非共沸混合冷媒を用いた高効率冷凍システムの開発

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給湯可能な程度の高温ヒートポンプの実用化を目標として、適切な冷媒の組合せの選択とシステム設計のための冷凍サイクルの熱力学的解析、及び蒸発器における混合冷媒の蒸発特性の解明を行った。[冷凍サイクルの熱力学的解析]非共沸混合冷媒を構成する低沸点冷媒としてR22、R12、高沸点冷媒としてR114、R11.R113を選びR22-R114、R22-R11,R12-R114,R12-R11,R12-R113の組合せ、及び R22-R12の組合せについて検討した。R22-R12については59年度に得た結果により考察した。その他の組合せについてはPeng-Robinsonの状態式、乙竹によって導かれた混合則を適用し、冷凍機、ヒートポンプの基本サイクル(凝縮開始温度360K,蒸発終了温度268K,過冷却度5K、過熱度10K)を解析した。ヒートポンプの成績係数については R11あるいはR113をR12あるいはR22と組合せる場合には極大値が存在する。サイクルの最高圧力は機器設計上上限があるので単独では使用できず、高沸点冷媒の混合が必要になる。高沸点冷媒を混合する事により圧縮機の体積効率や熱出力が低下するので、冷媒の選択はこれらを踏まえて行う必要がある。[混合冷媒の水平管内蒸発特性]冷媒としてR22-R12,R22-R114を選び,外径10mm、内径8mm、長さ4mのステンレス製蒸発管に直流を通電して加熱した。圧力及び壁温の測定から管周方向平均熱伝達率を求め乾き度の関数として整理した。管周方向熱伝達率を液のみが管を満たして流れた時の対流熱伝達率で規格化し、Lockhart-Martinelliのパラメータ、ボイリング数で整理すると、沸点差の小さいR22-R12の混合冷媒はR12,R22,R114の単一冷媒と同様に整理でき、熱伝達率の低下は見られない。これに対し、沸点差の大きいR22-R114の混合冷媒では乾き度0.3以下の範囲で熱伝達率の低下が著しい事が分かった。乾き度0.3はスラグ流ないし気泡流と環状流の遷移領域に相当する。