2021 Fiscal Year Research-status Report
Optimization of Low Enthalpy Power Generation System Based on Constructal Law
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20K04313
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| Research Institution | Saga University |
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Principal Investigator |
安永 健 佐賀大学, 海洋エネルギー研究センター, 助教 (50758076)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
足立 高弘 秋田大学, 理工学研究科, 教授 (60344769)
松田 吉隆 佐賀大学, 海洋エネルギー研究センター, 准教授 (00578429)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 低エンタルピー熱 / 有限時間の熱力学 / コンストラクタル法則 / 低熱源間温度差発電 / 海洋温度差発電 / エントロピー生成最小化 / プレート式熱交換器 / 伝熱面形状最適化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、150℃以下の温度で、未利用のままである低熱源間温度差を利用した発電システムの新たな基礎理論を確立し、その活用にて発電システムを高効率化かつ最適化を行うことを目指した基礎研究である。
従来の熱力学に時間などの有限性を考慮したFinite-time Thermodynamics(FTT)を基礎に、低熱源間温度差発電システムの蒸気動力の熱力学的検証をさらに発展させ、低熱源間温度差の発電システム特有の熱機関内・外の不可逆損失を考慮し、新たな熱力学的基礎モデルを構築することを第一の研究目的としている。さらに同モデルを駆使し、物体形状と熱・流動抵抗の原理を示すコンストラクタル法則に基づき、発電システム内の熱源の最適流量制御および熱交換器の伝熱面形状の最適化を目指した基盤を確立することを第二の研究目的としている。
2020年度は、研究代表者が熱機関内の各構成機器の不可逆損失と各構成機器の性能との関係のFTTモデルを新たに構築し、(１)パラメータ解析にて構成機器と熱機関内の不可逆損失の関係、(２)各構成機器の性能と不可逆損失係数の関係をそれぞれ明らかにし、30 kWおよび15 kWの海洋温度差発電実験装置の試験結果との比較を行った。実験によって得られた熱源流量と出力の関係を熱力学モデルと比較し、本理論によって熱機関の発電出力と正味出力を精度良く予測でき、最大正味出力となる温水流量条件を容易に推測できることを示した。
2021年度は、(１)パラメータ解析および実験にて構成機器と熱機関内の不可逆損失の関係を定式化、(２)熱交換器の性能と不可逆損失係数の関係をそれぞれ明らかにし、正味出力と熱交換器の伝熱性能、圧力損失の関係を明らかにした。また、（３）熱交換器の性能を伝熱面積とエクセルギー効率の比でとした評価関数を提案し、ヘリンボーン型プレート式熱交換器のパラメータ最適化を実施した。
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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
本研究は、従来の熱力学に時間などの有限性を考慮したFinite-time Thermodynamics(FTT)を基礎に、低熱源間温度差発電システムの蒸気動力の熱力学的検証をさらに発展させ、低熱源間温度差の発電システム特有の熱機関内・外の不可逆損失を考慮し、新たな熱力学的基礎モデルを構築することを第一の研究目的としている。さらに同モデルを駆使し、物体形状と熱・流動抵抗の原理を示すコンストラクタル法則に基づき、発電システム内の熱源の最適流量制御および熱交換器の伝熱面形状の最適化を目指した基盤を確立することを第二の研究目的としている。
2020年度は、熱機関内の各構成機器の不可逆損失と各構成機器の性能との関係のFTTモデルを新たに構築し、(１)パラメータ解析にて構成機器と熱機関内の不可逆損失の関係、(２)各構成機器の性能と不可逆損失係数の関係をそれぞれ明らかにした。
2021年度は、(１)パラメータ解析および実験にて構成機器と熱機関内の不可逆損失の関係を定式化、(２)熱交換器の性能と不可逆損失係数の関係をそれぞれ明らかにし、正味出力と熱交換器の伝熱性能、圧力損失の関係を明らかにした。また、（３）熱交換器の性能を伝熱面積とエクセルギー効率の比でとした評価関数を提案し、ヘリンボーン型プレート式熱交換器のパラメータ最適化を実施した。
FTTモデルを基に定式化した評価関数は、プレート式熱交換器の伝熱面積と熱交換器の伝熱性能と圧力損失のトレードオフから得られる正味出力をエクセルギー効率として表現し、両者の比として評価している。正味出力の算出の際にFTTモデルから得られる不可逆損失を用いて定式化した。既往のヘリンボーン式熱交換器において、伝熱面形状の各パラメータと熱交換器の伝熱性能、圧力損失の関係式を用いて、海洋温度差発電の熱源温度を基準にした伝熱面形状の最適化を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は、低熱源間温度差の発電システム特有の熱機関内・外の不可逆損失を考慮し、新たな熱力学的基礎モデルを構築することを第一の研究目的としており、2020年度にこのモデルを確立した。さらに同モデルを駆使し、物体形状と熱・流動抵抗の原理を示すコンストラクタル法則に基づき、発電システム内の熱源の最適流量制御および熱交換器の伝熱面形状の最適化を目指した基盤を確立することが第二の研究目的である。
2022年度では、構築したFTTモデルを行い、(1)発電装置の発電量を最大にするための熱源流量の制御、(2)熱交換器の伝熱面形状の最適化を行う。
(1)発電装置の発電量を最大にするための熱源流量の制御では、FTTモデルに基づき、必要な作動流体流量や正味出力を最大化する熱源流量の制御を、作動流体および両熱源のポンプ流量を調整することで実現する。本研究は、研究分担者の松田吉隆先生と共同で実施する。
(2)熱交換器の伝熱面形状の最適化では、2021年度に実施したヘリンボーン型プレートの既往の実験式を適用するだけでなく、プレート式熱交換器の伝熱面を2次元の凹凸形状とし、各形状での熱・流体流れの数値計算(CFD)によって実施し、実験によってその性能を確認する予定である。本研究のCFDによる計算は、研究分担者の足立高弘先生と共同で実施する。実験は、佐賀大学海洋エネルギー研究所内の熱交換器試験装置を用いて実施する。
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| Causes of Carryover |
分担研究者である秋田大学の足立先生の予算が未執行である。足立先生とは、打ち合わせのための旅費として2020年度から25万円の予算を計上している。コロナ禍において対面の打ち合わせができておらず、オンラインで協議中である。そのため、旅費が利用できていない。2022年度は対面にて協議を実施する予定であり、旅費として計上予定である。
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[Journal Article] 久米島沖における海洋温度差発電と海洋深層水複合利用のための海洋調査2021
Author(s)
浦田和也, 安永健, 池上康之, 小見聡史, 冨賀見清彦, 田中辰彦, 鎌野忠, 石田雅照, 大原順, 西田哲也, 中岡勉
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Journal Title
海洋深層水研究
Volume: 22
Pages: 39~47
Peer Reviewed / Open Access
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