Transcript 環境熱流体工学

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

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。


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

地球環境




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



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)





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）



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


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。






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

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



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？



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

熱力学状態方程式の紹介






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


http://physics.nist.gov/cuu/index.html
http://webbook.nist.gov/chemistry/fluid/