソニック株式会社においては、圧縮吸収ハイブリッドサイクルの試作と評価を行った。新規開発された吸収液の熱平衡物性推算式および、ポンプ、動力回収機、圧縮機の各効率の実験値を用いて、2種類の有望な圧縮吸収サイクルのサイクルシミュレーションを行った。再生温度を80℃、蒸発温度を5℃とし、ガスクーラおよび吸収器は35℃で冷却する運転条件で作動させた場合、中間部の圧力(サイクルAでは再生器圧力、サイクルBでは吸収器圧力)を最適値に制御することができれば、冷房COPが4.2に到達する可能性を得た。吸収サイクルの消費電力の削減に重要な要素となる動力回収機は、単体試験の結果ではポンプ入力の70%のエネルギーを回収する結果を得た。
このポンプおよび動力回収機を組み込んだ圧縮吸収サイクルの試作機では、システムCOPがHFC410Aの56%であったが、ポンプおよび動力回収機の動作点を適正に設計することにより単体試験の高性能を引き出すことができる。
英文要約The hydrochlorofluorocarbons used for refrigerant media in air-conditioning apparatuses were replaced by its alternatives, but more improvement in the alternatives is still essential. In a relatively large scaled air-conditioner for institutional use, an inert natural refrigerant with a low GWP is strongly required.In the present study, we attempt to develop an efficient and energy-saving compression/absorption hybrid cycle using highly CO2-abosorbing ionic liquids.
In AIST, CO2-abosorbing ionic liquids suitable for the air-conditioning cycle were studied. 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl)amide ([BMIM][Tf2N]) was selected as the first model material. In order to evaluate the energy efficiency in the compression/absorption hybrid cycle, the CO2 solubility, enthalpy, and viscosity were experimentally determined in [BMIM][Tf2N]-CO2 system. Moreover, several ionic liquids to carry much more CO2 at high pressures were proposed, which can effectively improve the energy efficiency in the hybrid cycle. Based on the physical properties collected, the possibility of the compression/absorption hybrid cycle using ionic liquids for the practical application was examined.
Panasonic Corporation has created and evaluated a compression-absorption hybrid cycle prototype. A cycle simulation was conducted for 2 types of promising compression absorption based on the efficiency test values for the newly developed absorption liquid thermal equilibrium property predictive equation, pump, power recovery unit, and compressor. When run under the operating conditions of regeneration temperature of 80oC, steam generation temperature of 5oC, and where the gas cooler and absorber are cooled at 35oC, if the intermediate section pressure (the regenerator pressure for Cycle A and the absorber pressure for Cycle B), can be controlled to the optimum value, the cooling COP can reach 4.2.
The power recovery unit, which is a key element in reducing the absorption cycle power consumption, demonstrated energy recovery of 70% of the pump input during unit testing.
The compression-absorption cycle prototype incorporating the pump and power recovery unit demonstrated a system COP of 56% for HFC410A. However, if the operating points of the pump and power recovery unit are properly designed, it will be possible to achieve high performance like that attained during unit testing.
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