Development of efficient carbon dioxide capture with acoustic waves by a thermoacoustic engine
| Project/Area Number |
21K03874
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Toyohashi University of Technology |
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Principal Investigator |
横山 博史 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60581428)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | 二酸化炭素回収 / キャビティ音 / モノリス / ゼオライト / 音響加振 / 吸着 / 圧縮性流体解析 / 熱音響エンジン / キャビティ流れ / 熱音響 / 空力音 / 流体解析 / 音波 / フィルタ |
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| Outline of Research at the Start |
工場などの排熱を利用し熱音響エンジンを駆動し，音波によって二酸化炭素固体吸着剤を有するフィルタ周囲の流体混合および吸着を促進する高効率な二酸化炭素回収技術を提案する．スピーカを用いた音響加振により，吸着促進を引き起こす加振条件および促進メカニズムを実験および数値解析から明らかにする．次にフィルタ上流部にスタックを有する溝部（キャビティ）を設け，排熱を模したヒータによりスタック端部間に温度差を与え，吸着促進に効果的な音響加振を熱音響エンジンにより駆動する．さらに二酸化炭素回収実験を実施し，本提案手法により回収に必要となるエネルギーが抑制されることを実証する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
微細な正方形断面流路表面にゼオライトを担持させたモノリスを用いた二酸化炭素の吸着について，スピーカを用いた音響加振が吸着速度に及ぼす影響を明らかにすることを目的として実験を行った．その結果，音響加振（圧力振幅25 Pa以上）により吸着速度に関連する物質移動係数が増加し，強い加振ではより高い吸着促進効果を示した．また，速度変動の腹部にモノリスを設置することで，吸着促進効果がより大きく表れた．より高い流速では吸着が促進されることを確認している．微細流路壁面近くの境界層厚さが音響粒子速度変動により薄くなることで濃度勾配が急峻となり，吸着が促進されたと考えられ，今後流れ場計測から原理解明を進める予定である．
実験では音響加振源としてスピーカを用いたが，工場配管などに存在する溝部（キャビティ）周りの流れから発生する空力音（キャビティ音）の利用の可能性について，圧縮性Navier-Stokes方程式に基づいた数値解析から検討した．さらに，キャビティ流れの中に平板列（スタック）を設置することで熱音響エンジンによる音の発生現象と流れからの音の発生の空力音現象の連成に着目した．キャビティ音はスタックに80, 160 Kの温度差（低温の排熱利用を想定）を与えた場合，温度差なしの場合に比べ発生音が増大し，温度差が大きくなることで音がより強まることが示された．キャビティ内部では主流速度30 m/sでは, 最大134 dB（振幅135 Pa）の音が発生し, 二酸化炭素の吸着促進に十分な大きさの音が生成されることを予測した．実際の二酸化炭素吸着時にはより低流速の気流となることも予測されるため，今後はより実際の吸着条件に近い流速条件で強い音を発生させるため，キャビティやスタック形状，スタックの温度勾配などの条件について，その発生音への影響を明らかにしていく予定である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初予定していた二酸化炭素吸着促進に効果的な音響加振条件を明らかにできているとともに，音波の生成方法として提案したキャビティ流れと熱音響現象を組み合わせた手法についても効果的な条件が明らかにできている．以上より，おおむね順調に進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
音響加振による吸着促進時のモノリス周りの流れ場計測を実施し，この結果から原理解明を進める予定である．また，加振周波数が二酸化炭素吸着に及ぼす影響についても明らかにし，必要な音響加振条件についてまとめていく．
音響加振源としては，吸着促進実験に実装できるキャビティ流れやスタックの条件について数値解析から引き続き検討する．特に，低流速の条件では主流マッハ数が低下することから発生音は弱まると考えられ，スタック温度差による熱音響エンジンの効果での強い音の発生の可能性について明らかにしていく．
以上の研究と平行し，実際にキャビティ音を用いた二酸化炭素の吸着促進が可能か実証実験を行う．気流速度やキャビティ形状を変化させ，キャビティ音の測定を行っていくとともに，モノリス上流にキャビティを設置した場合，しない場合の吸着速度の変化について評価していく予定である．
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Report
(2 results)
Research Products
(17 results)
