エネルギー機器学Ⅱ - 筑波大学 大学院 構造 エネルギー 工学専攻

エネルギー機器学Ⅱ
国立大学法人筑波大学
大学院システム情報工学研究科
構造エネルギー工学専攻
阿部豊
講義概要
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科目番号： FG55791
科目名： エネルギー機器学Ⅱ
開講学期： 秋学期AB
曜日： 水曜日
時限： ５時限(15:15-16:30)
教室： 3L206
担当教官： 阿部豊
E-mail: [email protected]
http://www.kz.tsukuba.ac.jp/~abe/
シラバスに記載の事項
• [授業概要] 火力発電所や原子力発電所などの大規模集中
型エネルギー施設における蒸気タービンやボイラなどのエネ
ルギー機器，ならびに冷凍・空調・コジェネレーションなどの
小型分散型エネルギー設備における交換機器などの熱機器
の原理や構成，流体・熱・力学エネルギ相互間の関わり、さ
らには新エネルギーや地球環境問題とエネルギー機器の関
わりなどについて学ぶ。
• [授業の狙い] 種々のエネルギー形態相互間の変換の原理
と機器の構成について学び、エネルギーを扱うシステムを広
い視野に立って開発・設計する能力を養う。
• [受講生の到達レベル] 火力発電ならびに原子力発電用の
動力機器や冷凍空調機器用の小型分散型熱機器などの熱
エネルギー機器の動作原理や構成がわかるようになる。
授業計画
1. 蒸気プラントの原理
• 蒸気の性質と蒸気表
• ランキンサイクル
• 蒸気原動所システムと熱効率
2. ガスタービン発電
• 燃焼と輻射伝熱
• ブレイトンサイクル
• ガスタービンサイクルの熱効率
3. 蒸気タービン・ガスタービン複合発電
• 汽力発電とガスタービン複合発電
• 複合発電の熱効率
• 廃熱回収
4. 原子炉プラント
• 軽水炉（BWR、PWR）の原理
• 高速増殖炉（FBR）の原理
5. 冷凍・空調・コジェネレーション
• 熱交換器の原理と構成
• ヒートパイプ、ヒートポンプの原理と構成
平成25年度講義予定
1. (10/2) 動力エネルギー変換技術の変遷
2. (10/9) 沸騰の科学・蒸気の性質とボイラ
3. (10/16)ランキンサイクルと蒸気プラントの熱効率
4. (10/23)対流伝熱と各種伝熱面・熱交換器
5. (10/30)蒸発管内気液二相流の流動と伝熱
6. (11/6) [月曜日授業]
7. (11/13)燃焼と輻射伝熱
8. (11/20)ガスタービン発電とブレイトンサイクル
9. (11/27)蒸気タービン・ガスタービン複合発電
10.(12/4) 原子力発電
11.(12/11)冷凍・空調・コジェネレーション
12.(12/18)試験
エネルギー機器(熱利用設備)
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燃焼機器： ボイラ、蒸気タービン、ガスタービン
発電プラント： 火力発電、原子力発電、廃棄物発電
外燃機関： ジェットエンジン、ロケットエンジン
内燃機関(ガソリン、ジーゼル）： 自動車、船舶、原動機
工業炉： 溶鉱炉、金属精錬炉、窯業炉
工業プラント： 蒸留、蒸発、濃縮、乾燥、乾留、ガス化
電気化学反応機器： 燃料電池、太陽電池
冷凍・空調機器： エアコン、冷蔵庫
熱交換器： ラジエター、電子機器冷却、給湯
世界のエネルギー需給
経済生産とエネルギー
消費は正に相関
一次エネルギー源と需要割合
日本のエネルギー需給
Hubbert’s Peak
King Hubbert (1903 – 1989)
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1956年に、米国の産油量が、1970年にピークとなり、
その後、減少に転じることを予測。
USA Lower 48 Peak Discovery and Peak
Production (Colin J.. Campbell, 2002)
世界の産油量のピークはいつか?
Production in 2006 ~81 mb/day
in 2020 ~50 mb/day
動力エネルギー変換技術の変遷
動力発生のアイディア
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ヘロン（10年頃 - 70年頃）の蒸気機関
古代アレクサンドリアの工学者・数学
者であったヘロン（10年頃 - 70年頃）
が考案したさまざまな仕掛けの中に、
「ヘロンの蒸気機関」と呼ばれるもの
が存在する。これは、蒸気を円周上の
ノズルから噴出させることで回転力を
得るものである。これが人類史上に蒸
気機関が登場した最初のものである
とされる（これは現在のものとは原理
が異なる）。
蒸気タービンに関して、1629年にイタ
リアのジョバンニ・ブランカ(Giovanni
Branca)が蒸気タービン（衝動タービ
ン）の概念を図示したものを残してい
る。その後、1882年にスウェーデンの
ド・ラバル（Carl G. P. de Laval, 1845年
-1913年）が衝動式タービンを開発（試
作）。1884年にイギリスのチャールズ・
アルジャーノン・パーソンズ（Charles
Algernon Parsons, 1854年-1931年）が
多段階反動式タービンを開発（試作）、
1889年に発電用に実用化。1895年に
アメリカのチャールズ・ゴードン・カー
ティス（Charles Gordon Curtis）が二段
階多速衝動タービンを開発、1898年に
はフランスのラトーが現在のものの直
系の原型にあたるタイプのタービンを
実用化した。
動力発生のアイディア
ブランカのタービン(1629)
鉱山の水の排水
史跡佐渡金山http://www.sado-kinzan.com/
水上輪(1653-)
パパンの真空機関
パパン
パパンのエンジン(1690)
圧力とは・・・・・
• 単位面積S 当たりに加わる力F：
P=F / S
• パスカルの原理
「非圧縮性流体中に加えられた力
は、流体の他の 部分の圧力を同じ
だけ増加させる。」
• 高さｈで密度ρの流体の下にある物
体に加わる圧力P ：
P = ρgh
• 圧力の単位：
F( N )
2
(
N
/
m
) = ( Pa )
P=
=
S( m 2 )
10 5 ( Pa ) = 1( bar ) = 1000( mbar )
10 − 3 ( bar ) = 1( mbar ) = 1( hPa ) = 100( Pa )
P0
h
P0 + P
大気圧
• 大気圧とは、「地球上の平均海水面高さにおいて受ける圧力」
• その値は、「水銀の高さ760mm」に等しい。
)(
(
)
P = ρ ⋅ g ⋅ h = 13.5951 × 10 3 ( kg / m 3 ) ⋅ 9.80665 ( m / s 2 ⋅ (0.76 ( m ))
= 1.01325 × 10 5 ( kg ⋅ m / s 2 / m 2 )
= 1.01325 × 10 5 ( N / m 2 )
= 1.01325 × 10 5 ( Pa )
≈ 10 5 ( Pa )
= 1( bar )
• また、重力単位系において大気圧は、
P
760 mm
1.01325 × 10 5 ( kg ⋅ m / s 2 / m 2 )
P=
9.80665 ( m / s 2 )
( N / m2 )
= 1.0332 × 10
( m / s2 )
4
水銀
= 1.0332( kg f / cm 2 )
• 地球上の海水面高さにおいて、我々は、1(cm2)当たり1(kgf)の
力を受けている。
サグァリのポンプ機関
サグァリのポンプ機関の外観
(1698)
サグァリのポンプ機関の動作原理
ニューコメンの大気圧蒸気機関
(1717)
ニューコメンの大気圧蒸気機関の動作原理
ワットの蒸気機関
ワット
(1802)
ワットの単段膨張ポンプ機関
ワットのアイディア(その１)凝縮器の発明
ワットのアイディア(その２)往復動を回転動へ
横置往復動蒸気機関(1788)
James Watt Steam Engine
各機関の動作原理の比較
初期の蒸気機関車
蒸気機関車の動作原理
• 加熱蒸気がピストンの左側に
入る。
• ピストンを右側に押す。
• ピストンが右側に押し切られる
と、弁が開いて右側に加熱蒸
気が入る。このときピストンの
左側は低温・低圧となり、蒸気
が排出される。
• ピストンは左側へ動く。
フルトンの蒸気船 (1807)
四段膨張往復動蒸気機関 (1908)
スターリングの曲管式水管ボイラー
(1889)
グレートイースタン号の破裂事故 (1859)
蒸気機関車の破裂事故 (1860)
熱力学の先駆者たち
カルノー
ジュール
マイヤー
クラウジウス
ＵＳＳミッドウェー空母博物館
東京電力㈱千葉火力発電所１号タービン発電機
（展示場所）東京電力株式会社電気の史料館
[大型火力用蒸気タービン諸元]
メーカー：アメリカ・General Electric Co.
製造年：1956年
形式：タンデムコンパウンド型複流、単一再加熱
出力：125,000kW
回転数：3,000rpm
蒸気温度：1000F（538℃）
蒸気圧力：1,800psi（126kg/cm2）
排気：1.5インチ(38.1mm)水銀柱絶対圧
完全３次元流動設計低圧最終翼群
（3000rpm－48インチ スチール翼）
エネルギー利用形態の将来展望
複合ごみ発電（スーパーごみ発電）
家庭用燃料電池システム
東京ガスHPより抜粋
ヒートポンプ