多成分混合冷媒を用いた高性能蒸気圧縮式ヒートポンプシステムの開発

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本研究では、地球環境破壊に関与しない二種類以上の新作動媒体を混合して得られる多成分作動媒体を従来の単一成分作動媒体に替えて蒸気圧縮式ヒートポンプシステムに使用するための基盤技術の提供を目的として、これまでHFC134a/HCFC123系二成分混合冷媒を作動媒体とした、圧縮機、プレートフィン凝縮器、膨張弁及びプレートフィン蒸発器からなる蒸気圧縮式ヒートポンプ実験装置を用いて、サイクル実験とプレートフィン熱交換器の伝熱実験を行ってきた。そして、本年度は、サイクル性能の予測計算に不可欠な混合冷媒のプレートフィン熱交換器内の凝縮及び蒸発伝熱特性の予測計算法の開発、並びに熱交換器内のエクセルギー解析を行い、以下の成果を得た。(1)凝縮器については、蒸気バルクは飽和で、液バルクは過冷であり、気液界面でのみ相平衡の関係が成り立つとして、冷媒側の熱及び物質収支式と熱源水側の熱収支式を組み合せて解き、局所の蒸気バルク、バルク及び気液界面の状態、熱流束、平衡クオリティ及び凝縮質量流束の分布を示し、二成分混合冷媒の凝縮特性を明らかにした。(2)蒸発器については、冷媒側伝熱特性をクオリティが0.8以下の二相域、クオリティが0.8以上1未満の噴霧域及び蒸気単相域に分けて、かつ冷媒側の圧力損失を考慮した予測計算モデル考案し、純冷媒及び混合冷媒の伝熱特性の予測計算結果の妥当性を実験結果との比較で確認した。(3)熱交換器内のエクセルギー解析を試み、凝縮器においては熱源水温度変化によってエクセルギー損失を最小とする冷媒組成比が異なること(が小さい場合は純冷媒のが最小、が大きい場合はある組成比の混合冷媒のが最小)、蒸発器においては=5〜15Kの範囲では圧力損失の影響により純冷媒のエクセルギー損失が混合冷媒に比して小さいことを示した。