気液相変化による液体の凍結のエクセルギー高効率利用への応用

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エネルギー変換におけるエクセルギー効率向上のためには排熱源の温度を低下させることが有効であり、低温熱源を安定に得ることがエネルギー有効利用の見地から望ましい。低温熱源、すなわち冷熱の安定供給という見地から、従来より相変化を利用した冷熱保存(氷蓄熱)が検討されているが、従来の氷蓄熱器では伝熱管上に発生した氷による熱抵抗や水の凝固時の過冷却現象がエクセルギー損失を生んでいる。これは水の冷却を冷却された冷媒との顕熱移動によって行っていることに起因しているためである。したがってこの損失を抑制するためには顕熱移動をともなわない冷却方法を確立することが必要である。本研究では、相変化液滴の凍結(液→固相変化)にともなう潜熱をその液滴自身の蒸発(液→気相変化)による潜熱で移動させる冷却方法を検討しており、本年度は相変化物質として水を用い、液滴の蒸発・凍結挙動と凍結確率に対する雰囲気圧力や初期液滴径などの影響を、低圧雰囲気中で液滴を自由落下させる系において実験的に評価した。その結果、雰囲気圧力が水の気液・液固相変化が同時に生じると考えられる三重点になっても蒸発による水滴の凍結はほとんど生じず、雰囲気圧力をさらに低下させないと高い凍結確率が得られないこと、低圧雰囲気中に投入する液滴径が大きすぎると所定の冷却時間中には凍結にいたらず、逆に小さすぎると過冷却現象が顕著になって凍結確率が低下して、結果的に凍結確率の高い液滴径は本実験範囲では2〜3mm程度であること、さらに液滴にフラッシュ蒸発が生じると液滴が分解し、そのショックによって過冷却解除が促進されて、微細な氷晶が比較的高い確率で得られることを明らかにした。