環境熱流体工学

Report
エネルギー利用・流体物性論
Energy Utilization and Fluid Properties
空間・環境デザイン工学専修
佐藤 春樹
http://www.sato.sd.keio.ac.jp/
講義内容
1.概論
2.地球の熱収支と地球温暖化
3.熱力学サイクルと効率の定義
4.エクセルギーとヒートポンプ
5.流体の熱力学状態曲面
6.飽和蒸気圧力および気相域のモデリング
7.分子間ポテンシャルモデル
8.液相域と臨界域のモデリング
9.混合流体の熱力学性質
10.気液平衡・熱力学サイクルの計算
実在流体物性
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流体力学はCFDなど何でもできるように感じられるかもしれ
ないが、物質に固有な熱物性を取り込んだ計算は,まだ十
分とは言えず,今後の課題である。

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発電,ガス,石油,エンジン,ヒートポンプ(冷蔵庫,空調
機,給湯機)・・・などなど,エネルギー変換システムの多
くは流体によって機能している。
一方で,ほんの僅かな物性の違いで現象が大きく異なっ
てくることがある。(宇宙:湯沸かし;自然の仕組み:積乱
雲;自然対流;蒸散;小温度差エネルギーの利用:太陽
熱利用;海洋温度差発電)
Experiments
of decompression boiling
Delicate phenomena
for natural-energy utilization
20
15
15
(T -T cool) / K
(T -T cool) / K
20
10
Heater
10
5
Evaporator
5
Condenser
0
0
0
1
time/ h
2
0
1
time / h
2
エネルギー利用と流体物性
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地球環境
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地球温暖化(グローバル気象:空気、二酸化炭素、海水、水、・・・)
ヒートアイランド(ローカル気象)
水資源の確保(砂漠などで水がない;水はあっても飲めない)
エネルギー資源
 化学工学
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
石油化学(石油精製):化学平衡
化石燃料の輸送(LNGパイプライン)
エネルギー利用
 エネルギー供給(動力)
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燃焼(水素、空気および炭化水素系物質)
蒸気タービン(水)
燃料電池(天然ガス、アルコール、水素)
有機ランキンサイクル、海水温度差発電(有機流体, NH3+H2O )
エネルギー消費(ヒートポンプ)
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

空調(圧縮式:フロン;吸収式:LiBr+H2O, NH3+H2O)
給湯(二酸化炭素、フロン)
冷蔵・冷凍(フロン、炭化水素)
作動流体
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
1990年頃までの熱エネルギー利用は、基本的に水を用
いた発電やフロンによるエアコンなど純粋流体を作動流体
として用いていた。今も純粋流体に近い流体を用いること
が多い。
一方で、混合物も利用することで応用の幅が広がってきて
いる。
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火力・原子力発電所:水、水蒸気H2O+NH3
空調:R22R410A(R32+R125) ?
冷蔵庫:R12R134aisobutane
カーエアコン:R12R134aCO2?
給湯器:ガス電気ヒートポンプ(CO2, R410A)
以上の応用分野は気液平衡
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最近はメタンハイドレートなど固体との相平衡も視野に入ってきて
いる。
実在流体物性の最先端
熱エネルギー利用の高度化が地球環境問題を解決する
上で最も重要な対策のひとつである。
 熱力学の体系は素晴らしいが、いざ使おうとするとエンタ
ルピーやエントロピーなどの熱物性値が計算できないなど
現実的でない面がある。
 熱力学を使えるようにすること
=熱流体物性を使えるようにすることと言っても過言
ではない。
 実在流体の物性を数式で表現することは自然現象をモデ
リングすることでもある。
 分子からの理論アプローチ、実測データからのアプローチ
両面から最新の情報を解説したい。

熱流体物性の物理的アプローチ

熱流体物性
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熱力学性質(平衡性質)
輸送性質(非平衡性質)
分子の振る舞いが、どのようにマクロな物
性となって現れるのか?
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分子動力学
分子間ポテンシャルモデルと統計物理
創発的アプローチ(複雑系)
実在流体物性のモデリング
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熱力学状態方程式の紹介
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気相
液相
飽和状態(気液平衡)
臨界点と超臨界域
混合流体
熱流体物性データベース
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http://physics.nist.gov/cuu/index.html
http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/

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