博士論文審査報告書

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Graduate School of Fundamental Science and Engineering Waseda University

博士論文審査報告書

Doctoral Thesis Screening Result Report

論 文 題 目

Thesis Theme

Thermo-fluid dynamics of falling film type vapour absorption process

流下液膜式冷媒吸収プロセスの熱流体力学的挙動 に関する研究

申 請 者 (Applicant Name)

NICCOLO GIANNETTI ジャンネッティ ニコロ

Department of Applied Mechanics,

Research on Dynamics and Control of Mechanical Systems

2016 年 2 月

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地 球 環 境 問 題 へ の 対 策 と し て ，エ ネ ル ギ ー 使 用 量 が 特 に 多 い 産 業 分 野 に お け る 環 境 負 荷 低 減 が 強 く 求 め ら れ て い る ．こ の た め ，再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー や プ ロ セ ス 排 熱 を は じ め と し た 未 利 用 熱 エ ネ ル ギ ー の 有 効 活 用 ，さ ら に は ヒ ー ト ポ ン プ や 排 熱 発 電 シ ス テ ム 等 の 省 エ ネ ル ギ ー 機 器 の 積 極 的 な 導 入 や そ れ ら の さ ら な る 高 効 率 化 が 求 め ら れ て い る ．こ の よ う な 状 況 の も と ，産 業 用 と し て 大 型 化 が 容 易 で あ り ，比 較 的 低 温 の 熱 を 駆 動 源 と し て 冷 熱 や 高 温 蒸 気 の 供 給 が 可 能 な 吸 収 式 ヒ ー ト ポ ン プ に 対 す る 注 目 が 改 め て 高 ま っ て い る ．

吸 収 式 ヒ ー ト ポ ン プ サ イ ク ル は ，吸 収 器 ，蒸 発 器 ，再 生 器 ，凝 縮 器 ，溶 液 熱 交 換 器 を 主 と し た 複 数 の 熱 交 換 器 を 組 み 合 わ せ る こ と に よ り 構 成 さ れ て い る ．こ れ ら の 熱 交 換 器 の 組 み 合 わ せ 方 や ，作 動 流 体 で あ る 吸 収 溶 液 や 冷 媒 の 流 動 経 路 に よ っ て ，多 様 な サ イ ク ル の 形 成 が 可 能 で あ る ．具 体 的 に は ，吸 収 冷 凍 機 ，第 一 種 吸 収 ヒ ー ト ポ ン プ ， 第 二 種 吸 収 ヒ ー ト ポ ン プ の 3 種 類 に 大 別 さ れ る ．

吸 収 冷 凍 機 は 冷 却 を 行 う も の で あ り ，都 市 ガ ス な ど の 燃 焼 熱 を 熱 源 と す る ．そ し て ，夏 季 に お け る 電 力 需 要 の ピ ー ク カ ッ ト を 主 た る 目 的 と し て こ れ ま で 空 調 分 野 で 発 展 し て き た ．一 方 で 吸 収 式 ヒ ー ト ポ ン プ は ，熱 を 駆 動 源 と し て 低 温 側 か ら 熱 を 汲 み 上 げ ，高 温 側 の 加 熱 を 行 う も の で あ る ．第 一 種 ヒ ー ト ポ ン プ で は ，出 力 と な る 高 温 側 の 加 熱 温 度 よ り 高 温 の 熱 を 駆 動 源 と す る 必 要 が あ る が ，加 熱 側 の 熱 量 を 大 幅 に 増 加 で き る ．第 二 種 ヒ ー ト ポ ン プ で は ，出 力 と な る 高 温 側 の 熱 量 が 減 少 す る も の の 駆 動 熱 源 温 度 よ り 高 温 の 熱 を 得 る こ と が で き る ．

サ イ ク ル と し て は 吸 収 冷 凍 機 と 第 一 種 ヒ ー ト ポ ン プ は 同 様 で あ り ，第 二 種 吸 収 ヒ ー ト ポ ン プ は ，吸 収 溶 液 の 循 環 経 路 を 反 転 さ せ ，冷 凍 機 や 第 一 種 ヒ ー ト ポ ン プ に 適 用 さ れ た サ イ ク ル を 逆 と し た 形 態 を と る ． 吸 収 式 サ イ ク ル は ， こ れ ま で に ， 主 に 冷 凍 機 と し て 発 展 し て き た た め ，ヒ ー ト ポ ン プ と し て の 利 用 は ご く 限 定 さ れ た も の で あ っ た ． し か し ， 今 後 は ， 産 業 分 野 で の 活 用 が 視 野 に 入 れ ら れ る た め ， ヒ ー ト ポ ン プ と し て の 活 用 も 進 め ら れ ，よ り 多 様 な 利 用 形 態 が と ら れ て い く も の と 考 え ら れ て い る ．

こ の よ う な 多 様 な 形 態 を と る こ と が 可 能 な こ と は ，ヒ ー ト ポ ン プ の 優 れ た 点 で あ る が ，性 能 を 向 上 さ せ る た め に は ，熱 交 換 器 数 を 増 加 さ せ る こ と が 必 要 と な り ， 小 型 化 が 大 き な 技 術 的 課 題 と な る ．ま た ，ヒ ー ト ポ ン プ と し て の 利 用 が 増 加 す る こ と を 考 え れ ば ，温 度 レ ベ ル を は じ め と し て 構 成 熱 交 換 器 の 設 計 条 件 も 大 き く 異 な る ．そ の た め ，機 器 の 最 適 設 計 の 実 現 に は ，そ れ ぞ れ の 熱 交 換 器 で の 広 範 囲 の 運 転 条 件 に お い て 熱 流 体 力 学 的 な 現 象 の 把 握 が 強 く 求 め ら れ て い る ．

熱 交 換 器 の 中 で も 吸 収 器 は ， 吸 収 溶 液 に よ り ， 冷 媒 の 吸 収 を 行 う 最 も 重 要 な 要 素 で あ る が ，最 も 大 き な ス ペ ー ス を 必 要 と し て し ま う 要 素 で も あ る ．こ の 吸 収 器 で は ，流 下 液 膜 式 熱 交 換 器 が 一 般 的 に 採 用 さ れ て お り ，水 平 管 管 外 を 吸 収 溶 液 が 冷 媒 を 吸 収 し な が ら 流 下 し ，伝 熱 管 管 内 の 水 や 水 蒸 気 と 熱 交 換 を 行 う ．流 下 液 膜 は ，低 流 量 で 流 下 さ せ ，薄 い 流 下 液 膜 を 形 成 さ せ る こ と で 熱 抵 抗 が 減 少 し ，伝 熱 性 能 を 向 上 さ せ る こ と が 可 能 と な る ．

一 方 で ，流 量 を 低 下 さ せ す ぎ る と 流 下 液 膜 が 破 断 し て ド ラ イ ア ウ ト 領 域 が 発 生 し ，伝 熱 性 能 の 大 き な 低 下 を 招 き ，結 果 と し て シ ス テ ム の 性 能 を 大 き く 低 下 さ せ る こ と に も な り う る ．こ の た め ，吸 収 器 の 最 適 な 設 計 手 法 や ，最 適 な 溶 液 循 環 量 制 御 に つ い て 十 分 な 検 討 が 必 要 不 可 欠 で あ る ．し か し ，い ま だ に ，流 下 液 膜 に お け る 破 断 現 象 が 十 分 に は 解 明 さ れ て い な い の が 現 状 で あ る ．

そ こ で ，本 研 究 は ，以 上 の よ う な 問 題 を 受 け ，吸 収 器 の 流 下 液 膜 の 熱 流 体 力 学

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的 な 挙 動 を 解 明 す る こ と に よ り ，吸 収 式 ヒ ー ト ポ ン プ の モ デ リ ン グ 及 び 最 適 化 手 法 へ の 指 針 を 明 確 化 す る こ と を 目 的 と し て い る ．

本 論 文 は 8 章 か ら 構 成 さ れ て お り ，ま ず ，吸 収 式 ヒ ー ト ポ ン プ 全 体 の 数 理 モ デ ル の 構 築 か ら 始 ま り ，シ ス テ ム の 中 で も 吸 収 器 の 性 能 が シ ス テ ム 全 体 の 性 能 に 大 き な 影 響 を 与 え る こ と を 明 確 化 し て い る ．そ の 後 ，吸 収 器 に 注 目 し ，そ の 流 下 液 膜 の 濡 れ 性 も 含 め た 熱 と 物 質 移 動 性 能 の 予 測 を 可 能 と す る 数 理 モ デ ル を 構 築 し て い る ．そ し て ，こ の モ デ ル を 用 い た 解 析 を 行 い ，そ の 詳 細 な 特 性 を 明 ら か に し て い る ． 以 下 に 各 章 ご と の 概 略 に つ い て 述 べ る ．

第 1 章 は 序 論 で あ り ，ヒ ー ト ポ ン プ に 関 連 す る 従 来 の 研 究 や 開 発 状 況 を 述 べ る と と も に ， 本 研 究 の 目 的 ， 位 置 づ け を 明 確 化 し て い る ．

第 2 章 で は ，吸 収 式 サ イ ク ル の 基 礎 的 な 特 性 を 一 般 的 な 形 で 把 握 す る こ と を 目 的 に 理 論 解 析 を 行 っ て い る ．具 体 的 に は ，シ ス テ ム 全 体 の 最 適 化 の た め に 無 次 元 数 を 導 入 し ，各 熱 交 換 器 の 性 能 が サ イ ク ル と し て の 性 能 に 与 え る 影 響 を 検 討 し て い る ．エ ン ト ロ ピ ー 解 析 の 結 果 か ら ，特 に 吸 収 器 が シ ス テ ム 全 体 の 性 能 に 大 き な 影 響 を 与 え る こ と を 明 ら か に し て い る ．こ れ に よ り ，吸 収 式 ヒ ー ト ポ ン プ に お い て は ， 吸 収 器 の 性 能 向 上 が 重 要 で あ る こ と を 明 確 化 し て い る ．

第 3 章 で は ， 作 動 流 体 を 臭 化 リ チ ウ ム -水 系 と し ，水 平 に 設 置 さ れ た 伝 熱 管 管 外 を 作 動 流 体 で あ る 吸 収 溶 液 が 流 下 す る 流 下 液 膜 式 吸 収 器 を 対 象 と し て ，複 雑 な 熱・物 質 移 動 現 象 の 解 析 を 可 能 と す る 数 理 モ デ ル を 構 築 し て い る ．こ こ で は ，シ ス テ ム 全 体 へ の 影 響 を 議 論 す る た め ，流 下 液 膜 は 均 一 で 完 全 に 濡 れ 性 を 確 保 で き る 理 想 的 な 条 件 下 で の モ デ ル と す る ．こ の モ デ ル を 用 い て 熱 力 学 の 第 二 法 則 的 観 点 か ら 流 下 液 膜 式 吸 収 器 の 特 性 を 解 析 し ，運 転 条 件 に よ る 生 成 エ ン ト ロ ピ ー に つ い て 検 討 し て い る ．解 析 の 結 果 ，流 下 す る 吸 収 溶 液 の 質 量 流 量 を 低 減 し て ，流 下 液 膜 を 薄 く 均 一 と す る こ と に よ り ，吸 収 式 ヒ ー ト ポ ン プ の 性 能 向 上 及 び 小 型 化 を 可 能 と す る こ と を 明 ら か と し て い る ．

第 4 章 で は ，部 分 濡 れ 現 象 を 考 慮 し た 流 下 液 膜 式 吸 収 器 の モ デ ル 化 に つ い て 述 べ て い る ．第 3 章 で は ，理 想 的 な 条 件 で 解 析 を 実 施 し た が ，実 際 の 現 象 で は ，低 レ イ ノ ル ズ 数 ，高 ウ ェ ー バ ー 数 の 時 に 流 下 液 膜 が 破 断 し ，伝 熱 性 能 が 大 き く 低 下 す る 問 題 が し ば し ば 指 摘 さ れ て い る ．こ の た め ，実 際 の 運 転 で は ，こ の 部 分 濡 れ 現 象 を 考 慮 す る 必 要 が あ る ．本 章 で は ，流 下 液 膜 の 安 定 性 と 流 下 液 膜 破 断 後 の 濡 れ 面 積 を 最 小 作 用 の 原 理 を も と に 推 算 し ，部 分 濡 れ 現 象 の モ デ ル 化 を 行 っ て い る ． ま た ，濡 れ 性 に 大 き く 影 響 を 及 ぼ す 表 面 張 力 及 び ，接 触 角 ，金 属 板 の 表 面 性 状 を 計 測 し ， 数 値 計 算 に 反 映 さ せ て い る ．

モ デ ル の 妥 当 性 を 検 証 す る た め に ，流 下 液 膜 の 流 動 状 態 の 可 視 化 実 験 を 行 っ て い る ．実 験 で は ，鉛 直 に 設 置 し た 金 属 平 板 に ，作 動 流 体 を 流 下 さ せ ，形 成 さ れ た 流 下 液 膜 の 流 動 状 態 の 観 察 及 び 特 性 評 価 を 行 っ て い る ．慣 性 力 ，粘 性 力 ，表 面 張 力 が 流 下 液 膜 の 流 動 状 態 に 大 き く 影 響 す る と 予 想 さ れ る た め ，濡 れ 面 積 割 合 を 膜 レ イ ノ ル ズ 数 と ウ ェ ー バ ー 数 を 用 い て 評 価 し て い る ．

実 験 結 果 か ら ，吸 収 溶 液 の 流 量 に よ り ，濡 れ 面 積 割 合 に ヒ ス テ リ シ ス 現 象 が 確 認 さ れ た が ，こ の よ う な 現 象 に つ い て も 解 析 で よ く 再 現 で き る こ と が 示 さ れ て い る ． こ れ に よ り ， 解 析 モ デ ル の 妥 当 性 を 確 認 し て い る ．

第 5 章 で は ，第 4 章 で 構 築 し た モ デ ル を 用 い て 流 下 液 膜 式 吸 収 器 の 熱・物 質 移 動 特 性 の 詳 細 な 数 値 解 析 を 行 っ て い る ．そ の 結 果 ，慣 性 力 と 表 面 張 力 が 液 膜 の 流 体 力 学 的 挙 動 に 対 し て 支 配 的 で あ る こ と が 示 唆 さ れ ，液 膜 の 安 定 性 や ヒ ス テ リ シ

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ス 現 象 の 主 た る 要 因 と な っ て い る こ と が 示 さ れ て い る ．本 研 究 の 成 果 は ，従 来 の 研 究 で 検 討 さ れ て こ な か っ た 吸 収 器 の 部 分 濡 れ 現 象 の 影 響 を 解 析 す る こ と が で き ，今 後 ，こ の 結 果 が 吸 収 式 ヒ ー ト ポ ン プ の 最 適 設 計 の 確 立 に 大 き く 貢 献 す る も の と 期 待 さ れ る ．

第 6 章 で は ，流 下 液 膜 式 吸 収 器 モ デ ル の 解 析 解 の 導 出 を 試 み て い る ．前 章 で は ， 流 下 液 膜 式 吸 収 器 の 熱・物 質 移 動 特 性 を 数 値 解 析 に よ っ て 論 じ て い る ．数 値 解 析 は 適 切 に 問 題 の 定 式 化 が な さ れ て い れ ば 高 精 度 な 結 果 を 得 ら れ る が ，精 度 の 良 い 解 を 得 る に は ，複 雑 な 計 算 を 実 施 し な け れ ば な ら な い だ け で な く ，そ の 妥 当 性 は 特 定 の ケ ー ス に 限 ら れ ，運 転 条 件 ご と に 適 切 な 境 界 条 件 の 選 定 も 必 要 と な る ．こ れ で は ，具 体 的 な 機 器 設 計 に は そ の ま ま 活 用 す る こ と が 困 難 で あ る ．そ こ で ，モ デ ル に 適 切 な 仮 定 を 設 定 し ，解 析 解 の 導 出 を 可 能 と し て い る ．こ れ に よ り ，流 下 液 膜 の 物 理 現 象 の 把 握 や 機 器 設 計 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 実 現 を 容 易 と し て い る ． 第 7 章 で は ，管 群 か ら な る よ り 実 機 に 近 い 条 件 で 構 築 し た 数 理 モ デ ル の 妥 当 性 を 検 証 し て い る ． 具 体 的 に は ， 水 平 平 滑 円 管 を 1 列 10 段 に 配 置 し ， 吸 収 溶 液 と し て 臭 化 リ チ ウ ム -水 系 を 想 定 し て 解 析 を 行 っ て い る ．実 験 機 も 同 様 な 条 件 と し ， 吸 収 器 側 面 を ア ク リ ル で 製 作 す る こ と に よ り 伝 熱 管 管 外 を 観 察 す る ． 観 察 に は ， 高 速 度 カ メ ラ を 用 い て 管 外 吸 収 現 象 ，お よ び 伝 熱 管 周 り の 流 下 液 膜 の 流 動 状 態 を 撮 影 し ，分 析 を 行 っ て い る ．実 験 と 可 視 化 に よ る 映 像 を 用 い て 幅 広 い 運 転 条 件 で 数 理 モ デ ル の 妥 当 性 を 確 認 し て い る ．

第 8 章 は 結 論 で あ り ， 本 論 文 の 成 果 が ま と め ら れ て い る ．

以 上 要 す る に ，本 論 文 は ，吸 収 式 ヒ ー ト ポ ン プ に お い て 最 重 要 構 成 要 素 で あ る 吸 収 器 を 対 象 と し て 流 下 液 膜 の 熱 と 物 質 移 動 を 考 慮 す る と と も に ，部 分 濡 れ 現 象 ま で を も 含 め た 実 現 象 に 対 し ， 解 析 可 能 な 数 理 モ デ ル を 構 築 し て い る ． そ し て ， 具 体 的 な 実 機 を 想 定 し た 条 件 下 で も 十 分 な 精 度 で 解 析 が 可 能 で あ る こ と を 実 験 に よ り 確 認 し て い る ．さ ら に ，実 現 象 で し ば し ば 指 摘 さ れ て き た 吸 収 式 ヒ ー ト ポ ン プ の 性 能 を 低 下 す る 大 き な 要 因 で あ っ た 流 下 液 膜 の ド ラ イ ア ウ ト ま で を も 含 め た シ ス テ ム 全 体 の 特 性 を 解 析 す る こ と も 可 能 と し て い る ．

こ の 成 果 は ， 吸 収 器 の 最 適 設 計 ・ 最 適 運 転 手 法 の 確 立 に 貢 献 す る だ け で な く ， 幅 広 い 運 転 条 件 で 精 度 よ く 適 用 で き る こ と か ら ，冷 凍 機 か ら ヒ ー ト ポ ン プ と し て 幅 広 く 活 用 さ れ る 吸 収 式 ヒ ー ト ポ ン プ サ イ ク ル の 最 適 設 計・制 御 の 実 現 に 寄 与 し て い く こ と が 期 待 で き る ．

よ っ て ，本 論 文 は ，冷 凍 空 調 工 学 ，伝 熱 工 学 ，制 御 工 学 の 発 展 に 大 き く 貢 献 で き る も の で あ り ， 博 士 （ 工 学 ） の 学 位 論 文 と し て 価 値 あ る も の と 認 め る ．

2016年 2月

審 査 員 (主 査 ) 早 稲 田 大 学 教 授 博 士 （ 工 学 ） 早 稲 田 大 学 齋 藤 潔 早 稲 田 大 学 教 授 工 学 博 士 （ 早 稲 田 大 学 ） 勝 田 正 文 早 稲 田 大 学 准 教 授 工 学 博 士 （ 早 稲 田 大 学 ） 武 藤 寛 早 稲 田 大 学 教 授 博 士 （ 工 学 ） 早 稲 田 大 学 天 野 嘉 春