SAITO, Kiyoshi

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Affiliation

Faculty of Science and Engineering, School of Fundamental Science and Engineering

Job title

Professor

Homepage URL

http://www.saito.mech.waseda.ac.jp

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Concurrent Post 【 display / non-display 】

  • Faculty of Science and Engineering   Graduate School of Fundamental Science and Engineering

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Research Institute 【 display / non-display 】

  • 2020
    -
    2022

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

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Education 【 display / non-display 】

  • 　
    -
    1997

    Waseda University   Graduate School, Division of Science and Engineering   Mechanical engineering  

  • 　
    -
    1992

    Waseda University   Faculty of Science and Engineering   mechanical engineering  

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Degree 【 display / non-display 】

  • Waseda University   Dr. Engineering

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Research Experience 【 display / non-display 】

  • 2014
    -
    　

    Adjunct professor, University of Indonesia

  • 2011
    -
    　

    Visiting professor, University of the philippines

  • 2008
    -
    　

    Present Professor

  • 2002
    -
    　

    Associate professor, Waseda University

  • 2000
    -
    　

    National Institute for Resources and Environment

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Professional Memberships 【 display / non-display 】

  • 　
    　
    　

    日本エネルギー学会

  • 　
    　
    　

    ASHRAE

  • 　
    　
    　

    IIR

  • 　
    　
    　

    日本冷凍空調学会

  • 　
    　
    　

    日本機械学会

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Research Areas 【 display / non-display 】

  • Earth resource engineering, Energy sciences

  • Control and system engineering

  • Transport phenomena and unit operations

  • Thermal engineering

  • Mechanics and mechatronics

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Research Interests 【 display / non-display 】

  • Dynamics, Robotics, Energy saving, Air conditioning, Environmental engineering

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Papers 【 display / non-display 】

  • Semitheoretical formulation of annular flow void fraction using the principle of minimum entropy production

    Niccolò Giannetti, Seiichi Yamaguchi, Kiyoshi Saito, Hiroaki Yoshimura

    International Journal of Thermal Sciences   158  2020.12

    　View Summary

    © 2020 Elsevier Masson SAS The two-phase flow void fraction is a critical parameter for characterising the pressure drop as well as heat and mass transfer capability of the working fluid within thermal systems, the accurate estimation of which drives heat exchanger design and control optimisation. A semitheoretical expression for the void fraction of two-phase flows, also applicable to small-sized channels, is obtained from an analytical study based on the principle of minimum entropy production and the introduction of empirical coefficients to be fitted to experimental data available in the open literature. These coefficients embody the importance of the simplified physical terms of this formulation while recovering the accuracy loss owing to nonlinear phenomena, heat and mass transfer, and three-dimensional effects. By accounting for surface tension, this model generalises previous theories and describes the influence of smaller-sized channels in terms of the stable void fraction. This mathematical framework can be used to summarise data covering different refrigerants, channel diameters, and operating conditions.

    DOI

  • A cost effective and non-intrusive method for performance prediction of air conditioners under fouling and leakage effect

    Sholahudin, Niccolo Giannetti, Seiichi Yamaguchi, Kiyoshi Saito, Katsuhiko Tanaka, Hiroto Ogami

    SUSTAINABLE ENERGY TECHNOLOGIES AND ASSESSMENTS   42  2020.12

    　View Summary

    Realistic performance predictions are required for efficient operation strategy of air conditioners. In this study, the application of a cost effective and non-intrusive black box model utilizing artificial neural networks (ANN) to predict the cooling capacity of air conditioning systems is investigated, while considering the effect of fouling and leakage that may occur after prolonged operation. The effect of various leakage and fouling combinations on the output cooling capacity were numerically simulated. The training data set is first generated for a system that is ideally operating without any fouling or leakage. The developed ANN model is tested to predict cooling capacity in "faulty" systems. The results indicated that, as long as leakage and fouling are limited below 10% and 4% respectively, the ANN model trained by the data generated with the ideal system, can predict cooling capacity with a relative averaged cooling capacity difference (Delta(Q) over bar (e,rel)) of approximately 13%. Moreover, the inclusion of data with different leakage and fouling combinations in the training set enables accurate predictions of the cooling capacity of the air conditioning system during the entire timespan of its operation. It suggests that cooling capacity under the fouling and leakage phenomena can be predicted using limited input information.

    DOI

  • Experimental implementation of artificial neural network for cost effective and non-intrusive performance estimation of air conditioning systems

    Sholahudin, Niccolo Giannetti, Seiichi Yamaguchi, Kiyoshi Saito, Yoichi Miyaoka, Katsuhiko Tanaka, Hiroto Ogami

    APPLIED THERMAL ENGINEERING   181  2020.11

    　View Summary

    Owing to the high variability of operating conditions and the complexity of dynamic phenomena occurring within air conditioning cycles, the realistic performance estimation of these systems remains an open question in this field. This paper demonstrates the applicability of a cost-effective estimation method based on an artificial neural network exclusively using four refrigerant temperatures as the network input. The experimental datasets are collected from a reference experimental facility. The system is operated with variable cooling load, outdoor temperature, and indoor temperature settings, as representative of the actual operation. The artificial neural network structure was optimized by considering the effect of previous time step inputs, number of neurons, sampling time, and number of training data. The results reveal that the developed model can successfully estimate the cooling capacity of an air conditioning system during on-off, continuous unsteady, and steady operation, using four temperature inputs with relative averaged error below 5%.

    DOI

  • Prediction of two-phase flow distribution in microchannel heat exchangers using artificial neural network

    Niccolo Giannetti, Mark Anthony Redo, Sholahudin, Jongsoo Jeong, Seiichi Yamaguchi, Kiyoshi Saito, Hyunyoung Kim

    International Journal of Refrigeration   111   53 - 62  2020.03

    　View Summary

    © 2019 Due to the intrinsic complexity of two-phase flow distribution and the limited mathematical flexibility of conventional formulations of the phenomenon, previous attempts generally fall short in the accuracy and applicability of their prediction. To address these issues, this study focuses on methods with higher mathematical flexibility. Specifically, the construction and training of Artificial Neural Network (ANN) is presented for the identification of this complex phenomenon. The interaction of the numerous physical phenomena, occurring at different scales, is thus represented by the network structure, offering a formulation capable of achieving higher accuracy. Experimental data from a full-scale heat exchanger of an air-conditioning system operating over a wide range of conditions are used to train and test the ANN. The network optimisation with Bayesian regularisation against experimental data leads to a structure featuring 4 inputs, 3 hidden layers, and 3 neurons for each layer, which demonstrates deviations on the single output mostly lower than ± 10% and a correlation index higher than 98%, when the whole data set is used for training the ANN. The analysis of the network optimisation for different shares of data used for the network testing, shows higher training and testing accuracy as the number of training data increases, along with no apparent overfitting.

    DOI

  • Formulation of steady-state void fraction through the principle of minimum entropy production

    Niccolo GIANNETTI, Kiyoshi SAITO, Hiroaki YOSHIMURA

    Journal of Thermal Science and Technology   15 ( 3 ) JTST0025 - JTST0025  2020

    DOI

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Books and Other Publications 【 display / non-display 】

  • デシカント空調システムの基礎理論と最新技術

    齋藤, 潔(機械工学)

    S&T出版  2015.09 ISBN: 9784907002435

  • 未利用工場排熱の有効活用技術と実用展開 : 要素技術の開発・高性能化と導入事例・システム

    齋藤, 潔

    サイエンス&テクノロジー  2014.03 ISBN: 9784864280969

  • 高効率冷凍・空調・給湯機器の最新技術

    鹿園直毅, 齋藤潔 他

    シーエムシー出版  2011.11 ISBN: 9784781304328

  • エネルギーの辞典

    齋藤潔 他

    朝倉書店  2009.10

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Misc 【 display / non-display 】

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Awards 【 display / non-display 】

  • 日本機械学会賞

    2013  

  • 日本冷凍空調学会学術賞

    2012  

  • ERDT Best paper award

    2010  

  • SAREK Best paper award

    2010  

  • 日本冷凍空調学会学術賞

    2010  

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Research Projects 【 display / non-display 】

  • エゼクター式吸収器によるハイブリッド吸収ヒートポンプの高効率化に関する研究

    奨励研究(A)

  • ハイブリッド空調システムの動特性の究明と高効率運転に関する研究

    若手研究(B)

  • 太陽熱駆動エジェクター式ヒートポンプの数理モデル構築と最適設計・制御に関する研究

    基盤研究(C)

  • Optimum design of latent heat recovery heat exchangers

  • Study on the advanced tubes of absorber for absorption refrigerator

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Specific Research 【 display / non-display 】

  • 第二種吸収式ヒートポンプ用高温吸収器の流動, 伝熱特性評価

    2014  

    　View Summary

    本研究は，第二種吸収式ヒートポンプの吸収器の伝熱性能を実験と解析により明らかにしようとするものである．従来の吸収器は，冷凍サイクルとして用いられたため，吸収溶液は40～50℃程度で伝熱管外表面を流動していた．これに対して第二種吸収ヒートポンプでは，150℃程度の吸収溶液が伝熱管外表面を流動するため，伝熱特性が大きく変わり，機器の過剰設計や性能不足といった問題を引き起こす．　そこで，吸収器の要素試験により，溶液流量を1～6kg/min，溶液温度を60℃から160℃まで，広範囲に変化させて熱伝達率を測定した．また，この実験結果から，Nu数が0.03～1.0程度までの広範囲に吸収器の伝熱性能を予測可能な伝熱評価式を構築することができた． 

  • エネルギーシステムの統一的解析理論の確立とヒートポンプサイクルの大域的非定常解析

    2010  

    　View Summary

    ヒートポンプをはじめとしたエネルギーシステムにおいては，規格で評価された性能と実運転状況下で評価された性能に大きな乖離があることが指摘されている．このため，機器の真の性能向上を実現するためには，常に制御により非定常な状態で運転される機器の非定常実運転性能を詳細に把握し，高効率化を実現することが必要である．このような検討には，非定常シミュレーションが必要不可欠である．そこで，エネルギーシステムの中でも二相流の分岐・混合，チョークが発生するだけでなく，断続運転のような大振幅非線形非定常現象が発生するため解析が困難となるヒートポンプシステムを対象としてその非定常解析を実施する．同時にこのような最難関の非定常解析を通じて，申請者が15年にわたり，研究を実施してきたエネルギーシステムの統一的解析理論を非定常現象への拡張することを目的とする．これまでに，定常解析については，すでに本解析理論の構築をほぼ終え，多様なエネルギーシステムの解析を可能とし，単に論文発表だけでなく，受託研究を通じて実際にその成果を上げている．しかし，エネルギーシステムの非定常解析についてもすでに複数の研究を受託し，様々な成果を残してきたが，これらはすべて簡易な非定常解析モデルを採用した結果である．このため，ヒートポンプシステム，発電システム等のエネルギーシステムの中でしばしば見られる二相流の分岐・混合現象，高速二相流のチョーク等の現象に対してどのように一般性のある解析を実現するか，また非線形解析の収束性を改善し，どのように計算の安定性を改善するか等クリアーすべき課題が複数残されているのが現状である．そこで，本研究では，エネルギーシステムの非定常解析を実現する上で十分に検討がなされていない二相流の分岐・混合現象，高速２相流現象が含まれるとともに，断続運転，起動，停止運転等の大振幅非線形非定常現象を含むヒートポンプを対象とし，その大域的非定常解析を可能とする．また，ヒートポンプの高度な非定常解析を通じてエネルギーシステムの統一的理論を非定常解析にまで拡張することが目的となる．本研究の結果，大振幅非線形非定常問題となるヒートポンプの断続運転，起動・停止運転の合理的解析手法を明確とすることができた．また，システムの制御特性に大きな影響を及ぼす断続運転の周期，振幅等がシステムの性能にどのような影響を与えるかも詳細に明らかにすることができた．また，上記ヒートポンプの解析を実現しながら，ヒートポンプだけでなく，多様なエネルギーシステムの合理的解析を実現するための手法をさらに強化することができた．

  • 汎用熱システム解析手法による湿式除湿機の動特性の究明と最適設計・制御手法の確立

    2007  

    　View Summary

    　近年，次世代の除湿装置としてリキッドデシカントシステムが注目されている．リキッドデシカントシステムは，低温排熱による駆動が可能なこと，結露を伴わず衛生的であること，吸収液による空気の除菌や消臭が可能なことなどの特徴がある．　これまでに，実機による性能評価試験や，シミュレーションにより，リキッドデシカントシステムの有用性を示してきた．しかし，本システムの設計・制御手法などについては，いまだ確立されていないのが現状である．特に，システムの主要要素である吸収・再生器充填層における熱・物質移動特性は，不明な点が多く，その設計指針が得られているとは言えない．　そこで，この吸収・再生器用充填層の要素試験を行い，その圧力損失や熱・物質移動特性について明らかにする．具体的には，乾燥時の圧力損失を実験とCFDによるシミュレーションの双方から評価する．さらに，熱・物質移動特性として，空気面速や溶液質量流束などが熱・物質通過率に与える影響について調査する． 　その結果，今回対象とする充填層の乾燥時の圧力損失を測定したところ，レイノルズ数が200付近で層流から乱流に遷移することが分かった．また，このときのレイノルズ数と損失係数の関係を整理式としてまとめることができた．　また，溶液質量流束および空気面速度が充填層出口の空気お温度・湿度に与える影響を実験的に明らかにできた．また，溶液質量流束が小さい領域で，空気が吸収熱により加熱されて排出されうることを確認した．さらに，物質通過率・熱通過率で整理したところ，溶液質量流束の増加に対しては物質通過率・熱通過率ともに上昇していくが，空気面風速の影響については明確な依存関係は見いだせなかった．

  • 三重効用吸収冷凍機のモデル化と最適設計に関する研究

    2004  

    　View Summary

    　近年，地球環境保全や省エネルギー化の観点から吸収冷凍機の大幅な高効率化を実現する三重効用吸収サイクルの研究が進められている．しかし，三重効用吸収冷凍機の開発には，様々な技術的課題が残されている．特に高温の臭化リチウム溶液による高温再生器缶胴の腐食，高温再生器内の高圧化が大きな問題とされており，未だ実用化にはいたっていない．　そこで，本研究ではシミュレーションにより，三重効用吸収冷凍機の特性を評価することにより，高温再生器内の低温，低圧化を可能とする設計指針を得ることを目的とする．具体的には，三重効用吸収サイクルの３つの代表的なサイクルであるシリーズ，リバース，パラレルを対象に，(1)蒸発器・吸収器をそれぞれ２基とした２段吸収の効果(2)冷却水経路を通常の実機とは逆に凝縮器→吸収器とした効果(3)パラレルフローにおける吸収溶液分配比を含むサイクルの最適化の効果について検討を行う． 三重効用吸収サイクルの最適化計算には，試行錯誤法と外点ペナルティ法を採用する．外点ペナルティ法は，制約条件付き最小化問題を無制約最小化問題に変換し，最適点を導出する手法である． 解析の結果，次のことが明らかとなった．(1)蒸発器・吸収器を2段とし，冷却水経路を従来とは逆に凝縮器から吸収器へと流動させることにより，ＣＯＰを0.2以上向上させ，高温再生器溶液出口温度を約30℃低下させ，高温再生器内圧力をシリーズ，リバースフローでは約200kPa，パラレルフローでは約100kPa低減させることができる．(2)高温再生器出口温度に限界温度を設定し，その範囲で，パラレルフローの溶液分配比を含めたそれぞれのフローの最適点での性能比較を行った結果，パラレルフローは，COPが最も高く，高温再生器圧力も最も低くできる．

  • エゼクター式吸収器によるハイブリッド吸収ヒートポンプの高効率化に関する研究

    2002  

    　View Summary

    　エゼクターは，動作流体の膨張過程において不可逆損失として熱エネルギーに変換されてしまう力学的エネルギーを回収することができる．このため，吸収式冷凍機に用いられているいくつかの膨張弁のかわりにエゼクターを採用し，この力学的エネルギーを吸収器内圧力の上昇に用いることで冷凍機の大幅な効率向上が可能である．　そこで，本研究では，シミュレーションによりエゼクターの特性解析ならびにエゼクターを吸収冷凍機に組み入れた場合の性能を評価することを目的とする．　まず，エゼクターならびに吸収式冷凍機のシミュレーションモデルを構築した．ここでは，エゼクターを駆動流ノズル，吸引流ノズル，混合部，ディフューザーからなるシステムと見なし，それぞれの要素を連続方程式，エネルギー方程式，断熱効率からなる数式モデルで表す．そして，それぞれのモデルを接続することによりエゼクター全体のモデルを構築した．同様の手法で，吸収式冷凍機全体のモデルも構築した．　その結果，まず，エゼクターの特性として排出流の排圧が最大となる最適な混合部入口圧力が存在することが明らかとなった．この点では，エゼクター内でのエントロピー生成が最小となる．　また，水－アンモニアを作動媒体とする吸収式冷凍機において冷凍機の蒸発温度が-10℃の場合には約15%もの性能向上が見込めることがわかった．

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Overseas Activities 【 display / non-display 】

  • 熱システムにおける汎用的解析手法ならびに新要素技術の確立

    2005.06
    -
    2006.05

    アメリカ   Univ. of Illinois

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Syllabus 【 display / non-display 】

  • Heat Transfer

    School of Fundamental Science and Engineering

    2021   spring semester

  • Graduation Thesis [S Grade]

    School of Fundamental Science and Engineering

    2021   full year

  • Graduation Thesis

    School of Fundamental Science and Engineering

    2021   full year

  • Seminar [S Grade]

    School of Fundamental Science and Engineering

    2021   full year

  • Seminar

    School of Fundamental Science and Engineering

    2021   full year

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