熱エネルギー変換基盤分野の現在の研究
プレート式熱交換器に関する研究
1 プレート式熱交換器基礎実験装置
2 アンモニアおよびアンモニア／水混合媒体沸騰熱伝達の測定
3 アンモニアおよびアンモニア／水混合媒体の沸騰様相の可視化
4 微細凹凸伝熱面を用いたアンモニアおよびアンモニア／水混合媒体の沸騰伝熱促進
5 プレート伝熱面材料としてのアルミニウム利用可能性に関する研究
6 プレート式熱交換器の設計シミュレーションコードの開発
7 プレート式熱交換器内部のFC-72流動沸騰様相の可視化
8 プレート式熱交換器に対する三次元数値解析コードの開発
プレート式熱交換器基礎実験装置
佐賀大学海洋エネルギー研究所では、OTECで使用されているプレート式熱交換器である蒸発器と凝縮器の基礎研究のため、プレート式熱交換器基礎実験装置を2004年3月に設置しました。
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| プレート式蒸発器基礎実験装置 | 蒸発器(可視化窓付) |
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| 実験装置概略図 |
プレート式蒸発器基礎実験装置は、プレート式蒸発器・凝縮器、作動流体ポンプ、温・冷熱源、その他補器によって構成されています。OTEC装置と同じような構成ですが、唯一タービンが組み込まれていません。
アンモニアおよびアンモニア／水混合媒体の沸騰熱伝達の測定
プレート式蒸発器基礎実験装置を用いて、アンモニアやアンモニア/水混合媒体を作動流体とした、プレート内における沸騰伝達の測定を行っています。
アンモニア沸騰熱伝達率の一例
アンモニアおよびアンモニア／水混合媒体の沸騰様相の可視化
プレート式蒸発器基礎実験装置を用いて、アンモニアやアンモニア/水混合媒体を作動流体とした、プレート内の可視化による沸騰様相の観察を行っています。
沸騰様相の一例
微細凹凸伝熱面を用いたアンモニアおよびアンモニア／水混合媒体の沸騰伝熱促進
小型プレート式蒸発器基礎実験装置を用いて、微細凹凸を持つ伝熱面を用いたアンモニア及びアンモニア／水混合媒体の伝熱促進の研究を行っています。
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| 微細凹凸面の形状 | 微細凹凸面 | 熱伝達率促進の例 |
プレート伝熱面材料としてのアルミニウム利用可能性に関する研究
(1) PEEK樹脂コーティングアルミ板のアンモニア浸漬による耐性
アンモニアに弱いアルミニウムをPEEK樹脂でコーティングします。本研究では同プレートをアンモニアに1か月浸漬させることで、耐性の確認を行います。
PEEK樹脂コーティングは20, 300μmで行っています。
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| 浸漬実験装置 | |
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| PEEKプレート(浸漬前) | PEEKプレート(浸漬後) |
(2) PEEK樹脂コーティングアルミ板のアンモニア強制対流による耐性
(1)と同じプレートについて、アンモニア強制対流による耐性の確認を行います。PEEK樹脂コーティングは20μmで行っています。
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| 強制対流実験装置 | |
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| PEEKプレート(実験前) | PEEKプレート(実験後) |
(3) PEEK樹脂およびWIN KOTEコーティングアルミブロックのアンモニア沸騰熱伝達率測定及び耐性試験
アンモニアに弱いアルミニウムをPEEK樹脂とWIN KOTEでコーティングします。本研究では同コーティングのブロックをヒーターで加熱してプール核沸騰状態でアンモニアに2か月浸漬させ、伝熱性能と耐性の確認を行います。PEEK樹脂およびWIN KOTEコーティングは20, 5μmで行っています。
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| プール沸騰実験装置 | |
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| PEEK伝熱面(実験前/後) | WINKOTE伝熱面(実験前/後) |
(4) PEEK樹脂およびWIN KOTEコーティングアルミプレートのアンモニア沸騰熱伝達率測定及び耐性試験
アンモニアに弱いアルミニウムをPEEK樹脂とWIN KOTEでコーティングします。本研究ではこれらの材料でコーティングされたプレート式熱交換器用のプレート(テストプレート)用いて、アンモニアに対する腐食性試験と伝熱性能試験を行いました。プレート式熱交換器に温水とアンモニアを循環させ、アンモニアの強制対流沸騰状態で3か月循環させ、連続運転前後の腐食の有無と熱通過率の変化について確認しました。本実験ではPEEK樹脂のコーティング厚さ25, 100μmとWIN KOTEのコーティング厚さ 5μmのアルミ合金製プレートをテストプレートとして用いています。
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| 100μm PEEK | 25μm PEEK | WIN KOTE |
| コーティングされたアルミ合金製テストプレート | ||
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| 25μm PEEK | 100μm PEEK | WIN KOTE |
| 連続運転前後の熱通過率の比較 | ||
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| 25μm PEEK | 100μm PEEK | WIN KOTE |
| 連続運転前後のプレートの比較 | ||
(5) PEEK樹脂およびWIN KOTEコーティングアルミプレートの海水における熱通過率測定及び耐性試験
海水に弱いアルミニウムをPEEK樹脂とWIN KOTEでコーティングします。本研究ではこれらの材料でコーティングされたプレート式熱交換器用のプレート(テストプレート)用いて、海水に対する腐食性試験と伝熱性能試験を行いました。プレート式熱交換器に表層海水および深層水を循環させ、強制対流状態で5か月循環させ、連続運転前後の腐食の有無と熱通過率の変化について確認しました。本実験では、実海水の得られる久米島サテライトで行いました。また、本実験で用いたテストプレートは(4)と同じPEEK樹脂とWIN KOTEでコーティングされたアルミ合金製プレートです。
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| 表層・深層海水循環実験装置 (久米島サテライト) |
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| 25μm PEEK | 100μm PEEK | WIN KOTE |
| 連続運転前後の熱通過率の比較 | ||
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| 25μm PEEK | 100μm PEEK | WIN KOTE |
| 連続運転前後のプレートの比較 | ||
(6) PEEK樹脂およびWIN KOTEコーティングアルミプレートをフラッシュ蒸発式海水淡水化装置用の凝縮器プレートとして用いた場合の伝熱性能評価
アルミニウム合金製プレートをフラッシュ蒸発式海水淡水化装置のプレート式凝縮器に組込み、凝縮熱伝達率の測定を行ないました。本実験は、伊万里サテライト及び久米島サテライトで行いました。本実験で用いたテストプレートは(4)と同じ２種類のコーティング厚さのPEEK樹脂とWIN KOTEでコーティングされたアルミ合金製プレートおよび既成のチタン製プレートの計4種類です。これら4種類のプレートのプレートを用い、原料水温度と流量、冷却水流量をパラメーターとして各々の条件における淡水の造水量と凝縮器の熱通過率の測定を行ないました。なお、久米島では淡水化の原料水および冷却水として表層海水および深層水を用いました。
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| アルミ製プレート式凝縮器実験用フラッシュ蒸発式海水淡水化装置 (伊万里サテライト) |
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| アルミ製プレート式凝縮器実験用フラッシュ蒸発式海水淡水化装置 (久米島サテライト) |
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| 過熱度に対する凝縮器の熱交換量の変化 (TP-1: 25μm-PEEK, TP-2: 100μm-PEEK, TP-3: WIN KOTE, TP-4: Ti) |
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| 水蒸気流量に対する凝縮熱伝達率の変化 (ReL vs. NuL) (TP-1: 25μm-PEEK, TP-2: 100μm-PEEK, TP-3: WIN KOTE, TP-4: Ti) |
プレート式熱交換器の設計シミュレーションコードの開発
プレート内沸騰熱伝達現象についてシミュレーションによる解析を行います。二相流の計算法としてCLSVOF法を採用しました。
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プレート式熱交換器内部のFC-72流動沸騰様相の可視化
海洋温度差発電導入促進のためには，使用する熱交換器を小型化，高効率化し，発電システム全体のコストを下げることが重要です。高効率熱交換器開発のためには，熱交換器内部における流動沸騰特性を理解することが求められます。そこで、透明な筐体を有するプレート式熱交換器を用い、流動沸騰様相の可視化に関する研究を行っています。
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| 実験装置概略図 |
実験では、プレート式熱交換器を向流型および並流型で運転し、両者の熱流動特性を比較していいます。
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| 流動様式（左：向流型、右：並流型） |
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| 熱通過率の比較 |
プレート式熱交換器に対する三次元数値解析コードの開発
作動流体の沸騰を伴う海洋温度差発電用プレート式熱交換器の数値解析コード開発を最終的な目的とし、その第一段階として、単相流によるプレート式熱交換器の三次元数値解析コードを開発しています。研究では特に、隔壁内部の熱伝導を含む数値解析コードの開発に取り組んでいます。
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| 解析モデル |
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| 数値解析結果の例 |