JPH0143794B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPH0143794B2 JPH0143794B2 JP56049255A JP4925581A JPH0143794B2 JP H0143794 B2 JPH0143794 B2 JP H0143794B2 JP 56049255 A JP56049255 A JP 56049255A JP 4925581 A JP4925581 A JP 4925581A JP H0143794 B2 JPH0143794 B2 JP H0143794B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- acetone
- toluene
- working fluid
- heat recovery
- exhaust heat
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
Landscapes
- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
- Lubricants (AREA)
Description
この発明は、排熱の熱エネルギーをランキンサ
イクル機関で動力に変換して回収する際に用いる
作動流体に関するものである。 一般に低沸点媒体を作動流体として排熱エネル
ギーを回収し、動力や電力に変換して有効利用を
図る場合はランキンサイクル機関が利用されてい
る。 ランキンサイクル機関は、回収する排熱温度に
より最大出力の得られる最適蒸発温度が存在する
ので、最適蒸発温度に適応する作動流体を選択す
ることが重要である。 作動流体の選択に当たつては、熱力学的性質、
安全性、価格等の面から総合的に評価する必要が
あり、200℃以下の排熱回収にはフレオン、300℃
以上の排熱回収には水が主に用いられている。 しかし、200〜300℃の温度領域における排熱回
収に適した作動流体としては、熱力学的性質の良
好なトルエン、ベンゼンやフロリノール、フロリ
ナート等が考えられるが、前者は安価な反面毒性
が強く危険であり、後者は安全な反面高価格であ
るため実用性が劣つている。 このため前記温度領域における拝熱エネルギー
は無駄に放出されているのが実情である。 この発明は、このような問題点を解決するため
になされたもので、これ迄未利用のまま放出され
ていたほぼ200℃から300℃の範囲の排熱エネルギ
ーを、効率よく回収するランキンサイクル機関用
作動流体を提供するものである。以下、この発明
について説明する。 この発明は、一般に溶剤として各種工業用に広
く利用されているアセトン又はアセトンとトルエ
ンの混合溶液を作動流体として用いるものであ
る。 先ず、アセトンのランキンサイクル機関の作動
流体としての特性について説明する。 (1) アセトンの潜熱は104Kcal／Kg（130℃）で
水の約1/5で小さく、トルエン、ベンゼン及び
フロリノール等と同程度で、熱回収率が大き
い。 (2) アセトンのタービン出口蒸気比容積は1.15
m3／Kg（気体30℃）で水の約1/28であり、ター
ビンが小さくなりコンパクトな排熱回収装置が
設計できる。 (3) アセトンの毒性（許容濃度）は1000ppmと若
干毒性があるが、トルエンやベンゼンと比較す
るとそれぞれ1/10、1/40と非常に小さいもので
あり、このためたとえ若干のアセトンが機関か
ら漏れても簡単な換気装置で大気に放出する
か、後述のように、機関を密閉容器内に格納す
ることにより安全を保つことができる。 (4) 耐熱最高温度は480℃なので、この発明で対
象とする排熱の最高温度（ほぼ300℃）以上で
あるため、排熱回収装置運転中における局所的
な加熱による作動流体の分解や変質のおそれが
ない。たとえ分解・変質が生じても、フレオン
系物質のように弗化水素などの排熱回収装置や
運転員に極めて有害な生成物は生じない。 (5) 価格が非常に安いので、排熱回収のコスト低
減のメリツトが大きい。 (6) 凝縮出力が高く、高真空を必要としない。 (7) 熱伝導率が大きく、熱交換器が小形になる。 (8) 粘性係数が小さく、給液ポンプの駆動馬力が
小さくてすむ。 以上はアセトンが他の作動流体に比し優れてい
る点である。表１はアセトンと他の作動流体との
特性を列記したものである。
イクル機関で動力に変換して回収する際に用いる
作動流体に関するものである。 一般に低沸点媒体を作動流体として排熱エネル
ギーを回収し、動力や電力に変換して有効利用を
図る場合はランキンサイクル機関が利用されてい
る。 ランキンサイクル機関は、回収する排熱温度に
より最大出力の得られる最適蒸発温度が存在する
ので、最適蒸発温度に適応する作動流体を選択す
ることが重要である。 作動流体の選択に当たつては、熱力学的性質、
安全性、価格等の面から総合的に評価する必要が
あり、200℃以下の排熱回収にはフレオン、300℃
以上の排熱回収には水が主に用いられている。 しかし、200〜300℃の温度領域における排熱回
収に適した作動流体としては、熱力学的性質の良
好なトルエン、ベンゼンやフロリノール、フロリ
ナート等が考えられるが、前者は安価な反面毒性
が強く危険であり、後者は安全な反面高価格であ
るため実用性が劣つている。 このため前記温度領域における拝熱エネルギー
は無駄に放出されているのが実情である。 この発明は、このような問題点を解決するため
になされたもので、これ迄未利用のまま放出され
ていたほぼ200℃から300℃の範囲の排熱エネルギ
ーを、効率よく回収するランキンサイクル機関用
作動流体を提供するものである。以下、この発明
について説明する。 この発明は、一般に溶剤として各種工業用に広
く利用されているアセトン又はアセトンとトルエ
ンの混合溶液を作動流体として用いるものであ
る。 先ず、アセトンのランキンサイクル機関の作動
流体としての特性について説明する。 (1) アセトンの潜熱は104Kcal／Kg（130℃）で
水の約1/5で小さく、トルエン、ベンゼン及び
フロリノール等と同程度で、熱回収率が大き
い。 (2) アセトンのタービン出口蒸気比容積は1.15
m3／Kg（気体30℃）で水の約1/28であり、ター
ビンが小さくなりコンパクトな排熱回収装置が
設計できる。 (3) アセトンの毒性（許容濃度）は1000ppmと若
干毒性があるが、トルエンやベンゼンと比較す
るとそれぞれ1/10、1/40と非常に小さいもので
あり、このためたとえ若干のアセトンが機関か
ら漏れても簡単な換気装置で大気に放出する
か、後述のように、機関を密閉容器内に格納す
ることにより安全を保つことができる。 (4) 耐熱最高温度は480℃なので、この発明で対
象とする排熱の最高温度（ほぼ300℃）以上で
あるため、排熱回収装置運転中における局所的
な加熱による作動流体の分解や変質のおそれが
ない。たとえ分解・変質が生じても、フレオン
系物質のように弗化水素などの排熱回収装置や
運転員に極めて有害な生成物は生じない。 (5) 価格が非常に安いので、排熱回収のコスト低
減のメリツトが大きい。 (6) 凝縮出力が高く、高真空を必要としない。 (7) 熱伝導率が大きく、熱交換器が小形になる。 (8) 粘性係数が小さく、給液ポンプの駆動馬力が
小さくてすむ。 以上はアセトンが他の作動流体に比し優れてい
る点である。表１はアセトンと他の作動流体との
特性を列記したものである。
【表】
次に、温度が300℃近辺の排熱では、熱回収率
を最大にするアセトンの蒸発温度はおよそ200℃
になる。この蒸発温度での飽和蒸気圧力は26.28
Kg／cm2になる。作動流体の圧力が高過ぎると、作
動流体が外部に漏れ出す危険性が大きくなる。ア
セトンの漏洩はサイクルの性能低下を引き起すと
ともに、引火点が低いため火災や爆発の危険性が
あるので、漏洩を避けるためには作動流体の圧力
は低下する方が望ましい。 これを解決するため、この発明では蒸発温度を
一定に保つたまま蒸気圧力を低下させるために、
トルエンを混合した。また、万一漏洩した場合の
対策としては、後述のようにランキンサイクル構
成機器を密閉容器に格納し、不活性ガスを封入す
ればよい。 以下、アセトン・トルエン混合溶液の特性につ
いて説明する。 第１図はアセトン・トルエン混合溶液の温度と
飽和（平衡）蒸気圧力の関係を示す線図である。 なお、以下の説明において、アセトン・トルエ
ンの混合率は液体状態における重量比である。第
１図に示すようにトルエンの混合量増大に伴つ
て、温度−圧力曲線は下側に移動し、蒸気圧力は
低下する。 蒸発温度が120℃以下の場合は、フレオン系媒
体で使う方がよい。又、極端な蒸気圧力の低下は
冷却器内部の真空度増大をまねく。これらの観点
から、タービン入口の蒸気状態は第１図中の破線
で囲つた範囲にとる。この範囲で各蒸発温度にお
ける蒸気圧力は、トルエンの混入量を80％以下の
範囲で変化させることによつて自由に選べる。実
際の蒸気圧力の選定は、排熱回収装置の規模や周
囲条件によつて異なるので、これらに合せて選定
すればよい。 蒸気圧力を低下させる目的にトルエンを採用し
た理由を、次に説明する。 (1) トルエンは、アセトンと同様に有機溶剤とし
て利用されておりアセトンとの親和性がよい。 (2) トルエンは、蒸気圧力がやや低いだけで、
300℃以上の排熱回収用には優れた熱力学的特
性をもつている。アセトンと混合してもその特
性を維持する。 (3) 第２図はアセトン、トルエン及び混合溶液の
温度−エントロピ−線図（Ｔ−Ｓ線図）におけ
る飽和限界線を示す。アセトンの飽和蒸気線
は、ほぼ横軸に垂直であり、トルエンはやや右
上りの傾きを持つ。混合溶液では第２図に示す
ように左にふくれた弓なりの飽和蒸気線が形成
され、ランキンサイクルに有利な特性を示す。 例えば、トルエンを70％混入した混合溶液で
タービン入口の蒸気状態を飽和蒸気線上のＡ点
（200℃、16.2Kg／cm2）とすると、タービン内で
は過熱蒸気状態になりタービン仕事の効率が良
く、タービン出口の蒸気状態は再び飽和蒸気線
上のＢ点にもどるので以後の凝縮・液化にも都
合が良い。このように、特別な過熱器や再生器
を必要とせずに、タービンは過熱蒸気状態で運
転可能になる。 (4) アセトン・トルエンの作動流体が万一外部に
漏れた場合は、毒性の少いアセトンの方がトル
エンよりも早く蒸発して濃度が高くなるので、
アセトン蒸気の検知から容易に作動流体の漏れ
を知ることができる。 次に、作動流体が漏洩した場合の対策及び排熱
回収装置の構成について説明する。 従来から、ランキンサイクル機関では作動流体
の漏れを防止するために、サイクル構成機器を１
つの密閉容器内に格納する試みがなされている。
これによつて作動流体の毒性や可燃性に対しての
かなりの改善が可能であるかが、以下の説明は可
燃性作動流体の火災防止を更に積極的に行なつた
ものである。 第３図は作動流体の漏洩対策を施した排熱回収
装置を示す構成図である。 第３図において、１はタービン、２は発電機、
３は加熱器、４は冷却器、５は給液ポンプ、６は
駆動用電動機、７は排熱の流路、８は冷却媒体の
流路、９は密閉容器、１０はガス検出器、１１は
ガス濃度指示器である。 以上の構成において、ランキンサイクルの構成
機器、すなわち１〜６で示す機器を密閉容器９内
に格納する。なお、第３図では図示していない気
液分離器、蒸気加減弁などのサイクルの構成及び
制御に不可欠な補助機器も格納することは言うま
でもない。 密閉容器９内の空間には二酸化炭素（CO2）又
は窒素（N2）などの不活性ガスを大気圧と等し
い圧力で封入する。これにより、密閉容器９内の
機器及び管路から作動流体が漏れ出し、かつ電気
系統の短絡などで密器内部に点火源が存在する状
態になつても、容器内部には燃焼に不可欠な酸素
がないため火災又は爆発に発展することはない。 なお、サイクル構成機器はすべて密閉容器９内
に格納することが望ましいが、排熱のもつ熱エネ
ルギーを回収して作動流体を加熱・蒸発させる加
熱器３は、排熱の回収方式によつて、第４図ａ，
ｂ，ｃに示すように密閉容器９外に置く場合もあ
る。第４図ａは密閉容器９の表面に加熱器３を置
いた場合を示し、第４図ｂは密封容器９外に置い
た場合を示し、第４図ｃはヒートパイプ１２を介
して排熱を回収する場合を示している。 冷却器４も加熱器３と同様に、必要に応じて外
部に置くこともある。 密閉容器９の内部には適当なガス検知器１０を
設置しておき、内部にもれた作動流体の濃度を測
定できるようにしておく。これにより、装置の運
転員が容器外に置かれたガス濃度指示器１１で作
動流体の漏洩に気づき、対策を取ることができ
る。 以上述べたように、この発明は排熱温度により
トルエンの混合比率を変化させた混合溶液を作動
流体として用いるもので、従来無駄に放出されて
いたほぼ200℃から300℃の排熱回収を行うことが
出来、さらに排熱回収効率の高い排熱回収装置を
安価に作ることが可能となる。
を最大にするアセトンの蒸発温度はおよそ200℃
になる。この蒸発温度での飽和蒸気圧力は26.28
Kg／cm2になる。作動流体の圧力が高過ぎると、作
動流体が外部に漏れ出す危険性が大きくなる。ア
セトンの漏洩はサイクルの性能低下を引き起すと
ともに、引火点が低いため火災や爆発の危険性が
あるので、漏洩を避けるためには作動流体の圧力
は低下する方が望ましい。 これを解決するため、この発明では蒸発温度を
一定に保つたまま蒸気圧力を低下させるために、
トルエンを混合した。また、万一漏洩した場合の
対策としては、後述のようにランキンサイクル構
成機器を密閉容器に格納し、不活性ガスを封入す
ればよい。 以下、アセトン・トルエン混合溶液の特性につ
いて説明する。 第１図はアセトン・トルエン混合溶液の温度と
飽和（平衡）蒸気圧力の関係を示す線図である。 なお、以下の説明において、アセトン・トルエ
ンの混合率は液体状態における重量比である。第
１図に示すようにトルエンの混合量増大に伴つ
て、温度−圧力曲線は下側に移動し、蒸気圧力は
低下する。 蒸発温度が120℃以下の場合は、フレオン系媒
体で使う方がよい。又、極端な蒸気圧力の低下は
冷却器内部の真空度増大をまねく。これらの観点
から、タービン入口の蒸気状態は第１図中の破線
で囲つた範囲にとる。この範囲で各蒸発温度にお
ける蒸気圧力は、トルエンの混入量を80％以下の
範囲で変化させることによつて自由に選べる。実
際の蒸気圧力の選定は、排熱回収装置の規模や周
囲条件によつて異なるので、これらに合せて選定
すればよい。 蒸気圧力を低下させる目的にトルエンを採用し
た理由を、次に説明する。 (1) トルエンは、アセトンと同様に有機溶剤とし
て利用されておりアセトンとの親和性がよい。 (2) トルエンは、蒸気圧力がやや低いだけで、
300℃以上の排熱回収用には優れた熱力学的特
性をもつている。アセトンと混合してもその特
性を維持する。 (3) 第２図はアセトン、トルエン及び混合溶液の
温度−エントロピ−線図（Ｔ−Ｓ線図）におけ
る飽和限界線を示す。アセトンの飽和蒸気線
は、ほぼ横軸に垂直であり、トルエンはやや右
上りの傾きを持つ。混合溶液では第２図に示す
ように左にふくれた弓なりの飽和蒸気線が形成
され、ランキンサイクルに有利な特性を示す。 例えば、トルエンを70％混入した混合溶液で
タービン入口の蒸気状態を飽和蒸気線上のＡ点
（200℃、16.2Kg／cm2）とすると、タービン内で
は過熱蒸気状態になりタービン仕事の効率が良
く、タービン出口の蒸気状態は再び飽和蒸気線
上のＢ点にもどるので以後の凝縮・液化にも都
合が良い。このように、特別な過熱器や再生器
を必要とせずに、タービンは過熱蒸気状態で運
転可能になる。 (4) アセトン・トルエンの作動流体が万一外部に
漏れた場合は、毒性の少いアセトンの方がトル
エンよりも早く蒸発して濃度が高くなるので、
アセトン蒸気の検知から容易に作動流体の漏れ
を知ることができる。 次に、作動流体が漏洩した場合の対策及び排熱
回収装置の構成について説明する。 従来から、ランキンサイクル機関では作動流体
の漏れを防止するために、サイクル構成機器を１
つの密閉容器内に格納する試みがなされている。
これによつて作動流体の毒性や可燃性に対しての
かなりの改善が可能であるかが、以下の説明は可
燃性作動流体の火災防止を更に積極的に行なつた
ものである。 第３図は作動流体の漏洩対策を施した排熱回収
装置を示す構成図である。 第３図において、１はタービン、２は発電機、
３は加熱器、４は冷却器、５は給液ポンプ、６は
駆動用電動機、７は排熱の流路、８は冷却媒体の
流路、９は密閉容器、１０はガス検出器、１１は
ガス濃度指示器である。 以上の構成において、ランキンサイクルの構成
機器、すなわち１〜６で示す機器を密閉容器９内
に格納する。なお、第３図では図示していない気
液分離器、蒸気加減弁などのサイクルの構成及び
制御に不可欠な補助機器も格納することは言うま
でもない。 密閉容器９内の空間には二酸化炭素（CO2）又
は窒素（N2）などの不活性ガスを大気圧と等し
い圧力で封入する。これにより、密閉容器９内の
機器及び管路から作動流体が漏れ出し、かつ電気
系統の短絡などで密器内部に点火源が存在する状
態になつても、容器内部には燃焼に不可欠な酸素
がないため火災又は爆発に発展することはない。 なお、サイクル構成機器はすべて密閉容器９内
に格納することが望ましいが、排熱のもつ熱エネ
ルギーを回収して作動流体を加熱・蒸発させる加
熱器３は、排熱の回収方式によつて、第４図ａ，
ｂ，ｃに示すように密閉容器９外に置く場合もあ
る。第４図ａは密閉容器９の表面に加熱器３を置
いた場合を示し、第４図ｂは密封容器９外に置い
た場合を示し、第４図ｃはヒートパイプ１２を介
して排熱を回収する場合を示している。 冷却器４も加熱器３と同様に、必要に応じて外
部に置くこともある。 密閉容器９の内部には適当なガス検知器１０を
設置しておき、内部にもれた作動流体の濃度を測
定できるようにしておく。これにより、装置の運
転員が容器外に置かれたガス濃度指示器１１で作
動流体の漏洩に気づき、対策を取ることができ
る。 以上述べたように、この発明は排熱温度により
トルエンの混合比率を変化させた混合溶液を作動
流体として用いるもので、従来無駄に放出されて
いたほぼ200℃から300℃の排熱回収を行うことが
出来、さらに排熱回収効率の高い排熱回収装置を
安価に作ることが可能となる。
第１図はアセトン・トルエン混合溶液の温度と
飽和蒸気圧力の関係を示す線図、第２図はアセト
ン・トルエン及び混合溶液の温度−エンドロピー
線図、第３図は作動流体の漏洩対策を施した排熱
回収装置を示す構成図、第４図は第３図に示す加
熱器の置き方の他の例を示す構成図で、ａは密閉
容器の表面に加熱器を置いた場合、ｂは密閉容器
の外に加熱器を置いた場合、ｃはヒートパイプを
介して排熱を回収する場合を示す図である。 図中、Ａはトルエンを70％混入した混合溶液の
タービン入口の蒸気状態を飽和蒸気線上で示す
点、Ｂは同上溶液のタービン出口の蒸気状態を飽
和蒸気線上で示す点、１はタービン、２は発電
機、３は加熱器、４は冷却器、５は給液ポンプ、
６は駆動用電動機、７は排熱の流路、８は冷却媒
体の流路、９は密閉容器、１０はガス検出器、１
１はガス濃度指示器である。
飽和蒸気圧力の関係を示す線図、第２図はアセト
ン・トルエン及び混合溶液の温度−エンドロピー
線図、第３図は作動流体の漏洩対策を施した排熱
回収装置を示す構成図、第４図は第３図に示す加
熱器の置き方の他の例を示す構成図で、ａは密閉
容器の表面に加熱器を置いた場合、ｂは密閉容器
の外に加熱器を置いた場合、ｃはヒートパイプを
介して排熱を回収する場合を示す図である。 図中、Ａはトルエンを70％混入した混合溶液の
タービン入口の蒸気状態を飽和蒸気線上で示す
点、Ｂは同上溶液のタービン出口の蒸気状態を飽
和蒸気線上で示す点、１はタービン、２は発電
機、３は加熱器、４は冷却器、５は給液ポンプ、
６は駆動用電動機、７は排熱の流路、８は冷却媒
体の流路、９は密閉容器、１０はガス検出器、１
１はガス濃度指示器である。
Claims (1)
- １ 排熱回収用ランキンサイクル機関に用いる作
動流体であつて、アセトンとトルエンの混合溶液
でかつトルエンの重量比による混合率80％以下と
したことを特徴とする排熱回収用作動流体。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56049255A JPS57164193A (en) | 1981-04-03 | 1981-04-03 | Working fluid for waste heat recovery |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56049255A JPS57164193A (en) | 1981-04-03 | 1981-04-03 | Working fluid for waste heat recovery |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS57164193A JPS57164193A (en) | 1982-10-08 |
| JPH0143794B2 true JPH0143794B2 (ja) | 1989-09-22 |
Family
ID=12825721
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56049255A Granted JPS57164193A (en) | 1981-04-03 | 1981-04-03 | Working fluid for waste heat recovery |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS57164193A (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007085195A (ja) * | 2005-09-20 | 2007-04-05 | Denso Corp | 廃熱回生装置 |
| JP2008255923A (ja) * | 2007-04-06 | 2008-10-23 | Sanden Corp | 内燃機関の廃熱利用装置 |
| JP2013217214A (ja) * | 2012-04-05 | 2013-10-24 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | 有機媒体を利用するガスタービンエンジン装置 |
-
1981
- 1981-04-03 JP JP56049255A patent/JPS57164193A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS57164193A (en) | 1982-10-08 |
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