低エミッションエネルギーシステムに適合した高効率酸素分離の研究

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12305014
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 圓山 重直 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (80173962)
• 研究分担者: 小林 秀昭 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (30170343) ; 尾池 守 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (70292282) ; 上條 謙二郎 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90282003) ; 藤間 克巳 (株)前川製作所, 技術研究所, 次長(研究職) ; 塚田 隆夫 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教授 (10171969)
• キーワード: 酸素分離 / 微細繊維 / 高効率熱交換器 / 複合伝熱 / 空気液化

研究概要

本研究は、研究代表者が考案している微細繊維構造体を用いた高効率熱交換機構を、低温空気に適用した酸素分離技術に応用し、小型で高効率な酸素分離システムの構築を目指すものである。
前年度の成果を基に、圧縮機により空気を圧入し繊維媒体熱交換器で冷却した後、膨脹弁により低温にして空気を液化する実験装置を製作し、酸素分離の実プラントに近いシステムの実験を行った。まず、圧縮機と冷却熱交換器を前段に設けた液体空気分離実験装置を製作した。また、熱交換器部に観測窓を設け、その中を透過する赤外線光のスペクトルの減衰を購入した分光放射測定装置によって計測することにより、熱交換器内部の水蒸気と二酸化炭素の凝縮と蒸発の動的挙動を非接触その場観察した。実験では、低温窒素および空気を流す配管の切替バルブを手動で操作したため、定量的な評価は行えなかったが、微細構造体の熱物質移動現象を観察できることが明らかとなった。したがって、今後、切替時間の高速化、切替周期の最適化により、将来実用化した場合の大型実験プラントの基礎データが取得できると考えられる。さらに、既存の実験式を用いて、伝熱性能および圧力損失を従来の蓄冷式熱交換器と比較し、構築した熱交換器は数分の一の大きさで熱交換が可能であることがわかった。
繊維媒体熱交換器の1次元モデルを用いた温度分布の非定常数値解析を行い、切替時間を短くすることで、熱効率を高くすることが可能であることがわかった。
酸素/二酸化炭素燃焼プラントにおける酸素製造プロセスの最適化を行い、所要動力を従来に比べ71%に低減することができ、1.4%の発電効率の向上が可能であることがわかった。
二酸化炭素の循環システムに関しては、海洋深層水の汲み上げによる生物生産性向上による二酸化炭素の海洋固定の成立性を環境的見地から検討した。
以上の結果から、本年度の研究成果は100%以上の目標が達成された。

研究成果

• [文献書誌] 中野賢三, 圓山重直, 酒井清吾: "繊維媒体全熱交換器を用いた空気分離システムの提案と伝熱解析"東北大学流体科学研究所報告. 第12巻. 1-10 (2001)
• [文献書誌] 円山重直, 中野賢三, 酒井清吾: "繊維媒体全熱交換器を用いた空気分離システムの提案と伝熱解析"日本機械学会東北支部第36期総会・講演会講演論文集. No.011-1. 134-135 (2001)
• [文献書誌] 垣尾忠秀, 円山重直, 酒井清吾: "高効率低温熱交換システムに関する基礎研究"日本伝熱学会東北支部第40期春季講演会,第1回日本伝熱学会学生発表会講演論文集. 25-26 (2001)
• [文献書誌] 円山重直, 中野賢三, 高橋直也, 酒井清吾, 平啓介: "永久塩泉による海洋深層水の湧昇に関する研究"第38回日本伝熱シンポジウム講演論文集. Vol.III. 753-754 (2001)
• [文献書誌] 円山重直, 青木綱芳, 五十嵐敬, 酒井清吾: "スパイラル熱交換器を用いた高効率ふく射変換体の開発"日本機械学会熱工学講演会講演論文集. 585-586 (2001)
• [文献書誌] S.Maruyama, T.Aoki, K.Igarasi, S.Sasaki: "Development of High Efficiency Radiation Converter Using Spiral Heat Exchanger"Proc. of 3rd International Symposium on Advanced Energy Conversion Systems and Related Technologies (RAN2001). 2C6 (2001)